電力變壓器冷卻系統(tǒng)畢業(yè)設計模板

電力變壓器冷卻系統(tǒng)畢業(yè)設計資料內容僅供參考，如有不當或者侵權，請聯系本人改正或者刪除。摘要本設計針對電力變壓器冷卻系統(tǒng)中使用常規(guī)控制系統(tǒng)時存在的控制回路復雜、可靠性低、風機保護方式簡單、油溫測量精度低、控制誤差大、無法進行遠程通訊等問題,設計了一套智能化變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)以PIC16F877單片機為核心,實現了對變壓器油溫的實時采集、LED顯示、數據無線傳輸,并參考油溫變化對風機的運行狀況進行實時控制。風機側完善的保護裝置為CPU提供準確的風機故障信號,提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。關鍵詞:單片機、變壓器冷卻系統(tǒng)、風機故障、油溫采集

ABSTRACTThepaperintroducesanewsmartoftransformertemperaturemonitoringsystem.It’sagreatchangeforthepowertransformercoolingsystem.Suchastheexistenceofcomplex,lowreliability,asimpleblowerprotection,lowtemperaturemeasurementaccuracy,controlerrors,andnotachievinglong-distancecommunications,ect.ThecontrolsystemusesthePIC16F877toachievethereal-timeacquisition,LEDdisplay,datawirelesstransmission,andtakingintoaccountairtemperaturechangeontheoperationofthestateofreal-timecontrol.TheCPUfancouldprovideaccuratefaultsignal,sothatitimprovesthestabilityofthesystem.Keywords:SCM(SingleChipMicyoco),transformercoolingsystem,FanFailure,Oiltemperature`scollection

目錄摘要 1ABSTRACT 2緒論 5第一章設計任務及要求 6第一節(jié)畢業(yè)設計的任務 6第二節(jié)畢業(yè)設計的要求 6第二章系統(tǒng)的設計方案 8第一節(jié)系統(tǒng)工作的一般原理 8第二節(jié)智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案 82.1方案一 92.2方案二 102.3方案三 12第三節(jié)設計方案的確定 13第三章硬件電路設計 16第一節(jié)單片機的選型 16第二節(jié)振蕩器配置選擇 182.1晶體振蕩器/陶瓷諧振器方式 182.2RC振蕩器 20第三節(jié)溫度采集電路模塊設計 223.1溫度檢測電路 223.2光電耦合隔離放大電路 24第四節(jié)按鍵輸入和顯示電路部分設計 294.1按鍵輸入電路模塊設計 294.2顯示電路部分設計 29第五節(jié)無線通信系統(tǒng)的設計 33第六節(jié)主回路部分設計 386.1風冷機的保護簡要介紹 386.2輸出驅動電路設計 38第七節(jié)直流電源的設計 46第四章軟件部分設計 50第一節(jié)軟件需求分析 50第二節(jié)各模塊的流程圖 52第五章設計總結 60致謝 62參考文獻 63附錄一程序清單 64附錄二元器件明細表 78緒論近年來,隨著中國電力事業(yè)的飛速發(fā)展,電力變壓器是發(fā)、輸、變、配電系統(tǒng)中的重要設備之一,它的性能、質量直接關系到電力系統(tǒng)運行的可靠性和運營效益。電力變壓器是電力系統(tǒng)運行的核心設備之一,因此,電力變壓器安全可靠的運行是電力系統(tǒng)正常運行的根本保障。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)風冷或強迫油循環(huán)風(水)冷,使熱油經過強風(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采用導向冷卻,在繞組和鐵心內部,設有一定的油路,使進入油箱內的冷油全部經過繞組和鐵芯內部流出,這樣帶走了大量的熱量,能夠提高散熱效率。變壓器冷卻系統(tǒng)決定了變壓器的正常使用壽命及能否正常運行,因此變壓器的冷卻系統(tǒng)對變壓器的安全經濟運行又極其重要的意義。在發(fā)電廠或變電所,風冷式變壓器采用多組風機降溫,控制變壓器的油溫在額定范圍之內,保證變壓器正常工作。為了提高電力系統(tǒng)運行的可靠性和延長變壓器的使用壽命,應該對變壓器的油溫進行實時監(jiān)控。當前,還有許多變壓器采用由電接點式溫度計采集、顯示變壓器油溫,控制風機的啟動和停止,實現變壓器的溫度控制,在實際運行中,由于風機啟動時全部投入,同時全部停止,沖擊電流較大,嚴重影響了電機的使用壽命。且由于無法和控制室聯系,因此無法實現變壓器的無人控制,增加了運行成本。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、操作復雜、抗干擾能力差,給工程現場的使用也帶來了很大不便。隨著單片機技術的不斷發(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行過程中存在的問題,能夠采用的智能溫度控制系統(tǒng),實現溫度的自動采集、顯示、風機的順序起停。根據現場運行要求,本設計選用了PIC16F877單片機構成變壓器溫度控制系統(tǒng),設備操作簡單,用戶可經過面板按鍵輕松設定控制風機起停、報警及跳閘閥值,所有設定參數掉電后均不會丟失。溫度采集精度很高,而且采取了很多措施來保護電機,如過載、缺相保護等。由于工業(yè)現場的環(huán)境較惡劣,會對系統(tǒng)產生很大的干擾,設計采取了抗干擾措施,在集成電路的電源入口處加了濾波電容,且送入單片機的信號都經過了光耦隔離。最后經過無線通信實現遠程監(jiān)控,控制室經過無線通信及時掌握現場的運行情況,可任意對各種事故做出及時地反映,實現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、抗干擾能力強的特點,所有器件的選擇均滿足工業(yè)級標準,并適合高溫環(huán)境。由于采取了以上措施,能夠保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作,設計具有很好的擴展性,能滿足各種型號變壓器的要求。第一章設計任務及要求第一節(jié)設計任務在我們的生活中,電力安全是至關重要的,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)中常見的油浸風冷式電力變壓器多采用多組風機降溫,控制變壓器的油溫在工藝要求的范圍之內。當前現場還有相當數量的油浸風冷電力變壓器由電接點式溫度計采集、顯示變壓器油溫,控制風機的啟動和停止,實現變壓器的溫度控制,即在變壓器油溫大于上限溫度時啟動全部風機,當油溫降至下限溫度時停止全部風機。而實際運行中這種控制方式有不少的缺點,如風機啟動時全部投入,沖擊電流太大,不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行。針對以上種種問題,要求本設計選用一款集成度較高的單片機,并采用無線通信技術,設計一個電力變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng),對現有落后的溫度控制系統(tǒng)進行改造,滿足自動化要求。