基于DS18B20矿用低压电缆接线盒温度监测系统设计

李骁洋

基于DS18B20矿用低压电缆接线盒温度监测系统设计

李骁洋

（煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122）

为了提高电力线路的稳定性和安全性，及时了解矿用低压电缆接线盒温度状态信息，提出一种基于DS18B20温度传感器的矿用低压电缆接线盒温度监测技术。在详细分析红外成像技术、热电偶、热电阻、分布式光纤测温技术和智能测温技术的原理、技术特点基础上。选用DS18B20为核心设计矿用低压电缆接线盒温度监测系统，并对硬件整体结构图和温度采集软件流程图进行详细设计。

煤矿；接线盒；DS18B20；温度；数据采集

0　引言

近年来，我国煤矿安全生产事故逐年好转，事故总量及百万吨死亡率不断下降，但降低安全生产事故仍然是煤矿井下各项工作的重点。低压电缆接线盒主要由防暴外壳、接线端子、电缆引入装置及接地端子组成，适用于井下交流50Hz，电压低于1140V的供电网络，起到连接照明设备、信号设备和动力装置的电缆与供电网络电缆连接作用。井下低压电缆接线盒温度过高引起矿用电缆故障的重要因素，开展关于矿用低压电缆接线盒温度监测技术对于提高井下电缆线路安全性、避免安全生产事故隐患具有十分重要的意义。

1　温度监测技术

温度是工业生产和日常生活中会一个重要物理量，自然界中几乎所有化学物理变化过程都和温度有关。在两个热力学系统中，原来各自处于平衡状态，当两者发生热量交换一段时间后达到一个新的平衡。温度传感器利用热平衡的物体具有相同温度的原理，温度测试过程传感器与被测部位相接触，相互达到热力学平衡状态后，温度传感器的温度也就是被测部位的温度。近年来各种温度传感器不断涌现，基于新式温度传感器的温度测试技术不断发展。下边通过对目前广泛采用的温度测试技术进行分析，选择合适的高压电缆连接装器温度实时监测传感器。

1.1红外成像技术

在自然界中所有的物体在绝对零度以上时都会向外界辐射红外线，物体表面的温度决定辐射红外线能量的强弱。利用红外成像技术探测波长在8～14μm或3～5.6μm的红外线，生成与被测温度相对应的热图像。红外成像技术测温范围在-170～2000℃，最小分别率能够达到0.1℃，响应时间短（毫秒级），具有实用方便、安全稳定等优点，适合于不破坏温度场的小型屋里温度测量。井下电气设备温升是一个缓慢过程，同时井下工作环境恶劣，现有发射率补偿方式是否使用还有待进一步研究，所以采用红外成像技术对高压电缆连接装器温度实时监测比较困难。

1.2热电偶

热电偶是采用两种不同的导体（或半导体）两端相连接组成一个闭合回路，在两端的温度不同情况下，回路会产生一个电动势，叫做“赛贝克温差电动势”也叫做“热电动势”。热电动势的大小和方向与导体材料及端点温度有关，根据对应的分度表得到温度值。热电偶能够实现对-200～1300℃范围内的温度测试，具有结构简单、测量范围广、精度高、惰性小等优点，常用作为标定源使用。但热电偶的参考端需要附加补偿回路来保证恒定，在井下恶劣的环境中容易受介质影响或氧化的情况，需要定期进行校准，另外在复杂的电磁条件下测量精度将受到影响。因此热电偶不适合井下高压电缆连接装器温度实时监测系统。

1.3热电阻

热电阻测温利用金属导体或半导体的电阻值受环境温度影响发生变化的原理。热电阻具有测温精度高，灵敏度好，不需要温度参考点，能够测量-200～850℃范围内的温度变化。缺点是热电阻的结构复杂，尺寸大，抗机械冲击和震动能力较差，不适合测试瞬变温度场和环境复杂的狭小体积测试。

1.4分布式光纤测温技术

分布式光纤主要根据光的时域和频域反射原理，利用光在光线中传播受温度场的影响发生散射，实现对温度的间接测量。分布式光纤测温技术测量精度高、抗干扰能力强、安装方便、易于维护，能够实现对温度的不间断监测，适用于实时测量空间温度场分布的场合。但分布式光纤测温也有缺陷，对光源的要求较高，光源波动对测量结果影响很大，原始数据处理过程会自动剔除异常温度点，造成测试误差，所以对于井下复杂的测试环境，分布式光纤测温也不适用。

