Temperature Monitoring System Based on AT89C51 Microcontroller
HongLi Zhu LiYuanBai
1.College of Informationa, Henan University of Technology , Zhengzhou , 450052,China; 2. College of Informationa, Henan University of Technology , Zhengzhou , 450052,China zhl780221@163.com
Abstract
To the problems of online real-time temperature inspecting of the electric cable interface, this paper designs an inspecting and alarming system based on AT89C51 microcontroller. The hardware circuit of this system is composed of collector, host control machine and PC. Through the key courses of collection, storage, conversion and transmission, the temperature data of electric cable interface is sent to real-time show and alarm, achieves inspecting and alarming for the interface of electric cable and avoids the happenings of fire effectively.
1. Introduction
In the actual process of power transmission, at the point of every 100 meters or so in the long- distance electric cable line equips an electric cable interface[1]. Cable fires caused by both the internal and the exterior breakdown easily happening in numerous electric cable interface approximately account for more than 50% in the total numbers of electric cable accidents. In fact, the electric cable interface breakdownrsquo;s development is an evolutionary process. To avoid occurrences of the electric hazards effectively, a method of monitoring the real-time temperature of electric cable interface, aiming for understanding the working condition of each interface accurately and comprehensively and determining the service plan, may ensure safety of the power transmission.
This temperature inspecting and alarming system to the cable connector takes a monitoring plan at the core of which is AT89C51 microcontroller. Three major part composing the whole system are
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978-1-4244-3930-0/09/$25.00 copy;2009 IEEE
respectively: gathering and transformation of temperature parameter, data transmission of temperature, and datarsquo;s central demonstration and processing.
2. system design
This system is composed of superior PC machine, the host control machine and the temperature collector[2]. Structurally, the whole system can be divided into three layers: one of userrsquo;s monitoring of superior machine constituted by the microcomputer system, one controlling level of master control machine composed of AT89C51 and one measuring level at the collector. Superior PC exchanges data with the host control machine through GPRS. The system is a kind of principal and subordinate structure made up of one PC and several collectors, through the RS-485 communication network, they can transmit data of long distance. The structure of the system is shown in Figure 1.
Figure 1. System structure diagram
In this system, superior PC machine regularly sends out to the host control machine the commands of reading the temperature data. After receiving these
Authorized licensed use limited to: Huaiyin Institute of Technology. Downloaded on April 15,2010 at 06:40:58 UTC from IEEE Xplore. Restrictions apply.
orders, the host machine will send back the preceding data read from collectors and saved in SRAM. After finishing the transmission, the host control machine also sent out orders of reading the temperature to each collector. Once the collector receiving them, the data saved in the collector SRAM will be send back to the host control machine that will receive and renew original data at the relevant position. During this correspondence gap collectors constantly read the newest temperature value to prepare for the real-time reading command of the host machine. All orders and transmission of the data have formulated the strict communication protocols, and adopted the different check-up ways, greatly enhanced reliability in the process of transmission.
2.1 Temperature collector
The collector consists of mainly six parts including the microcontroller AT89C51, select electric circuit of the temperature measurement port, the communication circuit, registering and booking circuit of the DS18B20 sensor, electric circuit of the memory and the temperature sensor[3]. Collectorrsquo;s structure diagram is shown in Figure 2.
Figure 2. Collectorrsquo;s structure diagram
Through select electric circuit of the temperature measurement port ,the microcontroller may control the temperature sensor DS18B20 gathering the temperature. The temperature data being saved first in the exterior memory SRAM will be sent back to the host control machine when requested at any moment.
The temperature sensor uses digital DS18B20 temperature collector. DS18B20 may provide temperature value of 9 to 12 rank number and has a warning function of usersrsquo; programmable bound of temperature without non-volatility. The information can be send in or out from DS18B20 through the single bus connection, therefore only connecting a line can meet the need. The power source in the course of writing and reading and completion of the temperature
change can be provided by the data line itself without need of outer power supply. Because each DS18B20 has the only series number, many DS18B20 may exist on the single bus. In the course of design, each electric cable parallel several dozens temperature sampling point, constituting a working form of serial line. For the temperature signal sent out by this microcontroller is the digital signal, it simplifies A/D transformation, and improves efficiency and the precision of the measurement.
