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1、摘 要目前大量的变压器都是采用继电开关为主的电器控制线路，继电开关老化、粘连和接触不良都会造成故障。不仅造成冷却效率的下降，且无法与PC机进行通讯。针对传统控制线路的缺陷，本文提出以STC89C58单片机为核心，实现对变压器油温的实时检测、LCD液晶显示、键盘设定温度上下限并且通过对比变压器温度值控制风扇的投入运行。远程通讯也方便了工作人员对现场状况的掌控，而且风扇和油泵状态的检测也有效的保护了设备，在提高了冷却装置运行的可靠性的同时，也提高了变压器运行的稳定性。关键词：变压器 单片机 实时检测 保护ABSTRACTAt present a large number of transforme
2、rs are electrical control circuit mainly adopts the relay switch, a relay switch aging, adhesion and poor contact can cause failure. Decrease the cooling efficiency, and not with PC machine communication.Aiming at the defects of the traditional control circuit, based on STC89C58 microcontroller as t
3、he core, realize the real-time detection of transformer oil temperature, LCD liquid crystal display, keyboard set temperature and the operational control of fan value contrast transformer temperature. Remote communication is convenient for working personnel on site conditions of control, and the det
4、ection of fan and pump condition also effective protection equipment, improve the reliability of the cooling device in operation at the same time, also improves the stability of the operation of transformer.Keywords: transformer single-chip microcomputer real-time detection protection目 录摘 要IABSTRACT
5、II第1章 绪论11.1 电力变压器冷却装置设计的意义11.2 电力变压器冷却装置的发展31.2.1 传统的电力变压器冷却装置31.2.2 现有的电力变压器冷却装置51.2.3 继电式电力变压器冷却装置的缺陷61.3 本次设计主要完成内容7第2章 变压器冷却控制装置原理82.1 冷却装置的组成部件和作用82.2 冷却装置应满足的要求92.2.1 变压器运行允许温度102.2.2 变压器运行允许温升112.2.3 变压器温度限值112.2.4 对变压器的冷却装置的要求122.2.5 冷却装置二次接线应满足的要求122.3 变压器冷却装置设计原理13第3章 变压器冷却控制装置的硬件设计143.1
6、硬件总体设计153.2 硬件系统部件设计163.2.1 单片机的选择163.2.2 温度采集电路223.2.3 外围设备保护电路273.2.4 A/D转换电路293.2.5 输出控制电路323.2.6 通讯电路353.2.7 键盘和显示电路373.2.8 电源电路403.3 光电隔离技术413.4 冷却装置风扇控制的实现43第4章 软件设计454.1 系统流程图454.2 综合投切模块474.3 按键模块484.4 通讯模块494.5 LCD1602显示模块50第5章 硬件电路仿真51结 论56致 谢57参考文献58附 录60CONTENTSABSTRACTIABSTRACTIIChapter
