SF6斷路器微水在線監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書

./WORD格式整理版摘要SF6斷路器微水在線監(jiān)測(cè)儀以PIC16F877單片機(jī)作為處理器,來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SF6氣體的溫度、濕度及壓力,從而得知斷路器的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)由于SF6氣體本身原因引起的絕緣故障做出有效應(yīng)對(duì),進(jìn)而保證電網(wǎng)的運(yùn)行安全。本次設(shè)計(jì)的SF6斷路器微水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本原理為：將濕度、溫度、壓力傳感器通過(guò)連接器件連接到SF6氣室,測(cè)量氣室內(nèi)SF6氣體的濕度、溫度、壓力。所測(cè)模擬量送入PIC16F877單片機(jī),通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)分析,實(shí)施數(shù)據(jù)越限報(bào)警,并用LCD顯示溫度、壓力以及濕度。下位機(jī)與上位機(jī)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(guò)M-BUS總線送入上位機(jī),進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控。關(guān)鍵字：PIC16F877單片機(jī)；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(jì)〔研究?jī)?nèi)容31.3系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)31.4解決的關(guān)鍵問(wèn)題3第二章系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)52.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及其功能52.2方案設(shè)計(jì)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(jì)103.1單片機(jī)103.1.1PIC16F877單片機(jī)特點(diǎn)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(bào)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(hù)模塊223.8.1掉電保護(hù)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(jì)243.10.1TSS721A芯片介紹253.10.2TSS721A芯片與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)273.10.3小結(jié)293.11電源的設(shè)計(jì)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(jì)334.1系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思想334.2系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)334.3系統(tǒng)子程序的設(shè)計(jì)334.3.1定時(shí)器/計(jì)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(bào)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(jì)的主要工作情況及創(chuàng)新之處475.2系統(tǒng)改進(jìn)及發(fā)展前景47參考文獻(xiàn)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(huì)對(duì)電力的需求越來(lái)越大。在電力系統(tǒng)向超高壓、大電網(wǎng)、大容量和自動(dòng)化方向發(fā)展的同時(shí),用于關(guān)合及開(kāi)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(yùn)行的高壓開(kāi)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(jìn)展。但也是由于SF6氣體的緣故,空氣中的水分能對(duì)SF6斷路器產(chǎn)生很大的影響。如產(chǎn)生毒性化合物,對(duì)設(shè)備的絕緣產(chǎn)生危害,降低開(kāi)關(guān)的機(jī)械性能等。本次設(shè)計(jì)的SF6斷路器微水在線監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程通信兩大部分。其中現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和具體任務(wù)的執(zhí)行是由單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,而現(xiàn)場(chǎng)和控制計(jì)算機(jī)之間的通信則借助于M-BUS總線實(shí)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(cè)系統(tǒng)的主要任務(wù)是,及時(shí)、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(cè)設(shè)備內(nèi)的濕度,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的潛在問(wèn)題并采取相應(yīng)預(yù)防措施,保證設(shè)備的可靠運(yùn)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(qiáng)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(shí),一方面SF6氣體的電弧分解物在水分參與下會(huì)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(rùn)絕緣表面,將使其絕緣強(qiáng)度下降,威脅運(yùn)行安全。所以,對(duì)SF6進(jìn)行濕度監(jiān)測(cè)具有重要的意義。SF6斷路器具有斷口電壓高、開(kāi)斷能力、允許連續(xù)開(kāi)斷的次數(shù)較多,噪聲低和無(wú)火花危險(xiǎn),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(diǎn)使傳統(tǒng)的油斷路器和壓縮空氣斷路器無(wú)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(kāi)斷容性電流時(shí)不重燃,以及開(kāi)斷感性電流時(shí)不產(chǎn)生過(guò)電壓等優(yōu)點(diǎn),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(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒,不可燃的惰性氣體,具有優(yōu)異的冷卻電弧特性,介電強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的絕緣氣體。在均勻電場(chǎng)下,SF6的介質(zhì)強(qiáng)度為同一氣壓下空氣的2.5—3倍,在4個(gè)大氣壓,其介質(zhì)電強(qiáng)度與變壓器油相當(dāng)。由于SF6的介質(zhì)強(qiáng)度高,對(duì)相同電壓級(jí)和開(kāi)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(gè)斷口,500kV少油開(kāi)關(guān)要6-8個(gè)斷口,而220kVSF6斷路只要1個(gè)斷口,500kVSF6斷路器只要3-4個(gè)斷口。一是因?yàn)镾F6的分子量大,比熱大,其對(duì)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(guò)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(wú)色無(wú)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(qiáng)度會(huì)顯著下降。斷路器是戶外設(shè)備,當(dāng)氣溫驟降時(shí),SF6氣體過(guò)量水可能會(huì)凝結(jié)在固體介質(zhì)表面而發(fā)生閃絡(luò),嚴(yán)重時(shí)造成斷路器發(fā)生爆炸事故。純凈SF6氣體,在運(yùn)行中,受電弧放電或高溫后,會(huì)分解成單體的氟、硫和氟硫化合物,電弧消失后會(huì)又化合成穩(wěn)定的SF6氣體。當(dāng)氣體中含有水分時(shí),出現(xiàn)的氟硫化合物會(huì)與水反應(yīng)生成腐蝕性很強(qiáng)的氫氟酸、硫酸和其他毒性很強(qiáng)的化學(xué)物質(zhì)等,危及維護(hù)人員的生命安全,對(duì)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(gè)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(duì)新氣檢測(cè)不嚴(yán)格,二是運(yùn)輸過(guò)程中和存放環(huán)境不符合要求,三是存儲(chǔ)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

