【文章內容簡介】 第三節(jié) 設計方案的確定根據上一節(jié)中三個設計方案，下面對這三種設計方案進行比較：在方案二中，溫度檢測采用由DALLAS半導體公司生產的智能集成溫度傳感器DS18B20型單線智能溫度傳感器，它具有體積小，接口方便，傳輸距離遠等特點。但價格較高。顯示采用單片機的I/，實時顯示變壓器的溫度。占用了較多的I/O口，使系統的可擴展性受到了一定的限制[7]。復位電路采用MAX6304芯片來實現單片機系統的監(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。本設計的成本較高，但可靠性更強，適用于對可靠性要求較高且不在乎成本的場合。在方案三中，溫度檢測采用美國模擬器件公司（ADI）生產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轉換器即可構成三位半液晶顯示的溫度傳感器。顯示采用MAX7219，占用了較少的I/O口，通信采用RS485標準。此方案具有很高的可靠性，液晶具有很多優(yōu)點，可以實現漢字的顯示等，但設計中要求在較遠的距離就可以觀察到溫度值，所以這里采用液晶不能滿足要求。故不選用此方案。在方案一中，單片機選用了PIC16F877，具有高性能、高可靠性、端口多等優(yōu)點。溫度檢測電路使用內置的鉑電阻來檢測溫度變化，硬件電路較為簡單，光電隔離使用線形光耦，具有較好的性能，抗干擾能力較強，顯示電路使用MAX7219只占用三個I/O口連線較少，容易實現。通信芯片nRF401,其通信距離遠，且不用編碼，軟件較容易實現。另外本方案還具有很好的經濟性和可擴展性，可滿足各種不同變壓器的要求。綜上所述，本方案具有較高的性價比。根據上面對三個設計方案的說明比較可以看出，方案一具有較好的抗干擾性，可擴展，經濟性較好，而且采用無線通訊，具有較高的性價比。所以在本設計中采用了方案一。具體的硬件框圖如下所示。圖25 溫度控制系統結構框圖 如上系統框圖所示，本設計以PIC16F877單片機為核心完成系統的設計，要求對油溫進行實時采集，將采集結果送入MCU進行處理，然后按照工藝要求進行相應的控制，實現對變壓器溫度的全自動遠程和就地監(jiān)控，系統要具有完善的保護功能，包括過壓、過載、缺相檢測和保護，還要具備故障自診斷功能，在故障出現時，給出故障信息，顯示故障類型，便于工作人員及時進行檢修；使用無線通信方式實現變壓器控制器與中心控制室之間的數據通信。使用戶隨時了解變壓器及風機運行情況，實現遠程溫度控制。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，經信號調理電路處理后直接送入控制器的A/D轉換輸入端，PIC單片機根據信號數據及設定的各種控制參數，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碼管，特別適用于需要I/O口較多的系統。信號通過無線通信芯片nRF401傳輸到控制室。以便對現場情況及時做出反應。nRF401 是一個433 MHz 工業(yè)、科學、醫(yī)用頻段設計的真正單片無線收發(fā)芯片,它采用頻移鍵控調制技術。nRF401 發(fā)射速率可達20 kb/ s。發(fā)射功率可調, 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。 以上只是對本方案簡單地做了介紹，對于本系統的具體的硬件電路的設計說明將在下一章節(jié)中作具體的闡述。第三章 硬件電路設計第一節(jié) 單片機的選型硬件電路是整個設計的核心，而單片機又是硬件電路的核心，所以單片機的選擇顯得至關重要。由于有溫度檢測，需要A/D轉換，且需要較多的I/O口，所以單片機采用PIC系列微控制器[8]。PIC系列單片機具有以下幾個大的特點： （1）開發(fā)容易，周期短：由于PIC采用RISC指令集，指令少，且全部為單字長指令，易學易用，相對于采用CISC結構的單片機可節(jié)省30%以上的開發(fā)時間，2倍以上的程序空間。 （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)標準，指令的執(zhí)行速度比一般的單片機要快4～5倍。 （3）低功耗：PIC采用CMOS設計結合了諸多的節(jié)電特性，使其功耗較低，PIC百分之百的靜態(tài)設計可進入休眠省電狀態(tài)而不影響喚醒后的正常工作。