《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課件2第7章

7.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例1——

無功功率補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)7.2單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例2——

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器控制器設(shè)計(jì)7.3單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例3——

食堂售飯射頻卡收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

7.1.1需求分析

無功功率是指在電源和負(fù)載之間進(jìn)行能量交換，但是卻不消耗那部分能量，比如電感負(fù)載在一定的時(shí)間內(nèi)吸收能量，在另外一部分時(shí)間內(nèi)釋放能量，而電感并不消耗這部分能量。無功功率的存在對于電網(wǎng)具有很大的影響，比如增加設(shè)備容量、增加設(shè)備及線路損耗，使線路及變壓器的電壓降增大等。因此對于無功功率嚴(yán)重的公共電網(wǎng)，必須進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。

無功功率的補(bǔ)償有很多種方法，并聯(lián)電容器的方法成本較低，而且補(bǔ)償效果較好，是一種常用的方法。7.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例1—無功功率補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)無功功率補(bǔ)償控制器由單片機(jī)控制，實(shí)時(shí)檢測電力系統(tǒng)的無功功率和電壓、電流，根據(jù)系統(tǒng)無功功率和電壓的大小投切電容器組，實(shí)現(xiàn)無功功率補(bǔ)償。該產(chǎn)品具有完善的顯示、控制和保護(hù)功能，可實(shí)時(shí)顯示功率因數(shù)、系統(tǒng)電壓、負(fù)載電流、無功功率、溫度、諧波及電容投切狀態(tài)。還可實(shí)時(shí)在線設(shè)置CT變比、投入門限、切除門限、過電壓、欠電壓、諧波上限、無功上/下限等參數(shù)。該控制器有12個控制輸出，用在無功補(bǔ)償中可控制12組電容器的投切。此外還有一組繼電器用作報(bào)警信號(包括電壓越上限或下限，溫度越上限等)，可啟動外接報(bào)警器。

無功功率補(bǔ)償控制器的輸出是繼電器節(jié)點(diǎn)信號，用于控制接觸器的投切，是一種有觸點(diǎn)無功功率補(bǔ)償裝置的控制器。7.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無功功率補(bǔ)償控制器能夠根據(jù)監(jiān)測到的電力系統(tǒng)的無功功率，投切相應(yīng)補(bǔ)充容量的電容，從而補(bǔ)償電力系統(tǒng)的無功功率。并聯(lián)電容器補(bǔ)償電力系統(tǒng)無功功率的總體結(jié)構(gòu)如圖7.1所示。圖7.1并聯(lián)電容器補(bǔ)償無功功率總體結(jié)構(gòu)無功功率補(bǔ)償控制器應(yīng)具有如下功能：

控制器可自動對1～12組電容器進(jìn)行循環(huán)投切。

每組電容器可設(shè)定為長期接通或斷開。

合理控制，按無功功率大小補(bǔ)償無功功率，杜絕投切振蕩。

測量及計(jì)算相關(guān)參數(shù)，測量電路中的電壓、電流值，并計(jì)算無功功率、功率因數(shù)、諧波含量等參數(shù)。

根據(jù)不同用戶的要求可在線設(shè)置電壓PT、電流CT、電容器組投切參數(shù)、運(yùn)行電壓范圍、動作延遲時(shí)間、報(bào)警限值等參數(shù)。

過壓或欠壓時(shí)閉鎖電容投切。

設(shè)置動作延遲時(shí)間，防止頻繁動作。

設(shè)置每組電容器動作間隔，保護(hù)電容器免受涌流沖擊。

裝置能有效提高功率因數(shù)，減少電網(wǎng)損耗。

改善供電質(zhì)量。

可實(shí)現(xiàn)電流過零時(shí)刻投切電容，對系統(tǒng)無涌流沖擊，并可對快速變化的無功負(fù)荷進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，響應(yīng)時(shí)間小于20ms，消除電壓波動，抑制電壓閃變。

循環(huán)投切的功能。

溫度測量功能，可測量并顯示控制器所處的環(huán)境溫度，溫度越限時(shí)有報(bào)警信號輸出，啟動冷卻風(fēng)機(jī)。

保護(hù)及報(bào)警功能，保護(hù)功能包括過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、諧波保護(hù)、溫度保護(hù)四種保護(hù)。報(bào)警功能要求系統(tǒng)在過壓、欠壓、諧波過高及環(huán)境溫度過高等情況下都會有報(bào)警顯示，報(bào)警指示燈閃爍，并有報(bào)警節(jié)點(diǎn)信號輸出。

自動運(yùn)行功能，即停電退出，送電后自動恢復(fù)運(yùn)行。

根據(jù)功能需求，系統(tǒng)硬件組成框圖如圖7.2所示，包括主控單片機(jī)、系統(tǒng)電路模塊、鍵盤模塊、液晶顯示模塊、參數(shù)測量模塊、繼電器驅(qū)動及輸出模塊、保護(hù)及報(bào)警模塊等。圖7.2無功功率補(bǔ)償控制器硬件組成框圖各模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)及功能見各模塊設(shè)計(jì)部分。

2.各模塊設(shè)計(jì)

鍵盤模塊：鍵盤模塊主要用來向單片機(jī)輸入數(shù)值，完成參數(shù)設(shè)置。為了簡潔和操作方便，本控制器設(shè)計(jì)6個按鍵，分別為菜單鍵、上鍵、下鍵、左鍵、右鍵、返回鍵。菜單鍵用來進(jìn)行菜單選擇，上、下、左、右四個鍵用來選擇菜單的某個選項(xiàng)，選定后具體設(shè)置的時(shí)候左、右鍵進(jìn)行位選擇，上、下鍵進(jìn)行具體值的調(diào)整。返回鍵用來返回上一級菜單。液晶顯示模塊：液晶顯示模塊用來顯示相關(guān)參數(shù)以及參數(shù)設(shè)置結(jié)果。液晶顯示器在上電后，會進(jìn)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示畫面，顯示如下內(nèi)容(其中數(shù)值均為示例)：

功率因數(shù)：0.9879。

系統(tǒng)線電流：9999。

母線間電壓：380。

系統(tǒng)無功功率：9999kvar。

環(huán)境溫度：33℃。

諧波：總諧波含量，3、5、7次諧波含量。

繼電器狀態(tài)：實(shí)時(shí)顯示目前各繼電器的接通狀態(tài)。當(dāng)按下菜單鍵時(shí)，進(jìn)入菜單選擇頁面。在第一級菜單選擇頁面上，主要有參數(shù)設(shè)置、系數(shù)設(shè)置、報(bào)警設(shè)置、極性偵測、繼電器測試五個菜單選項(xiàng)。通過上、下、左、右鍵把光標(biāo)移動到相應(yīng)的菜單選項(xiàng)上，按菜單鍵，則進(jìn)入相關(guān)子菜單頁面。

參數(shù)設(shè)置子菜單頁面主要有如下參數(shù)需要設(shè)置：

無功上限：當(dāng)系統(tǒng)感性無功功率大于此值時(shí)控制器發(fā)出投電容器組的指令。

無功下限：當(dāng)系統(tǒng)容性無功功率大于此值時(shí)，控制器發(fā)出切電容器組的指令。

過壓值：(電容器組正常投切的電壓最高值)電壓超過該設(shè)定值時(shí)，盡管無功功率大于上限，也不再投入電容，此值一般為1.07UN(UN為PT二次側(cè)值)。

欠壓值：(電容器正常投切的電壓最低值)電壓小于此設(shè)定值時(shí)，盡管容性無功功率大于下限，也不切除電容，此值一般為0.85UN～0.9UN。

電容器動作延時(shí)：當(dāng)滿足電容器組投切要求時(shí)，延時(shí)設(shè)定值投切電容器組。可設(shè)定范圍為0～99s，一般設(shè)為30s。