The temperature measurement port select electric circuit uses bidirectional analog switch CMOS component CD4051 as the multi-channel gathering cut switch. The CD4051 has 8 groups
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基于AT89C51单片机的温度监控系统
摘要
针对电缆接口温度在线实时检测存在的问题，设计了一种基于AT89C51单片机的电缆接口温度在线实时检测报警系统。该系统的硬件电路由采集器、主机控制机和PC机组成。通过采集、存储、转换、传输等关键过程，将电缆接口的温度数据进行实时显示和报警，实现了对电缆接口的检测和报警，有效地避免了火灾的发生。
1. 介绍
在实际的电力传输过程中，在每隔100米左右的远距离电缆线上安装一个电缆线接口[1]。在众多的电缆接口中，电缆内部和外部容易发生的故障引起的火灾约占电缆事故总数的50%以上。事实上，电缆接口故障的发展是一个渐进的过程。为了有效避免电力事故的发生，采用实时监测电缆接口温度的方法，准确、全面地了解各接口的工作情况，确定服务方案，可以保证电力传输的安全。
该电缆接头温度检测报警系统以AT89C51单片机为核心的监控方案。整个系统由三个主要部分组成分别为:温度参数的采集与转换、温度数据的传输、数据的中心演示与处理。
2. 系统设计
该系统由上位机、主机控制机和温度控制器[2]组成。从结构上讲，整个系统可分为三层:由微机系统构成的上位机用户监控层、由AT89C51构成的主控机控制层和采集器处的测量层。上位机通过GPRS与上位机交换数据。该系统是一种由一台PC机和若干个采集器组成的主从结构，通过RS-485通讯网络，可以实现远距离数据的传输。系统结构如图1所示。
图1.系统结构图
在该系统中，PC上位机定期向主机控制机发送读取温度数据的命令。在收到这些命令时，主机控制机会将之前从采集器读取并保存在SRAM中的数据发回。传输完成后，主机控制机还向各采集器发出读取温度的指令。采集器接收到数据后，保存在采集器SRAM中的数据将被发送回主机控制机，主机控制机将在相应位置接收和更新原始数据。在这个通讯间隔期间，采集器不断读取最新的温度值，为主机控制机的实时读取命令做准备。数据的所有指令和传输都制定了严格的通信协议，并采用了不同的检测方式，大大提高了传输过程中的可靠性。
2.1温度采集器
该采集器主要由单片机AT89C51、测温口选择电路、通信电路、DS18B20传感器的通信电路、存储器的电路和温度传感器[3]六部分组成。采集器的结构图如图2所示。
图2.采集器的结构图
单片机通过测温口选择电路，控制温度传感器DS18B20采集温度。首先保存在外存储器SRAM中的温度数据将在任何时候被请求时发送回主机控制机。
温度传感器采用数字DS18B20采集器。DS18B20可提供9到12位的温度值，并具有用户可编程温度范围的警告功能，无易失性。信息可以通过单一总线连接从DS18B20发送进来或发出，因此只需连接一条线路就能满足需要。在写和读及完成温度改变的过程中的电源可以由数据线本身提供，不需要外部电源。因为每个DS18B20都有唯一的序列号，所以单个总线上可能存在许多DS18B20。在设计过程中，每根电缆并联几十个温度采样点，构成串行线的工作形式。该微控制器发出的温度信号为数字信号，简化了A/D转换，提高了测量效率和精度。
测温口选择电路采用双向模拟开关CMOS器件CD4051作为多路集合切断开关。CD4051共有8组，其中1组负责控制1个总线，3-8解码器通过单片机的地址线进行调节，负责选择CD4051的信道。在设计中，每个采集器使用2片CD4051，可以控制16组单总线。另外，每个采集器都有通道扩展插座，可以将通道扩展到64组，充分满足实际需要。
DS18B20通讯口电路完成了新型温度传感器的登记和记录。每台DS18B20在开机和工作前，必须先登记或记录，使单片机记录其64位串码，以便在测量温度时被识别。因此，在每个采集器上设计，使ds18b20温度传感器首先发送其串口端号，以满足单片机的要求。单片机建立一个逻辑地址，读出它的串行代码，然后将其存储在SRAM的相关单元中，以备在读取或写入传感器时使用。
同时在采集器中还扩展了一块32K无易失性SRAM DCM0256作为数据存储，用于存储DS18B20的64位串行代码和采集多点温度数据。该存储器具有访问速度快、断电不丢失数据等特点，能够满足系统的实际需求。
通信模块是系统实现多台机器之间的远程传输和通信的关键。由于电缆连接器测温所需的数据传输距离一般在几公里以上，通信模块通常采用RS-485通信接口，利用平衡传输和差分接收后，具有抑制干扰的能力。此外，接收方还有高灵敏度，可检测最低200mv的电压，因此传输信号可在几公里外得到恢复。
