金屬氧化物避雷器（MOA） 是防止供電系統(tǒng)和用電設備免受雷電危害的主要設施， 一旦出現故障， 不但失去應有的防雷作用， 且可能帶來供電事故。因而為確保MOA正常發(fā)揮作用， 需要在線監(jiān)測MOA的運行狀態(tài)。以MOA閥片溫度作為故障特征量， 設計了基于DS18B20和AT89S52單片機的實時溫度監(jiān)測系統(tǒng)。研究表明， 該系統(tǒng)結構合理， 方法正確， 可滿足應用需求， 大幅度減少了MOA維護成本。

避雷器監(jiān)測中， 幾乎所有需要測量的變量， 包括在正常電壓及過電壓下的能量吸收， 及由于老化和受潮產生的功耗， 都會影響MOA 閥片的溫度。溫度不僅是其實際工作狀況的間接檢測， 而且是避雷器本身的精確運行參數。MOA 的溫度是各種影響參數共同作用的結果， 避雷器的能量吸收能力是由溫度確定的。正常運行條件下， MOA吸收能量損耗， 溫度變化很小， 出現過電壓時， 溫度可能暫時會有所上升， 但會慢慢恢復。在MOA 老化或受潮時， 溫度會逐步上升，溫度不僅是其實際工作狀況的間接反映， 而且是各種影響參數共同作用的結果。在持續(xù)運行電壓下MOA過熱直接與能量損失相關， 而與運行電壓的質量及外界干擾等無直接關系。因此， MOA 閥片的溫度是判別其是否工作在（熱）穩(wěn)定狀態(tài)的重要特征量。有限元法對MOA的熱特性分析表明， MOA的接地端溫度能反映MOA閥片的熱量分布狀態(tài)， 只要獲得MOA 的接地端溫度， 就可以判斷MOA 的當前工作狀態(tài)。

論文設計的MOA溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)， 以DS18B20為溫度傳感器， AT89S52單片機為控制單元， 同時通過RS- 485總線與PC 機進行通信， 具有遠程溫度監(jiān)測能力和遠程報警能力。

1  DS18B20簡介

1. 1  DS18B20

系統(tǒng)采用DALLAS半導體公司生產的單線數字式溫度傳感器DS18B20 監(jiān)測MOA 接地端溫度。

DS18B20 通過對其內部溫度系統(tǒng)振蕩器輸出的脈沖信號計數來測量溫度， 并在芯片內部把溫度信號轉換成串行數字信號供微處理器處理， 它具有體積小、抗干擾能力強、使用簡單等特點。芯片的測溫范圍為- 50 ~ 125 , 可精確到01625 ; 其工作電源既可以遠端引入， 也可以以寄生方式產生； 每個芯片都有自己單獨的識別編碼， 因而在一條總線上可掛接多個DS18B20 芯片； 由于它占用微處理器的端口少， 可節(jié)省大量的引線和邏輯電路， 適合于遠距離多點溫度檢測。

在進行多點測溫時， 由于傳感器與數據采集系統(tǒng)有一定的距離， 電磁干擾、信號衰減等問題會造成數據傳輸錯誤。DS18B20 內部提供CRC 冗余校驗碼，傳輸過程中系統(tǒng)具有一定的容錯能力， 在糾錯范圍內， 就可以對錯誤的數據進行糾正， 提高抗干擾能力和加大傳輸距離； 當錯誤超出糾錯范圍時， 也可以識別出錯誤的數據進行重新采集， 從而提高采集數據的可信度。DSl8B20的內部結構圖如圖1所示。

              圖1  DS l8B20內部結構圖

1. 2  單線（ 1-W ire）技術

單總線（ 1-Wire）技術是近年來由美國Da llas半導體公司研發(fā)的一種總線技術。與SPI、I2C 等多種標準串行數據通信方式不同， 它采用單根信號線傳輸時鐘和數據， 以其具有的節(jié)約I/O 資源、結構簡單、成本低廉、便于總線擴展和維護等優(yōu)點越來越多的被廣泛應用于民用電器、工業(yè)控制領域。

