電纜接頭溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計摘要隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，生產(chǎn)力的不斷提高，人們對電能的需求量也在不斷的提高，電網(wǎng)的規(guī)模也因此不斷的擴大，人們對電能的安全性的要求也更加嚴格，特別是對電力電纜故障導(dǎo)致的電網(wǎng)癱瘓，難以得到預(yù)警信息和找出故障點的位置，其中地下電纜故障的維修尤為困難，而溫度是判斷線路工作狀態(tài)的最基本也是最最核心的衡量指標，溫度傳感器在工業(yè)自動化，家用電器，環(huán)境保護，安全生產(chǎn)等方面都是基本的測量參數(shù)之一，因此需要建立起電力電纜接頭的溫度檢測及報警系統(tǒng)，實現(xiàn)對電力電纜運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和預(yù)警，防止事故的發(fā)生，同時在故障發(fā)生后能夠快速的找到故障發(fā)生的位置，方便維護人員進行維修。本課題詳細介紹了電力電纜溫度檢測的原理和特性，并在分析電力電纜接頭溫度檢測的基礎(chǔ)上，指出了電力電纜接頭溫度檢測及報警系統(tǒng)設(shè)計的思路和所需考慮的問題，在這基礎(chǔ)上設(shè)計出了以STM32F103單片機為核心，ZIGBEE通信為報警信息通信方式的電力電纜接頭溫度檢測及報警系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)采用的是有源無線溫度檢測的方式，具體功能有使用DS18B20模塊測量溫度并通過單總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C，STM32F103系統(tǒng)對采集到的溫度數(shù)據(jù)進行判斷，通過IIC通信協(xié)議使數(shù)據(jù)在OLED模塊顯示出來，溫度過高時通過蜂鳴器和發(fā)光二極管進行聲光報警，然后ZIGBEE通信模塊對報警數(shù)據(jù)進行傳輸和接收，報警數(shù)據(jù)接受后由51單片機再一次的報警，另外還設(shè)計了5V和3.3V的電源。仿真方面使用proteus軟件對電源模塊，數(shù)據(jù)采集及報警模塊，數(shù)據(jù)接收模塊分別進行了仿真，仿真了DS18B20的溫度測量，OLED對溫度進行顯示，溫度過高時的聲光報警等模塊，本課題的研究內(nèi)容主要有以下幾個方面：首先介紹了電力電纜溫度檢測的相關(guān)技術(shù)，介紹了開關(guān)柜母線接頭溫度監(jiān)測的方法和機理，介紹了常用的電力電纜溫度檢測裝置的構(gòu)成原理和實現(xiàn)方案，分析利用紅外溫度檢測，數(shù)字溫度檢測等測溫方法用于測量電力電纜溫度的可行性，分析利用電力電纜接頭溫度來判斷電力電纜是否發(fā)生故障的重難點；其次闡述電力電纜接頭溫度檢測的設(shè)計方案；說明了環(huán)境溫度對測量精度產(chǎn)生的影響。再者根據(jù)前期工作和計劃研究方案，設(shè)計并制作電力電纜溫度檢測系統(tǒng)的模擬樣機，并對樣機進行各部分功能測試，并進行了系統(tǒng)性能的分析。然后編寫系統(tǒng)軟件程序并利用protues模擬軟件對系統(tǒng)進行模擬仿真，對各個模塊進行調(diào)試。關(guān)鍵詞：電力電纜接頭，溫度檢測，zigbee通信，開關(guān)柜，STM32F103目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 緒論1.1課題背景，目的和意義無論是經(jīng)濟的快速發(fā)展，還是生產(chǎn)力的不斷提高，最終都會導(dǎo)致用電量的提高，這也導(dǎo)致了我們對電網(wǎng)安全性的要求不斷提高。因為一旦電纜過負荷，導(dǎo)體過負荷溫度將急驟上升，有時長達數(shù)小時，造成XLPE介質(zhì)熱不穩(wěn)定，氧化降解反應(yīng)加劇，分子微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，各項性能指標大幅度下降，介質(zhì)電-熱老化加速，造成不可逆熱不穩(wěn)定破壞[2]，最終會導(dǎo)致電力系統(tǒng)癱瘓，影響社會生產(chǎn)和人民生活，考慮到電力電纜故障的復(fù)雜性，僅從某一方面或期待于依賴某一種“萬能”方法都是不現(xiàn)實的，而應(yīng)該是從各個可能的方面入，盡量減少探測過程中的不確定因素，將各種新的科技成果應(yīng)用到實踐中去[1]，所以這不僅意味著我們需要對電力電纜加裝更多的保護裝置，更意味著我們需要更快速，更及時的發(fā)現(xiàn)電纜的故障點位以便維修，及時的斷開故障線路減少部分線路的故障對整個配電系統(tǒng)的危害，電力電纜接頭溫度檢測及報警系統(tǒng)的設(shè)計有利于實現(xiàn)對電力電纜接頭溫度的無線非接觸式監(jiān)測，工作條件下不僅對電力電纜的運行沒有影響，而且結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，價格較低，測量的精度又能夠達到工業(yè)使用的要求，而且溫度監(jiān)測的方式多種多樣，幾乎可以滿足所有場景下的使用要求，因此具有較為廣泛的應(yīng)用前景。而開關(guān)柜作為電力系統(tǒng)中不可或缺的一部分，其電壓等級一般在3.6kV～550kV不等[7]，在維持電力系統(tǒng)安全，穩(wěn)定，可靠工作的方面發(fā)揮出了極大的作用，為電力電纜的正常運行，設(shè)備維修等等中間環(huán)節(jié)提供了有效的保障。在人們對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量要求不斷提高的同時，我們對開關(guān)柜的安全性，可靠性，穩(wěn)定性也提出了更高的要求，更高電壓等級的開關(guān)柜也開始進入電網(wǎng)，但是開關(guān)柜內(nèi)部過熱的現(xiàn)象依舊是它在使用過程中最常見的問題之一，開關(guān)柜溫度過高不僅僅會影響到電力設(shè)備的安全運行，還會加快電力電纜絕緣材料的老化過程，降低其使用壽命，最終還可能會引起電力系統(tǒng)的癱瘓，影響社會生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展，因此，進行開關(guān)柜溫度檢測及報警系統(tǒng)的設(shè)計是十分必要的，進行開關(guān)柜的在線溫度檢測可以及時有效的發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜出現(xiàn)的故障，找到故障地點，及時維修，避免引發(fā)開關(guān)柜燒毀等更加嚴重的電力系統(tǒng)故障。1.2溫度測量系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向溫度測量廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化，家用電器，環(huán)境保護，安全生產(chǎn)等領(lǐng)域。而溫度傳感器的高精度，多功能，總線標準化，成為了智能溫度傳感器的發(fā)展方向。電力電纜監(jiān)測系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測方法從使用方式上分為非接觸式與接觸式[5]，其中又可以將可接觸測溫分為點式測溫和線式測溫[6]。按信號采集方式分則大致可以分為電信號測溫，光信號測溫。其中電信號測溫主要有熱電偶測溫和集成傳感器測溫兩種。熱電偶是自發(fā)電型傳感器，無需外加電源就可以測量溫度，他的工作原理是將兩個不同材質(zhì)的導(dǎo)體焊接起來，一個連接點放在所需測量溫度的地方，另外一個連接點和顯示儀器相接（顯示儀器處溫度需要恒定），當連接點處溫度不同時產(chǎn)生熱電動勢，通過顯示儀器把熱電動勢轉(zhuǎn)化為溫度差顯示出來。