電力變壓器冷卻系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計模板

電力變壓器冷卻系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計資料內(nèi)容僅供參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系本人改正或者刪除。摘要本設(shè)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(fù)雜、可靠性低、風(fēng)機(jī)保護(hù)方式簡單、油溫測量精度低、控制誤差大、無法進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊等問題,設(shè)計了一套智能化變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)以PIC16F877單片機(jī)為核心,實現(xiàn)了對變壓器油溫的實時采集、LED顯示、數(shù)據(jù)無線傳輸,并參考油溫變化對風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實時控制。風(fēng)機(jī)側(cè)完善的保護(hù)裝置為CPU提供準(zhǔn)確的風(fēng)機(jī)故障信號,提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞:單片機(jī)、變壓器冷卻系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)故障、油溫采集

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(shè)計任務(wù)及要求 6第一節(jié)畢業(yè)設(shè)計的任務(wù) 6第二節(jié)畢業(yè)設(shè)計的要求 6第二章系統(tǒng)的設(shè)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(shè)計方案 82.1方案一 92.2方案二 102.3方案三 12第三節(jié)設(shè)計方案的確定 13第三章硬件電路設(shè)計 16第一節(jié)單片機(jī)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(shè)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(shè)計 294.1按鍵輸入電路模塊設(shè)計 294.2顯示電路部分設(shè)計 29第五節(jié)無線通信系統(tǒng)的設(shè)計 33第六節(jié)主回路部分設(shè)計 386.1風(fēng)冷機(jī)的保護(hù)簡要介紹 386.2輸出驅(qū)動電路設(shè)計 38第七節(jié)直流電源的設(shè)計 46第四章軟件部分設(shè)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(shè)計總結(jié) 60致謝 62參考文獻(xiàn) 63附錄一程序清單 64附錄二元器件明細(xì)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(shè)備之一,它的性能、質(zhì)量直接關(guān)系到電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和運(yùn)營效益。電力變壓器是電力系統(tǒng)運(yùn)行的核心設(shè)備之一,因此,電力變壓器安全可靠的運(yùn)行是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的根本保障。隨著變壓器容量的增大,變壓器的損耗同樣會增大,單靠箱壁和散熱器已不能滿足散熱要求,需采用子循環(huán)風(fēng)冷或強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)(水)冷,使熱油經(jīng)過強(qiáng)風(fēng)(水)冷卻器,冷卻后再用油泵送回變壓器。大容量的變壓器已經(jīng)采用導(dǎo)向冷卻,在繞組和鐵心內(nèi)部,設(shè)有一定的油路,使進(jìn)入油箱內(nèi)的冷油全部經(jīng)過繞組和鐵芯內(nèi)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(yùn)行,因此變壓器的冷卻系統(tǒng)對變壓器的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行又極其重要的意義。在發(fā)電廠或變電所,風(fēng)冷式變壓器采用多組風(fēng)機(jī)降溫,控制變壓器的油溫在額定范圍之內(nèi),保證變壓器正常工作。為了提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和延長變壓器的使用壽命,應(yīng)該對變壓器的油溫進(jìn)行實時監(jiān)控。當(dāng)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(fēng)機(jī)的啟動和停止,實現(xiàn)變壓器的溫度控制,在實際運(yùn)行中,由于風(fēng)機(jī)啟動時全部投入,同時全部停止,沖擊電流較大,嚴(yán)重影響了電機(jī)的使用壽命。且由于無法和控制室聯(lián)系,因此無法實現(xiàn)變壓器的無人控制,增加了運(yùn)行成本。變壓器溫控器總存在一些問題,如測溫誤差大、抗干擾能力差等,這些都是在工程界非常棘手的問題。而早期的溫度控制器,由于體積大、操作復(fù)雜、抗干擾能力差,給工程現(xiàn)場的使用也帶來了很大不便。隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,溫度控制器正向單片集成化、智能化的方向迅速發(fā)展。針對電力變壓器在運(yùn)行過程中存在的問題,能夠采用的智能溫度控制系統(tǒng),實現(xiàn)溫度的自動采集、顯示、風(fēng)機(jī)的順序起停。根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行要求,本設(shè)計選用了PIC16F877單片機(jī)構(gòu)成變壓器溫度控制系統(tǒng),設(shè)備操作簡單,用戶可經(jīng)過面板按鍵輕松設(shè)定控制風(fēng)機(jī)起停、報警及跳閘閥值,所有設(shè)定參數(shù)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(hù)電機(jī),如過載、缺相保護(hù)等。由于工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境較惡劣,會對系統(tǒng)產(chǎn)生很大的干擾,設(shè)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(jī)的信號都經(jīng)過了光耦隔離。最后經(jīng)過無線通信實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,控制室經(jīng)過無線通信及時掌握現(xiàn)場的運(yùn)行情況,可任意對各種事故做出及時地反映,實現(xiàn)了變壓器的無人控制。系統(tǒng)整體具有測溫誤差小、分辨力高、抗干擾能力強(qiáng)的特點,所有器件的選擇均滿足工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn),并適合高溫環(huán)境。由于采取了以上措施,能夠保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作,設(shè)計具有很好的擴(kuò)展性,能滿足各種型號變壓器的要求。第一章設(shè)計任務(wù)及要求第一節(jié)設(shè)計任務(wù)在我們的生活中,電力安全是至關(guān)重要的,而電力變壓器又是電力系統(tǒng)的重要組成部分。電力系統(tǒng)中常見的油浸風(fēng)冷式電力變壓器多采用多組風(fēng)機(jī)降溫,控制變壓器的油溫在工藝要求的范圍之內(nèi)。當(dāng)前現(xiàn)場還有相當(dāng)數(shù)量的油浸風(fēng)冷電力變壓器由電接點式溫度計采集、顯示變壓器油溫,控制風(fēng)機(jī)的啟動和停止,實現(xiàn)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(fēng)機(jī),當(dāng)油溫降至下限溫度時停止全部風(fēng)機(jī)。而實際運(yùn)行中這種控制方式有不少的缺點,如風(fēng)機(jī)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(yùn)行。針對以上種種問題,要求本設(shè)計選用一款集成度較高的單片機(jī),并采用無線通信技術(shù),設(shè)計一個電力變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng),對現(xiàn)有落后的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行改造,滿足自動化要求。