7、 1 Introduction11.1 The meaning of power transformer cooling device design11.2 The development of power tranformer cooling device31.2.1 The traditional power transformer cooling device31.2.2 The existing power transformer cooling device51.2.3 Relay type power transformer cooling device defects61.3 T
8、he design mainly complete content7Chapter 2 Transformer cooling control principle82.1 Components and function of the cooling unit82.2 Cooling unit shall meet the requirements92.2.1 Transformer operation allows the temperature102.2.2 Transformer operation allows the temperature rise112.2.3 Transforme
9、r temperature limit112.2.4 Requirements for transformer cooling device122.2.5 Cooling device for secondary wiring shall meet the requirements122.3 Transformer cooling device design principle13Chapter 3 Hardware design of the transformer cooling control mechanism153.1 The hardware system design153.2
10、Hardware system components design163.2.1 The choice of MCU163.2.2 Temperature acquisition circuit223.2.3 Peripheral protection circuit273.2.4 A/D conversion circuit303.2.5 Output control switch circuit323.2.6 Communication circuit353.2.7 The keyboard and display circuit373.2.8 Power circuit403.3 Pho
11、toelectric is olation technology413.4 The realization of the cooling fan control43Chapter 4 Software design454.1 System flowchart454.2 Comprehensive cutting module474.3 Key scan module484.4 Communication module494.5 LCD 1602 display module50Chapter 5 Hardware circuit simulation51Conclusion56Thanks57
12、References58Appendix60VI第1章 绪论在科学技术飞速发展的今天，电力的重要性日益突出。人们的生活、工业的发展以及经济的需要都离不开电，而电力变压器作为供电系统中的重要设备之一，它的性能、质量直接关系到电力系统运行的可靠性和经济效益。它对电能的经济传输、灵活分配和安全使用具有重要的意义。因此，更加安全的使用电力变压器就显得十分重要，尤其是保证变压器维持低的油温是电力变压器安全运行的基础，所以配备功能齐全的冷却装置更加重要。目前对变压器冷却装置的研究比较多，本文将提出我的设计方案，希望对电力系统的用电可靠性有所帮助。1.1 电力变压器冷却装置设计的意义由于变压器冷却装置介于变
