采用ATmega16单片机的干式变压器智能控制器系统设计
时间：2012-04-06 09:56:57
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[导读]介绍一种由ATmega16单片机构成的干式变压器智能 控制器。该控制器可同时检测4路温度，误差小于±0.5℃，现场运行稳定；用户可通 过人机接口控制变压器冷却风机启、停，设定报警及跳闸阀值。
关键词：单片
介绍一种由ATmega16单片机构成的干式变压器智能 控制器。该控制器可同时检测4路温度，误差小于±0.5℃，现场运行稳定；用户可通 过人机接口控制变压器冷却风机启、停，设定报警及跳闸阀值。
关键词：单片机；A/D转换；温度
Intelligent Temperature Controller Design on Drytype
T ransformer Based on ATmega16
T ransformer Based on ATmega16
ZHAO Yingkai, WANG Jingqin
(Institute of Electrical Apparatus, Hebei University of Technology,
T ianjin 300130, China)
T ianjin 300130, China)
Keywords: MCU; A/D transform; temperature
1工作原理
温控仪由温度监测、信号处理、输出控制三部分组成。系统框图如图1所示，它通过预埋在 变压器三相绕组中的三只铂电阻传感器获取绕组温度值，经信号调理电路处理后直接送入控 制器的A/D转换输入端。微控制器根据信号数据及设定的各种控制参数，按照嵌入的软件控 制规律执行计算与处理，自动显示变压器绕组的温度值、输出相应的控制信号、控制风机的 启停，并根据当前状态输出正常、报警和跳闸信号等，同时将各种数据通过RS-485传到上 位机实现集中监控。
温控仪控制核心采用ATmegal6单片机，它是一款基于AVR RISC的低功耗CMOS 8位单片机，在 一个时钟周期内执行一条指令，可以取得1MIPS/MHz的性能，因此具有实时性。片内带有16K B的FLASH、512B的E2PROM，可以暂存故障、超温上限温度值。?
温控仪由温度监测、信号处理、输出控制三部分组成。系统框图如图1所示，它通过预埋在 变压器三相绕组中的三只铂电阻传感器获取绕组温度值，经信号调理电路处理后直接送入控 制器的A/D转换输入端。微控制器根据信号数据及设定的各种控制参数，按照嵌入的软件控 制规律执行计算与处理，自动显示变压器绕组的温度值、输出相应的控制信号、控制风机的 启停，并根据当前状态输出正常、报警和跳闸信号等，同时将各种数据通过RS-485传到上 位机实现集中监控。
温控仪控制核心采用ATmegal6单片机，它是一款基于AVR RISC的低功耗CMOS 8位单片机，在 一个时钟周期内执行一条指令，可以取得1MIPS/MHz的性能，因此具有实时性。片内带有16K B的FLASH、512B的E2PROM，可以暂存故障、超温上限温度值。?
模拟转换控制电路用于将温度模拟量转换成单片机能够识别的电信号，转换原理如图2所示 。当温度变化时，PT100的阻值会随着温度的变化线性变化，其分压值与某一固定电路分压 值进行比较，其结果送入运算放大器，转换成A/D转换范围内的模拟量。
ATmega16中的A/D转换精度为10位，由于参考电压为5V，所以必须将模拟信号转换成0～5V的 电压，因此在设计此电路时，各元件的参数都按照此要求设计。同时，还要考虑其线性化， 为了使软件设计中的计算按线性处理，在硬件设计时，一定要将温度与转换到单片机的数字 量成线性变化。由电路可知：
?
从公式中可以看出，得出的A/D转换电压与Rw不成正比，不符合线性要 求。如果满足转换电压就与Rw近似成正 比，与温度也近似成正比关系。这样就可以通过线性计算来求出任意一点的温 度，不过用线性化来计算这种近似线性的图形，也会带来微小的误差，这些误差可以在软件 设计中解决。
1.2输出电路
输出电路是单片机对模数转换的数值进行计算和控制结果的体现，如图3所示。单片机输出 的控制量输入到JK端口，若此信号低电平，则光电耦合器件导通，使CMOS三极管导通，从而 继电器通电，常开触点闭合，输出220V电压；否则，输出0V电压。
ATmega16中的A/D转换精度为10位，由于参考电压为5V，所以必须将模拟信号转换成0～5V的 电压，因此在设计此电路时，各元件的参数都按照此要求设计。同时，还要考虑其线性化， 为了使软件设计中的计算按线性处理，在硬件设计时，一定要将温度与转换到单片机的数字 量成线性变化。由电路可知：
?
