断路器触头无线测温系统的设计与分析

输配电的电气接点测温有多重方法，比较传统的方式有测温腊片方式、红外枪测温，新兴方法有光纤测温、无线测温、红外成像测温，传统方式需要人为去不定期目测或者遥测，具有一定的不确定性，受人为因素影响大。新兴的方法应用了现代电子、光电、射频等技术，手段先进、自动化程度高、测量数据准确，可以实现远程监控、报警设置、历史记录等功能。新兴的测温方法中目前应用比较多首推无线传感器测温。

本文针对无线传感器测温，分析了这种测温方式的设计和实现方法。

一、总体方案设计

无线传感器测温系统主要包括以下几个组成模块：无线温度采集传感器(简称传感器)，无线温度接收仪(简称接收仪)，后台主机(简称主机)。

图1 总体拓扑结构

上述图中无线温度传感器的功能主要实现温度数据的采集、计算、发送;无线温度数据接收仪主要实现温度数据的接收和转发;后台主机主要用于数据的展示、存储以及转发;远程监控是根据用户需求配置的，主要便于远程数据实时监控。

二、硬件设计

2.1无线温度传感器

无线温度传感器主要包含三部分：温度传感器、无线通讯模块、主控芯片,它的功能框图大致如下：

主控芯片对温度传感器进行数据采集，然后通过无线通信模块把温度数据发送出去。

2.1.1温度传感器

温度传感器的作用在于准确测量温度、根据设置将温度数据发送出去，现在温度测量的方式很多，有模拟的也有数字的，在这里我觉得采用数字温度传感器相对比较可靠，TMP35是一个在各个领域中应用比较广泛的温度传感器。

TMP35是美国AD公司出品的温度传感器，它具有工作电压低，精度高，功耗低，测量范围宽的特点。

TMP35温度传感器特性：

l 低工作电压：+2.7 V至+5.5 V

l 直接以摄氏度校准(°C)

l 比例系数：10 mV/8°C(TMP37为20 mV/8°C)

l 精度：±2°C(整个温度范围内，典型值)

l 线性度：±0.5°C(典型值)

l 能稳定驱动较大容性负载

l 额定温度范围：-40 °C至+125 °C，工作温度最高可达+150 °C

l 静态电流：小于50 µA

l 关断电流：最大0.5 µA

TMP35是低电压、精密摄氏温度传感器，提供与摄氏温度成线性比例关系的电压输出。TMP35不需要执行任何外部校准，在+25°C时典型精度为±1°C，在−40°C至+125°C温度范围内典型精度为±2°C。TMP35的低输出阻抗及其线性输出和精密校准可简化与温度控制电路和ADC的接口。器件可采用2.7 V至5.5 V的单电源供电。电源电流低于50 μA，自热效应非常小，在静止空气中小于0.1°C。此外还可以利用关断功能将电源电流降至0.5 μA以下。TMP35在 25°C时提供250 mV输出，温度测量范围为10°C至125°C。TMP35/TMP36/TMP37提供低成本3引脚TO-92、8引脚SOIC_N和5引脚SOT-23表贴三种封装。

TMP35温度传感器功能框图

2.1.2无线通信模块

CC1020是美国TI公司推出的一款高性能无线通讯芯片，也是目前物联网应用比较流行的通讯方案之一。

CC1020采用微功率发射，最大发射功率10mW。采用ISM频段,无需申请频点。载频频率433MHz，也可提供868/915MHz载频。高抗干扰能力和低误码率。基于FSK的调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，在信道误码率为10-2时，可得到实际误码率10-5~10-6。传输距离远。在视距情况下，天线高度>2米,可靠传输距离可达200m(BER=1200bps)。透明的数据传输。提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。自动过滤掉空中产生的假数据(所收即所发)。多信道。 STR系列标准配置提供8个信道，如果用户需要，可扩展到16/32/64信道。满足用户多种通信组合方式。 低功耗及休眠功能。 3.0V供电情况下，接收电流<20mA，发射电流<22mA，休眠电流<3uA。高可靠性，体积小、重量轻。采用单片射频集成电路及单片MCU，外围电路少，可靠性高，故障率低。

2.1.3主控芯片

MEGA48是美国ATMEL公司AVR系列中的一颗低成本、低功耗单片机器，它是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间， ATmega48 的数据吞吐率高达16 MIPS，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。MEGA48在保证高性能的同时还是一款低功耗的芯片，最低功耗仅0.5uA。