13、电一次设备与二次设备之间，变压器制造厂家的研发重点在于变压器的结构，一般不会考虑冷却装置的问题，而二次设备生产厂家只注重继电保护、变电站直流系统等电网主设备，根本不会涉及到变压器的冷却装置，从而造成变压器冷却装置的研发比较滞后于其他技术。1电力变压器的基本结构部件是由铁心、绕组和绝缘所组成。变压器是一个能量转换的装置，转换过程中必然有能量损失，损失的能量大部分表现为热能。具体来说变压器有负载损耗，包括直流损耗和涡流损耗。变压器运行时其铁耗、铜耗和附加损耗都转变成热量，使铁芯、绕组等部件温度升高。因此为了保证电力变压器的安全运行，需要装设油箱、冷却装置和保护装置来对变压器进行冷却降温。其中，油箱
14、是油浸式变压器的外壳，变压器主体放在油箱中，箱内充满变压器油。铁心是磁力线的通路，起集中和加强磁通的作用，同时以支持绕组；绕组是电流的通路，产生感应电动势。在油枕和油箱的联管上装有瓦斯继电器，来反应变压器的内部故障。冷却装置是将变压器运行中产生的热量散发出去的设备，同时也是本文主要研究的内容。传统的继电式冷却装置的优点在于装置造价低廉，但缺陷是控制器件，逻辑控制功能低下，无通讯和保护功能；维护难度大，自动化水平低，安全运行水平低。如何克服原有变压器冷却装置的缺陷，尤其是提高变压器冷却装置的自动化水平，使变压器冷却装置能够很好的集成，是电力部门急待解决的问题。新的变压器冷却装置正是为了克服传统冷
15、却方式而应运而生的。油浸式变压器的散热过程是：先由热传导将铁心、绕组内部的热量传到其表面，然后传到油，再通过油的自然对流不断的将热量带到油箱、散热器油管的内壁，再通过热传导把热量传到油箱、散热器油管的外表面，之后再通过辐射和对流将热量散发到周围的空气中。而强迫油循环变压器的散热过程则是：用潜油泵将油上送入铁心中或绕组间的油道中，使其中的热量直接由具有一定流速的冷油带走，而变压器上层的热油用潜油泵抽出，经冷却器冷却后再送入变压器油箱底部，强迫变压器油进行油循环冷却，从而实现变压器冷却的目的，使变压器在安全的温度下运行。一般情况下，各种冷却装置的配置情况一般由变压器的电压等级来决定。35kV以下的
16、电力变压器冷却装置采用不吹风散热器的自然冷却装置；110kV变压器的冷却装置一般采用吹风散热器；而220kV及以上的电力变压器冷却装置采用强迫油循环风冷或水冷的冷却装置。2因为本文是对220KV大型电力变压器进行冷却控制，所以基于上述的文字叙述，我们选择强迫油风扇冷却的控制方式来设计冷却装置。1.2 电力变压器冷却装置的发展随着电力变压器容量与电压等级的不断提高，以前普及的常规冷却装置开始不断暴露出许多缺点，这些缺点成为大型电力变压器发展的障碍。因此，开发更多新型的冷却装置迫在眉睫。随着科学技术的不断发展，电力变压器冷却装置从空气冷却、变压器油冷却直到蒸发冷却都在不断的发生变化中，新的冷却装置
17、也在不断的孕育中。1.2.1 传统的电力变压器冷却装置世界上最早的变压器冷却方式是十九世纪后期出现的以空气作为冷却和绝缘介质的变压器，1876年世界第一台以空气冷却的变压器诞生了。1885年匈牙利成功制造了具有闭合磁路的电力变压器，采用的也是空气冷却。但是当时变压器的电压等级和绝缘水平都很低，其容量也小。直到1965年，德国T.U公司生产了第一台环氧树脂绝缘干式变压器，以空气为冷却方式的变压器有了质的飞跃。环氧树脂是一种不燃的固体绝缘材料，其绝缘强度高，运行噪音小，无需保养维修，关键是其耐热性高，适应高污秽、高温、潮湿的环境。从80年代开始，以日本为首的科学家开始研究生产以蒸发冷却为主的变压器
18、。由于加工技术的限制以及缺乏合适的绝缘材料，这种变压器很难向大型发展。为了有效的冷却变压器，采用油代替了空气，变压器油的耐电强度、传热性能比空气的要好的多，热容量也相对于空气大得多，这样可以在不改变变压器体积的同时增大它的容量。油浸式变压器由于冷却能力大，绕组、铁心温度分布均匀，是变压器的主要发展方向。现代大型电力变压器冷却装置的发展方向主要分冷却剂的革新和冷却方式的革新，冷却方式的革新以冷却剂的革新为前提。目前已开发生产的每一种冷却剂都有缺点，绝缘效果好的散热效果差，散热效果好的绝缘效果差。因此，在没有发现更好的冷却剂之前，冷却方式的革新非常重要。我国早期生产的水冷却器和风冷却器是60年代末
