運(yùn)行中的電力設(shè)備發(fā)熱是安全運(yùn)行的潛在威脅。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在變電設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行中，運(yùn)行方式的改變、負(fù)荷變化較大、高溫天氣時(shí)，相關(guān)電氣設(shè)備大電流的回路連接點(diǎn)、閘刀觸頭比較容易產(chǎn)生發(fā)熱等異常情況。電氣設(shè)備外部熱缺陷的診斷可參照表1[1]。

    本設(shè)計(jì)方案提出了在無現(xiàn)場(chǎng)供電和不使用電池的情況下，利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)在高壓、高溫環(huán)境下為測(cè)溫和控制電路提供電能[2]，當(dāng)發(fā)熱溫差大于10 K時(shí)即自動(dòng)啟動(dòng)測(cè)溫電路，否則斷電等待。利用低功耗單片機(jī)測(cè)溫電路結(jié)合間歇式工作方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，理想地實(shí)現(xiàn)了高壓測(cè)溫一次設(shè)備和二次監(jiān)測(cè)設(shè)備的電隔離，保證了系統(tǒng)的安全可靠。
1 測(cè)溫方案及原理
    如圖1所示，基于AVR低功耗單片機(jī)的測(cè)溫裝置由三部分組成：直流發(fā)電電路、穩(wěn)壓電路和低功耗單片機(jī)測(cè)溫報(bào)警電路。直流電產(chǎn)生模塊是利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊產(chǎn)生直流電能。半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的冷、熱面一旦有了溫度差，溫差發(fā)電模塊兩端就產(chǎn)生電壓差。由于溫度差很難固定，半導(dǎo)體溫差模塊產(chǎn)生的壓差不穩(wěn)定，不滿足單片機(jī)測(cè)溫電路的要求。為此 ，首先須對(duì)電壓進(jìn)行升壓、穩(wěn)壓處理，然后用穩(wěn)定的電壓給單片機(jī)測(cè)溫電路提供電能。如果給一片40 mm×40 mm、126對(duì)PN結(jié)的半導(dǎo)體發(fā)電模塊提供15 K的溫差，就能產(chǎn)生約0.6 V(大于0.5 V的超低壓充電泵的開啟電壓)的開路電壓，通過超低壓充電泵啟動(dòng)DC-DC控制器工作，從而提供3.3 V、200 mA的輸出為后續(xù)測(cè)溫電路供電。

2 發(fā)電電路
    半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊主要利用其冷面和熱面之間的溫差來產(chǎn)生電，因此如何獲得熱源以及如何降低冷面的溫度至關(guān)重要。盡量提高發(fā)電模塊冷熱面之間的溫差是發(fā)電裝置設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵[3]。根據(jù)實(shí)際測(cè)溫要求，選擇電氣設(shè)備發(fā)熱部件（如接線排等）直接作為發(fā)電模塊熱面的加熱源，冷面加裝散熱片和一個(gè)風(fēng)扇，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的電能也是由半導(dǎo)體溫差模塊產(chǎn)生，其發(fā)電裝置如圖2所示。電氣設(shè)備的接線排在出現(xiàn)發(fā)熱故障時(shí)，溫度可上升到313 K～373 K。為了把發(fā)熱體的熱量盡可能高效地傳給半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊，把安裝片的一端面直接與發(fā)熱體接觸，另一面緊貼半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊3的熱面。同時(shí)在安裝片4和半導(dǎo)體溫差模塊的熱面(B面)之間涂上很薄的一層硅膠，可以把接觸面的空氣排走，讓模塊表面與安裝片充分接觸。這樣熱量通過安裝片傳導(dǎo)到高溫面，傳熱效率高。半導(dǎo)體溫差模塊的冷面(A面)和散熱片2之間也涂有硅膠，并且在散熱片上加一個(gè)額定工作電壓為1.5 V的風(fēng)扇(1)。風(fēng)扇的啟/停由單片機(jī)控制，這樣可以將冷面溫度控制在333 K以內(nèi)。

    輸出開路電壓隨溫差變化的情況如圖3所示，根據(jù)曲線可以看出 l K的溫差可以產(chǎn)生0.04 V以上的電壓。同時(shí)，在溫差發(fā)電模塊兩端接上匹配電阻時(shí)，輸出的功率隨溫度的變化情況如圖4所示，可以看出，l K的溫差可以產(chǎn)生0.0045 W的匹配功率。在該系統(tǒng)中，當(dāng)溫差發(fā)電模塊冷、熱面溫差小于40 K時(shí)，溫差發(fā)電模塊輸出的電能僅提供給單片機(jī)測(cè)溫電路。當(dāng)溫差發(fā)電模塊冷、熱面溫差超過40 K時(shí)，電風(fēng)扇啟動(dòng)以降低冷面溫度，溫差發(fā)電模塊輸出電壓為1.6 V左右，此時(shí)一部分能量為風(fēng)扇供電，另一部分能量供給單片機(jī)測(cè)溫電路。