設(shè)計主要完成的工作。本設(shè)計須完成風(fēng)冷式電力變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)的主機(jī)部分的設(shè)計,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(fēng)冷系統(tǒng)正常運(yùn)行及實現(xiàn)無人值班所需的遠(yuǎn)程通訊功能,必須采用以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)來完成;為保證風(fēng)機(jī)能可靠安全運(yùn)行,必須收集一既能被單片機(jī)驅(qū)動又能保證風(fēng)機(jī)可靠運(yùn)行的元件。(2)方案設(shè)計。(3)確定系統(tǒng)配置及功能,并根據(jù)系統(tǒng)功能要求完成系統(tǒng)硬件設(shè)計。(4)根據(jù)設(shè)計原則完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。(5)撰寫設(shè)計說明書,繪制系統(tǒng)電路原理圖。(6)完成指定內(nèi)容的外文資料翻譯。第二節(jié)設(shè)計要求2.1畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容(1)完成系統(tǒng)設(shè)計;(2)選擇合適的單片機(jī),作為主機(jī)CPU;(3)獨自完成主機(jī)硬件、軟件設(shè)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(shè)計、程序設(shè)計及調(diào)試;(4)完成相關(guān)的設(shè)計圖紙繪制和設(shè)計說明書撰寫,經(jīng)過畢業(yè)設(shè)計答辯。2.2設(shè)計實現(xiàn)的主要功能(1)將采集到的油溫在就地和遠(yuǎn)端(控制室)用LED實時顯示油溫,主機(jī)和從機(jī)之間的通訊采用無線通信方式;(2)系統(tǒng)設(shè)置自動、手動、停止三種運(yùn)行方式,正常時采用自動方式運(yùn)行,主控板檢修時采用手動方式運(yùn)行,而且能夠靈活選擇運(yùn)行方式。(3)在自動方式運(yùn)行下,當(dāng)變壓器油溫超過上限時,風(fēng)機(jī)全部投入;當(dāng)溫度低于工藝下限時,風(fēng)機(jī)全部停止;當(dāng)溫度由高下降到上限和下限的中間值時,只投入3組風(fēng)機(jī);在投入3組風(fēng)機(jī)的狀態(tài),先運(yùn)行的3組風(fēng)機(jī)運(yùn)行1小時后(這三組風(fēng)機(jī)在變壓器周圍間隔安裝),自動切換到另外3組(這三組風(fēng)機(jī)也在變壓器周圍間隔安裝),1小時后又切換到原來的3組,如此交替運(yùn)行,既延長風(fēng)機(jī)的使用壽命,又能使變壓器均勻降溫。溫度上限值和下限值能夠經(jīng)過硬件靈活設(shè)置,以適應(yīng)不同類型和不同環(huán)境使用的變壓器;變壓器油溫超過上限值時,風(fēng)機(jī)群全部投入運(yùn)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(shè)備損壞;(4)系統(tǒng)具有故障自診斷功能,當(dāng)某一風(fēng)機(jī)工作異常時如過壓、缺相、過載時,系統(tǒng)能夠在現(xiàn)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(jìn)行設(shè)備檢修;(5)系統(tǒng)設(shè)置正常運(yùn)行、故障運(yùn)行、油溫超過75℃(6)本設(shè)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(shù)指標(biāo)控制系統(tǒng)的工作電源為220V/50HZ的工頻交流電,容量為31500KVA;風(fēng)機(jī)有6組,每組2個風(fēng)機(jī),均勻排列在變壓器四周,每個風(fēng)機(jī)功率為0.375KW;溫度測量范圍為0-100℃,溫度采集精度為±2℃,溫度控制精度為±5℃。第二章系統(tǒng)的設(shè)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(fēng)機(jī),每臺變壓器有6組風(fēng)冷式電動機(jī)需要控制,每組風(fēng)機(jī)的保護(hù)經(jīng)過熱繼電器實現(xiàn),控制風(fēng)機(jī)電源回路經(jīng)過接觸器,而風(fēng)機(jī)啟停的邏輯判斷經(jīng)過測量變壓器的油溫和變壓器的過負(fù)荷實現(xiàn),工作原理如圖2-1所示。主電路控制元件采用了接觸器,靠機(jī)械觸點來實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的驅(qū)動。這種方式對風(fēng)機(jī)的控制只能由人工完成,風(fēng)機(jī)同時全部投入,同時全部停止,啟動時沖擊電流很大,會對器件造成損傷。當(dāng)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(shè)備的維護(hù)。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(fù)雜,在運(yùn)行過程中會出現(xiàn)三相三相電源接觸器熱繼電器風(fēng)冷電機(jī)變壓器過負(fù)荷變壓器油溫檢測機(jī)電邏輯處理系統(tǒng)圖2-1傳統(tǒng)風(fēng)冷機(jī)工作原理圖第二節(jié)智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案本設(shè)計以PIC16F877單片機(jī)為核心完成系統(tǒng)的設(shè)計,要求對油溫進(jìn)行實時采集,將采集結(jié)果送入MCU進(jìn)行處理,然后按照工藝要求進(jìn)行相應(yīng)的控制,實現(xiàn)對變壓器溫度的全自動遠(yuǎn)程和就地監(jiān)控,系統(tǒng)要具有完善的保護(hù)功能,包括過壓、過載、缺相檢測和保護(hù),還要具備故障自診斷功能,在故障出現(xiàn)時,給出故障信息,顯示故障類型,便于工作人員及時進(jìn)行檢修;使用無線通信方式實現(xiàn)變壓器控制器與中心控制室之間的數(shù)據(jù)通信。使用戶隨時了解變壓器及風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況,實現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度控制。整個課題包括系統(tǒng)設(shè)計,主機(jī)溫度信號采集與調(diào)理電路設(shè)計,主機(jī)LED顯示電路設(shè)計,主控電路設(shè)計,缺相檢測與保護(hù)電路設(shè)計,過載保護(hù)與檢測電路設(shè)計,從機(jī)設(shè)計,從主機(jī)LED顯示電路設(shè)計,無線通信電路設(shè)計,主電路設(shè)計,主機(jī)從機(jī)電源設(shè)計,系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)計,軟件編程等。溫度信號的采集在設(shè)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(xiàn)。2.1方案一:溫度檢測電路經(jīng)過預(yù)埋在變壓器中的鉑電阻傳感器獲得油溫信號[3],經(jīng)信號調(diào)理電路處理后直接送入控制器的A/D轉(zhuǎn)換輸入端,PIC單片機(jī)根據(jù)信號數(shù)據(jù)及設(shè)定的各種控制參數(shù),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(yīng)的控制信號,控制風(fēng)機(jī)的起停,電機(jī)的保護(hù)電路包括過壓,過載,缺相等。顯示電路采用MAX7219,其只需要三根線就可控制八個數(shù)碼管,特別適用于需要I/O口較多的系統(tǒng)。信號經(jīng)過無線通信芯片nRF401傳輸?shù)娇刂剖?以便對現(xiàn)場情況及時做出反應(yīng)。方案采用PIC16F877單片機(jī),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(jīng)過減少外部元件使成本最小。另外,還提供節(jié)電工作模式及提供編碼保護(hù)等。PIC16F877共有A口、B口、C口、D口、E口五組I/O口,完全能夠滿足本系統(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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;CCP模塊可提供外部信號的捕捉、內(nèi)部比較輸出、及脈寬調(diào)制PWM功能;中斷源多,具有看門狗定時器和睡眠功能;還能夠在線串行編程、在線調(diào)試。