六氟化硫(SF6)气体由于具有良好的电气性能,在国内外的电气设备中逐步替代了常规绝缘油材料。六氟化硫气体中含有水分会降低了设备的绝缘特性、加剧低氟化物的水解和金属氟化物的水解,并且易在设备内结露,接影响电器设备的安全运行。因此,准确的检测SF6气体的纯度、湿度具有重要意义。
总体设计思路
露点的测量方法有直接测量和间接测量两种方法,由于露点直接测量价格高,工业无法承受,现采用间接测量的方法,将露点的测量转化为温度和湿度的测量。本设计是利用高分子材料湿度传感器测量露点,将六氟化硫的露点测量的特点与湿度传感器的性质结合起来。
在电路设计方面,由湿敏电容与555定时器组成振荡电路,利用振荡电路的输出频率电信号与电容容量的关系,实现湿度信号转化为频率。由智能温度传感器DSl8B20组成的电路来测量温度。将得来的温湿度信号由单片机系统实现控制,最终实现六氟化硫气体的露点测量。设计的整体框图如图1所示。
硬件设计
温度测量
在设计过程中选用了美国Dallas公司最新推出的DSl8B20数字式智能温度传感器,它是单线数字式测温芯片,它能在现场采集温度数据,并将温度数据直接转换成数字量输出。它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。而且采用了三线制与单片机相连控制工程网版权所有,将测温部分与A/D转换于一体,减少了外部硬件电路,具有低成本和易使用的特点。
单线式数字温度传感器DSl8B20测温范围为-55~125℃,精度为±2℃,而在-10~85℃范围内,精度为±O.5℃。
DSl8820可以采用两种方式供电,一种是采用电源供电方式(电源电压范围为3.O~5.5V),此时DSl8820的脚1接地CONTROL ENGINEERING China版权所有,脚2作为信号线,脚3接电源。另一种是寄生电源供电方式,在本课题中采用电源供电的方式。
DSl8820温度传感器与单片机连接电路如图2所示。
湿度测量
SF6高压电器要求SF6的湿度相当低。一般的传感器难于达到测量低湿的要求。对于低湿测量(在30%以下)使用电容式湿度传感器为宜。
湿敏电容是由高分子材料作为基底,在其上下表面蒸镀一薄层微孔电极,构成一个平行板电容器;当气体的相对湿度发生变化时高分子材料的介电常数随着改变,导致湿敏电容的容量发生变化,从而实现相对湿度△x%RH。
Humirel公司的电容式湿度传感器,工作范同宽(1%~99%RH),线性度好,响应时间短(典型值10s),可以工作于-40~100℃,具有较高的可靠性和长期的稳定性,其典型的标称电容值为180PF(55%RH),推荐温度系数为0.04PF/℃。高分子薄膜电容式湿度传感器的敏感量为相对湿度。
在设计中,为将湿敏电容容量的变化转化为电信号,采用了一片555定时器。555定时器电路是一种双极型集成电路,由于它的结构独特,只要在外部引脚配上适当的阻容元件便可构成脉冲产生与变换电路,因此被应用广泛。
555定时器构成的多谐振荡器与单片机的连接电路如图3所示。
由湿敏电容与555振荡器的连接电路图,振荡器的频率输出与湿度的关系式,表1给出了二者之间的关系。
控制和显示单元
单片机系统中CONTROL ENGINEERING China版权所有,使用的显示器主要有LED(发光二极管显示器)和LCD(液晶显示器)。LCD是一种被动式显示器,由于它的功耗极低、抗干扰能力强,因而在低功耗的单片机系统中大量使用。鉴于上述的原因,使用LCD显示。
Motorola公司生产的MCl4543芯片是一种常用的LCD锁存/译码/驱动电路。MCl4543使用十分的简单,只要在LE端加高电压,BI加低电平,Ph端输入方波控制工程网版权所有,A、B、C、D输入BCD码,则在译码笔形输出端就会输出与Ph同相或反相的方波驱动对应的液晶笔画亮或暗控制工程网版权所有,从而显示出数字。LCD与单片机接口如图4所示。
方波发生器由集成电路CD4060和谐振频率为30720Hz的晶振等元件组成。cI)4060是14位二进制串行计数、分频器和振荡器。本电路采用外接30720Hz的晶振来组成晶体振荡器,其振荡信号经CI)4060内部9次分频后,在Q9端输出准确的60Hz频率信号。方波发生器的构成电路如图5所示。
软件设计
硬件电路完成以后,开始进行系统软件设计。进行软件的总对独立的模块。接着画出每一个专用程序模块的详细流程图,并选择合适的语言编写程序,最后按照软件总体设计时给出的结构框图,将各模