SF6斷路器微水在線監(jiān)測儀系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計說明書

./WORD格式整理版摘要SF6斷路器微水在線監(jiān)測儀以PIC16F877單片機作為處理器,來實現(xiàn)實時監(jiān)測SF6氣體的溫度、濕度及壓力,從而得知斷路器的運行狀態(tài)。對由于SF6氣體本身原因引起的絕緣故障做出有效應(yīng)對,進而保證電網(wǎng)的運行安全。本次設(shè)計的SF6斷路器微水在線監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理為：將濕度、溫度、壓力傳感器通過連接器件連接到SF6氣室,測量氣室內(nèi)SF6氣體的濕度、溫度、壓力。所測模擬量送入PIC16F877單片機,通過A/D轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)分析,實施數(shù)據(jù)越限報警,并用LCD顯示溫度、壓力以及濕度。下位機與上位機的通訊遵循MODBUS通訊協(xié)議,生成標(biāo)準(zhǔn)通信數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包通過M-BUS總線送入上位機,進行計算機實時監(jiān)控。關(guān)鍵字：PIC16F877單片機；M-BUS總線；軟件編程；.AbstractSF6circuitbreakersmonitoronlinesystemusesthePIC16F877microcontrollerasaprocessor,toachievereal-timemonitoringofSF6gas’stemperature,humidityandpressure,andtokowntherunningstateofcircuitbreakerssothatpeoplecouldeffectivelydealwiththeinsulationfaultcausedbySF6gasitself,andensurethesaftyofthepowersupplysystem.Inthisdesign,thebasicprinciplesofSF6circuitbreakercanbesummarizedasthatthehumiditysensor,temperaturesensorandpressuresensorareconnectedtotheSF6gasroombythejointer,whichcansurveythehumidity,temperature,pressureofSF6gas.themeasuredanaloggothroughtheA/Dconversion,dataanalysisinthePIC16F877microcontroller,toimplementdataoverrunalarmanddemonstratetemperature,pressureandhumidity.TheinformationtransmissionbetweenslavesandthemastergeneratesastandardcommunicationpacketsbasedonMODBUSprotocoltoachievereal-timecontrol.Keyword:PIC16F877microcontroller;M-BUSbus;softwareprogramming;目錄摘要IAbstractII第一章緒論11.1選題背景11.2主要設(shè)計〔研究內(nèi)容31.3系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)31.4解決的關(guān)鍵問題3第二章系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計52.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及其功能52.2方案設(shè)計52.2.1方案一52.2.2方案二62.3方案論證72.4方案的確定7第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計103.1單片機103.1.1PIC16F877單片機特點103.1.2外圍電路113.2溫度傳感器123.2.1溫度傳感器的選型123.2.2溫度傳感器接口電路143.2.3小結(jié)143.3濕度傳感器143.3.1濕度傳感器的選型153.3.2接口電路163.3.3小結(jié)183.4壓力傳感器183.4.1壓力傳感器的選型183.4.2接口電路193.4.3小結(jié)193.5鍵盤電路193.6報警電路203.7LCD顯示模塊203.7.1LCD顯示模塊的選型213.7.2接口電路213.7.3小結(jié)213.8掉電保護模塊223.8.1掉電保護的選型223.9M-BUS通訊模塊223.9.1M-BUS總線介紹233.10通訊接口電路的設(shè)計243.10.1TSS721A芯片介紹253.10.2TSS721A芯片與單片機接口電路設(shè)計273.10.3小結(jié)293.11電源的設(shè)計293.11.1電源選擇293.11.2接線電路303.11.3電源的抗干擾技術(shù)313.11.4小結(jié)31第四章軟件設(shè)計334.1系統(tǒng)軟件的設(shè)計思想334.2系統(tǒng)主程序的設(shè)計334.3系統(tǒng)子程序的設(shè)計334.3.1定時器/計數(shù)器子程序334.3.2AD轉(zhuǎn)換子程序364.3.3LCD顯示子程序374.3.4中斷服務(wù)子程序394.3.5鍵盤子程序404.3.6解除報警子程414.3.7串行通信子程序41第五章總結(jié)475.1畢業(yè)設(shè)計的主要工作情況及創(chuàng)新之處475.2系統(tǒng)改進及發(fā)展前景47參考文獻48英文原文及翻譯49原文49翻譯57致謝63附錄64程序清單64.第一章緒論目前,社會對電力的需求越來越大。在電力系統(tǒng)向超高壓、大電網(wǎng)、大容量和自動化方向發(fā)展的同時,用于關(guān)合及開斷電力線路,以輸送和倒換電力負(fù)荷以及從電力系統(tǒng)中退出故障設(shè)備以保證系統(tǒng)安全運行的高壓開關(guān)就顯得尤為重要了。由于SF6氣體具有優(yōu)良的絕緣、滅弧性能以及SF6氣體在絕緣組合電器中所體現(xiàn)出的優(yōu)越性,近30年間SF6氣體在高壓電氣設(shè)備中的應(yīng)用取得了驚人的進展。但也是由于SF6氣體的緣故,空氣中的水分能對SF6斷路器產(chǎn)生很大的影響。如產(chǎn)生毒性化合物,對設(shè)備的絕緣產(chǎn)生危害,降低開關(guān)的機械性能等。本次設(shè)計的SF6斷路器微水在線監(jiān)測儀系統(tǒng)包括現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)測和遠程通信兩大部分。其中現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和具體任務(wù)的執(zhí)行是由單片機來實現(xiàn)的,而現(xiàn)場和控制計算機之間的通信則借助于M-BUS總線實現(xiàn),在軟件通信技術(shù)的支持下完成信息的交換。SF6斷路器微水在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要任務(wù)是,及時、準(zhǔn)確的掌握SF6氣體在設(shè)備中溫度、濕度與壓力,周期性檢測設(shè)備內(nèi)的濕度,以便及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的潛在問題并采取相應(yīng)預(yù)防措施,保證設(shè)備的可靠運行。選題背景SF6氣體具有優(yōu)良的絕緣性能,用作許多高壓電氣設(shè)備的絕緣介質(zhì)。但是其絕緣強度與其濕度<微水含量>有著密切的關(guān)系.當(dāng)SF6氣體中含水量較多時,一方面SF6氣體的電弧分解物在水分參與下會產(chǎn)生很多有毒物質(zhì)<如氟化亞硫酸、氫氟酸等>,腐蝕斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料并威脅檢修人員安全;另一方面,由于水分凝結(jié),濕潤絕緣表面,將使其絕緣強度下降,威脅運行安全。所以,對SF6進行濕度監(jiān)測具有重要的意義。SF6斷路器具有斷口電壓高、開斷能力、允許連續(xù)開斷的次數(shù)較多,噪聲低和無火花危險,而且斷路器尺寸小、重量輕、容量大、不需要維修或少維修。