設計主要完成的工作。本設計須完成風冷式電力變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)的主機部分的設計,主要包括以下工作:(1)收集電力變壓器溫度控制系統(tǒng)的控制原理的實際資料,確定要保證變壓器風冷系統(tǒng)正常運行及實現無人值班所需的遠程通訊功能,必須采用以單片機為核心的控制系統(tǒng)來完成;為保證風機能可靠安全運行,必須收集一既能被單片機驅動又能保證風機可靠運行的元件。(2)方案設計。(3)確定系統(tǒng)配置及功能,并根據系統(tǒng)功能要求完成系統(tǒng)硬件設計。(4)根據設計原則完成控制系統(tǒng)的軟件設計。(5)撰寫設計說明書,繪制系統(tǒng)電路原理圖。(6)完成指定內容的外文資料翻譯。第二節(jié)設計要求2.1畢業(yè)設計的主要內容(1)完成系統(tǒng)設計;(2)選擇合適的單片機,作為主機CPU;(3)獨自完成主機硬件、軟件設計,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計、程序設計及調試;(4)完成相關的設計圖紙繪制和設計說明書撰寫,經過畢業(yè)設計答辯。2.2設計實現的主要功能(1)將采集到的油溫在就地和遠端(控制室)用LED實時顯示油溫,主機和從機之間的通訊采用無線通信方式;(2)系統(tǒng)設置自動、手動、停止三種運行方式,正常時采用自動方式運行,主控板檢修時采用手動方式運行,而且能夠靈活選擇運行方式。(3)在自動方式運行下,當變壓器油溫超過上限時,風機全部投入;當溫度低于工藝下限時,風機全部停止;當溫度由高下降到上限和下限的中間值時,只投入3組風機;在投入3組風機的狀態(tài),先運行的3組風機運行1小時后(這三組風機在變壓器周圍間隔安裝),自動切換到另外3組(這三組風機也在變壓器周圍間隔安裝),1小時后又切換到原來的3組,如此交替運行,既延長風機的使用壽命,又能使變壓器均勻降溫。溫度上限值和下限值能夠經過硬件靈活設置,以適應不同類型和不同環(huán)境使用的變壓器;變壓器油溫超過上限值時,風機群全部投入運行時,采用順序啟動方式依次啟動,防止啟動電流過大情況發(fā)生造成設備損壞;(4)系統(tǒng)具有故障自診斷功能,當某一風機工作異常時如過壓、缺相、過載時,系統(tǒng)能夠在現場和控制室發(fā)出報警信號,顯示故障類型和故障發(fā)生的位置,便于工作人員及時進行設備檢修;(5)系統(tǒng)設置正常運行、故障運行、油溫超過75℃(6)本設計中油溫的上限缺省值為55℃,下限缺省值為45(7)系統(tǒng)要采用必要的抗干擾措施(包括硬件和軟件)。2.3主要技術指標控制系統(tǒng)的工作電源為220V/50HZ的工頻交流電,容量為31500KVA;風機有6組,每組2個風機,均勻排列在變壓器四周,每個風機功率為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℃。第二章系統(tǒng)的設計方案第一節(jié)系統(tǒng)工作的一般原理傳統(tǒng)的電力變壓器由人工控制風機,每臺變壓器有6組風冷式電動機需要控制,每組風機的保護經過熱繼電器實現,控制風機電源回路經過接觸器,而風機啟停的邏輯判斷經過測量變壓器的油溫和變壓器的過負荷實現,工作原理如圖2-1所示。主電路控制元件采用了接觸器,靠機械觸點來實現對風機的驅動。這種方式對風機的控制只能由人工完成,風機同時全部投入,同時全部停止,啟動時沖擊電流很大,會對器件造成損傷。當溫度在45℃-55℃時,一般采用全部投入的方式,不利于節(jié)能,也不利于設備的維護。控制器系統(tǒng)采用繼電器、熱繼電器、接觸器邏輯電路控制,控制邏輯顯得很復雜,在運行過程中會出現三相三相電源接觸器熱繼電器風冷電機變壓器過負荷變壓器油溫檢測機電邏輯處理系統(tǒng)圖2-1傳統(tǒng)風冷機工作原理圖第二節(jié)智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案本設計以PIC16F877單片機為核心完成系統(tǒng)的設計,要求對油溫進行實時采集,將采集結果送入MCU進行處理,然后按照工藝要求進行相應的控制,實現對變壓器溫度的全自動遠程和就地監(jiān)控,系統(tǒng)要具有完善的保護功能,包括過壓、過載、缺相檢測和保護,還要具備故障自診斷功能,在故障出現時,給出故障信息,顯示故障類型,便于工作人員及時進行檢修;使用無線通信方式實現變壓器控制器與中心控制室之間的數據通信。使用戶隨時了解變壓器及風機運行情況,實現遠程溫度控制。整個課題包括系統(tǒng)設計,主機溫度信號采集與調理電路設計,主機LED顯示電路設計,主控電路設計,缺相檢測與保護電路設計,過載保護與檢測電路設計,從機設計,從主機LED顯示電路設計,無線通信電路設計,主電路設計,主機從機電源設計,系統(tǒng)軟件流程圖設計,軟件編程等。溫度信號的采集在設計中是最重要的部分之一,其能夠采用鉑電阻電橋組成的溫度檢測電路,也能夠使用溫度傳感器來實現。2.1方案一:溫度檢測電路經過預埋在變壓器中的鉑電阻傳感器獲得油溫信號[3],經信號調理電路處理后直接送入控制器的A/D轉換輸入端,PIC單片機根據信號數據及設定的各種控制參數,按照程序自動計算與處理,自動顯示變壓器油溫,并輸出相應的控制信號,控制風機的起停,電機的保護電路包括過壓,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數碼管,特別適用于需要I/O口較多的系統(tǒng)。信號經過無線通信芯片nRF401傳輸到控制室,以便對現場情況及時做出反應。方案采用PIC16F877單片機,PIC處理器具有不同于一般微處理器的許多特性,它給出最大系統(tǒng)可靠性,經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等。PIC16F877共有A口、B口、C口、D口、E口五組I/O口,完全能夠滿足本系統(tǒng)的要求,另外在其中嵌入一個8輸入通道的A/D模塊,不需要專門的芯片進行A/D轉換;CCP模塊可提供外部信號的捕捉、內部比較輸出、及脈寬調制PWM功能;中斷源多,具有看門狗定時器和睡眠功能;還能夠在線串行編程、在線調試。顯示電路采用MAX7219,其只需要三根線就可可控制八個數碼管,特別適用于需要I/O口較多的系統(tǒng)。MAX7219為8位LED顯示驅動電路,能夠連續(xù)的驅動8位7段數據顯示。在芯片內部集成了一個BCD譯碼器,段地址和位地址驅動以及一個88位的靜態(tài)隨機存儲器。只需要一個外部電阻,就能夠正確地驅動所有LED的段地址。信號經過無線通信芯片nRF401傳輸到控制室。以便對現場情況及時做出反應。nRF401是一個433MHz工業(yè)、科學、醫(yī)用頻段設計的真正單片無線收發(fā)芯片,它采用頻移鍵控調制技術。nRF401發(fā)射速率可達20kb/s,發(fā)射功率可調,最大發(fā)射功率10dBm,接收靈敏度-105dBm,具有工作半徑大、適應性強的特點。天線接口設計為差分天線,便于使用低成本的印刷電路板天線。nRF401還有待機工作方式,能夠更省電和高效。另外,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。PICPIC16F877單片機按鍵輸入電源變壓器油溫采集模塊主回路控制模塊nRF401通訊電路LED顯示電路光電耦合電路圖2-2溫度控制系統(tǒng)框圖2.2方案二:溫度檢測采用由DALLAS半導體公司生產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,只用一條數據線就可實現與MCU的通信。它具有體積小,接口方便,傳輸距離遠等特點。顯示采用單片機的RA口擴展四片串并轉換的移位寄存器74LS164驅動四只1.5寸共陽數碼管,實時顯示變壓器的溫度。