（重庆工业设备安装集团有限公司新疆分公司 重庆市）
摘要：本文设计利用SHT11 数字式温湿度传感器与微处理器构建了一个SF6断路器状态监测系统，实现了SF6断路器气体温度及微水含量的在线监测。
关键词：断路器；电网安全；状态监测；传感器；微水
1、SF6断路器状态监测系统总体设计
1.1方案确定
方案1：SF6断路器在线监测系统设计的方案1是用HS1101湿度传感器采集气体中微水的含量，然后通过NE555芯片将其转换成频率信号传输到下位机即单片机，在单片机里进行一系列的数据处理再通过通信输入到上位机。但是由于频率信号对我们来说不好处理，所以把将湿度传感器采集到的微水信号通过运算放大器转换成电压信号再输入到单片机。SF6气体微水含量在线监测系统湿度特征量信号，并对其进行预处理、传送、存储、计算、判断和显示来完成整个在线监测过程。因此该系统由传感器、单片机、主控PC机组成。
方案2：方案2为本设计所采用的方案，与方案1比较最大的优点在于采用了高度集成的高精度温湿度传感器SHT11，系统结构得到了很大简化，同时精度和稳定性都有提升。该型传感器集成了温度、湿度传感器，自带AD转换功能，同时具备了非线性补偿和温度补偿，使得监测结果更加准确，并且减少了方案一模块间可能引入的误差和干扰。方案2的系统结构见下节所示。
1.2系统层次
本设计的目的是实时监测SF6断路器微水含量以提前发现断路器故障保障其安全运行。状态监测系统通过位于SF6断路器气室内的传感器采集断路器微水含量信息，将采集到的信息送入微处理器处理、显示，并且由微处理器控制整个系统的运行。
1.3系统模块说明
传感器采用的是瑞士Sensirion 公司生产的带有I2C总线的数字式温湿度传感器SHT11，便于微处理器直接进行数据处理；微处理器采用的是ATMEL公司生产的AT89C52单片机，能够满足本设计的需求；显示模块采用LMO16L芯片实现LCD测量数据显示；扩展功能模块可以包含微水含量超标报警、与上位机通信实现远程控制等，本设计未给出详细设计只做基本说明。
2硬件设计
2.1系统硬件电路总体设计与说明
整个硬件电路设计可以看出由于采用了数字式高度集成化湿度传感器SHT11，系统硬件组成得到了很大简化，使得系统成本、工作效率和稳定性大大提高。
由于仿真软件默认设置好了单片机工作条件，比如晶振和一些功能端口，所以上图中未给出相关管脚的连接，实际电路中需要将这些默认部分连接出来系统才能正常工作。
2.2电磁兼容
①电磁兼容概念
国际电工委员会标准IEC对电磁兼容的定义是：系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作，同时不对其他系统和设备造成干扰。
②电磁兼容问题
系统要发生电磁兼容性问题，必须存在三个因素，即电磁骚扰源、耦合途径、敏感设备。所以，在遇到电磁兼容问题时，要从这三个因素入手，对症下药，消除其中某一个因素，就能解决电磁兼容问题。
3软件设计
3.1软件设计流程图
经过头文件载入、全局量定义之后首先将固定标示字符如Temp、%RH等送入液晶显示，之后启动SHT11传感器开始测量。测量顺序为：首先进行温度测量，然后进行湿度测量。测量完成后进行数据处理，其中包括对湿度进行温度补偿处理。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆处理完成后的数据即为系统监测到的温度、湿度值，送入液晶显示完成本次测量全过程。进行适当延时之后开始下一个测量周期，实现动态测量、显示温湿度值，即完成了设计所要求的功能。
3.2程序说明
3.2.1液晶显示1602头文件
液晶显示1602的程序作为主程序的头文件，该头文件包含了1602的常用功能函数，以便主程序使用。
①初始化LCD
本设计中该功能函数命名为init，作用是调用写LCD命令函数write_com 对LCD写入一系列命令实现LCD的初始化，包括显示模式设置、显示开关及光标设置等。
②写LCD命令
该功能函数命名为write_com，其功能是对LCD写入命令。本设计中命令代码由单片机P0口产生，通过该函数传入LCD内部实现相应的命令功能。
③写LCD数据
函数命名为write_data，作用是对LCD写入字符数据用于显示，主程序中测量结果经过处理后就是通过这个函数显示的。
④延时程序
函数名为delay，作用为延时，主要用于等待传感器完成测量以及实现一些时序控制。
4仿真调试
4.1仿真软件
①Proteus简介：
Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
②提供以下资源
Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。
Proteus可提供的调试手段 Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。
4.2仿真说明
硬件设计与软件设计完成之后需要通过仿真来检验系统能否正常工作，达到相关功能要求，本设计采用Keil C51负责系统的软件调试，采用Proteus负责系统硬件调试，两者配合即可完成整个监测系统的仿真调试工作。
仿真步骤如下：
①在Proteus中建立监测系统的硬件模型。按照硬件设计章节中的系统硬件总图图13连接各个元件，并且对端口进行相应的接电源、接地等处理。
②在Keil C51中按照软件设计章节所设计的程序建立项目，将自己编写的的1602头文件包含到Keil C51的头文件库中以便主程序调用，编译、连接整个项目最终生成硬件仿真所需的HEX文件。
③在Proteus中选择上述HEX文件载入到单片机AT89C52中即可开始仿真，通过液晶显示观察预计功能是否实现。如果仿真不成功，则按照前述流程修改程序再生成新的HEX文件再调入进行仿真直到仿真成功。
4.3仿真结果及分析
经过长时间、多次调试之后仿真终于成功了。
可见测量误差是存在的，其中温度误差为0.04°C，湿度误差分别为2.91%、2.83%、0.75%，对比SHT11数据手册中的误差范围（测湿精度±3%、测温精度±0.4°C）可见仿真误差在正常范围以内。分析湿度误差规律可知SHT11湿度测量误差随湿度增加而减小，这与前文图6所示的湿度线性规律是相符的，即低湿度区非线性程度大于高湿度区。
从仿真结果可以看出随着温度的上升，相对湿度值增大，这与密闭空间中温湿度关系是相符的。
4.4仿真总结
从仿真的结果可以得到以下结论：首先，系统测量数据显示清晰、稳定、迅速，数据误差在允许的范围内；其次根据仿真结果和数据对比得到的规律与原件性能参数规律和物理规律相符。
由此判定，本设计SF6断路器状态监测系统仿真所有功能均成功实现，说明本设计是正确可行的。
5结论
设计期间经历了很多难题，最终设计成功感触良多。通过这次毕业设计，对SF6断路器、传感器、单片机、液晶显示器件有了更进一步的认识，拓展了自己的硬件知识；同时艰难的软件设计使得自己的C语言能力有了很大提高，对于器件的工作原理也增加了深刻理解；设计期间为了一个工作原理翻阅海量资料，为了调试程序工作到半夜等等艰辛也同时磨砺了自己的品质，培养了发现困难、克服困难的能力。通过这次毕业设计可以说是给大学四年的学习所得进行了一次大融合、大提升，画上了一个圆满的句号。
参考文献：
[1]王昌钧.SF6高压断路器机械参量在线监测系统.电网技术.1999
[2]文学，唐炬，孙才.新高压断路器机械特性的在线监测高电压技术.1997
论文作者:黄泳寰
论文发表刊物:《电力设备》2016年第22期
论文发表时间:2017/1/21
标签：断路器论文; 湿度论文; 系统论文; 测量论文; 传感器论文; 在线论文; 误差论文; 《电力设备》2016年第22期论文;