【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 5～150℃時(shí)為177。3/4℃的典型精度。設(shè)計(jì)要求誤差不得大于 ℃，LM35CA 的精度完全滿足。LM35CA 的測(cè)量范圍為55～150℃，而要求的范圍為40～60℃，故測(cè)量范圍也滿足。LM35 的低輸出阻抗、線性輸出和它出廠時(shí)的精度校準(zhǔn)使得它的外接口電路及其簡(jiǎn)單。在電源方面，LM35 既可以單電源供電又可以雙電源供電，其電源電流僅為60uA，因此在靜電的空氣中它自身的熱效應(yīng)小于 ℃.因此它滿足設(shè)計(jì)要求。ii. HIH3610型電壓輸出式集成濕度傳感器是美國(guó)霍尼威爾公司生產(chǎn)的。它屬于線性電壓輸出式集成濕度傳感器，內(nèi)部包含濕敏電容和濕度信號(hào)調(diào)理器，能以最簡(jiǎn)方式構(gòu)成相對(duì)濕度測(cè)量?jī)x。其輸出電壓不僅與相對(duì)濕度成線性關(guān)系，還與電源電壓成正比，輸出電壓范圍是+～+。性能特點(diǎn)如下：①高精度。在 RH=0～100％、T=+25℃、UCC=+5V 的條件下，測(cè)量精度可達(dá)177。2％.②穩(wěn)定性好，漂移量小，抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)。它能在高溫，有化學(xué)液體或氣體的環(huán)境下正常工作。③采用+4V～+ 電源供電。當(dāng) UCC=+5V,電源電流僅為 200uA,工作溫度范圍是40～+85℃設(shè)計(jì)要求誤差不得大于 2uL/L，而 HIH3610的精度可達(dá)177。2％，完全滿足。它的抗化學(xué)腐蝕性也非常符合 SF6斷路器的腔體，工作范圍也是滿足的。故滿足設(shè)計(jì)要求。iii. 85型高穩(wěn)定壓力傳感器是采用微機(jī)械加工技術(shù)制造的硅壓阻式壓力傳感器，它適用于 OEM的應(yīng)用領(lǐng)域，可測(cè)量腐蝕性介質(zhì)。這點(diǎn)非常符合 SF6斷路器內(nèi)氣體的測(cè)量。工作溫度范圍40℃～+125℃ ，存儲(chǔ)溫度范圍50～+125℃，也滿足設(shè)計(jì)要求中的溫度范圍40～+60℃.補(bǔ)償溫度范圍 20～+85℃，幾乎覆蓋整個(gè)工作溫度范圍。壓力非線性177。%,也滿足設(shè)計(jì)要求。輸出為 0～100mV,與微機(jī)連接還需要放大信號(hào)?？傊軡M足設(shè)計(jì)要求。b) 處理器的選擇方案：根據(jù)該系統(tǒng)選用的傳感器都是模擬輸出，需要 A/D轉(zhuǎn)換，以及系統(tǒng)的存儲(chǔ)量大，掉電保護(hù)功能，通訊技術(shù)，中斷等的實(shí)際要求，本次設(shè)計(jì)采用美國(guó)微芯公司開(kāi)發(fā)的 PIC16F877單片機(jī)。PIC16F877 單片機(jī)集成了許多外圍模塊，可以簡(jiǎn)化外圍電路，提高硬件的可靠性。c) 串口通訊方案：本監(jiān)控模塊通過(guò)MBUS總線收發(fā)數(shù)據(jù)，是因?yàn)镸BUS總線有 諸多優(yōu)點(diǎn)，低成本，簡(jiǎn)單可靠，傳輸線路長(zhǎng)等。由于單片機(jī)的工作電平為5V，而PC機(jī)RS232串口電平為12V到+12V，要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和上位機(jī)通訊，中間需要通過(guò)電平轉(zhuǎn)換。MBUS總線的一個(gè)重要特征是它有自己獨(dú)特的電平特征。d) 顯示方案：顯示采用 12864液晶顯示屏，并行通訊。e) 電源方案：本設(shè)計(jì)中的電源主要有兩種：、177。5V 和+12V。177。5V 為單片機(jī)的模擬電源與數(shù)字電源，以及傳感器電源； +12V 的電源是供給運(yùn)算放大器使用的。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)9第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、串行通信接口、MBUS 等幾部分組成。下面將具體介紹監(jiān)控終端各個(gè)主要組成部分的功能、選型以及具體連接方式。 單片機(jī) 單片機(jī)亦稱單片微型電腦或單片微型計(jì)算機(jī)，在國(guó)際上統(tǒng)稱為微控制器，就是把中央處理器 CPU、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、輸入/輸出端口 I/O等主要的計(jì)算機(jī)功能部件，都集成在了一塊集成電路芯片上，從而形成一部完整的微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)是大規(guī)模集成電路在技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶。單片機(jī)具有性能高、速度快、體積小、價(jià)格低、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛、通用性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)10 PIC16F877單片機(jī)特點(diǎn)PIC16F877單片機(jī)是美國(guó)微芯公司所生產(chǎn)的 PIC系列單片機(jī)之一。它硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)精煉。有以下幾個(gè)特點(diǎn)：在 PIC系列單片機(jī)中采用的這種“哈弗總線結(jié)構(gòu)” ，就是在芯片內(nèi)部將數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，并且采用不同寬度。這樣做的好處是，便于實(shí)現(xiàn)全部指令提取的流水作業(yè)，也就是在執(zhí)行一條指令的同時(shí)對(duì)下一條指令進(jìn)行取指操作；便于實(shí)現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化、單周期化、從而有利于提高 CPU的執(zhí)行速度。因?yàn)閿?shù)據(jù)總線和指令總線是分離的，并且采用了不同的寬度，所以程序存儲(chǔ)器 ROM和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM的尋址空間是相互獨(dú)立的，而且兩種存儲(chǔ)器寬度也不同。這樣設(shè)計(jì)不僅可以確保數(shù)據(jù)的安全性，還能提高運(yùn)行速度和實(shí)現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化。PIC系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)只有 35條指令。這給指令的學(xué)習(xí)、記憶、理解帶來(lái)了很大的好處，也給程序的編寫(xiě)、閱讀、調(diào)試、修改、交流帶來(lái)了極大地便利。PIC系列單片機(jī)只有 4種尋址方式，即寄存器間接尋址、立即數(shù)尋址、直接尋址和位尋址，比較容易掌握。1k字節(jié)的存儲(chǔ)空間，對(duì)于像 MCS51這樣的單片機(jī)，大約只能存放 600條指令，而對(duì)于 PIC系列單片機(jī)能夠存放的指令條數(shù)可達(dá) 1024條。由于采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，以及指令系統(tǒng)的讀取和執(zhí)行采用流水作業(yè)方式，使得運(yùn)行速度大大提高。PIC系列單片機(jī)的功率消耗極低，是目前世界上功耗最低的單片機(jī)品種之一。其中PIC16F877在 4MHz時(shí)鐘下工作時(shí)耗電不超過(guò) 2mA，在睡眠模式下耗電可以低到 1μA 以下。I/O端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力較強(qiáng)，每個(gè) I/O引腳吸入和輸出電流的最大值可分別達(dá)到25mA和 20mA，能夠直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管 LED、光電耦合器或者微型繼電器等。178。C和 SPI串口總線端口PIC16F877具備 I178。C和 SPI串口總線端口。利用單片機(jī)串行總線端口可以方便靈活的擴(kuò)展一些必要的外圍器件。PIC系列單片機(jī)的程序、堆棧、數(shù)據(jù)三者各自采用相互獨(dú)立的尋址空間，而前兩者蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)11的地址安排不需要用戶操心。PIC系列單片機(jī)機(jī)片內(nèi)集成了上電復(fù)位電路、I/O 引腳上拉電路、看門(mén)狗定時(shí)電路等，可以最大程度地減少或免用外接器件，以便實(shí)現(xiàn)“純單片”應(yīng)用。這樣，不僅方便于開(kāi)發(fā)，而且還可以電路板空間和制造成本。 PIC16F877除了具有以上這些優(yōu)點(diǎn)外，它片內(nèi)還帶有 6128 或 256字節(jié)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，另外其程序存儲(chǔ)器不再是傳統(tǒng)的 OTP型，而是 Flash型存儲(chǔ)器。