復位電路采用MAXMAX6304芯片來實現單片機系統(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。(一)溫度檢測電路的設計溫度檢測采用由DALLAS半導體公司生產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、軍事等領域的溫度測量及控制儀器、測控系統(tǒng)和大型設備中。它具有體積小、接口方便、傳輸距離遠等特點。DS18B20單總線數字傳感器工作溫度范圍是-55℃～125℃,在-30℃～85℃范圍內溫度測量精度為圖2-3DS18B20引腳分布圖報警溫度,且設置值掉電不丟失;采用DALLAS公司特有的單總線通信協(xié)議,只用一條數據線就可實現與MCU的通信;另外,DS18B20能夠直接從數據線獲得電源,無需外部電池供電[4]。DS18B20與單片機的接口電路如圖2-3所示。I/O為數字信號輸入/輸出端,GND為電源地,VDD為外接供電電源輸入端(在寄生電源接線方式時接地)。DS18B20主要由四部分組成:64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的。相當于給每個DS18B20分配了一個獨一無二的64比特地址序列碼,這就允許多個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)的應用。溫度傳感器完成對溫度的測量,溫度報警觸發(fā)器TH和TL以及配置寄存器的設置值均以一個字節(jié)的形式存儲在EEPROM中,使用一個存儲功能命令可對其寫入。(二)顯示部分能夠用數碼管顯示,電路如下圖2-4所示。采用了MAX7219驅動器,對溫度值進行實時輸出顯示,根據精度要求,設置一位小數。圖2-4LED顯示電路(三)鍵盤輸入單片機監(jiān)電路設計的好壞,直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。在設計完單片機系統(tǒng),并在實驗室調試成功后,在現場卻出現了”死機”、”程序跑飛”等現象,而用仿真器調試時卻無此現象發(fā)生或極少發(fā)生此現象。有時會發(fā)現在關閉電源后的短時間內再次開啟電源,單片機系統(tǒng)會工作不正常,這些都很可能是由單片機監(jiān)控電路設計的不可靠引起的。單片機監(jiān)控電路主要有監(jiān)控和看門狗兩個功能。(四)通訊電路設計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來實現無線通信。CC1000是根據Chipcon公司的SmartRF技術,在0.35μmCMOS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很容易經過編程使其工作在300～1000MHz范圍內。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。其FSK可達72.8Kbps,具有250Hz步長可編程頻率能力,適用于跳頻協(xié)議;主要工作參數能經過串行總線接口編程改變,使用非常靈活。CC1000可經過簡單的三線串行接口(PDATA、PCLK和PALE)進行編程,有36個8位配置寄存器,每個由7位地址尋址。一個完整的CC1000配置,要求發(fā)送29個數據幀,每個16位(7個地址位,1個讀/寫位和8個數據位)。PCLK頻率決定了完全配置所需的時間。在10MHz的PCLK頻率工作下,完成整個配置所需時間少于60μs。在低電位模式設置時,僅需發(fā)射一個幀,所需時間少于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,每個數據幀中7個最重要的位(A6:0)是地址位,A6是M鍵盤(最高位),首先被發(fā)送。下一個發(fā)送的位是讀/寫位(高電平寫,低電平讀),在傳輸地址和讀/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個數據位(D7:0),PDATA在PCLK下降沿有效。當8位數據位中的最后一個字節(jié)位D0裝入后,整個數據字才被裝入內部配置寄存器中。經過低電位狀態(tài)下編程的配置信息才會有效,可是不能關閉電源[5]。微控制器使用3個輸出引腳用于接口(PDATA、PCLK、PALE),與PDATA相連的引腳必須是雙向引腳,用于發(fā)送和接收數據。提供數據計時的DCLK應與微控制器輸入端相連,其余引腳用來監(jiān)視LOCK信號(在引腳CHP_OUT)。當PLL鎖定時,該信號為邏輯高電平。2.3方案三:溫度檢測采用美國模擬器件公司(ADI)生產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,具有測溫誤差小,動態(tài)阻抗低,傳輸距離遠,體積小,微功耗等特點。AD590配以ICL7016型單片A/D轉換器即可構成三位半液晶顯示的溫度傳感器,通信采用RS-485標準。(一)溫度采集電路AD590是由美國哈里斯(Hrris)公司、模擬器件公司(ADI)等生產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,具有測溫誤差小、動態(tài)阻抗響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等優(yōu)點,適合遠距離測溫、控溫,不需要進行線性校準。AD590屬于采用激光修正的精密集成溫度傳感器。該產品有3種封裝形式;TO-52封陶瓷封裝(測溫范圍是-55—+150℃)。不同公司產品的分檔情況及技術指標可能會有一些差異。例如,由ADI公司生產的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個管腳:1腳為正極,2腳是負極,3腳是接管殼。使用時將3腳接地,可起到屏蔽作用。AD系列產品以AD590M的性能最佳,其測溫范圍是-55—+150℃,最大非線性誤差為0.3℃,相應時間僅20μAD590等效于一個高阻抗的恒流源,其輸出阻抗大于10MΩ,能大大減小因電源電壓從5V變化到10V時,所引起的電流最大變化量僅為1μA,等價于1℃的測溫誤差。AD590的工作電壓為+4—+30V、測溫范圍是+55—+150℃,對應于熱力學溫度T每變化1K,輸出電流就變化1μA。在298.15K(對應于25.15℃(二)通訊電路RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實現通信:在發(fā)送端TXD將串行口的TTL電平信號轉換成差分信號A、B兩路輸出,經傳輸后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。兩條傳輸線一般使用雙絞線,又是差分傳輸,因此有極強的抗共模干擾的能力,接收靈敏度也相當高。同時,最大傳輸速率和最大傳輸距離也大大提高。如果以10Kbps速率傳輸數據時傳輸距離可達12m,而用100Kbps時傳輸距離可達1.2km。如果降低波特率,傳輸距離還可進一步提高。另外RS-485實現了多點互聯,最多可達256臺驅動器和256臺接收器,非常便于多器件的連接。不但能夠實現半雙工通信,而且能夠實現全雙工通信。半雙工通信芯片有SN75176、SN75276、SN75LBC184、MAX485、MAX3082、MAX1482等。全雙工通信的有SN75179、SN75180、MAX488～491、MAX1482等[6]。第三節(jié)設計方案的確定根據上一節(jié)中三個設計方案,下面對這三種設計方案進行比較:在方案二中,溫度檢測采用由DALLAS半導體公司生產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,傳輸距離遠等特點。但價格較高。