電力變壓器冷卻系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要 </b></p><p>　　本設(shè)計(jì)針對電力變壓器冷卻系統(tǒng)中使用常規(guī)控制系統(tǒng)時(shí)存在的控制回路復(fù)雜、可靠性低、風(fēng)機(jī)保護(hù)方式簡單、油溫測量精度低、控制誤差大、無法進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊等問題，設(shè)計(jì)了一套智能化變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)以PIC16F877單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)了對變壓器油溫的實(shí)時(shí)采集、LED顯示、數(shù)據(jù)無線傳輸，并參考油溫變化對風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

2、風(fēng)機(jī)側(cè)完善的保護(hù)裝置為CPU提供準(zhǔn)確的風(fēng)機(jī)故障信號(hào)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機(jī)、變壓器冷卻系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)故障、油溫采集</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The paper introduces a new smart of transformer temperature m

3、onitoring system. It’s a great change for the power transformer cooling system. Such as the existence of complex, low reliability, a simple blower protection, low temperature measurement accuracy, control errors, and not

4、 achieving long-distance communications, ect. The control system uses the PIC16F877 to achieve the real-time acquisition, LED display, data wireless transmission, and taking into account air temperature change on the op&

5、lt;/p><p>　　Keywords: SCM (Single Chip Micyoco), transformer cooling system, Fan Failure, Oil temperature`s collection</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘 要1</p>

6、<p>　　ABSTRACT2</p><p><b>　　緒 論5</b></p><p>　　第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求6</p><p>　　第一節(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)6</p><p>　　第二節(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求6</p><p>　　第二章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案8&l

7、t;/p><p>　　第一節(jié) 系統(tǒng)工作的一般原理8</p><p>　　第二節(jié) 智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案8</p><p><b>　　2.1 方案一9</b></p><p>　　2.2 方案二10</p><p>　　2.3 方案三12</p><p>　　第三

8、節(jié) 設(shè)計(jì)方案的確定13</p><p>　　第三章 硬件電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　第一節(jié) 單片機(jī)的選型16</p><p>　　第二節(jié) 振蕩器配置選擇18</p><p>　　2.1 晶體振蕩器/陶瓷諧振器方式18</p><p>　　2.2 RC振蕩器20</p><p>

9、;　　第三節(jié) 溫度采集電路模塊設(shè)計(jì)22</p><p>　　3.1 溫度檢測電路22</p><p>　　3.2 光電耦合隔離放大電路24</p><p>　　第四節(jié) 按鍵輸入和顯示電路部分設(shè)計(jì)29</p><p>　　4.1 按鍵輸入電路模塊設(shè)計(jì)29</p><p>　　4.2 顯示電路部分設(shè)計(jì)29<

10、;/p><p>　　第五節(jié) 無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)33</p><p>　　第六節(jié) 主回路部分設(shè)計(jì)38 </p><p>　　6.1 風(fēng)冷機(jī)的保護(hù)簡要介紹38</p><p>　　6.2 輸出驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)38</p><p>　　第七節(jié) 直流電源的設(shè)計(jì)46</p><p>　　第四章 軟件部

11、分設(shè)計(jì)50</p><p>　　第一節(jié) 軟件需求分析50</p><p>　　第二節(jié) 各模塊的流程圖52</p><p>　　第五章 設(shè)計(jì)總結(jié)60</p><p><b>　　致 謝62</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)63</b></p

12、><p>　　附錄一 程序清單64</p><p>　　附錄二 元器件明細(xì)表78</p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　近年來，隨著我國電力事業(yè)的飛速發(fā)展，電力變壓器是發(fā)、輸、變、配電系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，它的性能、質(zhì)量直接關(guān)系到電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和運(yùn)營效益。電力變壓器是電力系統(tǒng)運(yùn)行的核

13、心設(shè)備之一，因此，電力變壓器安全可靠的運(yùn)行是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的根本保障。隨著變壓器容量的增大，變壓器的損耗同樣會(huì)增大，單靠箱壁和散熱器已不能滿足散熱要求，需采用子循環(huán)風(fēng)冷或強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)（水）冷，使熱油經(jīng)過強(qiáng)風(fēng)（水）冷卻器，冷卻后再用油泵送回變壓器。大容量的變壓器已經(jīng)采用導(dǎo)向冷卻，在繞組和鐵心內(nèi)部，設(shè)有一定的油路，使進(jìn)入油箱內(nèi)的冷油全部通過繞組和鐵芯內(nèi)部流出，這樣帶走了大量的熱量，可以提高散熱效率。變壓器冷卻系統(tǒng)決定了變壓器的正常使用壽命

14、及能否正常運(yùn)行，因此變壓器的冷卻系統(tǒng)對變壓器的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行又極其重要的意義。在發(fā)電廠或變電所，風(fēng)冷式變壓器采用多組風(fēng)機(jī)降溫，控制變壓器的油溫在額定范圍之內(nèi)，保證變壓器正常工作。為了提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和延長變壓器的使用壽命，應(yīng)該對變壓器的油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。</p><p>　　目前，還有許多變壓器采用由電接點(diǎn)式溫度計(jì)采集、顯示變壓器油溫，控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，實(shí)現(xiàn)變壓器的溫度控制，在實(shí)際運(yùn)行中，由于風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)

15、全部投入，同時(shí)全部停止，沖擊電流較大，嚴(yán)重影響了電機(jī)的使用壽命。且由于無法和控制室聯(lián)系，所以無法實(shí)現(xiàn)變壓器的無人控制，增加了運(yùn)行成本。變壓器溫控器總存在一些問題，如測溫誤差大、抗干擾能力差等，這些都是在工程界非常棘手的問題。而早期的溫度控制器，由于體積大、操作復(fù)雜、抗干擾能力差，給工程現(xiàn)場的使用也帶來了很大不便。隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，溫度控制器正向單片集成化、智能化的方向迅速發(fā)展。針對電力變壓器在運(yùn)行過程中存在的問題，可以采用的智能

16、溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)采集、顯示、風(fēng)機(jī)的順序起停。</p><p>　　根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行要求，本設(shè)計(jì)選用了PIC16F877單片機(jī)構(gòu)成變壓器溫度控制系統(tǒng)，設(shè)備操作簡單，用戶可通過面板按鍵輕松設(shè)定控制風(fēng)機(jī)起停、報(bào)警及跳閘閥值，所有設(shè)定參數(shù)掉電后均不會(huì)丟失。溫度采集精度很高，并且采取了很多措施來保護(hù)電機(jī)，如過載、缺相保護(hù)等。由于工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境較惡劣，會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生很大的干擾，設(shè)計(jì)采取了抗干擾措施，在集成電路的電源入口

17、處加了濾波電容，且送入單片機(jī)的信號(hào)都經(jīng)過了光耦隔離。最后通過無線通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，控制室通過無線通信及時(shí)掌握現(xiàn)場的運(yùn)行情況，可任意對各種事故做出及時(shí)地反映，實(shí)現(xiàn)了變壓器的無人控制。系統(tǒng)整體具有測溫誤差小、分辨力高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，所有器件的選擇均滿足工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)，并適合高溫環(huán)境。</p><p>　　由于采取了以上措施，可以保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作，設(shè)計(jì)具有很好的擴(kuò)展性，能滿足各種型號(hào)變壓器的要求。</p&g

18、t;<p>　　第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求</p><p><b>　　第一節(jié) 設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　在我們的生活中，電力安全是至關(guān)重要的，而電力變壓器又是電力系統(tǒng)的重要組成部分。電力系統(tǒng)中常用的油浸風(fēng)冷式電力變壓器多采用多組風(fēng)機(jī)降溫，控制變壓器的油溫在工藝要求的范圍之內(nèi)。目前現(xiàn)場還有相當(dāng)數(shù)量的油浸風(fēng)冷電力變壓器由電接點(diǎn)式溫度計(jì)采集、顯示