電容器組間動作延時(shí)：當(dāng)電容器組切下后到再投時(shí)的延時(shí)，可設(shè)定范圍為0～250s，根據(jù)電容器的充、放電時(shí)間確定，一般設(shè)為250s。

溫度上限：溫度高于上限時(shí)，發(fā)報(bào)警信號。

諧波上限：當(dāng)電壓的諧波高于此設(shè)定值時(shí)切除所有的電容器組。

繼電器狀態(tài)設(shè)置和每組電容容量及控制方式設(shè)定：繼電器的屬性子選單。

電容器投切方式：控制器有循環(huán)式和堆疊式兩種投切方式，循環(huán)式是先投后切，堆疊式是后投先切。

通過上、下鍵選擇相關(guān)選項(xiàng)，按菜單鍵進(jìn)入每個選項(xiàng)的具體值的設(shè)定，左、右鍵選擇要設(shè)置的值的位(指個位、十位、百位……)，然后通過上、下鍵調(diào)整所選位的值。

系數(shù)設(shè)置子菜單頁面主要有如下參數(shù)需要設(shè)置：

PT變比。

電流系數(shù)(誤差)。

CT變比。報(bào)警設(shè)置子菜單頁面主要有如下參數(shù)需要設(shè)置：

過壓報(bào)警開關(guān)狀態(tài)設(shè)置。

欠壓報(bào)警開關(guān)狀態(tài)設(shè)置。

超溫報(bào)警開關(guān)狀態(tài)設(shè)置。

諧波報(bào)警開關(guān)狀態(tài)設(shè)置。

極性偵測用來檢測從傳感器檢測的電壓和電流值極性是否相反。

繼電器測試用來對每路繼電器的工作狀態(tài)進(jìn)行測試。繼電器驅(qū)動及輸出模塊：無功功率補(bǔ)償控制器對外輸出繼電器信號，來進(jìn)行電容的投切?？梢詫?2組電容器進(jìn)行循環(huán)投切，根據(jù)無功功率大小，能自動選擇需要投切或者斷開的繼電器。過壓或欠壓時(shí)閉鎖電容投切。為了防止頻繁動作，設(shè)置了動作延時(shí)時(shí)間。為了保護(hù)電容器免受涌流沖擊，設(shè)置了每組電容器動作間隔。

參數(shù)測量模塊：檢測電網(wǎng)的電壓、電流和環(huán)境溫度，并根據(jù)檢測到的電壓和電流計(jì)算有功功率、無功功率、功率因數(shù)、諧波含量等參數(shù)。這些參數(shù)均可以通過AD公司的功率檢測芯片ADE7758來進(jìn)行測定。保護(hù)及報(bào)警模塊：

◆過壓保護(hù)：母線電壓高于過壓設(shè)定值時(shí)，分組切除投入的電容器組。

◆欠壓保護(hù)：母線電壓低于欠壓設(shè)定值時(shí)，切除所有投入的電容器組。

◆諧波保護(hù)：母線電壓的諧波高于設(shè)定值時(shí)，切除所有投入的電容器組。

◆報(bào)警功能：系統(tǒng)可在線設(shè)置電壓上、下限和溫度上限；系統(tǒng)在過壓、欠壓及環(huán)境溫度過高時(shí)都會有報(bào)警顯示，報(bào)警指示燈閃爍，并有報(bào)警節(jié)點(diǎn)信號輸出。

3.系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本控制器從功能上來看，軟件可以分為三部分：液晶顯示器及鍵盤部分，主要進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)置；主控制及驅(qū)動程序部分，根據(jù)無功功率和設(shè)置的各種參數(shù)，按所選擇的投切方式驅(qū)動繼電器，完成電容的投切；電網(wǎng)參數(shù)測量部分，主要是通過SPI接口對ADE7758的相關(guān)寄存器進(jìn)行讀取，并把讀取到的值還原為實(shí)際的電網(wǎng)參數(shù)。

液晶顯示器部分程序與主控程序之間通過全局變量的形式進(jìn)行參數(shù)傳遞，而電網(wǎng)參數(shù)測量部分和主控制程序之間通過調(diào)用子函數(shù)的方式進(jìn)行參數(shù)傳遞。

主控制及驅(qū)動程序的軟件流程圖如圖7.3所示。圖7.3主控制程序流程圖7.1.3硬件電路原理圖及PCB設(shè)計(jì)

硬件電路原理圖采用Protel進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.單片機(jī)及其系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)及其系統(tǒng)控制電路如圖7.4所示。

單片機(jī)選用了飛利浦公司的PCF80C552-5-16WP，這種單片機(jī)有48個I/O口，完全可以滿足我們擴(kuò)展液晶顯示器、鍵盤和驅(qū)動繼電器的需要。系統(tǒng)控制電路包括電源電路、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。電源電路采用了一個AC/DC模塊，輸入為220V市電，輸出為+5V，供控制器電路使用。為了增強(qiáng)抗干擾能力，電源系統(tǒng)采用容值大小不同的電容并聯(lián)進(jìn)行電源濾波，容值分別為47μF和0.1μF(一般相差100倍以上即可)。每個芯片的電源和地之間都加入了0.1μF的去耦電容。

復(fù)位電路設(shè)計(jì)了上電復(fù)位和手動復(fù)位兩種方式。時(shí)鐘電路使用外部晶體和內(nèi)部振蕩器，振蕩頻率為11.0592MHz。圖7.4單片機(jī)及系統(tǒng)控制電路

2.鍵盤及液晶顯示電路設(shè)計(jì)

本控制器根據(jù)系統(tǒng)功能需求，共設(shè)計(jì)了六個按鍵，每個按鍵對應(yīng)于一個I/O口。同時(shí)所有的按鍵都通過與門輸入到單片機(jī)的中斷引腳上，只要任意一個鍵按下，都會得到單片機(jī)的響應(yīng)。

液晶顯示模塊采用了深圳拓普微公司的LM2068，它是一款320×240點(diǎn)陣的液晶顯示器，內(nèi)部繼承了驅(qū)動器和中文字庫，每個頁面最多可顯示20×15共300個漢字。它與單片機(jī)的接口原理請參見相關(guān)數(shù)據(jù)手冊和使用指南(可以在拓普微公司的網(wǎng)站上下載)。

鍵盤及液晶顯示電路設(shè)計(jì)如圖7.5所示。

3.電網(wǎng)參數(shù)檢測電路設(shè)計(jì)

電網(wǎng)參數(shù)檢測芯片采用了AD公司的ADE7758，它可以同時(shí)采集三相電壓和電流。根據(jù)采集的電壓和電流能夠自動計(jì)算無功功率、有功功率、功率因數(shù)、諧波、溫度等，并把相關(guān)參數(shù)存儲到其內(nèi)部寄存器中。單片機(jī)通過SPI接口讀取ADE7758的相關(guān)寄存器，即可得到所需的各種參數(shù)。

ADE7758的電壓檢測引腳輸入電壓范圍為-0.5～+0.5V，從電網(wǎng)進(jìn)來的電壓有效值為220V，峰值為380V，通過電阻分壓，使實(shí)際輸入到ADE7758的電壓為-0.38～+0.38V，在允許的電壓范圍之內(nèi)。電流檢測采用了電流互感器的方式。具體檢測電路如圖7.6所示。其相關(guān)接口信號請參見相關(guān)資料。圖7.5鍵盤及液晶顯示電路圖7.6電網(wǎng)參數(shù)檢測電路

4.繼電器驅(qū)動及輸出電路設(shè)計(jì)

