【正文】 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(diǎn)就會(huì)因?yàn)槔^電器線圈的得電而接通，觸點(diǎn)一側(cè)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮，指示現(xiàn)在風(fēng)機(jī)過載運(yùn)行，過載信號(hào)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(hào)，立即做出響應(yīng)，將接在相應(yīng)端口的風(fēng)機(jī)組切除。 圖 314 MAX7219的時(shí)序圖 芯片的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序如圖 314所示，在時(shí)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。 MAX7219 為 8 位 LED 顯示驅(qū)動(dòng)電路，可以連續(xù)的驅(qū)動(dòng) 8位 7段數(shù)據(jù)顯示。 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。 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。下面對(duì) HCNR200/201 的典型電路進(jìn)行分析，對(duì)電路中如何實(shí)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。 HCNR200/201 的內(nèi)部框圖如 311 所示 圖 311 HCRN200內(nèi)部框圖 其中 2引腳作為隔離信號(hào)的輸入， 4 引腳用于反饋， 6引腳用于輸出。 對(duì)于高頻交流模擬信號(hào)，變壓器隔離是最常見的選擇，但對(duì)于支流信號(hào)卻不適用。 （ 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，通常為幾百 K歐姆。 光耦（ Optical Coupler）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(hào)的器件，通常把發(fā)光器件和光檢測(cè)器封裝在管殼內(nèi)。圖 32中 R8是鉑電阻，其阻值為 R(1 +δ ),其中 R為鉑電阻在 0℃時(shí)的阻值 。石英晶體選用 4MHz 的 ESC40201型， OSC1 和 OSC2 的電容選擇了 30pF。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 36 是 PIC16F877 芯片與外部振蕩 電容和電阻連接的電路圖。 % 所有諧振器都不帶內(nèi)部電容值 表 34 陶瓷諧振器 OSC 類型 頻率 C1/pF C2/pF LP 32kHz 33 33 200kHz 15 15 XT 200kHz 47～ 68 47～ 68 1MHz 15 15 4MHz 15 15 HS 4MHz 15 15 8MHz 15～ 33 15～ 33 20MHz 15～ 33 15～ 33 以上值僅為推薦值 所使用的石英晶體 32kHz Epson C— 177。 圖 32 LP、 XT和 HS的石英 /陶瓷振蕩器 注： （ 1） C1 和 C2 的推薦值見表 34 和表 35。 PIC16F87X 系列芯片都能在 4種不同的類型的振蕩器方式下工作，用戶可以通過對(duì)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]。 還 可選擇不同的振蕩器工作方式，有高速，低功耗 CMOS FLASH/EEPROM 技術(shù)。 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。此外 ,該芯片只需少量外圍元件 ,使用十分方便。 顯示電路采用 MAX7219，其只需要三根線就可控制八個(gè)數(shù)碼管，特別適用于需要 I/O 口較多的系統(tǒng)。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。它兼有集成恒流源 和集成溫度傳感器的特點(diǎn)，具有測(cè)溫誤差小，動(dòng)態(tài)阻抗低，傳輸距離遠(yuǎn)，體積小，微功耗等特點(diǎn)。但價(jià)格較高。同時(shí)，最大傳輸速率和最大傳輸距離也大大提高。 AD 系列產(chǎn)品以 AD590M 的性能最佳，其測(cè)溫范圍是 55— +150℃，最大非線性誤差為 ℃，相應(yīng)時(shí)間僅 20μ s，重復(fù)性誤差低至 ℃，功耗約為 5mW。 （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。當(dāng) 8位數(shù)據(jù)位中的最后一個(gè)字節(jié)位 D0 裝 入后，整個(gè)數(shù)據(jù)字才被裝入內(nèi)部配置寄存器中。 CC1000 可通過簡單的三線串行接口 (PDATA、 PCLK 和 PALE) 進(jìn)行編程，有 36 個(gè) 8位配置寄存器，每個(gè)由 7位地址尋址。有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)在關(guān)閉電源后的短時(shí)間內(nèi)再次開啟電源，單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)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(jì)的不可靠引起的。 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(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 MAX6304 是一款專用、高性能、低功耗的微處理器監(jiān)控芯片。天線接口設(shè)計(jì)為差分 天線 ,便于使用低成本的印刷電路板天線。 顯示電路采用 MAX7219，其只需要三根線就可可控制八個(gè)數(shù)碼管，特別適用于需要 I/O 口較多的系統(tǒng)。整個(gè)課題包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主機(jī)溫度信號(hào)采集與調(diào)理電路設(shè)計(jì)，主機(jī) LED 顯示電路設(shè)計(jì)，主控電路設(shè)計(jì)，缺相檢測(cè)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)，過載保護(hù)與檢測(cè)電路設(shè)計(jì)，從機(jī)設(shè)計(jì)，從主機(jī) LED 顯示電路設(shè)計(jì)，無線通信電路設(shè)計(jì)，主電路設(shè)計(jì)，主機(jī)從機(jī)電源設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)計(jì)，軟件編程等。 第二章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(tái)變壓器有 6組風(fēng)冷式電動(dòng)機(jī)需要控制，每組風(fēng)機(jī)的保護(hù)通過熱繼電器實(shí)現(xiàn)，控制風(fēng)機(jī)電源回路通過接觸器，而風(fēng)機(jī)啟停的邏輯判斷通過測(cè)量變壓器的油溫和變壓器的過負(fù)荷實(shí)現(xiàn)，工作原理如圖 21所示。 （ 6）完成指定內(nèi)容的外文資料翻譯。而實(shí)際運(yùn)行中這種控制方式有不少的缺點(diǎn)，如風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)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。溫度采集精度很高， 并且采取了很多措施來保護(hù)電機(jī)，如過載、缺相保護(hù)等。 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(duì)變壓器的油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。本系統(tǒng)以 PIC16F877單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器油溫的實(shí)時(shí)采集、 LED顯示、數(shù)據(jù)無線傳輸，并參考油溫變化對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。