19、變壓器油溫，控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，實(shí)現(xiàn)變壓器的溫度控制，即在變壓器油溫大于上限溫度時(shí)啟動(dòng)全部風(fēng)機(jī)，當(dāng)油溫降至下限溫度時(shí)停止全部風(fēng)機(jī)。而實(shí)際運(yùn)行中這種控制方式有不少的缺點(diǎn)，如風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)全部投入，沖擊電流太大，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。</p><p>　　針對以上種種問題，要求本設(shè)計(jì)選用一款集成度較高的單片機(jī)，并采用無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)電力變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)，對現(xiàn)有落后的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，滿足自動(dòng)化要求。&l

20、t;/p><p>　　設(shè)計(jì)主要完成的工作。</p><p>　　本設(shè)計(jì)須完成風(fēng)冷式電力變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)的主機(jī)部分的設(shè)計(jì)，主要包括以下工作：</p><p>　?。?）收集電力變壓器溫度控制系統(tǒng)的控制原理的實(shí)際資料，確定要保證變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)正常運(yùn)行及實(shí)現(xiàn)無人值班所需的遠(yuǎn)程通訊功能，必須采用以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)來完成；為保證風(fēng)機(jī)能可靠安全運(yùn)行，必須收集一既能被單片機(jī)驅(qū)

21、動(dòng)又能保證風(fēng)機(jī)可靠運(yùn)行的元件。</p><p><b>　　（2）方案設(shè)計(jì)。</b></p><p>　　（3）確定系統(tǒng)配置及功能，并根據(jù)系統(tǒng)功能要求完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。</p><p>　?。?）根據(jù)設(shè)計(jì)原則完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。</p><p>　　（5）撰寫設(shè)計(jì)說明書，繪制系統(tǒng)電路原理圖。</p>&

22、lt;p>　　（6）完成指定內(nèi)容的外文資料翻譯。</p><p><b>　　第二節(jié) 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　2.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容</p><p>　?。?）完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)；</p><p>　　（2）選擇合適的單片機(jī)，作為主機(jī)CPU；</p><p>　?。?）獨(dú)自完

23、成主機(jī)硬件、軟件設(shè)計(jì)，其中硬件部分主要包括溫度采集、LED顯示、主控電路、無線通訊、電源電路等，軟件部分主要包括流程圖設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)及調(diào)試；</p><p>　?。?）完成相關(guān)的設(shè)計(jì)圖紙繪制和設(shè)計(jì)說明書撰寫，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。</p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主要功能</p><p>　?。?）將采集到的油溫在就地和遠(yuǎn)端（控制室）用LED實(shí)時(shí)顯示油溫，主機(jī)和

24、從機(jī)之間的通訊采用無線通信方式；</p><p>　?。?）系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)、手動(dòng)、停止三種運(yùn)行方式，正常時(shí)采用自動(dòng)方式運(yùn)行，主控板檢修時(shí)采用手動(dòng)方式運(yùn)行，并且能夠靈活選擇運(yùn)行方式。</p><p>　?。?）在自動(dòng)方式運(yùn)行下，當(dāng)變壓器油溫超過上限時(shí)，風(fēng)機(jī)全部投入；當(dāng)溫度低于工藝下限時(shí)，風(fēng)機(jī)全部停止；當(dāng)溫度由高下降到上限和下限的中間值時(shí)，只投入3組風(fēng)機(jī)；在投入3組風(fēng)機(jī)的狀態(tài)，先運(yùn)行的3組風(fēng)機(jī)運(yùn)

25、行1小時(shí)后（這三組風(fēng)機(jī)在變壓器周圍間隔安裝），自動(dòng)切換到另外3組（這三組風(fēng)機(jī)也在變壓器周圍間隔安裝），1小時(shí)后又切換到原來的3組，如此交替運(yùn)行，既延長風(fēng)機(jī)的使用壽命，又能使變壓器均勻降溫。溫度上限值和下限值可以通過硬件靈活設(shè)置，以適應(yīng)不同類型和不同環(huán)境使用的變壓器；變壓器油溫超過上限值時(shí)，風(fēng)機(jī)群全部投入運(yùn)行時(shí)，采用順序啟動(dòng)方式依次啟動(dòng)，防止啟動(dòng)電流過大情況發(fā)生造成設(shè)備損壞；</p><p>　?。?）系統(tǒng)具有故障

26、自診斷功能，當(dāng)某一風(fēng)機(jī)工作異常時(shí)如過壓、缺相、過載時(shí)，系統(tǒng)能夠在現(xiàn)場和控制室發(fā)出報(bào)警信號(hào)，顯示故障類型和故障發(fā)生的位置，便于工作人員及時(shí)進(jìn)行設(shè)備檢修；</p><p>　　（5）系統(tǒng)設(shè)置正常運(yùn)行、故障運(yùn)行、油溫超過75℃三項(xiàng)遠(yuǎn)傳開關(guān)信號(hào)；</p><p>　?。?）本設(shè)計(jì)中油溫的上限缺省值為55℃，下限缺省值為45℃，要求上限值和下限缺省值能夠方便的通過按鍵調(diào)節(jié)； </p>

27、<p>　　（7）系統(tǒng)要采用必要的抗干擾措施（包括硬件和軟件）。 </p><p>　　2.3 主要技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　控制系統(tǒng)的工作電源為220V/50HZ的工頻交流電，容量為31500KVA；風(fēng)機(jī)有6組，每組2個(gè)風(fēng)機(jī)，均勻排列在變壓器四周，每個(gè)風(fēng)機(jī)功率為0.375KW；溫度測量范圍為0-100℃，溫度采集精度為±2℃，溫度控制精度為±5℃

28、。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案</p><p>　　第一節(jié) 系統(tǒng)工作的一般原理</p><p>　　傳統(tǒng)的電力變壓器由人工控制風(fēng)機(jī)，每臺(tái)變壓器有6組風(fēng)冷式電動(dòng)機(jī)需要控制，每組風(fēng)機(jī)的保護(hù)通過熱繼電器實(shí)現(xiàn)，控制風(fēng)機(jī)電源回路通過接觸器，而風(fēng)機(jī)啟停的邏輯判斷通過測量變壓器的油溫和變壓器的過負(fù)荷實(shí)現(xiàn)，工作原理如圖2-1所示。主電路控制元件采用了接觸器，

29、靠機(jī)械觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。這種方式對風(fēng)機(jī)的控制只能由人工完成，風(fēng)機(jī)同時(shí)全部投入，同時(shí)全部停止，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流很大，會(huì)對器件造成損傷。當(dāng)溫度在45℃-55℃時(shí)，通常采用全部投入的方式，不利于節(jié)能，也不利于設(shè)備的維護(hù)?？刂破飨到y(tǒng)采用繼電器、熱繼電器、接觸器邏輯電路控制，控制邏輯顯得很復(fù)雜，在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)接觸器的觸點(diǎn)長時(shí)間接觸及多次開斷造成觸點(diǎn)燒毀問題。風(fēng)機(jī)缺乏必要的過壓、過載、缺相保護(hù)，實(shí)際運(yùn)行中降低系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，增加運(yùn)行成本。

30、</p><p>　　圖2-1 傳統(tǒng)風(fēng)冷機(jī)工作原理圖</p><p>　　第二節(jié) 智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案</p><p>　　本設(shè)計(jì)以PIC16F877單片機(jī)為核心完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要求對油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將采集結(jié)果送入MCU進(jìn)行處理，然后按照工藝要求進(jìn)行相應(yīng)的控制，實(shí)現(xiàn)對變壓器溫度的全自動(dòng)遠(yuǎn)程和就地監(jiān)控，系統(tǒng)要具有完善的保護(hù)功能，包括過壓、過載、缺相檢測和保護(hù)