單總線適用于單個主機（Master）控制一個或多個從機（ Slave）設備的系統(tǒng)。當只有一個從機設備時， 系統(tǒng)可按單節(jié)點系統(tǒng)操作， 當有多個從機設備時， 系統(tǒng)可按多節(jié)點系統(tǒng)操作。與其它如并行、串行及專用總線相比， 單總線突出的特點是主機控制器件的地址線、數據線和控制線合成為一條信號線與從機設備進行雙向的數據交換。所以在有多路多個測控對象時， 系統(tǒng)的布線簡單、方便。但是較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件設計進行補償。

經過單線接口訪問單總線器件有嚴格的單總線命令序列如下：

每次訪問單總線器件， 都必須嚴格遵守這個命令序列。如果出現序列混亂， 則單總線器件不會響應主機。

2  硬件電路設計

監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式結構， 如圖2 所示。其中監(jiān)測站完成溫度的測量， 并通過RS- 485總線與PC機進行通信， 實現基于溫度的MOA 在線監(jiān)測。

               圖2  MOA溫度監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

監(jiān)測站以AT89S52單片機作為控制器， 通過多個數字式溫度傳感器DSl8B20對三相MOA和環(huán)境溫度進行采樣， 送往單片機同時進行數據處理。此單片機通過RS- 485總線與PC 機進行通信， 實時傳送當前的三相MOA 溫差和工作狀態(tài)標志， 并按照要求發(fā)送或接收參數的設定值。本設計中四路溫度傳感器分別測量一組監(jiān)測站中三個MOA底部接地端子溫度和環(huán)境溫度。單片機對采集來的溫度數據進行處理判斷， 并將判斷的MOA 當前工作狀態(tài)存儲， 等待監(jiān)測計算機的讀取， 實現基于溫度的MOA 在線監(jiān)測。

監(jiān)測站溫度測量系統(tǒng)的結構如圖3所示。

              圖3  MOA溫度在線監(jiān)測站結構框圖

2. 1  電源電路

電源部分電路如圖4 所示。電源輸入電壓為220 V交流電壓， 輸出為+ 5 V 電壓， 直接供給單片機使用， 圖3中的穩(wěn)壓管用于抑制雷電和操作過電壓干擾， FIT是交流干擾抑制濾波器， 用于進一步降低電源干擾， AC /DC 是開關型直流穩(wěn)壓電源， 為監(jiān)測站提供直流電源； 電容器具有濾波作用。

                  圖4  電源電路

2. 2  溫度測量電路

在多個器件串接在一線制總線上時， 為了區(qū)分每次操作是針對總線上哪個器件， DS18B20器件在內部提供了每個器件獨有的64位ROM 序列號， 每一次操作都要首先在對DS18B20器件的ROM 序列號進行匹配后， 方可對其中的某一個器件進行測溫/讀取溫度值的操作。

當一線制總線上僅有一個DS18B20器件時， 可以用sk ip ROM 操作（即跳過ROM 匹配）命令來代替64位序列號的匹配過程， 省掉煩瑣的總線上器件序列號的查詢操作。在本設計中， 每個監(jiān)測站僅用4個DS18B20器件， 因此在硬件滿足要求的條件下可以設計成單片機的每個端口僅連接一個DS18B20, 即利用單片機的并行端口同時對多個DS18B20進行統(tǒng)一的操作。

           圖5  DS l8B20的多點測溫電路原理圖

2. 3  串口通信電路

本設計選用的單片機AT89S52 具有一個全雙工的串行口， 可以通過編程設定為4種工作方式， 完全滿足系統(tǒng)的串口通信要求。由于實際的溫度測量系統(tǒng)離PC機的監(jiān)控地點較遠， 如采用常用的RS-232串行通信接口在傳輸距離短， 信號易受干擾等缺點， 因此本設計選用了RS- 485總線進行遠程通信。RS - 485是美國電氣工業(yè)聯合會制定的通信標準， 其采用差分信號進行傳輸， 最大傳輸距離約為1219 m, 最大的傳輸速率可達10Mbit/ s, 能夠滿足長距離和高速率的串行異步通信， 得到了廣泛的應用。在系統(tǒng)實現中， 單片機端使用MAX485芯片將TTL 電平轉換成RS - 485的電平輸出， 并在PC端連接RS232 /485轉換器， 從而實現了遠程監(jiān)控。RS- 485總線接口電路如圖6所示。