這種存儲(chǔ)器可以實(shí)現(xiàn)在電路板上直接擦/寫(xiě)程序，自然是最適合制作經(jīng)濟(jì)型在線調(diào)試器的一種型號(hào)。1 時(shí)鐘電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)內(nèi)部的各種功能電路幾乎全部是由數(shù)字電路構(gòu)筑而成的。大家知道，數(shù)字電路的工作離不開(kāi)時(shí)鐘信號(hào)，每一步細(xì)微動(dòng)作都是在一個(gè)共同的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)協(xié)調(diào)之下完成的。作為時(shí)基發(fā)生器的時(shí)鐘振蕩電路，為整個(gè)單片機(jī)芯片的工作提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，也為單片機(jī)與其它外接芯片之間的通訊提供可靠地同步時(shí)鐘信號(hào)。微芯為 PIC系列單片機(jī)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)了四種工作模式：標(biāo)準(zhǔn) XT、高速 HS、低頻LP和阻容 RC。本次設(shè)計(jì)選擇標(biāo)準(zhǔn) XT，時(shí)鐘電路由一個(gè)晶振和兩個(gè)小電容組成，晶振選用 4MHz，電容為 15pF。其接口電路圖如圖 31所示：2 外部復(fù)位電路：所謂復(fù)位，就是讓微處理器進(jìn)入一個(gè)初始化程序，使 CPU恢復(fù)初始狀態(tài)。PIC16F877的復(fù)位功能設(shè)計(jì)的比較完善，實(shí)現(xiàn)復(fù)位或者說(shuō)引起復(fù)位的條件和原因可以歸納為四類(lèi)：人工復(fù)位、上電復(fù)位、看門(mén)狗復(fù)位、欠壓復(fù)位。這四個(gè)情況中的其中一個(gè)發(fā)生都會(huì)引起單片機(jī)復(fù)位。本次設(shè)計(jì)考慮到在單片機(jī)運(yùn)行到我們不希望的狀態(tài)下或著死機(jī)的情況下，需要人工復(fù)位按鈕強(qiáng)行迫使單片機(jī)復(fù)位。故選擇外接人工復(fù)位電路。其接口電路如 32所示。圖 31 時(shí)鐘電路圖 32 外部復(fù)位電路蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)12 溫度傳感器溫度傳感器是感應(yīng)溫度變化，以電量形式輸出，以便于信號(hào)分析及處理。在本系統(tǒng)中，溫度和壓力與濕度密切相關(guān)，測(cè)量的精度直接影響對(duì)濕度的控制，而精度與傳感器有非常密切的關(guān)系，故傳感器的選擇很重要。系統(tǒng)的溫度范圍為40℃～+60℃，要求溫度傳感器的測(cè)量誤差不大于177?！?LM35CA是一種高精度集成電路溫度傳感器，其輸出電壓與攝氏溫度成線性比例關(guān)系。LM35 不需要外部校準(zhǔn)和調(diào)節(jié)就具有室溫時(shí)為177。1/4℃、全面溫度范圍55～150℃時(shí)為177。3/4℃的典型精度。設(shè)計(jì)要求誤差不得大于 ℃，LM35CA 的精度完全滿足。LM35CA的測(cè)量范圍為55～150℃，而要求的范圍為40～60℃，故測(cè)量范圍也滿足。LM35的低輸出阻抗、線性輸出和它出廠時(shí)的精度校準(zhǔn)使得它的外接口電路及其簡(jiǎn)單。在電源方面，LM35 既可以單電源供電又可以雙電源供電，其電源電流僅為 60uA，因此在靜電的空氣中它自身的熱效應(yīng)小于 ℃.因此它滿足設(shè)計(jì)要求。LM35CA的內(nèi)部框圖和溫度誤差曲線分別如圖 334 所示。由 VTVT2 構(gòu)成了溫度傳感器，二者的發(fā)射結(jié)面積之比為 10： 是電壓放大器。RR2 分別為 VT1和 VT2發(fā)射結(jié)壓降的取樣電阻。VD 是電流源的溫度補(bǔ)償二極管。有 VT3和 RR4 組成了發(fā)射極輸出式電路。其工作原理是利用在不同電流密度下的晶體管 VTVT2 的發(fā)射結(jié)正向壓降之差△Ube，作為基本的溫度敏感元件，經(jīng)過(guò)變換之后，在 Uo端獲得與攝氏溫度成正比的電壓信號(hào)。