這些優(yōu)點使傳統(tǒng)的油斷路器和壓縮空氣斷路器無法與其相比,在超高壓領(lǐng)域中幾乎全部取代了其他類型斷路器；另外在中壓配電方面,六氟化硫斷路器具有在開斷容性電流時不重燃,以及開斷感性電流時不產(chǎn)生過電壓等優(yōu)點,正逐步取代其他類型的斷路器。六氟化硫斷路器的優(yōu)良性能得益于SF6氣體良好的滅弧特性。SF6是無色、無味、無毒,不可燃的惰性氣體,具有優(yōu)異的冷卻電弧特性,介電強度遠遠超過傳統(tǒng)的絕緣氣體。在均勻電場下,SF6的介質(zhì)強度為同一氣壓下空氣的2.5—3倍,在4個大氣壓,其介質(zhì)電強度與變壓器油相當(dāng)。由于SF6的介質(zhì)強度高,對相同電壓級和開斷電流相近的斷路器,SF6的串聯(lián)斷口要少。例如：220kV少油斷路器要4個斷口,500kV少油開關(guān)要6-8個斷口,而220kVSF6斷路只要1個斷口,500kVSF6斷路器只要3-4個斷口。一是因為SF6的分子量大,比熱大,其對流的傳熱能力優(yōu)于空氣,二是SF6在高溫下的分解特性,在分解反應(yīng)過程中吸收能量。SF6這種優(yōu)良導(dǎo)熱性能,是形成SF6滅弧性能的原因之一；另外,SF6吸附自由電子而形成負(fù)離子的現(xiàn)象也是其成為優(yōu)良滅弧介質(zhì)的原因。常態(tài)下,SF6氣體無色無味,有良好的絕緣性能和滅弧性能,一旦大氣中的水分浸入或固體介質(zhì)表面受潮,則電氣強度會顯著下降。斷路器是戶外設(shè)備,當(dāng)氣溫驟降時,SF6氣體過量水可能會凝結(jié)在固體介質(zhì)表面而發(fā)生閃絡(luò),嚴(yán)重時造成斷路器發(fā)生爆炸事故。純凈SF6氣體,在運行中,受電弧放電或高溫后,會分解成單體的氟、硫和氟硫化合物,電弧消失后會又化合成穩(wěn)定的SF6氣體。當(dāng)氣體中含有水分時,出現(xiàn)的氟硫化合物會與水反應(yīng)生成腐蝕性很強的氫氟酸、硫酸和其他毒性很強的化學(xué)物質(zhì)等,危及維護人員的生命安全,對斷路器的絕緣材料或金屬材料造成腐蝕,使絕緣劣化,甚至發(fā)生設(shè)備爆炸。

SF6氣體微水超標(biāo)的原因,主要有以下六個方面：

1.SF6氣體新氣的水分不合格。造成新氣不合格的原因,一是制氣廠對新氣檢測不嚴(yán)格,二是運輸過程中和存放環(huán)境不符合要求,三是存儲時間過長。

2.斷路器充入SF6氣體時帶進水分。斷路器充氣時,工作人員不按有關(guān)規(guī)程和檢修工藝操作要求進行操作,如充氣時氣瓶未倒立放置；管路、接口不干燥或裝配時暴露在空氣中的時間過長工等導(dǎo)致水分帶進。

3.絕緣件帶入的水分。廠家在裝配前對絕緣未作干燥處理或干燥處理不合格。斷路器在解體檢修時,絕緣件暴露在空氣中的時間過長而受潮。

4.吸附劑帶入的水分。吸附劑對SF6氣體中水分和各種主要的分解物都具有較好的吸附能力,如果吸附劑活化處理時間短,沒有徹底干燥,安裝時暴露在空氣中時間過長而受潮,吸附劑可能帶入數(shù)量可觀的水分。

5.透過密封件滲入的水分。在SF6斷路器中SF6氣體的壓力比外界高5倍,但外界的水分壓力比內(nèi)部高。例如,斷路器的充氣壓力為0.5Mpa,SF6氣體水分體積分?jǐn)?shù)為,則水的壓力為,外界的溫度為20℃時,相對濕度70%,則水蒸氣的飽和壓力為,所以外界水壓力比內(nèi)部水分高倍。而水分子呈V形結(jié)構(gòu),其等效分子直徑僅為SF6分子的0.7倍,滲透力極強,在內(nèi)外巨大壓差作用下,大氣中的水分會逐漸通過密封件滲入斷路器的SF6氣體中。

6.斷路器的泄漏點滲入的水分。充氣口、管路接頭、法蘭處滲漏、鋁鑄件砂孔等泄漏點,是水份滲入斷路器內(nèi)部的通道,空氣中的水蒸氣逐漸滲透到設(shè)備的內(nèi)部,因為該過程是一個持續(xù)的過程,時間越長,滲入的水份就越多,由此進入SF6氣體中的水份占有較大比重。

要完全清除SF6斷路器內(nèi)SF6氣體的水分是不可能的,但是掌握SF6氣體微水超標(biāo)的原因,及時監(jiān)測SF6斷路器內(nèi)的濕度,采取相應(yīng)的預(yù)防控制措施,減少SF6氣體中的水分,可以保證和提高斷路器的安全運行可靠性。1.2主要設(shè)計〔研究內(nèi)容現(xiàn)場電氣設(shè)備中的SF6氣體并非總是純凈的,其性能也就不能等同于純凈氣體。微水超標(biāo)〔即濕度超標(biāo)的危害表現(xiàn)在以下幾個方面:<1>水分引起SF6氣體分解物化合反應(yīng)產(chǎn)生毒性化合物。<2>水分引起設(shè)備的化學(xué)腐蝕<3>水分對設(shè)備的絕緣產(chǎn)生危害<4>水分影響開關(guān)的開斷性能<5>水分降低開關(guān)的機械性能由于以上這些原因,所以對SF6氣體水分含量進行在線監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的潛在問題并采取相應(yīng)預(yù)防措施,對提高設(shè)備的安全健康運行水平具有重要意義。本次設(shè)計的主要內(nèi)容有以下幾點：<1>具有微水、氣體壓力、溫度在線監(jiān)測功能；<2>具有當(dāng)?shù)仫@示功能,能夠?qū)崟r顯示溫度、濕度、壓力值；<3>具備數(shù)據(jù)超限報警功能；<4>具備掉電參數(shù)保護功能,上電后參數(shù)恢復(fù)功能；<5>能夠遵循MODBUS通訊協(xié)議,生成標(biāo)準(zhǔn)通信數(shù)據(jù)包；<6>能夠接收解讀上位管理機的通訊包,完成當(dāng)?shù)氐膱缶獬c參數(shù)設(shè)定功能；1.3系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)本系統(tǒng)所實現(xiàn)的主要技術(shù)指標(biāo)如下: 各參數(shù)測量范圍為：溫度：－40℃～+60℃；測量誤差不大于±0.2濕度：2～40,000uL/L；測量誤差不大于2uL/L；壓力：0.01～1Mpa；測量誤差不大于0.01Mpa；實時采集周期＜＝1次/1分鐘,發(fā)送周期＝1次/1小時；1.4解決的關(guān)鍵問題本系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵在于研制和尋找適合現(xiàn)場條件的濕度、溫度、和壓力傳感器,該傳感器是整個在線監(jiān)測裝置的核心。測量數(shù)據(jù)的處理與傳送也是在線監(jiān)測的關(guān)鍵。在線監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計與加工同樣非常重要。如何將監(jiān)測裝置與SF6電氣設(shè)備連接起來,并且確保設(shè)備密封性能良好,不發(fā)生氣體泄漏對于裝置運行來說是必要條件第二章系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及其功能設(shè)計總體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1以單片機為處理器的系統(tǒng)框圖上位機圖2-1以單片機為處理器的系統(tǒng)框圖上位機M-BUS接口電路PIC16F877單片機85型高穩(wěn)定壓力傳感器蜂鳴器鍵盤輸入液位傳感器LM35CA電源濕度傳感器HIH-3610LCD顯示器Rs232與M-BUS接口電路下位機負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、報警以及接收并處理系統(tǒng)的控制命令。下位機首先收集安裝在現(xiàn)場的濕度傳感器、溫度與壓力傳感器的實時數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理,然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫中定義的越限條件判別事故的發(fā)生與否,在事故發(fā)生時將產(chǎn)生一個當(dāng)?shù)貓缶崾尽布t燈閃爍。下位機還負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的實時保存與實時顯示。上、下位機采用半雙工通信,基于M-BUS總線,遵循MODBUS通訊協(xié)議。下位機位于被叫地位,可獨立運行。即使上位機故障,下位機亦可進行數(shù)據(jù)的實時采集、實時顯示、報警提示,保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性和不停機運行。下位機地址由上位機設(shè)置。2.2方案設(shè)計SF6斷路器微水在線監(jiān)測儀可采用以下兩種方案：處理器基于單片機的微水監(jiān)測儀,處理器基于可編程控制器PLC的微水監(jiān)測儀。