熱電偶測量具有結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍廣，準確度比較高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但是因為電力電纜接頭比較多，使得其布線會比較復(fù)雜，難以維護，另外顯示儀表處溫度要保持恒定也比較難在實際工作中做到，而且不同地方的電纜運行溫度可能不同，使得顯示儀表處溫度難以維持恒定，所以測量電力電纜接頭溫度時不常用到。集成傳感器，它由硅半導(dǎo)體制成，工作原理是通過測量流過PN結(jié)的電流和PN結(jié)處的電壓，來計算出被測物體的溫度。它的優(yōu)點在于靈敏度比較高，性價比高，體積比較小，缺點在于它的測量精度受電力電纜電磁場的影響較大，因此適用于對溫度要求不太高的領(lǐng)域或電磁場較弱的地方。光信號的測溫方法分為紅外測溫，光纖光柵測溫，分布式光纖測溫。其中紅外測溫通過紅外線波長和被測物體溫度之間的關(guān)系，最終計算出物體的溫度。紅外溫度測量的方法優(yōu)點在于使用比較靈活，不需要與被測物體接觸，可以減少測溫系統(tǒng)對電力電纜運行的影響，而且這種測量方法較為方便，可以定點測量也可以人工手持測量，維修更換也方便，不需要斷電維修溫度檢測裝置，缺點在于它的體積比較大，測量的精確度受溫度影響，價格比較昂貴。光纖光柵測溫法的測溫方式是通過光柵探頭先測量好被測物體的溫度，然后通過光纖來把溫度信息傳遞出去，光柵測溫的原理是光源射入光纖中后，會在光柵探頭產(chǎn)生Bragg波長，這種波長和光柵條紋周期成線性關(guān)系，又由于物體熱脹冷縮的特性，導(dǎo)致光柵條紋周期隨溫度而改變，所以測量Bragg波長可以計算出光柵處的溫度。它的優(yōu)點在于體積小，抗電磁干擾能力強，安全性高，無需另外搭建信息發(fā)送接收系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單等，其缺點在于價格昂貴，測量溫度的精度受應(yīng)力的影響，所以不適用于開關(guān)柜等場合。分布式光纖測溫分為分布式光纖瑞利散射測溫、分布式光纖布里淵散射測溫以及分布式光纖拉曼散射測溫3種測溫技術(shù)，他們的測溫原理與光纖光柵測溫相似。分布式光纖瑞利散射測溫法測溫的時候光纖隨溫度的變化很小，所以實際使用很少，分布式光纖布里淵散射測溫的優(yōu)勢在于它的傳感距離較遠，測量的精度高，但是價格昂貴所以用的也不多，而分布式光纖拉曼散射測溫具有只對溫度敏感，受外界條件影響不大，抗電磁干擾能力強，絕緣性能好的優(yōu)點，測量范圍廣，能夠精準測量任意點的溫度，缺點在于光纖易折，還會有光損耗，還要注意光纖沿面放電的隱患，所以常常用于開關(guān)柜的溫度檢測中。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，溫度傳感器的應(yīng)用逐漸的從單一的元器件使用向現(xiàn)在機電一體化的方向發(fā)展，同時也產(chǎn)生了很多不同的測量溫度的方法，測量的精度和傳感器的測量范圍，功能等都有了比較大的提高。如何把握電纜參數(shù)的測量內(nèi)容，提高測量的準確度和有效性，控制測量裝置的成本等，都是當前及今后努力工作的方向[14]。1.3電力電纜發(fā)熱及開關(guān)柜發(fā)熱原因運行過程中，電纜本體及其中間接頭都會發(fā)熱，此時的熱源主要來自于線芯產(chǎn)生的焦耳熱和各種絕緣材料產(chǎn)生的介質(zhì)損耗轉(zhuǎn)化的熱能[4]，因此開關(guān)柜電纜的溫度溫度過高的原因可分為以下幾種：電力電纜或開關(guān)柜在使用過程中線路的選擇有問題，選擇的電纜型號不正確導(dǎo)致了電纜的橫截面積不夠大，導(dǎo)體材料選擇不正確，選擇了電阻率較高的材料，使得電纜的電阻較高，根據(jù)電路發(fā)熱公式可以得出產(chǎn)生的熱也增加了。開關(guān)柜和電力電纜中電纜電路設(shè)計不合理，沒有考慮好線路的通風能力，散熱能力，導(dǎo)致電纜溫度過高。開關(guān)柜及電力電纜的接頭或絕緣介質(zhì)的老化使得電纜的電阻變大，導(dǎo)致發(fā)熱增加。開關(guān)柜中電纜出現(xiàn)短路故障，過載，過壓等故障情況。1.4本章小結(jié)本章是全文的開篇概述，較為詳細的介紹了本課題提出的目的，背景和意義，介紹了關(guān)于電力電纜接頭溫度檢測的各種方法和現(xiàn)狀，說明了溫度檢測的發(fā)展方向，為下文的深入研究做了充分的鋪墊。2有源無線測溫系統(tǒng)2.1有源無線測溫從有無電源分電力電纜接頭測溫主要分為有源無線測溫和無源無線測溫，無源無線測溫可通過表面聲波器件進行溫度的測量，然后通過天線將信號發(fā)送出去，因此無需電源供電，從環(huán)保方面講節(jié)能環(huán)保且沒有了電池方面問題對測溫系統(tǒng)的干擾，但這種測溫方式技術(shù)不夠成熟，無論是測溫精度方面還是信號傳輸方面都還存在著一定的不穩(wěn)定性，且價格高昂，因此在本次系統(tǒng)設(shè)計中不使用無源無線測溫，采用的有源無線測溫方式。有源無線測溫法用的是將溫度傳感器和無線通信的技術(shù)相結(jié)合的方法，先用傳感器測量出被測物體的溫度，再通過通信模塊傳輸數(shù)據(jù)。測量溫度的方法和傳感器在本文第一章第二小節(jié)中有詳細介紹，其中開關(guān)柜中常用的溫度傳感器有數(shù)字式溫度傳感器，紅外傳感器，光纖測溫等等。有源無線測量方式的優(yōu)點在于它的成本比較低，穩(wěn)定性較好，而且因為無線通信所以不需要布線，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，它的缺點在于需要經(jīng)常性的更換電池。較為適用于電力電纜接頭的溫度檢測和開關(guān)柜的溫度檢測。有源無線測溫方式對環(huán)境影響較小，主要是電池方面處理不好可能對環(huán)境造成一定危害，但采用可循環(huán)使用的電池完全可以避免電池問題對環(huán)境的影響，因此它對環(huán)境的影響有限且可控，符合國家法律的規(guī)定，也不會引起公眾的反對。2.2溫度傳感器2.2.1紅外溫度傳感器原理紅外線光的定義是指可見光中除了紅色光外的光線，是電磁波譜中可見光波段波長為0.75μm～1mm范圍內(nèi)的電磁波[3]，使用測量紅外線為測溫方式的原理為任何物體只要它的溫度高于熱力學(xué)溫度里面的零度，就會產(chǎn)生出紅外線向四周輻射，而溫度越高的物體，它所輻射出的的紅外線就越多，紅外線所具有的輻射能量就越強，紅外測溫儀通過對物體自身輻射的紅外能量的采集和分析，便能通過一定換算關(guān)系（普朗克公式）測定物體的表面溫度[15]。根據(jù)測量的物理量不同，紅外測溫儀的設(shè)計有三種方法，第一種稱為全輻射測溫法，測量的物理量為輻射物體的全波長的熱輻射，以熱輻射和溫度之間的關(guān)系來計算出溫度的大??；第二種方式為亮度測溫法，測量的是在一定波長下的單色輻射亮度，通過亮度和溫度之間的關(guān)系來計算出溫度的大??；最后一種測量方法稱為比色測溫法，測量的是被測物體在兩個波長下的單色輻射亮度，通過比較二者的比值隨溫度的變化來計算溫度。這種測量方法的測量誤差在于當被測物體離傳感器的距離較遠時，自然中其他物質(zhì)的紅外線干擾，紅外線輻射及其含有的能量會隨距離的增大而衰減，導(dǎo)致測量的精確度降低。但它不需要與被測物體相接觸，所以可以用于高壓的電力電纜及開關(guān)柜的溫度檢測。除此之外這一類的通信方式無法自帶通信方式，因此需要將測量得到的數(shù)據(jù)結(jié)果比例放大，濾波，光耦隔離后輸入到單片機等微處理器中，再由微處理器將得到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，增大了電路的復(fù)雜程度。從長遠來看，紅外溫度傳感器應(yīng)用的領(lǐng)域不斷增加，且它的準確性，快速性，安全性和其他測量方式比有極大的優(yōu)勢，有著廣闊的發(fā)展空間。2.2.2DS18B20溫度傳感器原理DS18B20是由美國DALLAS半導(dǎo)體公司設(shè)計，制造并改進的數(shù)字溫度傳感器，它能夠通過使用一根總線的方式直接讀出被測物體的溫度，并且可以通過軟件編程發(fā)送數(shù)據(jù)的方式來改變其測量的精度，儲存方式，讀取數(shù)據(jù)等操作，且多個元器件數(shù)據(jù)通信之間只需通過一根總線就可以完成。