               圖6  RS- 485總線接口電路

2. 4  人機通信

監(jiān)測系統(tǒng)可采用數碼管和鍵盤作為人機交互界面， 通過鍵盤按鍵來顯示三相MOA 的當前工作溫度和與環(huán)境的溫差， 鍵盤設定或修改兩個回路的上下限溫度報警值， 且一經設定完成后即用新的參數值進行監(jiān)控并發(fā)往PC 機更新數據， 同時把新參數送入E2ROM中保存， 以防止系統(tǒng)掉電后參數的丟失。在溫度測量中， 系統(tǒng)用當前測量值與設定的上下溫限值比較， 從而控制是否需要聲光報警。當系統(tǒng)的運行發(fā)生了偏差， 可以通過復位按鍵使系統(tǒng)重新開始運作。

3  軟件編程設計

3. 1  DS18B20時序圖

由于DS18B20采用的是1-W ire總線協(xié)議方式，即用一根數據線實現數據的雙向傳輸， 單線通信功能是分時完成的， 有嚴格的時序概念， 因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進行。操作協(xié)議為： 初始化DS18B20（發(fā)復位脈沖）-發(fā)ROM 操作命令-發(fā)存儲器操作命令-處理數據。

DS18B20的復位、讀和寫時序圖如下。

所有時序都是將主機作為主設備， 單總線器件作為從設備。而每一次命令和數據的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始， 如果要求單總線器件回送數據， 在進行寫命令后， 主機需啟動讀時序完成數據接收。數據和命令的傳輸都是低位在先。

3. 2  監(jiān)測系統(tǒng)主程序流程圖

軟件部分主要包括主程序、RS - 485 通信、鍵盤掃描、溫度采集、溫度顯示等部分組成。其中RS -485通信模塊主要完成和PC 機的通信； 鍵盤掃描模塊用來輸入各溫度傳感器的溫度上下限； 溫度采集模塊定時的采集四個溫度傳感器的溫度值； 溫度顯示模塊用來循環(huán)的顯示三相MOA與環(huán)境的溫度差。

                 圖10  系統(tǒng)主程序流程圖

3. 3溫度轉換讀取程序流程圖

啟動溫度轉換及讀取溫度值流程圖如圖11所示。

跳讀ROM[命令字CCH]模塊： 單片機將要發(fā)出的啟動溫度轉換指令是對總線上所有的DS18B20, 而不論它的器件序號。啟動溫度轉換[命令字44H]: 總線上所有的DS18B20開始進行溫度轉換， 經過200ms左右， DS18B20將轉換結果存于RAM的0號和1號字節(jié)中， 供單片機讀取。因為在單總線上只有一個DS18B20, 在讀溫度值時，只需要發(fā)出跳過ROM指令[CCH ], 然后讀取溫度數據即可。數據處理： DS18B20有嚴格的時序來保證數據的完整性。在單線DQ 上， 存在復位脈沖、應答各脈沖、寫“ 0”、寫“1”、讀“0”和讀“1”幾種信號類型。

       圖11  溫度轉換及讀取程序流程圖

4  結語

DS18B20溫度傳感器以其線路簡單， 硬件少， 成本低， 具有完善的單總線通信協(xié)議， 無需復雜煩瑣的布線，在實際生產和科學研究中有廣闊的前景。設計中采用的新型溫度傳感器DS18B20, 只需要一根單總線就可完成與單片機的通信， 避免了模擬傳感器帶來的共地干擾和線路干擾問題。由它們構成的單總線傳感器網絡線纜少， 從而大大減少了現場線纜， 簡化了系統(tǒng)布線的復雜度， 系統(tǒng)可能發(fā)生故障的環(huán)節(jié)少， 便于維護， 提高了系統(tǒng)測量的準確程度和智能化程度， 并在一定程度上降低了系統(tǒng)成本。RS- 485現場總線將各采集器采集到的溫度數據傳送給監(jiān)測計算機， 并對傳輸數據進行校驗， 是數據在得以遠距離傳輸的同時， 保持了較強的抗干擾性， 且實現了計算機與監(jiān)測站的實時在線監(jiān)測。