1.5智能测温技术

智能测温技术是利用先进电力电子技术将全部传感元件及转换电路集成在一体，直接输出温度数字量。具有体积小、测量精度高、转换时间短、抗干扰能力强及传输距离远等优点，适合用于多点测温及环境恶劣的远程温度测试场合。选用DALLS公司的DS18B20型智能温度传感器对井下矿用低压电缆接线盒的温度进行实时监测。DS18B20测温范围在-55～125℃之间，一条数据线能够实现双向通信，可通过内置的E2PROM设定非易失的报警上下限，多个传感器可并连在唯一的三线上实现多点温度的实时监测。DS18B20内部结构主要由温度传感器、寄生源电路、冗余检验码发生器、高速缓冲寄存器、1-Wire接口、存储温度上下线的触发器控制逻辑与存储器、64位激光ROM单线接口组成，如图1所示。DS18B20供电方式有两种，一种是直接通过GND、VDD以三线的方式供电；另一种是通过寄生电源供电，从信号线上获取工作电源，此时VDD直接接地，信号线为高电平时存储能量与电容器中，信号线为低电平时断开电源，直到信号线恢复高电平重新与寄生电源相连接。

图 DS18B20内部结构简图Fig.1 Diagram of DS18B20 internal structure

2　监测系统设计

矿用低压电缆接线盒温度测试系统采用小封装及低功耗单片机LPC2131为微处理单元，主要包括电源、温度传感器、RS485通信模块、超温报警模块、显示模块和JTAG接口模块，结构框图如图2所示。LPC2131是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32 ARM7TDMI-STM的微处理器，内部具有32kB的嵌入式高速Flash存储器。LPC2131具有独立时钟源和电源的实时时钟，使其在节电模式下大大降低系统功耗。通过片内集成的PLL最大操作频率可达60MHz，PLL的稳态时间为100μs，具有9个电平或边沿触发的外部中断引脚。

DS18B20型智能温度传感器能够直接将温度信号转换为数字信号，简化了其与单片机之间的硬件接口电路。软件程序需要根据DS18B20的工作时序读取温度数据。DS18B20的通信协议规定了读“1”、“0”时隙；写“1”、“0”时隙；应答脉冲与复位脉冲的信号类型。在多个被监测点温度监测时，需要在运行程序之前建立64位ROM代码和温度传感器之间的对应关系，采取搜索ROM指令读取温度传感器的序列号，并存储在LPC2131的内存中。DS18B20温度采集程序流程如图3所示。

图2　矿用低压电缆接线盒温度监控系统结构框图Fig.2 Structure diagram of mine low voltage cable junction box temperature monitoring system

图3　DS18B20温度采集程序流程图Fig.3 Flow chart of DS18B20 temperature acquisition program

3　结论

矿用低压电缆接线盒是煤矿井下输电线路重要的设备，其安全性能直接关系到井下电力系统的稳定性和可靠性。DS18B20型智能温度传感器体积小、响应时间短、测量精度高，且安装方便、受环境因素影响小，运行稳定可靠。将DS18B20应用到井下矿用低压电缆接线盒温度监测系统中，简化了系统结构，提高了系统的可靠性和安全性。

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Design Monitoring System of Mine Low Voltage Cable Junction Box Temperature Based on DS18B20

LI Xiao-yang

（CCTEG Shenyang Research Institute， Fushun Liaoning 113122， China）

In order to improve the stability and security of the power line， timely understanding of mine low voltage cable junction box temperature state information， put forward a mine low voltage cable junction box temperature based on DS18B20 temperature sensor monitoring technology. On the detailed analysis basis of the principle and technical characteristics of the infrared imaging technology， thermocouple， heat resistance， distributed optical fiber temperature measurement technology，intelligent temperature measurement technology. Design for mine low voltage cable junction box temperature monitoring system with DS18B20 as the core， and the temperature acquisition software flow chart of the overall structure and hardware in detail design.

Coal mine； Junction box； DS18B20； Temperature； The data collection

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.08.010

LI Xiao-yang. Design Monitoring System of Mine Low Voltage Cable Junction Box Temperature Based on DS18B20［J］. The Journal of New Industrialization，2016，6（8）: 71-74.

中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金（项目编号：2013MS014）

李骁洋（1990-），男，助理工程师，主要从事煤矿提升运输设备检验与研究

本文引用格式：李骁洋.基于DS18B20矿用低压电缆接线盒温度监测系统设计［J］. 新型工业化，2016，6（8）：71-74.