DS18B20的工作原理如圖2-1所示，其測量溫度的原理是先采用一個溫度系數(shù)較低的晶振，因為低溫度系數(shù)的晶振的振蕩頻率受溫度的影響較小，所以可以用來產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號傳送給減法計算器1，另外采用一個溫度系數(shù)較高的晶振，因為其受溫度的影響較大可以得到與低溫度系數(shù)晶振不同的振蕩頻率，所以使其產(chǎn)生的脈沖信號輸入到計算器2中則可以得到與計數(shù)器1不同的計數(shù)數(shù)據(jù)，在DS18B20溫度傳感器工作前先將時計數(shù)器中所對應(yīng)的數(shù)據(jù)分別預(yù)置到計數(shù)器1和溫度寄存器中，傳感器中的溫度系數(shù)較高的晶振控制著計數(shù)門開啟的時間，計數(shù)器1根據(jù)低溫度系數(shù)晶振的脈沖不斷的對預(yù)置值進行減1操作，直到數(shù)值為0時則重新裝入初始值并且給溫度寄存器加1，不斷循環(huán)，同時計數(shù)器2也根據(jù)高溫度系數(shù)的晶振產(chǎn)生的震蕩頻率進行減計數(shù)，當計數(shù)器2內(nèi)部數(shù)據(jù)減到0時，表示這一次的溫度測量結(jié)束，溫度寄存器中的值就是最終的溫度。圖2-1DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖不難看出這種測量方式產(chǎn)生誤差的原因在于可能計數(shù)器1未減到0計數(shù)器2就到0了，導(dǎo)致在預(yù)置值到0之間這段時間內(nèi)的值被忽略，量程越大時誤差就越大，受環(huán)境的影響相對較小。而且它需要與被測物體相接觸，因此不適用于中高壓電的開關(guān)柜中，可用于低壓開關(guān)柜中溫度檢測。而且這種溫度測量方法在實際使用過程中只需要通過一根總線就能夠完成，甚至是供電也能通過這根線來完成，無線添加其他外部電路，使得電路的結(jié)構(gòu)變得十分的簡單，又因為其具有通信功能，使用時既可以通過傳輸?shù)轿⑻幚砥髦?，再由微處理器上的其他無線通信方式把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，也可以直接將其數(shù)據(jù)通信接口和總機以有線的形式相連，使用方便且可以滿足各種工作條件下的要求。2.2.3光纖光柵溫度傳感器原理光纖光柵的測溫原理主要取決于光纖光柵的熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)，它的熱光效應(yīng)使得光纖光柵的有效折射率隨溫度的變化而變化，而其熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致光柵的變化具有周期性，最終導(dǎo)致布拉格波長的變化。因此在測量被測物體的溫度時，根據(jù)溫度對布拉格波長的影響可以推算出溫度的大小。溫度對布拉格波長的影響如公式（1）所示：：熱膨脹系數(shù)：熱光系數(shù)熱膨脹系數(shù)影響的是柵格的周期性變化，熱光系數(shù)的變化會導(dǎo)致光纖的折射率發(fā)生變化。應(yīng)變量對布拉格波長的影響如公式2所示：：有效彈性系數(shù)由此可知，光纖光柵的布拉格波長不僅僅受到了溫度的影響，還受到應(yīng)變量的影響，因此，光纖光柵測溫的誤差來源于應(yīng)變量對布拉格波長的影響，所以要減小應(yīng)變量的影響就需要我們想辦法屏蔽由于開關(guān)柜振動引起的應(yīng)變，另外由于采用光纖光柵測溫就需要用到光纖，不僅加大了投入成本，而且對光纖對環(huán)境的危害也不容小覷，再者光纖線路的鋪設(shè)難度較大，因此一般用在現(xiàn)場環(huán)境異常惡劣的地方。這種溫測方法直接使用光纖來測量溫度，而光纖又恰好具備了通信的能力，固而大多直接和總控制器直接通信，使得結(jié)構(gòu)雖然簡單但是布線比較麻煩。光纖光柵測溫是新興的測溫方式，隨著科學(xué)的進步，和人們對測溫要求的不斷提高，這種測溫方式將具有更廣的發(fā)展前景。2.3通信方式2.3.1ZIGBEE無線通信ZIGBEE通信因其ZIG的讀音和紫相似，BEE的英文意思為蜜蜂，因此又被稱為“紫峰”，和蜜蜂的通信方式相類似，這種通信方式是一種較短距離范圍內(nèi)的無線通信，通信的范圍一般情況下為10-100metre，加裝一些高頻率的信號發(fā)送裝置后可以把通信的范圍提高到1Kilometre，然而在很多的模塊中其通信距離為250metre，在通信方式的選擇上他可以分為一個點和其他各個點之間的通信，這種通信方式在使用時可以設(shè)置為一個點對應(yīng)一個點的通信，也可以是一個點對應(yīng)其他很多個點的通信方法，但是要通過軟件設(shè)置好什么情況下哪個口接受數(shù)據(jù)，這兩個情況下只要波特率沒有超過最大允許范圍都不會產(chǎn)生丟包，另外一個通信方式為廣播通信，廣播通信的情況下一個接口發(fā)送數(shù)據(jù)其他另外的接口都能夠接受到數(shù)據(jù)，但是會有一點丟包率。ZIGBEE模塊的硬件電路共分為4個部分，首先是天線，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，其次是電源模塊，主要作用是為模塊的工作提供電能，然后是微處理器，它用來進行對數(shù)據(jù)的處理整合等等，起控制各個模塊按規(guī)定運行的作用，其中大部分模塊使用的都是CC2530作為模塊的微處理器，最后是時鐘模塊，用來調(diào)節(jié)通信時的波特率，產(chǎn)生規(guī)定的同步信號。圖2-2物理層功能圖ZIGBEE的協(xié)議?？煞譃槲锢?，應(yīng)用，MAC，網(wǎng)絡(luò)四層，其中應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)層是由硬件搭建決定的，物理層中包含了數(shù)據(jù)服務(wù)與物理服務(wù)，具有無線信號通道與其他層之間的接口，具體功能如圖2-2所示，而MAC層中主要管理無線信號通道的開關(guān)是否打開，是否產(chǎn)生通信所需要的網(wǎng)絡(luò)端口及同步信號，具體功能如圖2-3所示，其余兩層則是通信協(xié)議中所做的規(guī)定，其中的網(wǎng)路層是此通信方式的核心，提供了數(shù)據(jù)發(fā)送接收，網(wǎng)絡(luò)信號的查找，接入和斷開等功能，具體功能如圖2-4所示，應(yīng)用層顧名思義就是指此通信方式下，生產(chǎn)廠家所設(shè)計的應(yīng)用框架，結(jié)構(gòu)等。此通信方式的好處在于以下幾個方面，首先因為它的傳輸速率相比較其他通信方式來說比較的低，因此它無論是接受數(shù)據(jù)還是發(fā)送數(shù)據(jù)所用到的時間都比較的少，而不工作的時候該模塊就會自動進入到休眠狀態(tài)，故而使得它的耗電量大幅的減少，在使用同等容量電池的情況下則可以使用更久的時間或者說更換電池的頻率大大降低，其次使用這種通信所需要的成本優(yōu)勢也是很多其他通信所不具備的，被簡化后的通信協(xié)議簡單方便使得其對硬件電路的要求大大降低，間接的導(dǎo)致其制作成本較低，然后是通信距離的可選擇性較好，一般情況下可以百米范圍內(nèi)短距離通信，如果有需要也可以通過加裝其他器件來提高通信距離到幾公里。而且它可自動對傳輸數(shù)據(jù)進行加密處理，傳輸過程的安全性較高[9]。最后是它工作條件下數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃远急容^好，其使用的MAC層使他能夠很好的避免通信之間的沖突，能夠?qū)崿F(xiàn)全雙工通信，能夠避免電力電纜或開關(guān)柜中高壓電產(chǎn)生的磁場對通信的干擾。