顯示電路采用MAX7219,其只需要三根線就可可控制八個數(shù)碼管,特別適用于需要I/O口較多的系統(tǒng)。MAX7219為8位LED顯示驅(qū)動電路,能夠連續(xù)的驅(qū)動8位7段數(shù)據(jù)顯示。在芯片內(nèi)部集成了一個BCD譯碼器,段地址和位地址驅(qū)動以及一個88位的靜態(tài)隨機(jī)存儲器。只需要一個外部電阻,就能夠正確地驅(qū)動所有LED的段地址。信號經(jīng)過無線通信芯片nRF401傳輸?shù)娇刂剖?。以便對現(xiàn)場情況及時做出反應(yīng)。nRF401是一個433MHz工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)用頻段設(shè)計的真正單片無線收發(fā)芯片,它采用頻移鍵控調(diào)制技術(shù)。nRF401發(fā)射速率可達(dá)20kb/s,發(fā)射功率可調(diào),最大發(fā)射功率10dBm,接收靈敏度-105dBm,具有工作半徑大、適應(yīng)性強(qiáng)的特點。天線接口設(shè)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(jī)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(jī)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(dǎo)體公司生產(chǎn)的智能集成溫度傳感器DS18B20型單線智能溫度傳感器,屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器,采用DALLAS公司特有的單總線通信協(xié)議,只用一條數(shù)據(jù)線就可實現(xiàn)與MCU的通信。它具有體積小,接口方便,傳輸距離遠(yuǎn)等特點。顯示采用單片機(jī)的RA口擴(kuò)展四片串并轉(zhuǎn)換的移位寄存器74LS164驅(qū)動四只1.5寸共陽數(shù)碼管,實時顯示變壓器的溫度。復(fù)位電路采用MAXMAX6304芯片來實現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控電路。MAX6304是一款專用、高性能、低功耗的微處理器監(jiān)控芯片。通信采用CHIPCON公司新推出的CC1000單片可編程RF收發(fā)芯片。(一)溫度檢測電路的設(shè)計溫度檢測采用由DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的智能集成溫度傳感器DS18B20型單線智能溫度傳感器,屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器,可廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測量及控制儀器、測控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。它具有體積小、接口方便、傳輸距離遠(yuǎn)等特點。DS18B20單總線數(shù)字傳感器工作溫度范圍是-55℃～125℃,在-30℃～85℃范圍內(nèi)溫度測量精度為圖2-3DS18B20引腳分布圖報警溫度,且設(shè)置值掉電不丟失;采用DALLAS公司特有的單總線通信協(xié)議,只用一條數(shù)據(jù)線就可實現(xiàn)與MCU的通信;另外,DS18B20能夠直接從數(shù)據(jù)線獲得電源,無需外部電池供電[4]。DS18B20與單片機(jī)的接口電路如圖2-3所示。I/O為數(shù)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(dāng)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(yīng)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(shè)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(shù)碼管顯示,電路如下圖2-4所示。采用了MAX7219驅(qū)動器,對溫度值進(jìn)行實時輸出顯示,根據(jù)精度要求,設(shè)置一位小數(shù)。圖2-4LED顯示電路(三)鍵盤輸入單片機(jī)監(jiān)電路設(shè)計的好壞,直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。在設(shè)計完單片機(jī)系統(tǒng),并在實驗室調(diào)試成功后,在現(xiàn)場卻出現(xiàn)了”死機(jī)”、”程序跑飛”等現(xiàn)象,而用仿真器調(diào)試時卻無此現(xiàn)象發(fā)生或極少發(fā)生此現(xiàn)象。有時會發(fā)現(xiàn)在關(guān)閉電源后的短時間內(nèi)再次開啟電源,單片機(jī)系統(tǒng)會工作不正常,這些都很可能是由單片機(jī)監(jiān)控電路設(shè)計的不可靠引起的。單片機(jī)監(jiān)控電路主要有監(jiān)控和看門狗兩個功能。(四)通訊電路設(shè)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(xiàn)無線通信。CC1000是根據(jù)Chipcon公司的SmartRF技術(shù),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(jīng)過編程使其工作在300～1000MHz范圍內(nèi)。它具有低電壓(2.3～3.6V),極低的功耗,可編程輸出功率(-20～10dBm),高靈敏度(一般-109dBm),小尺寸(TSSOP-28封裝),集成了位同步器等特點。其FSK可達(dá)72.8Kbps,具有250Hz步長可編程頻率能力,適用于跳頻協(xié)議;主要工作參數(shù)能經(jīng)過串行總線接口編程改變,使用非常靈活。CC1000可經(jīng)過簡單的三線串行接口(PDATA、PCLK和PALE)進(jìn)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(shù)據(jù)幀,每個16位(7個地址位,1個讀/寫位和8個數(shù)據(jù)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(shè)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(shù)據(jù)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?shù)刂泛妥x/寫位期間,PALE(編程地址鎖存使能)必須保持低電平,接著傳輸8個數(shù)據(jù)位(D7:0),PDATA在PCLK下降沿有效。當(dāng)8位數(shù)據(jù)位中的最后一個字節(jié)位D0裝入后,整個數(shù)據(jù)字才被裝入內(nèi)部配置寄存器中。經(jīng)過低電位狀態(tài)下編程的配置信息才會有效,可是不能關(guān)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(shù)據(jù)。提供數(shù)據(jù)計時的DCLK應(yīng)與微控制器輸入端相連,其余引腳用來監(jiān)視LOCK信號(在引腳CHP_OUT)。當(dāng)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(chǎn)的恒流源式模擬溫度傳感器AD590。它兼有集成恒流源和集成溫度傳感器的特點,具有測溫誤差小,動態(tài)阻抗低,傳輸距離遠(yuǎn),體積小,微功耗等特點。AD590配以ICL7016型單片A/D轉(zhuǎn)換器即可構(gòu)成三位半液晶顯示的溫度傳感器,通信采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)。(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(chǎn)的恒流源式模擬溫度傳感器。它兼有集成恒流源和集成溫度傳感器的特點,具有測溫誤差小、動態(tài)阻抗響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等優(yōu)點,適合遠(yuǎn)距離測溫、控溫,不需要進(jìn)行線性校準(zhǔn)。AD590屬于采用激光修正的精密集成溫度傳感器。該產(chǎn)品有3種封裝形式;TO-52封陶瓷封裝(測溫范圍是-55—+150℃)。不同公司產(chǎn)品的分檔情況及技術(shù)指標(biāo)可能會有一些差異。例如,由ADI公司生產(chǎn)的AD590,就有90J/K/L/M四檔。這類器件的外形與小功率晶體管相仿,共有3個管腳:1腳為正極,2腳是負(fù)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(chǎn)品以AD590M的性能最佳,其測溫范圍是-55—+150℃,最大非線性誤差為0.3℃,相應(yīng)時間僅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(yīng)于熱力學(xué)溫度T每變化1K,輸出電流就變化1μA。