31、，還要具備故障自診斷功能，在故障出現(xiàn)時(shí)，給出故障信息，顯示故障類型，便于工作人員及時(shí)進(jìn)行檢修；使用無線通信方式實(shí)現(xiàn)變壓器控制器與中心控制室之間的數(shù)據(jù)通信。使用戶隨時(shí)了解變壓器及風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度控制。整個(gè)課題包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主機(jī)溫度信號(hào)采集與調(diào)理電路設(shè)計(jì)，主機(jī)LED顯示電路設(shè)計(jì)，主控電路設(shè)計(jì)，缺相檢測與保護(hù)電路設(shè)計(jì)，過載保護(hù)與檢測電路設(shè)計(jì)，從機(jī)設(shè)計(jì)，從主機(jī)LED顯示電路設(shè)計(jì)，無線通信電路設(shè)計(jì)，主電路設(shè)計(jì)，主機(jī)從機(jī)電源設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件

32、流程圖設(shè)計(jì)，軟件編程等。</p><p>　　溫度信號(hào)的采集在設(shè)計(jì)中是最重要的部分之一，其可以采用鉑電阻電橋組成的溫度檢測電路，也可以使用溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　2.1 方案一:</b></p><p>　　溫度檢測電路通過預(yù)埋在變壓器中的鉑電阻傳感器獲得油溫信號(hào)[3]，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后直接送入控制器的A/D轉(zhuǎn)換輸入

33、端，PIC單片機(jī)根據(jù)信號(hào)數(shù)據(jù)及設(shè)定的各種控制參數(shù)，按照程序自動(dòng)計(jì)算與處理，自動(dòng)顯示變壓器油溫，并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制風(fēng)機(jī)的起停，電機(jī)的保護(hù)電路包括過壓，過載，缺相等。顯示電路采用MAX7219，其只需要三根線就可控制八個(gè)數(shù)碼管，特別適用于需要I/O口較多的系統(tǒng)。信號(hào)通過無線通信芯片nRF401傳輸?shù)娇刂剖?以便對現(xiàn)場情況及時(shí)做出反應(yīng)。</p><p>　　方案采用PIC16F877單片機(jī)，PIC處理器具有不同

34、于一般微處理器的許多特性，它給出最大系統(tǒng)可靠性，通過減少外部元件使成本最小。另外，還提供節(jié)電工作模式及提供編碼保護(hù)等。PIC16F877共有A口、B口、C口、D口、E口五組I/O口，完全可以滿足本系統(tǒng)的要求，另外在其中嵌入一個(gè)8 輸入通道的A/D模塊，不需要專門的芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；CCP模塊可提供外部信號(hào)的捕捉、內(nèi)部比較輸出、及脈寬調(diào)制PWM功能；中斷源多，具有看門狗定時(shí)器和睡眠功能；還可以在線串行編程、在線調(diào)試。顯示電路采用MAX7

35、219，其只需要三根線就可可控制八個(gè)數(shù)碼管，特別適用于需要I/O口較多的系統(tǒng)。MAX7219為8位LED顯示驅(qū)動(dòng)電路，可以連續(xù)的驅(qū)動(dòng)8位7段數(shù)據(jù)顯示。在芯片內(nèi)部集成了一個(gè)BCD譯碼器，段地址和位地址驅(qū)動(dòng)以及一個(gè)88位的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。只需要一個(gè)外部電阻，就可以正確地驅(qū)動(dòng)所有LED的段地址。</p><p>　　信號(hào)通過無線通信芯片nRF401傳輸?shù)娇刂剖?。以便對現(xiàn)場情況及時(shí)做出反應(yīng)。nRF401 是一個(gè)433 M

36、Hz 工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)用頻段設(shè)計(jì)的真正單片無線收發(fā)芯片,它采用頻移鍵控調(diào)制技術(shù)。nRF401 發(fā)射速率可達(dá)20 kb/ s，發(fā)射功率可調(diào), 最大發(fā)射功率10 dBm,接收靈敏度- 105dBm，具有工作半徑大、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。天線接口設(shè)計(jì)為差分天線,便于使用低成本的印刷電路板天線。nRF401 還有待機(jī)工作方式,可以更省電和高效。此外,該芯片只需少量外圍元件,使用十分方便。溫度控制器系統(tǒng)框圖如圖2-2所示。</p><

37、p>　　圖2-2 溫度控制系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　2.2 方案二：</b></p><p>　　溫度檢測采用由DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的智能集成溫度傳感器DS18B20型單線智能溫度傳感器,屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器, 采用DALLAS公司特有的單總線通信協(xié)議，只用一條數(shù)據(jù)線就可實(shí)現(xiàn)與MCU的通信。它具有體積小，接口方便，傳輸距離遠(yuǎn)

38、等特點(diǎn)。顯示采用單片機(jī)的RA口擴(kuò)展四片串并轉(zhuǎn)換的移位寄存器74LS164驅(qū)動(dòng)四只1.5寸共陽數(shù)碼管，實(shí)時(shí)顯示變壓器的溫度。復(fù)位電路采用MAXMAX6304芯片來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控電路。MAX6304是一款專用、高性能、低功耗的微處理器監(jiān)控芯片。通信采用CHIPCON公司新推出的CC1000單片可編程RF收發(fā)芯片。</p><p>　　（一）溫度檢測電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　溫度檢測

39、采用由DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的智能集成溫度傳感器DS18B20型單線智能溫度傳感器,屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器,可廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測量及控制儀器、測控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。它具有體積小、接口方便、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。DS18B20單總線數(shù)字傳感器工作溫度范圍是-55℃～125℃，在-30℃～85℃范圍內(nèi)溫度測量精度為±5℃；具有溫度報(bào)警功能，用戶可設(shè)置最高和最低</p><p&

40、gt;　　圖2-3 DS18B20引腳分布圖</p><p>　　報(bào)警溫度，且設(shè)置值掉電不丟失；采用DALLAS公司特有的單總線通信協(xié)議，只用一條數(shù)據(jù)線就可實(shí)現(xiàn)與MCU的通信；此外，DS18B20能夠直接從數(shù)據(jù)線獲得電源，無需外部電池供電[4]。DS18B20與單片機(jī)的接口電路如圖2-3所示。</p><p>　　I/O為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端，GND為電源地，VDD為外接供電電源輸入

41、端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。DS18B20主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。光刻ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的。相當(dāng)于給每個(gè)DS18B20分配了一個(gè)獨(dú)一無二的64比特地址序列碼，這就允許多個(gè)DS18B20工作同條一線總線上，從而大大簡化了分布式溫度傳感系統(tǒng)的應(yīng)用。溫度傳感器完成對溫度的測量，溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL以及配置寄存器的設(shè)置值均以一個(gè)字節(jié)的形式存儲(chǔ)在EE

42、PROM中，使用一個(gè)存儲(chǔ)功能命令可對其寫入。</p><p><b>　　（二）顯示部分</b></p><p>　　可以用數(shù)碼管顯示，電路如下圖2-4所示。采用了MAX7219驅(qū)動(dòng)器，對溫度值進(jìn)行實(shí)時(shí)輸出顯示，根據(jù)精度要求，設(shè)置一位小數(shù)。</p><p>　　圖2-4 LED顯示電路</p><p><b>