輸出電壓的電壓溫度系數(shù) Kv=10mV/℃,利用下式可計(jì)算出被測(cè)溫度 t（℃）Uo=Kvt=（10mV/℃）t 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)13℃ 溫 度 /℃ LM35DCALM3D典 型圖 33 LM35CA 的內(nèi)部框圖圖 34 LM35 的溫度誤差曲線1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 5Jun2022 Sheet of File: G:\℃℃\℃℃℃\℃℃℃ Drawn By:R1R2℃VDR4R4=R3/8R3USUoA1 A2R2=nR1VT1 VT2VT3蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)14 溫度傳感器接口電路為測(cè)量負(fù)溫度，需采用雙電源供電，在輸出端接上電阻 R，R 的下端接負(fù)電源US。R 值由下式確定： (式 )50SURA???當(dāng) US=+5V，U S=5V時(shí)，R=100KΩ。接口電路如圖 35所示：1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBATitleNumber RevisionSizeA2Date: 15Jun2022 Sheet of File: C:\Documents and Settings\℃℃\℃℃\℃℃℃\℃℃℃ By:Uo1NC2NC3GND4 NC 5NC 6NC 7Us 8LM35CA+5VAU3R1518KRA0R14390Ω C9100μF5VA 小結(jié)采用 LM35CA溫度傳感器，直接輸出電壓，且在 5v電壓以內(nèi)，可直接與單片機(jī)連接，只需要簡(jiǎn)單的濾波。電路簡(jiǎn)單可靠。 濕度傳感器 濕度傳感器是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，系統(tǒng)的根本目的就是測(cè)量 SF6斷路器室內(nèi)的濕度，及時(shí)提醒人們給與控制，防患于未然。濕度是指大氣中的水蒸氣的含量，即空氣的干濕程度。大氣的干濕程度通常通常是用大氣中的水汽的濃度或密度來(lái)表示的，即以每 1m3 大氣所含水氣的克數(shù)來(lái)表示，稱之為大氣的絕對(duì)濕度（ ）.如果把待測(cè)空氣看作是由水蒸氣和干燥空氣組成的理想混合v?氣體，根據(jù)道爾頓分壓定律和理想氣體狀態(tài)方程，得出如下關(guān)系：圖 35 LM35CA 接口電路蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)15 （式 ）/veMRT??式中 為在一定溫度下空氣中水蒸氣的分壓， 為水蒸氣的摩爾質(zhì)量， 為理想氣體e R常數(shù)， 為空氣的絕對(duì)溫度。T由于空氣濕度與空氣中水蒸氣壓和同一溫度下水的飽和蒸氣壓之間的差值相關(guān)。飽和蒸氣壓是指在一定溫度下混合氣體中所含水蒸氣壓的最大值（ ） ，溫度越高，飽Se和水蒸氣壓越大。將在某一溫度下水蒸氣壓同飽和蒸氣壓的百分比稱為相對(duì)濕度（Relative Humidity） ，其表示為 （式 ）/10%SRHe??一般用 表示。由于絕對(duì)濕度有單位，而相對(duì)濕度描述比較方便，因此常常使用相%對(duì)濕度。本次監(jiān)測(cè)的是 SF6氣體的濕度。純凈 SF6氣體，在運(yùn)行中，受電弧放電或高溫后，會(huì)分解成 單體的氟、硫和氟硫化合物，電弧消失后會(huì)又化合成穩(wěn)定的 SF6氣體。當(dāng)氣體中含有水分時(shí)，出現(xiàn)的氟硫化合物會(huì)與水反應(yīng)生成腐蝕性很強(qiáng)的氫氟酸、硫酸和其他毒性很強(qiáng)的化學(xué)物質(zhì)等。正式由于 SF6氣體的這些特殊性，設(shè)計(jì)中必須選用抗腐蝕，靈敏度高的濕度傳感器。本次設(shè)計(jì)選用 HIH3610濕度傳感器。HIH3610濕度傳感器是美國(guó) Honeywell公司生產(chǎn)的 HIH系列集成濕度傳感器之一，它屬于相對(duì)濕度集成電路。特點(diǎn)如下：1. 它屬于線性電壓型輸出式集成濕度傳感器，內(nèi)部包含濕敏電容和濕度信號(hào)調(diào)理器，能以最簡(jiǎn)單方式構(gòu)成相對(duì)濕度測(cè)試儀。其輸出電壓不僅與相對(duì)濕度成線性關(guān)系，還與電源電壓成正比，輸出電壓的范圍是+～+。2. 高精度，在 RH=0～100％、+25℃、UCC=+5V 的條件下，測(cè)量精度可達(dá)177。2％.3. 穩(wěn)定性好，漂移量小，抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)。它能在高溫，有化學(xué)液體或氣體的環(huán)境下正常工作。4. 采用 +4V～ +。當(dāng) UCC=+5V,電源電流僅為 200uA,工作溫度范圍是40～+85℃HIH3610采用多層