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

3.絕緣件帶入的水分。廠家在裝配前對(duì)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(shí),絕緣件暴露在空氣中的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而受潮。

4.吸附劑帶入的水分。吸附劑對(duì)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(shí)間短,沒(méi)有徹底干燥,安裝時(shí)暴露在空氣中時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而受潮,吸附劑可能帶入數(shù)量可觀的水分。

5.透過(guò)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(shí),相對(duì)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(qiáng),在內(nèi)外巨大壓差作用下,大氣中的水分會(huì)逐漸通過(guò)密封件滲入斷路器的SF6氣體中。

6.斷路器的泄漏點(diǎn)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(diǎn),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?yàn)樵撨^(guò)程是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程,時(shí)間越長(zhǎng),滲入的水份就越多,由此進(jìn)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(shí)監(jiān)測(cè)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(yùn)行可靠性。1.2主要設(shè)計(jì)〔研究?jī)?nèi)容現(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(duì)設(shè)備的絕緣產(chǎn)生危害<4>水分影響開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷性能<5>水分降低開(kāi)關(guān)的機(jī)械性能由于以上這些原因,所以對(duì)SF6氣體水分含量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的潛在問(wèn)題并采取相應(yīng)預(yù)防措施,對(duì)提高設(shè)備的安全健康運(yùn)行水平具有重要意義。本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：<1>具有微水、氣體壓力、溫度在線監(jiān)測(cè)功能；<2>具有當(dāng)?shù)仫@示功能,能夠?qū)崟r(shí)顯示溫度、濕度、壓力值；<3>具備數(shù)據(jù)超限報(bào)警功能；<4>具備掉電參數(shù)保護(hù)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(jī)的通訊包,完成當(dāng)?shù)氐膱?bào)警解除與參數(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(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)指標(biāo)如下: 各參數(shù)測(cè)量范圍為：溫度：－40℃～+60℃；測(cè)量誤差不大于±0.2濕度：2～40,000uL/L；測(cè)量誤差不大于2uL/L；壓力：0.01～1Mpa；測(cè)量誤差不大于0.01Mpa；實(shí)時(shí)采集周期＜＝1次/1分鐘,發(fā)送周期＝1次/1小時(shí)；1.4解決的關(guān)鍵問(wèn)題本系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵在于研制和尋找適合現(xiàn)場(chǎng)條件的濕度、溫度、和壓力傳感器,該傳感器是整個(gè)在線監(jiān)測(cè)裝置的核心。測(cè)量數(shù)據(jù)的處理與傳送也是在線監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。在線監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工同樣非常重要。如何將監(jiān)測(cè)裝置與SF6電氣設(shè)備連接起來(lái),并且確保設(shè)備密封性能良好,不發(fā)生氣體泄漏對(duì)于裝置運(yùn)行來(lái)說(shuō)是必要條件第二章系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及其功能設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1以單片機(jī)為處理器的系統(tǒng)框圖上位機(jī)圖2-1以單片機(jī)為處理器的系統(tǒng)框圖上位機(jī)M-BUS接口電路PIC16F877單片機(jī)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(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警以及接收并處理系統(tǒng)的控制命令。下位機(jī)首先收集安裝在現(xiàn)場(chǎng)的濕度傳感器、溫度與壓力傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)將產(chǎn)生一個(gè)當(dāng)?shù)貓?bào)警提示〔紅燈閃爍。下位機(jī)還負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)保存與實(shí)時(shí)顯示。上、下位機(jī)采用半雙工通信,基于M-BUS總線,遵循MODBUS通訊協(xié)議。下位機(jī)位于被叫地位,可獨(dú)立運(yùn)行。即使上位機(jī)故障,下位機(jī)亦可進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警提示,保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性和不停機(jī)運(yùn)行。下位機(jī)地址由上位機(jī)設(shè)置。2.2方案設(shè)計(jì)SF6斷路器微水在線監(jiān)測(cè)儀可采用以下兩種方案：處理器基于單片機(jī)的微水監(jiān)測(cè)儀,處理器基于可編程控制器PLC的微水監(jiān)測(cè)儀。2.2.1方案一方案一采用單片機(jī)作為微水監(jiān)測(cè)儀的處理器該測(cè)控器與上位機(jī)的通信是基于M-BUS總線傳輸實(shí)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(shí)時(shí)采集溫度、壓力、濕度,經(jīng)由單片機(jī)AIN口進(jìn)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(jì)算程序計(jì)算出相對(duì)濕度,因?yàn)闈穸扰c壓力和溫度都有很大的關(guān)系。根據(jù)上位機(jī)的設(shè)定值,來(lái)比對(duì)濕度是否超限,若超限則報(bào)警。該系統(tǒng)采用LCD實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(shí),該系統(tǒng)也可通過(guò)監(jiān)控中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置。