金屬氧化物避雷器(MOA)是防止供電系統(tǒng)和用電設(shè)備免受雷電危害的主要設(shè)施，一旦出現(xiàn)故障，不但失去應(yīng)有的防雷作用，且可能帶來(lái)供電事故。因而為確保MOA正常發(fā)揮作用，需要在線監(jiān)測(cè)MOA的運(yùn)行狀態(tài)。以MOA閥片溫度作為故障特征量，設(shè)計(jì)了基于DS18B20和AT89S52單片機(jī)的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。研究表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，方法正確， 可滿足應(yīng)用需求，大幅度減少了MOA維護(hù)成本。

　　避雷器監(jiān)測(cè)中，幾乎所有需要測(cè)量的變量，包括在正常電壓及過(guò)電壓下的能量吸收，及由于老化和受潮產(chǎn)生的功耗，都會(huì)影響MOA閥片的溫度。溫度不僅是其實(shí)際工作狀況的間接檢測(cè)，而且是避雷器本身的精確運(yùn)行參數(shù)。MOA的溫度是各種影響參數(shù)共同作用的結(jié)果，避雷器的能量吸收能力是由溫度確定的。正常運(yùn)行條件下，MOA吸收能量損耗，溫度變化很小，出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，溫度可能暫時(shí)會(huì)有所上升，但會(huì)慢慢恢復(fù)。在MOA老化或受潮時(shí)，溫度會(huì)逐步上升，溫度不僅是其實(shí)際工作狀況的間接反映，而且是各種影響參數(shù)共同作用的結(jié)果。在持續(xù)運(yùn)行電壓下MOA過(guò)熱直接與能量損失相關(guān)，而與運(yùn)行電壓的質(zhì)量及外界干擾等無(wú)直接關(guān)系。因此，MOA閥片的溫度是判別其是否工作在(熱)穩(wěn)定狀態(tài)的重要特征量。有限元法對(duì)MOA的熱特性分析表明，MOA的接地端溫度能反映MOA閥片的熱量分布狀態(tài)，只要獲得MOA的接地端溫度，就可以判斷MOA的當(dāng)前工作狀態(tài)。

　　論文設(shè)計(jì)的MOA溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以DS18B20為溫度傳感器，AT89S52單片機(jī)為控制單元，同時(shí)通過(guò)RS-485總線與PC機(jī)進(jìn)行通信，具有遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)能力和遠(yuǎn)程報(bào)警能力。

　　1 DS18B20簡(jiǎn)介

　　1. 1 DS18B20

　　系統(tǒng)采用DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20監(jiān)測(cè)MOA接地端溫度。

　　DS18B20通過(guò)對(duì)其內(nèi)部溫度系統(tǒng)振蕩器輸出的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)來(lái)測(cè)量溫度，并在芯片內(nèi)部把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微處理器處理，它具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。芯片的測(cè)溫范圍為-50~125,可精確到01625;其工作電源既可以遠(yuǎn)端引入，也可以以寄生方式產(chǎn)生;每個(gè)芯片都有自己?jiǎn)为?dú)的識(shí)別編碼，因而在一條總線上可掛接多個(gè)DS18B20芯片;由于它占用微處理器的端口少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路，適合于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測(cè)。

　　在進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫時(shí)，由于傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有一定的距離，電磁干擾、信號(hào)衰減等問(wèn)題會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。DS18B20內(nèi)部提供CRC 冗余校驗(yàn)碼，傳輸過(guò)程中系統(tǒng)具有一定的容錯(cuò)能力，在糾錯(cuò)范圍內(nèi)，就可以對(duì)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正， 提高抗干擾能力和加大傳輸距離;當(dāng)錯(cuò)誤超出糾錯(cuò)范圍時(shí)，也可以識(shí)別出錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新采集，從而提高采集數(shù)據(jù)的可信度。DSl8B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　圖1DS l8B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　1. 2 單線( 1-W ire)技術(shù)

　　單總線( 1-Wire)技術(shù)是近年來(lái)由美國(guó)Da llas半導(dǎo)體公司研發(fā)的一種總線技術(shù)。與SPI、I2C 等多種標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù)通信方式不同， 它采用單根信號(hào)線傳輸時(shí)鐘和數(shù)據(jù)， 以其具有的節(jié)約I/O 資源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越多的被廣泛應(yīng)用于民用電器、工業(yè)控制領(lǐng)域。

　　單總線適用于單個(gè)主機(jī)(Master)控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)( Slave)設(shè)備的系統(tǒng)。當(dāng)只有一個(gè)從機(jī)設(shè)備時(shí)， 系統(tǒng)可按單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作， 當(dāng)有多個(gè)從機(jī)設(shè)備時(shí)， 系統(tǒng)可按多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作。與其它如并行、串行及專用總線相比， 單總線突出的特點(diǎn)是主機(jī)控制器件的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線合成為一條信號(hào)線與從機(jī)設(shè)備進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)交換。所以在有多路多個(gè)測(cè)控對(duì)象時(shí)， 系統(tǒng)的布線簡(jiǎn)單、方便。但是較小的硬件開(kāi)銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行補(bǔ)償。

