【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 在方案二中， 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，它具有體積小，接口方便，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。但價(jià)格較高。顯示采用單片機(jī)的 I/O 口擴(kuò)展四片串并轉(zhuǎn) 換的移位寄存器 74LS164 驅(qū)動(dòng)四只 寸共陽(yáng)級(jí)數(shù)碼管，實(shí)時(shí)顯示變壓器的溫度。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]。復(fù)位電路采用 MAX6304 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)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(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。 在方案三中，溫度檢測(cè)采用美國(guó)模擬器件公司（ ADI）生產(chǎn)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(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)。 AD590 配以 ICL7016 型單片 A/D 轉(zhuǎn)換器即可構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)。此方案具有很高的可靠性，液晶具有很多優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)漢字的顯示等，但設(shè)計(jì)中要求在較遠(yuǎn)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(jī)選用了 PIC16F877，具有高性能、高可靠性、端口多等優(yōu)點(diǎn)。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)。通信芯片 nRF401,其通信距離遠(yuǎn)，且不用編碼，軟件較容易實(shí)現(xiàn)。另外本方案還具有很好的經(jīng)濟(jì)性和可擴(kuò)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(jià)比。 根據(jù)上面對(duì)三個(gè)設(shè)計(jì)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(kuò)展，經(jīng)濟(jì)性較好，而且采用無(wú)線通訊， 具有較高的性價(jià)比。所以在本設(shè)計(jì)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(tǒng) 結(jié)構(gòu)框圖 PIC 16 F 877過壓檢測(cè)缺相檢測(cè)過載保護(hù)LED 顯示風(fēng)機(jī)控制電路無(wú)線通信鍵盤輸入溫度檢測(cè)故障顯示光電隔離光電隔離光電隔離光電隔離 如上系統(tǒng)框圖所示，本設(shè)計(jì)以 PIC16F877 單片機(jī)為核心完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要求對(duì)油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將采集結(jié)果送入 MCU 進(jìn)行處理，然后按照工藝要求進(jìn)行相應(yīng)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器溫度的全自動(dòng)遠(yuǎn)程和就地監(jiān)控，系統(tǒng)要具有完善的保護(hù)功能，包括過壓、過載、缺相檢測(cè)和保護(hù)，還要具備故障自診斷功能，在故障出現(xiàn)時(shí)，給出故障信息，顯示故障類型，便于工作人員及時(shí)進(jìn)行檢修；使用無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)變壓器控制器與中心控制室之間的數(shù)據(jù)通信。使用戶隨時(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)電路通過預(yù)埋在變壓器中 的鉑電阻傳感器獲得油溫信號(hào)，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(gè)數(shù)碼管，特別適用于需要 I/O 口較多的系統(tǒng)。 信號(hào)通過無(wú)線通信芯片 nRF401 傳輸?shù)娇刂剖摇Ｒ员銓?duì)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)做出反應(yīng)。nRF401 是一個(gè) 433 MHz 工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)用頻段設(shè)計(jì)的真正單片無(wú)線收發(fā)芯片 ,它采用頻 移鍵控調(diào)制技術(shù)。 nRF401 發(fā)射速率可達(dá) 20 kb/ s。發(fā)射功率可調(diào) , 最大發(fā)射功率 10 dBm,接收靈敏度 105dBm，具有工作半徑大、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。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。 nRF401還有待機(jī)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(duì)本方案簡(jiǎn)單地做了介紹，對(duì)于本系統(tǒng)的具體的硬件電路的設(shè)計(jì)說明將在下一章節(jié)中作具體的闡述。 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。由于有溫度檢測(cè)，需要 A/D轉(zhuǎn)換，且需要較多的 I/O口，所以單片機(jī)采用 PIC系列 微控制器 [8]。 PIC 系列單片機(jī)具有以下幾個(gè)大的特點(diǎn)： （ 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(zhǎng)指令，易學(xué)易用，相對(duì)于采用 CISC 結(jié)構(gòu)的單片機(jī)可節(jié)省 30%以上的開發(fā)時(shí)間， 2倍以上的程序空間。 （ 2）高速： PIC 采用哈佛總線和精簡(jiǎn)指令集建立了一種新的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，指令的執(zhí)行速度比一般的單片機(jī)要快 4～ 5倍。 （ 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。 （ 4）低價(jià)實(shí)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(jià)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(chǎn)品開發(fā)工具和大量的子程序庫(kù)和應(yīng)用例程，使產(chǎn)品開發(fā)更容易和更快捷。 根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，綜合多方面的因素，我選擇了 PIC16F87X系列的 PIC16F877單片機(jī) ，它與其他 3種單片機(jī)性能對(duì)照表如下所示。 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 — 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(shí)鐘輸入， DC～ 200ns指令周期。 具有 高達(dá) 8K 字（ 14位字長(zhǎng)）的 FIASH 程序存儲(chǔ)器；高達(dá) 368 字節(jié)的數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器（ RAM）；高達(dá) 256 字節(jié)的 EEPROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。中斷能力多達(dá) 14 個(gè)內(nèi)部 /外部中斷源。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。它的可編程代碼具有保護(hù)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(shù)。通過 2個(gè)引腳可進(jìn)行在線調(diào)試，編程只需要 5V 電源，通過 2 個(gè)引腳可進(jìn)行在線調(diào)試，處理器有通道能對(duì)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行讀 /寫。 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。 低 功耗型：在 4MHz 時(shí)鐘下，電源電壓為 5V 時(shí)，典型工作電流值小于 2ma；在 32kHz時(shí)鐘下，電源電壓為 3V時(shí)，典型工作電流值小于 20μ A；典型待命狀態(tài)電流值小于 1μ A。 外圍功 能模塊特性： 定時(shí)器 TMR0：帶有 8位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 定時(shí)器 TMR1：帶有前分頻器的 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，在休眠期間可通過外部晶振 /時(shí)鐘增量計(jì)數(shù)。 定時(shí)器 TMR2：帶有 8 位周期寄存器 .前分頻器和后分頻器的 8 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 兩個(gè)捕捉 /比較 /脈寬調(diào)制（ PWM）模塊。 16 位的捕捉輸入的最大分辨率為 ， 16 位的比較輸出的最大分辨率為200ns，脈寬調(diào)制（ PWM）輸出的最大分辨率為 10位。 10位多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ A/D）。 具有地址第九位檢測(cè)的通用異步接收器和發(fā)送器（ USART/SCI）。 由外部 CS 的 8 位寬度的并行從動(dòng)端口 PSP（僅用于 40/44 引腳芯片）。 用于鎖定（ Brownout） 復(fù)位（ BOR）的鎖定檢測(cè)電路。 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)專門電路來(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)。 第二節(jié) 振蕩器配置選擇 在本 次設(shè)計(jì)中，我們需要用到振蕩器，下面對(duì)振蕩器做個(gè)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(duì)配置寄存器中的振蕩器選擇位 FOSC1 和 FOSC0 進(jìn)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(lái)建 立振蕩，見圖 32。 PIC16F87X 系列芯片的振蕩器設(shè)計(jì)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(shí)鐘源加在 OSC1 引腳上進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這時(shí) 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(cè)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(shí)會(huì)增加起振時(shí)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(dòng)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(duì)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(shí)鐘輸入工作方式 測(cè)試范圍 類型 頻率 OSC1/pF OSC2/pF XT 455kHz 68～ 100 68～ 100 2MHz 15～ 68 15～ 68 4MHz 15～ 68 15～ 68 HS 8MHz 10～ 68 10～ 68 16MHz 10～ 22 10～ 22 以上值僅為推薦值 所使用的諧振器 455kHz PanasonicEFO— — A455K04B 177。 % 2MHz Murata Erie 177。 % 4MHz Murata Erie 177。 % 8MHz Murata Erie 177。 % 16MHz Murata 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/pF C2/pF LP 32kHz 33 33 200kHz 15 15 XT 200kHz 47～ 68 47～ 68 1MHz 15 15 4MHz 15 15 HS 4MHz 15 15 8MHz 15～ 33 15～ 33 20MHz 15～ 33 15～ 33 以上值僅為推薦值 所使用的石英晶體 32kHz Epson C— 177。