圖2-3MAC層功能圖圖2-4網(wǎng)絡(luò)層功能圖當然此通信方式也有其不足之處，就如因其通信中主要采用的為2.4G的頻率信號，這種信號輻射能力較弱，對環(huán)境的影響有限，較為環(huán)保，故其發(fā)出的信號穿墻后會有很大程度的衰弱，甚至有的時候經(jīng)過一個玻璃窗都會使信號受到衰弱，另外它的組網(wǎng)能力和自動恢復(fù)通信能力強，使得它在進行不固定位置的通信時效果顯著，然而對于定點通信來說這種能力并無太大用處，反而提高了成本，并且在實際的應(yīng)用中，因為ZIGBEE通信的起源較為晚，導(dǎo)致了在很多的實際應(yīng)用方面還存在很多的問題未能發(fā)現(xiàn)，還需要不斷的完善，所以其在電力電纜通信中的應(yīng)用還不廣泛，具有較大的發(fā)展?jié)摿?。ZIGBEE的通信協(xié)議為IEEE802.15.4，按協(xié)議內(nèi)容發(fā)送不同數(shù)據(jù)就可以進行正常的通信以及一些參數(shù)的設(shè)置等。2.3.2藍牙通信藍牙通信又被稱做Bluetooth，是一種為代替RS232有線通信而誕生的新型通信方式，Bluetooth通信與紫蜂通信相類似，是一種短距離的無線通信，一個藍牙也可以做到與多個藍牙設(shè)備進行通信，和ZIGBEE一樣能夠使用主機發(fā)送數(shù)據(jù)其他從機都能夠接受數(shù)據(jù)，也能針對一個藍牙口單獨的發(fā)送數(shù)據(jù)，不同點在于Bluetooth通信的通信范圍比較短只有10metre左右，而且分為主機和從機來通信，主設(shè)備只有一臺，而從機設(shè)備卻可以有很多臺，因此與ZIGBEE又有很大的不同。Bluetooth信號的接收和發(fā)送通過Bluetooth模塊來實現(xiàn)，模塊主要分為3部分，首先，第一部分為底層電路的硬件模塊，它主要包括有基帶的控制器，天線，鏈路管理層。其中基帶主要作用為進行藍牙數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受，天線則作為一種信號發(fā)生裝置將藍牙內(nèi)部的電平信號轉(zhuǎn)換為電波或微波的方式傳遞出去，也能夠?qū)⑼獠拷邮盏降奈⒉ㄐ盘栟D(zhuǎn)化為電平信號傳回系統(tǒng)，而鏈路管理層進行的則是通信鏈的建立，兩個通信系統(tǒng)之間的連接及斷開連接的控制。第二部分為中間的協(xié)議層，與其他通信方式不同，藍牙通信的協(xié)議層比較復(fù)雜，其中包括了很多的通信協(xié)議，如圖2-5所示為完整的藍牙通信協(xié)議層，其中主要使用到的通信協(xié)議有三個，第一個為服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議，主要作用是為網(wǎng)絡(luò)之間的通信提供上層程序編寫的基礎(chǔ)，第二個是適應(yīng)協(xié)議，此協(xié)議的功能為對數(shù)據(jù)進行一定的處理，提高程序的使用效率，第三個為邏輯鏈路控制協(xié)議，這部分的協(xié)議主要是調(diào)節(jié)各個協(xié)議之間的沖突，以保證系統(tǒng)的正常工作。第三部分為高層應(yīng)用部分，該部分即為模塊的使用，通過編程來實現(xiàn)。圖2-5藍牙通信協(xié)議使用Bluetooth進行數(shù)據(jù)的無線傳輸?shù)膬?yōu)勢很多，首先Bluetooth的應(yīng)用經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)變得愈發(fā)的成熟，很多的潛在問題也已經(jīng)的到了改進，因此使用它在使用過程中的穩(wěn)定性是其他通信方式所不具有的，另外它的生產(chǎn)技術(shù)也在這幾十年中得到了不同程度的提高，這有利于減低生產(chǎn)的成本，其次在耗電量方面雖然它還遠不及ZIGBEE那么優(yōu)秀，但是和一些其他的通信方式相比也是比較低的，此外藍牙通信對數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)乃俣葮O快，能夠進行文件，音頻等數(shù)據(jù)量比較大的信息的傳輸，這點是使用ZIGBEE通信時所不具備的。藍牙通信的缺點主要為以下幾個方面，首先是它的數(shù)據(jù)傳輸速度很慢，因為要兼顧數(shù)據(jù)量大時的數(shù)據(jù)發(fā)送和接受，因此限制了它的傳輸速度，并且傳輸速度慢導(dǎo)致了它的工作時間大大增加，耗電量也大幅增加，另外它的傳輸距離太短且與ZIGBEE通信不同它無法通過其他手段來提高通信范圍，再者藍牙還有一個最大的缺點就是一個藍牙設(shè)備連接的設(shè)備數(shù)有限，節(jié)點比較少，無法做到多個點位的通信，而且還分主機和從機，不便于控制，此外它的穩(wěn)定性較差，特別是穿墻能力很差，經(jīng)常會出現(xiàn)斷線重連的情況，因此不太適合用于安全性要求較高的場所。藍牙通信因其傳輸數(shù)據(jù)量大，能夠傳輸音頻信號等原因，使得它在手機，電腦，無線耳機等電子產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。除此之外藍牙技術(shù)為低速率無線個人自建局域網(wǎng)的發(fā)展作出了突出貢獻，深刻影響了人們的生活方式，極大優(yōu)化了人們的生活體驗[8]。2.3.3WIFI通信WIFI通信普遍被稱為無線保真通信，它的數(shù)據(jù)傳輸方式可分為自組網(wǎng)通信和基礎(chǔ)網(wǎng)通信兩種，，自組網(wǎng)的通信方式中所有的數(shù)據(jù)都需要通過網(wǎng)絡(luò)中心AP來進行，自組網(wǎng)的通信方式則和藍牙通信這類的通信方法相似，分為點與點之間的通信和廣播信號的通信，無線保真通信中可以選擇設(shè)置密碼或無密碼，能夠較好的為數(shù)據(jù)的傳輸提供保護。無線保真通信的通信協(xié)議為IEEE802.11，通信環(huán)境的建立是圍繞著這個通信協(xié)議進行的。無線保真通信主要由WIFI模塊來實現(xiàn)，其構(gòu)成組件如圖2-6所示，主要分為四部分，第一部分為物理層，它又由三個模塊組成，主要作用首先是載波信號的監(jiān)聽，以此來避免子通信過程中的數(shù)據(jù)沖突，其次是提供信號的輸入輸出接口，實現(xiàn)將接收到的載波信號轉(zhuǎn)化為電平信號及將模塊中的電平信號轉(zhuǎn)化為載波信號發(fā)送出去，第二部分為數(shù)字鏈層，數(shù)據(jù)鏈層中分為LLC和MAC兩個子層，其中的MAC層與物理層構(gòu)成了通信協(xié)議中的底層基礎(chǔ)，它的功能主要為控制外部信號與內(nèi)部程序之間的聯(lián)系，如可以控制能否讀取內(nèi)部信息，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)連接的方式，設(shè)置密碼等，其次LLC層則是更加高級的控制系統(tǒng)，它確定通信過程中兩個端口之間是否連接上了。第三部分則是上層協(xié)議，是進行通信的核心，決定了信號的處理和對應(yīng)功能等等。使用無線保真通信的優(yōu)點含括但不限于以下幾點，首先其通信速度較快，雖然其通信速度遠不及ZIGBEE，但與藍牙比通信的速度有很大的提高，而在傳輸數(shù)據(jù)的大小方面它又能夠很好的繼承藍牙通信的優(yōu)勢，能夠傳輸比較大的數(shù)據(jù)，通信范圍是來說它的范圍超過了一般的ZIGBEE通信，雖不及一部分的ZIGBEE模塊但是穿墻能力上遠優(yōu)于ZIGBEE，特別是大功率雙頻的WIFI可穿墻覆蓋百米，可以說它中和了藍牙和ZIGBEE通信的優(yōu)缺點，具有較高的性價比。但其不足之處在于成本比之其他通信方式要高不少，需要安裝單獨的網(wǎng)卡使得它的體積變大，耗電量方面又高于其他通信方式，因此不太適用于在線監(jiān)測系統(tǒng)中使用。WIFI模塊在我們的日常生活中廣泛的用于家庭，商業(yè)中的無線聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，近幾年來，無論是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，還是5G技術(shù)的商業(yè)化都促進著這種通信模塊的進步，WIFI通信技術(shù)也在使用的過程中快速的進步，而且WIFI價格低廉使用方便，必將成為移動網(wǎng)絡(luò)用戶首選[10]。