2.2.1方案一方案一采用單片機作為微水監(jiān)測儀的處理器該測控器與上位機的通信是基于M-BUS總線傳輸實現(xiàn)。該系統(tǒng)利用液位傳溫度感器、壓力傳感器、濕度傳感器實時采集溫度、壓力、濕度,經(jīng)由單片機AIN口進入10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC,轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量,再由計算程序計算出相對濕度,因為濕度與壓力和溫度都有很大的關(guān)系。根據(jù)上位機的設(shè)定值,來比對濕度是否超限,若超限則報警。該系統(tǒng)采用LCD實現(xiàn)實時當(dāng)?shù)仫@示,并可以將溫度、壓力、濕度信息采樣發(fā)送到監(jiān)控中心。同時,該系統(tǒng)也可通過監(jiān)控中心對現(xiàn)場實現(xiàn)遠程參數(shù)設(shè)置。2.2.2方案二PLC控制器上位機通信協(xié)議報警指示觸摸屏溫度傳感器變送器濕度傳感器PLC控制器上位機通信協(xié)議報警指示觸摸屏溫度傳感器變送器濕度傳感器變送器電壓傳感器電源變送器圖2-2以PLC為處理器的系統(tǒng)框圖圖2-2以PLC為處理器的系統(tǒng)框圖該方案的下位機與上位的通信采用可編程控制器生產(chǎn)商提供的通信協(xié)議,實現(xiàn)將SF6斷路器室內(nèi)的狀態(tài)發(fā)送到監(jiān)控中心。同時,系統(tǒng)通過該協(xié)議實現(xiàn)監(jiān)控中心遠程對現(xiàn)場進行參數(shù)設(shè)置。該協(xié)議符合國際標(biāo)準(zhǔn)——IEC1131標(biāo)準(zhǔn)。PLC可識別三種信號：開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量。該系統(tǒng)由壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器對這三個量進行監(jiān)測,輸出信號經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)模擬信號以供PLC識別。該方案的人機交互采用的硬件為觸摸屏,觸摸屏可方便的實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)修改與實時當(dāng)?shù)匦畔@示。PLC控制器內(nèi)部對各種輸入輸出信號的處理由軟件程序?qū)崿F(xiàn),用戶程序線性的存儲在監(jiān)控程序指令的存儲區(qū)間內(nèi),它的最大容量有監(jiān)控程序所限制。2.3方案論證方案一與方案二都是使用傳感器將壓力、溫度、濕度轉(zhuǎn)換成模擬電信號,將其進行A/D轉(zhuǎn)換、計算,并同時顯示在顯示屏上；方案一與方案二處理芯片不同：前者為單片機,后者為可編程控制器PLC。當(dāng)需要發(fā)送壓力、溫度和濕度信息時,單片機將采集數(shù)據(jù)通過M-BUS總線送至上位機,而可編程控制器將數(shù)據(jù)通過固定的通信協(xié)議發(fā)送到監(jiān)控中心。方案一顯示使用的是LCD,鍵盤為4×4距陣鍵盤；方案二人機交互采用的硬件為觸摸屏。方案一中單片機集成度高,把中央處理器<CPU>、隨機存取存儲器<RAM>、只讀存儲器<ROM>、輸入/輸出端口<I/O>等主要計算機功能部件都集成在一塊集成電路芯片上,具有性能高、速度快、體積小、價格低、應(yīng)用廣泛、通用性強等突出優(yōu)點。通過不同的程序可實現(xiàn)不同的功能,尤其是特殊的獨特的一些功能,但其穩(wěn)定性和抗電磁干擾能力相較于PLC比較弱。方案二中可編程控制器PLC抗干擾能力強,編程方便,可在現(xiàn)場修改程序,且PLC接口容易,編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。但可編程控制器的價格高昂,在小型設(shè)備上應(yīng)用PLC控制器會由于成本過高,且各種不同生產(chǎn)商的控制器通信協(xié)議互不兼容,造成產(chǎn)品推廣性差。2.4方案的確定1.方案的選擇本次設(shè)計考慮到產(chǎn)品的性價比、可實用性和推廣性,決定選擇方案一。原因有以下三點：單片機比PLC價格低,同樣可以實現(xiàn)功能,故其性價比高。單片機的通訊較之PLC方便很多。單片機的通訊方式及協(xié)議有很多種,選擇范圍廣,而PLC由于各種生產(chǎn)商的通訊協(xié)議互不兼容,給通訊造成了很大的障礙。單片機比PLC更易于推廣。2.方案的確定本次設(shè)計選用溫度傳感器,濕度傳感器,壓力傳感器采集SF6氣體的溫度,濕度及壓力。單片機選用PIC16F877,它內(nèi)含8路逐次逼近式10位A/D轉(zhuǎn)換器。單片機內(nèi)部的A/D模塊將采集到的三個模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,并進行運算和比較。對于壓力、溫度、濕度超限進行聲光報警。壓力值、溫度值、濕度值分別由LCD顯示。下位機與上位機的通訊采用M-BUS總線,M-BUS與上位機及下位機的接口電路必須實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。上位機對下位機進行控制,但下位機又可獨自運行。上位機對下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)進行匯總,分析,控制斷路器的運行狀態(tài)。超限值由上位機設(shè)定,也可由工作人員通過鍵盤設(shè)定。用鍵盤手動解除聲光報警。與系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)方案包括：傳感器的選擇、處理器的選擇及存儲器的擴展方案、串口通訊方案、顯示方案、電源方案等。傳感器的選擇：考慮到SF6斷路器對濕度要求的嚴(yán)格性,傳感器首先要求精度高,其次輸出信號易處理,容易與單片機傳輸,再次是價格便宜。本次設(shè)計選用LM35CA溫度傳感器,HIH-3610濕度傳感器,85300OAC壓力傳感器。溫度傳感器：LM35CA是一種高精度集成電路溫度傳感器,其輸出電壓與攝氏溫度成線性比例關(guān)系。LM35不需要外部校準(zhǔn)和調(diào)節(jié)就具有室溫時為±1/4℃、全面溫度范圍-55～150℃時為±3/4℃的典型精度。設(shè)計要求誤差不得大于0.2℃,LM35CA的精度完全滿足。LM35CA的測量范圍為-55～150℃,而要求的范圍為-40～HIH-3610型電壓輸出式集成濕度傳感器是美國霍尼威爾公司生產(chǎn)的。它屬于線性電壓輸出式集成濕度傳感器,內(nèi)部包含濕敏電容和濕度信號調(diào)理器,能以最簡方式構(gòu)成相對濕度測量儀。其輸出電壓不僅與相對濕度成線性關(guān)系,還與電源電壓成正比,輸出電壓范圍是+0.8～+3.9V。性能特點如下：①高精度。在RH=0～100％、T=+25℃、UCC=+5V的條件下,測量精度可達±②穩(wěn)定性好,漂移量小,抗化學(xué)腐蝕性強。它能在高溫,有化學(xué)液體或氣體的環(huán)境下正常工作。③采用+4V～+5.8V電源供電。當(dāng)UCC=+5V,電源電流僅為200uA,工作溫度范圍是-40～+85設(shè)計要求誤差不得大于2uL/L,而HIH-3610的精度可達±2％,完全滿足。它的抗化學(xué)腐蝕性也非常符合SF6斷路器的腔體,工作范圍也是滿足的。故滿足設(shè)計要求。85型高穩(wěn)定壓力傳感器是采用微機械加工技術(shù)制造的硅壓阻式壓力傳感器,它適用于OEM的應(yīng)用領(lǐng)域,可測量腐蝕性介質(zhì)。這點非常符合SF6斷路器內(nèi)氣體的測量。工作溫度范圍-40℃～+125℃,存儲溫度范圍-50～+125℃,也滿足設(shè)計要求中的溫度范圍-40～+60℃.補償溫度范圍-20～+處理器的選擇方案：根據(jù)該系統(tǒng)選用的傳感器都是模擬輸出,需要A/D轉(zhuǎn)換,以及系統(tǒng)的存儲量大,掉電保護功能,通訊技術(shù),中斷等的實際要求,本次設(shè)計采用美國微芯公司開發(fā)的PIC16F877單片機。PIC16F877單片機集成了許多外圍模塊,可以簡化外圍電路,提高硬件的可靠性。串口通訊方案：本監(jiān)控模塊通過M-BUS總線收發(fā)數(shù)據(jù),是因為M-BUS總線有諸多優(yōu)點,低成本,簡單可靠,傳輸線路長等。由于單片機的工作電平為5V,而PC機RS-232串口電平為-12V到+12V,要實現(xiàn)單片機和上位機通訊,中間需要通過電平轉(zhuǎn)換。