在298.15K(對應(yīng)于25.15℃(二)通訊電路RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實現(xiàn)通信:在發(fā)送端TXD將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號A、B兩路輸出,經(jīng)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(qiáng)的抗共模干擾的能力,接收靈敏度也相當(dāng)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(shù)據(jù)時傳輸距離可達(dá)12m,而用100Kbps時傳輸距離可達(dá)1.2km。如果降低波特率,傳輸距離還可進(jìn)一步提高。另外RS-485實現(xiàn)了多點互聯(lián),最多可達(dá)256臺驅(qū)動器和256臺接收器,非常便于多器件的連接。不但能夠?qū)崿F(xiàn)半雙工通信,而且能夠?qū)崿F(xiàn)全雙工通信。半雙工通信芯片有SN75176、SN75276、SN75LBC184、MAX485、MAX3082、MAX1482等。全雙工通信的有SN75179、SN75180、MAX488～491、MAX1482等[6]。第三節(jié)設(shè)計方案的確定根據(jù)上一節(jié)中三個設(shè)計方案,下面對這三種設(shè)計方案進(jìn)行比較:在方案二中,溫度檢測采用由DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的智能集成溫度傳感器DS18B20型單線智能溫度傳感器,它具有體積小,接口方便,傳輸距離遠(yuǎn)等特點。但價格較高。顯示采用單片機(jī)的I/O口擴(kuò)展四片串并轉(zhuǎn)換的移位寄存器74LS164驅(qū)動四只1.5寸共陽級數(shù)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(kuò)展性受到了一定的限制[7]。復(fù)位電路采用MAX6304芯片來實現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控電路。MAX6304是一款專用、高性能、低功耗的微處理器監(jiān)控芯片。通信采用CHIPCON公司新推出的CC1000單片可編程RF收發(fā)芯片。本設(shè)計的成本較高,但可靠性更強(qiáng),適用于對可靠性要求較高且不在乎成本的場合。在方案三中,溫度檢測采用美國模擬器件公司(ADI)生產(chǎn)的恒流源式模擬溫度傳感器AD590。它兼有集成恒流源和集成溫度傳感器的特點,具有測溫誤差小,動態(tài)阻抗低,傳輸距離遠(yuǎn),體積小,微功耗等特點。AD590配以ICL7016型單片A/D轉(zhuǎn)換器即可構(gòu)成三位半液晶顯示的溫度傳感器。顯示采用MAX7219,占用了較少的I/O口,通信采用RS485標(biāo)準(zhǔn)。此方案具有很高的可靠性,液晶具有很多優(yōu)點,能夠?qū)崿F(xiàn)漢字的顯示等,但設(shè)計中要求在較遠(yuǎn)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(jī)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(nèi)置的鉑電阻來檢測溫度變化,硬件電路較為簡單,光電隔離使用線形光耦,具有較好的性能,抗干擾能力較強(qiáng),顯示電路使用MAX7219只占用三個I/O口連線較少,容易實現(xiàn)。通信芯片nRF401,其通信距離遠(yuǎn),且不用編碼,軟件較容易實現(xiàn)。另外本方案還具有很好的經(jīng)濟(jì)性和可擴(kuò)展性,可滿足各種不同變壓器的要求。綜上所述,本方案具有較高的性價比。根據(jù)上面對三個設(shè)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(kuò)展,經(jīng)濟(jì)性較好,而且采用無線通訊,具有較高的性價比。因此在本設(shè)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(jié)構(gòu)框圖如上系統(tǒng)框圖所示,本設(shè)計以PIC16F877單片機(jī)為核心完成系統(tǒng)的設(shè)計,要求對油溫進(jìn)行實時采集,將采集結(jié)果送入MCU進(jìn)行處理,然后按照工藝要求進(jìn)行相應(yīng)的控制,實現(xiàn)對變壓器溫度的全自動遠(yuǎn)程和就地監(jiān)控,系統(tǒng)要具有完善的保護(hù)功能,包括過壓、過載、缺相檢測和保護(hù),還要具備故障自診斷功能,在故障出現(xiàn)時,給出故障信息,顯示故障類型,便于工作人員及時進(jìn)行檢修;使用無線通信方式實現(xiàn)變壓器控制器與中心控制室之間的數(shù)據(jù)通信。使用戶隨時了解變壓器及風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況,實現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度控制。溫度檢測電路經(jīng)過預(yù)埋在變壓器中的鉑電阻傳感器獲得油溫信號,經(jīng)信號調(diào)理電路處理后直接送入控制器的A/D轉(zhuǎn)換輸入端,PIC單片機(jī)根據(jù)信號數(shù)據(jù)及設(shè)定的各種控制參數(shù),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(yīng)的控制信號,控制風(fēng)機(jī)的起停,電機(jī)的保護(hù)電路包括過壓,過載,缺相等。顯示電路采用MAX7219,其只需要三根線就可控制八個數(shù)碼管,特別適用于需要I/O口較多的系統(tǒng)。信號經(jīng)過無線通信芯片nRF401傳輸?shù)娇刂剖?。以便對現(xiàn)場情況及時做出反應(yīng)。nRF401是一個433MHz工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)用頻段設(shè)計的真正單片無線收發(fā)芯片,它采用頻移鍵控調(diào)制技術(shù)。nRF401發(fā)射速率可達(dá)20kb/s。發(fā)射功率可調(diào),最大發(fā)射功率10dBm,接收靈敏度-105dBm,具有工作半徑大、適應(yīng)性強(qiáng)的特點。天線接口設(shè)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(jī)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(shè)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(shè)計第一節(jié)單片機(jī)的選型硬件電路是整個設(shè)計的核心,而單片機(jī)又是硬件電路的核心,因此單片機(jī)的選擇顯得至關(guān)重要。由于有溫度檢測,需要A/D轉(zhuǎn)換,且需要較多的I/O口,因此單片機(jī)采用PIC系列微控制器[8]。PIC系列單片機(jī)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(xué)易用,相對于采用CISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)可節(jié)省30%以上的開發(fā)時間,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(biāo)準(zhǔn),指令的執(zhí)行速度比一般的單片機(jī)要快4～5倍。(3)低功耗:PIC采用CMOS設(shè)計結(jié)合了諸多的節(jié)電特性,使其功耗較低,PIC百分之百的靜態(tài)設(shè)計可進(jìn)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(chǎn)品開發(fā)工具和大量的子程序庫和應(yīng)用例程,使產(chǎn)品開發(fā)更容易和更快捷。根據(jù)設(shè)計的要求,綜合多方面的因素,我選擇了PIC16F87X系列的PIC16F877單片機(jī),它與其它3種單片機(jī)性能對照表如下所示。主要特征PIC16F873PIC16F874PIC16F876PIC16F877工作頻率DC～20MHzDC～20MHzDC～20MHzDC～20MHz復(fù)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(shù)據(jù)存儲器/字節(jié)192192368368EERROM數(shù)據(jù)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(shù)器3333捕捉/比較/脈沖調(diào)制(PWM)2222串行通信MSSP,USARTMSSP,USARTMSSP,USARTMSSP,USART并行通信--PSP--PSP10位模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)/條35353535表3-1四種單片機(jī)性能比較表PIC16F877單片機(jī)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(dá)8K字(14位字長)的FIASH程序存儲器;高達(dá)368字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器(RAM);高達(dá)256字節(jié)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器。