【正文】 ............................. 22 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(jì) ................................... 29 按鍵輸入電路模塊設(shè)計(jì) ......................................... 29 顯示電路部分設(shè)計(jì) ............................................. 29 第五節(jié) 無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ........................................... 33 第六節(jié) 主回路部分設(shè)計(jì) ............................................... 38 風(fēng)冷機(jī)的保護(hù)簡(jiǎn)要介紹 ......................................... 38 輸出驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) ............................................. 38 第七節(jié) 直流電源的設(shè)計(jì) ............................................... 46 第四章 軟件部分設(shè)計(jì) ................................................... 50 第一節(jié) 軟件需求分析 ................................................. 50 第二節(jié) 各模塊的流程圖 .............................................. 52 緒 論 近年來(lái)，隨著我國(guó)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(yíng)效益 。且由于無(wú)法和控制室聯(lián)系，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)變壓器的無(wú)人控制，增加了運(yùn)行成本。 最后通過(guò)無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控， 控制室通過(guò)無(wú)線通信及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況，可任意對(duì)各 種事故做出及時(shí)地反映， 實(shí)現(xiàn)了變壓器的無(wú)人控制。 設(shè)計(jì)主要完成的工作。 設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)時(shí)顯示油溫，主機(jī)和從機(jī)之間的通訊采用無(wú)線通信方式； （ 2）系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)、手動(dòng)、停止三種運(yùn)行方式，正常時(shí)采用自動(dòng)方式運(yùn)行，主控板檢修時(shí)采用手動(dòng)方式運(yùn)行，并且 能夠靈活選擇運(yùn)行方式。這種方式對(duì)風(fēng)機(jī)的控制只能由人工完成，風(fēng)機(jī)同時(shí)全部投入，同時(shí)全部停止，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流很大，會(huì)對(duì)器件造成損傷。 方案一 : 溫度檢測(cè)電路通過(guò)預(yù)埋在變壓器中的鉑電阻傳感器獲得油溫信號(hào) [3]，經(jīng)信號(hào)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(hào)數(shù)據(jù)及設(shè)定的各種控制參數(shù)，按照程序自動(dòng)計(jì)算與處理，自動(dòng)顯示變壓器油溫，并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制風(fēng)機(jī)的起停，電機(jī)的保護(hù)電路包括過(guò)壓，過(guò)載，缺相等。在芯片內(nèi)部集成了一個(gè) BCD 譯碼 器，段地址和位地址驅(qū)動(dòng)以及一個(gè) 8? 8 位的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。此外 ,該芯片只需少量外圍元件 ,使用十分方便。 （一）溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 溫度檢測(cè)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(cè)量及控制儀器、測(cè)控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。相當(dāng)于給每個(gè) DS18B20 分配了一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的 64 比特地址序列碼，這就允許多個(gè) DS18B20 工作同條一線總線上，從而大大簡(jiǎn)化了分布式溫度傳感系統(tǒng)的應(yīng)用。 （四）通訊電路設(shè)計(jì) 通信電路采用無(wú)線通信芯片來(lái)完成。 PCLK 頻率決定了完全配置 所需的時(shí)間。 微控制器使用 3個(gè)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)。 AD590 屬于采用激光修正的精密集成溫度傳感器。AD590 的工作電壓為 +4— +30V、測(cè)溫范圍是 +55— +150℃，對(duì)應(yīng)于熱力學(xué)溫度 T 每變化1K，輸出電流就變化 1μ A。