顯示采用單片機的I/O口擴展四片串并轉換的移位寄存器74LS164驅動四只1.5寸共陽級數碼管,實時顯示變壓器的溫度。占用了較多的I/O口,使系統(tǒng)的可擴展性受到了一定的限制[7]。復位電路采用MAX6304芯片來實現單片機系統(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。本設計的成本較高,但可靠性更強,適用于對可靠性要求較高且不在乎成本的場合。在方案三中,溫度檢測采用美國模擬器件公司(ADI)生產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,具有測溫誤差小,動態(tài)阻抗低,傳輸距離遠,體積小,微功耗等特點。AD590配以ICL7016型單片A/D轉換器即可構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標準。此方案具有很高的可靠性,液晶具有很多優(yōu)點,能夠實現漢字的顯示等,但設計中要求在較遠的距離就能夠觀察到溫度值,因此這里采用液晶不能滿足要求。故不選用此方案。在方案一中,單片機選用了PIC16F877,具有高性能、高可靠性、端口多等優(yōu)點。溫度檢測電路使用內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,顯示電路使用MAX7219只占用三個I/O口連線較少,容易實現。通信芯片nRF401,其通信距離遠,且不用編碼,軟件較容易實現。另外本方案還具有很好的經濟性和可擴展性,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比。根據上面對三個設計方案的說明比較能夠看出,方案一具有較好的抗干擾性,可擴展,經濟性較好,而且采用無線通訊,具有較高的性價比。因此在本設計中采用了方案一。具體的硬件框圖如下所示。圖2-5溫度控制系統(tǒng)結構框圖如上系統(tǒng)框圖所示,本設計以PIC16F877單片機為核心完成系統(tǒng)的設計,要求對油溫進行實時采集,將采集結果送入MCU進行處理,然后按照工藝要求進行相應的控制,實現對變壓器溫度的全自動遠程和就地監(jiān)控,系統(tǒng)要具有完善的保護功能,包括過壓、過載、缺相檢測和保護,還要具備故障自診斷功能,在故障出現時,給出故障信息,顯示故障類型,便于工作人員及時進行檢修;使用無線通信方式實現變壓器控制器與中心控制室之間的數據通信。使用戶隨時了解變壓器及風機運行情況,實現遠程溫度控制。溫度檢測電路經過預埋在變壓器中的鉑電阻傳感器獲得油溫信號,經信號調理電路處理后直接送入控制器的A/D轉換輸入端,PIC單片機根據信號數據及設定的各種控制參數,按照程序自動計算與處理,自動顯示變壓器油溫,并輸出相應的控制信號,控制風機的起停,電機的保護電路包括過壓,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數碼管,特別適用于需要I/O口較多的系統(tǒng)。信號經過無線通信芯片nRF401傳輸到控制室。以便對現場情況及時做出反應。nRF401是一個433MHz工業(yè)、科學、醫(yī)用頻段設計的真正單片無線收發(fā)芯片,它采用頻移鍵控調制技術。nRF401發(fā)射速率可達20kb/s。發(fā)射功率可調,最大發(fā)射功率10dBm,接收靈敏度-105dBm,具有工作半徑大、適應性強的特點。天線接口設計為差分天線,便于使用低成本的印刷電路板天線。nRF401還有待機工作方式,能夠更省電和高效。另外,該芯片只需少量外圍元件,使用十分方便。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計說明將在下一章節(jié)中作具體的闡述。第三章硬件電路設計第一節(jié)單片機的選型硬件電路是整個設計的核心,而單片機又是硬件電路的核心,因此單片機的選擇顯得至關重要。由于有溫度檢測,需要A/D轉換,且需要較多的I/O口,因此單片機采用PIC系列微控制器[8]。PIC系列單片機具有以下幾個大的特點:(1)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,易學易用,相對于采用CISC結構的單片機可節(jié)省30%以上的開發(fā)時間,2倍以上的程序空間。(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)標準,指令的執(zhí)行速度比一般的單片機要快4～5倍。(3)低功耗:PIC采用CMOS設計結合了諸多的節(jié)電特性,使其功耗較低,PIC百分之百的靜態(tài)設計可進入休眠省電狀態(tài)而不影響喚醒后的正常工作。(4)低價實用:PIC配備有OTP型、EPROM型和FLASH型諸多形式的芯片,其OTP型芯片的價格很低。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品開發(fā)工具和大量的子程序庫和應用例程,使產品開發(fā)更容易和更快捷。根據設計的要求,綜合多方面的因素,我選擇了PIC16F87X系列的PIC16F877單片機,它與其它3種單片機性能對照表如下所示。主要特征PIC16F873PIC16F874PIC16F876PIC16F877工作頻率DC～20MHzDC～20MHzDC～20MHzDC～20MHz復位(與延時)POR,BOR(PWRT,OST)POR,BOR(PWRT,OST)POR,BOR(PWRT,OST)POR,BOR(PWRT,OST)FISA程序存儲器/K4488數據存儲器/字節(jié)192192368368EERROM數據存儲器/字節(jié)128128256256中斷13141314I/O端口A,B,C端口A,B,C,D,E端口A,B,C端口A,B,C,D,E端口定時器/計數器3333捕捉/比較/脈沖調制(PWM)2222串行通信MSSP,USARTMSSP,USARTMSSP,USARTMSSP,USART并行通信--PSP--PSP10位模數轉換模塊5個輸入通道8個輸入通道5個輸入通道8個輸入通道指令數/條35353535表3-1四種單片機性能比較表PIC16F877單片機是高性能類—RISCCPU,一共有35條單字指令,除程序分支是雙周期指令外,其它所有的指令都是單指令。工作速度:DC～20MHz時鐘輸入,DC～200ns指令周期。具有高達8K字(14位字長)的FIASH程序存儲器;高達368字節(jié)的數據存儲器(RAM);高達256字節(jié)的EEPROM數據存儲器。中斷能力多達14個內部/外部中斷源。該單片機具有8級硬件堆棧,上電復位電路(POR)及上電延時定時器(PWRT)和振蕩器起振定時器(OST),帶有片內RC振蕩器的監(jiān)視定時器(WDT)以保證可靠工作。它的可編程代碼具有保護功能,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CMOSFLASH/EEPROM技術。經過2個引腳可進行在線調試,編程只需要5V電源,經過2個引腳可進行在線調試,處理器有通道能對程序存儲器進行讀/寫。單片機有寬范圍的工作電壓:2.0～5.5V,最大拉電流/灌電流可達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時鐘下,電源電壓為5V時,典型工作電流值小于2ma;在32kHz時鐘下,電源電壓為3V時,典型工作電流值小于20μA;典型待命狀態(tài)電流值小于1μA。外圍功能模塊特性:·定時器TMR0:帶有8位定時器/計數器?！ざ〞r器TMR1:帶有前分頻器的16位定時器/計數器,在休眠期間可經過外部晶振/時鐘增量計數?！ざ〞r器TMR2:帶有8位周期寄存器.前分頻器和后分頻器的8位定時器/計數器?！蓚€捕捉/比較/脈寬調制(PWM)模塊?！?6位的捕捉輸入的最大分辨率為12.5ns,16位的比較輸出的最大分辨率為200ns,脈寬調制(PWM)輸出的最大分辨率為10位?！?0位多通道模數轉換器(A/D)?！