19、至90年代初较为广泛应用的。当时的水冷却器铜管与管座采用涨管技术，从制造技术到运行应用水平都不高，给变压器安全运行带来一定的影响，发生了冷却器冻坏、冷却器差压继电器弹性膜漏水、冷却器水管渗漏等一系列问题。经过制造部门和运行部门共同努力，这些问题逐一得到解决，运行也逐步稳定。但水冷却器的水漏入油中的问题难以从根本上解决。因此，80年代初，用风冷却方式代替水冷却方式的改造在不少变压器上得以实施，这一改造收到了安全可靠、维护工作量小的效果。 油浸式变压器根据油的循环方式的不同可以分为：自然循环式、强迫循环式和强油导向式；根据散热器冷却方式的不同可分为：自然风冷、强迫风冷和强迫水冷等，这几种油循环和冷
20、却方式之间可形成多种组合。小容量变压器一般采用自然风冷却方式，变电所的大容量变压器一般采用强迫油循环风冷却。在电厂里如果水源充足，强迫油循环水冷却和强迫油循环风冷却都有使用。传统的变压器冷却装置多由继电开关实现自动控制，此处拿自动控制强迫油循环风冷装置来举例子。（1）电源数量为两套，两套互相协助。其中一套为备用电源，防止另一套故障影响整个装置的运行。（2）装置的启停是利用转换开关与继电器连锁动作实现的。当转换开关处于“工作”挡，继电器线圈通电合闸，潜油泵和风扇开始动作。反之，当转换开关处于“停止”挡，继电器线圈失电分闸，潜油泵和风扇相应停止工作。（3）辅助散热器的投入与停止也与上面相同，将转换
21、开关打到“辅助”挡，散热器的投入与停止就是由变压器的负荷和温度变化来自动控制。（4）相同的原理，备用散热器的投入与停止也是这样。就看转换开关如何动作，相应的接触器线圈得电与失电控制潜油泵和风机的运转。（5）发生故障时，信号指示灯发出直流灯光信号。31.2.2 现有的电力变压器冷却装置 目前，国内变压器主力厂沈阳、保定、西安及合资厂ABB、西门子等，其变压器出厂时配置的强迫油循环风冷却控制装置的工作原理、逻辑回路、主要元器件的选配大致类似，差异很小。其主要部件采用常规的电磁式交流继电器、常规模拟式温控器、组合开关、交流接触器、热偶等，将强迫油循环的油泵和强风冷却的风机按组划分为运行、辅助与备用三
22、种状态，正常时起动运行机组，变压器温度高时起动辅助机组，运行机组或辅助机组故障时起动备用机组；采用两路独立交流主供电源，互为备用。这种传统的继电式控制装置的突出优点在于控制装置造价低廉。突出缺陷是控制器件、逻辑控制功能低下，无通讯和保护功能；执行元件触点多，接触不良，交流接触器、热偶等损坏率较高；电机保护问题一直未根本解决，尤其是缺相保护几乎起不到作用。1998年河南一家公司开发研制了利用集成电路和晶闸管构成的变压器冷却装置，它将数字集成电路作为控制部件代替常规的继电器逻辑控制回路，用晶闸管代替了交流接触器，温度控制仍采用常规模拟温控器，完成冷却机组的逻辑控制和保护。此种装置逻辑复杂，使用元件
23、多，维护困难；风冷控制装置安装在室外，工作环境恶劣，电子元件的抗干扰能力差，故障率高，控制装置几乎不能正常运转。目前，国内运行的风冷控制装置仍以传统的继电式控制装置占绝大多数，类似河南公司的冷却装置仍在研发阶段，投入正常使用的基本没有。国外变压器强迫油循环风冷却装置的研究与国内没有太大差异，目前还没有查阅到更先进的强迫油循环冷却装置。41.2.3 继电式电力变压器冷却装置的缺陷 目前国内的大型电力变压器冷却装置大部分仍沿袭传统的继电式控制模式，这种装置存在的主要弊端是：（1）冷却装置控制回路存在一定的设计缺陷；（2）因温度硬触点控制引起冷却装置组频繁启动和停止；（3）热继电器对冷却装置组的保护
24、功能不全；（4）冷却装置组设定为运行、辅助、备用、停止四种固定状态，不能随时在线调整；（5）继电式开关故障率高；（6）无法与调度自动化通讯，或者虽然可以传送信息，但是由于传输误差很大而使得传输信息变得没有意义；为了克服现有变压器冷却装置的上述缺陷，本文特提出用单片机做控制器而设计的冷却装置。此种冷却装置不仅克服了现有冷却装置的弊端，而且运行可靠、控制准确，对变压器的冷却有相当显著的作用。51.3 本次设计主要完成内容本次设计选择单片机作为控制器件，温度传感器对变压器温度进行检测，然后经过模数转换器对检测到的信号进行处理后发送给单片机，单片机通过程序中的判断语句判断需要投入冷却的风扇数。装置另配
