基于STC12C5A60S2的楼宇母线槽温湿度监控系统

朱贵辽+程汉湘+范垂豪+冼冀+刘康

摘 要：鉴于如今母线槽的广泛应用，以及存在的一些监控和投切问题，设计一种新型的针对母线槽的温湿度监控系统。系统以单片机STC12C5A60S2和ADuc7026为控制核心，红外温度传感器和电容式湿度传感器监测楼宇母线槽的温湿度变化状况，通过液晶显示屏实时显示。如果母线槽配电干线的温湿度超限，则在不影响漏电开关原有保护功能上驱动其跳闸。系统对预防安全事故，保证母线槽配安全、可靠运行，具有重要意义。

关键词：楼宇母线槽;温湿度;监控系统;布线

中图分类号：TP277          文献标识码：A            文章编号：2095-1302（2015）01-00-03

0  引  言

随着现代化工程设施和装备的涌现，各行各业的用电量迅增，尤其是众多高楼建筑和大型厂房车间的出现，作为传统的电缆很难满足需求。新型配电装置的母线槽以其采用的新技术，新工艺且节省空间而被广泛应用。由于母线槽结构紧凑、铜排紧压一起，对散热和绝缘要求较高，若母线槽自身温度升高到一定的极限就会加速绝缘老化，甚至破坏绝缘，以至发生安全事故。因此，母线槽温湿度的实时监控，对用电的安全、预防事故具有重要的意义。目前，对母线槽的驾控，仅是对母线槽的温度和湿度进行检测，而未能与控制器相结合。且多选用接触式传感器SHT10，当母线槽温度较高时，严重影响温度采集的精确性。针对此，设计了一套监控系统，系统结合了楼宇母线槽自身的特点，以及应用环境需求，选用了一款非接触式的红外传感器作为温度采集传感器，采用电容式湿度传感器对环境湿度进行检测。根据采集到的温湿度是否越限来控制漏电开关是否跳闸，在不影响原有漏电开关保护功能的前提下，又能避免在母线槽温度或者湿度过高而引发安全事故。

1  系统功能设计

本系统通过温度传感器，实时检测母线槽的温度，通过电容式湿度传感器实时的检测母线槽的湿度。采集的信号传送到控制器中，经过信号处理，并显示在液晶显示器上，达到对楼宇母线槽的实时监控。同时，根据设定的温度和湿度，与采集到的温度湿度相对比，看是否越限，来控制漏电开关是否跳闸，这样，在不改变漏电开关原有的保护功能前提下，又增加了温湿度的保护同能，避免的因为温读或者湿度的过高而引发的安全事故。图1为楼宇母线槽的整体监控图，如图系统在每个楼层的配电母线槽出线有4个温度检测点：分别监测A，B，C三相的出线温度，及每层的母线的干线进线处。在其安装槽处，安装一个电容式湿度传感器，对安装环境内的湿度进行监测。在设计时，上位机控制楼宇总的漏电开关是否跳闸，下位机通过传感器监测到本楼层的温度湿度来决定本楼层的漏电开关是否跳闸，且对漏电开关原有的保护功能不加影响。下位机采集到的温湿度的模拟信号，经过处理后，变成数字信号，通过RS-485总线传送到上位机。

图1  楼宇母线槽温湿度检控系统示意图

2  系统总体设计

系统以单片机STC12C5A60S2和ADuc7026芯片作为控制器核心。STC12C5A60S2系列单片机是STC生产的单时钟/及其周期（1T）的单片机，指令完全兼容传统的8051，但是速度快8～12倍，并且由于其高速、低功耗、超强的抗干扰能力，在电磁环境较为复杂的情况下能有效工作，因此作为此系统的下位机。ADuc7026处理器是一款高精度的处理器，其端口多，且有两路串行UART接口，其中一个UART1作为本系统和下位机通信，另一个UART2能满足系统日后和计算机系统的通信，还能通过标准的I/O口加入其他功能，如键盘输入设置。在本系统中ADuc7026处理器作为上位机使用。图2为本系统的硬件结构示意图。在系统中，下位机主要由温度采集模块、电容式湿度采集模块、漏电开关控制模块、通信模块。下位机主要由液晶显示模块、通信模块及楼宇总漏电开关驱动模块组成。