ぞ哂械刂返诰盼粰z測的通用異步接收器和發(fā)送器(USART/SCI)?！び赏獠縍D.WR.和控制線CS的8位寬度的并行從動端口PSP(僅用于40/44引腳芯片)?！び糜阪i定(Brown-out)復位(BOR)的鎖定檢測電路。由以上對單片機的介紹能夠看出,PIC單片機性能高,而且自身帶有10位多通道A/D轉換器,在溫度檢測信號后就不需要設計專門電路來進行A/D轉換,因此應用電路比較簡單,因此在本設計中就選用了PIC16F877單片機。第二節(jié)振蕩器配置選擇在本次設計中,我們需要用到振蕩器,下面對振蕩器做個初步的了解介紹。PIC16F87X系列芯片都能在4種不同的類型的振蕩器方式下工作,用戶能夠經過對配置寄存器中的振蕩器選擇位FOSC1和FOSC0進行編程選擇其中的一種工作方式[9]。LP方式:低功耗晶體振蕩器方式;XT方式:晶體/陶瓷諧振器方式;HS方式:高速警惕/陶瓷諧振器方式;RC方式:阻容振蕩器方式。2.1晶體振蕩器/陶瓷諧振器方式在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3-2。PIC16F87X系列芯片的振蕩器設計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;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。在這3種方式下,也能夠用外部時鐘源加在OSC1引腳上進行驅動,這時OSC2引腳能夠直接開路,如圖3-2所示。注意:(1)C1和C2的推薦值和測試范圍內的值相同,見表4、表5為石英晶體振蕩器的電容選擇。(2)采用偏大的電容值將有利于提高振蕩器的穩(wěn)定,但同時會增加起振時間;(3)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要的最佳配合外部元器件的數值;(4)為避免超過晶體驅動能力,可在HS和XT方式下加上串聯電阻Rs。圖3-2LP、XT和HS的石英/陶瓷振蕩器注:(1)C1和C2的推薦值見表3-4和表3-5。(2)對于AT方法切割的晶體需要接串聯電阻Rs。(3)RF隨石英選擇不同而變。圖3-3外部時鐘輸入工作方式測試范圍類型頻率OSC1/pFOSC2/pFXT455kHz68～10068～1002MHz15～6815～684MHz15～6815～68HS8MHz10～6810～6816MHz10～2210～22以上值僅為推薦值所使用的諧振器455kHzPanasonicEFO——A455K04B±0.3%2MHzMurataErieCSA2.00MG±0.5%4MHzMurataErieCSA4.00MG±0.5%8MHzMurataErieCSA8.00MT±0.5%16MHzMurataErieCSA16.00MX±0.5%所有諧振器都不帶內部電容值表3-4陶瓷諧振器OSC類型頻率C1/pFC2/pFLP32kHz3333200kHz1515XT200kHz47～6847～681MHz15154MHz1515HS4MHz15158MHz15～3315～3320MHz15～3315～33以上值僅為推薦值所使用的石英晶體32kHzEpsonC—001R32.768KA±20×200kHzSTDXTL200.00kHz±20×1MHzESCESC-10-13-1±50×4MHzESCESC-40-20-1±50×8MHzEpsonCA-3018.000M--C±30×20MHzEpsonCA-30120.000M--C±30×表3-5石英晶體振蕩器的電容選擇2.2RC振蕩器對定時器要求不是很高的應用,能夠采用低成本的RC振蕩器方式。RC振蕩器的頻率是電源電壓、振蕩電阻、電容C的數值和工作溫度函數,再加上由于制造中正常的工藝參數的變化,另外封裝時引腳結構分布電容的差異也會影響振蕩頻率,特別是在采用的振蕩電容值較小時,這種影響更明顯。當然,用戶還必須考慮所使用的振蕩電阻和電容變化的影響,圖3-6是PIC16F877芯片與外部振蕩電容和電阻連接的電路圖。推薦值:3k≤Rext≤≦100k;Cext﹥20pF圖3-6RC振蕩器工作方式復位PIC16F877芯片有以下幾種復位方式:(1)芯片上電復位(POR);(2)正常工作狀態(tài)下經過在外部引腳上加低電平復位;(3)在休眠狀態(tài)下經過在外部引腳上加低電平復位;(4)正常工作狀態(tài)下監(jiān)視器WDT超時溢出復位;(5)在休眠狀態(tài)下監(jiān)視器WDT超時溢出復位;(6)掉電鎖定復位(BOR)。有些寄存器的值不受任何一種復位操作的影響,當芯片上電復位時,它們的值是不確定的,并在其它形式的復位后其值保持不變。而其它大多數寄存器的上電復位、在正常工作期間用信號復位或WDT超時溢出復位,在休眠期間信號復位以及在掉電鎖存復位后都會被復位成”復位狀態(tài)”。但在休眠期間WDT超時溢出復位不會影響這些寄存器的值,這是因為這種復位被看成是一種正常的操作,故不應使任何寄存器的值發(fā)生變化。表3-7為不同復位方式下的上電延遲時間。表3-8為狀態(tài)寄存器STATUS中和位在不同復位方式下的不同的值,在軟件中能夠利用這些位來確定發(fā)生復位的方式。振蕩器配置上電掉電鎖存休眠喚醒=0=1XT、HS、LP72ms+1024102472ms+10241024RC72ms--72ms表3-7不同情況下的上電延遲時間表3-8狀態(tài)寄存器STATUS的位和它們的意義說明0X11上電復位(POR)0X0X無效,在上電復位時,被設置為10XX0無效,在上電復位時,被設置為11011掉電鎖存復位(BOR)1101WDT復位1100WDT喚醒復位11UU在正常運行時復位1110在休眠或從修面狀態(tài)中喚醒復位經過對以上進行分析說明,本設計選用了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。第三節(jié)溫度采集電路模塊設計3.1溫度檢測電路溫度是一種最基本的環(huán)境參數,在工業(yè)生產過程中需要實時測量溫度,在農業(yè)生產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。測量溫度的關鍵是溫度傳感器,溫度傳感器的發(fā)展經歷了三個發(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。當前,國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數字式,從集成化向智能化、網絡化的方向飛速發(fā)展[7]。由于電力變壓器內部帶有鉑電阻,為了硬件上便于實現,設計不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行溫度檢測?；阢K電阻的電橋型溫度檢測電路具有精度高、性能穩(wěn)定、調試容易、對器件要求不高、實用性強的特點[3]。其檢測電路圖如圖3-9所示。圖3-9電橋型溫度檢測電路圖3-10參考電壓源電路圖3-10中REF192是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℃時的阻值;δ=ΔR/R;VB=-R(1+δ)VA/R4,則有:V0=R1VAδ/R4由此可知,該電路的輸出電壓與鉑電阻阻值的變化δ(或ΔR)呈線性關系。在圖3-2中,R1=R2=R4=R5=R6=1KΩ,R3=10KΩ,R7=100Ω。該電路的另一個優(yōu)點是調試非常簡單,在R和R4確定后,只需根據輸出電壓Vo的變化范圍確定R1的阻值即可。電流流過鉑電阻將會引起鉑電阻溫度升高,稱其為自加熱現象,從而帶來一定的測量誤差,為了減小這種誤差,必須減小流經鉑電阻電流,能夠經過減小A點的電壓和適當選取R4的阻值實現。