25、有保护电路，分别检测风扇工作电流与油流继电器的工作状况，通过它门的运行状况了解风扇与潜油泵是否故障，在保护风扇和油泵的同时，也可以提高装置安全运行的稳定性。通讯做为现场与值班室工作人员联系的“桥梁”，可以把变压器的温度信息准确及时的传送到，有效的减小了人力的投入。另外，装置还设有按键与显示。对风扇工作的温度限值可以随时根据需要进行修改，而显示就是让温度随时反应在LCD显示屏上，以便工作人员的监测与调控。这是本设计目前可以实现的功能，较之以前使用的油循环风冷却装置的功能更加全面，控制更加方便与人性化。 第2章 变压器冷却控制装置原理冷却装置是变压器的重要组成部分，它的工作保证了变压器各部分的温度
26、保持在规定值以内。强迫油循环风冷却装置由风冷却器和风冷控制装置两部分组成，下面就对冷却装置的工作原理和配置进行分析和介绍。2.1 冷却装置的组成部件和作用目前我国大型电力变压器的冷却装置配置情况是：根据变压器容量的大小，配置数组风冷油循环冷却装置，每组风机油循环冷却装置由1台潜油泵和1台风扇组成。运行中为满足变压器的各种运行工况，一般要求冷却装置1台备用（运行冷却装置故障时可自动投入运行），其余所有冷却装置全部投入运行。变压器的风冷却装置包括两部分：内部冷却系统，它保证绕组、铁芯的热散入油中；外部冷却系统，它保证油的热散入周围介质中。由于大型变压器采用油自然循环冷却不能满足散热要求，故采用强迫
27、油循环的冷却方式。强迫油循环风冷却装置（简称风冷却器）与油自然循环风冷却装置的主要区别是采用潜油泵强迫油进行循环，这样油流速度加快，冷却效率自然提高。在电力变压器的强迫油循环风冷却装置中，主要由潜油泵、冷却设备、油流继电器、分控箱、主控制箱、远方信号系统等部分组成。 潜油泵：它的作用和水泵的作用有异曲同工之妙，用来将油上送入铁芯中或绕组间的油道中，使其中的热量直接由具有一定流速的冷油带走，而变压器上层的热油也是用它抽出，经冷却后送入变压器油箱的底部，强迫变压器油进行油循环冷却。 冷却设备：该设备主要是由风扇和冷却器本体组成，其实也就是冷却装置的被控对象，用来直接对变压器进行散热与冷却。 油流继
28、电器：它主要是用来监测冷却装置中的潜油泵是否反转、阀门是否打开和油流速度是否正常的保护装置。 净油器：它是充满吸附剂（活性氧化铝）的容器，安装在冷却器的下方，与下集油室链接。经过冷却器管簇的变压器油的一部分流经净油器时与吸附剂接触，使油中所带的水分、游离酸和过氧化合物皆被吸收，变压器油得到净化。 分控箱：在每一组冷却器下部装设一个分控箱，内设有接触器、热继电器、接线端子与保险，使每只风扇的电源通过分控箱进入电机本体，便于运行和维修。 主控制箱：它是变压器冷却装置的控制中枢，装有主接触、继电开关和继电器等。 远方信号系统：方便运行人员监控冷却装置或者变压器的运行状况。62.2 冷却装置应满足的要
29、求在变压器冷却装置的设计中参考了电力变压器运行规程（DL/T 572-95）中关于强迫油循环电力变压器冷却装置及运行条件的规定，也是冷却装置应该满足的要求。既然是冷却装置，首要就得考虑变压器的温度，其次就是二次接线应满足的要求。2.2.1 变压器运行允许温度 变压器在运行中要产生铜损和铁损，这两部分损耗最后全部转变为热能，使变压器的铁心和绕组发热，变压器的温度升高。当变压器温度高于周围介质的温度时，就会向外散热。变压器的温度与周围介质的温度的差别愈大，向外散热愈快。当单位时间内变压器内部产生的热量等于单位时间内散发出去的热量时，变压器的温度就不再升高，达到了热的稳定状态。若变压器的温度长时间超
30、过允许值，则变压器的绝缘容易损坏。因为绝缘长期受热后要老化，温度愈高，绝缘老化得愈快。当绝缘老化到一定程度时，由于在运行中受到振动便会使绝缘层破坏。另一方面，即使绝缘还没有损坏，但是温度愈高，在电动力的作用下，绝缘容易破裂，绝缘的性能愈差，便很容易被高压击穿而造成故障。因此，变压器正常运行时，不允许超过绝缘的允许温度。 我国电力变压器大部分采用A极绝缘，即浸渍处理过的有机材料，如纸、木材、棉纱等。在变压器运行时的热量传播过程中，各部分的温度差别很大，绕组的温度最高，其次是铁心的温度，绝缘油的温度低于绕组和铁心的温度，而且上部油温还高于下部油温。变压器运行的允许温度是按上层油温来检查的。采用A极
