【文章內(nèi)容簡介】 在方案二中， 溫度檢測 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)動四只 寸共陽級數(shù)碼管，實(shí)時顯示變壓器的溫度。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)計的成本較高，但可靠性更強(qiáng)，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(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)，具有測溫誤差小，動態(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)。溫度檢測電路使用內(nèi)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(qiáng)，顯示電路使用 MAX7219 只占用三個 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比。 根據(jù)上面對三個設(shè)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(kuò)展，經(jīng)濟(jì)性較好，而且采用無線通訊， 具有較高的性價比。所以在本設(shè)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(tǒng) 結(jié)構(gòu)框圖 PIC 16 F 877過壓檢測缺相檢測過載保護(hù)LED 顯示風(fēng)機(jī)控制電路無線通信鍵盤輸入溫度檢測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)計以 PIC16F877 單片機(jī)為核心完成系統(tǒng)的設(shè)計，要求對油溫進(jìn)行實(shí)時采集，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)對變壓器溫度的全自動遠(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、缺相檢測和保護(hù)，還要具備故障自診斷功能，在故障出現(xiàn)時，給出故障信息，顯示故障類型，便于工作人員及時進(jìn)行檢修；使用無線通信方式實(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，經(jīng)信號調(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)信號數(shù)據(jù)及設(shè)定的各種控制參數(shù)，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(yīng)的控制信號，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數(shù)碼管，特別適用于需要 I/O 口較多的系統(tǒng)。 信號通過無線通信芯片 nRF401 傳輸?shù)娇刂剖摇Ｒ员銓ΜF(xiàn)場情況及時做出反應(yīng)。nRF401 是一個 433 MHz 工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)用頻段設(shè)計的真正單片無線收發(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。 以上只是對本方案簡單地做了介紹，對于本系統(tǒng)的具體的硬件電路的設(shè)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(shè)計 第一節(jié) 單片機(jī)的選型 硬件電路是整個設(shè)計的核心，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，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，且全部為單字長指令，易學(xué)易用，相對于采用 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(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） POR， BOR （ PWRT， OST） POR， BOR （ PWRT， OST） POR， BOR （ PWRT， OST） POR， BOR （ PWRT， OST） FISA 程序存儲器 /K 4 4 8 8 數(shù)據(jù)存儲器 /字節(jié) 192 192 368 368 EERROM 數(shù)據(jù)存儲器 /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 定時器 /計數(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(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 時鐘輸入， DC～ 200ns指令周期。 具有 高達(dá) 8K 字（ 14位字長）的 FIASH 程序存儲器；高達(dá) 368 字節(jié)的數(shù)據(jù)存 儲器（ RAM）；高達(dá) 256 字節(jié)的 EEPROM 數(shù)據(jù)存儲器。中斷能力多達(dá) 14 個內(nèi)部 /外部中斷源。該單片機(jī) 具有 8級硬件堆棧，上電復(fù)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(nèi) 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(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個引腳可進(jìn)行在線調(diào)試，編程只需要 5V 電源，通過 2 個引腳可進(jìn)行在線調(diào)試，處理器有通道能對程序存儲器進(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 20μ A；典型待命狀態(tài)電流值小于 1μ A。 外圍功 能模塊特性： 定時器 TMR0：帶有 8位定時器 /計數(shù)器。 定時器 TMR1：帶有前分頻器的 16 位定時器 /計數(shù)器，在休眠期間可通過外部晶振 /時鐘增量計數(shù)。 定時器 TMR2：帶有 8 位周期寄存器 .前分頻器和后分頻器的 8 位定時器 /計數(shù)器。 兩個捕捉 /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）的鎖定檢測電路。 由以上對單片機(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，在溫度檢測信號后就不需要設(shè)計專門電路來進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，所以應(yīng)用電路比較簡單，因此在本設(shè)計中就選用了 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(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(jìn)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/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。