相信隨著技術(shù)的進步以及物聯(lián)網(wǎng)的不斷普及，WIFI技術(shù)會有更加廣闊的發(fā)展藍圖。圖2-6WIFI通信協(xié)議結(jié)構(gòu)2.4環(huán)境對測量精度及通信穩(wěn)定性的干擾使用傳感器對溫度進行測量時，無論選擇哪種測溫方式都在一定程度上受到其他因素的影響，其中相較之下環(huán)境對測量溫度的影響最為不容忽視，首先從紅外溫度檢測方式來說，大氣中的水蒸氣，臭氧，二氧化碳等對紅外光波具有吸收的作用，會使得紅外輻射有所衰減，導(dǎo)致測量的溫度不準，而且在光線較強的地方會產(chǎn)生大量的紅外光波，使得測量的輻射有所增強，導(dǎo)致測溫不準，而且紅外溫度檢測過程中并無對這些信號的補償手段，因此在實際使用的過程中要盡量選擇在空氣濕度小，光照強度弱的地方進行紅外溫度檢測，以此來減小環(huán)境問題對測量精度的干擾；其次是環(huán)境對DS18B20測溫的影響，DS18B20依靠的就是溫度對兩個不同類型的晶振的影響，而兩個晶振不可能在同一位置，這就導(dǎo)致了如果溫度傳感器上溫度的分布不均勻時會導(dǎo)致無法做到同一個溫度下的兩個計數(shù)器取值，導(dǎo)致測量的溫度不準，因此在使用這種測量方法時要盡量保證兩個晶振都能夠與被測物體接觸，測量環(huán)境中不同位置的溫度差不能夠太高；最后是環(huán)境對光纖光柵測溫的影響，環(huán)境對光纖光柵的影響較小，主要是環(huán)境中的粉塵等污染物質(zhì)會附著在光纖表面，造成光纖表面的延邊放電，影響系統(tǒng)的安全，因此要不定時的清理一下光纖的表面污穢，盡量選擇灰塵等較少，環(huán)境較干凈的位置安裝光纖。實際上在電力電纜和開關(guān)柜的工作環(huán)境中，環(huán)境因素影響的不只是溫度檢測系統(tǒng)的精確度，還會影響到通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性，無論是藍牙通信還是ZIGBEE通信，亦或是無線保真通信，在穿過墻體，金屬等物質(zhì)后信號都會受到特別大的干擾，況且在電力電纜和開關(guān)柜這種高壓大磁場的條件下，會產(chǎn)生很多的無線串擾，導(dǎo)致通信的穩(wěn)定性受到極大的影響，因此在我們的實際使用過程中，要盡量的將通信模塊放置在場強較小，磁場較弱的位置，最好為通訊設(shè)備加裝隔離裝置，以保證通信的安全性與穩(wěn)定性，此外在條件允許的情況下我們應(yīng)該盡量的把通信模塊放置在受到障礙物阻擋最少的地方，以此來提高通信的距離。2.5總體方案設(shè)計如圖2-7所示，按電力電纜接頭溫度檢測及報警系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)書所述，該系統(tǒng)主要包含測溫模塊，聲光報警模塊，通信模塊，控制模塊，供電電源模塊組成。其中測溫部分的溫度控制系統(tǒng)與任務(wù)計劃書中相同，采用了STM32F103系列芯片。該系統(tǒng)首先需要通過電源模塊為單片機提供3.3V左右的工作電源，以保證單片機的正常運行，然后通過溫度傳感器模塊，以單總線的方式將溫度信息傳遞到單片機中，而單片機會對受到的信號進行處理，然后將對應(yīng)的二極管及蜂鳴器串口進行相應(yīng)的置位，這就是聲光報警部分，溫度數(shù)據(jù)和傳感器的工作狀態(tài)會通過顯示模塊顯示出來，此外單片機會將對應(yīng)位置的溫度傳感器狀態(tài)經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理后通過通信系統(tǒng)發(fā)送到從機系統(tǒng)。圖2-7系統(tǒng)設(shè)計流程圖2.6總結(jié)本章主要介紹了無線有源測溫方式中有哪些測溫方法以及無線通信的方式有哪些，具體講述了紅外溫度檢測，光纖光柵溫度測量，DS18B20測溫模塊的工作原理以及它們各自的優(yōu)缺點，還詳細的說明了ZIGBEE，WIFI，藍牙通信之間的異同點，各自有什么特有的優(yōu)勢，各自的發(fā)展前景以及它們的結(jié)構(gòu)組成，另外還分析了環(huán)境因素對測溫和通信的干擾及如何盡量的減少這些原因產(chǎn)生的誤差，最終提出了本次系統(tǒng)設(shè)計中的硬件電路總體框架。3硬件系統(tǒng)設(shè)計硬件電路的設(shè)計與制作是系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，硬件電路具備什么功能，設(shè)計的合理性如何，采用了什么元器件，都將直接影響到系統(tǒng)能否正常工作，系統(tǒng)性能和系統(tǒng)的可靠性，穩(wěn)定性等等，所以在設(shè)計硬件系統(tǒng)時要考慮好各方面的因素影響來進行電路的設(shè)計，要查找各方面的文獻來完善電路圖的設(shè)計，最后還要先進行仿真來驗證系統(tǒng)的可行性，然后才能夠進行硬件電路的搭建。這一章中將就硬件電路的各部分模塊進行闡述。其中包括STM32F103系列單片機，通信模塊，測溫模塊，報警模塊，顯示模塊，AT89C52單片機等部分。3.1單片機系統(tǒng)3.1.1單片機系統(tǒng)概述單片機是一種集成電路(IC)，它把中央處理器，隨機存儲器，只讀存儲器，I/O口，中斷系統(tǒng)，定時器，計算器等功能模塊集成到一個小型的硅片上而構(gòu)成的微型計算機系統(tǒng)，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖3.1.2STM32F103ZET6單片機stm32f103zet6是一種嵌入式-微控制器的集成電路（IC），由ST公司開發(fā)并生產(chǎn)，芯片的體尺寸是32位，速度是72MHz，程序存儲器容量是256KB，程序存儲器類型是FLASH，RAM容量是48K。最高72MHz工作頻率，它的工作電壓范圍為2~3.6V。它的結(jié)構(gòu)組成如圖3-2所示，該系統(tǒng)通過一條內(nèi)部的總線以及兩條APB總線將整個系統(tǒng)以及一些外部的設(shè)備連接到了一起，內(nèi)部總線的部分主要包括了中央微處理器，數(shù)據(jù)存儲器，程序存儲器，時鐘源晶振等模塊，而APB1主要包括一些處理速度要求較高的外設(shè)，而APB2則包括了各個I/O口以及中斷模塊。圖3-2STM32結(jié)構(gòu)圖圖3-3STM32引腳圖STC32F103ZET6的電路引腳圖如圖3-3所示，主要包含了PA-PG共7大部分，每一部分又包含16個端口，其中大部分端口都能夠通過軟件編程的方式設(shè)置其輸入輸出狀態(tài)，多個I/O口具有自帶的AD轉(zhuǎn)化，能夠進行AD/DA轉(zhuǎn)化，且有的I/O口具有串口通信功能，由于該單片機引腳較多，功能廣，因此不一一列舉，詳情可參考附錄1。3.1.3AT89C51單片機圖3-4AT89C51結(jié)構(gòu)圖圖3-5AT89C51串口電路圖AT89C51是由AT公司生產(chǎn)的，以8051作為內(nèi)核，以掩模ROM作為程序存儲器的CMOS產(chǎn)品，工作電壓范圍為4-5.5V。它的組成結(jié)構(gòu)如圖3-4所示，主要包含一個8位的中央處理器，一個晶體振蕩器，程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器，四個八位的并行I/O口，定時器/計數(shù)器，兩個通信端口，中斷源等，其原理圖如圖3-5所示。