43、;　?。ㄈ╂I盤輸入</b></p><p>　　單片機(jī)監(jiān)電路設(shè)計(jì)的好壞，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。在設(shè)計(jì)完單片機(jī)系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試成功后，在現(xiàn)場卻出現(xiàn)了“死機(jī)”、“程序跑飛” 等現(xiàn)象，而用仿真器調(diào)試時(shí)卻無此現(xiàn)象發(fā)生或極少發(fā)生此現(xiàn)象。有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)在關(guān)閉電源后的短時(shí)間內(nèi)再次開啟電源，單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)工作不正常，這些都很可能是由單片機(jī)監(jiān)控電路設(shè)計(jì)的不可靠引起的。單片機(jī)監(jiān)控電路主要有監(jiān)控和看門狗兩個(gè)功能。

44、</p><p><b>　?。ㄋ模┩ㄓ嶋娐吩O(shè)計(jì)</b></p><p>　　通信電路采用無線通信芯片來完成。無線通信芯片種類繁多，方案選擇CC1000來實(shí)現(xiàn)無線通信。CC1000是根據(jù)Chipcon公司的SmartRF技術(shù)，在0.35μm CMOS工藝下制造的一種理想的超高頻單片收發(fā)通信芯片。它的工作頻帶在315、868及915MHz，但CC1000很容易通過編程使

45、其工作在300～1000MHz范圍內(nèi)。它具有低電壓（2.3～3.6V），極低的功耗，可編程輸出功率（-20～10dBm），高靈敏度（一般-109dBm），小尺寸（TSSOP-28封裝），集成了位同步器等特點(diǎn)。其FSK可達(dá)72.8Kbps，具有250Hz步長可編程頻率能力，適用于跳頻協(xié)議；主要工作參數(shù)能通過串行總線接口編程改變，使用非常靈活。</p><p>　　CC1000 可通過簡單的三線串行接口(PDATA、

46、 PCLK 和PALE) 進(jìn)行編程，有36個(gè)8位配置寄存器，每個(gè)由7位地址尋址。一個(gè)完整的CC1000配置，要求發(fā)送29個(gè)數(shù)據(jù)幀，每個(gè)16位（7個(gè)地址位，1個(gè)讀/寫位和8個(gè)數(shù)據(jù)位）。PCLK 頻率決定了完全配置所需的時(shí)間。在10MHz的PCLK頻率工作下，完成整個(gè)配置所需時(shí)間少于60μs。在低電位模式設(shè)置時(shí)，僅需發(fā)射一個(gè)幀，所需時(shí)間少于2μs。所有寄存器都可讀。在每次寫循環(huán)中，16位字節(jié)送入PDATA通道，每個(gè)數(shù)據(jù)幀中7個(gè)最重要的位（A

47、6：0）是地址位，A6是M鍵盤（最高位），首先被發(fā)送。下一個(gè)發(fā)送的位是讀/寫位（高電平寫，低電平讀），在傳輸?shù)刂泛妥x/寫位期間，PALE （編程地址鎖存使能）必須保持低電平，接著傳輸8 個(gè)數(shù)據(jù)位（D7：0），PDATA 在PCLK 下降沿有效。當(dāng)8位數(shù)據(jù)位中的最后一個(gè)字節(jié)位D0 裝入后，整個(gè)數(shù)據(jù)字才被裝入內(nèi)部配置寄存器中。經(jīng)過低電位狀態(tài)下編程的配置信息才會(huì)有效，但是不能關(guān)閉電源[5]。</p><p>　　微控制

48、器使用3個(gè)輸出引腳用于接口（PDATA、PCLK、PALE），與PDATA相連的引腳必須是雙向引腳，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。提供數(shù)據(jù)計(jì)時(shí)的DCLK 應(yīng)與微控制器輸入端相連，其余引腳用來監(jiān)視LOCK 信號(hào)（在引腳CHP_OUT）。當(dāng)PLL 鎖定時(shí)，該信號(hào)為邏輯高電平。</p><p><b>　　2.3 方案三：</b></p><p>　　溫度檢測采用美國模擬器件公司（A

49、DI）生產(chǎn)的恒流源式模擬溫度傳感器AD590。它兼有集成恒流源和集成溫度傳感器的特點(diǎn)，具有測溫誤差小，動(dòng)態(tài)阻抗低，傳輸距離遠(yuǎn)，體積小，微功耗等特點(diǎn)。AD590配以ICL7016型單片A/D轉(zhuǎn)換器即可構(gòu)成三位半液晶顯示的溫度傳感器，通信采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)。</p><p><b>　　（一）溫度采集電路</b></p><p>　　AD590是由美國哈里斯（Hrris

50、）公司、模擬器件公司（ADI）等生產(chǎn)的恒流源式模擬溫度傳感器。它兼有集成恒流源和集成溫度傳感器的特點(diǎn)，具有測溫誤差小、動(dòng)態(tài)阻抗響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等優(yōu)點(diǎn)，適合遠(yuǎn)距離測溫、控溫，不需要進(jìn)行線性校準(zhǔn)。</p><p>　　AD590屬于采用激光修正的精密集成溫度傳感器。該產(chǎn)品有3種封裝形式；TO-52封陶瓷封裝（測溫范圍是-55—+150℃）。不同公司產(chǎn)品的分檔情況及技術(shù)指標(biāo)可能會(huì)有一些差異。例如，

51、由ADI公司生產(chǎn)的AD590，就有90J/K/L/M四檔。這類器件的外形與小功率晶體管相仿，共有3個(gè)管腳：1腳為正極，2腳是負(fù)極，3腳是接管殼。使用時(shí)將3腳接地，可起到屏蔽作用。AD系列產(chǎn)品以AD590M的性能最佳，其測溫范圍是-55—+150℃，最大非線性誤差為0.3℃，相應(yīng)時(shí)間僅20μs，重復(fù)性誤差低至0.05℃，功耗約為5mW。</p><p>　　AD590等效于一個(gè)高阻抗的恒流源，其輸出阻抗大于10MΩ

52、，能大大減小因電源電壓從5V變化到10V時(shí)，所引起的電流最大變化量僅為1μA，等價(jià)于1℃的測溫誤差。AD590的工作電壓為+4—+30V、測溫范圍是+55—+150℃，對應(yīng)于熱力學(xué)溫度T每變化1K，輸出電流就變化1μA。在298.15K（對應(yīng)于25.15℃）時(shí)輸出電流恰好等于298.15μA。這表明，其輸出電流與熱力學(xué)溫度嚴(yán)格成正比。AD590配以ICL7106型單片A/D轉(zhuǎn)換器，即可構(gòu)成3位半液晶顯示的數(shù)字溫度計(jì)。</p>

53、<p><b>　?。ǘ┩ㄓ嶋娐?lt;/b></p><p>　　RS-485 采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實(shí)現(xiàn)通信：在發(fā)送端TXD 將串行口的TTL 電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)A、B 兩路輸出，經(jīng)傳輸后在接收端將差分信號(hào)還原成TTL電平信號(hào)。兩條傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，因此有極強(qiáng)的抗共模干擾的能力，接收靈敏度也相當(dāng)高。同時(shí)，最大傳輸速率和最大傳輸距離也大大提高。如果以1

54、0Kbps 速率傳輸數(shù)據(jù)時(shí)傳輸距離可達(dá) 12m ，而用100Kbps時(shí)傳輸距離可達(dá)1.2km。如果降低波特率，傳輸距離還可進(jìn)一步提高。另外RS-485 實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)互聯(lián)，最多可達(dá)256臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和256臺(tái)接收器，非常便于多器件的連接。不僅可以實(shí)現(xiàn)半雙工通信，而且可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信。半雙工通信芯片有SN75176、SN75276、SN75LBC184、MAX485、MAX3082、MAX1482等。全雙工通信的有SN75179、SN75180