對外的輸出有12個投切電容繼電器、1個故障信息輸出繼電器和1個運(yùn)行/故障燈。對繼電器的控制采用I/O引腳控制，單片機(jī)的每個I/O口控制一個繼電器。由于單片機(jī)I/O口的驅(qū)動能力有限，因此在單片機(jī)和I/O口之間加入達(dá)林頓管芯片ULN2003進(jìn)行功率放大。繼電器驅(qū)動及輸出部分電路如圖7.7所示。圖7.7繼電器驅(qū)動及輸出電路

5.保護(hù)及報(bào)警模塊電路圖

保護(hù)及報(bào)警模塊的功能主要是當(dāng)電壓、電流、諧波、溫度等超過限值時(shí)，采取相關(guān)保護(hù)和報(bào)警措施。對于各種參數(shù)是否超限的檢測主要在軟件中進(jìn)行，一旦檢測到故障信號后，就發(fā)出報(bào)警信號。報(bào)警信號的輸出采用發(fā)光管和繼電器輸出兩種形式，發(fā)光管通過閃爍的形式提示故障信號，繼電器輸出供用戶外部連接其他的故障保護(hù)設(shè)備。具體電路如圖7.8所示。圖7.8保護(hù)及故障保護(hù)電路

6.接線端子設(shè)計(jì)

本控制器對外的接線端子有輸入端子、電容器控制輸出端子、報(bào)警輸出端子，具體設(shè)置情況如圖7.9所示。

7.?PCB設(shè)計(jì)

PCB的設(shè)計(jì)與電路原理圖的設(shè)計(jì)采用同一個設(shè)計(jì)工具——Protel。

PCB設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的幾個問題是適當(dāng)?shù)某叽绱笮?、合理的元器件布局、適當(dāng)?shù)膶ν饨涌谖恢眉拜^強(qiáng)的抗干擾能力。本系統(tǒng)中既有強(qiáng)電信號，如繼電器、電流互感器等，又有單片機(jī)及液晶顯示器等弱電信號。為了降低電磁干擾，把強(qiáng)電和弱電分別布在一個電路板上，兩個電路板之間通過接口連線進(jìn)行聯(lián)系。一個電路板以單片機(jī)、液晶顯示器、鍵盤等弱電信號為主，另一個電路板以繼電器、參數(shù)測量等與強(qiáng)電信號相連的電路為主。圖7.9無功功率補(bǔ)償控制器接線端子為了增強(qiáng)抗干擾能力，加大了電源線寬度，減少了環(huán)路電阻。一般電源線和地線的寬度應(yīng)至少是2～4mm。對于功率消耗較大，也就是流過電流較大的單片機(jī)系統(tǒng)，電源線的寬度還應(yīng)該更寬。同時(shí)，PCB走線時(shí)應(yīng)盡量降低電源線的長度。對于地線，應(yīng)在盡可能的情況下采用敷銅技術(shù)，把電路板上空余的地方全部敷銅，增大地線寬度。如果技術(shù)條件允許，最好采用多層板技術(shù)，專門設(shè)置一個電源內(nèi)層。

信號線一般不出現(xiàn)銳角。7.1.4系統(tǒng)調(diào)試

1.前期基本調(diào)試

電路板做好以后，先進(jìn)行基本連接關(guān)系的初步檢查調(diào)試，主要是看有沒有斷線或者明顯的短路情況。確定沒有問題之后再進(jìn)行相關(guān)電器元件的焊接。

元器件焊接完成后，在上電之前先檢查電源的兩個輸入端子有沒有短路，在沒有短路的情況下才可以上電。第一次上電時(shí)要小心，應(yīng)仔細(xì)觀察上電后是否有異常氣味或者聲音，有沒有芯片發(fā)燙嚴(yán)重，發(fā)現(xiàn)這些問題后，應(yīng)立即斷電，排查故障。每次電路修改后再上電時(shí)都要進(jìn)行檢查。上電沒有故障后，首先用萬用表檢查各個芯片的電源與地是否正確連接，在電源和地正確連接的情況下再去檢測晶振電路是否起振。在電源和晶振都正常工作的情況下，先調(diào)試單片機(jī)的基本運(yùn)行情況，運(yùn)行一個簡單程序，看結(jié)果是否正確。然后設(shè)置I/O口輸出，看結(jié)果是否正確。

2.功能模塊調(diào)試

當(dāng)確定單片機(jī)可以正常工作后，下面進(jìn)入功能調(diào)試階段。功能調(diào)試階段按功能模塊一步步進(jìn)行調(diào)試，然后再進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

繼電器驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，先使用實(shí)驗(yàn)室直流+5V電源通過達(dá)林頓管給繼電器線圈供電，檢查繼電器的輸出，看繼電器輸出系統(tǒng)基本電氣連接和輸出邏輯是否正確。然后再通過單片機(jī)編程I/O口來驅(qū)動繼電器。鍵盤和液晶顯示電路調(diào)試時(shí)，先看當(dāng)鍵盤按下時(shí)，輸入到單片機(jī)相關(guān)I/O口以及中斷引腳的電平是否正確。然后再通過單片機(jī)向液晶顯示器輸出一個簡單的顯示內(nèi)容，看是否可以正確顯示。無誤后再調(diào)試通過鍵盤設(shè)置相關(guān)參數(shù)并通過液晶顯示器進(jìn)行顯示的程序。

參數(shù)檢測電路的調(diào)試主要是電壓、電流的檢測，以及電壓、電流、無功功率、功率因數(shù)、諧波含量等參數(shù)的讀取。實(shí)驗(yàn)室里面的市電電源一般都含有一定的無功功率，通過霍爾傳感器或者互感器把電壓、電流輸入到無功功率補(bǔ)償控制器相關(guān)端子，單片機(jī)從ADE7758讀出相關(guān)參數(shù)后，與電源中的實(shí)際無功功率進(jìn)行比較。電源中的實(shí)際無功功率可以通過無功功率檢測儀來進(jìn)行檢測。另外，也可以使用可編程電源來模擬含有無功功率和諧波的電網(wǎng)情況。

3.系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

基本功能調(diào)試完成并確定沒有錯誤后，接下來就是把各個基本功能模塊結(jié)合在一起進(jìn)行產(chǎn)品的綜合調(diào)試，我們稱為系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)主要檢測設(shè)備可否完成要求的各種功能，包括正常情況下的電容器投切功能和各種極端情況下的報(bào)警和保護(hù)功能。這里面的一個關(guān)鍵是如何模擬現(xiàn)場中的各種極端情況，比如電壓過高、電壓過低、諧波過高等。這些極端情況在實(shí)際市電電線中一般情況下是不允許出現(xiàn)的，一旦出現(xiàn)將會引發(fā)相關(guān)災(zāi)害。為了在實(shí)驗(yàn)室模擬這些極端情況，我們采用可編程電源來給設(shè)備供電，從而來模擬各種極端情況。

為了觀測實(shí)際的補(bǔ)償效果，給無功功率補(bǔ)償設(shè)備并聯(lián)一臺無功功率檢測儀，實(shí)時(shí)檢測補(bǔ)償前和補(bǔ)償后無功功率的變化。同時(shí)用一臺示波器通過互感器實(shí)時(shí)觀察電源的電壓和電流波形，特別是電容器投切的動態(tài)過程中電壓和電流波形的變化。7.1.5文檔編制

文件既是設(shè)計(jì)工作的結(jié)果，也是以后使用、維修以及進(jìn)一步開發(fā)的依據(jù)和基礎(chǔ)。因此，設(shè)計(jì)工作完成后一定要精心編寫工作文件，盡可能描述清楚，使數(shù)據(jù)和資料齊全。文件應(yīng)包括任務(wù)描述、性能測定及現(xiàn)場試用報(bào)告與說明、使用指南等。

最后，設(shè)計(jì)人員提交的文檔應(yīng)包括：

(1)需求說明，包括具體的產(chǎn)品應(yīng)用場合、產(chǎn)品應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能、產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求等內(nèi)容。

