電機(jī)過熱保護(hù)器設(shè)計(jì)

電機(jī)過熱保護(hù)器設(shè)計(jì)

第1章緒論

課題來源

沈陽某電機(jī)廠研制節(jié)能電機(jī)，為了用事實(shí)證明其電機(jī)節(jié)能，承諾客戶試用該電機(jī)一段時(shí)間，客戶可將這段時(shí)間節(jié)省的電費(fèi)作為購買電機(jī)的費(fèi)用。試用期到期后，電機(jī)的所有權(quán)歸客戶。但為了防止某些信用度較差的客戶在試用電機(jī)節(jié)電后，不給電機(jī)公司任何報(bào)酬且不歸還電機(jī)，所以有必要實(shí)現(xiàn)時(shí)間鎖定和密碼保護(hù)功能。試用時(shí)間到期后，電機(jī)將跳閘，并且顯示跳閘的原因，同時(shí)提供聲光報(bào)警。如果該客戶要繼續(xù)使用該電機(jī)，則必須向電機(jī)生產(chǎn)廠家索取密碼，此時(shí)廠家就可以按合同規(guī)定索要自己應(yīng)得的報(bào)酬。如果客戶履行合同，那么電機(jī)生產(chǎn)廠家可以重新設(shè)定到期時(shí)間。手動按鍵復(fù)位后，電機(jī)可以繼續(xù)正常使用。

電機(jī)制造業(yè)的發(fā)展歷史己有近百年，隨著電機(jī)制造工業(yè)的發(fā)展，電機(jī)的單機(jī)容量不斷增大，技術(shù)指標(biāo)要求普遍提高。電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的單位體積損耗的增長，引起電機(jī)各部分的溫度升高，進(jìn)而直接影響到電機(jī)的壽命和運(yùn)行可靠性。電機(jī)各部分的溫度成為電機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中重要的性能指標(biāo)之一。為了檢查電機(jī)性能是否合格，保證電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須準(zhǔn)確測定電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)各部分的溫度。在新的國家標(biāo)準(zhǔn)中，詳細(xì)規(guī)定了不同絕緣等級的電機(jī)繞組對應(yīng)的不同的繞組溫度。超過此規(guī)定溫度，電機(jī)壽命將會受到影響，甚至造成電機(jī)燒毀。電機(jī)設(shè)計(jì)中，既要提高電機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)，又要降低電機(jī)的原材料費(fèi)用、成本，提高加工工藝以減少成本支出，電機(jī)溫升是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)就成為主要矛盾之一。因此，準(zhǔn)確的估算并檢測電機(jī)的溫升，不僅可以保證電機(jī)的安全運(yùn)行，而且對提高電機(jī)的使用壽命、節(jié)約原材料和電能，以及實(shí)現(xiàn)自動化設(shè)計(jì)都有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。所以，該電機(jī)生產(chǎn)廠家同時(shí)提出了電機(jī)溫度保護(hù)的功能，如果電機(jī)溫度過高，則實(shí)現(xiàn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，以保護(hù)電機(jī)，將損失降到最小。

根據(jù)用戶的要求，我們進(jìn)行了大量的相關(guān)資料的查閱，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了溫度采集的功能，但是對于傳感器的安放以及設(shè)計(jì)是否合理，沒有理論的根據(jù)。由此開展了一系列的工作。進(jìn)行了相關(guān)的資料搜索，發(fā)現(xiàn)相關(guān)課題有很多學(xué)者在研究，也為該課題進(jìn)一步的研究打下理論基礎(chǔ)。

國內(nèi)外的研究歷史與現(xiàn)狀

通常電機(jī)的容量越大，其工作效率越高，但相應(yīng)的電機(jī)發(fā)熱量也迅速增加[2]。電機(jī)的溫升在一定程度上決定了電機(jī)的容量。

對于電機(jī)發(fā)熱和冷卻問題,可從兩方面加以解決:

一、選用耐溫較高的絕緣材料；

二、合理使用冷卻方式，提高電機(jī)的冷卻效果，使電機(jī)不超過規(guī)定的溫升極限。當(dāng)前，Y型異步電機(jī)已使用F級絕緣材料，而絕緣等級更高的C級絕緣材料也在研制當(dāng)中。電機(jī)冷卻技術(shù)業(yè)已取得了極大的發(fā)展，對中小型電機(jī)而言，還是以風(fēng)扇強(qiáng)迫空氣流動以冷卻電機(jī)；對大型電機(jī)，其冷卻方式隨電機(jī)的容量、轉(zhuǎn)速、電壓等級等技術(shù)條件的不同而不同，它基本上都是由生產(chǎn)實(shí)踐逐步積累形成的[2]。

近年來，由于新材料、新工藝的使用和電機(jī)冷卻技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了大型發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的單機(jī)容量逐漸增大，但同時(shí)使電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的單位體積損耗增加，引起電機(jī)各部分溫度升高，這直接影響到電機(jī)的安全。因此，準(zhǔn)確的溫升計(jì)算不僅是制造廠家多年來尋求的目標(biāo)，也是電機(jī)運(yùn)行部門關(guān)注的主要問題之一。

電機(jī)的主要熱計(jì)算方法

簡化公式法

簡化公式法是電機(jī)制造廠設(shè)計(jì)時(shí)常用的一種方法。首先，計(jì)算出各部分的熱負(fù)載，再通過牛頓散熱公式:得到相應(yīng)的溫升。此法計(jì)算簡單方便，因此易于被工廠接受，但計(jì)算精度較差，只能計(jì)算出電機(jī)的平均溫升，不能滿足日益提高的設(shè)計(jì)工作的需要。

等效熱路法

等效熱路法是根據(jù)傳熱學(xué)和電路理論來形成等效熱路，熱路圖中的熱源為繞組的銅損耗，鐵損耗，這些損耗所在部件在計(jì)算時(shí)認(rèn)為是均質(zhì)的。損耗熱量通過各種相應(yīng)的熱阻，由熱源向冷卻介質(zhì)傳遞，形成一個(gè)復(fù)雜的熱網(wǎng)絡(luò)。采用電路網(wǎng)絡(luò)中基爾霍夫定律來列出全部熱平衡方程，然后用求解線性電路的方法，計(jì)算電機(jī)各有效部分的平均溫升。此方法計(jì)算精度比簡化公式法高，能夠得到電機(jī)總體溫升和平均溫升。如果要提高計(jì)算精度，必須增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和熱阻數(shù)，但這使工作量大大增加，失去其計(jì)算工作量小等優(yōu)點(diǎn)。

等效熱路法有一些基本假設(shè)，通過這些假設(shè)可以把成熟的電路理論用在等效熱路中。這些假設(shè)是:所分布的真實(shí)熱源和熱阻被少量的集中熱源和等值熱阻所代替，并假定后兩者不取決于熱流的大小。這樣，就能將等效熱路法用于線性熱回路，并采用普通的代替法進(jìn)行求解。

目前國內(nèi)外很多文獻(xiàn)仍采用熱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算大型電機(jī)溫升。早在1955年，美國AIEE即發(fā)表Rosenberry采用熱路法的一篇有關(guān)“鑄鋁籠型感應(yīng)電動機(jī)的瞬態(tài)起動溫升”論文。1986年和1987年，電力科學(xué)院李德基等人采用該方法分別計(jì)算了汽輪發(fā)電機(jī)繞組間接冷卻轉(zhuǎn)子和定子槽部三維溫度場[3][4]。1987年日本學(xué)者等人利用具有700個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)模型分析了具有單匝線圈的旋轉(zhuǎn)電機(jī)中定子線圈股線中的溫度分布[5]。1988年李德基等人研究了絕緣老化對定子溫升的影響[5]。1989年湖南大學(xué)方日杰等人也利用上述方法計(jì)算了兩臺大型水輪發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的定子三維溫度場[7]。1995年北京計(jì)算中心的曹國宣分析了采用氣隙取氣斜流冷卻方式的氫內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)局部風(fēng)路堵塞時(shí)的轉(zhuǎn)子溫度場[8]。1998年華中理工大學(xué)武衛(wèi)東等人采用等效熱路法計(jì)算了一臺大型水輪發(fā)電機(jī)，并利用曲線擬合技術(shù)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了可視化處理[9]。

熱路法的運(yùn)用不只是消極地核算所設(shè)計(jì)的電機(jī)的溫升、溫度分布，更重要的是設(shè)計(jì)時(shí)能夠利用這一方法，從溫升的角度來尋求最佳的經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)，同時(shí)通過改變個(gè)別熱阻，還可以尋找電機(jī)局部溫升和總的平均溫升的規(guī)律。

溫度場法

由于電機(jī)單機(jī)容量的不斷增大以及電磁負(fù)荷的不斷提高，要求對電機(jī)各部分的溫升進(jìn)行較精確的計(jì)算，尤其需要準(zhǔn)確的指出各部分的最高溫升及其出現(xiàn)的位置。而電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，為人們從場的角度研究計(jì)算電機(jī)的溫升提供了工具。溫度場法就是用現(xiàn)代數(shù)值方法來求解熱傳導(dǎo)方程，也就是將求解區(qū)域離散成許多小單元，在每個(gè)單元中建立方程，再對總體方程組進(jìn)行求解。由此可見，溫度場法將研究對象從宏觀轉(zhuǎn)向微觀，從總體轉(zhuǎn)到局部單元上來，求得每一點(diǎn)的溫度和溫升，于是在整個(gè)計(jì)算區(qū)域中的每個(gè)局部單元都能獲得可靠的計(jì)算數(shù)據(jù)，從而，更加準(zhǔn)確、合理地指導(dǎo)電機(jī)的設(shè)計(jì)工作。這種方法是由E.阿羅爾德率先提出來的，后又經(jīng)P.李克杰爾和O.波姆進(jìn)一步研究過。1974年，A.И.鮑里先科等人合作出版了《電機(jī)中的空氣動力學(xué)和熱傳遞》一書，給出了用電子計(jì)算機(jī)求解溫度場的一些方法和實(shí)例。求解溫度場的常用方法有:有限差分法和有限元法。

①有限差分法

有限差分法就是用差分來近似代替微分，把求解域內(nèi)的偏微分方程和有關(guān)的邊界條件，化成適用于區(qū)域內(nèi)部和邊界上各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的差分方程組，然后用古典方法或計(jì)算機(jī)來求解聯(lián)立的差分方程組。

1989年電力科學(xué)研究院的李德基等人采用有限差分法對汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在過電流和突加額定轉(zhuǎn)子電流下的暫態(tài)三維溫度場進(jìn)行了計(jì)算[10]；1990年哈爾濱大電機(jī)研究所范永達(dá)等用有限差分法計(jì)算了氫冷情況下大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組溫度場[11]；1991年上海交大的向隆萬等人計(jì)算了汽輪發(fā)電機(jī)氫內(nèi)冷副槽轉(zhuǎn)子三維溫度場，并研究了通風(fēng)孔道阻塞、換熱系數(shù)、表面損耗等對溫度場的影響[12]。1993年北京計(jì)算中心曹國宣用有限差分法計(jì)算了水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度場[13]。

