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摘要：光伏低压输电线路是光伏组件安装系统中重要的组成部分，由于单个光伏组件输出电压为DC12V-DC36V之间，为了达到所要求的电压和功率，必须根据汇流箱和逆变器的工作需要，结合系统设计的思路、线路导线直径、导线材质、安装方式等因素的影响，输电线路的温度变化直接会影响光伏发电站的正常工作，所以输电线路的温度采集与超温报警保护的设计是评价光伏发电系统性能指标的重要因素。
关键词：光伏输电；温度控制；报警；保护
1 引言；
传统的光伏输电线路一般没有温度采集及报警保护系统，如果采用其他传统测量方式存在精度差、时效低等问题，因此采用中心CPU系统组成专用的运算系统使温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决，使形成传感、控制网络变得十分方便，能够将温度采集扩展到多点；可使系统结构更加简单、可靠，所以在光伏传输线路上利用温度传感器采集导线的工作温度，当导线超出正常工作温度后，超温报警保护系统的中心CPU实现自动和工作报警保护，并在中央控制系统中显示故障点位置，以便于维护人员快速到达故障点进行故障排除工作。
2 整体系统方案设计规划
光伏低压输电线路度采集与超温报警保护系统的设计将系统分为若干模块，以中心CPU系统为核心实现基本运算功能。同时系统显示、控制实现同路输出，按照显示方法分为静态显示和动态显示。静态显示是指显示驱动电路具有输出锁存功能，一次显示多位数据，要显示的数据送出后不再控制LED，直到下次显示时再传送一次新的显示数据。
系统主要组成部分有：温度传感器、执行单元系统、数码管显示单元、报警系统、独立按键模块。系统框图如图2.1所示。
其中温度采集系统由温度传感器和单片机共同构成，温度传感器将采集到的外部温度信号传输至单片机的内部，由单片机对其进行相应的处理，最后测量结果被送入数码管显示模块，在显示程序的控制下进行显示，若测量的温度超出报警上下限，报警电路发出报警信号，可以通过独立按键设置报警上下限。其中单片机还最小系统包括单片机复位电路，时钟振荡电路、控制输出电路等。
本来设计参用DS18B20作为温度传感器，它比热敏电阻更省电它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面效果更好。这种设计节省电能，保护环境，降低成本，此方案整个系统设计结构简单，连接方便，易于管理，可以应用于人不宜或者不易接触的地方，达到自动读取环境温度，并具有报警和控制光伏输电线路工作的作用，实现了系统无人值守功能。
3 系统硬件设计
3.1 主控制器
本设计采用单片机AT89C51为中心和其他外围电路组成CPU运算系统，其主要性能参数：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路、控制输出电路等。如图3.1所示。
3.4 显示与保护模块
3.4.1 显示电路
当CPU控制的温度信号传递到数码管后，通过7个发光段的不同组合，可以显示0～9和A～F共16个字母和数字，从而实现16进制的显示。
LED可分为共阳极和共阴极两种结构，共阳极结构如图 3.8（b） 所示，共阴极结构如图3.8（c）所示。当使用共阴极结构时，各字段阴极控制端同时接低电平时，各字段阳极控制端若接高电平则该段发光。若为共阳极结构，则该段输入低电平有效，某一段接低电平时便发光。
动态扫描显示接口是本控制系统设计中应用的一种显示方式，其主要原理：其接口电路是把所有的LED数码管的8个笔画段a～g、dp的同名端连在一起，而每一个数码管接收到相同的字型码，COM端决定是哪个数码管点亮，位选通端是由独立的I/O控制，可以自行决定显示哪一位，功耗也较低。然后采用分时的方法，各个数码管的COM端被轮流控制，各个数码管依次点亮，在数码管被轮流点亮的扫描时，点亮时间十分短暂，1ms左右，发光二极管的余晖效应加上人眼的视觉暂留（人眼的分辨时间的20ms），尽管实际上各位数码管并非同时点亮，只要扫描的速度足够快，给人的感觉就是一组稳定的数据显示，不会有闪烁感。