而A點電壓由參考電壓VREF和R2/R3的值共同決定,因此,應選擇輸出電壓比較低的參考電壓源(圖3-2中選2.5V),另外R2/R3的值也要比較低。3.2光電耦合隔離放大電路由于現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、可靠地運行,就必須解決溫控器的抗干擾問題,否則將導致控制誤差加大,甚至造成巨大的損失。因此溫度信號要引入單片機必須經過光耦隔離。光耦(OpticalCoupler)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的器件,一般把發(fā)光器件和光檢測器封裝在管殼內。當輸入端加電信號時,發(fā)光器件發(fā)出光信號,光檢測器接受到光信號后就產生光電流,從輸出端輸出,從而實現了”電--光--電”轉換。普通的光耦器件只能傳輸數字信號,而近年來問世的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[10]。三極管型光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管構成,發(fā)光器件為發(fā)光二極管,光檢測器為光敏三極管。當輸入為低電平”0”時,沒有電流(或者電流非常小)流過發(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”;當輸入為高電平”1”時,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,產生一定的基極電流,使光敏三極管處于導通狀態(tài),輸出為低電平光電耦合器之因此能在傳輸信號的同時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。(1)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,一般為幾百K歐姆。由分壓原理可知,即使干擾電壓的幅值較大,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。(2)光電耦合器的輸入回路與輸出會之間沒有電氣聯系,也沒有共地,之間的分布電容極小,而絕緣電阻又很大,因而回路一側的各種干擾噪聲都很難經過光電耦合器饋送到另一側去,避免了共阻抗耦合的干擾信號的產生。光電耦合器的主要優(yōu)點是單向傳輸信號,輸入端和輸出端完全實現了電氣隔離,抗干擾能力強,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,因為光電耦合器的輸入回路和輸出回路之間能夠承受幾千伏的高壓,即使當外部設備出現故障,也不會影響到單片機等重要的核心設備。常見的光耦器件為TLP521-1,TLP521-4,4N25,HCRN200,SLC800等。普通的光耦在數字隔離電路或數據傳輸電路中常常見到,如UART協(xié)議的20mA電流環(huán)。對于模擬信號,光耦因為輸入輸出的線形較差,而且隨溫度變化較大,限制了其在模擬信號隔離的應用。對于高頻交流模擬信號,變壓器隔離是最常見的選擇,但對于支流信號卻不適用。一些廠家提供隔離放大器作為模擬信號隔離的解決方案,如ADI公司的AD202,能夠提供從直流到幾K的頻率內提供0.025%的線性度,但這種隔離器件內部先進行電壓-頻率轉換,對產生的交流信號進行變壓器隔離,然后進行頻率-電壓轉換得到隔離效果。集成的隔離放大器內部電路復雜、體積大、成本高,不適合大規(guī)模應用。模擬信號隔離的一個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,增加一個用于反饋的光接受電路用于反饋。這樣,雖然兩個光接受電路都是非線性的,但兩個光接受電路的非線性特性都是一樣的,這樣,就能夠經過反饋通路的非線性來抵消直通通路的非線性,從而達到實現線性隔離的目的。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。本設計采用HCNR200/201進行設計。HCNR200/201的內部框圖如3-11所示圖3-11HCRN200內部框圖其中1、2引腳作為隔離信號的輸入,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。輸入信號經過電壓-電流轉化,電壓的變化體現在電流IF上,IPD1和IPD2基本與IF成線性關系,線性系數分別記為K1和K2,即K1與K2一般很小(HCNR200是0.50%),而且隨溫度變化較大(HCNR200的變化范圍在0.25%到0.75%之間),但芯片的設計使得K1和K2相等。在后面能夠看到,在合理的外圍電路設計中,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到滿意的線性度的。HCNR200和HCNR201的內部結構完全相同,差別在于一些指標上。相對于HCNR200,HCNR201提供更高的線性度。采用HCNR200/201進行隔離的一些指標如下所示:*線性度:HCNR200:0.25%,HCNR201:0.05%;*線性系數K3:HCNR200:15%,HCNR201:5%;*溫度系數:-65ppm/℃;*隔離電壓:1414V;*信號帶寬:直流到大于1MHz。從上面能夠看出,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算放大器等輔助電路。下面對HCNR200/201的典型電路進行分析,對電路中如何實現反饋以及電流-電壓、電壓-電流轉換進行推導與說明。Agilent公司的HCNR200/201的手冊上給出了多種實用電路[11],其中較為典型的一種如圖3-12所示:圖3-12線性光耦的隔離應用電路設運放負端的電壓為,運放輸出端的電壓為,在運放不飽和的情況下二者滿足下面的關系:其中是在運放輸入差模為0時的輸出電壓,為運放的增益,一般比較大。忽略運放負端的輸入電流,能夠認為經過R1的電流為,根據R1的歐姆定律得:經過R3兩端的電流為,根據歐姆定律得:其中,為光耦2腳的電壓,考慮到LED導通時的電壓()基本不變,這里的作為常數對待。根據光耦的特性,即將和的表示式代入上式,可得:上式經變形可得到:將的表示式代入(3)式可得:

考慮到特別大,則能夠做以下近似:這樣,輸出與輸入電壓的關系如下:可見,在上述電路中,輸出和輸入成正比,而且比例系數只由K3和R1、R2確定,一般選R1=R2,達到只隔離不放大的目的。輔助電路與參數確定:上面的推導都是假定所有電路都是工作在線性范圍內的,要想做到這一點需要對運放進行合理選型,而且確定電阻的阻值。運放能夠是單電源供電或正負電源供電,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,需要運放能夠滿擺幅工作,另外,運放的工作速度、壓擺率不會影響整個電路的性能。TI公司的LT1097單運放電路能夠滿足以上要求,能夠作為HCNR200/201的外圍電路。電阻的選型需要考慮運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的范圍最小能夠為0,這樣,由于考慮到IFmax大,有利于能量的傳輸,這樣,一般取10KΩ。另外,由于工作在深度負反饋狀態(tài)的運放滿足虛短特性,因此,考慮IPD1的限制,R2的確定能夠根據所需要的放大倍數確定,例如如果不需要方法,只需將R2=R1即可。另外由于光耦會產生一些高頻的噪聲,一般在R2處并聯電容,構成低通濾波器,具體電容的值由輸入頻率以及噪聲頻率確定。確定Vcc=5V,輸入在0-4V之間,輸出等于輸入,采用LMV321運放芯片以及上面電路,下面給出參數。R1=200KΩ,R2=174,R3=33KΩ,C1=47P,R4=2.2KΩ,C2=33P,R5=270Ω,R6=6.8KΩRP1=50KΩ,C3=C4=C5=C6=0.1uF。經過線形光耦的隔離能夠很好地抑制現場的各種干擾,達到了系統(tǒng)設計要求的技術指標。