MEGA48还具有一下特点：8K 字节的系统内可编程Flash，擦写寿命: 10,000 次;具有独立锁定位的可选Boot 代码区，通过片上Boot 程序实现系统内编程;512 字节的EEPROM，擦写寿命: 100,000 次;1K字节的片内SRAM;可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密;两个具有独立预分频器8 位定时器/ 计数器, 其中之一有比较功能;一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器;具有独立振荡器的实时计数器RTC; 三通道PWM;8 路10 位ADC。

2.2无线温度接收仪

无线温度数据接收仪主要包括一下几部分：无线通信模块、主控芯片、GPRS通信模块，如图4所示。

无线通信模块负责接收无线传感器的温度数据，主控芯片将这些数据包装后通过GPRS通信模块发送给主站，无线通信模块与无线温度传感器中采用的是相同模块，故不再赘述。

2.2.1主控芯片

STM32F103V8T6使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，该内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。Thumb-2®指令集带来了更高的指令效率和更强的性能;通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器，对中断事件的响应比以往更迅速;所有这些又都融入了业界领先的功耗水准。它的工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART。 STM32F103V8T6可以工作于-40°C至+105°C的温度范围，供电电压2.0V至3.6V，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。

2.2.2 GPRS通信模块

MC52i是西门子公司提供的GPRS模块，应用于笔记本、掌上电脑、微型电话及其他工业设备中。它的优势在于：永久在线连接、快速数据存储和更快的数据下载速度;另外还具备快速GPRS 技术。MC52i GPRS模块还具备以下技术特点：体积小、重量轻;GPRS多达10个通道类别;支持数据、语音、短消息和传真;支持AT 命令集控制;具备R&TTE 认证、GCF认证;SMS:MT/MO/CB/PDU模式;内嵌TCP/IP协议栈;支持电压范围：3.3 至4.8V ;最低电流消耗：100 μA(掉电);最大电流消耗： 300 mA (通话，最高2.0 A);环境温度: –20°C to +55°C 。

三、固件设计

固件设计是整个系统的灵魂，也是系统可靠性的关键环节，为了简化篇幅，这里仅对程序流程做一个简要的介绍。

3.1无线温度传感器

上图左边为主程序流程图，右边为中断服务程序。

3.2无线温度接收仪

上图左边为主程序流程图，右边为中断服务程序。

四、可靠性设计

4.1屏蔽

无线传感器及射频收发模块是弱电子产品，工作在强电磁、高电压、大电流的环境里，可靠性是一个非常大的考验，为了防止外界干扰，最有效的措施就是采用屏蔽材料将敏感电路保护起来，事实证明这是必须和有效的。

4.2接地

解决电磁干扰另一个有效措施就是如何布线和接地，PCB在设计中要考虑信号与地线的关系，同样外部通讯电缆也需要考虑如何接地的问题。

4.3电气安全设计

应用于高压电力方面的产品在设计中一定要考虑好如何安全地工作，这其中包括电气安全距离、材料耐候性和阻燃性、安装便捷及可靠性等等。

4.4器件选择

由于使用环境比较恶劣，器件选择是非常有讲究的，所有元器件必须是工业级甚至更高级别的;重要电路必须增加保护器件。

五、后台软件设计

后台是用户直接可以接触到产品，人机界面的友好性、功能操作的实用性、版面设计的美观度都是一个良好后台软件必备的条件。

上图为后台软件的温度曲线界面，通过上图可以观察到指定时刻或时段内温度变化情况。

六、结束语

断路器触头等高压电气接头测温是一个必须而有挑战性的需求，围绕着它产生了诸多解决方案，论文中所应用的无线通信技术在其他领域也得到了广泛采纳，方兴未艾的“物联网”、“RFID”就是实例，电网要走向智能化，底层的电压、电流、温度等信号的采集是关键，无线高压电气接头测温就是底层信号采集的一个探索，希望能够为智能电网的建设做出一些有益的尝试。

参考文献：

1.《机电之家》 作者：马云峰

2.《基于CC1020的无线通信模块设计》作者：文俊峰乔晓军 张文爱 冯登超

3.《传感器简明手册及应用电路》作者：刘畅生 于建国 张昌民 宣宗强

4.《基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用》作者：彭刚春志强

5.《AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践》作者：马潮