【文章內(nèi)容簡介】 和 化 學(xué) 性 能 穩(wěn) 定 。 而熱 電 偶 的 物 理 和 化 學(xué) 性 能 就 要 差 一 些 。綜 上 所 述 ： 本 設(shè) 計(jì) 選 用 PT100 溫 度 傳 感 器 來 對(duì) 溫 度 進(jìn) 行 采 集 。 互感器的選擇本 設(shè) 計(jì) 針 對(duì) 溫 度 、 電 壓 、 電 流 信 號(hào) 進(jìn) 行 計(jì) 算 和 分 析 。 對(duì) 于 溫 度信 號(hào) 本 設(shè) 計(jì) 選 用 的 是 PT100 溫 度 傳 感 器 。 對(duì) 于 電 壓 和 電 流 信 號(hào) 的采 集 本 設(shè) 計(jì) 使 用 的 是 互 感 器 。本 設(shè) 計(jì) 中 電 流 信 號(hào) 輸 入 到 調(diào) 理 電 路 時(shí) 要 求 將 其 轉(zhuǎn) 換 成 幅 值 為 的 交 流 電 壓 信 號(hào) ， 以 此 為 標(biāo) 準(zhǔn) 來 選 取 滿 足 要 求 的 電 流 互 感 器 。同 理 ， 本 設(shè) 計(jì) 中 電 壓 信 號(hào) 輸 入 到 調(diào) 理 電 路 時(shí) 要 求 將 其 轉(zhuǎn) 換 成 幅值 為 15V 的 交 流 電 壓 信 號(hào) ， 以 此 來 選 擇 合 適 的 電 壓 互 感 器 。9第 3 章 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及總體結(jié)構(gòu)框圖1．設(shè)計(jì)要求：(1)本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能本設(shè)計(jì)通過傳感器、互感器采集電機(jī)的電壓、電流和溫度等參數(shù)，通過單片機(jī)的計(jì)算和分析后能及時(shí)、準(zhǔn)確的了解電機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)，若電機(jī)處于正常的運(yùn)行狀態(tài)，則繼續(xù)監(jiān)測；若電機(jī)處于不正常運(yùn)行狀態(tài)或者故障時(shí)，則將分析的參數(shù)顯示出來同時(shí)向監(jiān)控人員報(bào)警。每一次的分析結(jié)果都保存在上位機(jī)中，便于以后調(diào)用。通過以上幾個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)，做到防患于未然，保證船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，協(xié)助工作人員對(duì)船舶電機(jī)進(jìn)行有效地維護(hù)。(2)本設(shè)計(jì)對(duì)性能的要求安全性：采集電路和通信鏈路要實(shí)現(xiàn)安全；可靠性：采集信號(hào)和信號(hào)轉(zhuǎn)換要準(zhǔn)確；低功耗：盡量使系統(tǒng)不工作時(shí)處于休眠狀態(tài)。抗干擾性：采取硬件和軟件相結(jié)合的抗干擾技術(shù)。(3)本設(shè)計(jì)對(duì)成本的要求本設(shè)計(jì)使用成熟的、常用的技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，采用常用的、市面價(jià)格不是很昂貴的硬件，做到達(dá)到系統(tǒng)各項(xiàng)要求的同時(shí)，降低本設(shè)計(jì)軟件和硬件的成本。2．硬件要求及硬件設(shè)計(jì)環(huán)境：(1)硬件要求 本設(shè)計(jì)以美國 ATMEL 公司的 AT89 系列單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮硬件電路工作環(huán)境的影響，最終要球能在 1030℃~100℃的環(huán)境溫度范圍內(nèi)正常工作；要盡可能的降低系統(tǒng)的功耗，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性。(2)硬件設(shè)計(jì)環(huán)境硬件電路、電子相關(guān)的設(shè)計(jì)，以 Prote199SE(SP6)為環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)。3．系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖：本設(shè)計(jì)由信號(hào)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、顯示單元、報(bào)警單元以及通信單元組成。這些組成單元的原理如圖 311 所示：電壓采集電流采集溫度采集單片機(jī)液晶顯示上位機(jī)信號(hào)采集單元數(shù)據(jù)處理單元顯示單元通信單元蜂鳴器報(bào)警單元A D 轉(zhuǎn)換器圖 311 系統(tǒng)單元邏輯關(guān)系原理圖其中，信號(hào)采集單元主要由電壓互感器、電流互感器和溫度傳感器 PT100 組成，用于采集電機(jī)的電壓、電流和溫度。