2.2.2方案二PLC控制器上位機(jī)通信協(xié)議報(bào)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(jī)通信協(xié)議報(bào)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(jī)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(shí)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(shí),系統(tǒng)通過(guò)該協(xié)議實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。該協(xié)議符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)——IEC1131標(biāo)準(zhǔn)。PLC可識(shí)別三種信號(hào)：開(kāi)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(duì)這三個(gè)量進(jìn)行監(jiān)測(cè),輸出信號(hào)經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)以供PLC識(shí)別。該方案的人機(jī)交互采用的硬件為觸摸屏,觸摸屏可方便的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)修改與實(shí)時(shí)當(dāng)?shù)匦畔@示。PLC控制器內(nèi)部對(duì)各種輸入輸出信號(hào)的處理由軟件程序?qū)崿F(xiàn),用戶程序線性的存儲(chǔ)在監(jiān)控程序指令的存儲(chǔ)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(hào),將其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、計(jì)算,并同時(shí)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(jī),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(shí),單片機(jī)將采集數(shù)據(jù)通過(guò)M-BUS總線送至上位機(jī),而可編程控制器將數(shù)據(jù)通過(guò)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(jī)交互采用的硬件為觸摸屏。方案一中單片機(jī)集成度高,把中央處理器<CPU>、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器<RAM>、只讀存儲(chǔ)器<ROM>、輸入/輸出端口<I/O>等主要計(jì)算機(jī)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(jià)格低、應(yīng)用廣泛、通用性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)不同的程序可實(shí)現(xiàn)不同的功能,尤其是特殊的獨(dú)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(qiáng),編程方便,可在現(xiàn)場(chǎng)修改程序,且PLC接口容易,編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。但可編程控制器的價(jià)格高昂,在小型設(shè)備上應(yīng)用PLC控制器會(huì)由于成本過(guò)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(jì)考慮到產(chǎn)品的性價(jià)比、可實(shí)用性和推廣性,決定選擇方案一。原因有以下三點(diǎn)：?jiǎn)纹瑱C(jī)比PLC價(jià)格低,同樣可以實(shí)現(xiàn)功能,故其性價(jià)比高。單片機(jī)的通訊較之PLC方便很多。單片機(jī)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(jī)比PLC更易于推廣。2.方案的確定本次設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)內(nèi)部的A/D模塊將采集到的三個(gè)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,并進(jìn)行運(yùn)算和比較。對(duì)于壓力、溫度、濕度超限進(jìn)行聲光報(bào)警。壓力值、溫度值、濕度值分別由LCD顯示。下位機(jī)與上位機(jī)的通訊采用M-BUS總線,M-BUS與上位機(jī)及下位機(jī)的接口電路必須實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。上位機(jī)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制,但下位機(jī)又可獨(dú)自運(yùn)行。上位機(jī)對(duì)下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,分析,控制斷路器的運(yùn)行狀態(tài)。超限值由上位機(jī)設(shè)定,也可由工作人員通過(guò)鍵盤設(shè)定。用鍵盤手動(dòng)解除聲光報(bào)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(chǔ)器的擴(kuò)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(duì)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(hào)易處理,容易與單片機(jī)傳輸,再次是價(jià)格便宜。本次設(shè)計(jì)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(shí)為±1/4℃、全面溫度范圍-55～150℃時(shí)為±3/4℃的典型精度。設(shè)計(jì)要求誤差不得大于0.2℃,LM35CA的精度完全滿足。LM35CA的測(cè)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(guó)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(hào)調(diào)理器,能以最簡(jiǎn)方式構(gòu)成相對(duì)濕度測(cè)量?jī)x。其輸出電壓不僅與相對(duì)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(diǎn)如下：①高精度。在RH=0～100％、T=+25℃、UCC=+5V的條件下,測(cè)量精度可達(dá)±②穩(wěn)定性好,漂移量小,抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)。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(jì)要求誤差不得大于2uL/L,而HIH-3610的精度可達(dá)±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(jì)要求。85型高穩(wěn)定壓力傳感器是采用微機(jī)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(cè)量腐蝕性介質(zhì)。這點(diǎn)非常符合SF6斷路器內(nèi)氣體的測(cè)量。工作溫度范圍-40℃～+125℃,存儲(chǔ)溫度范圍-50～+125℃,也滿足設(shè)計(jì)要求中的溫度范圍-40～+60℃.補(bǔ)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(chǔ)量大,掉電保護(hù)功能,通訊技術(shù),中斷等的實(shí)際要求,本次設(shè)計(jì)采用美國(guó)微芯公司開(kāi)發(fā)的PIC16F877單片機(jī)。PIC16F877單片機(jī)集成了許多外圍模塊,可以簡(jiǎn)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(guò)M-BUS總線收發(fā)數(shù)據(jù),是因?yàn)镸-BUS總線有諸多優(yōu)點(diǎn),低成本,簡(jiǎn)單可靠,傳輸線路長(zhǎng)等。