【正文】 及時進行檢修；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)通三 相 電 源 接 觸 器 熱繼電器 風冷電機 變壓器過負荷 變壓器油溫檢測 機電邏輯處理系統(tǒng) 信。使用戶隨時了解變壓器及風機運行情況， 實現(xiàn)遠程溫度控制。整個課題包括系統(tǒng)設(shè)計，主機溫度信號采集與調(diào)理電路設(shè)計，主機 LED 顯示電路設(shè)計，主控電路設(shè)計，缺相檢測與保護電路設(shè)計，過載保護與檢測電路設(shè)計，從機設(shè)計，從主機 LED 顯示電路設(shè)計，無線通信電路設(shè)計，主電路設(shè)計，主機從機電源設(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，其可以采用鉑電阻電橋組成的溫度檢測電路，也可以使用溫度傳感器來實現(xiàn)。 方案一 : 溫度檢測電路通過預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，并輸出相應的控制信號，控制風機的起停，電機的保護電路包括過壓，過載，缺相等。 顯示電路采用 MAX7219，其只需要三根線就可控制八個數(shù)碼管，特別適用于需要 I/O 口較多的系統(tǒng)。 信號通過無線通信芯片 nRF401 傳輸?shù)娇刂剖?,以便對現(xiàn)場情況及時做出反應。 方案采用 PIC16F877 單片機， PIC 處理器具有不同于一般微處理器的許多特性，它給出最大系統(tǒng)可靠性，通過減少外部元件使成本最小。另外，還提供節(jié)電工作模式及提供編 碼保護等。 PIC16F877 共有 A口、 B口、 C 口、 D口、 E口五組 I/O 口，完全可以滿足本系統(tǒng)的要求，另外在其中嵌入 一個 8 輸入通道的 A/D 模塊，不需要專門的芯片進行 A/D 轉(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；還可以在線串行編程、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，可以連續(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 8? 8 位的靜態(tài)隨機存儲器。只需要一個外部電阻，就可以正確地驅(qū)動所有 LED 的段地址。 信號通過無線通信芯片 nRF401 傳輸?shù)娇刂剖?。以便對現(xiàn)場情況及時做出反應。nRF401 是一個 433 MHz 工業(yè)、科學、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 20 kb/ s，發(fā)射功率可調(diào) , 最大發(fā)射功率 10 dBm,接收靈敏度 105dBm，具有工作半徑大、適應性強的特點。天線接口設(shè)計為差分 天線 ,便于使用低成本的印刷電路板天線。 nRF401 還有待機工作方式 ,可以更省電和高效。此外 ,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 22 所示。 圖 22 溫度控制系統(tǒng)框圖 方案二： 溫度檢測 采用由 DALLAS 半導體公司生產(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 ，傳輸距離遠等特點。顯示采用單片機的 RA 口擴展四片串并轉(zhuǎn)換的移位寄存器 74LS164驅(qū)動四只 寸共陽數(shù)碼管，實時顯示變壓器的溫度。復位電路采用 MAXMAX6304 芯片來實現(xiàn)單片機系統(tǒng)的監(jiān)控電路。 MAX6304 是一款專用、高性能、低功耗的微處理器監(jiān)控芯片。 通信采用 CHIPCON 公司新推出的 CC1000 單片可編程 RF 收發(fā)芯片。 （一）溫度檢測電路的設(shè)計 溫度檢測采用由 DALLAS 半導體公司生產(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177。 5℃；具有溫度報警功能，用戶可設(shè)置最高和最低 圖 23 DS18B20引腳分布圖 PIC16F877 單片機 按鍵輸入 電 源 變壓器油溫采集模塊 主回路控制模塊 nRF401通 訊電路 LED 顯 示電路 光電耦合電路 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；此外， 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 與單片機的接口 電路如圖 23 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。相當于給每個 DS18B20 分配了一個獨一無二的 64 比特地址序列碼，這就允許多個 DS18B20 工作同條一線總線上，從而大大簡化了分布式溫度傳感系統(tǒng)的應用。溫度傳感器完成對溫度的測量，溫度報警觸發(fā)器 TH和 TL以及配置寄存器的設(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 可以用數(shù)碼管顯示，電路如下圖 24 所示。采用了 MAX7219 驅(qū)動器，對溫度值進行實時輸出顯示，根據(jù)精度要求，設(shè)置一位小數(shù)。