但該方法不足之處是，由于采用的是直交網(wǎng)格，因此它較難適應(yīng)區(qū)域形狀的任意性，而且區(qū)分不出場函數(shù)在區(qū)域中輕重緩急之差異，對于復(fù)雜的二類邊界條件及內(nèi)部介質(zhì)界面的處理比較困難，宜于求解邊界比較規(guī)則的電機(jī)溫度場問題。

②有限元法

有限元法是一種常用的數(shù)值計(jì)算方法，于1943年首先提出，上世紀(jì)50年代由航空結(jié)構(gòu)工程師們所發(fā)展，隨后逐漸波及到土木結(jié)構(gòu)工程，到了上世紀(jì)60年代，在一切連續(xù)領(lǐng)域，都愈來愈廣泛的得到應(yīng)用。我國馮康教授和西方科學(xué)家各自獨(dú)立奠定了有限元方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。它是把求解域剖分成許多個(gè)單元，組成離散化模型，再用各個(gè)單元節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值解去逼近連續(xù)場的真實(shí)解，它是一種離散化模型的數(shù)值解。它與差分法相比，具有剖分靈活，對于復(fù)雜的幾何形狀，邊界條件、不均勻的材料特性、場梯度變化較大的場合，都能靈活地加以考慮，通用性強(qiáng)。故用有限元求解溫度場，可以求出場域內(nèi)各點(diǎn)的溫度值，從而更準(zhǔn)確地描述整個(gè)求解域內(nèi)溫度的分布。

1976年，Armor等人采用標(biāo)量位的有限元法計(jì)算了大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵芯的三維溫度場，對電機(jī)內(nèi)溫度場的計(jì)算做出了開創(chuàng)性的工作，但他忽略了定子鐵心與繞組間的熱傳遞。1984年，河北工學(xué)院的顏威利和孟慶龍分別用有限元法對起重電磁鐵的溫度場進(jìn)行了計(jì)算[15]；1986年，李德基等人對大型發(fā)電機(jī)定子繞組槽部溫度場進(jìn)行了計(jì)算。1988年，蘇聯(lián)的帕什科夫斯基用綜合有限元法研究了電機(jī)的溫度場[16]。河北工學(xué)院的王贊明等人用四面體單元有限元法對起重電磁鐵中的三維溫度場和電磁場進(jìn)行了計(jì)算；1990年，蘇聯(lián)的雅科夫斯基等人研究了水輪發(fā)電機(jī)定子端部的損耗和發(fā)熱，但只是總體的論述，沒有進(jìn)行具體計(jì)算[17]；上海交通大學(xué)楊美倫、張景鑄采用四面體單元有限元法對300MW汽輪發(fā)電機(jī)副槽通風(fēng)氫內(nèi)冷轉(zhuǎn)子槽部溫度場進(jìn)行了計(jì)算[18]；華中理工大學(xué)辜承林等人采用有限元法求解了SFS7-20000/110電力變壓器鐵芯溫度場，并對磁密、油流速度、特征尺寸、油溫等影響鐵芯溫升的因素進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[19]。1991年，北京重型電機(jī)廠的裴遠(yuǎn)航用三維有限元法計(jì)算了汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈的溫升分布，推導(dǎo)了損耗、通風(fēng)和表面散熱系數(shù)[20]；Rkobacb等人采用有限元法計(jì)算了羅古斯克水電站水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子阻尼條和磁極壓板瞬態(tài)溫度場[21]。1992年寧波大學(xué)的岑理章在Armor所進(jìn)行的計(jì)算的基礎(chǔ)上，考慮了定子鐵心與繞組間的熱交換，用正三棱柱單元有限元法分析計(jì)算了QFS-300-2型雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心三維溫度場[22]。湯蘊(yùn)珍、張大為用有限元法對水輪發(fā)電機(jī)定子最熱段的三維溫度場進(jìn)行了計(jì)算[23]；日本的學(xué)者等人用流體可視化結(jié)果對大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心端部進(jìn)行了三維熱分析，用實(shí)驗(yàn)方式確定了其通風(fēng)狀況與表面散熱系數(shù)[24]。采用有限元法對提高電機(jī)設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)性能具有重要意義。1998年東南大學(xué)黃學(xué)良等人提出了一種新的基于拱形體單元的計(jì)算電機(jī)溫度場的有限元模型，并利用該模型計(jì)算了SF125-96/1560型發(fā)電機(jī)的鐵芯溫度場，該方法適合于具有圓柱體結(jié)構(gòu)區(qū)域的溫度場問題[25]。1997-2000年哈爾濱理工大學(xué)的孔祥春、李偉力等人采用直三棱柱單元有限元法對水輪發(fā)電機(jī)定子最熱段三維溫度場進(jìn)行了深入的研究，同時(shí)采用平面三角元結(jié)合流體相似理論對一臺俄羅斯電力問題研究所生產(chǎn)的200MW、2極汽輪發(fā)電機(jī)徑切兩向空冷系統(tǒng)轉(zhuǎn)子二維溫度場進(jìn)行了計(jì)算。2000年，哈爾濱電機(jī)廠的李廣德等人采用六面體等參元計(jì)算了水輪發(fā)電機(jī)半齒、半槽、半軸向長度的定子三維溫度場[26]；哈爾濱大電機(jī)研究所的魯長彬等人利用三維CAD與有限元分析軟件相結(jié)合的方法，計(jì)算了大型水輪發(fā)電機(jī)水內(nèi)冷定子繞組及鐵心的三維溫度分布[27]；哈爾濱理工大學(xué)的溫嘉斌等人采用六面體等參元對大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三維溫度場及其通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了綜合計(jì)算研究。近些年來，隨著數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，一些新的分析方法也被引入到電機(jī)溫度場的計(jì)算領(lǐng)域，例如邊界元法[26]、小波—伽遼金有限元法[29]等。但這些方法或者由于算法程序不易實(shí)現(xiàn)，或者因?yàn)橛?jì)算精度的高低尚缺乏實(shí)證，應(yīng)用還不普遍。目前在電機(jī)溫度場計(jì)算領(lǐng)域應(yīng)用最廣的還是有限元法。

通過上述發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在對電機(jī)的發(fā)熱計(jì)算已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)比較完善的程度，但是這些計(jì)算都涉及到很多的專業(yè)知識，所以我們研究的目的是為一些對電機(jī)知識不多的用戶，開發(fā)出一種更為簡單的電機(jī)測溫方法，實(shí)現(xiàn)智能保護(hù)的功能，針對此進(jìn)行了一系列的工作。

本文所做的工作的內(nèi)容

第一章概述課題的來源及實(shí)際意義，以及電機(jī)溫度國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展方向，提出研究一種易于實(shí)現(xiàn)的簡易可靠的溫度保護(hù)器,對電機(jī)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。

第二章對電機(jī)溫升、溫升限度等概念進(jìn)行了闡述，對電機(jī)的測溫方法進(jìn)行分析與比較。

第三章進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，采用AT89S52單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸,定時(shí)芯片DS1302進(jìn)行顯示時(shí)間與定時(shí)控制，顯示芯片HD7279顯示時(shí)間及跳閘原因，選用串行通信總線接口RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口，來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)雙向通信的功能，通過上位機(jī)發(fā)送定時(shí)時(shí)間和報(bào)警時(shí)間。

第四章進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)，分別用C語言編程及VB編程，經(jīng)過調(diào)試后，系統(tǒng)可以正常運(yùn)行，可以對電機(jī)使用時(shí)間進(jìn)行限制，能采集電機(jī)表面溫度，初步達(dá)到預(yù)期的目的。

第五章利用所做的硬件進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行分析，對該保護(hù)器存在的前景進(jìn)行展望。

第2章電動機(jī)的硬件設(shè)計(jì)原理

電機(jī)的基本概念

溫升某一點(diǎn)的溫度與參考溫度之差稱溫升。也可以稱某一點(diǎn)溫度與參考溫度之差。

電機(jī)溫升電機(jī)某部件與周圍介質(zhì)溫度之差，稱電機(jī)該部件的溫升。

電機(jī)的溫升限度電機(jī)在額定負(fù)載下長期運(yùn)行達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，電機(jī)各部件溫升的允許極限，稱溫升限度。電機(jī)溫升限度，在國家標(biāo)準(zhǔn)GB755-87中作了明確規(guī)定。

在電機(jī)中一般都采用溫升作為衡量電機(jī)發(fā)熱標(biāo)志，因?yàn)殡姍C(jī)的功率是與一定溫升相對應(yīng)的。因此，只有確定了溫升限度才能使電機(jī)的額定功率獲得確切的意義。

電機(jī)溫度的測量[30]

電機(jī)的各部分溫度，如機(jī)殼溫度，鐵心溫度，軸承溫度，繞組溫度不僅表示電機(jī)的發(fā)熱狀態(tài)，而且與電機(jī)的壽命相關(guān)。一般認(rèn)為，繞組溫度每增加8~10oC，繞組壽命會縮短一半，所以制造廠和用戶都很重視電機(jī)溫度的測量。

電機(jī)的溫升測量方法根據(jù)GB755-87的規(guī)定有四種：溫度計(jì)法、電阻法、埋置檢溫計(jì)法和疊加法。此外，目前國內(nèi)正在研制的有無線電測溫，紅外線測溫和溫度指示器等等。

溫度計(jì)法

溫度計(jì)包括膨脹式溫度計(jì)、半導(dǎo)體溫度計(jì)以及非埋置的熱電偶或電阻溫度計(jì)。

溫度計(jì)法測量溫度是將溫度計(jì)貼附于電機(jī)上可觸及的表面，所測量的是被測點(diǎn)的表面溫度，即其貼附點(diǎn)溫度。在電機(jī)中，任何部位的表面與其內(nèi)部溫度是不同的。因此溫度計(jì)法僅在無法用其它方法測量電機(jī)內(nèi)部溫度或平均溫度時(shí)才采用。測量時(shí)，溫度計(jì)的球部或測溫部分應(yīng)緊貼被測點(diǎn)表面。保證二者有良好的熱傳導(dǎo)。為了減少熱量逸散，溫度計(jì)球部中凡不與被測點(diǎn)接觸的部分可用棉絮或者油灰等絕緣材料覆蓋，但覆蓋面不能過大，以免影響正常的通風(fēng)或繞組散熱。用半導(dǎo)體溫度計(jì)時(shí)，應(yīng)特別注意保護(hù)測試筆筆尖處的微型電阻，測量時(shí)應(yīng)輕輕接觸被測物體，以免損壞感溫元件。每只溫度計(jì)都配有專用測試筆，不能互換。在有交流磁場的部件，不能采用水銀溫度計(jì)，因?yàn)樵谒y中可感應(yīng)渦流，使水銀發(fā)熱，從而使溫度計(jì)讀數(shù)偏高。

一般溫度計(jì)大都按1oC來刻度，在大多數(shù)情況下，對于測量電機(jī)表面溫度精度已完全足夠，但在要求特別準(zhǔn)確時(shí)，可采用刻度為~oC的溫度計(jì)。