3  下位机系统设计

下位机工作流程图如图3所示

图3  下位机流程图

下位机由STC12C5A60S2作为控制芯片，也是系统的核心。主要负责对温度和湿度的采集，根据温湿度是否越限来驱动本层的漏电开关跳闸，并且当上位机通过查询的方式请求获取本楼层的温湿度以及开关状态信息时，通过串口把数据传输给上位机。主要由温度采集模块、湿度采集模块、漏电开关控制模块和通信模块组成。

3.1  温度采集模块

由图2可知，温度采集模块主要由红外温度传感器，运输放大器和A/D转换器构成。考虑到传感器应用的环境为强电场和强电磁干扰，由应用环境的限制，当干线温度过高时，对于一些接触式的传感器测量的准确性影响比较大，光栅式传感器价格较高，对于需要多点测量的系统提高了总体成本，因此在本系统中选用非接触式的红外传感器TS118-3。当外界环境温度一定的时候，对于红外温度传感器TS118-3输入的电压值和被测目标的的温度呈现出一定的线性关系。环境温度则由TS118-3内部集成的热敏电阻的阻值线性反应，因此在处理数据时，首先要测试出环境温度大小，然后在此环境温度下，线性化处理红外测试到的温度信号。使输出的电压值能较好转换成相应的温度。通过测量到的电压值，可以逆推算出被测目标的温度值。

由于传感器输出的是为微电压信号，所以需要先经过放大器把电压信号进行放大，然后经过A/D转换，把模拟信号转化成数字信号，供单片机处理。故在本系统中选用了高精度、低失调率AD8554作为放大器。因系统中需要对五路温度信号进行测量，而TS118-3测量温度时需要环境温度作为参考，即每路温度触感器输出两个电压信号，总共有十路模拟信号需要A/D转换。因此在本系统中选用两个带有八通道输入的A/D转换芯片ADC0809。两片ADC0809构成了一个十通道数模转换器，在设计时，为了节省单片机的端口，减小系统的功率，两片ADC0809的输出端口可以共用一组STC12C5A60S2的I/O端口，在此选P0口作为数据接收端。两片ADC0809的控制端口占用STC12C5A60S2的另一组I/O端口，这样把数据端口和控制端口分开使用，即节省了端口数量，又易于控制。

在系统对温度采集的处理顺序为，先通过单片机的P1口发出地址给ADC0809地址选择端口选通需要转换的通道，然后单片机控制端子给ADC0809的ALE和START端子一个高电平信号锁存地址，给 START端子一个短脉冲信号下降沿启动转换，单片机通过查询ADC0809的EOC确定A/D转换结束后，给 ADC0809的读取使能端子OE一个高电平读取转换后的数据并进行存储。转换结束后的数据，通过输出电压的值和测量温度的线性关系计算出当前的温度大小。

其主要程序如下：

void ADC0809_read（void）

{int i;//设置采集的个数

for（i=0;i<=7;i++）//从低地址开始往高位地址循环选通变换通道

{_nop_（）;_nop_（）;

P1=0x00+i;//通过P1口地址选取，

EOC=1;

ALE=1;//地址锁存并开始译码

START=1;

_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;

START=0;//下降沿译码开始

ALE=0;

wiatADCend（）; //判断是否译码结束

P0=0xFF;//P0口和ADC0809的数据位连接

OE=1;//允许对ADC0809输出A/D转换后的数据

A0809cun[i]=P0}//数据存储到A0809cun[]数组中

void  wiatADCend（void）

{while（！EOC）;}

3.2  湿度采集模块：

在本系统中，由电容式传感器HS1101和555振荡电路构成湿度采集模块。HS1101是一款电容式相对湿度传感器，可以把传感器置于555振荡电路中，将电容值的变化成与之成比的频率信号，然后供单片机采集，只需要一个555振荡电路作为调理电路，即可实现对湿度的采集。随着湿度的不同，振荡电路输出的脉冲数也不同，通过计算脉冲数来判断出湿度大小。脉冲通过STC12C5A60S2的P3.4端口即定时器T0输入到单片机，再利用定时器T1准确定时，精确计数出脉冲个数。计数出的频率的大小和其湿度大小成一定的线性关系，通过测量频率的方式来精确的推算出湿度的的大小，这样可以充分的利用单片机的定时器计数器功能，且精确度较高。