55、、MAX488～491、MAX1482等[6]。</p><p>　　第三節(jié) 設(shè)計(jì)方案的確定</p><p>　　根據(jù)上一節(jié)中三個(gè)設(shè)計(jì)方案，下面對這三種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較：</p><p>　　在方案二中，溫度檢測采用由DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的智能集成溫度傳感器DS18B20型單線智能溫度傳感器，它具有體積小，接口方便，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。但價(jià)格較高。顯示采用單片

56、機(jī)的I/O口擴(kuò)展四片串并轉(zhuǎn)換的移位寄存器74LS164驅(qū)動(dòng)四只1.5寸共陽級數(shù)碼管，實(shí)時(shí)顯示變壓器的溫度。占用了較多的I/O口，使系統(tǒng)的可擴(kuò)展性受到了一定的限制[7]。復(fù)位電路采用MAX6304芯片來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控電路。MAX6304是一款專用、高性能、低功耗的微處理器監(jiān)控芯片。通信采用CHIPCON公司新推出的CC1000單片可編程RF收發(fā)芯片。本設(shè)計(jì)的成本較高，但可靠性更強(qiáng)，適用于對可靠性要求較高且不在乎成本的場合。</

57、p><p>　　在方案三中，溫度檢測采用美國模擬器件公司（ADI）生產(chǎn)的恒流源式模擬溫度傳感器AD590。它兼有集成恒流源和集成溫度傳感器的特點(diǎn)，具有測溫誤差小，動(dòng)態(tài)阻抗低，傳輸距離遠(yuǎn)，體積小，微功耗等特點(diǎn)。AD590配以ICL7016型單片A/D轉(zhuǎn)換器即可構(gòu)成三位半液晶顯示的溫度傳感器。顯示采用MAX7219，占用了較少的I/O口，通信采用RS485標(biāo)準(zhǔn)。此方案具有很高的可靠性，液晶具有很多優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)漢字的顯示

58、等，但設(shè)計(jì)中要求在較遠(yuǎn)的距離就可以觀察到溫度值，所以這里采用液晶不能滿足要求。故不選用此方案。</p><p>　　在方案一中，單片機(jī)選用了PIC16F877，具有高性能、高可靠性、端口多等優(yōu)點(diǎn)。溫度檢測電路使用內(nèi)置的鉑電阻來檢測溫度變化，硬件電路較為簡單，光電隔離使用線形光耦，具有較好的性能，抗干擾能力較強(qiáng)，顯示電路使用MAX7219只占用三個(gè)I/O口連線較少，容易實(shí)現(xiàn)。通信芯片nRF401,其通信距離遠(yuǎn)，且不

59、用編碼，軟件較容易實(shí)現(xiàn)。另外本方案還具有很好的經(jīng)濟(jì)性和可擴(kuò)展性，可滿足各種不同變壓器的要求。綜上所述，本方案具有較高的性價(jià)比。根據(jù)上面對三個(gè)設(shè)計(jì)方案的說明比較可以看出，方案一具有較好的抗干擾性，可擴(kuò)展，經(jīng)濟(jì)性較好，而且采用無線通訊，具有較高的性價(jià)比。所以在本設(shè)計(jì)中采用了方案一。具體的硬件框圖如下所示。</p><p>　　圖2-5 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　如上系統(tǒng)框圖所

60、示，本設(shè)計(jì)以PIC16F877單片機(jī)為核心完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要求對油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將采集結(jié)果送入MCU進(jìn)行處理，然后按照工藝要求進(jìn)行相應(yīng)的控制，實(shí)現(xiàn)對變壓器溫度的全自動(dòng)遠(yuǎn)程和就地監(jiān)控，系統(tǒng)要具有完善的保護(hù)功能，包括過壓、過載、缺相檢測和保護(hù)，還要具備故障自診斷功能，在故障出現(xiàn)時(shí)，給出故障信息，顯示故障類型，便于工作人員及時(shí)進(jìn)行檢修；使用無線通信方式實(shí)現(xiàn)變壓器控制器與中心控制室之間的數(shù)據(jù)通信。使用戶隨時(shí)了解變壓器及風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫

61、度控制。</p><p>　　溫度檢測電路通過預(yù)埋在變壓器中的鉑電阻傳感器獲得油溫信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后直接送入控制器的A/D轉(zhuǎn)換輸入端，PIC單片機(jī)根據(jù)信號(hào)數(shù)據(jù)及設(shè)定的各種控制參數(shù)，按照程序自動(dòng)計(jì)算與處理，自動(dòng)顯示變壓器油溫，并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制風(fēng)機(jī)的起停，電機(jī)的保護(hù)電路包括過壓，過載，缺相等。顯示電路采用MAX7219，其只需要三根線就可控制八個(gè)數(shù)碼管，特別適用于需要I/O口較多的系統(tǒng)。</p

62、><p>　　信號(hào)通過無線通信芯片nRF401傳輸?shù)娇刂剖摇Ｒ员銓ΜF(xiàn)場情況及時(shí)做出反應(yīng)。nRF401 是一個(gè)433 MHz 工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)用頻段設(shè)計(jì)的真正單片無線收發(fā)芯片,它采用頻移鍵控調(diào)制技術(shù)。nRF401 發(fā)射速率可達(dá)20 kb/ s。發(fā)射功率可調(diào), 最大發(fā)射功率10 dBm,接收靈敏度- 105dBm，具有工作半徑大、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。天線接口設(shè)計(jì)為差分天線,便于使用低成本的印刷電路板天線。nRF401還有待機(jī)工

63、作方式,可以更省電和高效。此外,該芯片只需少量外圍元件,使用十分方便。</p><p>　　以上只是對本方案簡單地做了介紹，對于本系統(tǒng)的具體的硬件電路的設(shè)計(jì)說明將在下一章節(jié)中作具體的闡述。</p><p>　　第三章 硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　第一節(jié) 單片機(jī)的選型</p><p>　　硬件電路是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，而單片機(jī)又是硬件電路的核

64、心，所以單片機(jī)的選擇顯得至關(guān)重要。由于有溫度檢測，需要A/D轉(zhuǎn)換，且需要較多的I/O口，所以單片機(jī)采用PIC系列微控制器[8]。</p><p>　　PIC系列單片機(jī)具有以下幾個(gè)大的特點(diǎn)：</p><p>　?。?）開發(fā)容易，周期短：由于PIC采用RISC指令集，指令少，且全部為單字長指令，易學(xué)易用，相對于采用CISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)可節(jié)省30%以上的開發(fā)時(shí)間，2倍以上的程序空間。</p

65、><p>　　（2）高速：PIC采用哈佛總線和精簡指令集建立了一種新的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，指令的執(zhí)行速度比一般的單片機(jī)要快4～5倍。</p><p>　　（3）低功耗：PIC采用CMOS設(shè)計(jì)結(jié)合了諸多的節(jié)電特性，使其功耗較低，PIC百分之百的靜態(tài)設(shè)計(jì)可進(jìn)入休眠省電狀態(tài)而不影響喚醒后的正常工作。</p><p>　?。?）低價(jià)實(shí)用：PIC配備有OTP型、EPROM型和FLASH型諸

66、多形式的芯片，其OTP型芯片的價(jià)格很低。PIC還提供程序監(jiān)視器和程序可分區(qū)保密的保密位等功能，提供了基于Windos98的方便易用的全系列的產(chǎn)品開發(fā)工具和大量的子程序庫和應(yīng)用例程，使產(chǎn)品開發(fā)更容易和更快捷。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，綜合多方面的因素，我選擇了PIC16F87X系列的PIC16F877單片機(jī)，它與其他3種單片機(jī)性能對照表如下所示。</p><p>　　表3-1

