基于DS18B20的低压电力开关柜铜排测温装置

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随着经济快速发展和科学技术进步，人们对供电可靠性要求越来越高，温度是表征电力设备正常运行的一个重要参数[1]，实现温度在线实时监测是保障电力设备安全运行的重要手段。低压开关柜是一种重要的电力设备，这种设备的主要作用是控制和保护电力系统，维护其正常运行是相关部门的工作重点。因此，我们通过实时监测电压开关柜的温度，来反映其运行情况。现阶段，常用的温度在线监测手段有无线测温和有线测温两种。无线测温由于造价过高，推广难度大；有线测温由于现场布线困难、电气隔离问题不适合现场使用。

1 现有产品分析

在电力系统中，各类设备的开断接触点由于在长期运行中，可能出现松动、老化、电弧冲击等原因造成的电阻增大。这使得接触点温度会不断升高，给电网的安全运行带来隐患。如果不及时发现，容易引起设备爆炸、火灾，危及人员的安全，引起大面积停电等重大灾难事故，给国家、集体、个人造成严重的经济损失，危及国家电网的安全。因此，对电力设备关键点温度进行实时在线监测，及时发现和排出安全隐患，越来越得到业内的认可和重视。传统的红外、光纤、CT取能、声表面波等测温系统，在安全性、可靠性、稳定性、经济性和实时性等方面存在众多的技术缺陷和经济缺陷，阻止了温度监测系统在电力系统大规模的系统应用。基于DS18B20的低压电力开关柜铜排测温装置，使用温度传感器DS18B20[2-3]，具有“安全”及“可靠”、“稳定”及“经济”、“实时”、便于安装调试及免维护等众多优点，为电力测温提供了最优的解决方案。

2 测温装置整体系统设计

基于DS18B20的低压电力铜排测温装置核心单元为单片机TCC081F和温度传感器DS18B20，包括嵌入式处理器、RS485通信模块、高速隔离总线电路、电源模块以及冷压线鼻测温探头，整体系统设计如图1所示。

图1 低压电力铜排测温硬件功能框图

该系统中嵌入式处理器通过高速隔离总线电路与冷压线鼻测温探头相连接，嵌入式处理器通过RS485通信模块与上行设备进行数据交互，冷压线鼻测温探头电源由电源模块经高速隔离总线电路提供，嵌入式处理器、RS485通信模块和高速隔离总线电路都由源模块直接供电。

冷压线鼻测温探头如图2所示，由测温传感和保护测温传感器的硅胶保护套管，以及盛放测温传感器和保护测温传感器的硅胶保护套管的冷压线鼻组成冷压线鼻温度传感器。冷压线鼻开孔可与螺丝固定在铜排上，保证了与发热源的紧密接触，使温度传感器对铜排的测量更加准确。

图2 冷压线鼻测温探头结构示意图

3 温度传感器DS18B20

DS18B20是美信旗下达拉斯半导体公司开发的数字化温度传感器。

DS18B20是单线数字化温度传感器，发送以及接受信息仅通过一个单线接口，所以在DS18B20和MCU之间仅需一条数据线即可完成信息的收发，节约了信道资源。其温度测量范围宽，范围为-55℃～+125℃；温度测量精度高，在-10℃～＋85℃之间的精度为0.5℃。每个DS18B20都有唯一的64位序列号相当于64位地址，从而多个DS18B20可以并联在一条总线上，支持多节点组网功能，实现多点测温。DS18B20分配两个字节对测量温度进行表述，通过程序设定9～12位作为DS18B20的测量分辨率。在系统掉电以后，由于DS18B20内部含有EEPROM，它仍然可以保存报警温度的设定值以及测温分辨率。

DS18B20引脚排列如图3所示，其各引脚说明如下：

GND-电源地；

DQ-数据输入/输出引脚，当工作在寄生电源模式下时，用来提供电源；

VDD-可选的电源引脚，当工作于寄生电源模式下时，VDD必须接地。

图3 DS18B20引脚排列

图4 为DS18B20结构框图，高速暂存器中包含两个字节的温度寄存器，温度传感器输出的数据存储在这两个温度寄存器中。除此之外，高速暂存器还提供两个温度报警值寄存器（高温触发器和低温触发器），以及一个字节的配置寄存器。配置寄存器决定用户温度的精度，精度可设定为9～12位。高速暂存器是非易失性的可擦除程序寄存器，所以即便器件在掉电时，存储的数据也不会消失。