對于電機(jī)定子鐵心，機(jī)殼和軸承座等部位，不能采用電阻法測量，可采用溫度計(jì)法進(jìn)行測量。

對于低電阻的換向極繞組和補(bǔ)償繞組，以及一般屬于低電阻范圍。如旋轉(zhuǎn)或靜止的單層繞組，特別是接觸電阻在整個(gè)電阻中占很大比例的繞組，用電阻法測量有困難或不能準(zhǔn)確測量，且埋置溫度計(jì)也無法準(zhǔn)確測量時(shí),應(yīng)采用溫度計(jì)法。

此外，諸如電機(jī)的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的冷卻空氣或冷卻液體如水及潤滑油等，還有其它摩擦零件如換向器，集電環(huán)等，也必須用溫度計(jì)法測量。

對電機(jī)各部位的溫度測量除換向器，集電環(huán)應(yīng)在電機(jī)停止轉(zhuǎn)動后立即用溫度計(jì)測量其表面溫度處，其他如定子鐵心，軸承等應(yīng)在溫升實(shí)驗(yàn)過程中用溫度計(jì)或埋置檢溫計(jì)進(jìn)行測量。

電阻法

這個(gè)方法是根據(jù)繞組的電阻隨其溫度變化而變的關(guān)系來確定繞組的溫度。若在冷態(tài)的溫度時(shí)的電阻為,而溫度達(dá)到時(shí)電阻為，則由下式計(jì)算:

經(jīng)過推導(dǎo)得：

式中為電阻的溫度系數(shù)，即溫度每增加1oC時(shí)單位電阻的增加值。它在一個(gè)較大的范圍內(nèi)可認(rèn)為是常數(shù)。由式可知電阻的增加與溫度的增加成線性關(guān)系，并可畫成如圖所示的關(guān)系曲線。

圖電阻與溫度的關(guān)系曲線

在該圖中，延長直線與并與橫軸交于K點(diǎn)，則由三角形的比例關(guān)系可得:

對于不同的金屬材料,其電阻溫度系數(shù)值也不同,這也就改變了圖中直線的斜率和值。

對于銅：取235,在美國標(biāo)準(zhǔn)中,取。

對于鋁：取225。

這樣對于銅繞組，則式可改寫成：

由此可得:

在此式中,、兩個(gè)相除的數(shù)值較為接近，為了提高計(jì)算的準(zhǔn)確度，則可將式轉(zhuǎn)化成下式：

這樣，銅繞組的溫升將為：

——試驗(yàn)結(jié)束時(shí)冷卻介質(zhì)的溫度

電阻法的特點(diǎn)是它給出繞組的平均溫度，電阻法是考核電機(jī)繞組溫升的一種主要方法。但是應(yīng)指出，電阻法無法將繞組中最高或最低溫度值測出來。對于由直流饋電的靜止繞組，如直流電機(jī)的電樞繞組,通常在實(shí)驗(yàn)結(jié)束停機(jī)后才能測量繞組的電阻。由于停機(jī)需有一過程,在這段時(shí)間內(nèi),將引起繞組溫度的變化,在多數(shù)情況下,溫度將下降。GB755-87規(guī)定:當(dāng)電機(jī)斷電后,測得第一點(diǎn)電阻的時(shí)間超過規(guī)定期限,需用外推法將測得的繞組溫度加以修正。

如果采用疊加法,則測得的溫度即為繞組在運(yùn)行時(shí)的實(shí)際溫度,因此不須做任何修正。應(yīng)當(dāng)指出，用電阻法測定繞組溫度時(shí)，必須用同一儀表，同一量程在繞組的同一相上測量冷態(tài)和熱態(tài)電阻。用電壓表、電流表測量電阻時(shí)還應(yīng)當(dāng)使測量電流基本相同，以保證較準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

埋置溫度計(jì)法

埋置溫度計(jì)法是將熱電偶或電阻溫度計(jì)在電機(jī)制造過程中安置于制成后達(dá)到或預(yù)計(jì)溫度為最高的部位。此法主要用于測量交流定子繞組，鐵心及結(jié)構(gòu)件的溫度。

采用這種方法要求在電機(jī)的繞組層間至少埋置六個(gè)檢溫計(jì)，且沿著圓周均勻地分布。檢溫元件應(yīng)盡可能做的尺寸小，在保證安全的前提下應(yīng)盡量放在繞組中最熱部位。有些檢溫計(jì)用于運(yùn)行時(shí)測量溫度，有些用于試驗(yàn)時(shí)測量溫度。如果僅用于試驗(yàn)時(shí)測量溫度，那么試驗(yàn)后，可將這些檢溫元件的引出線切去且進(jìn)行可靠絕緣。

檢溫計(jì)的埋置部位要根據(jù)每槽的有效元件邊數(shù)來確定。如每槽有兩個(gè)線圈邊，檢溫計(jì)應(yīng)埋置于槽內(nèi)兩個(gè)線圈邊之間。如每槽只有一個(gè)線圈邊，檢溫計(jì)應(yīng)埋置于槽楔和繞組絕緣外層預(yù)計(jì)為最熱處之間，在這種情況下，一般不以埋置檢溫計(jì)法的測量數(shù)據(jù)作為考核溫升的依據(jù)。如將檢溫計(jì)埋置于槽底，則其讀數(shù)便是鐵心溫度。

用埋置檢溫計(jì)來測量電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件如直流電機(jī)電樞的溫度，共有兩種方法。一種是將檢溫計(jì)引線固定于旋轉(zhuǎn)部件的接線板上，待停機(jī)后把它迅速接至相應(yīng)的測量儀表。采用這種方法時(shí)，需外推修正至電源切斷瞬間。另一種方法是將檢溫計(jì)通過集電環(huán)上的電刷移至測量儀表。這種測量方法的最大困難是要確保集電環(huán)與電刷可靠接觸，電刷應(yīng)有穩(wěn)定的很小電阻。

每個(gè)檢溫計(jì)在埋入時(shí)應(yīng)注意與被測點(diǎn)的表面緊密接觸，并應(yīng)有良好的保護(hù)措施，以免受到冷卻空氣的影響，否則不能真實(shí)地反映被測點(diǎn)的溫度，測量埋入式電阻溫度計(jì)的電阻時(shí)，應(yīng)控制測量電流的大小及通電流的時(shí)間，使電阻值不因其本身的發(fā)熱而有明顯的影響。測量埋入式熱電偶時(shí)，熱電偶的熱電勢應(yīng)用電位差計(jì)來測量。

疊加法

本方法是利用雙臂電橋原理，在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，帶電測量交流定子繞組熱態(tài)電阻；也可以在電機(jī)靜止時(shí)不帶電測量繞組的冷態(tài)電阻。按電阻法即可獲得被測繞組在切離電源瞬間的溫升，因此不需要外推法進(jìn)行溫度修正。這種方法分為低壓和高壓電機(jī)兩種測量方法。

①低壓電機(jī)帶電測溫法

此法適用于頻率50Hz，電壓400以下的~100KW三相異步電動機(jī)和三相同步電機(jī)；特殊電機(jī)如交流換向器電機(jī)除外。被測電機(jī)的繞組必須具有六個(gè)出線端或者具有中性點(diǎn)向外引出的星形接法繞組。

②高壓電機(jī)帶電測溫法

此法適用于測量星形接法或雙星形接法電機(jī)的定子繞組。試驗(yàn)時(shí)，繞組的中心點(diǎn)應(yīng)引出機(jī)外。測量在運(yùn)行時(shí)的三相繞組的并聯(lián)電阻值，將它與實(shí)際冷態(tài)下的三相并聯(lián)電阻相比較，以此確定三相繞組的平均溫升。

無線電測量轉(zhuǎn)子溫度國內(nèi)外對利用無線電測量法來測量電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度已進(jìn)行了不少研究。有的已在現(xiàn)場試驗(yàn)上取得了效果。此法優(yōu)點(diǎn)可以用非接觸方法連續(xù)測定電機(jī)轉(zhuǎn)子某個(gè)部件的溫度變化。

無線電測量的工作原理是利用預(yù)埋在轉(zhuǎn)子中電阻測溫元件的阻值隨著溫度變化的關(guān)系得到電壓信號，再經(jīng)過電壓頻率轉(zhuǎn)換，使其轉(zhuǎn)換為頻率，并通過高頻載波后由無線電發(fā)射器將高頻波發(fā)射出電機(jī)外部。以上這些部件都必須安裝在轉(zhuǎn)子上與轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。在電機(jī)外部裝有無線電接收器及數(shù)字顯示裝置，它將接收到的高頻載波信號進(jìn)行調(diào)諧、高頻放大，檢波變?yōu)榈皖l信號，再經(jīng)過放大、整形，然后輸給計(jì)數(shù)器進(jìn)行數(shù)字顯示。

由于無線電測量裝置必須安裝在轉(zhuǎn)子上，且體積較大，故一般僅在大型電機(jī)上為研究轉(zhuǎn)子有關(guān)部位時(shí)的溫度使用。

紅外測溫

紅外測溫是利用物體表面輻射能對物體的溫度進(jìn)行測量。它也是一種非接觸式測溫裝置。

對測量300oC以下的轉(zhuǎn)子表面溫度，適宜采用部分輻射溫度計(jì)。它通過濾光片及傳感元件僅對物體輻射出來的某一波段范圍發(fā)出的輻射能量進(jìn)行測量。這樣對外來光的干擾也限于這一被測波段，所以受干擾的影響比較小。

溫度指示器

溫度指示器不直接測定電機(jī)溫度，只能以一定的形式反映出電機(jī)某部位表面溫度已經(jīng)達(dá)到了某一數(shù)值。電機(jī)試驗(yàn)所采用的溫度指示器有熱敏顏料和易熔材料兩種。

熱敏材料是一種在不同溫度下能顯示不同顏色的材料。它又可以分為兩種：一種是可逆的，在高溫下它顯示出一定顏色，而冷卻后恢復(fù)到原來的顏色，另一種是不可逆的。電機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)再冷卻后，顏料仍停留在溫升實(shí)驗(yàn)時(shí)的顏色。電機(jī)試驗(yàn)多采用后者。熱敏顏料一般做成粉筆形狀，涂在轉(zhuǎn)子表面，用來觀察表面溫度在溫升試驗(yàn)中是否達(dá)到一定值。這種顏料的特點(diǎn)是可靠性差，因?yàn)轭伾母淖儾粌H取決于溫度，而且取決于受熱的持續(xù)時(shí)間，當(dāng)溫度超過一定限值時(shí)，熱敏筆開始變色，但有時(shí)溫度還沒達(dá)到預(yù)定溫度，而由于持續(xù)時(shí)間較長，熱敏筆同樣也將緩慢地改變顏色，以致造成較大測量誤差。