31、绝缘的变压器，在正常运行中，当最高周围空气温度在40时，变压器绕组的极限工作温度为105。由于绕组的平均温度比油温高10，同时为了防止油质劣化，所以规定变压器上层油最高不超过95。而在正常情况下，为保护绝缘油不致过度氧化，上层油温以不超过85为宜。对于采用强迫油循环水冷和风冷的变压器，上层油温最高不超过80，而正常运行时，上层油温不宜经常超过75。当变压器绝缘的工作温度超过允许值后，每升高8，其使用期限便减少一半，这就是8规则。2.2.2 变压器运行允许温升 变压器温度与周围介质温度的差值称作变压器的温升。由于变压器内部热量的传播不均匀，故变压器各部位的温度差别很大，这对变压器的绝缘强度有很大
32、影响。其次，当变压器温度升高时，绕组的电阻就会增大，还会使铜损增加。因此，需要对变压器的额定负荷时各部分的温升作出规定，这就是变压器的允许温升。对A级绝缘的变压器，当周围空气温度最高为40时，根据国家标准规定，绕组的温升为65。当周围空气温度超过了允许值后，就不允许变压器满负荷运行，因为这时散热困难，会使变压器绕组过热。当周围空气温度低于允许值时，虽然变压器散热能力大大增加，在同样的负荷下，变压器的温度很低，但仍不允许变压器过负荷运行。这是因为变压器内部的散热能力不与周围空气温度的变化成正比，变压器内部本地的散热能力不能相应地提高的缘故。为了便于检查和正确反映出绕组的温度，不但要规定上层油温的
33、允许值，而且还必须规定上层油温的允许温升。采用A级绝缘的变压器，当最高周围空气温度为40时，上层油的允许温升规定为55（绕组的允许温升规定为65）。72.2.3 变压器温度限值强迫油循环变压器顶层油温一般不应超过表2.1的规定（制造厂有规定的按制造厂规定）。当冷却介质温度较低时，顶层油温也相应降低。 表2.1 油浸式变压器顶层油温一般限值 冷却方式冷却介质最高温度（）最高顶层油温（）强迫油循环风冷40852.2.4 对变压器的冷却装置的要求（1）要求油浸式变压器本体的冷却装置、温度测量装置等应符合GB6451的要求。（2）按制造厂的规定安装全部冷却装置。（3） 强油循环的冷却系统必须有两个独立
34、的工作电源并能自动切换；当工作电源发生故障时，应自动投入备用电源并发出音响或灯光信号。（4） 强油循环变压器，当切除故障冷却器时应发出音响或灯光信号，并自动(水冷的可手动)投入备用冷却器。（5）风扇、水泵及油泵的附属电动机应有过负荷、短路及断相保护；应有监视油泵电机旋转方向的装置。（6）强油循环冷却的变压器，应按温度和(或)负载控制冷却器的投切。2.2.5 冷却装置二次接线应满足的要求冷却装置的具体接线方式各制造厂大同小异，但是各冷却装置的二次接线在设计中必须遵循以下要求：（1）变压器投入电网运行或退出电网运行，工作冷却器均可通过控制开关投入或停止运行。（2）当运行中的变压器顶层油温或变压器负
35、荷达到规定值时，能使辅助冷却器自动投入。（3）当工作或辅助冷却器故障时，备用冷却器能自动投入运行。（4）当冷却器全停时，变压器各侧断路器经延时跳闸。（5）控制箱采用两回路独立电源供电，两路电源可任意选一路工作或备用；当一路电源故障跳闸时，另一路电源能自动投入。（6）有变压器风扇和油泵的的保护装置。（7）当冷却装置在运行中发生故障时，能发出事故信号，告知值班人员，迅速予以处理。82.3 变压器冷却装置设计原理基于第1章提出的冷却装置应该实现的功能设计，装置主要由数据采集电路、主控芯片、显示电路、键盘电路、通讯电路以及外围电路等六部分组成。下面介绍各部分的作用。（1）数据采集电路：数据采集主要应用
36、在温度采集电路与保护电路这两部分。温度采集即是本次设计的重点，即用温度传感器采集供单片机输出控制的温度信号。为了保护风扇和潜油泵的正常工作还加入了保护电路，就是对风扇的电流和油流继电器的状态进行采集。（2）主控芯片：主要是采用单片机的控制方式。（3）显示电路：通过LCD屏幕显示变压器温度的实时监测。（4）键盘电路：设计一个矩阵键盘，希望通过键盘输入可以对变压器油温的上下限进行设定。（5）通讯电路：将单片机产生的信号传送给远程传输芯片，再通过该芯片实现远距离的通讯。（6）外围电路：即是执行设备，主要对变压器直接进行冷却的部分，风扇和潜油泵再加个切断超温时的断路器。介绍完了冷却装置的组成部分，接下