如果降低波特率，傳輸距離還可進(jìn)一步提高。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]。顯示采用 MAX7219，占用了較少的 I/O 口，通信采用 RS485 標(biāo)準(zhǔn)。 根據(jù)上面對(duì)三個(gè)設(shè)計(jì)方案的說(shuō)明比較可以看出，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(wú)線通訊， 具有較高的性?xún)r(jià)比。以便對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)做出反應(yīng)。 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 第一節(jié) 單片機(jī)的選型 硬件電路是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，而單片機(jī)又是硬件電路的核 心，所以單片機(jī)的選擇顯得至關(guān)重要。 主要特征 PIC16F873 PIC16F874 PIC16F876 PIC16F877 工作頻率 DC～ 20MHz DC～ 20MHz DC～ 20MHz DC～ 20MHz 復(fù)位（與延時(shí)） POR， BOR （ PWRT， OST） POR， BOR （ PWRT， OST） POR， BOR （ PWRT， OST） POR， BOR （ PWRT， OST） FISA 程序存儲(chǔ)器 /K 4 4 8 8 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 /字節(jié) 192 192 368 368 EERROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 /字節(jié) 128 128 256 256 中斷 13 14 13 14 I/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(shí)器 /計(jì)數(shù)器 3 3 3 3 捕捉 /比較 /脈沖調(diào)制（ PWM） 2 2 2 2 串行通信 MSSP， USART MSSP， USART MSSP， USART MSSP， USART 并行通信 PSP PSP 10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 5 個(gè)輸入通道 8個(gè)輸入通道 5個(gè)輸入通道 8 個(gè)輸入通道 指令數(shù) /條 35 35 35 35 表 31 四種單片機(jī)性能比較表 PIC16F877 單片機(jī)是 高性能類(lèi) — RISC CPU，一共有 35 條單字指令，除程序分支是雙周期指令外，其他所有的指令都是單指令。 單片機(jī)有 寬范圍的工作電壓： ～ ，最大拉電流 /灌電流可達(dá) 25mA，一般符合商用級(jí)和工業(yè)級(jí)的工作溫度范圍。 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(lái)建 立振蕩，見(jiàn)圖 32。 （ 3） RF 隨石英選擇不同而變。 20 610? 1MHz ESC ESC10131 177。 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(shí)，它們的值是不確定的，并在其他形式的復(fù)位后其值保持不變。測(cè)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(gè)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。在圖32中， R1=R2=R4=R5=R6=1KΩ ,R3 =10KΩ ,R7=100Ω。普通的光耦器件只能 傳輸數(shù)字信號(hào)，而近年來(lái)問(wèn)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(hào) [10]。 （ 2）光電耦合器的輸入回路與輸出會(huì)之間沒(méi)有電氣聯(lián)系，也沒(méi)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 都很難通過(guò)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(hào)的產(chǎn)生。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。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)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?。?HCNR200 是 %），并且隨溫度變化較大（ HCNR200 的變化范圍在 %到 %之間），但芯片的設(shè)計(jì)使得 K1 和 K2相等。忽略運(yùn)放負(fù)端的輸入電流，可以認(rèn)為通過(guò) R1 的電流為 1PI ，根據(jù) R1 的歐姆定律得： 通過(guò) R3兩端的電流為 FI ，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(shí)的電壓（）基本不變，這里的作為常數(shù)對(duì)待。 另外，由于工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)的運(yùn)放滿(mǎn)足虛短特性，因此，考慮 IPD1 的限制，R2的確定可以根據(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。電路圖如下圖 313 所示。只需要一個(gè)外部電阻，就可以正確的驅(qū)動(dòng)所有 LED的段地址。因?yàn)樵?，從 DIN端進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在輸出引腳 DOUT上，以便在級(jí)聯(lián)應(yīng)用時(shí)傳到下一個(gè) MAX7219。