　　經(jīng)過(guò)單線接口訪問(wèn)單總線器件有嚴(yán)格的單總線命令序列如下：

　　每次訪問(wèn)單總線器件， 都必須嚴(yán)格遵守這個(gè)命令序列。如果出現(xiàn)序列混亂， 則單總線器件不會(huì)響應(yīng)主機(jī)。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)， 如圖2 所示。其中監(jiān)測(cè)站完成溫度的測(cè)量， 并通過(guò)RS- 485總線與PC機(jī)進(jìn)行通信， 實(shí)現(xiàn)基于溫度的MOA 在線監(jiān)測(cè)。

　　圖2 MOA溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　監(jiān)測(cè)站以AT89S52單片機(jī)作為控制器， 通過(guò)多個(gè)數(shù)字式溫度傳感器DSl8B20對(duì)三相MOA和環(huán)境溫度進(jìn)行采樣， 送往單片機(jī)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。此單片機(jī)通過(guò)RS- 485總線與PC 機(jī)進(jìn)行通信， 實(shí)時(shí)傳送當(dāng)前的三相MOA 溫差和工作狀態(tài)標(biāo)志， 并按照要求發(fā)送或接收參數(shù)的設(shè)定值。本設(shè)計(jì)中四路溫度傳感器分別測(cè)量一組監(jiān)測(cè)站中三個(gè)MOA底部接地端子溫度和環(huán)境溫度。單片機(jī)對(duì)采集來(lái)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理判斷， 并將判斷的MOA 當(dāng)前工作狀態(tài)存儲(chǔ)， 等待監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)的讀取， 實(shí)現(xiàn)基于溫度的MOA 在線監(jiān)測(cè)。

　　監(jiān)測(cè)站溫度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖3 MOA溫度在線監(jiān)測(cè)站結(jié)構(gòu)框圖

　　2. 1 電源電路

　　電源部分電路如圖4 所示。電源輸入電壓為220 V交流電壓， 輸出為+ 5 V 電壓， 直接供給單片機(jī)使用， 圖3中的穩(wěn)壓管用于抑制雷電和操作過(guò)電壓干擾， FIT是交流干擾抑制濾波器， 用于進(jìn)一步降低電源干擾， AC /DC 是開(kāi)關(guān)型直流穩(wěn)壓電源， 為監(jiān)測(cè)站提供直流電源; 電容器具有濾波作用。

　　圖4 電源電路

　　2. 2 溫度測(cè)量電路

　　在多個(gè)器件串接在一線制總線上時(shí)， 為了區(qū)分每次操作是針對(duì)總線上哪個(gè)器件， DS18B20器件在內(nèi)部提供了每個(gè)器件獨(dú)有的64位ROM 序列號(hào)， 每一次操作都要首先在對(duì)DS18B20器件的ROM 序列號(hào)進(jìn)行匹配后， 方可對(duì)其中的某一個(gè)器件進(jìn)行測(cè)溫/讀取溫度值的操作。

　　當(dāng)一線制總線上僅有一個(gè)DS18B20器件時(shí)， 可以用sk ip ROM 操作(即跳過(guò)ROM 匹配)命令來(lái)代替64位序列號(hào)的匹配過(guò)程， 省掉煩瑣的總線上器件序列號(hào)的查詢操作。在本設(shè)計(jì)中， 每個(gè)監(jiān)測(cè)站僅用4個(gè)DS18B20器件， 因此在硬件滿足要求的條件下可以設(shè)計(jì)成單片機(jī)的每個(gè)端口僅連接一個(gè)DS18B20, 即利用單片機(jī)的并行端口同時(shí)對(duì)多個(gè)DS18B20進(jìn)行統(tǒng)一的操作。

　　圖5 DS l8B20的多點(diǎn)測(cè)溫電路原理圖

　　2. 3 串口通信電路

　　本設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)AT89S52 具有一個(gè)全雙工的串行口， 可以通過(guò)編程設(shè)定為4種工作方式， 完全滿足系統(tǒng)的串口通信要求。由于實(shí)際的溫度測(cè)量系統(tǒng)離PC機(jī)的監(jiān)控地點(diǎn)較遠(yuǎn)， 如采用常用的RS-232串行通信接口在傳輸距離短， 信號(hào)易受干擾等缺點(diǎn)， 因此本設(shè)計(jì)選用了RS- 485總線進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。RS - 485是美國(guó)電氣工業(yè)聯(lián)合會(huì)制定的通信標(biāo)準(zhǔn)， 其采用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸， 最大傳輸距離約為1219 m, 最大的傳輸速率可達(dá)10Mbit/ s, 能夠滿足長(zhǎng)距離和高速率的串行異步通信， 得到了廣泛的應(yīng)用。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中， 單片機(jī)端使用MAX485芯片將TTL 電平轉(zhuǎn)換成RS - 485的電平輸出， 并在PC端連接RS232 /485轉(zhuǎn)換器， 從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控。RS- 485總線接口電路如圖6所示。