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12ABCD121110987654321DCBAD O U T24S E G D P22S E G G17S E G F15S E G E21S E G D23S E G C20S E G B16S E G A14I S E T18V+19C L O C K13D I N1D I G 02D I G 111D I G 26D I G 37D I G 43D I G 510D I G 65D I G 78L O A D12G N D4G N D9N 14M A X 7 21 9 （主）abfcgdeD P Y1234567abcdefg8 dpdpN 19abfcgdeD P Y1234567abcdefg8 dpdpN 183 3KR 25+ 5VabfcgdeD P Y1234567abcdefg8 dpdpN 20CL KLO ADRC 2 圖 24 LED顯示電路 （三）鍵盤輸入 單片機監(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”、“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，單片機系統(tǒng)會工作不正 常，這些都很可能是由單片機監(jiān)控電路設(shè)計的不可靠引起的。單片機監(jiān)控電路主要有監(jiān)控和看門狗兩個功能。 （四）通訊電路設(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 CMOS 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 31 868 及 915MHz，但CC1000 很容易通過編程使其工作在 300～ 1000MHz 范圍內(nèi)。它具有低電壓（ ～ ），極低的功耗，可編程輸出功率（ 20～ 10dBm），高靈敏度（一般 109dBm），小尺寸（ TSSOP28封裝），集成了位同步器等特點。其 FSK 可達 ，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)能通過串行總線接口編程改變，使用非常靈活。 CC1000 可通過簡單的三線串行接口 (PDATA、 PCLK 和 PALE) 進行編程，有 36 個 8位配置寄存器，每個由 7位地址尋址。一個完整的 CC1000 配置，要求發(fā)送 29 個數(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 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，但是不能關(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 應與微控制器輸入端相連，其余引腳用來監(jiān)視 LOCK 信號（在引腳 CHP_OUT）。當 PLL 鎖定時，該信號為邏輯高電平。 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，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 RS485標準。 （一）溫度采集電路 AD590 是由美國哈里斯（ Hrris）公司、模擬器件公司（ ADI）等生產(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)阻抗響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等優(yōu)點，適合遠距離測溫、控溫，不需要進行線性校準。 AD590 屬于采用激光修正的精密集成溫度傳感器。該產(chǎn)品有 3 種封裝形式； TO52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 ℃，相應時間僅 20μ s，重復性誤差低至 ℃，功耗約為 5mW。 AD590 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 1μ A，等價于 1℃的測溫誤差。AD590 的工作電壓為 +4— +30V、測溫范圍是 +55— +150℃，對應于熱力學溫度 T 每變化1K，輸出電流就變化 1μ A。在 （對應于 ℃）時輸出電流恰好等于 μ A。這表明，其輸出電流與熱力學溫度嚴格成正比。 AD590 配以 ICL7106 型單片 A/D轉(zhuǎn)換器，即可構(gòu)成 3位半液晶顯示的數(shù)字溫度計。 （二）通訊電路 RS485 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。兩條傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，因此有極強的抗共模干擾的能力，接收靈敏度也相當高。同時，最大傳輸速率和最大傳輸距離也大大提高。如果以 10Kbps 速率傳輸數(shù)據(jù)時傳輸距離可達 12m ，而用 100Kbps時傳輸距離可達 。如果降低波特率，傳輸距離還可進一步提高。另外 RS485 實現(xiàn)了多點互聯(lián)，最多可達 256臺驅(qū)動器和 256臺接收器，非常便于多器件的連接。不僅可以實現(xiàn)半雙工通信，而且可以實 現(xiàn)全雙工通信。 半雙工通信芯片有 SN7517 SN7527 SN75LBC18 MAX48 MAX308 MAX1482等。全雙工通信的有 SN7517 SN75180、 MAX488～ 49 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)計方案進行比較：