因为设计中显示部分最多要用6个数码管，即负号的显示、百位显示、十位显示、个位和小数点显示、一位小数显示。考虑到成本、器件使用的方便和尽量减少连线等因素，温度显示部分可以选用连在一起的8个共阴极数码管型号为7SEG-MPX8-CC，如图3.9所示[7]。
3.4.2控制电路
对显示超范围温度的实行控制是本设计一个重要环节，通过中心处理器通过运算的温度显示信号，由于采用单片机的P0口输出到光电耦合元件，采用移位寄存器74LS164级连的方式连接到单片机的串行口来实现驱动，通过驱动电路控制固态继电器。本系统采用動态显示方式，中心处理器单片机的P2口为LED的段显示输出口，P0口为LED的位码输出口，设计中选用8路同相三态双向总线收发器74LS245。其引脚如图3.10所示。
4 系统软件设计
4.1 设计思路与流程图
按照前面硬件设计中的模块划分，软件部分也可以分为主要的四部分：单片机主程序设计、DS18B20模块子程序设计、按键扫描模块子程序设计和检测警报子程序以及显示模块子程序。下面将分别进行介绍。
4.1.1 主程序设计
在主程序流程图中先对定时器初始化，然后判断切换标志位是否为1，如果不为1则进行温度采集，调用DS18B20温度采集子函数，启动温度转换，单片机将读取的温度进行相应的处理，调用显示子函数，最终将温度值显示在LED屏上，并查询温度上下限，如果超出报警温度，开定时器0中断，进行相应的报警处理；如果切换按键标志位为1，则进入定时器1中断查询是否有键按下，若有键按下则进行上下限重置，切换键切换实时温度显示还是上下限温度显示。 程序流程见图4.1.1
由于DS18B20是在一根数据线上进行数据的读写操作，因此，对要进行读写操作的数据位有很严格的时序要求。DS18B20具有严格的通信协议来保证数据传输的完整性和正确性。这个协议定义了几种信号的时序，包括初始化时序、读时序和写时序。所有这些时序都是用主机作为主设备器，单总线器件作为从设备器。而每次命令和数据的传输都需要从主机主动启动写时序开始，当要求单总线器件回送数据时，在写命令后，主机需要启动读时序来完成数据的接收。命令和数据的传输都是低位在前，高位在后。
首先将总线上的DS18B20进行初始化，向总线上的DS18B20发送复位脉冲，然后单片机等待DS18B20的应答脉冲。一旦单片机检测到应答脉冲，若是单点检测便发起跳过ROM匹配操作命令。成功执行了ROM操作命令以后，就可以使用内存操作命令，启动温度转换指令，延时一段时间之后，等待温度转换完成。再发起跳过ROM匹配操作命令，然后读暂存器，将转换结果读出，完成DS18B20的温度采集。
4.1.2 检测报警子程序
温度检测报警程序采用定时器0中断控制，当温度大于或小于所设定的上下限温度时，开启定时器0中断，蜂鸣器开始响起，相应的二极管点亮，当温度超过上限温度时黄色二极管点亮，当温度低于下限温度时红色二极管点亮，一直到温度在设定温度内。具体的流程图如图4.11所示。
5 系统仿真调试和测试结果分析
硬件系统设计的电路图是用Proteus软件来进行绘制的。本设计的软件部分就是利用了Keil C51的μVision4，最后进行Proteus和Keil μVision4的联合仿真调试。
仿真的过程和具体步骤如下
1） 打开KeilC，输入所编写的源程序并对程序进行编译，在软件的帮助下检查其中的错误并进行反复修改，直到编译正确后运行，确保没有错误以后对正确的源程序进行保存，保存时以.c为扩展名保存，在项目文件夹中会出现“.hex”文件。
2）打开PROTEUS软件，画出数字温度报警器具体运行电路图。