37、来就是如何把它们总体的“组合”在一起，实现对变压器的冷却。本装置首先通过变压器的温度传感器，对变压器的温度进行采集，然后送入A/D转换模块进行处理，成为可供单片机进行运算和处理的数字信号量。单片机通过读取当前的状态信息（人工控制或自动控制）以及相应的温度控制参数设置和存储的基本数据等信息，与经过模数转换装置处理后的变压器温度信息进行相应的控制运算，输出控制结果，并通过输出控制回路给相应的输出设备，即温度显示设备、声音报警设备等等。而驱动电路在接到微控制器的控制指令以后，进行相应的驱动工作，以使得冷却设备按照程序进行降温工作或停止工作。单片机将系统的工作参数设置保存在存储器中，在工作时可以随时调
38、用，而且可以长时间存储。工作人员也可以通过人工干预的方式，直接命令系统强行对变压器进行降温操作或强行停止对变压器的降温操作。在第3章硬件电路的介绍中，会结合该装置工作的结构框图进行更详细的说明。第3章 变压器冷却控制装置的硬件设计本装置是为某电力局220KV变电站的SFPSZ7-9000/220型主变压器配备的冷却系统自动控制装置。变压器配备冷却风扇4组。变压器南边两组，北边两组，另有一组备用。控制电路控制7台设备的通断，这7台设备是1台变压器油泵、4台冷却风扇、1台备用风扇和1台断路器。控制装置的工作电源为220V/50HZ的工频交流电，容量为31500KVA。每个风机功率为0.375KW，
39、温度测量范围为0100，温度采集精度为2，温度控制精度为5。本设计以STC89C58单片机为核心完成系统的设计，要求对油温进行实时采集，将采集结果送入MCU进行处理，然后按照工艺的要求进行相应的控制，实现对变压器温度的全自动远程和就地监控，系统要具有完善的保护功能，包括风扇电流和潜油泵的工作状态检测，便于工作人员的检修和维护。使用通讯实现变压器冷却控制装置与远程控制室之间的数据通信。用户根据实时提供的变压器、风扇和油泵工作情况，实现温度远程控制。3.1 硬件总体设计根据对变压器冷却装置的设计原理以及控制过程的分析，设计出如图3-1所示的变压器冷却装置的硬件结构框图。图3-1 变压器冷却装置的硬
40、件结构图3.2 硬件系统部件设计 控制装置主要由单片机、温度传感器、A/D转换器、矩阵键盘电路、显示模块、通讯模块以及复位电路等组成，其中单片机是控制装置的核心，A/D转换器是把输入信号转换为数字信号。3.2.1 单片机的选择在单片机控制系统中，使用单片机进行程序设计，也设计了由硬件接线逻辑向存储逻辑转变的概念。在某些方面，与PLC类似。用单片机进行自动控制，具有可靠性高，更改作用功能灵活等优点。随着计算机技术的发展，存储逻辑开始进入工业控制领域。今年来，PLC与单片机不断更新发展，功能日益强大，已经成为工业控制领域的主流控制设备。在它们诞生前，工业电器控制主要使用低压电器构成的继电接触器电路
41、，它是以接线逻辑实现控制功能的。这样，设备从工厂里生产出来功能基本上是固定的，若要改变就必须改变控制器内部的硬件接线，使用起来不灵活，也很麻烦。因此，就需要采用程序修改的方式改变控制功能，这是从接线逻辑向存储逻辑转变的过程。9单片机系统具有以下特点：1.可靠性高，抗干扰能力强高可靠性往往是用户选择控制装置的首要条件。继电接触器系统中，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动，以及触点电弧等现象大大降低了系统的可靠性。而在单片机系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加上单片机系统充分考虑了工业生产环境电磁、粉尘、温度等各种干扰因素。在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，使其有极高的可靠性
42、。2.适应性强，应用灵活由于产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制要求。更重要的是，单片机系统相对继电接触器控制系统，接线少，其主要功能是通过程序实现的，在需要改变设备的控制功能时，只要修改程序，修改接线的工作量很小。3.编程方便，易于使用4.功能强，扩展能力强5.控制系统设计、安装、调试方便6.维修方便，维护工作量小7.体积小，重量轻，易于实现机电一体化 考虑到单片机系统的经济适用，且明显优越于继电接触器式的控制方式，该装置主要就采用单片机的控制方式。下面是对两种单片机的比较，选出适合本装置