3.3  漏电开关控制模块

在楼宇母线槽配往每层都有相应的漏电开关作为本层楼的开关控制，且在使用的漏电开关中，有自己的一个复位开关，复位开关按下去后，给漏电控制器一个短时的高电平，使开关动作跳闸关断。这样，可以利用漏电开关的特点来设计本监控系统，即通过给复位端子一个高电平信号来控制开关的跳闸，既不用增加额外的开关，又不会对原有的安全系统造成影响。图2中给出了由驱动电路和漏电开组成的漏电开关控制模块，主要由三极管驱动电路、光触发可控硅及漏电开关的复位电路构成。通过传感器对温度和湿度进行采集，当母线槽配线温度或者湿度超限时，通过单片机STC12C5A60S2的I/O口发出高电平，驱动漏电开关跳闸，当母线槽干线温湿度超限时通过ADuc7026的I/O口发出高电平，驱动漏电开关跳闸。同时，当每层的供电系统出现短路或者有漏电流时，这层的漏电开关同样可以正常自动跳闸。在本系统中，选用9013和MOC3083光触发可控硅组成驱动电路。在STC12C5A60S2单片机的上电后I/O口输出是一高电平，即使在程序中上电后立即置位为低电平，也会有一个10 ms左右的高电平脉冲，这样容易导致误动作。因此，在的驱动漏电开关的I/O口加入下拉电阻，并且接入一47 mF的电解电容，在单片机STC12C5A60S2的驱动输出的I/O设置为强推免模式，驱动电流可以达到20 mA，且接地阻值为3 kΩ，可以满足驱动电压的要求也不会出现误动作。该驱动电路简单，兼容性强，且可与漏电开关脱扣器搭配组成本系统的跳闸控制模块。

3.4  通信模块

由于在输配电过程中有大量的电气噪声存在，系统选用RS 485串口通信，此串口通信方式成本低，抗工模干扰能力强，通信时只需要两根信号线，易于在母线槽走线，因此在本系统中应用尤为合适。楼宇母线槽的配电系统，对温度和湿度的监控为多点监控，此系统中通信采用主、从结构。在系统中单片机STC12C5A60S2作为从机，ADuc7026处理器作为主机。主机和从机，从机与从机之间采用并行连接的方式。通信模块的硬件主要由通信模块由光耦、RS 485接口芯片构成。对于现在楼层建筑楼层高传输距离长，检测点多的特点，故通信接入点比较多，因此在选用RS 485接口时，选用能够支持多个节点的芯片SP485R。

4  上位机管理系统

上位机由ADuc7026作为控制芯片，主要负责整理来自下位机的信息。包括显示模块和通信模块两部分，通信模块通下位机的一样，选用SP485R芯片，显示模块选用选用HS12864液晶显示器作为系统的显示器，由上位机控制显示，把温湿度信息和开关状态显示到HS12864上。

工作流程图如图4所示：

图4  上位机管理流程图

上位机ADuc7026与下位机STC12C5A60S2采用查询的方式进行通信，通信方式采用传统的485通信模式，波特率设置为9 600  b/s，单片机串口通信采用通信方式3，即每帧11位的异步通信模式，1位起始位，8位数据位，1位奇偶校验位和1位停止位。图4为ADuc7026的软件流程图，开始给控制器的各个参数进行设置，初始化完成后ADuc7026通过通信线发送信号，选择要读取数据的下位机，并随即发送出读取信息的请求。下位机 STC12C5A60S2从通信线上接受到串口中断请求后，与本机地址比较，若本机地址与选中地址相同，就继续接受发送信息请求，并且回复给ADuc7026以应答信息，随即把相关的数据信息发送至上位机ADuc7026，ADuc7026收到信息后驱动显示器HS12864显示当前楼层的温湿度信息和开关状态。如此，处理器ADuc7026作为上位机，循环的给下位机STC12C5A60S2发送读取请求信息，使得上位机能实时的显示出当前的温度湿度以及开关状态信息，以达到实时监控的效果。

5  结  语

本文以楼宇母线槽温为监控对象，设计了一套温湿度监控系统。由单片机通过电容式湿度传感器HS1101实时采集的湿度信号，通过红外温度传感器TS118-3采集实时的温度信号，经过处理得出温湿度数据，送至上位机显示。系统通过借助原有系统的漏电开关，既满足了对于楼宇母线槽干线的温湿度监控，当超限时跳闸的需求，又不影响的母线槽漏电开关原有的保护功能。方便可靠，成本比较低，实用性强，有较高的应用价值，另外根据需要，以后还可以增加功能，实现计算机联网控制。

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