M-BUS總線的一個重要特征是它有自己獨特的電平特征。顯示方案：顯示采用128×64液晶顯示屏,并行通訊。電源方案：本設(shè)計中的電源主要有兩種：、±5V和+12V?！?V為單片機的模擬電源與數(shù)字電源,以及傳感器電源；+12V的電源是供給運算放大器使用的。第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、串行通信接口、M-BUS等幾部分組成。下面將具體介紹監(jiān)控終端各個主要組成部分的功能、選型以及具體連接方式。3.1單片機單片機亦稱單片微型電腦或單片微型計算機,在國際上統(tǒng)稱為微控制器,就是把中央處理器CPU、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、輸入/輸出端口I/O等主要的計算機功能部件,都集成在了一塊集成電路芯片上,從而形成一部完整的微型計算機。單片機是大規(guī)模集成電路在技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶。單片機具有性能高、速度快、體積小、價格低、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛、通用性強等突出優(yōu)點。3.1.1PIC16F877單片機特點PIC16F877單片機是美國微芯公司所生產(chǎn)的PIC系列單片機之一。它硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計簡潔,指令系統(tǒng)設(shè)計精煉。有以下幾個特點：1.哈弗總線結(jié)構(gòu)在PIC系列單片機中采用的這種"哈弗總線結(jié)構(gòu)",就是在芯片內(nèi)部將數(shù)據(jù)總線和指令總線分離,并且采用不同寬度。這樣做的好處是,便于實現(xiàn)全部指令提取的流水作業(yè),也就是在執(zhí)行一條指令的同時對下一條指令進行取指操作；便于實現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化、單周期化、從而有利于提高CPU的執(zhí)行速度。2.指令單字節(jié)化因為數(shù)據(jù)總線和指令總線是分離的,并且采用了不同的寬度,所以程序存儲器ROM和數(shù)據(jù)存儲器RAM的尋址空間是相互獨立的,而且兩種存儲器寬度也不同。這樣設(shè)計不僅可以確保數(shù)據(jù)的安全性,還能提高運行速度和實現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化。3.精簡指令技術(shù)PIC系列單片機的指令系統(tǒng)只有35條指令。這給指令的學(xué)習(xí)、記憶、理解帶來了很大的好處,也給程序的編寫、閱讀、調(diào)試、修改、交流帶來了極大地便利。4.尋址方式簡單PIC系列單片機只有4種尋址方式,即寄存器間接尋址、立即數(shù)尋址、直接尋址和位尋址,比較容易掌握。5.代碼壓縮率高1k字節(jié)的存儲空間,對于像MCS-51這樣的單片機,大約只能存放600條指令,而對于PIC系列單片機能夠存放的指令條數(shù)可達1024條。6.運行速度高由于采用哈佛總線結(jié)構(gòu),以及指令系統(tǒng)的讀取和執(zhí)行采用流水作業(yè)方式,使得運行速度大大提高。7.功耗低PIC系列單片機的功率消耗極低,是目前世界上功耗最低的單片機品種之一。其中PIC16F877在4MHz時鐘下工作時耗電不超過2mA,在睡眠模式下耗電可以低到1μA以下。8.驅(qū)動能力強I/O端口驅(qū)動負(fù)載的能力較強,每個I/O引腳吸入和輸出電流的最大值可分別達到25mA和20mA,能夠直接驅(qū)動發(fā)光二極管LED、光電耦合器或者微型繼電器等。9.I2C和SPI串口總線端口PIC16F877具備I2C和SPI串口總線端口。利用單片機串行總線端口可以方便靈活的擴展一些必要的外圍器件。10.尋址空間設(shè)計簡潔PIC系列單片機的程序、堆棧、數(shù)據(jù)三者各自采用相互獨立的尋址空間,而前兩者的地址安排不需要用戶操心。11.外界電路簡潔PIC系列單片機機片內(nèi)集成了上電復(fù)位電路、I/O引腳上拉電路、看門狗定時電路等,可以最大程度地減少或免用外接器件,以便實現(xiàn)"純單片"應(yīng)用。這樣,不僅方便于開發(fā),而且還可以電路板空間和制造成本。12.PIC16F87X系列可實現(xiàn)在線編程和在線調(diào)試。PIC16F877除了具有以上這些優(yōu)點外,它片內(nèi)還帶有64、128或256字節(jié)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器,另外其程序存儲器不再是傳統(tǒng)的OTP型,而是Flash型存儲器。這種存儲器可以實現(xiàn)在電路板上直接擦/寫程序,自然是最適合制作經(jīng)濟型在線調(diào)試器的一種型號。3.1.2外圍電路圖3-1時鐘電路1時鐘電路：單片機內(nèi)部的各種功能電路幾乎全部是由數(shù)字電路構(gòu)筑而成的。大家知道,數(shù)字電路的工作離不開時鐘信號,每一步細(xì)微動作都是在一個共同的時間基準(zhǔn)信號協(xié)調(diào)之下完成的。作為時基發(fā)生器的時鐘振蕩電路,為整個單片機芯片的工作提供系統(tǒng)時鐘信號,也為單片機與其它外接芯片之間的通訊提供可靠地同步時鐘信號。圖3-1時鐘電路微芯為PIC系列單片機的時鐘電路設(shè)計了四種工作模式：標(biāo)準(zhǔn)XT、高速HS、低頻LP和阻容RC。本次設(shè)計選擇標(biāo)準(zhǔn)XT,時鐘電路由一個晶振和兩個小電容組成,晶振選用4MHz,電容為15pF。其接口電路圖如圖3-1所示：2外部復(fù)位電路：所謂復(fù)位,就是讓微處理器進入一個初始化程序,使CPU恢復(fù)初始狀態(tài)。圖3-2外部復(fù)位電路PIC16F877的復(fù)位功能設(shè)計的比較完善,實現(xiàn)復(fù)位或者說引起復(fù)位的條件和原因可以歸納為四類：人工復(fù)位、上電復(fù)位、看門狗復(fù)位、欠壓復(fù)位。這四個情況中的其中一個發(fā)生都會引起單片機復(fù)位。本次設(shè)計考慮到在單片機運行到我們不希望的狀態(tài)下或著死機的情況下,需要人工復(fù)位按鈕強行迫使單片機復(fù)位。故選擇外接人工復(fù)位電路。其接口電路如3-2所示。圖3-2外部復(fù)位電路3.2溫度傳感器溫度傳感器是感應(yīng)溫度變化,以電量形式輸出,以便于信號分析及處理。在本系統(tǒng)中,溫度和壓力與濕度密切相關(guān),測量的精度直接影響對濕度的控制,而精度與傳感器有非常密切的關(guān)系,故傳感器的選擇很重要。3.2.1溫度傳感器的選型系統(tǒng)的溫度范圍為-40℃～+60℃,要求溫度傳感器的測量誤差不大于±0.2LM35CA是一種高精度集成電路溫度傳感器,其輸出電壓與攝氏溫度成線性比例關(guān)系。LM35不需要外部校準(zhǔn)和調(diào)節(jié)就具有室溫時為±1/4℃、全面溫度范圍-55～150℃時為±3/4℃的典型精度。設(shè)計要求誤差不得大于0.2℃,LM35CA的精度完全滿足。LM35CA的測量范圍為-55～150℃,而要求的范圍為-40～60℃,故測量范圍也滿足。LM35的低輸出阻抗、線性輸出和它出廠時的精度校準(zhǔn)使得它的外接口電路及其簡單。在電源方面,LM35既可以單電源供電又可以雙電源供電,其電源電流僅為60uA,因此在靜電的空氣中它自身的熱效應(yīng)小于0.1℃.因此它滿足設(shè)計要求。LM35CA的內(nèi)部框圖和溫度誤差曲線分別如圖3-3、3-4所示。由VT1、VT2構(gòu)成了溫度傳感器,二者的發(fā)射結(jié)面積之比為10：1.A2是電壓放大器。R1、R2分別為VT1和VT2發(fā)射結(jié)壓降的取樣電阻。VD是電流源的溫度補償二極管。有VT3和R3、R4組成了發(fā)射極輸出式電路。其工作原理是利用在不同電流密度下的晶體管VT1、VT2的發(fā)射結(jié)正向壓降之差△Ube,作為基本的溫度敏感元件,經(jīng)過變換之后,在Uo端獲得與攝氏溫度成正比的電壓信號。輸出電壓的電壓溫度系數(shù)Kv=10mV/℃,利用下式可計算出被測溫度t〔℃Uo=Kv·t=〔10mV/℃·t3.2.1圖3-3LM35CA的內(nèi)部框圖圖3-3LM35CA的內(nèi)部框圖圖3-4LM35的溫度誤差曲線圖3-4LM35的溫度誤差曲線3.2.2溫度傳感器接口電路為測量負(fù)溫度,需采用雙電源供電,在輸出端接上電阻R,R的下端接負(fù)電源-US。R值由下式確定：<式3.2.2>當(dāng)US=+5V,-US=-5V時,R=100KΩ。