中斷能力多達(dá)14個內(nèi)部/外部中斷源。該單片機(jī)具有8級硬件堆棧,上電復(fù)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(nèi)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(hù)功能,省電休眠(Sleep)方式。還可選擇不同的振蕩器工作方式,有高速,低功耗CMOSFLASH/EEPROM技術(shù)。經(jīng)過2個引腳可進(jìn)行在線調(diào)試,編程只需要5V電源,經(jīng)過2個引腳可進(jìn)行在線調(diào)試,處理器有通道能對程序存儲器進(jìn)行讀/寫。單片機(jī)有寬范圍的工作電壓:2.0～5.5V,最大拉電流/灌電流可達(dá)25mA,一般符合商用級和工業(yè)級的工作溫度范圍。低功耗型:在4MHz時鐘下,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(shù)器?！ざ〞r器TMR1:帶有前分頻器的16位定時器/計數(shù)器,在休眠期間可經(jīng)過外部晶振/時鐘增量計數(shù)?！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(shù)器?！蓚€捕捉/比較/脈寬調(diào)制(PWM)模塊。·16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(diào)制(PWM)輸出的最大分辨率為10位?！?0位多通道模數(shù)轉(zhuǎn)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)。·用于鎖定(Brown-out)復(fù)位(BOR)的鎖定檢測電路。由以上對單片機(jī)的介紹能夠看出,PIC單片機(jī)性能高,而且自身帶有10位多通道A/D轉(zhuǎn)換器,在溫度檢測信號后就不需要設(shè)計專門電路來進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,因此應(yīng)用電路比較簡單,因此在本設(shè)計中就選用了PIC16F877單片機(jī)。第二節(jié)振蕩器配置選擇在本次設(shè)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(jīng)過對配置寄存器中的振蕩器選擇位FOSC1和FOSC0進(jìn)行編程選擇其中的一種工作方式[9]。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(shè)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(nèi);而用順序方法切割的晶體,給出的頻率不在晶體制造廠家特性范圍之內(nèi)。在這3種方式下,也能夠用外部時鐘源加在OSC1引腳上進(jìn)行驅(qū)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(nèi)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(shù)值;(4)為避免超過晶體驅(qū)動能力,可在HS和XT方式下加上串聯(lián)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(lián)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(nèi)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(yīng)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(shù)值和工作溫度函數(shù),再加上由于制造中正常的工藝參數(shù)的變化,另外封裝時引腳結(jié)構(gòu)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(dāng)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(fù)位PIC16F877芯片有以下幾種復(fù)位方式:(1)芯片上電復(fù)位(POR);(2)正常工作狀態(tài)下經(jīng)過在外部引腳上加低電平復(fù)位;(3)在休眠狀態(tài)下經(jīng)過在外部引腳上加低電平復(fù)位;(4)正常工作狀態(tài)下監(jiān)視器WDT超時溢出復(fù)位;(5)在休眠狀態(tài)下監(jiān)視器WDT超時溢出復(fù)位;(6)掉電鎖定復(fù)位(BOR)。有些寄存器的值不受任何一種復(fù)位操作的影響,當(dāng)芯片上電復(fù)位時,它們的值是不確定的,并在其它形式的復(fù)位后其值保持不變。而其它大多數(shù)寄存器的上電復(fù)位、在正常工作期間用信號復(fù)位或WDT超時溢出復(fù)位,在休眠期間信號復(fù)位以及在掉電鎖存復(fù)位后都會被復(fù)位成”復(fù)位狀態(tài)”。但在休眠期間WDT超時溢出復(fù)位不會影響這些寄存器的值,這是因為這種復(fù)位被看成是一種正常的操作,故不應(yīng)使任何寄存器的值發(fā)生變化。表3-7為不同復(fù)位方式下的上電延遲時間。表3-8為狀態(tài)寄存器STATUS中和位在不同復(fù)位方式下的不同的值,在軟件中能夠利用這些位來確定發(fā)生復(fù)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(fù)位(POR)0X0X無效,在上電復(fù)位時,被設(shè)置為10XX0無效,在上電復(fù)位時,被設(shè)置為11011掉電鎖存復(fù)位(BOR)1101WDT復(fù)位1100WDT喚醒復(fù)位11UU在正常運(yùn)行時復(fù)位1110在休眠或從修面狀態(tài)中喚醒復(fù)位經(jīng)過對以上進(jìn)行分析說明,本設(shè)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(shè)計3.1溫度檢測電路溫度是一種最基本的環(huán)境參數(shù),在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實時測量溫度,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測量,因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。測量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器,溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個發(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(dāng)前,國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式,從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展[7]。由于電力變壓器內(nèi)部帶有鉑電阻,為了硬件上便于實現(xiàn),設(shè)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(jìn)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(diào)試容易、對器件要求不高、實用性強(qiáng)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(guān)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(diào)試非常簡單,在R和R4確定后,只需根據(jù)輸出電壓Vo的變化范圍確定R1的阻值即可。電流流過鉑電阻將會引起鉑電阻溫度升高,稱其為自加熱現(xiàn)象,從而帶來一定的測量誤差,為了減小這種誤差,必須減小流經(jīng)鉑電阻電流,能夠經(jīng)過減小A點的電壓和適當(dāng)選取R4的阻值實現(xiàn)。而A點電壓由參考電壓VREF和R2/R3的值共同決定,因此,應(yīng)選擇輸出電壓比較低的參考電壓源(圖3-2中選2.5V),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(xiàn)場的電磁干擾特別大,工作環(huán)境比較惡劣,如果要使溫控器在此環(huán)境中能夠長期穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行,就必須解決溫控器的抗干擾問題,否則將導(dǎo)致控制誤差加大,甚至造成巨大的損失。