基于51单片机的PT100铂热电阻在配网温度监控中的应用

郑晴蝶

摘要：在工控领域，温度指标是一个重要的参数，温度的高低从某些方面反映出了设备的运行状态。在电网运行中，线路温度在一定程度上反映了线路负荷情况，线路温度过高将加速线路老化，甚至熔断，因此对于线路温度的监测对于防范线路因过负荷或接触不良而导致的故障有重要意义。

关键词：51单片机；PT100铂热电阻；配网；温度监测；温度指标；电力系统 文献标识码：A

中图分类号：TP212 文章编号：1009-2374（2016）31-0037-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.31.019

1 概述

目前，在电网行业获取配电变压器的出线接头温度的方法是通过红外电子枪获取的，这种传统的方法存在耗时长、花费人力大、实时性差等问题。本文针对传统方法存在的问题，提出一种全新的温度采集方法，即通过现场采集，再通过无线设备传送到远程终端的方法。该种方法分两部分：一是现场采集部分；二是远程终端部分。本文主要针对现场采集部分，即基于单片机的PT100铂热电阻的温度采集系统。

2 工作原理

2.1 系统结构

如图1基于单片机的PT100铂热电阻的温度采集系统，系统通过PT100采集温度，将温度的变化转换成PT100阻值的变化，再通过外接电路，将阻值变化转换成电压值的变化，通过电压型A/D（模/数转换器）采集，将模拟信号转换成数字信号，由单片机进行数据处理，再通过无线模块发射出去，同时系统通过太阳能电池板和锂电池结合供电的方式。这样系统可直接安装在配电变压器出线接头上，不必考虑绝缘问题，避免造成电力系统接地故障。

2.2 温度采集原理

系统采用的温度传感器是一种阻值随温度升高而升高的铂热电阻PT100，该传感器在室温为0℃时对应阻值为100欧姆，且其阻值随着室温的变化呈现出线性关系，利用这一特性，通过测量PT100的阻值，再通过计算便可得出环境温度。该传感器在环境温度

-200℃～+200℃之间的阻值都大致呈现出线性规律，而配网变压器出线接头在正常运行状态下的温度不会超过该范围，因此用该传感器来测量配网变压器出线接头的温度完全适用。PT100温度传感器输出信号与温差之间有一给定的连续函数关系，其阻值与温度的关系如图2所示：

3 电路设计与软件设计

3.1 电路设计

3.1.1 电源部分。电源设计如图3所示，J1为太阳能电池板接口，J2为电池接口，D1为二极管，防止电池向太阳能电池板反充电，在光线充足的情况下由太阳能电池板供电并向电池充电，而光线不足时由电池充电，S1为开关，VR1为电源稳压芯片，将电压转换成3.3V。

3.1.2 PT100电桥采集部分。如图4所示为系统PT100电桥电路。

R1、R2、R7为三个高精度阻值电阻，R6为PT100温度传感器，R1、R2、R6、R7组成一个电桥，AD620BR为一个高精度的运算放大器，这里只做电压跟随器作用，不对电桥输出电压进行放大。由于运算放大器具有高输入阻抗的特性，可视为R3、R5分流电流为0，那么A、B两点间的电压差为UAB=R2，由图1可得出PT100阻值与温度对应函数关系为：

（1）

式中：y为PT100阻值，单位Ω；x为温度，单位℃。

由图4电路可得：

（2）

由式（1）、式（2）可推导温度值。

3.1.3 单片机最小系统。基于51单片机的PT100铂热电阻的温度采集系统选用的控制芯片是一种增强型的单片机STC12C5410AD，该型号单片机在工程领域应用广泛。因其端口具有AD复用功能，搭建电路时无需再外接AD（模数转换器），故采用该型单片机可在一定程度上简化电路。本文电路设计如图5所示：

3.1.4 无线发送部分。在综合比较了各种无线射频模块的优缺点以及经济效益等方面后，本文选用了nRF24L01无线模块。该模块工作频段在2.4～2.5GHz之间，在数据量较少、通信距离短时具有很高的性价比。该模块内置了晶体振荡器、频率合成器、调制器、功率放大器等功能模块，具有输出功率、通信频道调等功能。该模块具有低功耗的优点，非常适合太阳能电池组合供电的方式，在功率发射为-6dBm时，模块的工作电流只有9mA，处于接收状态时其电流只有12.3mA，同时采用多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。其接口电路如图6所示：

其中1、2口接电源，3口为工作模式选择（接收或发射），4口为使能端，5口为SPI时钟，6口为SPI输入，7口为SPI输出，8口为中断输出。

3.2 软件设计

3.2.1 编程环境。系统采用KeilμVision2软件环境编程。该编程环境可采用C语言编写程序，优势明显，是美国Keil Software公司出品的软件开发系统。虽然汇编与机器语言更接近，程序效率最佳，但是在维护方面、结构性方面、可读性方面、学习方面则是C语言更占优势，可以说C语言易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部分组合在一起。

3.2.2 软件流程图。系统软件流程如图7，系统通过A/D（模/数转换器）将PT100温度采集电路采集的温度转换成数字信号，由单片机进行数据处理，再通过无线模块发射出去，无限循环上述过程，从而实现温度的实时采集。

4 结语

本文阐述了基于单片机的PT100铂热电阻在配网温度监控中的设计方案。该方案的电路设计有效地实现了配温度的现场采集，为配网温度采集最终实现远程终端监控打下基础，该方案结构简单、经济实用、运行可靠，能够实时获取配电变压器的出线接头温度，这种微型的采集终端，有效地解决了配电变压器分布范围广的问题。同时该采集终端还可以设定温度阀值，超过阀值时发出告警信号，以便配电运行人员做出相应处理，保护运行变压器不至于过载损坏。