數(shù)據(jù)處理單元主要由 AD 轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)組成，它們的主要工作是將傳感器、互感器采集來的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分析和計(jì)算，以此來判斷電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是否正常。顯示單元主要是液晶顯示器，它的主要工作是將數(shù)據(jù)處理單元所處理的結(jié)果進(jìn)行顯示，使工作人員能更直觀的了解電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。報(bào)警單元由蜂鳴器組成，它的主要工作是當(dāng)電機(jī)處于不正常狀態(tài)11或故障時(shí)及時(shí)的向工作人員發(fā)出警報(bào)，便于工作人員能及時(shí)的處理問題。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)主要的工作是監(jiān)測電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并將采集來的信號(hào)進(jìn)行分析和計(jì)算，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)到上位機(jī)。本設(shè)計(jì)主要的監(jiān)測對(duì)象是電機(jī)，通過監(jiān)測電機(jī)的電壓、電流和溫度，這些量能反映出電機(jī)的運(yùn)行狀況，以此來判斷電機(jī)是否安全運(yùn)行。信號(hào)采集單元的硬件由傳感器接口電路、互感器接口電路、信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成，框圖如圖 312 所示：溫度采集電流采集調(diào)理電路船 舶電力推進(jìn)系統(tǒng)電壓采集調(diào)理電路調(diào)理電路圖 312 信號(hào)采集單元結(jié)構(gòu)圖其中溫度采集用溫度傳感器 PT100 來進(jìn)行信號(hào)采集，電壓采集使用電壓互感器，電流采集使用電流互感器。數(shù)據(jù)處理單元的硬件電路主要由 AD 轉(zhuǎn)換器和主控芯片單片機(jī)構(gòu)成，框圖如圖 313 所示：12電壓信號(hào)溫度信號(hào)電流信號(hào)A D轉(zhuǎn)換器單片機(jī)圖 313 數(shù)據(jù)處理單元結(jié)構(gòu)圖因?yàn)閺膫鞲衅骱突ジ衅鞑杉瘉淼男盘?hào)都屬于模擬信號(hào)，而單片機(jī)是別的是數(shù)字信號(hào)，所以本設(shè)計(jì)中在信號(hào)送到單片機(jī)之前需要經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換器。以上兩個(gè)單元是本設(shè)計(jì)中最主要的單元，除去這兩個(gè)單元，還有其他單元來完善設(shè)計(jì)要求。其他單元主要包括顯示單元、報(bào)警單元和通信單元，他們的結(jié)構(gòu)框圖如圖 314 所示：單片機(jī)顯示單元報(bào)警單元通信單元圖 314 其他單元結(jié)構(gòu)圖其中顯示單元以液晶顯示器為主，用以顯示單片機(jī)的分析、計(jì)算結(jié)果。報(bào)警單元以蜂鳴器和發(fā)光二極管為主，用以在單片機(jī)發(fā)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)問題時(shí)對(duì)工作人員發(fā)出警報(bào)，及時(shí)的解決問題。通信單元?jiǎng)t13是與上位機(jī)相連，用于存儲(chǔ)單片機(jī)的計(jì)算結(jié)果，便于以后的使用。 主控芯片及接口電路設(shè)計(jì) 主控芯片的選擇本設(shè)計(jì)主控芯片以單片機(jī)為主，經(jīng)過分析后選擇美國 ATMEL 公司 AT89 系列的單片機(jī)。該系列單片機(jī)是以 8031 為核心的，它和8051 單片機(jī)是兼容的。AT89 系列單片機(jī)有以下特點(diǎn)：內(nèi)部含有 Flash存儲(chǔ)器；與 8051 引腳兼容；靜態(tài)時(shí)鐘方式；可反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。綜合以上特點(diǎn)本設(shè)計(jì)選用 AT89 系列的 AT89C51 單片機(jī)。AT89C51 自帶 4K 字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器，128 字節(jié)內(nèi)部 RAM，32 個(gè)I/O 口線，兩個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。