接口電路如圖3-5所示：圖3-5LM35CA接口電路圖3-5LM35CA接口電路3.2.3小結(jié)采用LM35CA溫度傳感器,直接輸出電壓,且在5v電壓以內(nèi),可直接與單片機連接,只需要簡單的濾波。電路簡單可靠。3.3濕度傳感器濕度傳感器是本次設(shè)計的重點之一,系統(tǒng)的根本目的就是測量SF6斷路器室內(nèi)的濕度,及時提醒人們給與控制,防患于未然。濕度是指大氣中的水蒸氣的含量,即空氣的干濕程度。大氣的干濕程度通常通常是用大氣中的水汽的濃度或密度來表示的,即以每1m3大氣所含水氣的克數(shù)來表示,稱之為大氣的絕對濕度〔.如果把待測空氣看作是由水蒸氣和干燥空氣組成的理想混合氣體,根據(jù)道爾頓分壓定律和理想氣體狀態(tài)方程,得出如下關(guān)系：〔式3.3.1式中為在一定溫度下空氣中水蒸氣的分壓,為水蒸氣的摩爾質(zhì)量,為理想氣體常數(shù),為空氣的絕對溫度。由于空氣濕度與空氣中水蒸氣壓和同一溫度下水的飽和蒸氣壓之間的差值相關(guān)。飽和蒸氣壓是指在一定溫度下混合氣體中所含水蒸氣壓的最大值〔,溫度越高,飽和水蒸氣壓越大。將在某一溫度下水蒸氣壓同飽和蒸氣壓的百分比稱為相對濕度〔RelativeHumidity,其表示為〔式3.3.2一般用表示。由于絕對濕度有單位,而相對濕度描述比較方便,因此常常使用相對濕度。3.3.1濕度傳感器的選型本次監(jiān)測的是SF6氣體的濕度。純凈SF6氣體,在運行中,受電弧放電或高溫后,會分解成單體的氟、硫和氟硫化合物,電弧消失后會又化合成穩(wěn)定的SF6氣體。當(dāng)氣體中含有水分時,出現(xiàn)的氟硫化合物會與水反應(yīng)生成腐蝕性很強的氫氟酸、硫酸和其他毒性很強的化學(xué)物質(zhì)等。正式由于SF6氣體的這些特殊性,設(shè)計中必須選用抗腐蝕,靈敏度高的濕度傳感器。本次設(shè)計選用HIH-3610濕度傳感器。HIH-3610濕度傳感器是美國Honeywell公司生產(chǎn)的HIH系列集成濕度傳感器之一,它屬于相對濕度集成電路。特點如下：它屬于線性電壓型輸出式集成濕度傳感器,內(nèi)部包含濕敏電容和濕度信號調(diào)理器,能以最簡單方式構(gòu)成相對濕度測試儀。其輸出電壓不僅與相對濕度成線性關(guān)系,還與電源電壓成正比,輸出電壓的范圍是+0.8～+3.9v。高精度,在RH=0～100％、+25℃、UCC=+5V的條件下,測量精度可達±2％.穩(wěn)定性好,漂移量小,抗化學(xué)腐蝕性強。它能在高溫,有化學(xué)液體或氣體的環(huán)境下正常工作。采用+4V～+5.8V電源供電。當(dāng)UCC=+5V,電源電流僅為200uA,工作溫度范圍是-40～+85℃HIH-3610采用多層結(jié)構(gòu),第一層和第三層是經(jīng)過加熱成型的熱聚合物,第二層為多孔鉑層,第四層為鉑層,最下面是硅襯底。熱固聚合物根據(jù)環(huán)境溫度的變化從外界吸收或釋放水蒸氣,使其電容量發(fā)生變化。這種多層、多孔式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是能適應(yīng)惡劣的環(huán)境,即使傳感器表面沾上污垢、灰塵和油漬,也不影響測量。當(dāng)然,灰塵積累較多時也會影響傳感器的響應(yīng)速度,使傳感器內(nèi)部與外部達到水蒸氣平衡的時間延長。在環(huán)境溫度為+25℃Uo=Ucc〔0.0062RH+0.16〔式3.3.式中,RH用%表示。當(dāng)電源電壓升高時,Uo也按相同比例增加。相對濕度還與環(huán)境溫度有關(guān)。令傳感器的測量值為RH,實際相對濕度為R環(huán)境溫度為T〔℃,有公式：RH’=〔式3.3.2在0℃、+25℃和+85℃時,Uo與RH的關(guān)系曲線如3-6所示。測量得到的電信號還需要用式3.3.3,式3.3.4求出實際相對濕度,再利用式3.3.2轉(zhuǎn)換為絕對濕度,其中飽和蒸氣壓通過查飽和水蒸汽氣壓表求得。表3-1飽和水蒸氣壓表〔20表3-1飽和水蒸氣壓表〔20～29℃T〔℃123456789202351.8002366.4662381.1312395.7962410.4622426.4602441.1262455.7912471.790212501.1212517.1192533.1182547.7832563.7822579.7812595.7792611.7782627.777222659.7742675.7732691.7712709.1032725.1022741.1002758.4322775.7642791.763232826.4262842.4252859.7572877.0892894.4212911.7522930.4182947.7492965.081243001.0783019.7433037.0753055.7403074.4053093.0703111.7353130.4013149.066253186.3963205.0613223.7263243.7243262.3893281.0543301.0533321.0513341.049263381.0463401.0443421.0433441.0413461.0393482.3713502.3693523.7003543.699273586.3623607.6933627.6923649.0233671.6883693.0193714.3513735.6823757.014283810.0103823.6753846.3403869.0043890.3363913.0013935.6653959.6633982.328294028.9914051.6564075.6544098.3184122.3164146.3144170.3124194.3104218.3083.3.2接口電路由于HIH-3610濕度傳感器的輸出電壓范圍在單片機的電壓范圍內(nèi),故不需調(diào)理電路,可直接進行簡單的濾波就可以輸入單片機的模擬通道。接口電路如3-7所示。選擇濾波電阻值的原則是對模擬通道以前的電路進行戴維南等效,電阻值不大于10KΩ為準(zhǔn)。圖3-6在不同溫度下的Uo-RH的關(guān)系曲線圖3-6在不同溫度下的Uo-RH的關(guān)系曲線圖3-7HIH-3610濕度傳感器接口電路圖3-7HIH-3610濕度傳感器接口電路3.3.3小結(jié)如上所述,HIH-3610濕度傳感器的優(yōu)良特性使得設(shè)計簡單,而且它的高精度和適應(yīng)惡劣環(huán)境,以及輸出形式都表明其非常符合本次設(shè)計要求。唯一不足的是它的計算比較麻煩,需先結(jié)合圖3-6和式3.3.3得出+25℃時相對濕度與輸出電壓的關(guān)系,再利用式壓力傳感器壓力測量主要依靠壓力傳感器實現(xiàn)。壓力傳感器分好多種,有測量氣壓,液壓,固體壓力等。就單氣壓的測量又分為絕壓型壓力傳感器,差壓型壓力傳感器和表壓型壓力傳感器。本次設(shè)計測量的是SF6斷路器室內(nèi)的絕對壓力,故選用絕壓型壓力傳感器。本次設(shè)計對壓力傳感器的要求有壓力范圍為0.01MPa～1MPa,測量誤差不得大于0.01MPa。其次由于SF6斷路器室內(nèi)氣體的特殊性,要求壓力傳感器抗腐蝕,適應(yīng)惡劣環(huán)境。3.4.1壓力傳感器的選型圖3-8MPS-400壓力傳感器實物圖根據(jù)系統(tǒng)實際需求,考慮測量精度要求、價格承受能力、安裝維護方便、運行可靠安全等多方面因素,壓力采集單元選用了MSP-400系列的電橋式壓力傳感器,選擇了1Mpa的量程。MSP-400電橋式壓力傳感器適用于對氣

,液壓的檢測,甚至較惡劣的介質(zhì)環(huán)境,如污水、蒸汽、輕度腐蝕性液體和氣體。這點非常符合SF6氣體。MSP-400壓力傳感器的壓力腔由一塊單件17－4PH或316不銹鋼加工而成,產(chǎn)品采用1/4NPT或M20X1.5mm螺紋接頭,提供防泄漏、圖3-8MPS-400壓力傳感器實物圖全金屬的封閉系統(tǒng)。此產(chǎn)品的特點是無"O"型圈、焊縫、硅油,機體完全不須與壓力介質(zhì)接觸。