图4 DS18B20结构框图

DS18B20的核心功能是可以直接输出数字量的温度。温度传感器的精度为可编程的9，10，11和12位（二进制编码），分别对应精度为0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃，上电状态默认精度为12位。DS18B20启动后保持低功耗等待状态，当需要执行AD转换和温度测量时，总线控制器必须发出温度转换命令，在此之后，产生的温度数据以两个字节的形式被存储到高速暂存器的温度寄存器中。

单总线系统包括一个总线控制器和一个或多个从机，DS18B20总是充当从机，当只有一只从机挂在总线上时，系统被称为“单点”系统，如果由多只从机挂在总线上，系统被称为“多点”系统。所有的数据和指令都是从最低有效位开始通过单总线传递。

4 单片机TCC081F

TCC081F芯片是青岛鼎信通讯股份有限公司自主研发的一款窄带高速通信芯片，专门应用于电力线载波通讯领域，具有高性能、高集成度等特点。该芯片主要应用在电表集抄、户内查询终端、路灯控制等领域，为电力行业或其它公共事业部门提供了一种优秀的可实现智能抄表的系统解决方案。该芯片采用ARM Cortex-M0+内核，具有32MHz内核运行速度，8KB RAM数据空间，128KB Flash程序空间，两级指令流水结构，优先级控制的中断嵌套响应机制，数据DMA传输，Flash擦写次数超过10万次，Flash数据保存大于100年。

为防止外部干扰信号对MCU造成损害，采用高速光耦将单片机对DS18B20的输入和输出通道分别进行隔离。

5 系统工作机制

在图1中所示，该新型低压电力铜排总线测温装置，使用TC8001F芯片作为MCU的嵌入式处理器1，与之相连的用于与上行设备通信的RS485通信模块2，与冷压线鼻测温探头相连接使用6N137作为隔离芯片的高速隔离总线电路4，以及为它们供电的电源模块3组成温度采集器；由测温传感9和保护测温传感器的硅胶保护套管7，以及盛放测温传感器9和保护测温传感器的硅胶保护套管7的冷压线鼻6组成冷压线鼻温度传感器。测温传感器9与高速隔离总线电路使用三芯屏蔽护套线8连接，增强了信号抗干扰能力。冷压线鼻9内灌有导热硅胶用于固定测温传感器9和保护测温传感器的硅胶保护套管7，冷压线鼻开孔可与螺丝固定在铜排上，保证了与发热源的紧密接触，使温度传感器对铜排的测量更加准确。

工作时，冷压线鼻测温传感器通过螺丝固定在铜排上，热量通过冷压线鼻6和导热硅胶到达DS18b20测温传感器9。DS18b20测温传感器9采集温度信息并转化成数字信号，信号经三芯屏蔽护套线8传至高速隔离总线电路4，高速隔离总线电路4对信号中干扰信号进行隔离，并将有效信号传至嵌入式处理器1。嵌入式处理器1对温度信息进行补偿校正后，与内部设定的温度报警阈值对比，若超过内部设定的温度报警阈值会产生温度报警信号，最后温度信息和温度报警信号通过RS485通信模块2上传至上行设备。这样工作人员就可以远程连续实时监测低压电力开关柜铜排接线处温度信息。装置安装简便，准确可靠，安装后设备免维护，减少了后期设备维护成本，提高了供电设备工作的可靠性[1]。

6 结语

温度是电力行业中非常重要的参数，对温度的测量和控制是一项传统的工艺技术。本文采用可编程高分辨率的单总线数字式温度传感器DS18B20和单片机TCC081F等组成低压电力开关柜铜排测温装置。通过TCC081F采集DS18B20输出的总线数字量信号，对采集到的温度及其对应传感器ID信息进行汇总，并通过RS485总线与上位机通信。经测试，该温度采集系统至少可支持30路5米长温度测量回路。