2.2主机控制机
图3是主机控制机的结构图，主要包括通信电路、存储器电路和显示电路。
图3.主机控制机结构图
主机控制机的主要任务是读取和保存采集器的温度数据，然后将数据发送到上位机，便于分析、演示和用户查询。因此，主控机实际上是一个具有记忆和通信功能的处理器。由于主控机既能与采集器进行数据交换，又能与上位机进行数据交换，因此可以利用通信选择电路来改变主控机单片机的串行工作。
主控机与采集器之间的数据传输采用RS-485通讯方式。主机控制机最多可连接256个采集器，因此RS-485总线的应用能够实现一个多个采集器连接组成的分布式系统。
主机控制机通过GPRS(通用分组无线业务)与PC上位机进行通信。GPRS通信是一种集现代无线通信技术、信号采集技术和计算机网络技术于一体的高技术系统，具有成本低、效率高、应用广泛等特点。为用户提供高效、经济、安全、实时的监控方法，当基于GPRS通信网络的IP数据包传输数据时，主机控制机通过RS-485总线与GPRS连接与GSM基站相对应的调制解调器。但与电路交换或数据呼叫不同的是，GPRS的数据组从基站传输到SGSN节点，而不是在语音网络中连接，SGSN和网关支持节点GGSN通过移动业务交换中心M SC进行通信。在GGSN和PC上位机之间，可以直接使用Internet来完成传输。
2.3上级机管理系统
本系统的管理软件是在Windows XP环境下用VB语言开发完成的。由于其丰富的图形界面、良好的控制模块集成度、较短的开发周期和较高的开发效率，VB语言非常适合本系统软件的开发。系统软件功能结构图如图4所示。
图4.系统软件结构图
在数据传输过程中，利用异步串行通信技术，与硬件协调，实现PC上位机与主机控制机之间的控制指令和数据的传输。系统的在线监控功能可离线配置，并具有良好的人机界面。在在线观测系统中，设计了电缆隧道状态和测温分布图，直接显示各采集器的位置和当前的温度值，正常情况下，采集器颜色为绿色。当一个采集器的温度超过设定值时，颜色变为红色，当其温度数值接近设定值时，颜色变为黄色，涉及极限温度的警告。在此基础上，给出了电缆实际场景的图形动态描述。如图5所示。
图5.电缆隧道状况及温度测量分布图
在线观测系统也可以用表格来演示或打印温度数据，如图6所示。
图6.测温报告
从各电缆接头的具体温度图中，只需输入日期和时间，即可查出各电缆接头对应时间的表面温度和三相温度值。通过电缆接头的温度曲线，可以清楚地观察到各电缆接头的温度值和温度变化趋势，如图7所示。
图7.温度曲线图
由于曲线图可以分别用年线、月线、日线、时线绘制任意接头的温度曲线，因此该图不仅可以实时监测接头的温度，还可以分析接头的温度变化趋势。这个效果很好。
在线观测系统可以对系统的运行状态进行实时监测，包括各个采集器和网络的运行情况等。在出现异常的情况下，可以及时发现并采取措施进行维护或修理。监控参数可随时在线修改，如温度上限设定值、巡检周期等。根据电缆工作状态的温度变化，系统不仅可以自动显示电缆接头的报警温度和报警温度的变化梯度，还可以自动跟踪环境温度。在服务平台的帮助下，还为管理员提供了在线系统运行状态监控、故障报警、图片切换、打印表单、历史数据分析、数据存储、在线修改参数等功能。
3.结束语
本文的创新点主要体现在以下几个方面。该系统以计算机和单片机串行通信理论为基础,使用微型计算机的强大的数据处理能力,串行通信和GPRS通信技术,单片机的数据采集和数据监测功能,设计保持低温的总线系统和抗干扰电场,适用于远距离监测电缆接头的表面及环境温度。通过一系列的实时监测电缆连接器,分析电缆过热故障的特点,分析和预测其环境温度,可以有效地防止火灾造成过热故障和环境由于减少电源连接器的绝缘。硬件设计采用了传统的AT89C51单片机、RS-458总线和当前流行的GPRS数据传输模块，实现了系统的温度检测和温度数据的可靠、廉价传输。另外，使用了VB设计PC上位机与主机控制机之间的通信程序，在线监测系统监测电缆接头温度的变化，建立了友好的人机界面，操作方便。在设计过程中进行了无数的试验和实验。结果表明，该系统设计合理，技术先进，通信数据的传输和处理准确。由于能及时提供故障位置和检修说明，能有效避免一般已达到预期的严重事故的发生，得到了用户的好评。该系统可应用于电力、冶金、煤矿、港口等企业，实现对电力连接器温度的在线监测。
此外，只需稍加改造，就可以替代粮库、档案室、图书馆、大型蔬菜棚等温控系统。
4. 参考文献
[1]程水红.《电力设备绝缘检测与诊断》.中国电力出版社.北京.2001.
[2]王永银.“基于AT89S51的电能计量系统”.《微机信息》.2006(29).第15-18页.
[3]杨国富.“电缆接头温度检测智能控制系统的软硬件设计”.《江苏电器》.2005(5).PP.20-21.
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