（4）低價實用：PIC配備有OTP型、EPROM型和FLASH型諸多形式的芯片，其OTP型芯片的價格很低。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品開發(fā)工具和大量的子程序庫和應用例程，使產品開發(fā)更容易和更快捷。根據設計的要求，綜合多方面的因素，我選擇了PIC16F87X系列的PIC16F877單片機，它與其他3種單片機性能對照表如下所示。主要特征PIC16F873PIC16F874PIC16F876PIC16F877工作頻率DC～20MHzDC～20MHzDC～20MHzDC～20MHz復位（與延時）POR，BOR（PWRT，OST）POR，BOR（PWRT，OST）POR，BOR（PWRT，OST）POR，BOR（PWRT，OST）FISA程序存儲器/K4488數據存儲器/字節(jié)192192368368EERROM數據存儲器/字節(jié)128128256256中斷13141314I/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端口定時器/計數器3333捕捉/比較/脈沖調制（PWM）2222串行通信MSSP，USARTMSSP，USARTMSSP，USARTMSSP，USART并行通信PSPPSP10位模數轉換模塊5個輸入通道8個輸入通道5個輸入通道8個輸入通道指令數/條35353535表31 四種單片機性能比較表PIC16F877單片機是高性能類—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。工作速度：DC～20MHz時鐘輸入，DC～200ns指令周期。具有高達8K字（14位字長）的FIASH程序存儲器；高達368字節(jié)的數據存儲器（RAM）；高達256字節(jié)的EEPROM數據存儲器。中斷能力多達14個內部/外部中斷源。該單片機具有8級硬件堆棧，上電復位電路（POR）及上電延時定時器（PWRT）和振蕩器起振定時器（OST），帶有片內RC振蕩器的監(jiān)視定時器（WDT）以保證可靠工作。它的可編程代碼具有保護功能，省電休眠（Sleep）方式。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。通過2個引腳可進行在線調試，編程只需要5V電源，通過2個引腳可進行在線調試，處理器有通道能對程序存儲器進行讀/寫。單片機有寬范圍的工作電壓：～，最大拉電流/灌電流可達25mA，一般符合商用級和工業(yè)級的工作溫度范圍。低功耗型：在4MHz時鐘下，電源電壓為5V時，典型工作電流值小于2ma；在32kHz時鐘下，電源電壓為3V時，典型工作電流值小于20μA；典型待命狀態(tài)電流值小于1μA。外圍功能模塊特性： 定時器TMR0：帶有8位定時器/計數器。 定時器TMR1：帶有前分頻器的16位定時器/計數器，在休眠期間可通過外部晶振/時鐘增量計數。 定時器TMR2：。 兩個捕捉/比較/脈寬調制（PWM）模塊。 ，16位的比較輸出的最大分辨率為200ns，脈寬調制（PWM）輸出的最大分辨率為10位。 10位多通道模數轉換器（A/D）。 具有地址第九位檢測的通用異步接收器和發(fā)送器（USART/SCI）。 （僅用于40/44引腳芯片）。 用于鎖定（Brownout）復位（BOR）的鎖定檢測電路。 由以上對單片機的介紹可以看出，PIC單片機性能高，并且自身帶有10位多通道A/D轉換器，在溫度檢測信號后就不需要設計專門電路來進行A/D轉換，所以應用電路比較簡單，因此在本設計中就選用了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。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。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值；（4）為避免超過晶體驅動能力，可在HS和XT方式下加上串聯電阻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的數值和工作溫度函數，再加上由于制造中正常的工藝參數的變化，另外封裝時引腳結構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