另外，AT89C51 單片機(jī)是用靜態(tài)邏輯來設(shè)計(jì)的，其工作頻率可下降到 0Hz，并提供兩種可用軟件來選擇的省電方式——空閑方式和掉電方式。在空閑方式中，CPU 停止工作，而 RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作。在掉電方式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時(shí)鐘被“ 凍結(jié)” ，使一切功能都暫停，只保存片內(nèi) RAM 中的內(nèi)容，直到下一次硬件復(fù)位為止。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖 321 所示：單片機(jī)的最小系統(tǒng)是指單片機(jī)能正常工作所必須的外圍元件，主要可以分成時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。14Y112M 30uf30uf10K1uf1KS1SWPB+5V+5V+5EA/VP31X1 19X2 18RESET 9RD17WR16INT012 INT113T014 T115P101 P112P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P2425 P2526P2627P2728PSEN 29ALE/P30TXD 11RXD 10VCC 40GND20U3AT89C51圖 321 AT89C51 最小系統(tǒng)圖本設(shè)計(jì)使用的單片機(jī)是 AT89C51 芯片，它內(nèi)部自帶 4K 的 Flash閃速存儲(chǔ)器。本設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)連接可分以下幾部分：第一部分：因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)部自帶 4K 的 Flash 閃速存儲(chǔ)器。一般情況下，這 4K 的存儲(chǔ)空間足夠使用，所以將 AT89C51 芯片的第 31 腳，即 /Vpp 固定接高電平，該管腳是允許訪問片外存儲(chǔ)器/編程電源線，EA若 =1，則允許使用片內(nèi) ROM；若 =0，則允許使用片外EAROM，這樣只是用內(nèi)部自帶的 4K 的 Flash 閃速存儲(chǔ)器。第二部分：時(shí)鐘電路，單片機(jī)的時(shí)鐘電路由一個(gè) 12MHz 的晶振和兩個(gè) 30pF 的小電容組成，它們決定了單片機(jī)的工作時(shí)間精度為 1微秒，接在單片機(jī)的 XTAL1 和 XTAL2，這兩個(gè)管腳是單片機(jī)片內(nèi)振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入、輸出端。第三部分：復(fù)位電路，復(fù)位電路由 1 F 的電容、1K 和 51K 的兩μ個(gè)電阻及按鍵 SWPB 和 5V 電源組成。本設(shè)計(jì)選用 1 F 的電容和1K、51K 的電阻，其好處是在滿足單片機(jī)可靠復(fù)位的前提下降低了復(fù)位引腳的對(duì)地阻抗，可以顯著增強(qiáng)單片機(jī)復(fù)位電路的抗干擾能力。第四部分：電源和地，將單片機(jī)的 40 和 20 管腳分別接+5V 電源和地。 看門狗電路單片機(jī)在運(yùn)行時(shí),若受到某些干擾，導(dǎo)致程序計(jì)數(shù)器 PC 中的值發(fā)生改變，則會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)誤把操作數(shù)當(dāng)成操作碼，使得程序陷入“死循15環(huán)”。為了防止單片機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)死循環(huán)，通常采用程序運(yùn)行監(jiān)視技術(shù)和出錯(cuò)自動(dòng)復(fù)位技術(shù)，又稱看門狗技術(shù)?？撮T狗技術(shù)就是不斷監(jiān)視程序一次循環(huán)的運(yùn)行時(shí)間，若發(fā)現(xiàn)某一次循環(huán)時(shí)間超過一致的循環(huán)設(shè)定時(shí)間，通常為 ，就認(rèn)為系統(tǒng)陷入了死循環(huán)，此時(shí)強(qiáng)制使單片機(jī)復(fù)位，從初始狀態(tài)重新運(yùn)行程序。由于 AT89C51 內(nèi)部沒有自帶看門狗程序，所以本設(shè)計(jì)需要在外部加一個(gè)看門狗程序。本設(shè)計(jì)選用 MAX813 芯片與單片機(jī)復(fù)位電路共同構(gòu)成看門狗電路。