43、使用的单片机。1.PIC系列单片机PIC系列单片机的最大特点：（1）PIC单片机最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的。比如，一个摩托车的点火器需要一个I/O较少、RAM及程序存储空间不大、可靠性较高的小型单片机，投资大不说，使用起来也不方便。PIC系列单片机从低到高有几十种型号，可以满足很多需求。其中，PIC12C508单片机仅有8个引脚，是世界上最小的单片机。（2）精简指令使其执行效率大为提高。PIC系列8位CMOS单片机具有独特的RISC结构，数据总线和指令总
44、线分离的哈佛总线（Harvard）结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可以多于8位的数据位数，这与传统的采用CISC结构的8位单片机相比，可以达到2:1的代码压缩，速度提高4倍。（3）产品上市零等待。采用PIC的低价OTP型芯片，可使单片机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市。（4）PIC有优越开发环境。OTP单片机开发系统的实时性是一个重要的指标，像普通的51单片机的开发系统大都采用高档型号仿真低档型号，其实时性不尽理想。PIC在推出一款新型号的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时性非常好。（5）其引脚具有防瞬态能力。通过限流电阻可以接至220V交流
45、电源，可直接与继电器控制电路相连，无需光电耦合器隔离，给应用带来极大的方便。（6）彻底的保密性。PIC以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。目前，PIC采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。（7）自带看门狗定时器，可以提高程序运行的可靠性。（8）睡眠和低功耗模式。虽然PIC在这方面不能和新型的TI-MSP430相比，但在大部分应用场合还是能满足需要的。2.单片机STC89C58单片机现阶段的发展方向是以8位为主32位为辅，目标是高性能、高可靠性、低电压、低功耗、低噪声和低成本。STC89C58是一款在工业控制过程中使用较多的单片机，也是电子设计工程师
46、认证实训实验箱采用的单片机型号。STC89C58单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速和低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。它的特点如下：（1）增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期 8051 CPU；（2）工作电压：5.5V3.8V（5V单片机）；（3）工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz实际工作频率可达48MHz；（4）用户可用程序空间32K；（5）片上集成1280字节RAM；（6）通用I/O口32个，复位后：P0/P1/P2/P3是准双向口/弱上
47、拉（普通8051传统I/O口），P0口是开漏输出，作为总线扩展时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上上拉电阻；（7）EEPROM功能，看门狗功能；（8）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断；（9）共3个16位定时器计数器，其中定时器0可当成2个8位定时器使用；空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作；掉电方式保存RAM中的内容，但震荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。10 PIC系列单片机的功能强大，但是软件编程相对于51系列单片机比较难。51单片机发展起步较早，一些简单的硬件电路设计技术不管是硬件设计还是软件设计都比较容易，简单易懂，适合大众化的使用。针对本次设计内容，两个单片机基本都能实现控制功能，鉴于对51单片机的熟悉，所以选择STC89C58型号的单片机作为本次设计的控制芯片。图3-2为两种单片机的I/O口对比图。