其中P0.0-P0.7為漏級開路雙向I/O口，它的輸入輸出電流是其他I/O口的兩倍，因此當這幾個口要接蜂鳴器，發(fā)光二極管等應(yīng)用時需要外接上拉電阻，且它能夠作為外部數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)或地址低八位，而P1.0-P1.7則是一些自帶上拉電阻的雙向I/O口，輸入輸出電流只有4TTL，因此可直接與二極管等配合使用，可作為低八位地址的接收端，P2.0-P2.7口的結(jié)構(gòu)與P1.0-P1.7口相似，且它可以作為外部程序存儲器，可用于接收地址或外部數(shù)據(jù)的高八位，P3.0-P3.7則為特殊寄存器接口，P3.0為串口通信時的數(shù)據(jù)接收口，用于接收外部發(fā)送進來的信息，P3.1則為串口通信時數(shù)據(jù)發(fā)送的接口，用于將單片機內(nèi)部的數(shù)據(jù)發(fā)送到其他設(shè)備中，P3.2和P3.3是單片機中的外部中斷控制口，可以控制外部中斷的發(fā)生與停止，P3.4與P3.5則為定時器中斷的控制口，P3.6和P3.7則為當單片機內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲不夠時添加了外部存儲器，使用這些這兩個口來控制是選擇向外部存儲器寫入數(shù)據(jù)還是讀取外部存儲器中的各項數(shù)據(jù)。3.2溫度傳感器的選取經(jīng)過第二章第節(jié)對測溫方式的講解，結(jié)合價格，性能和設(shè)備的鋪設(shè)，維修等方面綜合考慮，分析得紅外溫度傳感器最為適合用于開關(guān)柜的溫度檢測，它能夠在不接觸電纜的情況下測得溫度，避免了高壓電對測量系統(tǒng)的影響，另外開關(guān)柜中封閉，干燥的條件下也較為適合紅外測溫，然而，在本次開關(guān)柜溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計中，考慮到經(jīng)費有限而紅外溫度傳感器價格高昂和環(huán)境條件的限制，所以選取了DS18B20溫度傳感器作為有源無線溫度檢測中的傳感器，這種傳感器足以滿足在低壓條件下的開關(guān)柜溫度檢測的工業(yè)使用要求，但不適用于中高壓開關(guān)柜的溫度檢測，因此，在做中高壓開關(guān)柜溫度檢測時需選擇紅外溫度傳感器來測量溫度。它的原理圖如圖3-7所示，該模塊主要功能都集中在圖中DS18B20模塊中，LED燈提醒模塊是否正常供電。圖3-7DS18B20原理圖3.3電源電路由于本測溫系統(tǒng)使用了AT89C51芯片及STM32F103芯片，前者的工作電源電壓為4-5.5V，后者的工作電源電壓為2.5-3.6V，因此，需要設(shè)計兩個不同的電源。其中5V的電壓源中采用了220/6V的變壓器先將220V的交流電壓轉(zhuǎn)換為6V，再接sr整流橋把交流電轉(zhuǎn)為直流，因為沒有轉(zhuǎn)濾波器，因此靠近整流橋一端的電容的耐壓值根據(jù)公式得穩(wěn)壓器的選擇上因為要將6V轉(zhuǎn)5V所以選擇了LM7805型號的穩(wěn)壓器。圖3.3.1為5V電壓源的原理圖。而3.3V的電壓源數(shù)據(jù)也采用了220/6V的變壓器，得到6V電壓后同樣接sr整流橋，再接LM1117-3.3型的整流橋。圖3.3.3為3.3V電壓源的原理圖。圖3-65V電源原理圖具體設(shè)計過程如下，首先因為使用到AT89C51芯片和STM32F103系列的芯片，因此可以從芯片手冊中得知，前者的工作電壓為4-5.5V，后者為2.5-3.6V，工作電流為微安級，我們所制作的兩個電源的電壓就要設(shè)計在這兩個范圍內(nèi)，其次我們生活中用到的是220V的三相交流電壓，而單片機中使用到的為直流電壓，使用我們需要安裝整流橋來變交流電為直流電，因為使用的變壓器的額定工作電壓為10V，為了減少計算因此選擇了工作電流及電壓都較大的整流橋KBPC610,其中KBPC為元器件的型號，6表示平均輸出電流6A，10表示反向峰值電壓1000V，其次是選擇相應(yīng)的穩(wěn)壓管，因為將6V轉(zhuǎn)換為3.3V屬于小范圍的電壓，因此選擇LM1117-3.3作為穩(wěn)壓管，當將6V轉(zhuǎn)5V時可以使用7805來進行，但7805電壓轉(zhuǎn)換一般要相差2V以上才能進行降壓，因此最終得到的電壓可能小于5V，因為可以滿足4-5.5V的范圍，使用可以使用。圖3-73.3V電源原理圖3.4顯示電路本次的電力電纜接頭溫度檢測與報警系統(tǒng)的設(shè)計中我用到的顯示電路為四串口IIC通信協(xié)議的OLED來顯示，顯示的參數(shù)主要有DS18B20是否正常工作，其次是測得的溫度的顯示。選擇OLED顯示的原因主要是其工作電壓較小，使得它的耗電量相較于1602或數(shù)碼管等顯示方式要小得多，另外它的工作電壓可以恰好與STM32的工作電壓相對應(yīng)，另外它顯示的數(shù)據(jù)更加的清晰且因為它的規(guī)格為，因此能顯示多行數(shù)字，而本次測溫系統(tǒng)設(shè)計中有3個溫度測量模塊，要顯示3行，其他大多數(shù)顯示方式不具備那么多行的顯示能力，其次他不僅可以顯示數(shù)字，還能寫中文，英文，功能較為強大，而且與開發(fā)板中的LCD顯示屏比雖然功能不及，但它的價格便宜，綜合考慮成本，功能等因素后決定采用OLED顯示。3.5報警電路報警電路的設(shè)計主要包括聲光報警部分及發(fā)送報警數(shù)據(jù)部分，首先聲光報警部分可以分為測量端的聲光報警及控制端聲光報警部分，測量端的聲光報警部分主要功能為溫度傳感器返回的溫度值過高時，與之相對應(yīng)的發(fā)光二極管亮，蜂鳴器也發(fā)出聲音，而其圖3-8蜂鳴器電路原理圖他溫度沒有超過標準的部分發(fā)光二極管不亮，蜂鳴器保持安靜，而在接收端接收到報警數(shù)據(jù)后，會根據(jù)收到的報警數(shù)據(jù)辨別出是哪個位置發(fā)生故障，與之對應(yīng)的發(fā)光二極管亮，且只要有一個地方發(fā)生溫度過高，蜂鳴器就會發(fā)出報警聲音，兩部分的原理圖如圖3-8，和圖3-9所示。報警信息方面單片機會根據(jù)接收到的溫度信號先確定測量的是哪個部分的溫度，再比較溫度是否過高，溫度過高時準備發(fā)送值為1和溫度正常時準備發(fā)送值為0，發(fā)送的數(shù)據(jù)為所在位置值與2的乘積加上準備發(fā)送值，由此發(fā)送的數(shù)據(jù)就可以包含地址信息和溫度是否過高信息，如1號位溫度過高時發(fā)送值根據(jù)公式得3，當接收數(shù)據(jù)時因為任何數(shù)與2的乘積都為偶數(shù)，所以為偶數(shù)時則為溫度正常反之則溫度過高，而接收到的值對2求商則得出故障點位置，如收到數(shù)據(jù)5時，5為奇數(shù)所以發(fā)生了故障，5對2取商得2，所以2號位置發(fā)生故障。圖3-9二極管電路原理圖3.6通信方式的選擇本文第二章中已經(jīng)對各種無線通信方式做了較為詳細的說明，考慮在開關(guān)柜中使用的無線通信方式，首先需要注意的是它的體積，因為一個開關(guān)柜中功能的主體是對電力電纜的工作進行控制，且因為散熱的問題決定了開關(guān)柜的各個功能組件之間需要有一定的間隙散熱，如果使用過大的通訊模塊會壓縮開關(guān)柜內(nèi)其他功能組件的安裝位置，在相同體積的情況下會造成開關(guān)柜功能的減少甚至缺失，因此要盡量的選擇體積小的通信方式，固我們可以先排除使用無線保真通信；其次因為開關(guān)柜中大部分都是密封使用的，故障維修困難，維修一次所用的時間也較長，且溫度檢測系統(tǒng)一般用的電池供電，因此在選擇通信方式時我們還需要關(guān)注該模塊的穩(wěn)定性及耗電量，而ZIGBEE的通信方式明顯無論是在通信范圍，通信的穩(wěn)定性亦或是耗電量方面都要強過藍牙，而且報警信號的數(shù)據(jù)量并不大，因此不需要用到藍牙的大數(shù)據(jù)傳輸，故而在本論文中我們使用ZIGBEE通信。3.7主控系統(tǒng)主控系統(tǒng)主要圍繞STM32F103來組成，如圖3-10所示，本系統(tǒng)有3個DS18B20，一個OLED顯示屏，一個ZIGBEE通信模塊，以及晶體振蕩器等部分組成。其中溫度檢測由DS18B20模塊完成，顯示部分由OLED完成，系統(tǒng)的對外通信由ZIGBEE完成。首先系統(tǒng)通過DS18B20，以單總線的方式將溫度信息傳遞到單片機中，而單片機會對受到的信號進行處理，然后將對應(yīng)的二極管及蜂鳴器串口進行相應(yīng)的置位，溫度數(shù)據(jù)和傳感器的工作狀態(tài)會通過OLED顯示出來中，此外單片機會將對應(yīng)位置的溫度傳感器狀態(tài)經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理后通過ZIGBEE發(fā)送到從機系統(tǒng)。