　　圖6 RS- 485總線接口電路

　　2. 4 人機(jī)通信

　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可采用數(shù)碼管和鍵盤作為人機(jī)交互界面， 通過(guò)鍵盤按鍵來(lái)顯示三相MOA 的當(dāng)前工作溫度和與環(huán)境的溫差， 鍵盤設(shè)定或修改兩個(gè)回路的上下限溫度報(bào)警值， 且一經(jīng)設(shè)定完成后即用新的參數(shù)值進(jìn)行監(jiān)控并發(fā)往PC 機(jī)更新數(shù)據(jù)， 同時(shí)把新參數(shù)送入E2ROM中保存， 以防止系統(tǒng)掉電后參數(shù)的丟失。在溫度測(cè)量中， 系統(tǒng)用當(dāng)前測(cè)量值與設(shè)定的上下溫限值比較， 從而控制是否需要聲光報(bào)警。當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行發(fā)生了偏差， 可以通過(guò)復(fù)位按鍵使系統(tǒng)重新開(kāi)始運(yùn)作。

　　3 軟件編程設(shè)計(jì)

　　3. 1 DS18B20時(shí)序圖

　　由于DS18B20采用的是1-W ire總線協(xié)議方式，即用一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸， 單線通信功能是分時(shí)完成的， 有嚴(yán)格的時(shí)序概念， 因此讀寫時(shí)序很重要。系統(tǒng)對(duì)DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為： 初始化DS18B20(發(fā)復(fù)位脈沖)-發(fā)ROM 操作命令-發(fā)存儲(chǔ)器操作命令-處理數(shù)據(jù)。

　　DS18B20的復(fù)位、讀和寫時(shí)序圖如下。

　　所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備， 單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫時(shí)序開(kāi)始， 如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)， 在進(jìn)行寫命令后， 主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。

　　3. 2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主程序流程圖

　　軟件部分主要包括主程序、RS - 485 通信、鍵盤掃描、溫度采集、溫度顯示等部分組成。其中RS -485通信模塊主要完成和PC 機(jī)的通信; 鍵盤掃描模塊用來(lái)輸入各溫度傳感器的溫度上下限; 溫度采集模塊定時(shí)的采集四個(gè)溫度傳感器的溫度值; 溫度顯示模塊用來(lái)循環(huán)的顯示三相MOA與環(huán)境的溫度差。

　　圖10 系統(tǒng)主程序流程圖

　　3. 3溫度轉(zhuǎn)換讀取程序流程圖

　　啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換及讀取溫度值流程圖如圖11所示。

　　跳讀ROM[命令字CCH]模塊： 單片機(jī)將要發(fā)出的啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換指令是對(duì)總線上所有的DS18B20, 而不論它的器件序號(hào)。啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換[命令字44H]: 總線上所有的DS18B20開(kāi)始進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換， 經(jīng)過(guò)200ms左右， DS18B20將轉(zhuǎn)換結(jié)果存于RAM的0號(hào)和1號(hào)字節(jié)中， 供單片機(jī)讀取。因?yàn)樵趩慰偩€上只有一個(gè)DS18B20, 在讀溫度值時(shí)，只需要發(fā)出跳過(guò)ROM指令[CCH ], 然后讀取溫度數(shù)據(jù)即可。數(shù)據(jù)處理： DS18B20有嚴(yán)格的時(shí)序來(lái)保證數(shù)據(jù)的完整性。在單線DQ 上， 存在復(fù)位脈沖、應(yīng)答各脈沖、寫“ 0”、寫“1”、讀“0”和讀“1”幾種信號(hào)類型。

　　圖11 溫度轉(zhuǎn)換及讀取程序流程圖

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　DS18B20溫度傳感器以其線路簡(jiǎn)單， 硬件少， 成本低， 具有完善的單總線通信協(xié)議， 無(wú)需復(fù)雜煩瑣的布線，在實(shí)際生產(chǎn)和科學(xué)研究中有廣闊的前景。設(shè)計(jì)中采用的新型溫度傳感器DS18B20, 只需要一根單總線就可完成與單片機(jī)的通信， 避免了模擬傳感器帶來(lái)的共地干擾和線路干擾問(wèn)題。由它們構(gòu)成的單總線傳感器網(wǎng)絡(luò)線纜少， 從而大大減少了現(xiàn)場(chǎng)線纜， 簡(jiǎn)化了系統(tǒng)布線的復(fù)雜度， 系統(tǒng)可能發(fā)生故障的環(huán)節(jié)少， 便于維護(hù)， 提高了系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確程度和智能化程度， 并在一定程度上降低了系統(tǒng)成本。RS- 485現(xiàn)場(chǎng)總線將各采集器采集到的溫度數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)， 并對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)， 是數(shù)據(jù)在得以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)耐瑫r(shí)， 保持了較強(qiáng)的抗干擾性， 且實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與監(jiān)測(cè)站的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。