由于單片機(jī)的工作電平為5V,而PC機(jī)RS-232串口電平為-12V到+12V,要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和上位機(jī)通訊,中間需要通過(guò)電平轉(zhuǎn)換。M-BUS總線的一個(gè)重要特征是它有自己獨(dú)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(jì)中的電源主要有兩種：、±5V和+12V?！?V為單片機(jī)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(yùn)算放大器使用的。第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)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(chǔ)、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(gè)主要組成部分的功能、選型以及具體連接方式。3.1單片機(jī)單片機(jī)亦稱單片微型電腦或單片微型計(jì)算機(jī),在國(guó)際上統(tǒng)稱為微控制器,就是把中央處理器CPU、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、輸入/輸出端口I/O等主要的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)。單片機(jī)是大規(guī)模集成電路在技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶。單片機(jī)具有性能高、速度快、體積小、價(jià)格低、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛、通用性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)。3.1.1PIC16F877單片機(jī)特點(diǎn)PIC16F877單片機(jī)是美國(guó)微芯公司所生產(chǎn)的PIC系列單片機(jī)之一。它硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔,指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)精煉。有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1.哈弗總線結(jié)構(gòu)在PIC系列單片機(jī)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(shí)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(shí)對(duì)下一條指令進(jìn)行取指操作；便于實(shí)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?yàn)閿?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(chǔ)器ROM和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM的尋址空間是相互獨(dú)立的,而且兩種存儲(chǔ)器寬度也不同。這樣設(shè)計(jì)不僅可以確保數(shù)據(jù)的安全性,還能提高運(yùn)行速度和實(shí)現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化。3.精簡(jiǎn)指令技術(shù)PIC系列單片機(jī)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(lái)了很大的好處,也給程序的編寫、閱讀、調(diào)試、修改、交流帶來(lái)了極大地便利。4.尋址方式簡(jiǎn)單PIC系列單片機(jī)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(chǔ)空間,對(duì)于像MCS-51這樣的單片機(jī),大約只能存放600條指令,而對(duì)于PIC系列單片機(jī)能夠存放的指令條數(shù)可達(dá)1024條。6.運(yùn)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(yùn)行速度大大提高。7.功耗低PIC系列單片機(jī)的功率消耗極低,是目前世界上功耗最低的單片機(jī)品種之一。其中PIC16F877在4MHz時(shí)鐘下工作時(shí)耗電不超過(guò)2mA,在睡眠模式下耗電可以低到1μA以下。8.驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)I/O端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力較強(qiáng),每個(gè)I/O引腳吸入和輸出電流的最大值可分別達(dá)到25mA和20mA,能夠直接驅(qū)動(dòng)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(jī)串行總線端口可以方便靈活的擴(kuò)展一些必要的外圍器件。10.尋址空間設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔PIC系列單片機(jī)的程序、堆棧、數(shù)據(jù)三者各自采用相互獨(dú)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(jiǎn)潔PIC系列單片機(jī)機(jī)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(shí)電路等,可以最大程度地減少或免用外接器件,以便實(shí)現(xiàn)"純單片"應(yīng)用。這樣,不僅方便于開(kāi)發(fā),而且還可以電路板空間和制造成本。12.PIC16F87X系列可實(shí)現(xiàn)在線編程和在線調(diào)試。PIC16F877除了具有以上這些優(yōu)點(diǎn)外,它片內(nèi)還帶有64、128或256字節(jié)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,另外其程序存儲(chǔ)器不再是傳統(tǒng)的OTP型,而是Flash型存儲(chǔ)器。這種存儲(chǔ)器可以實(shí)現(xiàn)在電路板上直接擦/寫程序,自然是最適合制作經(jīng)濟(jì)型在線調(diào)試器的一種型號(hào)。3.1.2外圍電路圖3-1時(shí)鐘電路1時(shí)鐘電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)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(kāi)時(shí)鐘信號(hào),每一步細(xì)微動(dòng)作都是在一個(gè)共同的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)協(xié)調(diào)之下完成的。作為時(shí)基發(fā)生器的時(shí)鐘振蕩電路,為整個(gè)單片機(jī)芯片的工作提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào),也為單片機(jī)與其它外接芯片之間的通訊提供可靠地同步時(shí)鐘信號(hào)。圖3-1時(shí)鐘電路微芯為PIC系列單片機(jī)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)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(jì)選擇標(biāo)準(zhǔn)XT,時(shí)鐘電路由一個(gè)晶振和兩個(gè)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(jìn)入一個(gè)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(jì)的比較完善,實(shí)現(xiàn)復(fù)位或者說(shuō)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(gè)情況中的其中一個(gè)發(fā)生都會(huì)引起單片機(jī)復(fù)位。本次設(shè)計(jì)考慮到在單片機(jī)運(yùn)行到我們不希望的狀態(tài)下或著死機(jī)的情況下,需要人工復(fù)位按鈕強(qiáng)行迫使單片機(jī)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(hào)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(cè)量的精度直接影響對(duì)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(cè)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(shí)為±1/4℃、全面溫度范圍-55～150℃時(shí)為±3/4℃的典型精度。