3）检查所画电路运行图，确保没有错误以后，在PROTEUS下对原理图进行加载KeilC下的源程序。具体操作是用鼠标右键选中原理图中单片机的CPU，通过单击选中的CPU调出其属性对话框，在“program File”栏目中选中编译好的18B20.hex文件，并将其调入。
4）加载完成后，单击电路图框下的开始按钮，进行仿真，观察LED数码管显示情况，此时LED数码管开始显示数字。调节DS18B20的温度值观察显示温度的正确与否。通过按键设置报警温度上下限，观察数码管能否显示报警温度，并观察温度值超出后是否产生报警信号。然后检查电路其它问题，并对其的各参数进行调整，使之正确。附录A所示的是当检测温度低于所设置的报警温度时的运行结果。
因为仿真和实物之间的差异，通过修改程序与具体的引脚相匹配，实现所要完成的效果，调试运行程序，通过运行结果可以看出此设计运行精确，显示稳定，调节正确，能够实现温度采集、显示、报警及系统超温保护等功能。
结 论
根据目前光伏线路温度采集报警的发展状况，以及单片机作为CPU系统在智能控制方面的广泛应用，本次设计采用了新型单总线数字温度传感器，不需要专门A/D转换电路就可以实现温度由模拟量到数字量的变换，通过以单片机为核心控制部件对整个系统进行控制，设计结果显示本系统能够正确显示当前温度，可以调节上下限温度，显示报警温度，温度超出限值后产生报警和线路保护，整个系统结构简单，性能稳定，可靠性高，通过调试结果可以验证此系统达到了设计要求，具体功能如下：
1） 通过DS18B20数字温度传感器采集实时温度；
2） 数码管准確的显示实时温度，温度显示范围是温度传感器的测温范围即-55℃～+125℃；
3） 在程序中设置的上下限是0℃～+70℃，可以通过程序修改报警上下限温度值，为了满足实际操作的需求，本设计可以通过按键很方便的重新设置上限、下限报警温度；
4） 可以通过按键切换报警温度和实时温度的显示；
5） 当实时温度超过温度限值时系统能实现报警的功能，报警信号由蜂鸣器和发光二极管共同发出，同时由固态继电器控制光伏超温线路的工作与否。
参考文献
1李群芳，张士军，黄建.单片微型计算机与接口技术.第3版. 北京：电子工业出版社，2008
2陈星梧，刘鸣.数字式温度计DS18B20特性及应用[期刊论文]，国外电子元器件，2002（21）：20～45
关键词：光伏输电；温度控制；报警；保护
1 引言；
传统的光伏输电线路一般没有温度采集及报警保护系统，如果采用其他传统测量方式存在精度差、时效低等问题，因此采用中心CPU系统组成专用的运算系统使温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决，使形成传感、控制网络变得十分方便，能够将温度采集扩展到多点；可使系统结构更加简单、可靠，所以在光伏传输线路上利用温度传感器采集导线的工作温度，当导线超出正常工作温度后，超温报警保护系统的中心CPU实现自动和工作报警保护，并在中央控制系统中显示故障点位置，以便于维护人员快速到达故障点进行故障排除工作。
2 整体系统方案设计规划
光伏低压输电线路度采集与超温报警保护系统的设计将系统分为若干模块，以中心CPU系统为核心实现基本运算功能。同时系统显示、控制实现同路输出，按照显示方法分为静态显示和动态显示。静态显示是指显示驱动电路具有输出锁存功能，一次显示多位数据，要显示的数据送出后不再控制LED，直到下次显示时再传送一次新的显示数据。
系统主要组成部分有：温度传感器、执行单元系统、数码管显示单元、报警系统、独立按键模块。系统框图如图2.1所示。
其中温度采集系统由温度传感器和单片机共同构成，温度传感器将采集到的外部温度信号传输至单片机的内部，由单片机对其进行相应的处理，最后测量结果被送入数码管显示模块，在显示程序的控制下进行显示，若测量的温度超出报警上下限，报警电路发出报警信号，可以通过独立按键设置报警上下限。其中单片机还最小系统包括单片机复位电路，时钟振荡电路、控制输出电路等。
