基于单片机的高压开关柜温湿度控制系统的设计

【摘要】高压开关柜内部温湿度的控制是保障其安全可靠运行重要条件，文章从硬件和软件方面介绍了一种基于单片机的温湿度控制系统，可以实现温湿度的实时显示、参数设置、超限报警、输出控制等功能，测试结果表明该系统能够调节高压开关柜的内部环境，性能良好可靠。

【关键词】单片机；高压开关柜；温湿度

1.前言

高压开关柜在电力系统中有着非常广泛的应用，是电厂、变配电站中的核心设备之一。在运行过程中，开关柜里面分、合部件的机械松动、连接触点的磨损、触头的表面氧化和设备老化等原因，导致连接部件或接触部件的接触电阻增大，长期在高电压、大电流和满负荷的条件下运行，热量集结加剧，极易导致开关柜内温度升高，如不及时处理将出现局部熔焊、产生火花或电弧放电，最终造成电气设备的损坏，甚至发生火灾、爆炸等严重的供电事故；此外，高压开关柜内部空间较为紧凑，柜内潮湿、结露等现象可能会导致开关设备发生爬电、闪络等事故；一旦发生供电事故，短时间内无法恢复生产，从而造成重大经济损失。所以，温度、湿度监控在高压开关柜运行过程中非常的重要，对高压开关柜内部进行实时、准确、高效的温湿度控制，可以延长设备使用寿命，保证高压开关柜的安全运行，提高电力系统的运行可靠性，具有重大的经济效益和社会效益。

图1 系统控制框图

2.系统整体结构

本控制系统采用自动模式运行，通过传感器采集高压开关柜内部的温湿度，当开关柜温湿度超限或有结露趋势时，一方面发出报警信号通知工作人员，一方面控制相应的通风、加热设备，控制开关柜温湿度的在正常的范围之内，保障开关柜安全运行，同时为了方便工作人员观测了解，本控制系统通过液晶显示器实时显示当前的温湿度数据。系统结构框图如图1所示。

3.系统硬件设计

本控制系统采用模块化设计方案，核心是微控制器，包括传感器组、液晶显示模块、报警模块、电源电路以及相应的加热、通风等执行机构，如图2所示。

图2 系统硬件电路结构图

3.1 微控制器

高压开关柜内部的环境较为复杂，温度、湿度、强电磁等，所以微控制器采用美国微芯公司生产一种产品PIC16F877单片机，集成AD转换器、USART及SPI接口模块，具有8K的程序存诸空间、512字节的数据存诸空间，此外该单片机采用Haryard双总线结构，能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，具有较高的运行速度，较为简化的电路，低功耗、抗干扰能力强等特点，可以适应高压开关柜复杂的环境。

3.2 传感器模块

传感器采用的是瑞士Sensirion公司生产的SHT15温湿度传感器，其将温湿度传感器结合在一起，构成了一个单一的整体，提高测量精度并且可以精确得出露点值，具有极高的可靠性与长期的稳定性；内部包含有A/D转换器，可以直接将采集到的模拟量转化为数字传输到控制器，数据传输采用用串行通信方式，使系统集成更简易快捷，同时还有精度高、反应迅速、功耗低等特点。实际使用过程中为提高测量的精度在DATA引脚接上10k的上拉电阻，在电源引脚（VCC，GND）之间增加一个100nF的电容用以去耦滤波，单个传感器与微控制器的接口电路如图3所示。

图3 温湿度传感器接口电路

3.3 显示器模块

本控制系统需要显示多点的被测量，因而采用微功耗12864液晶模，可以更加直观的观测开关柜内各点温湿度，该模块的数据端直接与单片机连接，E为使能端，控制读/写时序，R/W判断读写操作，RS控制显示和指令，使用时直接与单片机的I/O口连接，电路如图4所示。

图4 液晶显示器接口电路

图5 输出控制电路

3.4 输出控制模块

大多数开关柜采用封闭式结构，在长期运行下热量不宜扩散，造成开关柜内部温度升高，当温度超过设定上限时，极易发生供电事故；此外，开关柜内部相对湿度较大时容易产生结露现象，极易引起爬电、闪络事故，危害供电安全。所以，当温度高时启动通风机，当有结露产生的趋势时自动启动加热器，降低相对湿度或水蒸气量，以改善设备内部环境，提高运行安全性。排风扇及加热器输出控制电路如图5所示。电路采用光电耦合的方式提高控制系统抗干扰能力，单片机I/O口输出低电平，光电耦合器S导通，继电器K吸合，通过控制继电器的通断来控制相应设备的工作。

3.5 报警模块

控制系统检测到开关内部温度过高、湿度超限时，控制系统输出信号驱动三极管控制蜂鸣器发生及点亮报警灯，发出报警信号通知工作人员，同时输出信号控制风机或加热器工作，调节高压开关柜内部环境。

图6 主程序流程图

4.系统软件设计

系统采用模块化程序设计，包括主程序控制模块，初始化程序以及功能控制主程序，由主程序调用各子程序以实现各模块功能。系统上电完成复位后，利用传感器检测各个点的温度和湿度信息，通过液晶显示器显示实时显示出来，然后将温湿度值与设定值进行比较，若温度、湿度超限即报警和输出控制信号，若开关柜内部温度、湿度没有超出设定值，则计算露点值，再次判断是否有结露趋势，最终得出信号控制执行机构调节开关柜内部环境，保障开关柜的安全运行，具体流程图如图4所示。

5.测试结果与分析

软硬件联合调试完毕后，将调试成功的温湿度控制系统（包括通风机和加热器）安装在某闲置高压开关柜内。为了能够更直观的观测系统的运行和控制过程，通过2台加热器、2台加湿器人工模拟开关柜温湿度变化，温度上限设置为70oC，下限为25oC，湿度上限90RH%；然后把控制系统的温湿度测量数据与专业温湿度计测量数据进行对比，分析控制系统的整体性能。测试结果如表1、表2所示。

表1 控制系统温度测试（环境湿度48RH%）

时间 温度（系统）oC 温度（专业工具）oC 通风机是否工作 是否报警

14：3O 21 20.8 否 否

14：45 39 38.6 否 否

15：00 55 54.8 否 否

15：15 70 70.0 否 否

15：30 82 81.9 是 是

表2 控制系统湿度测试（环境温度20oC）

时间 湿度（系统）RH% 温度（专业工具）RH% 加热器是否工作 是否报警

13：OO 48 49 否 否

13：15 62 63 否 否

13：30 74 74 否 否

13：45 85 86 否 否

14：00 94 96 是 是

经过分析，发现控制系统采集数据和专业测量工具测量数据误差较小，温度最小误差为0，最大误差0.4oC，湿度数据最小误差为0，最大为2RH%；同时在数据超限时，执行机构正常工作、报警电路正常工作，说明本控制系统温度传感器性能良好，能够满足控制系统的要求。

6.结语

本文针对高压开关柜内部环境对温湿度的要求，结合传感器技术和单片机技术，设计具有温湿度实时显示、存储、超限报警、输出控制等功能的控制系统，测试结果表明，该装置可以实时显示温湿度，能够很好的控制执行机构工作，当超限时能够及时报警，同时具有测量精度高、控制性能好、可靠性强等特点，有较高的应用价值。

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作者简介：郭文勇（1976―），男，陕西华县人，工程师，现供职于国网渭南供电公司，从事电力系统运检管理工作。