因此溫度信號要引入單片機(jī)必須經(jīng)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(nèi)。當(dāng)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(chǎn)生光電流,從輸出端輸出,從而實現(xiàn)了”電--光--電”轉(zhuǎn)換。普通的光耦器件只能傳輸數(shù)字信號,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(gòu)成,發(fā)光器件為發(fā)光二極管,光檢測器為光敏三極管。當(dāng)輸入為低電平”0”時,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(dāng)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(chǎn)生一定的基極電流,使光敏三極管處于導(dǎo)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(lián)系,也沒有共地,之間的分布電容極小,而絕緣電阻又很大,因而回路一側(cè)的各種干擾噪聲都很難經(jīng)過光電耦合器饋送到另一側(cè)去,避免了共阻抗耦合的干擾信號的產(chǎn)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(xiàn)了電氣隔離,抗干擾能力強(qiáng),使用壽命長,傳輸效率高。使用光電耦合器還具有很好的安全保障作用,因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(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障,也不會影響到單片機(jī)等重要的核心設(shè)備。常見的光耦器件為TLP521-1,TLP521-4,4N25,HCRN200,SLC800等。普通的光耦在數(shù)字隔離電路或數(shù)據(jù)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(yīng)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(nèi)提供0.025%的線性度,但這種隔離器件內(nèi)部先進(jìn)行電壓-頻率轉(zhuǎn)換,對產(chǎn)生的交流信號進(jìn)行變壓器隔離,然后進(jìn)行頻率-電壓轉(zhuǎn)換得到隔離效果。集成的隔離放大器內(nèi)部電路復(fù)雜、體積大、成本高,不適合大規(guī)模應(yīng)用。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(jīng)過反饋通路的非線性來抵消直通通路的非線性,從而達(dá)到實現(xiàn)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(shè)計采用HCNR200/201進(jìn)行設(shè)計。HCNR200/201的內(nèi)部框圖如3-11所示圖3-11HCRN200內(nèi)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(jīng)過電壓-電流轉(zhuǎn)化,電壓的變化體現(xiàn)在電流IF上,IPD1和IPD2基本與IF成線性關(guān)系,線性系數(shù)分別記為K1和K2,即K1與K2一般很小(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(shè)計使得K1和K2相等。在后面能夠看到,在合理的外圍電路設(shè)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(dá)到滿意的線性度的。HCNR200和HCNR201的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同,差別在于一些指標(biāo)上。相對于HCNR200,HCNR201提供更高的線性度。采用HCNR200/201進(jìn)行隔離的一些指標(biāo)如下所示:*線性度:HCNR200:0.25%,HCNR201:0.05%;*線性系數(shù)K3:HCNR200:15%,HCNR201:5%;*溫度系數(shù):-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(yùn)算放大器等輔助電路。下面對HCNR200/201的典型電路進(jìn)行分析,對電路中如何實現(xiàn)反饋以及電流-電壓、電壓-電流轉(zhuǎn)換進(jìn)行推導(dǎo)與說明。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(yīng)用電路設(shè)運(yùn)放負(fù)端的電壓為,運(yùn)放輸出端的電壓為,在運(yùn)放不飽和的情況下二者滿足下面的關(guān)系:其中是在運(yùn)放輸入差模為0時的輸出電壓,為運(yùn)放的增益,一般比較大。忽略運(yùn)放負(fù)端的輸入電流,能夠認(rèn)為經(jīng)過R1的電流為,根據(jù)R1的歐姆定律得:經(jīng)過R3兩端的電流為,根據(jù)歐姆定律得:其中,為光耦2腳的電壓,考慮到LED導(dǎo)通時的電壓()基本不變,這里的作為常數(shù)對待。根據(jù)光耦的特性,即將和的表示式代入上式,可得:上式經(jīng)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(guān)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(shù)只由K3和R1、R2確定,一般選R1=R2,達(dá)到只隔離不放大的目的。輔助電路與參數(shù)確定:上面的推導(dǎo)都是假定所有電路都是工作在線性范圍內(nèi)的,要想做到這一點需要對運(yùn)放進(jìn)行合理選型,而且確定電阻的阻值。運(yùn)放能夠是單電源供電或正負(fù)電源供電,上面給出的是單電源供電的例子。為了能使輸入范圍能夠從0到VCC,需要運(yùn)放能夠滿擺幅工作,另外,運(yùn)放的工作速度、壓擺率不會影響整個電路的性能。TI公司的LT1097單運(yùn)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(yùn)放的線性范圍和線性光耦的最大工作電流IFmax。K1已知的情況下,IFmax又確定了IPD1的最大值IPD1max,這樣,由于Vo的范圍最小能夠為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(fù)反饋狀態(tài)的運(yùn)放滿足虛短特性,因此,考慮IPD1的限制,R2的確定能夠根據(jù)所需要的放大倍數(shù)確定,例如如果不需要方法,只需將R2=R1即可。另外由于光耦會產(chǎn)生一些高頻的噪聲,一般在R2處并聯(lián)電容,構(gòu)成低通濾波器,具體電容的值由輸入頻率以及噪聲頻率確定。確定Vcc=5V,輸入在0-4V之間,輸出等于輸入,采用LMV321運(yùn)放芯片以及上面電路,下面給出參數(shù)。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(jīng)過線形光耦的隔離能夠很好地抑制現(xiàn)場的各種干擾,達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計要求的技術(shù)指標(biāo)。第四節(jié)按鍵輸入和顯示電路部分設(shè)計4.1按鍵輸入電路模塊設(shè)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(shè)定鍵,四鍵共用一個鍵盤服務(wù)程序。SET鍵為溫度范圍設(shè)定開始鍵,UP為溫度的遞增鍵,DOWN為溫度的遞減鍵,每按下一次,溫度變化一度。當(dāng)SET鍵按下時系統(tǒng)進(jìn)入鍵盤服務(wù)子程序,表明進(jìn)入溫度的設(shè)定狀態(tài),系統(tǒng)的初始值是45℃—55℃,對于溫度的設(shè)定是在這個基礎(chǔ)上進(jìn)行遞增或遞減,再次按下SET鍵時,表明進(jìn)入上限值的設(shè)定,由UP鍵/DOWN鍵對溫度值進(jìn)行調(diào)整,假如不需要設(shè)定溫度值,則按取消鍵退出,連續(xù)按下SET鍵三次,則進(jìn)入下限值的設(shè)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(shè)計1.MAX7219驅(qū)動數(shù)碼管接口電路由于要對變壓器的油溫進(jìn)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(jī)的I\O口作為數(shù)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(fù)雜。