MSI采用的微熔技術(shù),引進航空應(yīng)用技術(shù),利用高溫玻璃將微加工硅壓敏電阻應(yīng)變片固化在不銹鋼隔離膜片上,玻璃粘接避免了溫度、濕度、機械疲勞和介質(zhì)對膠水和材料的影響,從而加強了傳感器在工業(yè)環(huán)境中的長期穩(wěn)定性能,同時也避免了傳統(tǒng)微機械傳感器的P－N結(jié)效應(yīng)。具體的技術(shù)參數(shù)有：工作溫度范圍-40℃～+85℃,滿足設(shè)計要求中的溫度范圍-40～+60℃.補償溫度范圍0～+70℃。壓力精度為±0.5%,0～20mA輸出。傳感器3.4.2接口電路A/D轉(zhuǎn)換器選用了PIC16F877自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器。壓力傳感器采用5V供電,考慮的其輸出驅(qū)動能力有限,將傳感器輸出信號經(jīng)過一個電壓跟隨器提高輸出電流后進行A/D轉(zhuǎn)換,接口電路如圖3-9所示：圖3-9圖3-985300AOC壓力傳感器接口電路3.4.3小結(jié)MSP-400系列的電橋式壓力傳感器的高精度,抗腐蝕,接口電路簡單,以及電壓輸出型都給設(shè)計帶來了便利。3.5鍵盤電路本次設(shè)計鍵盤需要完成的功能有設(shè)定參數(shù)以及解除報警。設(shè)定參數(shù)用四個鍵分別完成溫度、濕度、壓力設(shè)定值單元的切換,循環(huán)右移一位功能,加一功能和減一功能。由于PIC6F877的RB4～RB7具有電平變化中斷功能,用這四個I/O端口可簡化電路。解除報警用RB0端口,它是外部中斷端口。PIC6F877自身集成很多中斷,不需要把每個中斷處理都通過外部中斷。故外部中斷只需要完成解除報警功能。雖然PIC16F877內(nèi)部集成I/O引腳上拉電路,但它的電壓還是不夠的,仍然需要經(jīng)上拉電阻接5V電源。由于鍵盤功能簡單,所需要的按鍵也是少數(shù),故采用獨立式鍵盤。接口電路如圖3-10：圖3-10鍵盤接口電路圖3-10鍵盤接口電路3.6報警電路圖3-11報警接口電路系統(tǒng)要求一旦監(jiān)測到SF6斷路器室內(nèi)濕度超標(biāo),就要立即報警,等待工作人員來檢查,并解除報警。本次設(shè)計采用聲光報警,選用蜂鳴器和發(fā)光二極管。由于PIC6F877的I/O端口驅(qū)動負(fù)載的能力強,每個I/O引腳吸入和輸出電流的最大值可分別達到25mA和20mA,能夠直接驅(qū)動發(fā)光二極管LED、光電耦合器圖3-11報警接口電路或者微型繼電器等,所以報警電路比較簡單。發(fā)光二極管經(jīng)過限流電阻接在I/O端口上,蜂鳴器用三極管放大驅(qū)動。接口電路如圖3-11所示。3.7LCD顯示模塊根據(jù)設(shè)計要求,監(jiān)控終端必須具有當(dāng)?shù)仫@示SF6斷路器室內(nèi)溫度、濕度、壓力信息的功能,因此要設(shè)計一個顯示器。相較于LED顯示數(shù)碼管,LCD具有顯示功能強大、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強、功耗小等特點,所以本設(shè)計選用其作為顯示部分。3.7.1LCD顯示模塊的選型要顯示SF6斷路器室內(nèi)溫度、濕度、壓力,則該LCD具有至少顯示四行且每行八個漢字的能力。根據(jù)系統(tǒng)實際需求,本次設(shè)計選用JHD12864A液晶顯示模塊。JHD12864A液晶顯示模塊的液晶屏幕為128*64,可顯示四行,每行可顯示8個漢字。8*16和16*16的字符按縱排取模,為了便于編程,取模獲得的點陣字符數(shù)據(jù)一般以二維數(shù)組格式存放。這些格式分別適合小字體阿拉伯?dāng)?shù)字和英文字母、大體阿拉伯?dāng)?shù)字和英文字母、漢字。這些格式具有現(xiàn)成的字模數(shù)據(jù)提取軟件可供使用,如ZIMO221。電源操作范圍寬〔2.7Vto.5,低功耗設(shè)計可滿足產(chǎn)品的省電要求；同時與單片機等微控器的接口界面靈活〔三種模式：并行8位/4位,串行3線/2線。JHD12864A液晶顯示模塊可實現(xiàn)漢字、ASCII碼、點陣圖形的同屏顯示,中文液晶顯示模塊具有上/下/左/右動當(dāng)前顯示屏幕及清除屏幕的命令,具有光標(biāo)顯示/閃爍控制命令及關(guān)閉顯示命令。預(yù)留多種控制線〔復(fù)位/串并選擇/亮度調(diào)整供用戶靈活使用。3.7.2接口電路液晶顯示單元電路如圖3-12,液晶顯示器的數(shù)據(jù)總線D0～D7由單片機的RD端口驅(qū)動,三腳是液晶亮度調(diào)整腳,RST是液晶復(fù)位引腳,這里直接采用硬件復(fù)位。DI是指令輸入端,高電平選擇數(shù)據(jù),低電平選擇指令。RW是讀寫控制端,高電平選擇圖3-12液晶顯示單元電路讀命令,低電平選擇寫命令。E是使能端,CS1和CS2是液晶左右半邊選擇端,高電平片選有效。圖3-12液晶顯示單元電路3.7.3小結(jié)JHD12864A液晶顯示模塊的硬件接口采用并行接數(shù)據(jù)傳輸,由于并行接數(shù)據(jù)傳輸比串行接數(shù)據(jù)傳輸快,接線簡單,編程容易。故本模塊采用并行接數(shù)據(jù)傳輸。3.8掉電保護模塊掉電記憶是一種軟硬件結(jié)合的抗干擾措施。電網(wǎng)的瞬間斷電或電壓的突然下降會使單片機系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài),一方面可使實時數(shù)據(jù)丟失,另一方面混亂的系統(tǒng)可能執(zhí)行錯誤的操作。因此,掉電保護的工作也應(yīng)該從兩方面入手：保護現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)和及時關(guān)閉微機系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)供電后,掉電保護現(xiàn)場的恢復(fù)是系統(tǒng)軟件設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié),包括判斷是否發(fā)生掉電保護、數(shù)據(jù)是否還有效和恢復(fù)現(xiàn)場等工作。判斷是否發(fā)生掉電保護的目的是區(qū)別是否是正常正常關(guān)機,如果是正常關(guān)機,就沒有必要恢復(fù)現(xiàn)場了。本設(shè)計選用EEPROM存儲芯片實現(xiàn)系統(tǒng)的掉電記憶。3.8.1掉電保護的選型采用外擴EEPROM存儲器的方法,其優(yōu)點是廉價、靈活；缺點是占用單片機有限的引腳資源,電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增加,更重要的一條是保密性差。原因是獨立的EEPROM器件可以被單獨拆下,并且很容易讀取其內(nèi)容。在PIC16F877單片機內(nèi)部,作為一個片內(nèi)外設(shè)模塊配置的EEPROM,只能由用戶程序或者燒寫器對其實施讀/寫操作。一般從單片機芯片外部不能非法地讀取已加密的EEPROM。由此可見,利用PIC16F877片內(nèi)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器模塊,可以實現(xiàn)以上功能,顯然克服了外擴EEPROM數(shù)據(jù)存儲器的缺點,從而可以使保密性得到極大地提高。故本次設(shè)計采用單片機內(nèi)部集成的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器模塊,它的容量為256x8位。單片機向EEPROM燒寫的數(shù)據(jù),可以是來自外部,可以經(jīng)過端口模塊〔可以是USART、SPI、I2C等與外界通訊并獲取數(shù)據(jù),然后寫入EEPROM。掉電保護功能主要由軟件完成,在此不再累贅。3.9M-BUS通訊模塊該系統(tǒng)中,下位機需要把采集到的溫度、壓力、濕度等數(shù)據(jù)反饋到上位機,由監(jiān)控人員查看,分析,以及做出對SF6斷路器室內(nèi)狀態(tài)的判斷,并采取相應(yīng)的措施。而且,上位機對下位機進行一定程度的控制,上位機可對下位機下達命令,設(shè)置臨界值等。這些都用到了通訊。本次設(shè)計題目要求采用M-BUS總線進行通訊。3.9.1M-BUS總線介紹儀表總線<Meter-Bus,簡稱M-Bus>是歐洲新型總線結(jié)構(gòu),是一種專為家用儀表數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計的低成本總線,可以實現(xiàn)公共事業(yè)儀表的聯(lián)網(wǎng)和遠程抄表功能.在我國,隨著樓宇自動化的發(fā)展,M-Bus作為一種低成本、簡單可靠、開放的測量總線,雖處于起步階段,但基于其自身獨特的優(yōu)勢,也逐步得到了各個儀表生產(chǎn)廠家的廣泛支持并逐步推廣使用.參照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織<ISO>的開放系統(tǒng)互連模型<OSI>的7層網(wǎng)絡(luò)模型,M-Bus只提供物理層、數(shù)據(jù)鏈層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的功能.M-Bus是一種由主機控制的分級通信系統(tǒng).它由主機、從機和兩線連接電纜組成.