(2)概要設(shè)計(jì)說明，主要是系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想及設(shè)計(jì)方案論證。

(3)詳細(xì)設(shè)計(jì)說明，根據(jù)概要設(shè)計(jì)所采取的方案，對詳細(xì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行說明，包括功能模塊的劃分，每一模塊的具體實(shí)現(xiàn)，各模塊之間的接口情況，電子元器件的選型，硬件電路設(shè)計(jì)思路等。

(4)各種硬件圖紙，包括硬件電路原理圖、元件布置圖及接線圖、線路板圖、接插件引腳圖等。

(5)軟件相關(guān)資料，包括軟件流程圖、程序清單、程序說明等。

(6)用戶手冊/使用指南，提供給用戶使用，使用戶根據(jù)手冊或指南就能進(jìn)行各種相關(guān)操作。用戶手冊/使用指南的編寫要求語言簡潔，內(nèi)容全面，且不能有歧義。7.2.1需求分析

隨著傳統(tǒng)化石燃料能源的日益枯竭，以及化石燃料能源對環(huán)境的影響，新能源發(fā)電日益成為各國競相關(guān)注的熱點(diǎn)。特別是隨著技術(shù)的進(jìn)步，新能源發(fā)電的發(fā)電成本日益降低，而傳統(tǒng)能源，如石油、天然氣等的價(jià)格卻日益提升，這使得新能源發(fā)電已經(jīng)具備了和傳統(tǒng)化石燃料能源競爭的條件。新能源發(fā)電包括太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等。從技術(shù)成熟度和發(fā)電成本上來看，目前以風(fēng)力發(fā)電最具有短時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)展的潛力。7.2單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例2

—風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器控制器設(shè)計(jì)根據(jù)所采用風(fēng)輪形式的不同，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可分為垂直軸風(fēng)機(jī)和水平軸風(fēng)機(jī)兩種。目前，水平軸風(fēng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中占據(jù)絕對優(yōu)勢。大功率場合常以雙饋發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)為主。雙饋發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢在于并網(wǎng)變流器僅流過發(fā)電量的三分之一左右，因此在同樣的發(fā)電量并網(wǎng)的情況下，成本較低；其缺點(diǎn)是不論是發(fā)電機(jī)本身的設(shè)計(jì)，還是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，都比較復(fù)雜。永磁同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢在于可以實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動，節(jié)省了齒輪箱，降低了系統(tǒng)成本，而且不論發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)還是控制系統(tǒng)都比雙饋發(fā)電機(jī)簡單。但是永磁發(fā)電機(jī)所有的并網(wǎng)電量都要經(jīng)過并網(wǎng)變流器，對電力電子裝置的要求較高。我們的設(shè)計(jì)使用水平軸風(fēng)機(jī)直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機(jī)這種發(fā)電方式。其中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖7.10所示。圖中，并網(wǎng)變流器采用了電壓源型并網(wǎng)變流器。作為自動化類專業(yè)的技術(shù)人員，我們的設(shè)計(jì)主要集中在并網(wǎng)變流器控制器上。圖7.10風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)電網(wǎng)對風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的要求是：必須遵守電網(wǎng)對電能質(zhì)量的要求，送入電網(wǎng)中的電能功率因數(shù)高，諧波含量少，并且輸送功率穩(wěn)定。由于在實(shí)際運(yùn)行中，風(fēng)力時(shí)大時(shí)小，隨機(jī)變化比較大，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出來的電能波動也比較大，因此必須通過并網(wǎng)變流器的控制，使送入電網(wǎng)中的電能符合電網(wǎng)對電能質(zhì)量的要求。7.2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

并網(wǎng)變流器包含電機(jī)側(cè)的整流電路和電網(wǎng)側(cè)的逆變電路。電機(jī)側(cè)的整流電路主要進(jìn)行最大功率跟蹤；電網(wǎng)側(cè)逆變電路主要進(jìn)行并網(wǎng)電能的電能質(zhì)量控制。從硬件電路來看，整個控制器包括控制芯片、信號調(diào)理電路、驅(qū)動電路三部分。從控制算法及軟件功能來看，包括電機(jī)側(cè)整流電路控制算法及程序和電網(wǎng)側(cè)逆變器控制算法及程序。

1.電機(jī)側(cè)整流電路控制

電機(jī)側(cè)整流電路的作用是把風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電能變換為直流電能，供給電網(wǎng)逆變器并網(wǎng)?？刂颇康挠袃蓚€：最大功率跟蹤和單位功率因數(shù)，而對于整流后直流側(cè)電壓的大小不進(jìn)行控制，直流側(cè)電壓的控制交由電網(wǎng)側(cè)逆變器負(fù)責(zé)?？刂扑惴ㄈ鐖D7.11所示。圖中，所有帶*號的變量均為期望的指令信號，其他的都是實(shí)際從電路中采集的信號。圖7.11電機(jī)側(cè)整流電路控制算法根據(jù)空氣動力學(xué)理論，風(fēng)機(jī)從空氣運(yùn)動中獲得的能量大小和風(fēng)速以及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)系。只有在風(fēng)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持一個特定的比值時(shí)，風(fēng)機(jī)才能捕獲最大功率，提高運(yùn)行效率，這個通過控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來達(dá)到最大功率捕獲的過程稱為最大功率跟蹤控制。對于任何已經(jīng)安裝好的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速的比值取決于齒輪箱的變速比，對于沒有齒輪箱的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等于電機(jī)轉(zhuǎn)速。所以實(shí)際控制中控制的是電機(jī)轉(zhuǎn)速，以此來實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤(MPPT)。整個控制算法把三相靜止坐標(biāo)系(a-b-c坐標(biāo)系)變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q坐標(biāo)系)進(jìn)行控制，這樣可以把a(bǔ)-b-c坐標(biāo)系中的交流變量變換為d-q坐標(biāo)系中的直流量，通過PI控制器可以達(dá)到無差控制。同時(shí)，變換后，d軸分量對應(yīng)于有功分量，q軸分量對應(yīng)于無功分量，通過把q軸分量控制為0，可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制?？刂扑惴ú杉姍C(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和電機(jī)三相電壓及電流Ua、Ub、Uc、Ia、Ib、Ic信號(因?yàn)殡姍C(jī)三相對稱，實(shí)際采集的時(shí)候只要采集兩相電壓和電流信號即可)，經(jīng)過最大功率跟蹤控制算法得到期望的電機(jī)轉(zhuǎn)速，期望的電機(jī)轉(zhuǎn)速與實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速的差值經(jīng)過PI控制器，得到期望的d軸電流分量，這也是期望的有功電流分量。從電機(jī)中采集的實(shí)際電流信號通過3-2變換，得到實(shí)際的d軸和q軸電流分量Id、Iq，實(shí)際的d軸電流分量與期望的d軸電流分量差值經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié)，得到所期望的d軸電壓分量。為了得到較高的功率因數(shù)，期望的q軸電流分量Iq*一般為0，通過PI的無差控制，把實(shí)際的q軸電流分量Iq控制為零。期望的q軸電流分量與實(shí)際的q軸電流分量之差經(jīng)過PI控制，得到期望的q軸電壓分量。同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q電壓分量經(jīng)過兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系(α-β坐標(biāo)系的變換，得到)α-β坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，得到電壓值，再經(jīng)過空間矢量PWM調(diào)制(SVPWM)，得到驅(qū)動整流電路開關(guān)器件的6路PWM信號PWM1～PWM6。根據(jù)控制算法的要求，需要從電機(jī)側(cè)整流器主電路采集相應(yīng)電壓及電流信號。電機(jī)側(cè)整流電路所需要的輸入/輸出信號如下：