本来设计参用DS18B20作为温度传感器，它比热敏电阻更省电它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面效果更好。这种设计节省电能，保护环境，降低成本，此方案整个系统设计结构简单，连接方便，易于管理，可以应用于人不宜或者不易接触的地方，达到自动读取环境温度，并具有报警和控制光伏输电线路工作的作用，实现了系统无人值守功能。
3 系统硬件设计
3.1 主控制器
本设计采用单片机AT89C51为中心和其他外围电路组成CPU运算系统，其主要性能参数：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路、控制输出电路等。如图3.1所示。
3.4 显示与保护模块
3.4.1 显示电路
当CPU控制的温度信号传递到数码管后，通过7个发光段的不同组合，可以显示0～9和A～F共16个字母和数字，从而实现16进制的显示。
LED可分为共阳极和共阴极两种结构，共阳极结构如图 3.8（b） 所示，共阴极结构如图3.8（c）所示。当使用共阴极结构时，各字段阴极控制端同时接低电平时，各字段阳极控制端若接高电平则该段发光。若为共阳极结构，则该段输入低电平有效，某一段接低电平时便发光。
动态扫描显示接口是本控制系统设计中应用的一种显示方式，其主要原理：其接口电路是把所有的LED数码管的8个笔画段a～g、dp的同名端连在一起，而每一个数码管接收到相同的字型码，COM端决定是哪个数码管点亮，位选通端是由独立的I/O控制，可以自行决定显示哪一位，功耗也较低。然后采用分时的方法，各个数码管的COM端被轮流控制，各个数码管依次点亮，在数码管被轮流点亮的扫描时，点亮时间十分短暂，1ms左右，发光二极管的余晖效应加上人眼的视觉暂留（人眼的分辨时间的20ms），尽管实际上各位数码管并非同时点亮，只要扫描的速度足够快，给人的感觉就是一组稳定的数据显示，不会有闪烁感。
因为设计中显示部分最多要用6个数码管，即负号的显示、百位显示、十位显示、个位和小数点显示、一位小数显示。考虑到成本、器件使用的方便和尽量减少连线等因素，温度显示部分可以选用连在一起的8个共阴极数码管型号为7SEG-MPX8-CC，如图3.9所示[7]。
3.4.2控制电路
对显示超范围温度的实行控制是本设计一个重要环节，通过中心处理器通过运算的温度显示信号，由于采用单片机的P0口输出到光电耦合元件，采用移位寄存器74LS164级连的方式连接到单片机的串行口来实现驱动，通过驱动电路控制固态继电器。本系统采用動态显示方式，中心处理器单片机的P2口为LED的段显示输出口，P0口为LED的位码输出口，设计中选用8路同相三态双向总线收发器74LS245。其引脚如图3.10所示。
4 系统软件设计
4.1 设计思路与流程图
按照前面硬件设计中的模块划分，软件部分也可以分为主要的四部分：单片机主程序设计、DS18B20模块子程序设计、按键扫描模块子程序设计和检测警报子程序以及显示模块子程序。下面将分别进行介绍。
4.1.1 主程序设计
在主程序流程图中先对定时器初始化，然后判断切换标志位是否为1，如果不为1则进行温度采集，调用DS18B20温度采集子函数，启动温度转换，单片机将读取的温度进行相应的处理，调用显示子函数，最终将温度值显示在LED屏上，并查询温度上下限，如果超出报警温度，开定时器0中断，进行相应的报警处理；如果切换按键标志位为1，则进入定时器1中断查询是否有键按下，若有键按下则进行上下限重置，切换键切换实时温度显示还是上下限温度显示。 程序流程见图4.1.1
由于DS18B20是在一根数据线上进行数据的读写操作，因此，对要进行读写操作的数据位有很严格的时序要求。DS18B20具有严格的通信协议来保证数据传输的完整性和正确性。这个协议定义了几种信号的时序，包括初始化时序、读时序和写时序。所有这些时序都是用主机作为主设备器，单总线器件作为从设备器。而每次命令和数据的传输都需要从主机主动启动写时序开始，当要求单总线器件回送数据时，在写命令后，主机需要启动读时序来完成数据的接收。命令和数据的传输都是低位在前，高位在后。