設(shè)計(jì)要求誤差不得大于0.2℃,LM35CA的精度完全滿足。LM35CA的測(cè)量范圍為-55～150℃,而要求的范圍為-40～60℃,故測(cè)量范圍也滿足。LM35的低輸出阻抗、線性輸出和它出廠時(shí)的精度校準(zhǔn)使得它的外接口電路及其簡(jiǎn)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(jì)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(bǔ)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(guò)變換之后,在Uo端獲得與攝氏溫度成正比的電壓信號(hào)。輸出電壓的電壓溫度系數(shù)Kv=10mV/℃,利用下式可計(jì)算出被測(cè)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(cè)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(shí),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(jī)連接,只需要簡(jiǎn)單的濾波。電路簡(jiǎn)單可靠。3.3濕度傳感器濕度傳感器是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一,系統(tǒng)的根本目的就是測(cè)量SF6斷路器室內(nèi)的濕度,及時(shí)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(lái)表示的,即以每1m3大氣所含水氣的克數(shù)來(lái)表示,稱之為大氣的絕對(duì)濕度〔.如果把待測(cè)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(duì)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(duì)濕度〔RelativeHumidity,其表示為〔式3.3.2一般用表示。由于絕對(duì)濕度有單位,而相對(duì)濕度描述比較方便,因此常常使用相對(duì)濕度。3.3.1濕度傳感器的選型本次監(jiān)測(cè)的是SF6氣體的濕度。純凈SF6氣體,在運(yùn)行中,受電弧放電或高溫后,會(huì)分解成單體的氟、硫和氟硫化合物,電弧消失后會(huì)又化合成穩(wěn)定的SF6氣體。當(dāng)氣體中含有水分時(shí),出現(xiàn)的氟硫化合物會(huì)與水反應(yīng)生成腐蝕性很強(qiáng)的氫氟酸、硫酸和其他毒性很強(qiáng)的化學(xué)物質(zhì)等。正式由于SF6氣體的這些特殊性,設(shè)計(jì)中必須選用抗腐蝕,靈敏度高的濕度傳感器。本次設(shè)計(jì)選用HIH-3610濕度傳感器。HIH-3610濕度傳感器是美國(guó)Honeywell公司生產(chǎn)的HIH系列集成濕度傳感器之一,它屬于相對(duì)濕度集成電路。特點(diǎn)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(hào)調(diào)理器,能以最簡(jiǎn)單方式構(gòu)成相對(duì)濕度測(cè)試儀。其輸出電壓不僅與相對(duì)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(cè)量精度可達(dá)±2％.穩(wěn)定性好,漂移量小,抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)。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(guò)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(diǎn)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(cè)量。當(dāng)然,灰塵積累較多時(shí)也會(huì)影響傳感器的響應(yīng)速度,使傳感器內(nèi)部與外部達(dá)到水蒸氣平衡的時(shí)間延長(zhǎng)。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(shí),Uo也按相同比例增加。相對(duì)濕度還與環(huán)境溫度有關(guān)。令傳感器的測(cè)量值為RH,實(shí)際相對(duì)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(shí),Uo與RH的關(guān)系曲線如3-6所示。測(cè)量得到的電信號(hào)還需要用式3.3.3,式3.3.4求出實(shí)際相對(duì)濕度,再利用式3.3.2轉(zhuǎn)換為絕對(duì)濕度,其中飽和蒸氣壓通過(guò)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(jī)的電壓范圍內(nèi),故不需調(diào)理電路,可直接進(jìn)行簡(jiǎn)單的濾波就可以輸入單片機(jī)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(duì)模擬通道以前的電路進(jìn)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(jì)簡(jiǎn)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(jì)要求。唯一不足的是它的計(jì)算比較麻煩,需先結(jié)合圖3-6和式3.3.3得出+25℃時(shí)相對(duì)濕度與輸出電壓的關(guān)系,再利用式壓力傳感器壓力測(cè)量主要依靠壓力傳感器實(shí)現(xiàn)。壓力傳感器分好多種,有測(cè)量氣壓,液壓,固體壓力等。就單氣壓的測(cè)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(jì)測(cè)量的是SF6斷路器室內(nèi)的絕對(duì)壓力,故選用絕壓型壓力傳感器。本次設(shè)計(jì)對(duì)壓力傳感器的要求有壓力范圍為0.01MPa～1MPa,測(cè)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(shí)物圖根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求,考慮測(cè)量精度要求、價(jià)格承受能力、安裝維護(hù)方便、運(yùn)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(duì)氣

,液壓的檢測(cè),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(diǎn)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(shí)物圖全金屬的封閉系統(tǒng)。此產(chǎn)品的特點(diǎn)是無(wú)"O"型圈、焊縫、硅油,機(jī)體完全不須與壓力介質(zhì)接觸。

MSI采用的微熔技術(shù),引進(jìn)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(jī)械疲勞和介質(zhì)對(duì)膠水和材料的影響,從而加強(qiáng)了傳感器在工業(yè)環(huán)境中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性能,同時(shí)也避免了傳統(tǒng)微機(jī)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(jì)要求中的溫度范圍-40～+60℃.補(bǔ)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(dòng)能力有限,將傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓跟隨器提高輸出電流后進(jìn)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(jiǎn)單,以及電壓輸出型都給設(shè)計(jì)帶來(lái)了便利。3.5鍵盤電路本次設(shè)計(jì)鍵盤需要完成的功能有設(shè)定參數(shù)以及解除報(bào)警。設(shè)定參數(shù)用四個(gè)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(gè)I/O端口可簡(jiǎn)化電路。