當(dāng)過(guò)壓時(shí)，過(guò)壓信號(hào)經(jīng)過(guò)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)， 發(fā)光二極管點(diǎn)亮， 將接在相應(yīng)端口的風(fēng)機(jī)組切除。電路圖如下 圖 316 所示。 主要特性： ⑴ 獨(dú)立的 LED段碼控制 ⑵ BCD 譯碼與段碼兩種模式選擇 ⑶ 150μ A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(dòng)共陰極 LED 顯示 ⑹ 24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。若采用液晶顯示，能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求，但因其價(jià)格昂貴，所以設(shè)計(jì)不采用液晶進(jìn)行顯示。 經(jīng)過(guò)線形光耦的隔離可以很好地抑制現(xiàn)場(chǎng)的各種干擾，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的技術(shù)指標(biāo)。為了能使輸入范圍能夠從 0到 VCC，需要運(yùn)放能夠滿(mǎn)擺幅工作，另外，運(yùn)放的工作速度、壓擺率不會(huì)影響整個(gè)電路的性能。 采用 HCNR200/201 進(jìn)行隔離的一些指標(biāo)如下所示： * 線性度： HCNR200： %， HCNR201： %； * 線性系數(shù) K3： HCNR200： 15%， HCNR201： 5%； * 溫度系數(shù)： 65ppm/℃； * 隔離電壓： 1414V； * 信號(hào)帶寬：直流到大于 1MHz。 市場(chǎng)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。 普通的光耦在數(shù)字隔離電路或數(shù)據(jù)傳輸電路中常常用到，如 UART 協(xié)議的 20mA 電流環(huán)。這種光耦器 件性能較好，價(jià)格便宜，因而應(yīng)用廣泛。 光電耦合隔離放大電 路 由于現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，就必須解決溫控器的抗干擾問(wèn)題，否則將導(dǎo)致控制誤差加大，甚至造成巨大的損失。其檢測(cè)電路圖如圖 39所示。表 38 為狀態(tài)寄存器 STATUS中 TO 和 PD 位在不同復(fù)位方式下的不同的值，在軟件中可以利用這些位來(lái)確定發(fā)生復(fù)位的方式。 30 610? 表 35 石英晶體振蕩器的電容選擇 RC 振蕩器 對(duì)定時(shí)器要求不是很高的應(yīng)用，可以采用低成本的 RC振蕩器方式。 % 8MHz Murata Erie 177。 注意： （ 1） C1 和 C2 的推薦值和測(cè)試范圍內(nèi)的值相同，見(jiàn)表 表 5為石英晶體振蕩器的電容 選擇。 由以上對(duì)單片機(jī)的介紹可以看出， PIC單片機(jī)性能高，并且自身帶有 10位多通道 A/D轉(zhuǎn)換器，在溫度檢測(cè)信號(hào)后就不需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)電路來(lái)進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，所以應(yīng)用電路比較簡(jiǎn)單，因此在本設(shè)計(jì)中就選用了 PIC16F877單片機(jī)。 該單片機(jī) 具有 8級(jí)硬件堆棧，上電復(fù)位電路（ POR）及上電延時(shí)定時(shí)器（ PWRT）和振蕩器起振定時(shí)器（ OST），帶有片內(nèi) RC振蕩器的監(jiān)視定時(shí)器（ WDT）以保證可靠工作。 （ 3）低功耗： PIC 采用 CMOS 設(shè)計(jì)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(jì)可進(jìn)入休眠省電狀態(tài)而不影響喚醒后的正常工作。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。使用戶(hù)隨時(shí)了解變壓器及風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度控制。溫度檢測(cè)電路使用內(nèi)置的鉑電阻來(lái)檢測(cè)溫度 變化，硬件電路較為簡(jiǎn)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(gè) I/O口連線較少，容易實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)的成本較高，但可靠性更強(qiáng)，適用于對(duì)可靠性要求較高且不在乎成本的場(chǎng)合。全雙工通信的有 SN7517 SN75180、 MAX488～ 49 MAX1482等 [6]。 （二）通訊電路 RS485 采用平衡發(fā)送和差分接收方式來(lái)實(shí)現(xiàn)通信：在發(fā)送端 TXD 將串行口的 TTL 電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào) A、 B 兩路輸出，經(jīng)傳輸后在接收端將差分信號(hào)還原成 TTL電平信號(hào)。這類(lèi)器件的外形與小功率晶體管相仿，共有 3 個(gè)管腳： 1 腳為正極， 2 腳是負(fù)極， 3 腳是接管殼。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)。在每次寫(xiě)循環(huán)中， 16 位字節(jié)送入 PDATA 通道，每個(gè)數(shù)據(jù)幀中 7 個(gè)最重要的位（ A6： 0）是地址位，A6是 M 鍵盤(pán)（最高位），首先被發(fā)送。它具有低電壓（ ～ ），