67、四種單片機(jī)性能比較表</p><p>　　PIC16F877單片機(jī)是高性能類—RISC CPU，一共有35條單字指令，除程序分支是雙周期指令外，其他所有的指令都是單指令。工作速度：DC～20MHz時(shí)鐘輸入，DC～200ns指令周期。具有高達(dá)8K字（14位字長）的FIASH程序存儲(chǔ)器；高達(dá)368字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）；高達(dá)256字節(jié)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。中斷能力多達(dá)14個(gè)內(nèi)部/外部中斷源。該單片機(jī)具有8級硬

68、件堆棧，上電復(fù)位電路（POR）及上電延時(shí)定時(shí)器（PWRT）和振蕩器起振定時(shí)器（OST），帶有片內(nèi)RC振蕩器的監(jiān)視定時(shí)器（WDT）以保證可靠工作。它的可編程代碼具有保護(hù)功能，省電休眠（Sleep）方式。還可選擇不同的振蕩器工作方式，有高速，低功耗CMOS FLASH/EEPROM技術(shù)。通過2個(gè)引腳可進(jìn)行在線調(diào)試，編程只需要5V電源，通過2個(gè)引腳可進(jìn)行在線調(diào)試，處理器有通道能對程序存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫。單片機(jī)有寬范圍的工作電壓：2.0～5.5V

69、，最大拉電流/灌電流可達(dá)25mA，一般符合商用級和工業(yè)級的工作溫度范圍。低功耗型：在4MHz時(shí)鐘下，電源電壓為5V時(shí)，典型工作電流值小于2ma；在32kHz時(shí)鐘下，電源電壓為3V時(shí)，典型</p><p><b>　　外圍功能模塊特性：</b></p><p>　　·定時(shí)器TMR0：帶有8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。</p><p>　　

70、3;定時(shí)器TMR1：帶有前分頻器的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，在休眠期間可通過外部晶振/時(shí)鐘增量計(jì)數(shù)。</p><p>　　·定時(shí)器TMR2：帶有8位周期寄存器.前分頻器和后分頻器的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。</p><p>　　·兩個(gè)捕捉/比較/脈寬調(diào)制（PWM）模塊。</p><p>　　·16位的捕捉輸入的最大分辨率為12.5ns，16位的比

71、較輸出的最大分辨率為200ns，脈寬調(diào)制（PWM）輸出的最大分辨率為10位。</p><p>　　·10位多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）。</p><p>　　·具有地址第九位檢測的通用異步接收器和發(fā)送器（USART/SCI）。</p><p>　　·由外部RD.WR.和控制線CS的8位寬度的并行從動(dòng)端口PSP（僅用于40/44引腳芯片）。

72、</p><p>　　·用于鎖定（Brown-out）復(fù)位（BOR）的鎖定檢測電路。</p><p>　　由以上對單片機(jī)的介紹可以看出，PIC單片機(jī)性能高，并且自身帶有10位多通道A/D轉(zhuǎn)換器，在溫度檢測信號(hào)后就不需要設(shè)計(jì)專門電路來進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，所以應(yīng)用電路比較簡單，因此在本設(shè)計(jì)中就選用了PIC16F877單片機(jī)。</p><p>　　第二節(jié) 振蕩器配

73、置選擇</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中，我們需要用到振蕩器，下面對振蕩器做個(gè)初步的了解介紹。</p><p>　　PIC16F87X系列芯片都能在4種不同的類型的振蕩器方式下工作，用戶可以通過對配置寄存器中的振蕩器選擇位FOSC1和FOSC0進(jìn)行編程選擇其中的一種工作方式[9]。</p><p>　　LP方式： 低功耗晶體振蕩器方式；</p><

74、;p>　　XT方式： 晶體/陶瓷諧振器方式；</p><p>　　HS方式： 高速警惕/陶瓷諧振器方式；</p><p>　　RC方式： 阻容振蕩器方式。</p><p>　　2.1 晶體振蕩器/陶瓷諧振器方式</p><p>　　在LP、XT和HS方式中，都是用晶體振蕩器/陶瓷諧振器接到芯片的OSC1和OSC2引腳上來建立振蕩，見圖

75、3-2。PIC16F87X系列芯片的振蕩器設(shè)計(jì)要求使用以平行方法切割的晶體,給出的頻率才能在晶體制造廠家特性的范圍之內(nèi);而用順序方法切割的晶體，給出的頻率不在晶體制造廠家特性范圍之內(nèi)。在這3種方式下，也可以用外部時(shí)鐘源加在OSC1引腳上進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這時(shí)OSC2引腳可以直接開路，如圖3-2所示。</p><p><b>　　注意：</b></p><p>　　（1）C1和

76、C2的推薦值和測試范圍內(nèi)的值相同，見表4、表5為石英晶體振蕩器的電容</p><p><b>　　選擇。</b></p><p>　　（2）采用偏大的電容值將有利于提高振蕩器的穩(wěn)定，但同時(shí)會(huì)增加起振時(shí)間；</p><p>　?。?）由于每一種陶瓷諧振器或晶體都有它自己的特性，最好要求制造廠商能提供所需</p><p>　

77、　要的最佳配合外部元器件的數(shù)值；</p><p>　?。?）為避免超過晶體驅(qū)動(dòng)能力，可在HS和XT方式下加上串聯(lián)電阻Rs。</p><p>　　圖3-2 LP、XT和HS的石英/陶瓷振蕩器</p><p><b>　　注： </b></p><p>　　（1）C1和C2的推薦值見表3-4和表3-5。</p&g

78、t;<p>　　（2）對于AT方法切割的晶體需要接串聯(lián)電阻Rs。</p><p>　　（3）RF隨石英選擇不同而變。</p><p>　　圖3-3 外部時(shí)鐘輸入工作方式</p><p>　　表 3-4 陶瓷諧振器 </p><p>　　表3-5 石英晶體振蕩器的電容選擇</p><p>　　2.

79、2 RC振蕩器</p><p>　　對定時(shí)器要求不是很高的應(yīng)用，可以采用低成本的RC振蕩器方式。RC振蕩</p><p>　　器的頻率是電源電壓、振蕩電阻、電容C的數(shù)值和工作溫度函數(shù)，再加上由于制</p><p>　　造中正常的工藝參數(shù)的變化，另外封裝時(shí)引腳結(jié)構(gòu)分布電容的差異也會(huì)影響振蕩</p><p>　　頻率，特別是在采用的振蕩電容值較

80、小時(shí)，這種影響更明顯。當(dāng)然，用戶還必須</p><p>　　考慮所使用的振蕩電阻和電容變化的影響，圖3-6是PIC16F877芯片與外部振蕩</p><p>　　電容和電阻連接的電路圖。</p><p>　　推薦值：3k≤Rext≤≦100k； Cext﹥20pF</p><p>　　圖3-6 RC振蕩器工作方式復(fù)位</p>

81、<p>　　PIC16F877芯片有以下幾種復(fù)位方式：</p><p>　?。?）芯片上電復(fù)位（POR）；</p><p>　?。?）正常工作狀態(tài)下通過在外部引腳上加低電平復(fù)位；</p><p>　　（3）在休眠狀態(tài)下通過在外部引腳上加低電平復(fù)位；</p><p>　　（4）正常工作狀態(tài)下監(jiān)視器WDT超時(shí)溢出復(fù)位；</p>

82、;<p>　　（5）在休眠狀態(tài)下監(jiān)視器WDT超時(shí)溢出復(fù)位；</p><p>　　（6）掉電鎖定復(fù)位（BOR）。</p><p>　　有些寄存器的值不受任何一種復(fù)位操作的影響，當(dāng)芯片上電復(fù)位時(shí)，它們的值是不確定的，并在其他形式的復(fù)位后其值保持不變。而其他大多數(shù)寄存器的上電復(fù)位、在正常工作期間用信號(hào)復(fù)位或WDT超時(shí)溢出復(fù)位，在休眠期間信號(hào)復(fù)位以及在掉電鎖存復(fù)位后都會(huì)被復(fù)位成“復(fù)位