解除報(bào)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(gè)中斷處理都通過(guò)外部中斷。故外部中斷只需要完成解除報(bào)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(jiǎn)單,所需要的按鍵也是少數(shù),故采用獨(dú)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(bào)警電路圖3-11報(bào)警接口電路系統(tǒng)要求一旦監(jiān)測(cè)到SF6斷路器室內(nèi)濕度超標(biāo),就要立即報(bào)警,等待工作人員來(lái)檢查,并解除報(bào)警。本次設(shè)計(jì)采用聲光報(bào)警,選用蜂鳴器和發(fā)光二極管。由于PIC6F877的I/O端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力強(qiáng),每個(gè)I/O引腳吸入和輸出電流的最大值可分別達(dá)到25mA和20mA,能夠直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管LED、光電耦合器圖3-11報(bào)警接口電路或者微型繼電器等,所以報(bào)警電路比較簡(jiǎn)單。發(fā)光二極管經(jīng)過(guò)限流電阻接在I/O端口上,蜂鳴器用三極管放大驅(qū)動(dòng)。接口電路如圖3-11所示。3.7LCD顯示模塊根據(jù)設(shè)計(jì)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(jì)一個(gè)顯示器。相較于LED顯示數(shù)碼管,LCD具有顯示功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、功耗小等特點(diǎn),所以本設(shè)計(jì)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(gè)漢字的能力。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求,本次設(shè)計(jì)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(gè)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(diǎn)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(jì)可滿足產(chǎn)品的省電要求；同時(shí)與單片機(jī)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(shí)現(xiàn)漢字、ASCII碼、點(diǎn)陣圖形的同屏顯示,中文液晶顯示模塊具有上/下/左/右動(dòng)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(jī)的RD端口驅(qū)動(dòng),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(jiǎn)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(hù)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(huì)使單片機(jī)系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài),一方面可使實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)丟失,另一方面混亂的系統(tǒng)可能執(zhí)行錯(cuò)誤的操作。因此,掉電保護(hù)的工作也應(yīng)該從兩方面入手：保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和及時(shí)關(guān)閉微機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)供電后,掉電保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)的恢復(fù)是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié),包括判斷是否發(fā)生掉電保護(hù)、數(shù)據(jù)是否還有效和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)等工作。判斷是否發(fā)生掉電保護(hù)的目的是區(qū)別是否是正常正常關(guān)機(jī),如果是正常關(guān)機(jī),就沒(méi)有必要恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)了。本設(shè)計(jì)選用EEPROM存儲(chǔ)芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的掉電記憶。3.8.1掉電保護(hù)的選型采用外擴(kuò)EEPROM存儲(chǔ)器的方法,其優(yōu)點(diǎn)是廉價(jià)、靈活；缺點(diǎn)是占用單片機(jī)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(dú)立的EEPROM器件可以被單獨(dú)拆下,并且很容易讀取其內(nèi)容。在PIC16F877單片機(jī)內(nèi)部,作為一個(gè)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(duì)其實(shí)施讀/寫操作。一般從單片機(jī)芯片外部不能非法地讀取已加密的EEPROM。由此可見(jiàn),利用PIC16F877片內(nèi)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器模塊,可以實(shí)現(xiàn)以上功能,顯然克服了外擴(kuò)EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的缺點(diǎn),從而可以使保密性得到極大地提高。故本次設(shè)計(jì)采用單片機(jī)內(nèi)部集成的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器模塊,它的容量為256x8位。單片機(jī)向EEPROM燒寫的數(shù)據(jù),可以是來(lái)自外部,可以經(jīng)過(guò)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(hù)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(jī)需要把采集到的溫度、壓力、濕度等數(shù)據(jù)反饋到上位機(jī),由監(jiān)控人員查看,分析,以及做出對(duì)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(jī)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行一定程度的控制,上位機(jī)可對(duì)下位機(jī)下達(dá)命令,設(shè)置臨界值等。這些都用到了通訊。本次設(shè)計(jì)題目要求采用M-BUS總線進(jìn)行通訊。3.9.1M-BUS總線介紹儀表總線<Meter-Bus,簡(jiǎn)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(jì)的低成本總線,可以實(shí)現(xiàn)公共事業(yè)儀表的聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程抄表功能.在我國(guó),隨著樓宇自動(dòng)化的發(fā)展,M-Bus作為一種低成本、簡(jiǎn)單可靠、開(kāi)放的測(cè)量總線,雖處于起步階段,但基于其自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),也逐步得到了各個(gè)儀表生產(chǎn)廠家的廣泛支持并逐步推廣使用.參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織<ISO>的開(kāi)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(jī)控制的分級(jí)通信系統(tǒng).它由主機(jī)、從機(jī)和兩線連接電纜組成.從機(jī)之間不能直接交換信息,只能通過(guò)主機(jī)來(lái)轉(zhuǎn)發(fā).M-Bus總線的一個(gè)重要特點(diǎn)是,它可以通過(guò)主機(jī)實(shí)現(xiàn)終端儀表的遠(yuǎn)程供電.因此,M-Bus與其他通信總線相比形成了自己獨(dú)特的電平特征.