若采用液晶顯示,能滿足設(shè)計的要求,但因其價格昂貴,因此設(shè)計不采用液晶進(jìn)行顯示。設(shè)計采用美信公司的集成顯示芯片來實現(xiàn)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(shè)計要求[12]。MAX7219為8位LED顯示驅(qū)動電路,能夠連續(xù)的驅(qū)動8位7段數(shù)據(jù)顯示。在芯片內(nèi)部集成了一個BCD譯碼器,段地址和位地址驅(qū)動以及一個88位的靜態(tài)隨機(jī)存儲器。只需要一個外部電阻,就能夠正確的驅(qū)動所有LED的段地址。單一的數(shù)據(jù)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(shù)字化的光亮控制。用戶能夠根據(jù)自己的需要,自第一位到第八位顯示數(shù)據(jù),同時,芯片內(nèi)部還具有使數(shù)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(guān)閉模式(數(shù)據(jù)保留)⑷數(shù)字化的光亮控制⑸驅(qū)動共陰極LED顯示⑹24管腳封裝MAX7219和單片機(jī)連接有三條引線(DIN、CLK、LOAD)采用16位數(shù)據(jù)串行移位接收方式。即單片機(jī)將16位二進(jìn)制數(shù)逐位發(fā)送到DIN端,在CLK上升沿到來前準(zhǔn)備就緒,CLK的每個上升沿將一位數(shù)據(jù)移入MAX7219內(nèi)移位寄存器,當(dāng)16位數(shù)據(jù)移入完,在LOAD引腳信號上升沿將16位數(shù)據(jù)裝入MAX7219內(nèi)的相應(yīng)位置,在MAX7219內(nèi)部硬件動態(tài)掃描顯示控制電路作用下實現(xiàn)動態(tài)顯示[13]。圖3-14MAX7219的時序圖芯片的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(nèi)部的數(shù)據(jù)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(xiàn),否則數(shù)據(jù)將會丟失。因為在16.5個時鐘脈沖上升之后,從DIN端進(jìn)來的數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在輸出引腳DOUT上,以便在級聯(lián)應(yīng)用時傳到下一個MAX7219。圖3-15數(shù)碼管接口電路圖根據(jù)本設(shè)計的溫度精度要求,用了3個數(shù)碼管顯示溫度大小,由MAX7219驅(qū)動的3個七段數(shù)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(jī)的RC1、RC2、RC3,另外還應(yīng)注意對于MAX7219連接到V+和ISET端的電阻REST可對數(shù)碼管亮度進(jìn)行調(diào)節(jié),但不得小于9.53K歐姆,在本設(shè)計中選用了阻值為33K歐姆的電阻。2.運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)實時監(jiān)控,設(shè)計中為了方便的看到系統(tǒng)狀態(tài),設(shè)置了三套監(jiān)測與指示裝置,變壓器的安裝現(xiàn)場有一套,它是由控制風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)正常運(yùn)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(cè)的發(fā)光二極管點亮,指示風(fēng)機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)。在故障顯示電路中,過載故障顯示是當(dāng)其中的任意一組風(fēng)機(jī)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(cè)的發(fā)光二極管點亮,指示現(xiàn)在風(fēng)機(jī)過載運(yùn)行,過載信號經(jīng)過光電隔離送入主控室的單片機(jī),單片機(jī)接到低電平信號,立即做出響應(yīng),將接在相應(yīng)端口的風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)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(cè)的發(fā)光二極管點亮,指示現(xiàn)在風(fēng)機(jī)缺相運(yùn)行,缺相信號經(jīng)過光電隔離送入主控室的單片機(jī),單片機(jī)接到低電平信號,立即做出響應(yīng),將接在相應(yīng)端口的風(fēng)機(jī)組切除。當(dāng)過壓時,過壓信號經(jīng)過光電隔離送入主控室的單片機(jī),單片機(jī)接到低電平信號,立即做出響應(yīng),發(fā)光二極管點亮,將接在相應(yīng)端口的風(fēng)機(jī)組切除。圖3-16風(fēng)機(jī)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(jìn)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(shù)據(jù)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(shè)計要求。第五節(jié)無線通信系統(tǒng)的設(shè)計設(shè)計中要實現(xiàn)變壓器的無人看守,因此需要將現(xiàn)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(xiàn)場的運(yùn)行情況。通信能夠采用無線和有線兩種方式實現(xiàn),設(shè)計中要求采用無線通信來實現(xiàn)。nRF401單片UHF無線收發(fā)芯片能夠滿足設(shè)計的要求,其硬件電路的設(shè)計過程在以下進(jìn)行詳細(xì)講解。在本設(shè)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(diào)制、FSK解調(diào)、多頻道切換等,是當(dāng)前集成度最高的無線數(shù)傳產(chǎn)品[14]。nRF401是一個為433MHz工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)用頻段設(shè)計的真正單片無線收發(fā)芯片,它采用頻移鍵控調(diào)制技術(shù)。nRF401發(fā)射速率可達(dá)20kb/s。發(fā)射功率可調(diào),最大發(fā)射功率10dBm,接收靈敏度-105dBm。具有工作半徑大、適應(yīng)性強(qiáng)的特點。天線接口設(shè)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(jī)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(jié)束后傳輸目的地址,然后傳送采集數(shù)據(jù)。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(jìn)行位同步,獲得位同步后,進(jìn)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(jìn)行比較,若身份碼相符就將數(shù)據(jù)送給上位機(jī),不符則忽略[15]。nRF401無線收發(fā)芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-18所示:圖3-18nRF401內(nèi)部框圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)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。基準(zhǔn)振蕩器采用外接晶體振蕩器,產(chǎn)生電路所需的基準(zhǔn)頻率。其主要特性如下:●工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段eFSK調(diào)制,抗干擾能力強(qiáng),特別適合工業(yè)控制場合;●采用PLL頻率合成技術(shù),頻率穩(wěn)定性極好;●靈敏度高,達(dá)到．105dBm(nRF401);●功耗小,接收狀態(tài)250~A,待機(jī)狀態(tài)僅為8A(nRF401);●最大發(fā)射功率達(dá)+10dBm;●低工作電壓(2．7v),可滿足低功耗設(shè)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(dá)20Kbit／s(RF401);●僅外接一個晶體和幾個阻容、電感元件,基本無需調(diào)試;●因采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計,使用無需申請許可證,開闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000米(與具體使用環(huán)境及元件參數(shù)有關(guān))。