从公式中可以看出，得出的A/D转换电压与Rw不成正比，不符合线性要 求。如果满足转换电压就与Rw近似成正 比，与温度也近似成正比关系。这样就可以通过线性计算来求出任意一点的温 度，不过用线性化来计算这种近似线性的图形，也会带来微小的误差，这些误差可以在软件 设计中解决。
1.2输出电路
输出电路是单片机对模数转换的数值进行计算和控制结果的体现，如图3所示。单片机输出 的控制量输入到JK端口，若此信号低电平，则光电耦合器件导通，使CMOS三极管导通，从而 继电器通电，常开触点闭合，输出220V电压；否则，输出0V电压。
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软件采用模块化结构，包括1个主模块和5个子模块(按钮处理子模块、设置上限温度及采集 边界点数字量子模块、通信子模快、故障输出处理子模块和显示子模块)，主模块完成对各 个子模块初始化，调用故障输出处理子模块、显示子模块。而按钮处理子模块、设置上限温 度及采集边界点数字量子模块、通信模块采用中断方式工作，主模块与它们通过共用一段RA M区域进行联系。由于在单片机应用系统的模拟输入信号中含有种种噪音和干扰，故本程序 采用数字滤波技术滤波。除此之外，对于前面提到的线性化问题，我们采用了将0～200℃分 成四个区域，在每个区域进行线性化计算。这样比在0～200℃区域内直接进行计算要精确的 多，能够达到0.1℃的精度。
各个子模块的功能如下：
(1)按钮处理子模块在有键按下时向ATmega16申请中断，在中断子程序中修改预先设好的标 志位。 (2)设置上限温度及采集边界点数字量子模块可以在长时间按键时通过输入密码进入修改上 限温度的界面，通过按钮对0℃、50℃、100℃、150℃、200℃所对应的数字量进行采集，并 将结果存到E?2PROM里，用此数据作为边界点计算出0～200℃之间的任何温度。 (3)通信子模块可以通过LBC184(将RS232信号转换为RS485信号)芯片和单片机连接 远程的被控对象进行RS485通信。 (4)故障输出子模块可以通过实际温度与上限温度的比较，来判断现场是否出现异常情况。 同时，设置标志位来判断是否进行A/D转换、是否进行显示。 (5)显示子模块将线性计算出的结果经二进制到BCD码的转换送到5位LED显示器显示。?
软件采用模块化结构，包括1个主模块和5个子模块(按钮处理子模块、设置上限温度及采集 边界点数字量子模块、通信子模快、故障输出处理子模块和显示子模块)，主模块完成对各 个子模块初始化，调用故障输出处理子模块、显示子模块。而按钮处理子模块、设置上限温 度及采集边界点数字量子模块、通信模块采用中断方式工作，主模块与它们通过共用一段RA M区域进行联系。由于在单片机应用系统的模拟输入信号中含有种种噪音和干扰，故本程序 采用数字滤波技术滤波。除此之外，对于前面提到的线性化问题，我们采用了将0～200℃分 成四个区域，在每个区域进行线性化计算。这样比在0～200℃区域内直接进行计算要精确的 多，能够达到0.1℃的精度。
各个子模块的功能如下：
(1)按钮处理子模块在有键按下时向ATmega16申请中断，在中断子程序中修改预先设好的标 志位。 (2)设置上限温度及采集边界点数字量子模块可以在长时间按键时通过输入密码进入修改上 限温度的界面，通过按钮对0℃、50℃、100℃、150℃、200℃所对应的数字量进行采集，并 将结果存到E?2PROM里，用此数据作为边界点计算出0～200℃之间的任何温度。 (3)通信子模块可以通过LBC184(将RS232信号转换为RS485信号)芯片和单片机连接 远程的被控对象进行RS485通信。 (4)故障输出子模块可以通过实际温度与上限温度的比较，来判断现场是否出现异常情况。 同时，设置标志位来判断是否进行A/D转换、是否进行显示。 (5)显示子模块将线性计算出的结果经二进制到BCD码的转换送到5位LED显示器显示。?
(1)解决温控仪中交流电源干扰，其方法是在交流电源的进线端，即电源变压器的 初级串联一个电源滤波器，它可以有效地抑制高频干扰的侵入(图4)。
(3)在模拟转换电路中的温度传感器两端，以及其他地方使用压敏电阻器，吸收不 同极性的过电压。
(4) 在干式变压器运行现场进行电磁干扰试验，对试验结果进行概率统计分析，并通过精心选择 元器件、采用硬件抗干扰技术及软件抗干扰技术使干扰源产生的电磁干扰降至最小。
该温控仪功耗低、技术先进，功能完善，操作简单，性能可靠，能够在十分恶劣的电磁干扰 或高温环境长期稳定工作，是干式变压器理想的监控装置。
(4) 在干式变压器运行现场进行电磁干扰试验，对试验结果进行概率统计分析，并通过精心选择 元器件、采用硬件抗干扰技术及软件抗干扰技术使干扰源产生的电磁干扰降至最小。
该温控仪功耗低、技术先进，功能完善，操作简单，性能可靠，能够在十分恶劣的电磁干扰 或高温环境长期稳定工作，是干式变压器理想的监控装置。
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