總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位定義如下:1>主機(jī)到從機(jī)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(duì)應(yīng)于總線驅(qū)動(dòng)器上輸出+36V正常電壓,而邏輯電平"0”對(duì)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(jī)到主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸按從機(jī)的電流消耗進(jìn)行調(diào)制、編碼在圖3-13中,邏輯電平"1”對(duì)應(yīng)于最大可達(dá)1.5mA的穩(wěn)態(tài)電流,邏輯電平"0”對(duì)應(yīng)的電流是在邏輯電平"1”對(duì)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(guó)現(xiàn)在絕大多數(shù)建筑物計(jì)費(fèi)儀表都是靠附帶電池提供能源,這種方式對(duì)電池的性能要求較高,同時(shí)要定期進(jìn)行維護(hù),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(hào)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(hù)所帶來(lái)的困難.M-Bus總線可給從機(jī)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(shí),將終端內(nèi)部的電池關(guān)閉,通過(guò)中央控制單元提供的M-Bus電壓,維持終端運(yùn)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(shí)存在,具有較強(qiáng)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(jì)基于M-BUS總線的監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(méi)有生產(chǎn)專門的M-BUS<>RS232轉(zhuǎn)換器和從機(jī)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(chǔ)器等功能。在M-Bus系統(tǒng)中,中央控制單元一般由PC機(jī)、電源驅(qū)動(dòng)器和M-Bus適配器組成.其中,M-Bus適配器功能是:①將PC機(jī)上的RS232電平轉(zhuǎn)換成M-Bus電平;②讀取、管理多達(dá)250個(gè)的終端儀表.從結(jié)構(gòu)上來(lái)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(guò)載報(bào)警模塊.由于本次設(shè)計(jì)時(shí)間緊張,加上設(shè)計(jì)任務(wù)沒(méi)有要求設(shè)計(jì)M-BUS<>RS232轉(zhuǎn)換器,故它不在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。下面著重介紹從機(jī)收發(fā)器的設(shè)計(jì)。3.10.1TSS721A芯片介紹TSS721A是TI公司專為M-Bus總線開(kāi)發(fā)的從機(jī)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(dòng)態(tài)電平辨識(shí)機(jī)制,發(fā)送器的通信電流大小可通過(guò)電阻編程來(lái)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(dá)9600bps。在通訊時(shí),發(fā)送方通過(guò)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(guò)監(jiān)測(cè)總線電壓變化獲得數(shù)據(jù),由于采用了動(dòng)態(tài)電平識(shí)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(jiàn)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(shuō)明。發(fā)送時(shí)工作原理見(jiàn)3-15.當(dāng)沒(méi)有通訊數(shù)據(jù)時(shí),TSS721A吸收的電流Ispace包括芯片本身消耗電流、對(duì)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(jìn)人時(shí),數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)Imc的有無(wú)進(jìn)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(gè)節(jié)點(diǎn)有恒定的電流消耗,TSS721A依靠其內(nèi)部設(shè)計(jì)滿足這一要求。由于對(duì)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(wú)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(shí),比較器的輸出就可以檢測(cè)總線電壓前一個(gè)時(shí)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(gè)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(shí)"1"較少的情況下,也能保證Csc上的電壓。因?yàn)镠ART協(xié)議中空閑位表示為"1",在設(shè)計(jì)時(shí)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(hào)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(jī)接口電路設(shè)計(jì)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(gè)8位的波特率發(fā)生器BRG,實(shí)際就是波特率時(shí)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(cè)提供定時(shí)時(shí)鐘。它可以支持USART的同步方式和異步方式。利用寄存器SPBRG來(lái)定義一個(gè)8位定時(shí)器的循環(huán)周期,以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)波特率的設(shè)置由分頻因子N和所需的波特率<9600bps>來(lái)決定,數(shù)據(jù)的傳送或接收主要是通過(guò)一個(gè)移位寄存器。接收時(shí)移位寄存器將接收來(lái)的數(shù)據(jù)流組合滿一個(gè)字節(jié),就保存到接收緩存RCREG;發(fā)送時(shí),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(kāi)關(guān)用來(lái)設(shè)置總線上斷路器的惟一地址。上位機(jī)通過(guò)尋址的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)和微處理器PIC6F877之間的通信。每次主機(jī)對(duì)某一地址呼叫,只有地址像相符的從機(jī)才可以識(shí)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(guò)從機(jī)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(jī)通信,通訊接口電路是整個(gè)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(gè)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),如果數(shù)據(jù)不能輸出,整個(gè)系統(tǒng)是毫無(wú)意義的。3.11電源的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的電源主要有三種：±5V和+12V。±5V的電源是供給各種集成器件以及單片機(jī)使用的；+12V的電源是供給放大器使用的。由于單片機(jī)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(qiáng),為防止它們之間互相干擾,應(yīng)分別設(shè)計(jì)。