83、狀態(tài)”。但在休眠期間WDT超時(shí)溢出復(fù)位不會(huì)影響這些寄存器的值，這是因?yàn)檫@種復(fù)位被看成是一種正常的操作，故不應(yīng)使任何寄存器的值發(fā)生變化。表3-7為不同復(fù)位方式下的上電延遲時(shí)間。表3-8為狀態(tài)寄存器STATUS中和位在不同復(fù)位方式下的不同的值，在軟件中可以利用這些位來確定發(fā)生復(fù)位的方式。</p><p>　　表3-7 不同情況下的上電延遲時(shí)間</p><p>　　表3-8 狀態(tài)寄存器STA

84、TUS的位和它們的意義</p><p>　　通過對以上進(jìn)行分析說明，本設(shè)計(jì)選用了XT方式即晶體/陶瓷諧振器方式。石英晶體選用4MHz的ESC-40-20-1型，OSC1和OSC2的電容選擇了30pF。</p><p>　　第三節(jié) 溫度采集電路模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 溫度檢測電路</p><p>　　溫度是一種最基本的環(huán)境參數(shù)

85、，在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實(shí)時(shí)測量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測量，因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。測量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：①傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器；②模擬集成溫度傳感器；③智能集成溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展[7]。</p><p>　　由于電力變壓器內(nèi)部帶有鉑電阻，為了硬件上便于實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)不

86、采用模擬集成溫度傳感器和智能集成溫度傳感器，而是使用鉑電阻電橋型溫度檢測電路進(jìn)行溫度檢測。基于鉑電阻的電橋型溫度檢測電路具有精度高、性能穩(wěn)定、調(diào)試容易、對器件要求不高、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)[3]。其檢測電路圖如圖3-9所示。</p><p>　　圖3-9 電橋型溫度檢測電路</p><p>　　圖3-10 參考電壓源電路</p><p>　　圖3-10中REF192是

87、AD公司的精密參考電壓源,輸出為+ 2.5V,即VREF=VD=+2.5V,故VA=VD(1+ R2/ R3) = +2. 5(1 + R2/ R3)。圖3-2中R8是鉑電阻，其阻值為R(1 +δ),其中R為鉑電阻在0℃時(shí)的阻值;δ=ΔR/ R；VB = - R(1 +δ) VA/ R4 ,則有:　</p><p>　　V0 = R1VAδ/ R4</p><p>　　由此可知,該電路的輸

88、出電壓與鉑電阻阻值的變化δ(或ΔR) 呈線性關(guān)系。在圖3-2中，R1=R2=R4=R5=R6=1KΩ,R3 =10KΩ,R7=100Ω。</p><p>　　該電路的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是調(diào)試非常簡單,在R和R4確定后,只需根據(jù)輸出電壓Vo的變化范圍確定R1的阻值即可。電流流過鉑電阻將會(huì)引起鉑電阻溫度升高,稱其為自加熱現(xiàn)象,從而帶來一定的測量誤差,為了減小這種誤差,必須減小流經(jīng)鉑電阻電流,可以通過減小A 點(diǎn)的電壓和適當(dāng)選取

89、R4 的阻值實(shí)現(xiàn)。而A點(diǎn)電壓由參考電壓VREF 和R2/ R3 的值共同決定,因此,應(yīng)選擇輸出電壓比較低的參考電壓源(圖3-2中選2.5V) ,此外R2/ R3 的值也要比較低。</p><p>　　3.2 光電耦合隔離放大電路</p><p>　　由于現(xiàn)場的電磁干擾特別大，工作環(huán)境比較惡劣，如果要使溫控器在此環(huán)境中能夠長期穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，就必須解決溫控器的抗干擾問題，否則將導(dǎo)致控制誤

90、差加大，甚至造成巨大的損失。所以溫度信號(hào)要引入單片機(jī)必須經(jīng)過光耦隔離。</p><p>　　光耦（Optical Coupler）器件也稱為光電耦合器或者光電隔離器，它是一種以光為中間媒介來傳輸電信號(hào)的器件，通常把發(fā)光器件和光檢測器封裝在管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)，發(fā)光器件發(fā)出光信號(hào)，光檢測器接受到光信號(hào)后就產(chǎn)生光電流，從輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了“電--光--電”轉(zhuǎn)換。普通的光耦器件只能傳輸數(shù)字信號(hào)，而近年來問世的

91、線性光電耦合器能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或電流信號(hào)[10]。</p><p>　　三極管型光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管構(gòu)成，發(fā)光器件為發(fā)光二極管，光檢測器為光敏三極管。當(dāng)輸入為低電平“0”時(shí)，沒有電流（或者電流非常?。┝鬟^發(fā)光二極管，二極管不發(fā)光，光敏三極管處于截至狀態(tài)，輸出為高電平“1”；當(dāng)輸入為高電平“1”時(shí)，有一定的電流流過發(fā)光二極管，二極管發(fā)光，照射到光敏三極管上，產(chǎn)生一定的基極電流，使光敏三極管處

92、于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出為低電平“0”。若基極有引出線，則可滿足溫度補(bǔ)償檢測調(diào)制要求。這種光耦器件性能較好，價(jià)格便宜，因而應(yīng)用廣泛。</p><p>　　光電耦合器之所以能在傳輸信號(hào)的同時(shí)有效的抑制尖脈沖和各種噪聲干擾，大大提高通道上的信噪比，其主要原因如下。</p><p>　?。?）光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源阻抗較大，通常為幾百K歐姆。由分壓原理可知，即使干擾電壓的幅值較

93、大，但饋送到光電耦合器輸入端的噪聲電壓很小，只能形成微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使發(fā)光二極管發(fā)光，從而被抑制。</p><p>　?。?）光電耦合器的輸入回路與輸出會(huì)之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地，之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因而回路一側(cè)的各種干擾噪聲都很難通過光電耦合器饋送到另一側(cè)去，避免了共阻抗耦合的干擾信號(hào)的產(chǎn)生。</p><p>　　光電耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信

94、號(hào)，輸入端和輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強(qiáng)，使用壽命長，傳輸效率高。使用光電耦合器還具有很好的安全保障作用，因?yàn)楣怆婑詈掀鞯妮斎牖芈泛洼敵龌芈分g可以承受幾千伏的高壓，即使當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，也不會(huì)影響到單片機(jī)等重要的核心設(shè)備。</p><p>　　常用的光耦器件為TLP521-1，TLP521-4，4N25，HCRN200，SLC800等。</p><p>　　普通的光耦在數(shù)字隔

95、離電路或數(shù)據(jù)傳輸電路中常常用到，如UART協(xié)議的20mA電流環(huán)。對于模擬信號(hào)，光耦因?yàn)檩斎胼敵龅木€形較差，并且隨溫度變化較大，限制了其在模擬信號(hào)隔離的應(yīng)用。</p><p>　　對于高頻交流模擬信號(hào)，變壓器隔離是最常見的選擇，但對于支流信號(hào)卻不適用。一些廠家提供隔離放大器作為模擬信號(hào)隔離的解決方案，如ADI公司的AD202，能夠提供從直流到幾K的頻率內(nèi)提供0.025%的線性度，但這種隔離器件內(nèi)部先進(jìn)行電壓-頻率轉(zhuǎn)