易熔材料較熱敏顏料的可靠性為高，一般做成鈕扣狀，使用時(shí)將它粘附在被測物的表面，當(dāng)達(dá)到預(yù)定溫度后，它就熔化脫落。用它測量轉(zhuǎn)子溫度時(shí)，應(yīng)選用合適的尺寸以保證在被熔化前不會被轉(zhuǎn)子表面的離心力拋出。易熔材料的熔化溫度隨原材料的配合比例和材料純度而異。

總的說來，以上兩種溫度指示器很少應(yīng)用于電機(jī)的溫度測量上，只是為了粗略估計(jì)轉(zhuǎn)子的表面溫度時(shí)才考慮它們的應(yīng)用。

本章小節(jié)

本章對電機(jī)的常用的概念進(jìn)行了闡述，對目前的各種測溫方法進(jìn)行了比較，為下一步做進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)原理進(jìn)行分析，其中限于當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)條件與電機(jī)生產(chǎn)廠家的要求，我們采用的是電機(jī)表面測溫法。

第3章硬件設(shè)計(jì)

硬件部分是整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞對于系統(tǒng)的功能是否可以實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。除了工作性能以外，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也是工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中要考慮到的一個(gè)重要因素，尤其是在我國當(dāng)前經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的情況下，能夠長期占據(jù)市場的將是那些高性價(jià)比的產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)主要是對時(shí)間、溫度進(jìn)行檢測，以此為核心展開工作。單片機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,工作穩(wěn)定,加上采用成熟的集成電路，使系統(tǒng)幾乎免維護(hù),符合作為檢測的工程要求,充分體現(xiàn)了其小型化、智能化的優(yōu)點(diǎn)?？紤]以上優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心來實(shí)現(xiàn)。

硬件設(shè)計(jì)的原則[32]

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：

系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如ROM、RAM、I/O、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒O(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。

系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機(jī)、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計(jì)合適的接口電路。

系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置應(yīng)遵循以下原則：

盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。

系統(tǒng)擴(kuò)展與外圍設(shè)備的配置水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)余地，以便進(jìn)行二次開發(fā)。

硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，一般響應(yīng)時(shí)間比硬件實(shí)現(xiàn)長，且占用CPU時(shí)間。

系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。如選用CMOS芯片單片機(jī)構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)中所有芯片都應(yīng)盡可能選擇低功耗產(chǎn)品。

可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)必不可少的一部分，它包括芯片、器件選擇、去耦濾波、印刷電路板布線、通道隔離等。

單片機(jī)外圍電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動能力。驅(qū)動能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠，可通過增設(shè)線驅(qū)動器增強(qiáng)驅(qū)動能力或減少芯片功耗來降低總線負(fù)載。

盡量朝“單片”方向設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)器件越多，器件之間相互干擾也越強(qiáng)，功耗也增大，也不可避免地降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著單片機(jī)片內(nèi)集成的功能越來越強(qiáng)，真正的片上系統(tǒng)SoC已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。

單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)部分

將CPU、RAM、ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及輸入/輸出接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件集成在一塊的集成電路芯片為單片微型計(jì)算機(jī)，直譯為單片微機(jī)或單片機(jī)。但現(xiàn)在國際上通用的,更準(zhǔn)確地反映單片機(jī)本質(zhì)的叫法應(yīng)該是微控制器，EEPROM，擴(kuò)展RAM，CAN接口，I2C接口，SPI接口，USB接口。

和OTP相比較，最好是Flash。

4.封裝DIP，PLCC還是貼片。DIP封裝在做實(shí)驗(yàn)時(shí)會更方便一些。

5.工作溫度范圍，工業(yè)級還是商業(yè)級。如果設(shè)計(jì)戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級。

6.功耗，比如設(shè)計(jì)并口加密狗，信號線取電只能提供幾個(gè)mA,用PIC就是因?yàn)榈凸摹?/p>

7.工作電壓范圍。例如設(shè)計(jì)電視機(jī)遙控器，2節(jié)干電池供電，至少應(yīng)該能在~電壓范圍內(nèi)工作。

8.供貨渠道暢通，價(jià)格低。

9.燒錄器價(jià)格低，如果是ICP能否利用現(xiàn)有的燒錄器，如果是表貼封裝，買一個(gè)轉(zhuǎn)接座也很貴，至少得一二百元。能否ISP，一般ISP編程器比較便宜。

10.仿真器價(jià)格。對于FLASH型單片機(jī)，仿真器不是必備的。但是對于OTP型單片機(jī)，必須使用仿真器。

11.單片機(jī)編程環(huán)境方便好用，如keil。

12.網(wǎng)站速度快，資料豐富。包括芯片手冊，應(yīng)用指南，設(shè)計(jì)方案，范例程序。最好有中文，Atmel就非常好。

13.保密性能好。

14.抗干擾性能好。

15.和其他外設(shè)芯片放在一起工作的綜合考慮。

將以上的十幾條進(jìn)行綜合考慮，選定了現(xiàn)在比較流行的AT89S52。AT89S52是美國Atmel公司出品的一款低功耗、高性能的8位CMOS單片機(jī)，片內(nèi)含4kbytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，不再依靠專用的編程工具，改寫單片機(jī)存儲器內(nèi)的程序再也不需要把芯片從電路板上拆下。從引腳上可以看出它的、、比標(biāo)準(zhǔn)的8051多出一樣復(fù)用功能，這三個(gè)引腳就是用來實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程的SPI接口。Atmel公司的功能強(qiáng)大，低價(jià)位的AT89S52單片機(jī)可以提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。

AT89S52提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，看門狗，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89S52可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作，直到下一個(gè)硬件復(fù)位。

AT89S52集成51的內(nèi)核，編寫程序、開發(fā)周期較快，市場價(jià)格約為元,便宜且能滿足我們功能要求。其原理圖如下：

圖原理圖

顯示部分

在現(xiàn)代的一些電子產(chǎn)品和一些開發(fā)系統(tǒng)中,為了進(jìn)行人機(jī)交流,一般都有一個(gè)顯示信息的系統(tǒng)。本系統(tǒng)中，需要顯示當(dāng)前時(shí)間、溫度、故障原因。本系統(tǒng)顯示的信息量很小，所以采用發(fā)光二極管做成的數(shù)碼管做顯示器。它的使用方法簡單，價(jià)格低廉。

數(shù)碼管的分類

對于數(shù)碼管來說一般分為兩種，共陰極與共陽極，但是兩者的使用方法基本是相同的。根據(jù)不同的方面，可將數(shù)碼管進(jìn)行分類[32]：

根據(jù)LED的顯示譯碼方式,可以分為硬件譯碼和軟件譯碼兩種；

根據(jù)LED顯示驅(qū)動連接方式,可以分為靜態(tài)顯示驅(qū)動和動態(tài)顯示驅(qū)動兩種。

根據(jù)數(shù)據(jù)輸入接口方式,可以分為并行輸入和串行輸入兩種。,控制系統(tǒng)可以直接輸出8位并行的數(shù)據(jù),也可以利用串行輸出,再利用外部移位寄存器來實(shí)現(xiàn)串行變并行,最終將8位的數(shù)據(jù)輸出給數(shù)碼管。)

芯片的選擇

為了合理地選擇芯片，我們將常用的芯片的異同點(diǎn)進(jìn)行比較[33]，如表所示

表常用芯片異同點(diǎn)的比較

芯片名稱功能描述數(shù)據(jù)輸入方式可帶數(shù)碼管個(gè)數(shù)能否串接鎖存功能驅(qū)動功能備注

CD4558BBCD-7段并行4位1個(gè)否無無

MC14558BCD-7段并行4位1個(gè)否無無

MC14495二進(jìn)制-7段并行4位1個(gè)否有有能輸出A-F

CD4495二進(jìn)制-7段并行4位1個(gè)否有有能輸出A-F

MC14499BCD-7段并行4位有有

74LS48BCD-7段并行4位1個(gè)否有無

CD4511BCD-7段并行4位1個(gè)否有有

CD4513BCD-7段并行4位1個(gè)否有有增加消隱功能

CD4547BCD-7段并行4位1個(gè)否無有

CD4543BCD-7段并行4位1個(gè)否有無

CD4544BCD-7段并行4位1個(gè)否有無

74LS164無譯碼功能串行1個(gè)能有有

CD4094無譯碼功能串行1個(gè)能有有

MC14489無譯碼功能串行5個(gè)否有有

8279無譯碼功能并行8位16/32個(gè)否是有帶鍵盤,可編程

7279無譯碼功能串行16/32個(gè)否是有帶鍵盤,可編程

7219無譯碼功能串行8個(gè)否是有可編程

ZLG7289無譯碼功能串行8個(gè)否是有帶鍵盤,可編程

經(jīng)過比較，選擇HD7279A芯片。該芯片具有串行接口,可以同時(shí)驅(qū)動8位共陰極數(shù)碼管和連接64鍵的鍵盤矩陣,單片機(jī)可以完成數(shù)碼顯示和鍵盤接口的全部功能,而且該芯片自帶RC電路,無需外接時(shí)鐘,與單片機(jī)的接口電路簡單,只需四條I/O線。圖為HD7279的引腳圖,各個(gè)引腳的說明見下表

表引腳說明

引腳名說明

CS片選輸入端

CLK同步時(shí)鐘輸入端，上升沿有效

DATA串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端

KEY按鍵有效輸出端，電平有效

SG~SA段g~段a驅(qū)動輸出

Dp小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動輸出

DIG0~7數(shù)碼管0~7驅(qū)動輸出

CLKO振蕩輸出

RCRC振蕩器連接端

圖引腳圖

本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用HD7279顯示功能，選擇8位數(shù)碼管，其中4位顯示故障的類型，另4位顯示時(shí)鐘芯片當(dāng)前的時(shí)間或者是當(dāng)前的溫度，這需要根據(jù)是否有按鍵按下來進(jìn)行顯示。即上電的時(shí)候顯示當(dāng)前的溫度，如果按下小鍵盤，則進(jìn)行切換，顯示當(dāng)前的時(shí)間，再按下小鍵盤則顯示當(dāng)前溫度。其原理圖如下：

圖的原理圖

時(shí)間部分

該電機(jī)公司要求對電機(jī)的使用進(jìn)行定時(shí),到試用時(shí)間后自動跳閘,并顯示跳閘的原因?？梢愿鶕?jù)系統(tǒng)的性能要求，從接口方式、功耗、精度和功能幾方面入手選擇時(shí)鐘芯片。

接口方式

串行接口的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片一般尺寸較小、成本較低，但通信速率也較低，實(shí)時(shí)性要求不是很高的情況下可以選用此類芯片。本設(shè)計(jì)對時(shí)間的顯示實(shí)時(shí)性要求不高，所以選用串行接口方式。這類芯片通常包括1-Wire接口、2線、3線、4線、I2C或SPI接口。

并行接口可實(shí)現(xiàn)存儲器的快速訪問并有較大的存儲容量，這類時(shí)鐘芯片適合于那些對成本和尺寸要求不是很苛刻的系統(tǒng)。

功耗要求

電子產(chǎn)品對功耗的要求非常苛刻，尤其是電池供電的設(shè)備。為有效延長電池的使用壽命，實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片追求更低的功耗，工作電流的典型值大都低于μA，最低至μA，最低計(jì)時(shí)工作電壓普遍在以下。