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(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),但外圍電路復(fù)雜,需要進(jìn)行濾波等。新型集成的穩(wěn)壓電源出價(jià)格外在各方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的集成電源,本次設(shè)計(jì)選用HV-2405E。HV-2405E是美國(guó)HARRIS公司推出的一種高效率、無(wú)變壓器輸出的降壓式AC-DC轉(zhuǎn)換器。HV-2405E的主要特點(diǎn)有：不需要電源變壓器就能進(jìn)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(shí)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(gè)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(hào)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(guò)壓保護(hù)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(guò)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(shí),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(shí),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(hù)負(fù)載和HV2405E不至于過(guò)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(jì)接線圖3.11.3電源的抗干擾技術(shù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最重要且危害最嚴(yán)重的干擾來(lái)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(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重,各種干擾極易耦合到供電線路中。同時(shí),電源本身也會(huì)產(chǎn)生干擾,對(duì)本設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)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(shí)應(yīng)遵循以下原則：在接地面上,電源接地和數(shù)字信號(hào)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(hào)的接地通路。將幾條接地通路接到電源公共點(diǎn)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(jī)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(shí)還能較好地克服電源本身產(chǎn)生的干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)工作的影響。單片機(jī)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(jì)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(kāi)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(guò)電壓保證集成三端穩(wěn)壓器的輸入-輸出電壓差不會(huì)瞬間超過(guò)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(jì)采用新型集成電源模塊,接口簡(jiǎn)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(jì)單片機(jī)系統(tǒng)只有硬件還不能工作,必須有軟件<即程序>來(lái)控制系統(tǒng)運(yùn)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(shí)時(shí)工作,相互配合密切,對(duì)軟件設(shè)計(jì)提出了很高的要求,因此軟件設(shè)計(jì)就成為本系統(tǒng)能否成功實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn),也是難點(diǎn)。我們采用匯編語(yǔ)言編寫源程序,整個(gè)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(hù)方便、占用存儲(chǔ)空間少等特點(diǎn)。4.1系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思想系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(jī)PIC16F877、通信模塊和LCD液晶顯示模塊等,以確定定時(shí)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(jī)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(shí)退出中斷,不存在中斷嵌套問(wèn)題,簡(jiǎn)化了軟件設(shè)計(jì)。4.2系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)如圖4-1為本系統(tǒng)主程序流程圖。系統(tǒng)上電后先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,然后開(kāi)中斷,接著程序進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)中通過(guò)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(bào)警,以及上位機(jī)與下位機(jī)的通訊。4.3系統(tǒng)子程序的設(shè)計(jì)整個(gè)軟件系統(tǒng)中主要包括如下子程序：定時(shí)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(bào)警子程序以及通訊子程序等。4.3.1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器子程序本次設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)對(duì)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(shí)時(shí)間比較長(zhǎng),必須用定時(shí)器與計(jì)數(shù)器配合使用才能完成。但PIC6F877單片機(jī)集成的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR1可以借助于自帶的低頻時(shí)基振蕩器,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)。TMR1模塊具有一個(gè)由受控三態(tài)門構(gòu)成的低頻低功耗晶體振蕩器,用來(lái)為TMR1提供獨(dú)立于系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào),如圖4-2.只有當(dāng)使能端TIOSCEN設(shè)置為高電平時(shí),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(diǎn)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(shí)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(kāi)始報(bào)警調(diào)用顯示子程主程序流程圖調(diào)用從機(jī)回應(yīng)主機(jī)子程序本次設(shè)計(jì)使用外接32.768kHz的電子鐘表通用的,廉價(jià)易購(gòu)的微型石英晶體。理由是,對(duì)該頻率進(jìn)行15級(jí)分頻之后,便可以得到"秒"時(shí)基信號(hào)。利用這個(gè)獨(dú)立于系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)基信號(hào),再配合下面的中斷程序,就可以完成一分鐘定時(shí)。圖4-2TMR1自帶時(shí)基振蕩器接線圖圖中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)如下,一秒定