模擬量輸入信號(4路)：包括兩相電流信號(2路)及兩相電壓信號(2路)。這些信號均來自并網(wǎng)變流器主電路霍爾元件的輸出，輸入到信號調(diào)理板為電流信號。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)功率為3kW，發(fā)電機(jī)額定電壓為380V，故每相額定電流為2.3A。為保證測量精度，我們要求額定電流2.3A時(shí)，霍爾傳感器的輸出電流為5.75mA，即霍爾器件的轉(zhuǎn)換率為

1∶400。模擬量輸入信號通過A/D轉(zhuǎn)換器輸入主控制單片機(jī)。

脈沖/頻率信號輸入(2路)：包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(1路)和風(fēng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩(頻率量1路)信號。這些信號均來自風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)模塊，所有的脈沖/頻率信號均為方波信號輸入，幅值為5V。其中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號頻率為5～15kHz，轉(zhuǎn)距信號頻率為0～9kHz。所有的頻率信號均經(jīng)過F/V轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測量。

開關(guān)量輸入信號(1路)：即過流反饋信號(1路)，是來自并網(wǎng)變流器主電路，幅值為

5V的開關(guān)量。過流反饋信號屬于故障信號，經(jīng)過與門后直接接到單片機(jī)的中斷引腳。

輸出信號(12路)：為驅(qū)動信號，由單片機(jī)產(chǎn)生PWM1～PWM6，經(jīng)過驅(qū)動板，給并網(wǎng)變流器主電路的電力電子開關(guān)器件提供開通和關(guān)斷脈沖。輸出脈沖幅值為3.3V。

2.電網(wǎng)側(cè)逆變器控制

電網(wǎng)側(cè)逆變器的作用是把風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能送入電網(wǎng)，控制目的有三個：把風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)整流電路傳送過的電能完全傳送給電網(wǎng)；控制直流側(cè)電壓值在一定范圍；根據(jù)系統(tǒng)需要給電力系統(tǒng)提供一定的無功功率。一般情況下，設(shè)計(jì)的電網(wǎng)側(cè)逆變器還應(yīng)對電網(wǎng)的各種故障，如三相不平衡、電壓暫升暫降、短路等有一定的抗擊能力，但由于故障情況很少出現(xiàn)，因此本設(shè)計(jì)對這一部分暫不涉及。逆變器主電路采用電壓源型(VSI)逆變器，即直流側(cè)有一大的濾波電容，該電容同時(shí)可以起到能量緩沖的作用。電網(wǎng)側(cè)逆變器控制算法如圖7.12所示。圖7.12電網(wǎng)側(cè)逆變器控制算法電網(wǎng)側(cè)逆變器對于輸出電壓不進(jìn)行控制，因?yàn)檩敵龆酥苯咏拥诫娋W(wǎng)，而電網(wǎng)容量相對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說可以認(rèn)為無窮大，所以輸出電壓被電網(wǎng)電壓鉗位。輸出功率的控制通過控制輸出電流來實(shí)現(xiàn)。

由于采用了VSI，因此要求直流側(cè)電壓大于交流側(cè)線電壓峰值，并留有一定的裕量。對于輸出功率大小的控制是通過對直流側(cè)電壓的控制來進(jìn)行的。當(dāng)輸出功率大于風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸送過來的功率時(shí)，直流側(cè)電容對外釋放能量，直流側(cè)電壓就會降低；當(dāng)輸出功率小于風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸送過來的功率時(shí)，直流測電容吸收能量，直流側(cè)電壓就會升高。這樣，我們控制直流側(cè)電壓為無差，就能保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能完全送入電網(wǎng)。為便于有功功率和無功功率分別控制，同樣整個控制是在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q坐標(biāo)系)中進(jìn)行的。在d軸進(jìn)行傳輸?shù)挠泄β士刂?，在q軸進(jìn)行傳輸?shù)臒o功功率控制。一般情況下都希望電網(wǎng)側(cè)逆變器達(dá)到單位功率因數(shù)，因此在我們的控制算法中把q軸電流分量置為0。控制算法首先采集直流側(cè)電壓Udc，Udc跟期望的直流側(cè)電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果經(jīng)過PI控制器，得到期望的有功電流。期望有功電流與實(shí)際有功電流Id差值經(jīng)過PI控制得到期望的d軸電壓分量，無功電流經(jīng)過PI控制后得到期望的q軸電壓分量。然后經(jīng)過2-3變換，把d-q坐標(biāo)系中的電壓分量變換為自然坐標(biāo)系(abc坐標(biāo)系)中的電壓分量，然后經(jīng)過正弦PWM調(diào)制(SPWM)，得到驅(qū)動逆變器開關(guān)器件的6路PWM信號：PWM1～PWM6。根據(jù)控制算法的要求，需要從電網(wǎng)側(cè)逆變器主電路采集相應(yīng)的電壓和電流信號，具體信號形式及數(shù)量如下：

模擬量輸入(5路)：包括逆變器輸出電流(2路)、電網(wǎng)側(cè)電壓(2路)和直流側(cè)電壓(1路)，這些信號均來自并網(wǎng)變流器主電路模塊。采用霍爾器件進(jìn)行檢測，對于控制器為電流信號輸入。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)功率為3kW，發(fā)電機(jī)額定電壓為380V，故每相額定電流為2.3A。為保證測量精度，我們要求額定電流2.3A時(shí)，霍爾傳感器的輸出電流為5.75mA，即霍爾器件的轉(zhuǎn)換率為1∶400。這些模擬量輸入信號通過A/D轉(zhuǎn)換器輸入到單片機(jī)。

開關(guān)量輸入信號(1路)：即過流反饋信號(1路)，來自并網(wǎng)變流器主電路智能功率模塊IPM1。過流反饋信號屬于故障信號，為幅值為5V的開關(guān)量，低電平有效，直接接到單片機(jī)的中斷引腳。

輸出信號(6路)：為驅(qū)動信號，由單片機(jī)產(chǎn)生PWM7～PWM12，經(jīng)過驅(qū)動板，給并網(wǎng)變流器主電路的電力電子開關(guān)器件提供開通和關(guān)斷脈沖。輸出脈沖幅值為3.3V。

3.并網(wǎng)變流器控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)前述功能需求及電機(jī)側(cè)整流器和電網(wǎng)側(cè)逆變器控制算法的要求，并網(wǎng)變流器應(yīng)包含主控單片機(jī)、模擬量輸入、開關(guān)量輸入、頻率信號輸入、PWM輸出、故障保護(hù)等幾部分，如圖7.13所示。圖7.13并網(wǎng)變流器控制器功能框圖模擬量輸入模塊共需采集9路模擬量，由于均從主電路采集，因此要做好隔離和濾波。

開關(guān)量輸入模塊共2路開關(guān)量輸入信號，分別為電機(jī)側(cè)整流器和電網(wǎng)側(cè)逆變器的過流反饋信號。

頻率信號輸入模塊共2路信號，分別為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(1路)和風(fēng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩(頻率量1路)信號。這些信號均來自風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)模塊，所有的脈沖/頻率信號均為方波信號，幅值為5V。

PWM輸出模塊共輸出12路PWM信號。

故障保護(hù)模塊當(dāng)電機(jī)或者電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，封鎖輸出的PWM脈沖。所需要考慮的故障有風(fēng)速過大、風(fēng)速過低、電機(jī)轉(zhuǎn)速過大、電機(jī)轉(zhuǎn)速過低、電網(wǎng)電壓過高、電網(wǎng)電壓過低、變流器電路過流等7種。7.2.3硬件電路原理圖及PCB設(shè)計(jì)