從機之間不能直接交換信息,只能通過主機來轉(zhuǎn)發(fā).M-Bus總線的一個重要特點是,它可以通過主機實現(xiàn)終端儀表的遠程供電.因此,M-Bus與其他通信總線相比形成了自己獨特的電平特征.總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位定義如下:1>主機到從機的數(shù)據(jù)傳輸按電壓方式傳送.如圖3-13所示,邏輯電平"1”對應(yīng)于總線驅(qū)動器上輸出+36V正常電壓,而邏輯電平"0”對應(yīng)于總線上輸出得+24V正常電壓Vmark<1>=<24～42>VVspace<0>=<Vmark-12>V2>從機到主機的數(shù)據(jù)傳輸按從機的電流消耗進行調(diào)制、編碼在圖3-13中,邏輯電平"1”對應(yīng)于最大可達1.5mA的穩(wěn)態(tài)電流,邏輯電平"0”對應(yīng)的電流是在邏輯電平"1”對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電流的基礎(chǔ)上額外增加11～20mA.其中,穩(wěn)態(tài)電流用以滿足接口、儀表或傳感器本身的供電要求Imark<1>=Ibus=constant<mA>Ispace<0>=Imark+Im<mA>式中,Im為調(diào)制中變化電流,變化范圍為11～20mA.我國現(xiàn)在絕大多數(shù)建筑物計費儀表都是靠附帶電池提供能源,這種方式對電池的性能要求較高,同時要定期進行維護,更換電池,增加了成本和工作量.M-Bus總線標(biāo)準(zhǔn)提供了既傳信號又傳電源的功能,可使終端儀表所用電池成為備用電源,減少了儀表維護所帶來的困難.M-Bus總線可給從機提供3mA/3.3V的電源,通?？蓾M足低功耗終端的應(yīng)用.終端在獲得M-Bus電壓時,將終端內(nèi)部的電池關(guān)閉,通過中央控制單元提供的M-Bus電壓,維持終端運行。只有在電池耗盡和M-Bus關(guān)閉的情況下,終端才停止工作.M-Bus允許電池和電纜供電同時存在,具有較強的適應(yīng)性。圖3-13M圖3-13M-BUS傳輸位定義3.10通訊接口電路的設(shè)計基于M-BUS總線的監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成遵循一主<Master>多<Slave>的原則.主站在硬件方面必須有具備調(diào)制總線電壓<發(fā)送數(shù)據(jù)>和檢測總線電流變化<接收數(shù)據(jù)>功能的主站接口電路;相應(yīng)的從站在硬件方面必須有具備檢測總線電壓變化<接收數(shù)據(jù)>和調(diào)制總線電流<發(fā)送數(shù)據(jù)>功能的從站接口電路.能源服務(wù)供應(yīng)商,包括M-BUS協(xié)議組織都沒有生產(chǎn)專門的M-BUS<>RS232轉(zhuǎn)換器和從機接收器,而只提供M-BUS主站成套設(shè)備,包括電平轉(zhuǎn)換,M-BUS協(xié)議棧的編碼器、數(shù)據(jù)存儲器等功能。在M-Bus系統(tǒng)中,中央控制單元一般由PC機、電源驅(qū)動器和M-Bus適配器組成.其中,M-Bus適配器功能是:①將PC機上的RS232電平轉(zhuǎn)換成M-Bus電平;②讀取、管理多達250個的終端儀表.從結(jié)構(gòu)上來看,M2Bus適配器包括:電壓供應(yīng)模塊、發(fā)送器、接收器、中繼器及過載報警模塊.由于本次設(shè)計時間緊張,加上設(shè)計任務(wù)沒有要求設(shè)計M-BUS<>RS232轉(zhuǎn)換器,故它不在設(shè)計范圍內(nèi)。下面著重介紹從機收發(fā)器的設(shè)計。3.10.1TSS721A芯片介紹TSS721A是TI公司專為M-Bus總線開發(fā)的從機收發(fā)芯片,執(zhí)行異步半雙工通信協(xié)議,波特率最大為9600bps.該接收器具有動態(tài)電平辨識機制,發(fā)送器的通信電流大小可通過電阻編程來調(diào)節(jié)。TSS721A功能介紹TSS721A是TI公司1999年生產(chǎn)的用于儀表總線通訊的芯片。它符合EN1434-3標(biāo)準(zhǔn),支持HART協(xié)議,半雙工下通訊波特率可達9600bps。在通訊時,發(fā)送方通過改變自身電流消耗使總線供電電壓發(fā)生變化,接收方通過監(jiān)測總線電壓變化獲得數(shù)據(jù),由于采用了動態(tài)電平識別邏輯,可以使由于距離變化影響的總線電壓不影響通訊。DIP封裝的TSS721A引腳功能定義見圖3-14.TSS721A通訊原理TSS721A通訊原理分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送和接受兩部分說明。發(fā)送時工作原理見3-15.當(dāng)沒有通訊數(shù)據(jù)時,TSS721A吸收的電流Ispace包括芯片本身消耗電流、對外供電電流Imark和通訊發(fā)送電路消耗電流Imc。當(dāng)通訊數(shù)據(jù)從RX或RXI進人時,數(shù)據(jù)會對Imc的有無進行調(diào)制,這樣發(fā)送的數(shù)據(jù)就轉(zhuǎn)化成總線電流變化。Imc的大小可以由外接電阻Rris調(diào)整。儀表總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求每個節(jié)點有恒定的電流消耗,TSS721A依靠其內(nèi)部設(shè)計滿足這一要求。由于對總線供電的電源具有較大的阻抗,總線電流的變化將引起總線電壓的變化,接收一方把變化的電壓還原成通訊的數(shù)據(jù),其工作原理如圖3-16。由于總線電壓是由BUSL1和BUSL2之間的電壓差定義的,通訊距離將影響兩者之間電壓差。為了使通訊與距離無關(guān),接收引人具有延遲作用的電容Csc。這樣,當(dāng)總線電壓變化時,比較器的輸出就可以檢測總線電壓前一個時刻的值和當(dāng)前值的變化,產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸出。連接在引腳CS上的電容Csc,其充電電流和放電電流是不一樣的,前者約為后者的40倍。這個比例關(guān)系是根據(jù)HART協(xié)議協(xié)調(diào)的〔主要滿足在通訊時"1"較少的情況下,也能保證Csc上的電壓。因為HART協(xié)議中空閑位表示為"1",在設(shè)計時應(yīng)該使用TS1、RX1做通訊端,這樣使系統(tǒng)有較小的電流消耗。1BUSL2儀表總線接入端22VB整流后總線電壓輸出3STC供電濾波電容連接端4RIDD電流調(diào)節(jié)電阻連接端5PF掉電信號指示輸出端6SC接收延遲電容連接端7TX1反相數(shù)據(jù)輸出8TX正相數(shù)據(jù)輸出9BAT備用電源邏輯輸入端10VS總線供電/電池供電選擇輸出11VDD3.3V穩(wěn)壓輸出12RX正相數(shù)據(jù)輸入13RX1反相數(shù)據(jù)輸入14RIS發(fā)送調(diào)制電流調(diào)節(jié)輸入端15GND地16BUSL1儀表總線接入端1圖3-14圖3-14TSS721A引腳功能定義圖3-15圖3-15TSS721A發(fā)送原理示意圖圖3-16圖3-16TSS721A接收原理示意圖3.10.2TSS721A芯片與單片機接口電路設(shè)計為了布線方便,采用異步串行通信。所選取的PIC6F877微處理器內(nèi)部含有USART模塊。該模塊內(nèi)部包含波特率設(shè)置部分、接收部分、發(fā)送部分以及接口部分。接口電路如圖3-17所示。圖3-17TSS圖3-17TSS721A的接口電路USART模塊帶有一個8位的波特率發(fā)生器BRG,實際就是波特率時鐘發(fā)生器,為串行信息幀格式中每一位編碼的發(fā)送和接收檢測提供定時時鐘。它可以支持USART的同步方式和異步方式。利用寄存器SPBRG來定義一個8位定時器的循環(huán)周期,以實現(xiàn)對波特率的控制。分頻比有BRGH位和SYNC位設(shè)定為1：4、1：16或1：64.信號波特率的設(shè)置由分頻因子N和所需的波特率<9600bps>來決定,數(shù)據(jù)的傳送或接收主要是通過一個移位寄存器。接收時移位寄存器將接收來的數(shù)據(jù)流組合滿一個字節(jié),就保存到接收緩存RCREG;發(fā)送時,將發(fā)送緩存TXREG內(nèi)的數(shù)據(jù)一位一位地送到發(fā)送端口。TSS721A的8位撥段開關(guān)用來設(shè)置總線上斷路器的惟一地址。上位機通過尋址的方式來實現(xiàn)和微處理器PIC6F877之間的通信。每次主機對某一地址呼叫,只有地址像相符的從機才可以識別呼叫并做出相應(yīng)的響應(yīng)。