【文章內(nèi)容簡介】 D轉(zhuǎn)換，所以應用電路比較簡單，因此在本設(shè)計中就選用了PIC16F877單片機。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，用戶可以通過對配置寄存器中的振蕩器選擇位FOSC1和FOSC0進行編程選擇其中的一種工作方式[9]。（1） LP方式： 低功耗晶體振蕩器方式；（2） XT方式： 晶體/陶瓷諧振器方式；（3） HS方式： 高速警惕/陶瓷諧振器方式；（4） RC方式： 阻容振蕩器方式。 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32。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，也可以用外部時鐘源加在OSC1引腳上進行驅(qū)動，這時OSC2引腳可以直接開路，如圖32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。（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33 外部時鐘輸入工作方式 測試范圍類型頻率OSC1/pFOSC2/pF XT455kHz68～10068～1002MHz15～6815～684MHz15～6815～68 HS 8MHz10～6810～6816MHz10～2210～22以上值僅為推薦值所使用的諧振器455kHzPanasonicEFO——A455K04B177。%2MHzMurata Erie 177。%4MHzMurata Erie 177。%8MHzMurata Erie 177。%16MHzMurata Erie 177。%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/pFC2/pF LP32kHz3333200kHz1515 XT200kHz47～6847～681MHz15154MHz1515 HS4MHz15158MHz15～3315～3320MHz15～3315～33以上值僅為推薦值所使用的石英晶體32kHzEpson C—177。20200kHzSTD XTL 177。201MHzESC ESC10131177。504MHzESC ESC40201177。508MHzEpson CA301 177。3020MHzEpson CA301 177。30表35 石英晶體振蕩器的電容選擇 RC振蕩器 對定時器要求不是很高的應用，可以采用低成本的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。 推薦值：3k≤Rext≤≦100k； Cext﹥20pF 圖36 RC振蕩器工作方式復位PIC16F877芯片有以下幾種復位方式：（1）芯片上電復位（POR）；（2）正常工作狀態(tài)下通過在外部引腳上加低電平復位；（3）在休眠狀態(tài)下通過在外部引腳上加低電平復位；（4）正常工作狀態(tài)下監(jiān)視器WDT超時溢出復位；（5）在休眠狀態(tài)下監(jiān)視器WDT超時溢出復位；（6）掉電鎖定復位（BOR）。 有些寄存器的值不受任何一種復位操作的影響，當芯片上電復位時，它們的值是不確定的，并在其他形式的復位后其值保持不變。而其他大多數(shù)寄存器的上電復位、在正常工作期間用信號復位或WDT超時溢出復位，在休眠期間信號復位以及在掉電鎖存復位后都會被復位成“復位狀態(tài)”。但在休眠期間WDT超時溢出復位不會影響這些寄存器的值，這是因為這種復位被看成是一種正常的操作，故不應使任何寄存器的值發(fā)生變化。表37為不同復位方式下的上電延遲時間。表38為狀態(tài)寄存器STATUS中和位在不同復位方式下的不同的值，在軟件中可以利用這些位來確定發(fā)生復位的方式。振蕩器配置 上電掉電鎖存休眠喚醒=0=1XT、HS、LP72ms+10241 02472ms+10241 024RC 72ms 72ms表37 不同情況下的上電延遲時間表38 狀態(tài)寄存器STATUS的位和它們的意義說明0X11上電復位（POR）0X0X無效，在上電復位時，被設(shè)置為10XX0無效，在上電復位時，被設(shè)置為11011掉電鎖存復位（BOR）1101WDT復位1100WDT喚醒復位11UU在正常運行時復位1110在休眠或從修面狀態(tài)中喚醒復位通過對以上進行分析說明，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ESC40201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 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。目前，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、實用性強的特點[3]。其檢測電路圖如圖39所示。圖39 電橋型溫度檢測電路圖310 參考電壓源電路圖310中REF192是AD公司的精密參考電壓源,輸出為+ ,即VREF=VD=+,故VA=VD(1+ R2/ R3) = +2. 5(1 + R2/ R3)。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32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,可以通過減小A 點的電壓和適當選取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,應選擇輸出電壓比較低的參考電壓源() ,此外R2/ R3 的值也要比較低。 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、可靠地運行，就必須解決溫控器的抗干擾問題，否則將導致控制誤差加大，甚至造成巨大的損失。所以溫度信號要引入單片機必須經(jīng)過光耦隔離。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的器件，通常把發(fā)光器件和光檢測器封裝在管殼內(nèi)。當輸入端加電信號時，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。當輸入為低電平“0”時，沒有電流（或者電流非常?。┝鬟^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通狀態(tài)，輸出為低電平“0”。若基極有引出線，則可滿足溫度補償檢測調(diào)制要求。這種光耦器件性能較好，價格便宜，因而應用廣泛。光電耦合器之所以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，通常為幾百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通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，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可以承受幾千伏的高壓，即使當外部設(shè)備出現(xiàn)故障，也不會影響到單片機等重要的核心設(shè)備。常用的光耦器件為TLP5211，TLP5214，4N25，HCRN200，SLC800等。普通的光耦在數(shù)字隔離電路或數(shù)據(jù)傳輸電路中常常用到，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，并且隨溫度變化較大，限制了其在模擬信號隔離的應用。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，%的線性度，但這種隔離器件內(nèi)部先進行電壓頻率轉(zhuǎn)換，對產(chǎn)生的交流信號進行變壓器隔離，然后進行頻率電壓轉(zhuǎn)換得到隔離效果。集成的隔離放大器內(nèi)部電路復雜、體積大、成本高，不適合大規(guī)模應用。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進行設(shè)計。HCNR200/201的內(nèi)部框圖如311所示 圖311 HCRN200內(nèi)部框圖其中2引腳作為隔離信號的輸入，4引腳用于反饋，6引腳用于輸出。2引腳之間的電流記作IF，4引腳之間和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?。?），并且隨溫度變化較大（%%之間），但芯片的設(shè)計使得K1和K2相等。在后面可以看到，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，差別在于一些指標上。相對于HCNR200，HCNR201提供更高的線性度。采用HCNR200/201進行隔離的一些指標如下所示：* 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；* 信號帶寬：直流到大于1MHz。從上面可以看出，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算放大器等輔助電路。下面對HCNR200/201的典型電路進行分析，對電路中如何實現(xiàn)反饋以及電流電壓、電壓電流轉(zhuǎn)換進行推導與說明。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312所示：圖312 線性光耦的隔離應用電路設(shè)運放負端的電壓為，運放輸出端的電壓為，