96、換，對產(chǎn)生的交流信號(hào)進(jìn)行變壓器隔離，然后進(jìn)行頻率-電壓轉(zhuǎn)換得到隔離效果。集成的隔離放大器內(nèi)部電路復(fù)雜、體積大、成本高，不適合大規(guī)模應(yīng)用。</p><p>　　模擬信號(hào)隔離的一個(gè)比較好的選擇是使用線形光耦。線性光耦的隔離原理與普通光耦沒有差別，只是將普通光耦的單發(fā)單收模式稍加改變，增加一個(gè)用于反饋的光接受電路用于反饋。這樣，雖然兩個(gè)光接受電路都是非線性的，但兩個(gè)光接受電路的非線性特性都是一樣的，這樣，就可以通過反饋

97、通路的非線性來抵消直通通路的非線性，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)線性隔離的目的。</p><p>　　市場上的線性光耦有幾中可選擇的芯片，如Agilent公司的HCNR200/201，TI子公司TOAS的TIL300，CLARE的LOC111等。本設(shè)計(jì)采用HCNR200/201進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　HCNR200/201的內(nèi)部框圖如3-11所示</p><p>　　圖3-

98、11 HCRN200內(nèi)部框圖</p><p>　　其中1、2引腳作為隔離信號(hào)的輸入，3、4引腳用于反饋，5、6引腳用于輸出。1、2引腳之間的電流記作IF，3、4引腳之間和5、6引腳之間的電流分別記作IPD1和IPD2。輸入信號(hào)經(jīng)過電壓-電流轉(zhuǎn)化，電壓的變化體現(xiàn)在電流IF上，IPD1和IPD2基本與IF成線性關(guān)系，線性系數(shù)分別記為K1和K2,即K1與K2一般很?。℉CNR200是0.50%），并且隨溫度變化較大（

99、HCNR200的變化范圍在0.25%到0.75%之間），但芯片的設(shè)計(jì)使得K1和K2相等。在后面可以看到，在合理的外圍電路設(shè)計(jì)中，真正影響輸出/輸入比值的是二者的比值K3,線性光耦正利用這種特性才能達(dá)到滿意的線性度的。</p><p>　　HCNR200和HCNR201的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同，差別在于一些指標(biāo)上。相對于HCNR200，HCNR201提供更高的線性度。</p><p>　　采用HC

100、NR200/201進(jìn)行隔離的一些指標(biāo)如下所示：</p><p>　　* 線性度：HCNR200：0.25%，HCNR201：0.05%；</p><p>　　* 線性系數(shù)K3：HCNR200：15%，HCNR201：5%；</p><p>　　* 溫度系數(shù)： -65ppm/℃；</p><p>　　* 隔離電壓：1414V；</p>

101、;<p>　　* 信號(hào)帶寬：直流到大于1MHz。</p><p>　　從上面可以看出，和普通光耦一樣，線性光耦真正隔離的是電流，要想真正隔離電壓，需要在輸入和輸出處增加運(yùn)算放大器等輔助電路。下面對HCNR200/201的典型電路進(jìn)行分析，對電路中如何實(shí)現(xiàn)反饋以及電流-電壓、電壓-電流轉(zhuǎn)換進(jìn)行推導(dǎo)與說明。</p><p>　　Agilent公司的HCNR200/201的手冊上給

102、出了多種實(shí)用電路[11]，其中較為典型的一種如圖3-12所示：</p><p>　　圖3-12 線性光耦的隔離應(yīng)用電路</p><p>　　設(shè)運(yùn)放負(fù)端的電壓為，運(yùn)放輸出端的電壓為，在運(yùn)放不飽和的情況下二者滿足下面的關(guān)系： </p><p>　　其中是在運(yùn)放輸入差模為0時(shí)的輸出電壓，為運(yùn)放的增益，一般比較大。忽略運(yùn)放負(fù)端的輸入電流，可以認(rèn)為通過R1的電流為，根據(jù)R

103、1的歐姆定律得：</p><p>　　通過R3兩端的電流為，根據(jù)歐姆定律得：</p><p>　　其中,為光耦2腳的電壓，考慮到LED導(dǎo)通時(shí)的電壓（）基本不變，這里的作為常數(shù)對待。根據(jù)光耦的特性，即</p><p>　　將和的表達(dá)式代入上式，可得：</p><p><b>　　上式經(jīng)變形可得到：</b></p>

104、;<p>　　將的表達(dá)式代入（3）式可得：</p><p>　　考慮到特別大，則可以做以下近似：</p><p>　　這樣，輸出與輸入電壓的關(guān)系如下：</p><p>　　可見，在上述電路中，輸出和輸入成正比，并且比例系數(shù)只由K3和R1、R2確定，一般選R1=R2，達(dá)到只隔離不放大的目的。</p><p>　　輔助電路與參數(shù)確定

105、：</p><p>　　上面的推導(dǎo)都是假定所有電路都是工作在線性范圍內(nèi)的，要想做到這一點(diǎn)需要對運(yùn)放進(jìn)行合理選型，并且確定電阻的阻值。</p><p>　　運(yùn)放可以是單電源供電或正負(fù)電源供電，上面給出的是單電源供電的例子。為了能使輸入范圍能夠從0到VCC，需要運(yùn)放能夠滿擺幅工作，另外，運(yùn)放的工作速度、壓擺率不會(huì)影響整個(gè)電路的性能。TI公司的LT1097單運(yùn)放電路能夠滿足以上要求，可以作為HC

106、NR200/201的外圍電路。</p><p>　　電阻的選型需要考慮運(yùn)放的線性范圍和線性光耦的最大工作電流IFmax。K1已知的情況下，IFmax又確定了IPD1的最大值IPD1max，這樣，由于Vo的范圍最小可以為0，這樣，由于考慮到IFmax大，有利于能量的傳輸，這樣，一般取10KΩ。</p><p>　　另外，由于工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)的運(yùn)放滿足虛短特性，因此，考慮IPD1的限制，R

107、2的確定可以根據(jù)所需要的放大倍數(shù)確定，例如如果不需要方法，只需將R2=R1即可。另外由于光耦會(huì)產(chǎn)生一些高頻的噪聲，通常在R2處并聯(lián)電容，構(gòu)成低通濾波器，具體電容的值由輸入頻率以及噪聲頻率確定。</p><p>　　確定Vcc=5V，輸入在0-4V之間，輸出等于輸入，采用LMV321運(yùn)放芯片以及上面電路，下面給出參數(shù)。</p><p>　　R1=200KΩ,R2=174,R3=33KΩ,C1

108、=47P,R4=2.2KΩ,C2=33P,R5=270Ω, R6=6.8KΩRP1=50KΩ，C3=C4=C5=C6=0.1uF。</p><p>　　經(jīng)過線形光耦的隔離可以很好地抑制現(xiàn)場的各種干擾，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的技術(shù)指標(biāo)。</p><p>　　第四節(jié) 按鍵輸入和顯示電路部分設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 按鍵輸入電路模塊設(shè)計(jì)</p>&l

109、t;p>　　系統(tǒng)中共用了四個(gè)按鍵，一個(gè)為清除鍵，其余三個(gè)為溫度設(shè)定鍵，四鍵共用一個(gè)鍵盤服務(wù)程序。 SET 鍵為溫度范圍設(shè)定開始鍵，UP 為溫度的遞增鍵，DOWN 為溫度的遞減鍵，每按下一次，溫度變化一度。當(dāng) SET 鍵按下時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入鍵盤服務(wù)子程序，表明進(jìn)入溫度的設(shè)定狀態(tài)，系統(tǒng)的初始值是45℃—55℃，對于溫度的設(shè)定是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行遞增或遞減，再次按下 SET 鍵時(shí)，表明進(jìn)入上限值的設(shè)定，由 UP 鍵/ DOWN 鍵對溫度值進(jìn)行調(diào)