硬件電路原理圖設(shè)計(jì)工具采用了Protel。

1.單片機(jī)及其系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

本控制器安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制柜內(nèi)，控制柜尺寸較大，對本控制器沒有嚴(yán)格的尺寸限制。為了加快開發(fā)速度，單片機(jī)及其系統(tǒng)控制電路沒有自行設(shè)計(jì)，而是直接采用擴(kuò)展了16路A/D轉(zhuǎn)換器的開發(fā)板。開發(fā)板對外引出了所有的功能引腳。硬件上只設(shè)計(jì)了信號調(diào)理電路和驅(qū)動電路。其中，信號調(diào)理電路包括各種輸入信號的采集電路；驅(qū)動電路包括單片機(jī)輸出PWM信號與并網(wǎng)變流器開關(guān)器件之間的接口(死區(qū)、互鎖、隔離等)和故障保護(hù)電路。

2.模擬量輸入電路設(shè)計(jì)

模擬量輸入電路通過霍爾傳感器采集主電路中的電壓和電流信號輸送到單片機(jī)開發(fā)板的A/D轉(zhuǎn)換器上?；魻杺鞲衅鞅旧砭哂须姶鸥綦x功能，因此模擬量輸入電路沒有專門再考慮隔離。從傳感器過來的信號電壓范圍為-15～+15V，首先經(jīng)過一個二階濾波電路濾除開關(guān)頻率的干擾，然后經(jīng)過一個比例電路把信號電壓范圍降到-1.5～+1.5V，再經(jīng)過一個加法電路把信號電壓范圍變到0～+3V，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器引腳。A/D轉(zhuǎn)換器引腳要求的電平為0～+3.3V，過大或者過小的輸入電壓都會對A/D轉(zhuǎn)換器造成損害。因此在模擬量進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器引腳之前使用了兩個穩(wěn)壓二極管，以把信號電壓穩(wěn)定在0～+3.3V之間。其中一路模擬量輸入電路如圖7.14所示。圖7.14模擬量輸入電路

3.開關(guān)量輸入電路設(shè)計(jì)

開關(guān)量輸入信號為+5V的電平信號，反映變流器主電路的過流故障，低電平有效。因此可以直接把開關(guān)量信號輸入到單片機(jī)的中斷引腳，以保證單片機(jī)能及時(shí)對過流故障做出反應(yīng)。由于整流器和逆變器任意一個發(fā)生過流，都要關(guān)閉整個并網(wǎng)變流器，因此得兩路開關(guān)量通過與門連接到一個中斷引腳上。開關(guān)量輸入電路如圖7.15所示。圖7.15開關(guān)量輸入電路

4.頻率輸入電路設(shè)計(jì)

頻率量輸入信號共有三路，分別是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號、風(fēng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩信號和風(fēng)速信號。由于隨著實(shí)際風(fēng)速的變化，這三個量的頻率變動范圍也比較大，因此我們采用了F/V電路，把頻率信號首先變換為電壓信號，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集。頻率輸入通道電路如圖7.16所示。圖7.16頻率輸入通道電路

5.?PWM輸出電路設(shè)計(jì)

PWM輸出電路要對單片機(jī)輸出的PWM信號進(jìn)行互鎖和加入死區(qū)。整流器和逆變器的每相橋壁的上、下兩個開關(guān)器件要互鎖，即不能同時(shí)導(dǎo)通。由于開關(guān)器件的開通和關(guān)斷都需要一定的過程，因此要在每個器件的開通時(shí)刻加入死區(qū)?；ユi電路通過與門和非門結(jié)合完成；死區(qū)電路通過電阻和電容組成的一階慣性環(huán)節(jié)和比較器結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)，比較器的反向輸入端電壓可調(diào)，調(diào)節(jié)該電壓就可調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間的大小。為了便于封鎖脈沖，PWM加入死區(qū)后先經(jīng)過一個傳輸門再對外輸出。當(dāng)傳輸門使能引腳使能時(shí)，可對外輸出，當(dāng)該引腳無效時(shí)，封鎖PWM脈沖的輸出。為防止單片機(jī)失控時(shí)亂發(fā)脈沖，傳輸門的使能引腳可通過故障信號直接封鎖，也可以通過硬件按鈕來封鎖。具體的PWM輸出電路如圖7.17所示。圖7.17PWM輸出電路

6.故障保護(hù)電路設(shè)計(jì)

故障保護(hù)電路首先要檢測各種故障，包括風(fēng)速過大、風(fēng)速過低、電機(jī)轉(zhuǎn)速過大、電機(jī)轉(zhuǎn)速過低、電網(wǎng)電壓過高、電網(wǎng)電壓過低、變流器電路過流7種故障。故障檢測通過比較器即可完成。對于模擬量信號，直接比較輸入電壓與門限電壓；對于頻率信號，比較經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換后的電壓與門限電壓。比較器的輸出邏輯設(shè)置為有故障的時(shí)候輸出高電平，無故障的時(shí)候輸出低電平。故障信號在故障排除以前要一直保持，因此故障信號先經(jīng)過鎖存器進(jìn)行鎖存，鎖存器的復(fù)位可以通過單片機(jī)I/O來控制，也可以通過手動開關(guān)來控制。任意故障發(fā)生時(shí)，均要封鎖輸出的PWM脈沖，所以所有故障信號經(jīng)過或門連接到傳輸門的使能引腳上。故障保護(hù)電路如圖7.18所示。圖7.18故障保護(hù)電路

7.?PCB設(shè)計(jì)

PCB的設(shè)計(jì)與電路原理圖設(shè)計(jì)采用同一個設(shè)計(jì)工具——Protel。

PCB設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問題有：適當(dāng)?shù)某叽绱笮?、合理的元器件布局、適當(dāng)?shù)膶ν饨涌谖恢煤洼^強(qiáng)的抗干擾能力。

本控制器對于尺寸沒有嚴(yán)格限制，所以為了降低干擾，便于調(diào)試，可以在不影響信號質(zhì)量和美觀的情況下把電路板尺寸布的稍微大一些。

模擬器件要盡量布在一起，數(shù)字器件要盡量布在一起。模擬地和數(shù)字地不要穿插連接，模擬地連接模擬地，數(shù)字低連接數(shù)字地，二者最后通過一點(diǎn)進(jìn)行連接接地即可。對于信號相仿且傳輸距離較長的信號線，應(yīng)盡量平行布線，降低相互之間的干擾。

為了增強(qiáng)抗干擾能力，加大了電源線寬度，減少了環(huán)路電阻。一般電源線和地線的寬度應(yīng)至少是2～4mm。對于功率消耗較大，也就是流過電流較大的單片機(jī)系統(tǒng)，電源線的寬度還應(yīng)該更寬。同時(shí)，PCB走線時(shí)應(yīng)盡量降低電源線的長度。對于地線，應(yīng)在盡可能的情況下采用敷銅技術(shù)，把電路板上空余的地方全部敷銅，增大地線寬度。如果技術(shù)條件允許，最好采用多層板技術(shù)，專門設(shè)置一個電源內(nèi)層。7.2.4系統(tǒng)調(diào)試

1.前期基本調(diào)試

電路板做好以后，先進(jìn)行基本連接關(guān)系的初步檢查調(diào)試，主要是看有沒有斷線或者明顯的短路情況。確定沒有問題之后再進(jìn)行相關(guān)電器元件的焊接。

元器件焊接完成后，在上電之前先檢查電源的兩個輸入端子有沒有短路，沒有短路的情況下才可以上電。第一次上電時(shí)要小心，仔細(xì)觀察上電后是否有異常氣味或者聲音，有沒有芯片發(fā)燙嚴(yán)重，發(fā)現(xiàn)這些問題后，應(yīng)立即斷電，排查故障。每次電路修改后再上電時(shí)都要進(jìn)行檢查。

由于單片機(jī)電路采用了開發(fā)板，無須對單片機(jī)及其系統(tǒng)控制電路的工作情況進(jìn)行調(diào)試，因此上電沒有故障后，即可進(jìn)入功能模塊調(diào)試。