芯片尺寸

除了SOP、TSSOP等封裝形式，一些芯片采用更小的封裝，以節(jié)省電路板空間。

時(shí)鐘精度

為RTC電路提供時(shí)鐘基準(zhǔn)的一般是低成本的石英晶體。由于石英晶體具有機(jī)電敏感性和熱敏感性，其輸出頻率并不穩(wěn)定，在極端條件下會導(dǎo)致系統(tǒng)時(shí)鐘每年走快或走慢長達(dá)100分鐘。在許多對精度要求苛刻的應(yīng)用中，通常需要優(yōu)于±10分鐘/年的精度。為此，很多實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片都內(nèi)置有時(shí)鐘調(diào)整功能，可以在很寬的范圍內(nèi)矯正石英的頻率偏差。

豐富的集成功能

可以參考系統(tǒng)所需的集成功能，例如閏年自動運(yùn)算功能、萬年歷功能、內(nèi)置時(shí)鐘調(diào)整功能和穩(wěn)壓電路等對芯片進(jìn)行選擇。如果RTC芯片集成了豐富的功能，將有效簡化電路設(shè)計(jì)，降低成本。

軟件

雖然硬件電路不是很復(fù)雜，但不同的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片在軟件方面各不相同，選擇時(shí)應(yīng)該給予足夠的重視。

定時(shí)模塊在本次設(shè)計(jì)中很重要，從芯片的選擇，到定時(shí)電路的設(shè)計(jì)，查閱了很多資料，以求達(dá)到定時(shí)準(zhǔn)確，芯片低功耗，上位機(jī)控制方便。

DS1302定時(shí)芯片是美國Dallas公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片；是一個(gè)綜合性能較好且價(jià)格便宜的串行接口實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，它包含一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31字節(jié)的靜態(tài)RAM，它和單片機(jī)通信經(jīng)由一個(gè)簡單的串行接口。實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷提供秒、分、時(shí)、日、周、月、年信息，月末日期自動調(diào)整，包括閏年的修正。時(shí)鐘可工作在24小時(shí)格式或12小時(shí)格式，單片機(jī)與DS1302接口使用同步串行通信，僅需三根線連接。復(fù)位，I/O串行通訊，SCLK串行時(shí)鐘。數(shù)據(jù)傳送從單片機(jī)到實(shí)時(shí)時(shí)鐘/RAM或?qū)崟r(shí)時(shí)鐘/RAM到單片機(jī)，可以每次1字節(jié)或每次31字節(jié)，它可以工作在很低的耗電狀態(tài)以保存時(shí)鐘信息和數(shù)據(jù)，功耗小于1微瓦。

的特征

DS1302的特征如下：

31字節(jié)帶后備電池的RAM用于數(shù)據(jù)存儲；

串行I/O口，引腳數(shù)量少；

寬范圍工作電壓：~；

工作電壓時(shí)，電流小于300nA；

讀/寫時(shí)鐘或RAM數(shù)據(jù)時(shí)有兩種傳送方式：單字節(jié)傳送和突發(fā)模式傳送；

8腳DIP封裝或其它可選封裝；

簡單的3線接口；

與TTL兼容；

可選工業(yè)級溫度范圍：-40oC~+85oC。

DS1302具有一個(gè)可編程的涓流充電器，主電源和備用電源的雙電源引腳，7個(gè)附加字節(jié)的暫存寄存器，包括移位寄存器、控制邏輯、振蕩器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和RAM。原理圖如下：

圖原理圖

測溫部分

一般溫度傳感器有熱敏電阻、RTD、熱電偶等。熱敏電阻長期受歡迎是因?yàn)樗哂蟹浅Ｐ〉男螤钜驍?shù)、低成本和高靈敏度。其不足之處是有限的溫度范圍以及缺乏業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，使得置換困難。熱敏電阻也需要補(bǔ)償電路來克服非線性度。RTD通常用于精度和穩(wěn)定度要求高的場合，但成本是決定因素。熱電偶用于監(jiān)控極值溫度是理想的，但精度和穩(wěn)定度較差，而且必須非常精確地在控制條件下測試[34]。

由于IC技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)人員可用數(shù)字溫度傳感器替代分立溫度傳感器。數(shù)字溫度傳感器具有價(jià)格低、高精度、適用微型封裝、能工作在寬溫度范圍內(nèi)等優(yōu)點(diǎn)。在很多應(yīng)用中，數(shù)字溫度傳感器正開始替代前面所述的傳感器。幾種溫度傳感器的性能比較見表

所示。

表幾種主要溫度傳感器的比較

名稱

特性RTD熱敏電阻熱電偶IC傳感器

常用材料鉑金屬氧化物陶瓷兩種不同的金屬硅

變化參量電阻電阻電壓電壓

成本中等-低中等-低低低

系統(tǒng)成本中等-低中等-低高低

附加電路引線補(bǔ)償線性化參考端無

溫度范圍-200oC~850oC-100oC~500oC-270oC~1800oC-55oC~150oC

交換能力%~%

oC~oC10%，2oC

%，2oC1%，3oC

穩(wěn)定度良好中等差中等

靈敏度%/oC-4%/oC40V/oC10mV/oC

相對靈敏度中最高低中等

線性度良好對數(shù)性/差中等中等

斜率正負(fù)正正

噪聲靈敏度低低高低

相對于模擬傳感器，數(shù)字溫度檢測器完全是自己獨(dú)立完成工作，不需要另外的電路用于信號調(diào)理或線性化。數(shù)字溫度檢測器可以直接連接到微控制器，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間、PCB面積和成本。它們可以靈活地降低電流消耗，這對于電池供電的應(yīng)用特別有用。用戶也可以編程溫度限制值，以供報(bào)警需求。若超過編程限值，可產(chǎn)生中斷，使微控制器進(jìn)行操作。很多IC設(shè)計(jì)系統(tǒng)為了節(jié)省板大小和降低成本，把ADC和DAC集成在單芯片中。

簡介

DS18B20是DALLAS半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器，體積很小，而且電壓適用范圍在3~，封裝形式除有SO/uSO的8PIN貼片式，還有更方便的三極管形式的TO－92封裝。測量溫度范圍為-55°C~+125°C，其A/D轉(zhuǎn)換的分辨率可用程序控制分別為9位、10位、11位和12位，最高分別率可以高達(dá)°C，但在-10~+85°C范圍內(nèi)其精度為±°C。每個(gè)DS18B20出廠時(shí)都有一個(gè)唯一的序列編號，就是說在同一個(gè)單總線系統(tǒng)中可以控制多個(gè)DS18B20。

硬件組成

64位激光ROM。64位激光ROM從高位到低位依次由8位CRC、48位列號和8位家族代碼組成。

溫度靈敏元件。

非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH與TL。可通過軟件寫入用戶報(bào)警上下限值。

配置寄存器。配置寄存器為中間結(jié)果暫存器中的字節(jié)4。配置寄存器可以設(shè)置DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的精度。可以設(shè)置成精度為9位、10位、11位、12位。上電缺省的分辨率為12位精度。用戶可根據(jù)需要改寫配置寄存器以獲得合適的分辨率。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個(gè)中間結(jié)果暫存器和一個(gè)非易失性的電可擦除EEPROM，后者存放高溫度報(bào)警TH、低溫度報(bào)警TL和配置寄存器的值。暫存器包含了8個(gè)連續(xù)字節(jié)，前兩個(gè)字節(jié)是測得的數(shù)字溫度數(shù)值，第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個(gè)字節(jié)是溫度的高八位。第三個(gè)和第四個(gè)字節(jié)是TH、TL，第五個(gè)字節(jié)是配置寄存器，這三個(gè)字節(jié)的值可以保存在電可擦除的只讀存取器中，掉電后數(shù)據(jù)不丟失，上電復(fù)位時(shí)數(shù)據(jù)從EEPROM載入中間結(jié)果暫存器。第

六、

七、八個(gè)字節(jié)內(nèi)部保留。第九個(gè)字節(jié)是循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC字節(jié)。

的供電方式

DS18B20的電源供電方式有兩種：外部供電方式和寄生電源方式。工作于寄生電源方式時(shí)，VDD和GND均接地，它在需要遠(yuǎn)程溫度探測和空間受限的場合特別有用，原理是當(dāng)1-Wire總線的信號線DQ為高電平時(shí)，竊取信號能量給DS18B20供電，同時(shí)一部分能量給內(nèi)部電容充電，當(dāng)DQ為低電平時(shí)釋放能量為DS18B20供電。但寄生電源方式需要強(qiáng)上拉電路，軟件控制變得復(fù)雜，同時(shí)芯片的性能也有所降低。因此，在條件允許的場合，盡量采用外供電方式。DS18B20與單片機(jī)連接的原理圖：

圖與單片機(jī)連接的原理圖

通訊部分

電平轉(zhuǎn)換

為保證數(shù)據(jù)可靠傳送，RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定發(fā)送數(shù)據(jù)線TXD和接收數(shù)據(jù)線RXD均采用EIA電平，即傳送數(shù)字“0”時(shí)，傳輸線上的電平在-3~-15V之間；傳送數(shù)字“1”時(shí)，傳輸線上的電平在+3~+15V之間。但單片機(jī)串行口采用正邏輯的TTL電平，這樣就存在TTL電平與EIA電平之間的轉(zhuǎn)換問題，例如當(dāng)單片機(jī)與PC機(jī)進(jìn)行串行通信時(shí)，PC機(jī)COM1或COM2口發(fā)送引腳TXD信號是EIA電平，不能直接與單片機(jī)串行口接收端RXD引腳相連；同樣單片機(jī)串行口發(fā)送端TXD引腳輸出信號采用正邏輯的TTL電平，也不能直接與PC機(jī)串行口COM1或COM2的RXD端相連。

RS-232C與TTL之間電平轉(zhuǎn)換芯片主要有傳輸線發(fā)送器MC1488、傳輸線接收器MC1489以及MAX232系列RS232電平轉(zhuǎn)換專用芯片。

其中傳輸線發(fā)送器MC1488含有4個(gè)門電路發(fā)送器，TTL電平輸入，EIA電平輸出；而傳輸線接收器MC1489也含有4個(gè)接收器，EIA電平輸入，TTL電平輸出，但由MC1488和MC1489構(gòu)成的EIA與TTL電平轉(zhuǎn)換器需要±12V雙電源，而單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中一般只有+5V電源，如果僅為了實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換增加±12V電源，體積大、成本高。而MAX232系列芯片集成度高，單+5V電源工作，只需外接5個(gè)容量為~1μF的小電容即可完成兩路RS-232與TTL電平之間轉(zhuǎn)換，是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片。

系統(tǒng)通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)系統(tǒng)、定時(shí)芯片的控制，MAX232通訊模塊實(shí)現(xiàn)了這一功能。上位機(jī)通過VB界面以及VB中控件組成上位機(jī)控制界面，與單片機(jī)系統(tǒng)中MAX232模塊一起完成總體通訊、控制功能。