3 穩(wěn)壓電路
    半導(dǎo)體溫差發(fā)電存在的突出問題是輸出電壓不穩(wěn)定，當(dāng)溫差較小時(shí)輸出電壓也很小。由圖3可知，當(dāng)溫差發(fā)電模塊冷、熱面溫差小于25 K時(shí)，開路輸出電壓小于1 V。要保證后續(xù)單片機(jī)電路正常工作，供電電壓必須大于2.6 V，通常情況下采用升壓式充電泵或升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器[4]。傳統(tǒng)充電泵的最低輸入電壓在0.9～1.0 V之間，升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器的最低輸入電壓也為1.0 V左右(啟動(dòng)電壓為0.6～0.7 V)。如果輸入電壓降到0.6 V以下，則傳統(tǒng)的充電泵或DC/DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的電路(如振蕩器、誤差放大器、邏輯控制電路、電子開關(guān)等)不能正常工作，用傳統(tǒng)的升壓器件無法解決用0.6 V以下的輸入電壓達(dá)到升壓的目的。
    這里采用TI公司的一款超低輸入電壓同步DC/DC轉(zhuǎn)換器TPS61201[5]。該IC的主要特點(diǎn)：效率高（在VIN≥1.8 V、輸出電壓3.3 V、輸出電流300 mA時(shí)，其效率大于85%)；根據(jù)輸入電壓的大小能自動(dòng)轉(zhuǎn)換成升壓模式或降壓模式；靜態(tài)電流小(小于50 μA)；輸入電壓在0.5 V時(shí)，在滿負(fù)載時(shí)也能啟動(dòng)工作；輸入工作電壓范圍寬，從0.3 V～5.5 V；輸入低電壓鎖存的電壓可設(shè)定；有輸出短路保護(hù)；有輸出電壓可設(shè)定及固定輸出的品種供用戶選擇；在輸出功率較低時(shí)有節(jié)能模式，可提高效率；有可能強(qiáng)制按固定效率工作；在關(guān)閉電源時(shí)，負(fù)載與輸入端斷開；有過熱保護(hù)；工作溫度范圍-40 ℃～+120 ℃(空氣自然散熱時(shí)推薦-40 ℃～+85 ℃)；小尺寸3 mm×3 mm QFN封裝。該轉(zhuǎn)換器特別適合于太陽(yáng)能電池、燃料電池、溫差或振動(dòng)發(fā)電的供電條件的應(yīng)用。應(yīng)用電路如圖5所示。

 4 測(cè)溫報(bào)警電路
    本設(shè)計(jì)采用AVR低功耗單片機(jī)和一線制數(shù)字溫度傳感器結(jié)合紅外LED發(fā)射管組成測(cè)溫報(bào)警電路。控制器選用了ATmega8L型單片機(jī)；溫度測(cè)量采用DS18B20型溫度傳感器；報(bào)警發(fā)光二級(jí)管采用GP1303CA紅外線LED。電路構(gòu)成如圖6所示。

    ATmega8L型單片機(jī)[6]，特性工作電壓2.7 V～5.5 V，4 MHz空閑模式功耗1 mA（3 V，25 ℃），內(nèi)部集成上電復(fù)位電路(Power-On-Reset)和掉電檢測(cè)電路(Brown-out-detection)，并具有5種休眠模式，特別適合低功耗工作環(huán)境。
    DS18B20型溫度傳感器[7]，特性工作電壓3.0 V～5.5 V，測(cè)溫范圍-55 ℃～+125 ℃，分辯率：9～12位可調(diào)，最小溫度分辨率0.062 5 ℃，測(cè)量精度在-10 ℃～+85 ℃范圍內(nèi)±0.5 ℃，輸出接口為數(shù)字信號(hào)、1-Wire 總線，不銹鋼管密封，防水、防腐蝕。
    散熱風(fēng)扇采用定制的專用排風(fēng)扇。選用防水電機(jī)SRE-300-14270，電機(jī)工作電壓0.5 V～4 V(額定電壓1.9 V)，空載電流32 mA，最大輸出功率0.42 W。當(dāng)設(shè)備發(fā)熱部件溫升達(dá)到330 K時(shí)，CPU通過端口PB0（高電平有效）接通開關(guān)管Q，由半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊直接給排風(fēng)扇供電對(duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的冷端進(jìn)行風(fēng)冷降溫，以確保冷、熱端間能獲得盡量大的溫度差。實(shí)際調(diào)試表明，此時(shí)發(fā)電模塊的輸出電壓約1.8 V，輸出電流可達(dá)100 mA，負(fù)載的總耗電流約80 mA，滿足系統(tǒng)的正常工作要求。隨著溫度的升高，溫差模塊的輸出功率會(huì)逐漸增大，排風(fēng)扇的降溫效果也逐漸增強(qiáng)，測(cè)試表明在排風(fēng)扇工作的情況下，溫差模塊冷端的溫度被強(qiáng)制在340 K左右。
    GP1303CA紅外線LED為GaAs材料[8]，中心波長(zhǎng)940 nm，符合具有夜視能力的普通監(jiān)控CCD攝像機(jī)的敏感光譜范圍；輻射強(qiáng)度10 mW/sr，功率150 mW(If=20 mA)，攝像機(jī)在150 m的距離可清晰攝取該紅外圖像。CPU根據(jù)發(fā)熱溫度是否超限以及發(fā)熱溫度與環(huán)境溫度的溫差值的不同以不同頻率驅(qū)動(dòng)紅外LED閃爍報(bào)警，報(bào)警紅外光信號(hào)由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)z像機(jī)接收并處理。LED閃爍頻率與溫度差的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