2.功能模塊調(diào)試

模擬量輸入模塊先通過簡單的電位器分壓電路輸入一個變化的電壓，然后觀察輸入到A/D轉(zhuǎn)換器引腳上的電壓是否正確。除了正常范圍電壓的調(diào)試，還要測試輸入電壓超出范圍時(shí)，穩(wěn)壓二極管工作是否穩(wěn)定。

開關(guān)量輸入模塊的檢測比較簡單，給輸入端加入+5V高電平，看單片機(jī)中斷引腳是否有有效電平，同時(shí)看是否引起PWM脈沖輸出封鎖即可。

頻率信號輸入電路的調(diào)試是通過信號發(fā)生器加入一定頻率的方波信號，看輸出電壓值是否正確即可。

故障保護(hù)電路的調(diào)試是通過電位器分壓電路加入較大或較低的電壓值(在故障保護(hù)范圍內(nèi))，看故障保護(hù)電路是否正確，同時(shí)檢查故障復(fù)位按鈕是否能夠復(fù)位故障信號。

3.系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的時(shí)候，首先分別調(diào)試電機(jī)側(cè)整流器和電網(wǎng)側(cè)逆變器的控制。調(diào)試整流器控制時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)很難安裝實(shí)際的風(fēng)機(jī)，因此需要用一個電動機(jī)來模擬風(fēng)機(jī)的運(yùn)行(電動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)來模擬風(fēng)機(jī)帶動發(fā)電機(jī))。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)一旦轉(zhuǎn)動就會發(fā)出電能，因此單獨(dú)調(diào)試整流器的時(shí)候必須給輸出側(cè)加入消耗負(fù)載的裝置，可以加一個較大的電阻消耗電能。調(diào)試逆變器的時(shí)候，直流側(cè)通過電池供電，交流側(cè)通過調(diào)壓器連接到電網(wǎng)上。由于電池電壓恒定，因此直流側(cè)必須給電池串聯(lián)一個電阻，然后再跟電容相連才能給逆變器提供電能。電池、電阻和電容的接法如圖7.19所示。

整流器和逆變器分別調(diào)試完后，再把整流器和逆變器接在一起，進(jìn)行整個系統(tǒng)的發(fā)電并網(wǎng)產(chǎn)品調(diào)試。

在調(diào)試過程中需要特別注意的是，單片機(jī)輸出的PWM信號跟并網(wǎng)變流器開關(guān)器件的正確連接，一旦接錯，就會發(fā)生開路或者短路，給設(shè)備造成損害。圖7.19電池模擬整流電源的接法7.2.5文檔編制

整個設(shè)計(jì)完成后，為便于使用、維修以及進(jìn)一步開發(fā)，一定要精心編寫工作文件，盡可能描述清楚，使數(shù)據(jù)和資料齊全。文件應(yīng)包括任務(wù)描述、性能測定及現(xiàn)場試用報(bào)告與說明、使用指南等。

最后設(shè)計(jì)人員提交的文檔應(yīng)包括：

(1)需求說明，包括具體的產(chǎn)品應(yīng)用場合、產(chǎn)品應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能、產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求等內(nèi)容。

(2)概要設(shè)計(jì)說明，主要是系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想及設(shè)計(jì)方案論證。

(3)詳細(xì)設(shè)計(jì)說明，根據(jù)概要設(shè)計(jì)所采取的方案，對詳細(xì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行說明，包括功能模塊的劃分，每一模塊的具體實(shí)現(xiàn)，各模塊之間的接口情況，電子元器件的選型，硬件電路設(shè)計(jì)思路等。

(4)各種硬件圖紙，包括硬件電路原理圖、元件布置圖及接線圖、線路板圖、接插件引腳圖等。

(5)軟件相關(guān)資料，包括軟件流程圖、程序清單、程序說明等。

(6)用戶手冊/使用指南，提供給用戶使用，使用戶根據(jù)手冊或指南就能進(jìn)行各種相關(guān)操作。用戶手冊/使用指南的編寫要求語言簡潔，內(nèi)容全面，且不能有歧義。7.3.1需求分析

基于智能卡的校園一卡通技術(shù)對于推進(jìn)學(xué)校的信息化管理具有很大的推動作用，而食堂售飯則是校園卡應(yīng)用最“傳統(tǒng)”的一種形式，它從最早的飯票開始，經(jīng)歷了光電穿孔卡和接觸式IC卡等形式，現(xiàn)在已經(jīng)逐步被更便捷的非接觸式射頻卡代替。7.3單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例3—食堂售飯射頻卡收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)整個食堂售飯卡系統(tǒng)應(yīng)由教工食堂、學(xué)生食堂1、學(xué)生食堂2……若干個子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)和膳食科組成一個大的局域網(wǎng)絡(luò)。每個子系統(tǒng)由一臺管理計(jì)算機(jī)通過485總線管理各售飯窗口的若干售飯機(jī)。售飯時(shí)，各售飯機(jī)獨(dú)立離線工作，不與管理計(jì)算機(jī)通信，管理計(jì)算機(jī)在每天的一個特定時(shí)間去讀取各售飯機(jī)的售飯記錄。售飯機(jī)應(yīng)采用市電和蓄電池備份供電兩種供電方式，要保證市電斷電后能自動切換到蓄電池，并能繼續(xù)工作一段時(shí)間。售飯機(jī)應(yīng)設(shè)計(jì)為雙屏顯示，分別供工作人員和就餐者觀看售飯信息。售飯信息采用雙向“鏡像”保存，即從卡中扣除金額的同時(shí)，售飯機(jī)也保存售飯記錄。每次管理計(jì)算機(jī)讀取售飯機(jī)的售飯記錄后，售飯機(jī)把售飯記錄空間清空。如果售飯機(jī)的售飯記錄空間已滿，而管理計(jì)算機(jī)還沒有讀，則售飯機(jī)啟動通信程序，向管理計(jì)算機(jī)發(fā)送請求讀取記錄的指令。售飯機(jī)應(yīng)具備卡密碼鑒別功能，從而可對各種偽卡和掛失卡進(jìn)行識別并報(bào)警；應(yīng)能夠根據(jù)管理計(jì)算機(jī)的設(shè)置，對每餐或者每天最高消費(fèi)上額進(jìn)行限制。

膳食科和各子系統(tǒng)的PC可實(shí)現(xiàn)各種營業(yè)情況的匯總、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表生成等數(shù)據(jù)處理功能，并向所管理的售飯機(jī)下傳掛失卡名單等信息；應(yīng)可以完成發(fā)放新卡、對卡充值、卡掛失、補(bǔ)卡等功能。7.3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個售飯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括網(wǎng)絡(luò)管理計(jì)算機(jī)的管理軟件設(shè)計(jì)、售飯機(jī)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)三個主要部分。另外，根據(jù)客戶需求還可能包括發(fā)卡器、自動充值機(jī)、自動掛失機(jī)等輔助部分的設(shè)計(jì)。售飯系統(tǒng)的組成如圖7.20所示。圖7.20售飯系統(tǒng)組成示意圖由于管理計(jì)算機(jī)和發(fā)卡器、自動充值機(jī)、自動掛失機(jī)使用量比較少，每個系統(tǒng)一般只需要一臺，因此我們對這部分沒有進(jìn)行詳細(xì)的軟/硬件設(shè)計(jì)，而是采用了市場上現(xiàn)有的產(chǎn)品。整個設(shè)計(jì)針對管理計(jì)算機(jī)軟件、售飯機(jī)的軟/硬件、組網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行。

1.管理計(jì)算機(jī)