第四節(jié)按鍵輸入和顯示電路部分設計4.1按鍵輸入電路模塊設計系統(tǒng)中共用了四個按鍵,一個為清除鍵,其余三個為溫度設定鍵,四鍵共用一個鍵盤服務程序。SET鍵為溫度范圍設定開始鍵,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SET鍵按下時系統(tǒng)進入鍵盤服務子程序,表明進入溫度的設定狀態(tài),系統(tǒng)的初始值是45℃—55℃,對于溫度的設定是在這個基礎上進行遞增或遞減,再次按下SET鍵時,表明進入上限值的設定,由UP鍵/DOWN鍵對溫度值進行調整,假如不需要設定溫度值,則按取消鍵退出,連續(xù)按下SET鍵三次,則進入下限值的設定。電路圖如下圖3-13圖3-13按鍵輸入電路圖4.2顯示電路部分設計1.MAX7219驅動數碼管接口電路由于要對變壓器的油溫進行實時顯示,因此顯示電路的穩(wěn)定性就十分重要。一般的顯示大都采用使用單片機的I\O口作為數碼管的位選線和段選線,或者使用移位寄存器。但這會占用大量的端口,且硬件電路也十分復雜。若采用液晶顯示,能滿足設計的要求,但因其價格昂貴,因此設計不采用液晶進行顯示。設計采用美信公司的集成顯示芯片來實現溫度的顯示,其不但硬件電路十分簡單,而且占用的端口又較少能夠滿足設計要求[12]。MAX7219為8位LED顯示驅動電路,能夠連續(xù)的驅動8位7段數據顯示。在芯片內部集成了一個BCD譯碼器,段地址和位地址驅動以及一個88位的靜態(tài)隨機存儲器。只需要一個外部電阻,就能夠正確的驅動所有LED的段地址。單一的數據位更新無需對整個顯示重新寫入。這個芯片具有低功耗工作模式以及數字化的光亮控制。用戶能夠根據自己的需要,自第一位到第八位顯示數據,同時,芯片內部還具有使數碼管中每一段二極管都點亮的測試模式。主要特性:⑴獨立的LED段碼控制 ⑵BCD譯碼與段碼兩種模式選擇⑶150μA的低功耗關閉模式(數據保留)⑷數字化的光亮控制⑸驅動共陰極LED顯示⑹24管腳封裝MAX7219和單片機連接有三條引線(DIN、CLK、LOAD)采用16位數據串行移位接收方式。即單片機將16位二進制數逐位發(fā)送到DIN端,在CLK上升沿到來前準備就緒,CLK的每個上升沿將一位數據移入MAX7219內移位寄存器,當16位數據移入完,在LOAD引腳信號上升沿將16位數據裝入MAX7219內的相應位置,在MAX7219內部硬件動態(tài)掃描顯示控制電路作用下實現動態(tài)顯示[13]。圖3-14MAX7219的時序圖芯片的數據傳輸時序如圖3-14所示,在時鐘脈沖CLK上升沿的作用下,16位串行數據依次從DIN端輸入到MAX7219的移位寄存器,然后在LOAD的上升沿被鎖存到芯片內部的數據或控制寄存器中。LOAD的上升沿必須在第16個時鐘脈沖上升之后和下一個脈沖上升沿之前出現,否則數據將會丟失。因為在16.5個時鐘脈沖上升之后,從DIN端進來的數據將出現在輸出引腳DOUT上,以便在級聯應用時傳到下一個MAX7219。圖3-15數碼管接口電路圖根據本設計的溫度精度要求,用了3個數碼管顯示溫度大小,由MAX7219驅動的3個七段數碼管的接口電路如圖3-8所示。其中LOAD、DIN、CLK分別接到單片機的RC1、RC2、RC3,另外還應注意對于MAX7219連接到V+和ISET端的電阻REST可對數碼管亮度進行調節(jié),但不得小于9.53K歐姆,在本設計中選用了阻值為33K歐姆的電阻。2.運行及故障顯示電路為了能保證系統(tǒng)正常工作,需要對系統(tǒng)的運行狀態(tài)實時監(jiān)控,設計中為了方便的看到系統(tǒng)狀態(tài),設置了三套監(jiān)測與指示裝置,變壓器的安裝現場有一套,它是由控制風機起停的接觸器、檢測故障的繼電器的常開或常閉觸點控制的。電路圖如下圖3-16所示。在風機正常運行時,控制回路中繼電器的常開觸點就會因為繼電器線圈的得電而接通,觸點一側的發(fā)光二極管點亮,指示風機處于正常運行狀態(tài)。在故障顯示電路中,過載故障顯示是當其中的任意一組風機發(fā)生過載后,過載繼電器的常開觸點就會因為繼電器線圈的得電而接通,觸點一側的發(fā)光二極管點亮,指示現在風機過載運行,過載信號經過光電隔離送入主控室的單片機,單片機接到低電平信號,立即做出響應,將接在相應端口的風機組切除。缺相故障時的信號傳送及其顯示電路原理和過載時基本一致,在風機的每一相中都接了一個繼電器線圈,有缺相時,繼電器的常開觸點就會因為繼電器線圈的得電而接通,觸點一側的發(fā)光二極管點亮,指示現在風機缺相運行,缺相信號經過光電隔離送入主控室的單片機,單片機接到低電平信號,立即做出響應,將接在相應端口的風機組切除。當過壓時,過壓信號經過光電隔離送入主控室的單片機,單片機接到低電平信號,立即做出響應,發(fā)光二極管點亮,將接在相應端口的風機組切除。圖3-16風機故障顯示電路在本電路中需要用8輸入或/或非門對信號進行選通,下面來簡單介紹一下8輸入或/或非門芯片CC4078的工作原理。CC4078芯片的引腳排列圖如圖3-17所示。圖3-17CC4078芯片的引腳排列圖引出端功能說明:A～H數據輸入端Vdd正電源Vss地W原碼輸出端Y反碼輸出端該芯片電源電壓的范圍是3V～15V,輸入電壓的范圍是0～Vdd,在本控制回路中電源電壓是5V,滿足電路設計要求。第五節(jié)無線通信系統(tǒng)的設計設計中要實現變壓器的無人看守,因此需要將現場的溫度信號,故障信號送入控制室,以便于工作人員隨時掌握變壓器現場的運行情況。通信能夠采用無線和有線兩種方式實現,設計中要求采用無線通信來實現。nRF401單片UHF無線收發(fā)芯片能夠滿足設計的要求,其硬件電路的設計過程在以下進行詳細講解。在本設計中,無線射頻模塊采用挪威Nordic公司推出的nRF401無線收發(fā)芯片。該芯片使用433MHzISM頻段,是真正的單片UHF無線收發(fā)一體芯片,她在一個20腳的芯片中包括了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調制、FSK解調、多頻道切換等,是當前集成度最高的無線數傳產品[14]。nRF401是一個為433MHz工業(yè)、科學、醫(yī)用頻段設計的真正單片無線收發(fā)芯片,它采用頻移鍵控調制技術。nRF401發(fā)射速率可達20kb/s。發(fā)射功率可調,最大發(fā)射功率10dBm,接收靈敏度-105dBm。具有工作半徑大、適應性強的特點。天線接口設計為差分天線,便于使用低成本的印刷電路板天線。nRF401還有待機工作方式,能夠更省電和高效。另外,該芯片只需少量外圍元件,使用十分方便。nRF401的工作過程為:在發(fā)射開始時首先發(fā)射同步信息,令收/發(fā)雙方同步,同步結束后傳輸目的地址,然后傳送采集數據。接收模塊總是先接受碼流中的同步信息,一旦收到同步信息后立即進行位同步,獲得位同步后,進行碼同步,碼同步完成后開始接收1個地址信息。接收到地址信息后,用接收的目的地址同自己的身份碼進行比較,若身份碼相符就將數據送給上位機,不符則忽略[15]。nRF401無線收發(fā)芯片的結構框圖如圖3-18所示:圖3-18nRF401內部框圖內部結構可分為發(fā)射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路及串行接口幾部分。發(fā)射電路包含有:射頻功率放大器、鎖相環(huán)(PLL),壓控振蕩器(VCO),頻率合成器等電路?；鶞收袷幤鞑捎猛饨泳w振蕩器,產生電路所需的基準頻率。其主要特性如下:●工作頻率為國際通用的數傳頻段eFSK調制,抗干擾能力強,特別適合工業(yè)控制場合;●采用PLL頻率合成技術,頻率穩(wěn)定性極好;●靈敏度高,達到．105dBm(nRF401);●功耗小,接收狀態(tài)250~A,待機狀態(tài)僅為8A(nRF401);●最大發(fā)射功率達+10dBm;●低工作電壓(2．