芯片介紹

MAX232產(chǎn)品是由德州儀器公司推出的一款兼容RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片。該器件包含2個(gè)驅(qū)動器、2個(gè)接收器和一個(gè)電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。

該器件符合TIA/EIA-232-F標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5VTTL/CMOS電平。每一個(gè)發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-F電平。圖引腳圖

RS-232C串行接口標(biāo)準(zhǔn)主信道重要信號含義：

TXD：串行數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，輸出。

RXD：串行數(shù)據(jù)接收引腳，輸入。

DSR：數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備就緒信號，輸入，主要用于接收聯(lián)絡(luò)。當(dāng)DSR信號有效時(shí)，表明本地的數(shù)據(jù)設(shè)備處于就緒狀態(tài)。

DTR：數(shù)據(jù)終端就緒信號，輸出。用于DTE向DCE發(fā)送聯(lián)絡(luò)，當(dāng)DTR有效時(shí)，表示DTE可以接收來自DCE的數(shù)據(jù)。

RTS:發(fā)送請求，輸出。當(dāng)DTE需要向DCE發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，向接收方輸出RTS信號。

CTS：發(fā)送允許或清除發(fā)送，輸入。作為“清除發(fā)送”信號使用時(shí)，由DCE輸出，當(dāng)CTS有效時(shí)，DTE將終止發(fā)送；而作為“允許發(fā)送”信號使用時(shí)，情況剛好相反：當(dāng)接收方接收到RTS信號后進(jìn)入接收狀態(tài)，就緒后向請求發(fā)送方回送CTS信號，發(fā)送方檢測到CTS有效后，啟動發(fā)送過程。

圖通訊原理圖

報(bào)警部分

執(zhí)行機(jī)構(gòu)為繼電器，繼電器帶固態(tài)繼電器，設(shè)計(jì)時(shí)考慮單片機(jī)使用的5V電源,所以，繼電器我們也用5V控制比較方便，固態(tài)繼電器的控制線圈100mA便可以驅(qū)動，在設(shè)計(jì)時(shí)選擇5v、100mA的繼電器。固態(tài)繼電器選擇380VAC、150A電流輸出。這樣就可以有效的切斷主回路的電流。同時(shí)，我們可以提供采用蜂鳴器和二極管實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，如果該系統(tǒng)出現(xiàn)故障，進(jìn)行相應(yīng)的動作。原理圖如下：

圖報(bào)警原理圖

電源部分[35]

目前市場上各式各樣的模塊電源、開關(guān)電源產(chǎn)品很多，可根據(jù)以下原則對電源模塊進(jìn)行選擇。

1.掌握所需電源的一般性參數(shù)，在設(shè)計(jì)過程中，電壓、電流以及必要的一些輔助功能。電壓、電流是最基本的兩個(gè)參數(shù)，例如電源是給主板CPU供電，需要5伏電壓，電流需要根據(jù)系統(tǒng)功耗計(jì)算得知，如5A，那么我們在實(shí)際購買中是不是就選擇5V/5A的電源呢？我們在設(shè)計(jì)時(shí)都會有一定的降額設(shè)計(jì)，一般我們選擇略微比實(shí)際使用功率高20%，這樣電源工作效果比較好,可靠穩(wěn)定,系統(tǒng)輕微的過載也無關(guān)緊要。即：在選擇功率時(shí)一般要比實(shí)際使用功率大于20%即可。

2.外形尺寸，根據(jù)設(shè)備的空間來選擇合適的電源，一般我們要求越小越好，但是體積小、價(jià)格高，而且發(fā)熱大，所以不要盲目追求小體積。

3.溫度，確定電源使用的環(huán)境溫度，選擇適合的電源模塊。模塊電源廠家一般給出的溫度是電源模塊的殼溫，如-25oC~+85oC，那么85oC表示電源外殼溫度最高可以達(dá)到85oC，如果超過85oC，電源就可能進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)或損壞。在選擇電源時(shí)一定要考慮自身的環(huán)境溫度和電源的工作效率，效率高溫升就低，反之效率低溫升就高。

4.安裝方式，模塊電源有兩種封裝形式，一種是引針式，一種是端子式。引針式可以直接焊在PCB印制線路板上，選擇這種電源時(shí)應(yīng)盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，這種形式電源如需散熱，可配裝散熱器。端子式是用接線端子連接電源輸出和用電設(shè)備，電源可直接固定于設(shè)備的外殼上，并借助外殼散熱。

5.電壓精度，也就是電壓的穩(wěn)定度。一般廠家所給出的電壓精度為1%上下，是表示單路輸出的情況，如果有兩路或三路輸出，只表示主路的電壓精度，副路電壓精度要低，我公司生產(chǎn)的多路產(chǎn)品副路的電壓精度一般為3%范圍。如果多路輸出電壓中，每路電壓精度都要求比較高，那不能選擇這樣的電源，而需要選擇每路獨(dú)立穩(wěn)壓的電源，各路電壓精度都比較高。

6.可靠性，可靠性的指標(biāo)用平均無故障時(shí)間MTBF來表示。

7.輸入電壓的范圍。

綜合以上，我選擇了捷力達(dá)電源模塊JME%-A2S05，可以將220V交流電轉(zhuǎn)換為5V直流電，但體積較大。市場價(jià)格在四十元左右，代替了傳統(tǒng)的變壓器，可以裝到PCB板上。220V交流電可以由三相電中的任一相與地線相連來提供。本實(shí)驗(yàn)中所使用的電源模塊的原理圖：

圖電源原理圖

下載線

AT89S52單片機(jī)增加了在線編程功能，其硬件實(shí)現(xiàn)也非常簡單。DB25針接頭，一片74HC373。6個(gè)插針分別接ISP電源、單片機(jī)、、、ISPRST、ISP地線。在單片機(jī)系統(tǒng)中留出上述6個(gè)插頭，制作好下載線可以隨時(shí)修改程序，當(dāng)然也可以在線編輯程序，在沒有仿真器的情況下，大大提高了我們的工作效率，為我們編寫調(diào)試程序提供了很大的方便。ISP下載線的原理圖如下：

圖下載線的原理圖

本章小節(jié)

本章中，通過對資料的詳細(xì)了解，根據(jù)相關(guān)的原則對硬件進(jìn)行了選擇。本系統(tǒng)的完整硬件如下：以AT89S52單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸，結(jié)合定時(shí)芯片DS1302進(jìn)行定時(shí)控制，顯示芯片HD7279顯示當(dāng)前時(shí)間，當(dāng)前溫度及跳閘原因等,選用串行通信總線接口RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口，來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)雙向通信的功能，通過上位機(jī)發(fā)送定時(shí)時(shí)間和報(bào)警時(shí)間。

第4章軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的原則

通常軟件設(shè)計(jì)先畫程序流程圖，然后根據(jù)流程圖編寫程序。常用的設(shè)計(jì)技術(shù)有三種：

一、模塊法：把一個(gè)長的程序分成若干較小程序模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，然后再把各個(gè)模塊連接起來。此方法便于編程、糾錯(cuò)、調(diào)試。

二、自頂向下法：概括的說，就是從整體到局部，最后到細(xì)節(jié)。

三、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì):各程序模塊可分別設(shè)計(jì)，一個(gè)模塊只有一個(gè)入口，一個(gè)出口，然后用最小接口組合起來。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的程序其執(zhí)行速度較慢，占用存儲器較多。

主程序流程

本系統(tǒng)中主程序中，電機(jī)測溫是完成其功能的核心。首先進(jìn)行初始化，完成自檢后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集過程，進(jìn)行溫度采集與設(shè)定值相比較，若達(dá)到設(shè)定值則單片機(jī)輸出結(jié)果并跳閘顯示，否則進(jìn)入下一輪采樣。顯示功能應(yīng)該實(shí)時(shí)進(jìn)行，利用掃描的方式寫。而那些出現(xiàn)頻率不高的程序，如上位機(jī)通訊，應(yīng)該利用中斷方式編寫。另外系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等應(yīng)該運(yùn)行一次,不能寫入循環(huán)程序。具體的流程如圖所示：

圖主程序流程

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中采用模塊化進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。主要有鍵盤顯示模塊、報(bào)警模塊、溫度模塊、通信模塊，采用模塊法編寫的程序易讀易懂，結(jié)構(gòu)清晰，模塊法能更有利于程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試。下位機(jī)程序主要完成以下幾個(gè)任務(wù):鍵盤顯示、越限報(bào)警、溫度顯示、上位機(jī)通信等，采用C語言編程。

KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。

KeilC51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到KeilC51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。

使用KeilC51編輯以及調(diào)試程序非常簡便，與WINDOWS下的應(yīng)用軟件一樣。KeilC51可直接生成.HEX文件，可直接通過ISP下載線燒寫到單片機(jī)內(nèi)。

鍵盤程序

鍵盤子程序主要完成當(dāng)前時(shí)間、溫度及故障類型的顯示。系統(tǒng)正常工作時(shí)，LED循環(huán)顯示當(dāng)前的時(shí)間和當(dāng)前的溫度。按任意鍵可以實(shí)現(xiàn)溫度與時(shí)間的切換。當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，LED顯示出故障類型。

本系統(tǒng)的鍵盤顯示部分摒棄了傳統(tǒng)的串行移位寄存器驅(qū)動方式，采用專用的集成芯片HD7279a，它是一片具有串行接口的可同時(shí)驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管的智能顯示驅(qū)動芯片,該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣,單片即可完成LED顯示鍵盤接口的全部功能。

時(shí)序圖分析

HD7279芯片輸入輸出方式為串行，編程時(shí)數(shù)據(jù)的寫入讀出按照其時(shí)序圖編寫，在片選使能后，在CLK管腳的下降沿寫入讀出數(shù)據(jù)，具體的時(shí)序圖如圖所示：

圖純指令時(shí)序圖

HD7279芯片有兩種寫入指令，即純指令、帶數(shù)據(jù)的指令。純指令占一個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)也是占一個(gè)字節(jié)，帶數(shù)據(jù)指令可以分開兩次寫入，先寫指令，再寫數(shù)據(jù)，這樣只要寫好一個(gè)字節(jié)的發(fā)送時(shí)序，多個(gè)字節(jié)的發(fā)送只要調(diào)用單字節(jié)發(fā)送字函數(shù)就可以了。如圖所示：

圖帶指令時(shí)序圖

讀鍵盤時(shí)序如圖所示：

圖讀鍵盤指令時(shí)序圖

鍵盤顯示子程序流程

由于HD7279芯片內(nèi)部有自動掃描功能，因此不需要單片機(jī)提供掃描，只是在要改寫顯示的時(shí)候才重寫入一次；HD7279內(nèi)部自帶鍵盤去抖程序，也不需要軟件去抖，當(dāng)有穩(wěn)定的按鍵按下后，在KEY管腳處出現(xiàn)低電平，硬件上將KEY管腳接在了外部中斷上，因此利用中斷方式處理鍵盤就可以了。流程圖如圖所示：