圖3-10主電路原理圖3.8本章小結(jié)本章主要講述了在開關(guān)柜溫度檢測及報警系統(tǒng)設(shè)計的過程中，應(yīng)該設(shè)計哪些模塊，電路中選擇DS18B20測溫，ZIGBEE通信的原因，討論了是否還有更好的選擇，講解了各個模塊使用了什么器件，如何進行元器件的選擇，簡要的介紹了各部分功能如何控制，確定了硬件電路的接線及原理圖的繪制。4系統(tǒng)軟件設(shè)計本文中的開關(guān)柜電力電纜接頭溫度檢測及報警系統(tǒng)設(shè)計軟件部分的內(nèi)容主要包括主函數(shù)程序，LED燈初始化控制程序，蜂鳴器初始化程序，DS18B20測溫程序，ZIGBEE通信程序，OLED顯示程序，共6部分組成，系統(tǒng)的軟件部分主要由各種通信協(xié)議組成，其中包括有單總線數(shù)據(jù)通信，IIC通信協(xié)議以及串口通信協(xié)議。本系統(tǒng)程序編寫主要使用KEIL5軟件進行，使用C語言的方式進行編程。KEIL5系統(tǒng)是國內(nèi)常用的單片機編程軟件，其中包含了匯編方式的編程和C語言方式的編程，不僅適用于51單片機系列的程序編寫，還能支持STM32系列單片機的編程，且經(jīng)過多年的發(fā)展，這款軟件在查錯，仿真，下載方面與其他軟件相比都具有一定的優(yōu)勢，因此選擇使用這款軟件。C語言的編程方式相比于匯編語言具有文字易理解，邏輯性較強，運行效率高，簡單易學(xué)，錯誤易于修改等優(yōu)勢，因此選擇使用C語言編程。4.1主程序設(shè)計主程序中最先定義的是用于儲存溫度數(shù)據(jù)及其他儲存數(shù)據(jù)變量的定義，其次是對程序中使用到的元器件的初始化，初始化完成后所運行的程序應(yīng)該是不斷重復(fù)執(zhí)行的，因此要包含在一個while語句中，while語句中首先需要進行的是確定溫度傳感器模塊是否初始化成功了，成功的在OLED上顯示該模塊OK，反之則顯示該模塊error，其次就是對測溫模塊工作正常的地方進行溫度數(shù)據(jù)的讀取及處理，通過調(diào)用測溫程序中編寫好的圖4-1主流程圖讀取數(shù)據(jù)函數(shù)得到被測物體的溫度數(shù)據(jù)，因為讀取數(shù)據(jù)時是分高位和低位來分別讀取的，而高位中具有符號位，因此我們要對的到的數(shù)據(jù)進行判斷正負的處理，如果為負數(shù)則取反并在OLED中先顯示負號再顯示取反后的值，如果為正則無需處理直接顯示。其次要對溫度進行判斷，如果溫度超過了電力電纜接頭允許的最高溫度，則對應(yīng)的發(fā)光二極管應(yīng)該發(fā)光且蜂鳴器應(yīng)當發(fā)出報警聲音，直到溫度降下來才停止報警，此外需要時刻反應(yīng)對應(yīng)位置的溫度情況信息，通過ZIGBEE將數(shù)據(jù)f發(fā)送出去，發(fā)送的數(shù)據(jù)通過第n個位置溫度狀況為x（x為0時正常，為1時溫度過高），經(jīng)過計算得，每次發(fā)送之后要延時一段時間來給與接收數(shù)據(jù)端處理數(shù)據(jù)。根據(jù)上述方法可以繪制出程序的流程圖如4-1所示。4.2DS18B20測溫程序DS18B20溫度檢測程序中，首先要將對應(yīng)的I/O口就行初始化設(shè)置，設(shè)置為推挽輸出形式，設(shè)置完成后接下來要確定是否能夠接收到測溫系統(tǒng)傳遞回單片機中的信號，檢測是否有回應(yīng)的方法為先將串口設(shè)置為輸出模式，再總線電平拉低480-960us，然后拉高電平15-60us，再把串口設(shè)置為輸入模式，讀取串口信息來分辨是否有DS18B20來回復(fù)，因為無法確定釋放總線后多少時間后才能受到DS18B20拉低電平，所以要將所有情況都列舉出來一一分析，情況1：一開始讀取的數(shù)據(jù)就為0，這種情況下可能是出現(xiàn)什么錯誤使得I/O口電平一直為低，也可能是DS18B20將它的電平拉低的，而DS18B20在拉低電平60-240us后會受上拉電阻影響再次將電平拉高，所以這種情況下需要在60-240us內(nèi)能夠檢測到高電平到才說明有響應(yīng)，反之則沒有連接到測溫模塊，情況2：一開始檢測到高電平信號，此時可能出現(xiàn)的情況分別為還未收到DS18B20置低信號或模塊其他原因?qū)е碌囊恢笔盏礁唠娖綌?shù)據(jù)，所以需要在一段時間內(nèi)不斷檢測，確定是沒有收到置低電平信號還是其他原因?qū)е碌碾妷阂恢睘楦唠娖綘顟B(tài)，如果在這段時間內(nèi)收到了低電平信號則什么收到測溫模塊的響應(yīng)，否則就通信失敗。讀數(shù)據(jù)時要先將I/O口設(shè)置為輸出數(shù)據(jù)模式，然后先將電平拉低2us后再拉高電平，再將I/O口設(shè)置為輸入模式，延時12us后即可讀取I/O口信息，每進行一次以上操作只能讀取一個數(shù)據(jù)，因此要讀取多位數(shù)據(jù)時要使用for語句循環(huán)讀八次，而且因為單總線通信時數(shù)據(jù)由低位讀到高位，因此要先把數(shù)據(jù)保存在高位，需要讀下一位數(shù)時先將保存數(shù)據(jù)的變量右移一位后再將新的數(shù)值保存在此變量的最高位。因為一般情況下讀書分兩次讀，先讀低八位，再讀高八位，因此，在我們處理讀數(shù)的過程中還需要把這兩個數(shù)據(jù)合并起來，這就需要將高八位的數(shù)據(jù)左移八位后再與低八位進行或運算。發(fā)送數(shù)據(jù)的過程可以分為寫0和寫1的過程，其中寫0時先將I/O口設(shè)置為輸出模式，把總線電平拉低60us后拉高2us，而寫1則恰好相反，要把總線電平拉低2us后拉高60us，而每次發(fā)送數(shù)據(jù)時常直接發(fā)送八位，除此之外因為要從低位開始發(fā)送的緣故，發(fā)送數(shù)據(jù)時可以將需發(fā)送的數(shù)據(jù)與0x01用與關(guān)系符聯(lián)系起來，再發(fā)送，發(fā)送完一個位后再將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)右移一位，通過循環(huán)語句循環(huán)8次后就能夠發(fā)送八位數(shù)據(jù)了。在讀取溫度時需要先發(fā)送數(shù)據(jù)啟動DS18B20的溫度轉(zhuǎn)化功能，再發(fā)送一串數(shù)據(jù)進行讀數(shù)操作，首先要發(fā)送0xcc，這條語句的意思是操作測溫系統(tǒng)跳過ROM設(shè)置，注意每次對測溫模塊發(fā)送命令前都要重新發(fā)送對ROM的設(shè)置命令，設(shè)置完ROM后接下來就要發(fā)送數(shù)據(jù)0x44時測溫模塊進行溫度轉(zhuǎn)化操作，然后在發(fā)送0xcc后才能再發(fā)送0xob來讀取溫度信息，因為單總線通信方式是支持一條線上多個傳感器的，所以我們也可以外加讀取ROM的程序，如此一來對ROM存儲器的設(shè)置上就應(yīng)該發(fā)送對應(yīng)的IP地址，如此來分別操作不同的測溫模塊。根據(jù)上述方法，繪制出DS18B20程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2DS18B20數(shù)據(jù)讀取流程圖4.3ZIGBEE通信程序此通訊模塊的使用方法與串口通信相似，先要對I/O口進行初始化設(shè)置，設(shè)置為推挽輸出的形式，這里面的串口并不是所有串口都可以，需要在芯片手冊中找到具有TX,RX功能的串口，在本次設(shè)計的過程中我們選擇的是PA9與PA10口，另外還需要進行波特率的設(shè)置，本次系統(tǒng)設(shè)計中使用的波特率為4800，除此之外還需要對中斷進行初始化，因為數(shù)據(jù)的發(fā)送及接收過程中都使用到了中斷函數(shù)來進行。4.4聲光報警程序聲光報警系統(tǒng)的設(shè)置主要為對LED燈以及蜂鳴器的處理，其編程較為簡單，先將其I/O口的工作狀態(tài)設(shè)置為推挽輸出，其次可以通過利用置1和置0的函數(shù)來將他們的電位拉高或置低來，以此控制燈的亮滅以及蜂鳴器是否發(fā)聲。