7v),可滿足低功耗設備的要求;●具有多個頻道,可方便地切換工作頻率;●工作速率最高可達20Kbit／s(RF401);●僅外接一個晶體和幾個阻容、電感元件,基本無需調試;●因采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設計,使用無需申請許可證,開闊地的使用距離最遠可達1000米(與具體使用環(huán)境及元件參數有關)。引腳排列和功能nRF401無線收發(fā)芯片具有2O圖3-19所示是其引腳排列。圖3-19nRF2401引腳排列各引腳功能如下:VSS-PA、VSS為參考接地端;VDD為電源端,接+3.3V直流電源;VDD-PA為功率放大+1.8V電源輸出端;ANT1、ANT2為天線接口端;XC1、XC2為晶振端;IREF為參考電流端,經過22K電阻接地;PWR-UP為上電端;CE為工作狀態(tài)使能端;CS為片選端,控制對nRF2401的PWR-UP、CE和CS引腳狀態(tài)組合設置,控制nRF401的主工作方式,當狀態(tài)組合為1、1、0,1、0、1或1、0、0時,芯片分別處于掉電狀態(tài);CLK1、CLK2為通道1、2時鐘信號端,由控制器提供,在突發(fā)傳遞模式下,控制器在時鐘上升沿由DATA引腳向nRF401寫入數據,在下降沿從nRF401的DATA引腳讀出數據;DR1、DR2為通道1、2接受數據就緒信號端;DATA、DOUT為通道1、2數據端,控制器與nRF401由CLK、DR和DATA組成的三線接口交換傳輸的數據,通道1可接收和發(fā)送數據,通道2只能接收數據[15]。引腳號引腳名稱引腳功能描述1CE數字輸入用于激活芯片的接收或發(fā)送模式2DR2數字輸出數據信道2接收數據準備好輸出,表示能夠接收數據3CLK2數字輸入/輸出接收數據信道2的時鐘輸出/輸入4DOUT2數字輸出接收數據信道25CS數字輸入片選,用于激活配置模式6DR1數字輸出該腳輸出可用于表示數據信道1接收數據已準備好7CLK1數字輸入/輸出在數據信道1的3—線接口發(fā)送時鐘輸入和接收的時鐘輸出/輸入8DATA數字輸入/輸出接收信道1/發(fā)送數據輸入/3—線接口9DVDD功率數字電源正端,使用時應退耦10VSS功率接地(0V)11XC2模擬輸出晶振接入端12XC1模擬輸入晶振接入端13VDD-PA功率輸出功率放大器電源端(1.8V)14ANT1射頻天線接口115ANT2射頻天線接口216VSS-PA功率接地(0V)17VDD功率+3VDC電源端18VSS功率地(0V)19IREF模擬輸入參考電流輸入端20VSS功率地(0V)21VDD功率+3VDC直流電源端22VSS功率地(0V)23POW-UP數字輸入功率上限24VDD功率+3VDC電源表3-20nRF401的引腳功能設計電路時應注意以下問題。重要時序參數TX與RX之間的切換當從RX切換TX模式時,數據輸入腳(DIN)必須保持為高至少1ms才能收發(fā)數據。當從TX切換到Rx時,數據輸出腳(DOUT)要至少3ms以后有數據輸出。Standby與RX之間的切換從待機模式到接收模式,當PWRUP輸入設成1時,經過3ts時間后,DOUT腳輸出數據才有效。對nRF401來說,ts最長的時間是3ms。nRF401無線收發(fā)芯片有多種工作模式。不同工作模式下的時序如表3-21所示表3-21不同工作模式下的時序從待機模式到發(fā)射模式,所需穩(wěn)定的最大時間是t。PowerUp與TX間的切換從加電到發(fā)射模式過程中,為了避免開機時產生干擾和輻射,在上電過程中TXEN的輸入腳必須保持為低,以便于頻率合成器進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。當由上電進入發(fā)射模式時,TXEN必須保持lms以后才能夠往DIN發(fā)送數據。從上電到接收模式過程中,芯片將不會接收數據,DOUT也不會有數據輸出,直到電壓穩(wěn)定達到2.7V以上,而且至少保持5ms。如果采用外部振蕩器,這個時間能夠縮短到3ms。應用電路及設計應注意問題在實際應用中,微控制器采用Microchip公司的PIC16F877單片機,分別用單片機的RC4、RC5、RC6、RC7、RE2口各管腳控制nRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS這五個腳即可。具體連接可在芯片使用時,設定好工作頻率,進入正常工作狀態(tài)后,根據需要進行收發(fā)轉換控制,發(fā)送／接收數據或進行狀態(tài)轉換。在本設計中的無線通信電路如下圖3-22所示。硬件電路的設計要點如下:(1)射頻電路對于電源噪聲相當敏感,必須采用星形布線的方法使數字部分和RF部分有各自的電源線路,而且應在靠近集成電路電源引腳處分別去耦。(2)外接VCO電感應選用高頻電感,Q>45,精度為2%,本設計采用深圳順百科技有限公司的LQW18AN22NG00,電感的精度對無線通信的距離有較大的影響,也可使用精度為5%的,但通信距離會大大減小。VCO電感連線應與其它控制線保持一定的距離,應避免數字控制線從電感引腳之間經過,而且應該使VCO電感元件的中心距離nRF401的VCO1,VCO2引腳焊盤的中心514mm左右,電感元件的選擇與布局很重要,是設計成敗的關鍵點。圖3-22無線通信電路(3)在電路板的正反兩面均使用大面積鋪銅作為接地面,使所有的器件容易去耦,兩面的鋪銅應使用多個過孔相連,所有對地線層的連接必須盡量短,接地過孔應放置在非?？拷暮副P處[16-17]。(4)天線的設計使用PCB板的環(huán)形天線,尺寸為35mm×20mm,天線增益為-11dB,天線阻抗為380Ω,天線應位于PCB板的頂部,天線部分不要鋪銅,有關環(huán)形天線的設計可參考Nordic公司的技術文檔nAN400—03和nAN400—05。(5)如果PCB板的VCO電感設計合理,當模塊處于接收狀態(tài)時,nRF401的第4管腳電壓應為1.1±0.2V。

第六節(jié)主回路部分設計6.1風冷機的保護簡要介紹風冷式電動機是電動機的一種形式。電動機的保護往往與其控制方式有一定關系,即保護中有控制,控制中有保護。如電動機直接啟動時,往往產生4～7倍額定電流的啟動電流,能夠由接觸器或斷路器來控制,電器的觸頭應能承受啟動電流的連接和分段考核,應該要選用可頻繁操作的接觸器。在使用中往往于啟動器串聯在主回路中一起作用,此時由啟動器的接觸器來承載啟動電流的考核,而其它電器只承載一般運轉中出現的電動機過載電流分段的考核,至于保護功能由配套的保護裝置來完成。另外,對電動機的控制還能夠采用無觸點方式,即采用軟啟動控制系統(tǒng),電動機主回路由晶閘管來連接和分斷,有的為了避免在這些元件上的持續(xù)損耗,正常運行中采用真空接觸器承載主回路(并聯晶閘管上)負載,這種控制有程控或非程控,近控或遠控,慢速啟動或快速啟動等多種方式,另外,依賴電子線路,很容易做到如電子式繼電器那樣的各種保護功能。電動機在運行中可能發(fā)生的故障是多種多樣的,它與設計和制造質量、使用條件、工作方式以及使用維護等因素密切相關,故障原因也比較復雜。詳細分析電動機損壞的主要原因,能夠幫助正確地使用和維護電動機,并能減少不應有電動機的損壞。電動機在運行中往往會出現過載故障、過壓故障、缺相故障、短路故障、漏電故障等,在本設計中,由于是對變壓器的油溫進行檢測及控制,啟動風機是為了控制變壓器的油溫,因此只涉及了風冷式電動機的過載、過壓、缺相故障,下面對這三種保護簡要說明一下:過載保護——過載保護是經過對電動機熱容量的跟蹤計算來保護電動機,免于因過熱而縮短壽命或損壞,電動機的熱量值能夠直接顯示在操作面板上,同時經過總線上傳給上位機。過壓保護——過壓保護是根據最小線電壓或最大線電壓和額定電壓的比值,來判斷是否起動保護功能。缺相保護——缺相保護是根據最大相電流是否超過90﹪的額定電流,最小相電流是否低于10﹪的額定電流來判斷是否起動缺相保護功能[18]。6.2輸出驅動電路設計設計中要對電機進行控制,只需要控制電機的啟動和停止,不需要調