圖鍵盤顯示流程

時(shí)鐘程序

時(shí)鐘芯片選用的是DS1302，該芯片配合外部專用晶振就可以運(yùn)行，該芯片有兩個(gè)電源管腳，工作電源和備用電源，該芯片為低功耗芯片，根據(jù)客戶的需要,只使用紐扣電池供電，只要可以提供三個(gè)月的使用即可。紐扣電池的一般容量為140~150mAH,而DS1302在電壓為時(shí),電流僅為300nA,所以足夠滿足用戶的需要。電動機(jī)保護(hù)器斷電時(shí)可以進(jìn)行掉電保護(hù)。由于內(nèi)部寄存器具有掉電保護(hù)功能，因此編寫程序時(shí),利用7個(gè)字節(jié)來保存設(shè)定的到期時(shí)間的數(shù)據(jù)，再利用另外的RAM保存溫度的門限值和密碼。這樣當(dāng)保護(hù)器掉電時(shí)DS1302芯片由紐扣電池供電，保存數(shù)據(jù),當(dāng)電機(jī)和電機(jī)保護(hù)器斷電時(shí),設(shè)定的數(shù)據(jù)不會丟失，保證了本系統(tǒng)的安全性。本設(shè)計(jì)中時(shí)間寄存器和內(nèi)部寄存器的修改用串行通訊,利用VB界面來實(shí)現(xiàn)。

時(shí)鐘芯片的時(shí)序分析

DS1302芯片接口方式為同步串行，讀寫時(shí)應(yīng)該把片選管腳拉高，在時(shí)鐘CLK管腳的下降延讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)。該芯片的數(shù)據(jù)傳輸方式有時(shí)鐘單字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸方式、時(shí)鐘多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸方式、寄存器單字節(jié)傳輸方式、寄存器多字節(jié)傳輸方式。而這些傳輸方式都可以分解為單字節(jié)傳送方式，因此只要底層的單字節(jié)輸入輸出子函數(shù)按照圖的時(shí)序圖寫好后，其它的函數(shù)調(diào)用此函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)。

圖數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖

時(shí)鐘芯片控制指令

讀出或?qū)懭隓S1302芯片數(shù)據(jù)時(shí)，首先要向數(shù)據(jù)口發(fā)送1個(gè)字節(jié)的命令字，該命令字的格式如表所示，最高位為引導(dǎo)位，應(yīng)該寫入1，第6位為選擇時(shí)鐘寄存器還是內(nèi)部寄存器的選擇位，1是內(nèi)部寄存器，0是時(shí)鐘寄存器，A5-A0是寄存器的地址位，第0位控制操作為讀或?qū)憽?/p>

表命令字格式

76543210

1RAMA4A3A2A1A0RD

時(shí)鐘芯片子程序流程

時(shí)鐘寄存器為多字節(jié)寄存器，各個(gè)寄存器地址按照順序排列，因此應(yīng)該采用循環(huán)的方式編寫。每寫入或讀出一位寄存器時(shí)，首先寫入地址，然后寫入或讀出該地址的數(shù)據(jù)，每接收或發(fā)送一個(gè)字節(jié)調(diào)用一次接收或發(fā)送子程序。這樣多個(gè)連續(xù)地址的寄存器便可以被連續(xù)的操作。該流程圖如圖所示：

圖時(shí)鐘多字節(jié)操作流程

測溫程序

的操作順序

為了保證數(shù)據(jù)可靠地傳輸，任一時(shí)刻1-Wire總線上只能有一個(gè)控制信號或數(shù)據(jù)。進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)應(yīng)符合1-Wire總線協(xié)議，訪問DS18B20的操作順序遵循以下三步:

第一步：初始化

第二步：ROM命令

第三步：DS18B20功能命令

初始化

基于1-Wire總線上的所有傳輸過程都是以初始化開始的，主機(jī)發(fā)出復(fù)位脈沖，從機(jī)響應(yīng)應(yīng)答脈沖。應(yīng)答脈沖使主機(jī)知道，總線上有從機(jī)設(shè)備，且準(zhǔn)備就緒。

ROM命令

在主機(jī)檢測到應(yīng)答脈沖后，就可以發(fā)出ROM命令。這些命令與各個(gè)從機(jī)設(shè)備的唯一64位ROM代碼相關(guān)，允許主機(jī)在1-Wire總線上連接多個(gè)從機(jī)設(shè)備時(shí)，指定操作某個(gè)從機(jī)設(shè)備。這些命令還允許主機(jī)能夠檢測到總線上有多少個(gè)從機(jī)設(shè)備以及其設(shè)備類型，或者有沒有設(shè)備處于報(bào)警狀態(tài)。共有5種ROM命令，它們分別是：讀ROM、搜索ROM、匹配ROM、跳過ROM、報(bào)警搜索。對于只有一個(gè)溫度傳感器的單點(diǎn)系統(tǒng)，跳過ROM命令特別有用，AT89S52不必發(fā)送64比特序列號，從而節(jié)約了大量時(shí)間。對于1-Wire總線的多點(diǎn)系統(tǒng)，通常先把每一個(gè)溫度傳感器DS18B20的64比特序列號測出，要訪問某一個(gè)從屬節(jié)點(diǎn)時(shí)，發(fā)送匹配ROM命令，然后發(fā)送64比特序列號，這時(shí)可以對指定的從屬節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作。

DS18B20功能命令

在主機(jī)發(fā)出ROM命令，以訪問某個(gè)指定的DS18B20后，接著就可以發(fā)出DS18B20支持的某個(gè)功能命令。這些命令允許主機(jī)寫入或讀出DS18B20暫存器、啟動溫度轉(zhuǎn)換以及判斷從機(jī)的供電方式。DS18B20的功能命令有：溫度轉(zhuǎn)換、寫暫存器、讀暫存器、拷貝暫存器、恢復(fù)EEPROM、讀取電源供電方式。AT89S52發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，DS18B20采集溫度并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，結(jié)果保存在暫存器的字節(jié)0和字節(jié)1。寫暫存器命令，AT89S52把三個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)按照從LSB到MSB的順序?qū)懭氲綍捍嫫鞯腡H、TL和配置寄存器中?？截悤捍嫫髅顚捍嫫髦蠺H、TL和配置寄存器的值保存到E2PROM中。讀暫存器命令將讀取暫存器中9個(gè)字節(jié)的數(shù)值，其中最后一個(gè)字節(jié)是循環(huán)冗余圖初始化時(shí)序圖

校驗(yàn)CRC，用于檢驗(yàn)讀取數(shù)據(jù)的有效性。

總線信號時(shí)序

所有的1-Wire總線器件要求采用嚴(yán)格的信號時(shí)序，以保證數(shù)據(jù)的完整性。DS18B20共有6種信號類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1。所有這些信號，除了應(yīng)答脈沖以外，都由主機(jī)發(fā)出同步信號。并且發(fā)送所有的命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的低位在前。

復(fù)位脈沖和應(yīng)答脈沖

1-Wire總線上的所有通信都是以初始化序列開始。AT89S52輸出低電平，保持低電平時(shí)間至少480s，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖。接著，AT89S52釋放總線，上拉電阻將1-Wire總線拉高，延時(shí)15~60s，并進(jìn)入接收模式。接著DS18B20拉低總線60~240s，以產(chǎn)生低電平應(yīng)答脈沖，若為低電平，再延時(shí)480s。

寫時(shí)隙

寫時(shí)隙包括寫0時(shí)隙和寫1時(shí)隙。所有寫時(shí)隙至少需要60s，且在兩次獨(dú)立的寫時(shí)隙之間至少需要1s的恢復(fù)時(shí)間，兩種寫時(shí)隙均起始于AT89S52拉低總線。寫1時(shí)隙：AT89S52輸出低電平，延時(shí)2s，然后釋放總線，延時(shí)60s。寫0時(shí)隙：AT89S52輸出低電平，延時(shí)60s，然后圖寫時(shí)序

釋放總線，延時(shí)2s。

讀時(shí)隙

1-Wire總線器件僅在主機(jī)發(fā)出讀時(shí)隙時(shí)，才向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。所以，在主機(jī)發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時(shí)隙，以便從機(jī)能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有讀時(shí)隙至少需要60s，且在兩次獨(dú)立的讀時(shí)隙之間至少需要1s的恢復(fù)時(shí)間。每個(gè)讀時(shí)隙都由主機(jī)發(fā)起，至少拉低總線1s。主機(jī)在讀圖讀時(shí)序

時(shí)隙期間必須釋放總線，并且在時(shí)隙起始后的15s

之內(nèi)采樣總線狀態(tài)。典型的讀時(shí)隙過程為：AT89S52輸出低電平延時(shí)2s，然后AT89S52轉(zhuǎn)入輸入模式延時(shí)12s，然后讀取1-Wire總線當(dāng)前的電平，然后延時(shí)50s。

智能保護(hù)器的測溫流程如圖所示：

圖測溫流程圖

串行通訊程序

MCS51單片機(jī)的串口是一個(gè)全雙工接收緩沖式的串行通訊接口，可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，它可以作UART用，也可以作同步移位寄存器用。串行口緩沖器SBUF是可直接尋址的特殊功能寄存器。在物理上，數(shù)據(jù)接收寄存器和數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器的地址都是99H，這兩個(gè)寄存器都用符號SBUF來表示。實(shí)現(xiàn)串行通訊首先要初始化串口波特率，設(shè)置串口的工作方式。

工作時(shí)序分析

單片機(jī)的串口有四種工作方式，在本系統(tǒng)中利用發(fā)送和接收8位2進(jìn)制數(shù)據(jù)，選擇串行口的工作方式1，即8位異步通訊接口方式，一幀信息由10位組成。方式1的波特率可變，由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1的溢出波特率以及SMOD決定，且發(fā)送波特率可以不同。該工作模式為異步傳輸，異步傳輸?shù)奶攸c(diǎn)是數(shù)據(jù)在線路上的傳輸不連續(xù)。傳送時(shí)，數(shù)據(jù)是以一個(gè)字節(jié)為單位進(jìn)行傳送的。它用一個(gè)起始位表示字符的開始，用停止位表示字符的結(jié)束。根據(jù)異步串口的特性，本系統(tǒng)采用中斷的方式編寫串行通訊子程序。其工作的時(shí)序圖如圖所示：

圖串行通訊時(shí)序圖

串行通訊控制命令

異步串行口的工作方式由SCON寄存器控制，配置SM0、SM1為10，則串口工作于方式1。本系統(tǒng)的通訊部分在主程序中是以中斷的方式編寫的，因此使能IE中斷控制寄存器中的ES位。異步串口需要有一個(gè)時(shí)鐘作為串行通訊的時(shí)鐘，即波特率。在本設(shè)計(jì)中以定時(shí)器1作為波特率發(fā)生器，配置TMOD控制寄存器，設(shè)置定時(shí)器1工作于方式2，即自動重裝方式，而且定時(shí)器溢出不產(chǎn)生中斷，這樣再配合波特率倍增PCON寄存器，就可以連續(xù)的為串口提供穩(wěn)定的波特率。