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(jīng)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(shè)置,控制nRF401的主工作方式,當(dāng)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(shù)據(jù),在下降沿從nRF401的DATA引腳讀出數(shù)據(jù);DR1、DR2為通道1、2接受數(shù)據(jù)就緒信號端;DATA、DOUT為通道1、2數(shù)據(jù)端,控制器與nRF401由CLK、DR和DATA組成的三線接口交換傳輸?shù)臄?shù)據(jù),通道1可接收和發(fā)送數(shù)據(jù),通道2只能接收數(shù)據(jù)[15]。引腳號引腳名稱引腳功能描述1CE數(shù)字輸入用于激活芯片的接收或發(fā)送模式2DR2數(shù)字輸出數(shù)據(jù)信道2接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好輸出,表示能夠接收數(shù)據(jù)3CLK2數(shù)字輸入/輸出接收數(shù)據(jù)信道2的時鐘輸出/輸入4DOUT2數(shù)字輸出接收數(shù)據(jù)信道25CS數(shù)字輸入片選,用于激活配置模式6DR1數(shù)字輸出該腳輸出可用于表示數(shù)據(jù)信道1接收數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好7CLK1數(shù)字輸入/輸出在數(shù)據(jù)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(shù)字輸入/輸出接收信道1/發(fā)送數(shù)據(jù)輸入/3—線接口9DVDD功率數(shù)字電源正端,使用時應(yīng)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?yún)⒖茧娏鬏斎攵?0VSS功率地(0V)21VDD功率+3VDC直流電源端22VSS功率地(0V)23POW-UP數(shù)字輸入功率上限24VDD功率+3VDC電源表3-20nRF401的引腳功能設(shè)計電路時應(yīng)注意以下問題。重要時序參數(shù)TX與RX之間的切換當(dāng)從RX切換TX模式時,數(shù)據(jù)輸入腳(DIN)必須保持為高至少1ms才能收發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)從TX切換到Rx時,數(shù)據(jù)輸出腳(DOUT)要至少3ms以后有數(shù)據(jù)輸出。Standby與RX之間的切換從待機(jī)模式到接收模式,當(dāng)PWRUP輸入設(shè)成1時,經(jīng)過3ts時間后,DOUT腳輸出數(shù)據(jù)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(jī)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(jī)時產(chǎn)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(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)由上電進(jìn)入發(fā)射模式時,TXEN必須保持lms以后才能夠往DIN發(fā)送數(shù)據(jù)。從上電到接收模式過程中,芯片將不會接收數(shù)據(jù),DOUT也不會有數(shù)據(jù)輸出,直到電壓穩(wěn)定達(dá)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(yīng)用電路及設(shè)計應(yīng)注意問題在實際應(yīng)用中,微控制器采用Microchip公司的PIC16F877單片機(jī),分別用單片機(jī)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(shè)定好工作頻率,進(jìn)入正常工作狀態(tài)后,根據(jù)需要進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換控制,發(fā)送／接收數(shù)據(jù)或進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計中的無線通信電路如下圖3-22所示。硬件電路的設(shè)計要點如下:(1)射頻電路對于電源噪聲相當(dāng)敏感,必須采用星形布線的方法使數(shù)字部分和RF部分有各自的電源線路,而且應(yīng)在靠近集成電路電源引腳處分別去耦。(2)外接VCO電感應(yīng)選用高頻電感,Q>45,精度為2%,本設(shè)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(yīng)與其它控制線保持一定的距離,應(yīng)避免數(shù)字控制線從電感引腳之間經(jīng)過,而且應(yīng)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(shè)計成敗的關(guān)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(yīng)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(yīng)放置在非常靠近元件的焊盤處[16-17]。(4)天線的設(shè)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(yīng)位于PCB板的頂部,天線部分不要鋪銅,有關(guān)環(huán)形天線的設(shè)計可參考Nordic公司的技術(shù)文檔nAN400—03和nAN400—05。(5)如果PCB板的VCO電感設(shè)計合理,當(dāng)模塊處于接收狀態(tài)時,nRF401的第4管腳電壓應(yīng)為1.1±0.2V。

第六節(jié)主回路部分設(shè)計6.1風(fēng)冷機(jī)的保護(hù)簡要介紹風(fēng)冷式電動機(jī)是電動機(jī)的一種形式。電動機(jī)的保護(hù)往往與其控制方式有一定關(guān)系,即保護(hù)中有控制,控制中有保護(hù)。如電動機(jī)直接啟動時,往往產(chǎn)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(yīng)能承受啟動電流的連接和分段考核,應(yīng)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(lián)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(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)的電動機(jī)過載電流分段的考核,至于保護(hù)功能由配套的保護(hù)裝置來完成。另外,對電動機(jī)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(jī)主回路由晶閘管來連接和分?jǐn)?有的為了避免在這些元件上的持續(xù)損耗,正常運(yùn)行中采用真空接觸器承載主回路(并聯(lián)晶閘管上)負(fù)載,這種控制有程控或非程控,近控或遠(yuǎn)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(hù)功能。電動機(jī)在運(yùn)行中可能發(fā)生的故障是多種多樣的,它與設(shè)計和制造質(zhì)量、使用條件、工作方式以及使用維護(hù)等因素密切相關(guān),故障原因也比較復(fù)雜。詳細(xì)分析電動機(jī)損壞的主要原因,能夠幫助正確地使用和維護(hù)電動機(jī),并能減少不應(yīng)有電動機(jī)的損壞。電動機(jī)在運(yùn)行中往往會出現(xiàn)過載故障、過壓故障、缺相故障、短路故障、漏電故障等,在本設(shè)計中,由于是對變壓器的油溫進(jìn)行檢測及控制,啟動風(fēng)機(jī)是為了控制變壓器的油溫,因此只涉及了風(fēng)冷式電動機(jī)的過載、過壓、缺相故障,下面對這三種保護(hù)簡要說明一下:過載保護(hù)——過載保護(hù)是經(jīng)過對電動機(jī)熱容量的跟蹤計算來保護(hù)電動機(jī),免于因過熱而縮短壽命或損壞,電動機(jī)的熱量值能夠直接顯示在操作面板上,同時經(jīng)過總線上傳給上位機(jī)。過壓保護(hù)——過壓保護(hù)是根據(jù)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(hù)功能。缺相保護(hù)——缺相保護(hù)是根據(jù)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(hù)功能[18]。6.2輸出驅(qū)動電路設(shè)計設(shè)計中要對電機(jī)進(jìn)行控制,只需要控制電機(jī)的啟動和停止,不需要調(diào)