所采用的通信協(xié)議是半雙工通信協(xié)議。3.10.3小結(jié)本模塊的作用是通過從機接收芯片,M-BUS總線,以及M-BUS適配器與監(jiān)控中心的上位機通信,通訊接口電路是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵,它關(guān)系到數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。作為一個自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),如果數(shù)據(jù)不能輸出,整個系統(tǒng)是毫無意義的。3.11電源的設(shè)計本設(shè)計中的電源主要有三種：±5V和+12V?！?V的電源是供給各種集成器件以及單片機使用的；+12V的電源是供給放大器使用的。由于單片機和傳感器需要不同的兩種電源：模擬電源與數(shù)字電源,數(shù)字電路的頻率高,模擬電路的敏感度強,為防止它們之間互相干擾,應(yīng)分別設(shè)計。3.11.1電源選擇傳統(tǒng)的單片集成穩(wěn)壓電源,具有體積小,可靠性高,使用靈活,價格低廉等優(yōu)點,但外圍電路復(fù)雜,需要進行濾波等。新型集成的穩(wěn)壓電源出價格外在各方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的集成電源,本次設(shè)計選用HV-2405E。HV-2405E是美國HARRIS公司推出的一種高效率、無變壓器輸出的降壓式AC-DC轉(zhuǎn)換器。HV-2405E的主要特點有：不需要電源變壓器就能進行整流、濾波,將高壓交流電變換成低壓直流電；具有極寬的電壓輸入范圍,在輸入電流交流電壓為15～275V時均能輸出穩(wěn)定的5V直流電壓；輸出電壓可在5～24V之間自由調(diào)整；最大輸出電流為50mA；采用DIP-8封裝,外圍元件少,整個變換器的面積小于0.14平方英寸；工作溫度范圍為-40℃～+85℃引腳功能圖3-18圖3-18HV-2405E引腳功能定義引腳號引腳名稱引腳功能1ACRETURN交流電壓輸入2PRE-REG電壓預(yù)置控制3GND接地4INHIBIT禁止、抑制控制端5VSENSE基準(zhǔn)電壓6VOUT穩(wěn)壓輸出腳7NC空腳8ACHIGH交流電壓輸入3.11.2接線電路圖3-19電源模塊接線電路圖3-19電源模塊接線電路在圖3-19中,HV2405E的5腳輸出5V額定電壓,6腳輸出可以調(diào)整的電壓。Q2、Z2、R40、R41、R43、R44組成輸入電壓過壓保護電路：由于Z2作用,R40左端電壓為Z2的穩(wěn)壓值5.1V,該電壓經(jīng)過R40、R41分壓,使Q2發(fā)射極電壓穩(wěn)定在3.2V,在電源電壓不高于230V時,R44上的壓降低于3.9V,Q2截止,HV2405E的禁止端4腳懸空,電路正常工作；當(dāng)電源電壓高于230V時,R3上的壓降將高于3.9V,該電壓使Q2的基極電壓高于發(fā)射極電壓0.7V,Q1飽和導(dǎo)通,HV2405E內(nèi)部電路停止工作,切斷輸出電壓,有效的保護負(fù)載和HV2405E不至于過壓損壞。-5V電源采用傳統(tǒng)的單片集成穩(wěn)壓電源,接線圖如3-20所示：圖圖3-20-5V電源設(shè)計接線圖3.11.3電源的抗干擾技術(shù)單片機應(yīng)用系統(tǒng)中最重要且危害最嚴(yán)重的干擾來源于電源的污染。由于電源通常是由市電電網(wǎng)經(jīng)變換后得到的,隨著工業(yè)的迅速發(fā)展,市電電網(wǎng)電源污染問題越來越嚴(yán)重,各種干擾極易耦合到供電線路中。同時,電源本身也會產(chǎn)生干擾,對本設(shè)計有較大影響的是電網(wǎng)干擾和電源干擾,因此,為了減少干擾因素,需要在設(shè)計時采用一系列抗干擾的措施,這里主要包括電源接地和電源濾波技術(shù)。電源接地時應(yīng)遵循以下原則：在接地面上,電源接地和數(shù)字信號接地相互隔離,減少地線間的耦合。分別建立交流、直流和數(shù)字信號的接地通路。將幾條接地通路接到電源公共點上,以保證電源電路有低的阻抗通道。電源濾波的主要目的是抑制在電源線上的傳導(dǎo)高頻干擾。單片機應(yīng)用系統(tǒng)電源濾波不僅能有效地防止外界環(huán)境的電磁干擾傳入系統(tǒng),而且能有效地抑制系統(tǒng)本身產(chǎn)生的干擾向外界傳遞,造成電磁環(huán)境污染,同時還能較好地克服電源本身產(chǎn)生的干擾信號對系統(tǒng)工作的影響。單片機系統(tǒng)的電源濾波通常包括交流端的濾波和直流端的濾波。本次設(shè)計不只做了直流端濾波,還有交流端濾波。直流端的濾波主要是抑制整流電路和開關(guān)電路所產(chǎn)生的高頻干擾,通常用電容濾波就足夠了。如圖3-19所示,輸入采用容量較小的電容改善紋波和抑制輸入的過電壓保證集成三端穩(wěn)壓器的輸入-輸出電壓差不會瞬間超過允許值；輸出采用容量較小的電容改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。3.11.4小結(jié)本次設(shè)計采用新型集成電源模塊,接口簡單,工作可靠。特別是輸入范圍寬,輸出電壓可在5～24V之間自由調(diào)節(jié),應(yīng)用非常方便。第四章軟件設(shè)計單片機系統(tǒng)只有硬件還不能工作,必須有軟件<即程序>來控制系統(tǒng)運行。本系統(tǒng)雖然涉及到的功能不多,但由于大部分模塊均要求實時工作,相互配合密切,對軟件設(shè)計提出了很高的要求,因此軟件設(shè)計就成為本系統(tǒng)能否成功實現(xiàn)的重點,也是難點。我們采用匯編語言編寫源程序,整個程序采用模塊化結(jié)構(gòu),各部分模塊分工明確,具有代碼效率高、維護方便、占用存儲空間少等特點。4.1系統(tǒng)軟件的設(shè)計思想系統(tǒng)軟件設(shè)計思想為:系統(tǒng)上電復(fù)位后,各模塊初始化,其中包括單片機PIC16F877、通信模塊和LCD液晶顯示模塊等,以確定定時參數(shù)、復(fù)位周期、主頻、波特率等。在主程序中不斷查詢調(diào)用各種模塊功能的標(biāo)志位,而各種標(biāo)志位的置位是采用中斷功能完成的。這樣的安排是單片機采用中斷提高工作效率,又不在中斷中調(diào)用子程,使程序及時退出中斷,不存在中斷嵌套問題,簡化了軟件設(shè)計。4.2系統(tǒng)主程序的設(shè)計如圖4-1為本系統(tǒng)主程序流程圖。系統(tǒng)上電后先進行系統(tǒng)初始化,然后開中斷,接著程序進入主循環(huán)。主循環(huán)中通過判斷各標(biāo)志位,調(diào)用各模塊子程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)據(jù)采集,液晶顯示,報警,以及上位機與下位機的通訊。4.3系統(tǒng)子程序的設(shè)計整個軟件系統(tǒng)中主要包括如下子程序：定時器中斷子程序、AD轉(zhuǎn)換子程序、鍵盤子程序、LCD顯示子程序、初始化子程序、解除報警子程序以及通訊子程序等。4.3.1定時器/計數(shù)器子程序本次設(shè)計要求系統(tǒng)對SF6斷路器室內(nèi)的溫度、濕度、壓力一分鐘采集一次。由于定時時間比較長,必須用定時器與計數(shù)器配合使用才能完成。但PIC6F877單片機集成的定時器/計數(shù)器TMR1可以借助于自帶的低頻時基振蕩器,實現(xiàn)實時時鐘。利用實時時鐘可以簡化軟件設(shè)計。TMR1模塊具有一個由受控三態(tài)門構(gòu)成的低頻低功耗晶體振蕩器,用來為TMR1提供獨立于系統(tǒng)時鐘的時間基準(zhǔn)信號,如圖4-2.只有當(dāng)使能端TIOSCEN設(shè)置為高電平時,振蕩器才能夠工作。該振蕩器利用兩條外接引腳跨接石英晶體,構(gòu)成電容三點式振蕩電路。工作頻率取決于晶體,不同頻率需要配接不同的外接電容。NNNNYYY初始化采樣時間到溫度采集及數(shù)據(jù)處理濕度采集及數(shù)據(jù)處理壓力采集及數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)超限否FLAGE==1?開始報警調(diào)用顯示子程主程序流程圖調(diào)用從機回應(yīng)主機子程序本次設(shè)計使用外接32.768kHz的電子鐘表通用的,廉價易購的微型石英晶體。理由是,對該頻率進行15級分頻之后,便可以得到"秒"時基信號。利用這個獨立于系統(tǒng)時鐘的時基信號,再配合下面的中斷程序,就可以完成一分鐘定時。圖4-2TMR1自帶時基振蕩器接線圖圖中斷服務(wù)子程序設(shè)計如下,一秒定