表串口程序相關(guān)的控制寄存器

SCONSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI

PCONSMOD------GF1GF0PDIDL

TMODGATEC/TM1M0GATEC/TM1M0

TCONTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IE1

IEEA--ET2ESETEX1ET0EX0

串行通訊流程圖

在本系統(tǒng)中，主要利用和上位機(jī)的串行通訊來實(shí)現(xiàn)對門限溫度、時(shí)鐘參數(shù)的設(shè)置，上位機(jī)發(fā)的數(shù)據(jù)格式為8位的2進(jìn)制數(shù)，因此在編程時(shí)，每次傳輸都以一個(gè)字節(jié)為最小單位。接收到的第一個(gè)字節(jié)作為命令字，這時(shí)根據(jù)此命令字所定義的功能來判斷以下工作。如果命令是修改時(shí)間寄存器，則連續(xù)接收7個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，調(diào)用修改時(shí)間寄存器函數(shù)；如果命令是修改定時(shí)的內(nèi)部寄存器，也連續(xù)接收7個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，調(diào)用修改DS1302內(nèi)部寄存器的功能函數(shù)；如果是修改門限溫度，則接收一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，修改門限對應(yīng)的寄存器。在傳輸過程中上位機(jī)的數(shù)據(jù)格式要與下位機(jī)配合使用，這樣才能實(shí)現(xiàn)通訊。

串行接收流程傳送發(fā)送流程轉(zhuǎn)載請注明來源:畢業(yè)論文需要其他論文可去論文范文查找。查看本站未公布的論文

圖串行通訊流程圖

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

界面的設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用普通PC機(jī)為監(jiān)控主機(jī)，通信軟件在中文WindowXP環(huán)境下用專業(yè)版軟件上開發(fā)。Windows是大多數(shù)PC機(jī)用戶所選擇的圖形用戶界面，而VisualBasic的“可視性”及“面向事件”的特征使得基于Windows環(huán)境的通信軟件的開發(fā)更加簡單。溫度上限與定時(shí)時(shí)間是通過VB界面設(shè)定。

VB軟件為可視化的面向?qū)ο缶幊?，本設(shè)計(jì)中只操作了串口控件，利用VisualBasic與單片機(jī)通訊時(shí)，本設(shè)計(jì)所使用的波特率是9600bps。不進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，數(shù)據(jù)是8位,停止位是1位。MSComm控件的Setting屬性的設(shè)置為“9600，n，8，1”。當(dāng)單片機(jī)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，接收時(shí)，VisualBasic可以將MSComm的InputMode屬性設(shè)置為ComInputMode為Binary方式。當(dāng)利用VisualBasic向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，如果是一組十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)，可以將這組數(shù)據(jù)設(shè)置為Byte型數(shù)據(jù)。這樣在單片機(jī)一方接收的數(shù)據(jù)就是一組十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)，不然，單片機(jī)接收到的是一組ASCII碼，而且當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)大于128位時(shí)，單片機(jī)就會接收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。

在設(shè)計(jì)過程中引用了控件，該控件的屬性介紹如下：

通訊控件屬性分析

CommPort屬性

CommPort屬性用于設(shè)置或返回通信連接端口號碼。程序必須指定所要使用的串行端口的號碼，Windows系統(tǒng)會通過所設(shè)置的通信端口與外界通信

Setting屬性

Setting屬性用于設(shè)置初始化參數(shù)。以字符串的形式設(shè)置或返回聯(lián)機(jī)速率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、停止位等四個(gè)參數(shù)。其格式為：“BBBB,P,D,S”其中BBBB表示聯(lián)機(jī)速率，P表示奇偶校驗(yàn)位檢查方式，D表示數(shù)據(jù)位，S表示停止位。默認(rèn)值是“9600，N，8，1”，它表示所使用的通信端口是以每秒9600位的速率進(jìn)行傳輸，不進(jìn)行奇偶校驗(yàn)位的檢查，每個(gè)數(shù)據(jù)位是8個(gè)位，而停止位是1個(gè)位。而這四項(xiàng)必須是按照順序，不可前后對調(diào)；其中的字母可以是大寫或小寫。聯(lián)機(jī)的速率為110bps,300bps,600bps,1200bps,2400bsp,9600bps等。Setting設(shè)置完成以后，所傳輸及接收的字符串便以此設(shè)置為準(zhǔn)，通信雙方，Setting設(shè)置必須完全一樣，彼此才能順利的通信，否則雙方將無法正確的接收到彼此所傳輸?shù)男盘枴?/p>

PortOVIpen屬性

PortOpen屬性用于設(shè)置或返回連接端口的狀態(tài)。使用串行端口之前必須先將要使用的端口打開，而在使用完畢之后，也必須執(zhí)行關(guān)閉操作。串行通信端口各項(xiàng)功能都是在PortOpen的True與False之間完成。

Input屬性

Input屬性用于從輸入緩沖區(qū)返回并刪除字符。程序靠這個(gè)命令將對方傳到輸入緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀進(jìn)程序中，并清除緩沖區(qū)中以被讀取的數(shù)據(jù)。

Output屬性

Output屬性用于將要發(fā)送的數(shù)據(jù)輸入傳輸緩沖區(qū)。當(dāng)程序需要傳輸字符串到對方時(shí)，可以將字符串使用此命令輸入輸出緩沖區(qū)中，一般的數(shù)據(jù)均是在送達(dá)輸出緩沖區(qū)后隨即被送出，當(dāng)MSComm控件設(shè)置有發(fā)送閥值屬性時(shí)，則就會生成事件。

InputLen屬性

InputLen屬性用于指定由串行端口讀入的字符串長度或字節(jié)數(shù)。VisualBasic程序可使用Input命令將存放在輸入緩沖區(qū)的字符讀入，但要指定讀入的字符長度則需要設(shè)置本屬性。若指定讀取的單位是字節(jié)，則是讀入字節(jié)的個(gè)數(shù)。

HandShaking屬性

HandShaking屬性用于指定通信雙方的握手協(xié)議。所謂“握手協(xié)議”也就是就是流量管制。握手協(xié)議只有在緩沖區(qū)沒有超速的情況下，才能保證數(shù)據(jù)不被遺失。而緩沖區(qū)超速是指數(shù)據(jù)到達(dá)端口的速度太快，以至于通信裝置來不及將數(shù)據(jù)移到接收緩沖區(qū)。握手協(xié)議所要進(jìn)行的是數(shù)據(jù)傳輸速度的控制，因此也被稱為“流量控制”；簡單的說，當(dāng)雙方傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，如果一方送出的數(shù)據(jù)的速度快于另一方所能處理的速度時(shí)，接收的一方要求發(fā)送的一方暫停送出數(shù)據(jù)，待接收的一方處理完數(shù)據(jù)之后，再通知發(fā)送方繼續(xù)發(fā)送未傳完的數(shù)據(jù)。

InBufferCount屬性

InBufferCount屬性用于返回在接收緩沖區(qū)的字符數(shù)。該屬性在設(shè)計(jì)階段無法使用InBufferCount是指已接收的，并在緩沖區(qū)中等待讀取的字符數(shù)。

InputMode屬性

InputMode屬性用于設(shè)置或返回Input屬性取回的數(shù)據(jù)類型。

最后，VB運(yùn)行的界面如下:

圖運(yùn)行界面

程序燒寫軟件

軟件可以方便的對單片機(jī)進(jìn)行操作，可以實(shí)現(xiàn)程序的燒寫工作。

的特性

支持.HEX文件；

用戶自己可以擴(kuò)充器件；

重載的文件對話框，方便查找文件；

熱鍵支持，調(diào)試程序效率高；

靈活的程序設(shè)計(jì)，可以讓整套軟件在其它編程器硬件上運(yùn)行；

支持多種下載線，有更多的選擇；

設(shè)計(jì)了串行通訊超時(shí)程序，減少掉線現(xiàn)象。

的使用

點(diǎn)擊下載軟件，進(jìn)入下載程序的界面，按順序檢測通信、檢測器件，如果無錯(cuò)誤提示，表示下載系統(tǒng)硬件連接正常。

圖下載程序界面

下載系統(tǒng)硬件連接正常后，可以進(jìn)行程序下載。首先點(diǎn)擊“打開文件”選項(xiàng)，打開需要下載的文件；其次點(diǎn)擊“擦除器件”選項(xiàng)，將AT89S52芯片清空；然后點(diǎn)擊“寫器件”，將程序?qū)懭階T89S52芯片；最后點(diǎn)擊“校驗(yàn)數(shù)據(jù)”選項(xiàng)，如果系統(tǒng)如圖提示“0個(gè)單元不對”則表示下載正常，下載工作完成。

可以使用上面的過程完成程序下載工作，也可以使用“自動完成”選項(xiàng)，“自動完成”選項(xiàng)可以一次性對芯片進(jìn)行“擦除器件”、“寫器件”“校驗(yàn)數(shù)據(jù)”。

圖程序下載完成界面

本章小結(jié)

在所做的硬件基礎(chǔ)上，進(jìn)行軟件編寫調(diào)試，是一個(gè)比較麻煩的過程，通過keilc進(jìn)行編程，用VB作為上位機(jī)界面，用對程序進(jìn)行燒寫，大大加快了進(jìn)程。

第5章實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

電機(jī)的硬件與軟件協(xié)調(diào)成功后，現(xiàn)在已經(jīng)能正常讀取溫度數(shù)與顯示時(shí)間，而且在設(shè)定時(shí)間到時(shí)后，繼電器可以動作，實(shí)現(xiàn)時(shí)間保護(hù)功能?，F(xiàn)在進(jìn)行試驗(yàn)，對電機(jī)進(jìn)行測溫。

電機(jī)表面溫度的測試

本實(shí)驗(yàn)所選取電機(jī)的規(guī)格為：

型號：JO3-029-4額定：連續(xù)

功率：接法：Y

電壓：220/380V絕緣等級：E級

電流：溫升：75oC

轉(zhuǎn)速：1370轉(zhuǎn)/分重量：17KG

周率：50Hz

溫度計(jì)的放置如下圖所示：

圖電機(jī)溫度計(jì)放置示意圖

實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該注意的事項(xiàng)：

實(shí)際上電機(jī)只要在一個(gè)小時(shí)內(nèi)其溫升變化不超過1oC時(shí)，即可以認(rèn)為是穩(wěn)定的溫升狀態(tài)。此時(shí)對電機(jī)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄采集。連續(xù)定額的電機(jī)，試驗(yàn)如果從冷態(tài)開始，升溫時(shí)間比較長。小型、高速、防護(hù)式電機(jī)至少要~3個(gè)小時(shí)，大型、低速或封閉式電機(jī)則更長，甚至5小時(shí)以上。所以如果為了縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，開始可讓電機(jī)~倍額定負(fù)載下過載運(yùn)行一段時(shí)間，或有意減少冷卻空氣量，直到繞組溫升接近預(yù)計(jì)穩(wěn)定溫升75%止。

試驗(yàn)中有時(shí)要觀察電機(jī)通風(fēng)情況，