管理計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)整個售飯系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)庫管理功能。網(wǎng)絡(luò)管理功能主要是按設(shè)定讀取每個售飯機(jī)的消費(fèi)記錄，并終止某臺售飯機(jī)的運(yùn)行。數(shù)據(jù)庫管理功能主要是發(fā)行飯卡時(shí)把新卡信息存入數(shù)據(jù)庫，讀取售飯機(jī)消費(fèi)記錄后根據(jù)消費(fèi)記錄修改數(shù)據(jù)庫，根據(jù)數(shù)據(jù)庫生成各種報(bào)表等。網(wǎng)絡(luò)管理：整個售飯系統(tǒng)通過485總線進(jìn)行組網(wǎng)，作為管理計(jì)算機(jī)，只需要通過串口去讀數(shù)據(jù)或者向外發(fā)送數(shù)據(jù)即可。

數(shù)據(jù)庫管理：管理計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫主要分為兩類，一類是總數(shù)據(jù)庫，用來存儲每個售飯卡的基本信息及余額；另一類是每次讀取信息的數(shù)據(jù)庫，即每次讀取后要把當(dāng)次讀取的消費(fèi)記錄生成一個數(shù)據(jù)庫，且能保留2年(該時(shí)間要能夠在軟件中設(shè)定)。

總數(shù)據(jù)庫中的信息設(shè)定為10個字段，分別為卡號、工號/學(xué)號、姓名、身份類別、部門/院系班級、職務(wù)、可用額度、本卡狀態(tài)、發(fā)卡時(shí)間和備注。其中，本卡狀態(tài)是指正?？?、掛失卡、過期卡等。每次讀取信息數(shù)據(jù)庫包括9個字段，分別為消費(fèi)序號、卡號、工號/學(xué)號、姓名、消費(fèi)額度、消費(fèi)日期、消費(fèi)時(shí)間、營業(yè)機(jī)器號和備注。

管理計(jì)算機(jī)的具體功能如下：

卡的發(fā)行功能。順利發(fā)行IC卡，并把發(fā)行信息存儲在數(shù)據(jù)庫中。

充值。把充值額度加到數(shù)據(jù)庫中的對應(yīng)記錄內(nèi)。

掛失。把掛失卡的卡號通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有售飯機(jī)。

退卡。退還金額并記錄在數(shù)據(jù)庫內(nèi)。

換卡。用新卡的卡號替換舊卡卡號，數(shù)據(jù)庫內(nèi)除卡號外其他信息不變。

消費(fèi)誤操作處理。如果消費(fèi)操作錯誤，則退錢，并記錄在數(shù)據(jù)庫中。

根據(jù)管理員的設(shè)定，讀取本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各售飯機(jī)的消費(fèi)記錄，存為當(dāng)次讀取數(shù)據(jù)庫，并在總數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)卡號扣除所讀記錄的額度。讀各售飯機(jī)的消費(fèi)記錄的模式可由管理員設(shè)定，分為隨時(shí)手動讀取和按設(shè)定時(shí)間讀取兩種模式。隨時(shí)手動讀取由管理員手動點(diǎn)擊相關(guān)按鈕讀取。按設(shè)定時(shí)間讀取的時(shí)間由管理人員設(shè)定。

單獨(dú)讀某個售飯機(jī)消費(fèi)記錄的功能。讀取方式同上一條。

能針對某臺售飯機(jī)發(fā)送終止運(yùn)行命令。

根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容生成各種報(bào)表的功能。所需的報(bào)表有：發(fā)卡明細(xì)報(bào)表、換卡明細(xì)報(bào)表、退卡明細(xì)報(bào)表、存款明細(xì)報(bào)表、掛失卡明細(xì)報(bào)表、各售飯機(jī)營業(yè)情況報(bào)表、餐廳消費(fèi)每日報(bào)表、消費(fèi)匯總表、個人消費(fèi)情況報(bào)表等。

補(bǔ)貼發(fā)放功能。要能夠設(shè)置補(bǔ)貼金額和補(bǔ)貼發(fā)放條件(按學(xué)號或者班級)。

查詢功能。要能夠根據(jù)卡號、學(xué)號、姓名或者班級情況查詢相關(guān)內(nèi)容。

可以選擇通過COM1、COM2、USB等進(jìn)行通信。

最終軟件要生成安裝文件，并需要管理員按密碼登錄才能操作。

2.售飯機(jī)

售飯機(jī)是整個售飯系統(tǒng)跟消費(fèi)者直接接觸的窗口，應(yīng)具有如下功能：

讀出IC卡中的余額，并顯示出來。

消費(fèi)額度扣除，把扣除結(jié)果存儲到IC卡上，并把結(jié)果存儲在本機(jī)存儲器中。

根據(jù)上位機(jī)的命令，把本機(jī)內(nèi)存儲的消費(fèi)記錄輸送給上位管理計(jì)算機(jī)。

根據(jù)上位機(jī)的命令，終止某個卡號的使用功能。

雙屏顯示，分別對工作人員和消費(fèi)者顯示售飯記錄信息。

日期時(shí)間顯示。

總額及消費(fèi)次數(shù)查詢

最近兩次消費(fèi)額度查詢。

最近一次消費(fèi)額度的刪除(跳線器可選)。

本機(jī)復(fù)位及自檢功能。

機(jī)器故障報(bào)警功能。

IC卡可用余額不足本次消費(fèi)額度報(bào)警功能、掛失卡標(biāo)志。

每日及每次最高消費(fèi)額度控制(額度由上位機(jī)下傳)。

每餐定額消費(fèi)功能(定額值可由上位機(jī)下傳，亦可由售飯機(jī)自行設(shè)定)。

可存消費(fèi)信息條數(shù)分為1萬條和10萬條兩種型號。

與上位機(jī)通信方式：485總線。

售飯機(jī)存儲器中存儲的售飯記錄應(yīng)包含的信息為卡號、消費(fèi)額度、消費(fèi)日期、消費(fèi)時(shí)間、營業(yè)機(jī)器號、卡狀態(tài)。其中，卡狀態(tài)為正?？ā慰?、過期卡、掛失卡等。

從功能需求上來看，售飯機(jī)應(yīng)具有如圖7.21所示的功能模塊。圖7.21售飯機(jī)功能模塊框圖

3.系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信

售飯系統(tǒng)組網(wǎng)有多種組網(wǎng)方式，可以采用任意一種現(xiàn)場總線，也可以通過以太網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)?？紤]到售飯機(jī)系統(tǒng)在一般情況下的售飯機(jī)數(shù)量不會太多，而且傳輸距離和傳輸數(shù)據(jù)量都不大，因此我們采用了485總線進(jìn)行組網(wǎng)。管理計(jì)算機(jī)與售飯機(jī)的通信數(shù)據(jù)格式如下：

通信標(biāo)示：EA，用于表示該通信是本系統(tǒng)中的設(shè)備發(fā)起的，如果通信標(biāo)示不對，則系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)器不對該通信做任何回應(yīng)。

機(jī)器號：本次通信的目標(biāo)機(jī)器號碼，ff為上位管理計(jì)算機(jī)，00為廣播信號。

總數(shù)據(jù)長度：本次通信的所有數(shù)據(jù)總長度，指的是從信息類型碼開始，到校驗(yàn)碼前的所有數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)(不含校驗(yàn)碼)。

信息類型碼：用于表示本次通信的信息或命令類型的代碼，具體代碼如表7.1所示。表7.1信息類型碼

有效數(shù)據(jù)1～N：傳輸?shù)木唧w信息內(nèi)容，針對不同的信息或命令類型，有效數(shù)據(jù)也有所不同，具體信息參見后面的詳細(xì)描述。

校驗(yàn)碼：從信息類型碼到有效數(shù)據(jù)n的所有字節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行二進(jìn)制代碼相加的和，用于進(jìn)行通信錯誤與否的校驗(yàn)。

通信結(jié)束標(biāo)示：BC，表征通信結(jié)束。

消費(fèi)記錄上傳的有效數(shù)據(jù)的格式為每一條記錄含