MAX813 芯片和單片機(jī)連接如圖 322 所示：+5VMR 1VCC 2GND 3PFI 4PFO5WDI6RST7WDO8U9MAX813P21OR51K1uf1K S1SWPB +5VEA/VP31X1 19X2 18RESET 9RD17WR16INT012 INT113T014 T115P101 P112P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P2425 P2526P2627P2728PSEN 29ALE/P30TXD 11RXD 10VCC 40GND20U3AT89C51+5V圖 322 MAX813 芯片和單片機(jī)連接MAX813 芯片內(nèi)包含有一個(gè)看門狗定時(shí)器，如果看門狗輸入信號(hào)在 內(nèi)無變化，就會(huì)產(chǎn)生看門狗輸出；掉電或電源電壓低于 是，產(chǎn)生掉電輸出；上電時(shí)能自動(dòng)產(chǎn)生 200ms 寬的復(fù)位脈沖；具有人工復(fù)位功能，當(dāng)人工復(fù)位端輸入低電平，并保持 140ms 時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。本設(shè)計(jì)看門狗電路的連接可分以下幾個(gè)部分：第一部分：因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)不需要手動(dòng)復(fù)位，所以將 MAX813 的 1 腳也就是手動(dòng)復(fù)位端置高電平，同時(shí) MAX813 的 4 腳為電源故障輸入端,它的工作方式是：當(dāng)該端輸入電壓低于 時(shí)，MAX813 的 5 腳，即電源故障輸出端產(chǎn)生的信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖?。由于本設(shè)計(jì)不需要這個(gè)功能所以將 4 腳置高電平。16第二部分：喂狗信號(hào)，MAX813 的 6 腳為看門狗輸入端，又稱喂狗信號(hào)。程序正常運(yùn)行時(shí)，必須間隔 之內(nèi)向該端送一次信號(hào)，若超過 ，MAX813 接收不到喂狗信號(hào)，則產(chǎn)生看門狗輸出，即MAX813 的 8 腳，看門狗輸出端，正常工作時(shí)輸出保持高電平，看門狗輸出時(shí)，該端輸出信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖?。所以本設(shè)計(jì)中將MAX813 的 6 腳接到單片機(jī)的 上。單片機(jī)的 P2 口是一口自帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口作為通用 I/O 口時(shí)與 P0 口和 P1口相同，用于傳送用戶的輸入輸出數(shù)據(jù)。它的第二功能與 P0 口的第二功能配合使用，用于輸出片外存儲(chǔ)器的高 8 位地址，共同選中片外存儲(chǔ)器單元，但并不能像 P0 那樣還可以傳送存儲(chǔ)器的讀寫數(shù)據(jù)。對(duì)P2 口寫 1，通過內(nèi)部的上拉電阻把 P2 口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。第三部分：復(fù)位信號(hào)，MAX813 的 7 腳為復(fù)位信號(hào)輸出端。上電時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生 200ms 的復(fù)位脈沖；手動(dòng)復(fù)位端輸入低電平時(shí)，該端也產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的復(fù)位不僅需要在程序跑飛時(shí)復(fù)位，也需要人為的復(fù)位，所以將看門狗的復(fù)位信號(hào)與單片機(jī)最小系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)經(jīng)或門連接后接到單片機(jī)的 9 管腳，即 RESET/VPD 端，該腳是復(fù)位/備用電源線，做復(fù)位端口使用時(shí)，高電平有效。 信號(hào)采集調(diào)理電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采集的信號(hào)為電機(jī)的三相線電壓、三相線電流和溫度共七路模擬量輸入，經(jīng)過信號(hào)采樣和調(diào)理電路后轉(zhuǎn)換為 0~5V 的電壓信號(hào)。這樣就可以送到 AD 轉(zhuǎn)換器中，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)。 電流信號(hào)的采集及調(diào)理電路如圖 331 是其中一路電流采樣調(diào)理電路，其余兩路與之相同。17CT1 R11K32 184U1ALM358+15V15VR22K 32 184U2ALM358R52KR42KR61K +5VRf1R31KR72K 32 184U3ALM358Rf2 2KR81KR9270 C115V+15V +15V15V D3D4+9V圖 331 電流采集及調(diào)理電路圖圖 中 R1 為采樣電阻，將電流互感器 CT1 感應(yīng)的交流電流轉(zhuǎn)換成交流電