5 終端工作原理
    當(dāng)被監(jiān)測(cè)的設(shè)備部件有發(fā)熱且高于環(huán)境溫度12 K以上時(shí)，半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊輸出0.5 V左右的電壓，升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器TPS61201啟動(dòng)，對(duì)測(cè)溫電路提供穩(wěn)定的3.3 V供電。此時(shí)，單片機(jī)ATmega8L由斷電等待狀態(tài)轉(zhuǎn)入通電工作狀態(tài)，終端控制程序被啟動(dòng)。正式使用時(shí)，終端首先完成其內(nèi)部系統(tǒng)的初始化，即通信協(xié)議的初始化；各端口使能與初始化，確認(rèn)溫度傳感器連接完好；向DS18B20中TH/TL位寫入最高/最低溫度門限，讀取該溫度傳感器的身份標(biāo)志碼(該標(biāo)志碼亦代表該終端設(shè)備的身份)。啟動(dòng)后，終端由ATmega8L單片機(jī)控制，定期向溫度傳感器DS18B20發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令，DS18B20在完成溫度轉(zhuǎn)換后會(huì)自動(dòng)將溫度值和TH/TL寄存器中的觸發(fā)門限相比較。如比較結(jié)果表明測(cè)量溫度高于TH或低于TL中的門限值，則設(shè)置報(bào)警標(biāo)志位。隨后，CPU在讀取溫度值的同時(shí)也讀取報(bào)警標(biāo)志位，CPU根據(jù)溫度是否超限以及溫度值的不同以不同頻率驅(qū)動(dòng)紅外LED閃爍報(bào)警，報(bào)警紅外光信號(hào)由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)z像機(jī)接收并處理。這樣，終端就完成了溫度的檢測(cè)與報(bào)警功能。測(cè)溫工作流程圖如圖7。

    當(dāng)升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器提供的電壓低于ATmega8L最低工作電壓（ATmega8L＜2.7 V，DS18B20＜1.6 V）時(shí)，ATmega8片內(nèi)BOD(Brown-out Detection)測(cè)試工作過程中VCC的變化。此觸發(fā)電平通過VBODLEVEL設(shè)定為2.7 V(BODLEVEL未編程)或4.0 V(BODLEVEL已編程)。工作過程中發(fā)生掉電檢測(cè)復(fù)位時(shí)將對(duì)其自身復(fù)位并處于掉電等待狀態(tài)，等待下一次的上電啟動(dòng)，BOD的觸發(fā)電平具有遲滯功能以消除電源尖峰的影響。當(dāng)升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器TPS61201的輸入電壓低于0.3 V時(shí)，輸出被關(guān)閉(VOUT=0)并鎖存，只有當(dāng)VIN>0.4 V時(shí)電源才恢復(fù)工作。此時(shí)，單片機(jī)ATmega8L重新由斷電等待狀態(tài)轉(zhuǎn)入通電工作狀態(tài)。
    本文設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)終端，其外圍設(shè)備簡(jiǎn)單，由現(xiàn)場(chǎng)發(fā)熱源提供電能，功耗低，傳輸無線化?？梢杂迷谛枰獙?duì)發(fā)熱缺陷進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)而現(xiàn)場(chǎng)不能提供電源、或采用電池供電連續(xù)工作時(shí)間短且更換不便等場(chǎng)合。
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