4.5OLED顯示程序本次開關(guān)柜電力電纜接頭溫度檢測使用四串口的基于IIC通信的OLED顯示，其中使用芯片中的PG11對應(yīng)顯示器上的SCL口，PD5對應(yīng)SDA口，此函數(shù)中首先要對各個I/O口進行初始化，其次是對通信協(xié)議的設(shè)計，按照IIC的通信方法，其發(fā)送數(shù)據(jù)的過程主要由起始函數(shù)，結(jié)束函數(shù)，等待響應(yīng)函數(shù)，寫數(shù)據(jù)函數(shù)，發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)，更新顯示函數(shù)等部分組成，首先是起始函數(shù)，在起始函數(shù)中首先把SDA和SCL位置1，延時一段時間后先將SDA置0，再延時一段時間后SCL也置0，這在IIC通信中代表了開始發(fā)送數(shù)據(jù)，然后是發(fā)送地址數(shù)據(jù)0x78或0x7a，其中前者表示地址為0111000，后者表示地址為01111010時發(fā)送的數(shù)據(jù)，而寫電平的函數(shù)則分為寫0和寫1，先將SDA的電平變成發(fā)送數(shù)據(jù)中變量所代表的電平，如要發(fā)送1則將電平拉高，發(fā)送0則將電平拉低，然后延時一段時間后將SCL置高，再延時一段時間，最后將SCL置低，通過下降沿把數(shù)據(jù)寫進去，數(shù)據(jù)工作過程中常常以字節(jié)為單位發(fā)送數(shù)據(jù)，除此之外IIC的通信方式要圖4-3OLED命令求我們將數(shù)據(jù)由高到低依次寫入，因此在實際操作過程中，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)與0x80通過與關(guān)系符聯(lián)系起來，然后傳遞到發(fā)送函數(shù)中發(fā)送出去，傳遞完成后再把要發(fā)送的數(shù)據(jù)左移一位，用for語句循環(huán)發(fā)送8次，這就可以實現(xiàn)一個字節(jié)一個字節(jié)的發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送完地址后要等待OLED傳遞信號來判斷是否建立起了正常的通信，否則發(fā)送的數(shù)據(jù)沒有任何意義，等待響應(yīng)的函數(shù)需要先將SDA置一，延時一段時間后將SCL也置一，然后再延時一段時間，再把SCL置零，最后再延時一段時間來等待響應(yīng)。收到響應(yīng)函數(shù)后通過各自不同的需要發(fā)送一串數(shù)據(jù)來讓OLED了解我們的需求，這串數(shù)據(jù)由8位二進制數(shù)組成，其中后面6位都為0，前2位中第一位co位為0表示后面數(shù)據(jù)都是數(shù)據(jù)字節(jié)，否則不是，大部分情況下我們都將其置零，第二位R/W位為選擇后面數(shù)據(jù)發(fā)送的是命令還是數(shù)據(jù)，1則為數(shù)據(jù)，0則為命令，通過這串數(shù)據(jù)可以用函數(shù)中輸入的值來確定發(fā)送的是數(shù)據(jù)，還是命令。發(fā)送完成后我們需要再次等待響應(yīng)，然后以十六進制數(shù)發(fā)送出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)或要執(zhí)行的命令的十六進制代碼，然后我們依舊要等待響應(yīng)告訴系統(tǒng)發(fā)送是否成功了，最后發(fā)送停止位來說明數(shù)據(jù)或命令的發(fā)送已經(jīng)完成，停止函數(shù)的編程方法為先將SDA置1，延時一段時間后SCL置1，再延時一段時間后SCL置0。通過以上的方法可以讓OLED在單片機的控制下正常工作。當使用OLED前，需要先發(fā)送一系列命令來配置它的工作狀態(tài)，命令內(nèi)容如圖4-3所示，另外需要顯示時首先要將內(nèi)容保存在顯示數(shù)組中，然后更新顯示來完成數(shù)據(jù)最終的顯示，如果要清除顯示則將數(shù)組中的數(shù)全部清零再更新，更新顯示的函數(shù)編寫格式如下，首先因為OLED為規(guī)格，其圖4-4OLED程序編寫流程圖賦值方法為每8行中同一列的數(shù)化為兩個十六進制數(shù)發(fā)送出去，系統(tǒng)會將其對應(yīng)到相應(yīng)的地址上顯示出來，其中0則表示那一處燈滅，1為亮，所以每次更新顯示的時候要先發(fā)送好對應(yīng)行的起始地址，正如坐標軸中要準確找到一個點的位置需要行和列坐標，在OLED中要找到準確的地址位置需要行地址和列地址，其中第一大行對應(yīng)0xb0地址，下一行的地址則為0xb1，以此類推每一行的地址都為上一行的地址加一，又因為每八行的同一列數(shù)據(jù)最終處理成一個總的數(shù)，因此對應(yīng)的系統(tǒng)中可分為8個大行，其次是要設(shè)置列的地址，但是由于列的數(shù)目有128個，因此我們將它分為高64位和低64位來方便使用，其中低64位的起始地址為00，高64位的地址為10，賦值時在同一大行中可以給與初始行，列位置后不斷的賦值，直到行位置或者列位置需要改變，以此來減少發(fā)送起始位，停止位等命令的次數(shù)，減少單片機工作量。對顯示數(shù)組的賦值可以通過枚舉法來完成，首先在另外一個文檔中先定義好一系列的數(shù)組，其中包括各種顯示大小條件下應(yīng)該發(fā)送的數(shù)據(jù)的情況（即在初始行和列情況下，需要發(fā)送什么數(shù)據(jù)能使其顯示出想要的字符），當要使用時則可以通過調(diào)用顯示函數(shù)來對顯示數(shù)組進行賦值，此函數(shù)中需要輸入顯示的位置橫坐標，縱坐標，字體大小以及顯示的數(shù)據(jù)，根據(jù)字體的大小和顯示的數(shù)字我們可以找到發(fā)送這個數(shù)據(jù)所需要發(fā)送的數(shù)據(jù)的代碼，其次根據(jù)給出的行坐標，將行的數(shù)據(jù)對8取商和取余，根據(jù)商可以判斷出在第幾大行中，根據(jù)余數(shù)可以得知需要對其進行移位多少，如余數(shù)為3則我們需要對所需發(fā)送數(shù)據(jù)的代碼進行右移3位的操作，有時因為他們并不在同一大行中顯示，因此第一行的數(shù)據(jù)移動后還要改變后面幾行的數(shù)據(jù)，改變的方法為將第一行的數(shù)據(jù)左移8-余數(shù)位，將第二行的數(shù)據(jù)右移余數(shù)位，再將它們或語句聯(lián)系起來，以此類推可以對顯示數(shù)組進行賦值，另外為了避免后一個賦值對前面賦值語句的干擾，外部數(shù)據(jù)要進入到顯示函數(shù)時不能夠直接賦值而是要用或語句來進行賦值。如此就能完成數(shù)據(jù)在OLED上顯示操作。由上述方法總結(jié)可得OLED顯示的流程圖如圖4-4所示。4.5本章小結(jié)本章主要介紹了開關(guān)柜電力電纜接頭溫度檢測及報警系統(tǒng)中軟件部分編程的思路和方法，詳細的介紹了各種通信協(xié)議的使用方法，講解了在編程過程中要注意的一些細節(jié)。5系統(tǒng)仿真與樣機調(diào)試5.1系統(tǒng)仿真5.1.1仿真軟件介紹PROTEUS是由英國公司出版的仿真軟件，它不僅具備了硬件電路的仿真功能，具備EDA軟件所具有的能力，而且能夠?qū)纹瑱C及其外圍電路進行程序仿真，不僅可以進行原理圖的設(shè)計，而且可以使用PCB設(shè)計的方式，編程的方法也多種多樣，支持在軟件內(nèi)部用匯編語言進行編程，也能夠?qū)⑵渌浖系腃語言編程文件導(dǎo)入進去，使用十分方便，另外它還支持使用虛擬串口進行仿真，是世界上唯一的，能夠?qū)㈦娐贩抡妫琍CB設(shè)計，虛擬模型結(jié)合到一起的軟件。另外它提供了很多的元器件，同一類型的器件都包括了很多型號，能夠滿足絕大多數(shù)人的需求，受到許多老師和使用者的一致好評。當然PROTEUS還存在一系列的不足之處，比如其STM32方面的芯片種類不夠多，32系列的軟件編程方面經(jīng)常會出現(xiàn)錯誤等，