首先将总线上的DS18B20进行初始化，向总线上的DS18B20发送复位脉冲，然后单片机等待DS18B20的应答脉冲。一旦单片机检测到应答脉冲，若是单点检测便发起跳过ROM匹配操作命令。成功执行了ROM操作命令以后，就可以使用内存操作命令，启动温度转换指令，延时一段时间之后，等待温度转换完成。再发起跳过ROM匹配操作命令，然后读暂存器，将转换结果读出，完成DS18B20的温度采集。
4.1.2 检测报警子程序
温度检测报警程序采用定时器0中断控制，当温度大于或小于所设定的上下限温度时，开启定时器0中断，蜂鸣器开始响起，相应的二极管点亮，当温度超过上限温度时黄色二极管点亮，当温度低于下限温度时红色二极管点亮，一直到温度在设定温度内。具体的流程图如图4.11所示。
5 系统仿真调试和测试结果分析
硬件系统设计的电路图是用Proteus软件来进行绘制的。本设计的软件部分就是利用了Keil C51的μVision4，最后进行Proteus和Keil μVision4的联合仿真调试。
仿真的过程和具体步骤如下
1） 打开KeilC，输入所编写的源程序并对程序进行编译，在软件的帮助下检查其中的错误并进行反复修改，直到编译正确后运行，确保没有错误以后对正确的源程序进行保存，保存时以.c为扩展名保存，在项目文件夹中会出现“.hex”文件。
2）打开PROTEUS软件，画出数字温度报警器具体运行电路图。
3）检查所画电路运行图，确保没有错误以后，在PROTEUS下对原理图进行加载KeilC下的源程序。具体操作是用鼠标右键选中原理图中单片机的CPU，通过单击选中的CPU调出其属性对话框，在“program File”栏目中选中编译好的18B20.hex文件，并将其调入。
4）加载完成后，单击电路图框下的开始按钮，进行仿真，观察LED数码管显示情况，此时LED数码管开始显示数字。调节DS18B20的温度值观察显示温度的正确与否。通过按键设置报警温度上下限，观察数码管能否显示报警温度，并观察温度值超出后是否产生报警信号。然后检查电路其它问题，并对其的各参数进行调整，使之正确。附录A所示的是当检测温度低于所设置的报警温度时的运行结果。
因为仿真和实物之间的差异，通过修改程序与具体的引脚相匹配，实现所要完成的效果，调试运行程序，通过运行结果可以看出此设计运行精确，显示稳定，调节正确，能够实现温度采集、显示、报警及系统超温保护等功能。
结 论
根据目前光伏线路温度采集报警的发展状况，以及单片机作为CPU系统在智能控制方面的广泛应用，本次设计采用了新型单总线数字温度传感器，不需要专门A/D转换电路就可以实现温度由模拟量到数字量的变换，通过以单片机为核心控制部件对整个系统进行控制，设计结果显示本系统能够正确显示当前温度，可以调节上下限温度，显示报警温度，温度超出限值后产生报警和线路保护，整个系统结构简单，性能稳定，可靠性高，通过调试结果可以验证此系统达到了设计要求，具体功能如下：
1） 通过DS18B20数字温度传感器采集实时温度；
2） 数码管准確的显示实时温度，温度显示范围是温度传感器的测温范围即-55℃～+125℃；
3） 在程序中设置的上下限是0℃～+70℃，可以通过程序修改报警上下限温度值，为了满足实际操作的需求，本设计可以通过按键很方便的重新设置上限、下限报警温度；
4） 可以通过按键切换报警温度和实时温度的显示；
5） 当实时温度超过温度限值时系统能实现报警的功能，报警信号由蜂鸣器和发光二极管共同发出，同时由固态继电器控制光伏超温线路的工作与否。
参考文献
1李群芳，张士军，黄建.单片微型计算机与接口技术.第3版. 北京：电子工业出版社，2008
2陈星梧，刘鸣.数字式温度计DS18B20特性及应用[期刊论文]，国外电子元器件，2002（21）：20～45