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)的冷油全部通過繞組和鐵芯內(nèi)部流出，這樣帶走了大量的熱量，可以提高散熱效率。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。 第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 第一節(jié) 設(shè)計(jì)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。 （ 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(jì)。 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(gè)風(fēng)機(jī)，均勻排列在變壓器四周，每個(gè)風(fēng)機(jī)功率為 ；溫度測(cè)量范圍為0100℃，溫度采集精度為177。風(fēng)機(jī)缺乏必要的過壓、過載、缺相保護(hù)，實(shí)際運(yùn)行中降低系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，增加運(yùn)行成本。 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，通過減少外部元件使成本最小。以便對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)做出反應(yīng)。它具有體積小，接口方便 ，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。 5℃；具有溫度報(bào)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(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 報(bào)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(shí)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]。采用了 MAX7219 驅(qū)動(dòng)器，對(duì)溫度值進(jìn)行實(shí)時(shí)輸出顯示，根據(jù)精度要求，設(shè)置一位小數(shù)。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)。所有寄存器都可讀。 方案三： 溫度檢測(cè)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。例如，由 ADI 公司生產(chǎn)的 AD590，就有 90J/K/L/M 四檔。 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(jì)。 半雙工通信芯片有 SN7517 SN7527 SN75LBC18 MAX48 MAX308 MAX1482等。 通信采用 CHIPCON 公司新推出的 CC1000 單片可編程 RF收發(fā)芯片。 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(diǎn)。 圖 25 溫度控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)框圖 PIC 16 F 877過壓檢測(cè)缺相檢測(cè)過載保護(hù)LED 顯示風(fēng)機(jī)控制電路無線通信鍵盤輸入溫度檢測(cè)故障顯示光電隔離光電隔離光電隔離光電隔離 如上系統(tǒng)框圖所示，本設(shè)計(jì)以 PIC16F877 單片機(jī)為核心完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要求對(duì)油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器溫度的全自動(dòng)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(cè)和保護(hù)，還要具備故障自診斷功能，在故障出現(xiàn)時(shí)，給出故障信息，顯示故障類型，便于工作人員及時(shí)進(jìn)行檢修；使用無線通信方式實(shí)現(xiàn)變壓器控制器與中心控制室之間的數(shù)據(jù)通信。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(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。 （ 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。中斷能力多達(dá) 14 個(gè)內(nèi)部 /外部中斷源。定時(shí)器 TMR0：帶有 8位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 16 位的捕捉輸入的最大分辨率為 ， 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。用于鎖定（ Brownout） 復(fù)位（ BOR）的鎖定檢測(cè)電路。在這 3種方式下，也可以用外部時(shí)鐘源加在 OSC1 引腳上進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這時(shí) OSC2 引腳可以直接開路，如圖 32所示。 % 4MHz Murata Erie 177。 30 610? 20MHz Epson CA301 177。表 37 為不同復(fù)位方式下的上電延遲時(shí)間。基于鉑電阻的電橋型溫度檢測(cè)電路具有精度高、性能穩(wěn)定、調(diào)試容易、對(duì)器件要求不高、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn) [3]。而 A點(diǎn)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 32中選 ) ,此外 R2/ R3 的值也要比較低。若基極有引出線，則可滿足溫度補(bǔ)償檢測(cè)調(diào)制要求。 常用的光耦器件為 TLP5211， TLP5214， 4N25， HCRN200， SLC800等。這樣，雖然兩個(gè)光接受電路都是非線性的，但兩個(gè)光接受電路的非線性特性都是一樣的，這樣，就可以通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(shí)現(xiàn)線性隔離的目的。相對(duì)于 HCNR200，HCNR201 提供更高的線性度。 運(yùn)放可以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。 R1=200KΩ ,R2=174,R3=33KΩ ,C1=47P,R4= ,C2=33P,R5=270Ω , R6=RP1=50KΩ， C3=C4=C5=C6=。但這會(huì)占用大量的端口，且硬件電路也十分復(fù)雜。用戶可以根據(jù)自己的需要，自第一位到第八位顯示數(shù)據(jù)，同時(shí)，芯片內(nèi)部還具有使數(shù)碼管中每一段二極管都點(diǎn)亮的測(cè)試模式。 為了能保證系統(tǒng)正常工作，需要對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)計(jì)中為了方便的看到系統(tǒng)狀態(tài)，設(shè)置了三套監(jiān)測(cè)與指示裝置，變壓器的安裝現(xiàn)場(chǎng)有一套，它是由控制風(fēng)機(jī)起停的接觸器、檢測(cè)故障的繼電器的常開或常閉觸點(diǎn)控制的。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12ABCD121110987654321DCBAR 623 60R 633 60H L 3H L 4+ 5V AA G N D過載故障顯示過壓故障顯示H L 5R 643 60缺相故障顯示+ 5V A+ 5V AW1A2B3C。 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