電力變壓器運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

電力變壓器運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一章 概述1.1 問題的提出1.2 目前國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀1.3 預(yù)期目標(biāo)系統(tǒng)的功能要求，本論文解決的問題及達(dá)到的目標(biāo)。第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本章主要是對課題的主要技術(shù)指標(biāo)及功能進(jìn)行分析，并提出多種技術(shù)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較（包括：系統(tǒng)的可靠性、可擴(kuò)性等方面），最終確認(rèn)一個(gè)最優(yōu)的技術(shù)方案。2.1 系統(tǒng)的功能及技術(shù)指標(biāo) 在本節(jié)給出系統(tǒng)的整個(gè)電路原理框圖；2.2 單片機(jī)系統(tǒng)方案選擇2.3 電力變壓器溫度的檢測方案選擇 介紹電力變壓器在正常工作狀態(tài)下，內(nèi)部溫度的范圍，在不同的溫度下應(yīng)投切的風(fēng)扇的數(shù)量，以及傳輸功率的關(guān)系（如果可能給出曲線來加以說明），說明控制溫度和檢測溫度的重要性，并給出本課題的溫度檢測的方案；3.4 電力變壓器冷卻設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測方案設(shè)計(jì)對于油泵，說明油泵的重要性，油泵的作用，常規(guī)對油泵的監(jiān)測方法，本課題如何實(shí)現(xiàn)檢測；提出檢測方案；對于電風(fēng)扇：說明風(fēng)扇的重要性，分析風(fēng)扇可能出現(xiàn)的幾種故障類型，并根據(jù)故障類型，給出電風(fēng)扇可能幾種檢測方案，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較；當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，有幾種報(bào)警方式，以及實(shí)現(xiàn)的方法；2.5 電力變壓器風(fēng)扇的控制電路方案的選擇根據(jù)以上分析，給出系統(tǒng)的整體電路原理框圖。并在系統(tǒng)方案確定的情況下，介紹系統(tǒng)功能模塊功能以及實(shí)現(xiàn)的原理；2.6 顯示與鍵盤電路方案的選擇 介紹目前常見的幾種顯示、鍵盤方案，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，并確定本課題的顯示電路方案和鍵盤電路方案；（只給出應(yīng)采取的方案，不要畫出電路）2.7 通信電路的方案選擇 介紹目前常見的幾種通訊方式、適應(yīng)的場所、特點(diǎn)，并對各個(gè)通信方式進(jìn)行比較，并結(jié)合課題的要求，介紹選擇rs-485的通信標(biāo)準(zhǔn)以及應(yīng)采取的一切方案（包括RS-485電路應(yīng)采取的保護(hù)等問題）。第三章 硬件電路設(shè)計(jì)本章是根據(jù)系統(tǒng)方案的各功能模塊，進(jìn)行分電路的設(shè)計(jì)原理和工作原理分析。根據(jù)需要也可以給出所選器件的技術(shù)參數(shù)（僅指那些不常見的、新穎的器件），本章應(yīng)從理論上進(jìn)行分析系統(tǒng)所能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，應(yīng)采用曲線、算法公式以及理論推導(dǎo)等手段進(jìn)行分析；3.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)外圍基本電路的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)依據(jù)，原理，基本功能等。3.2 電力變壓器溫度檢測電路的設(shè)計(jì)給出具體的電路原理圖，并分析如何實(shí)現(xiàn)電力變壓器的溫度檢測，給出各物理量參數(shù)的計(jì)算公式，并進(jìn)行深入的分析。3.3 電力變壓器冷卻風(fēng)扇檢測電路的設(shè)計(jì)給出具體風(fēng)扇檢測電路，并介紹檢測電路的詳細(xì)原理，以及如何實(shí)現(xiàn)故障判斷的。3.4 電力變壓器油泵的監(jiān)測電路設(shè)計(jì)給出油泵檢測電路圖，并介紹電路圖的工作原理。 3.5 冷卻風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 給出風(fēng)扇電路原理圖，并根據(jù)驅(qū)動(dòng)的功率，介紹電路器件的選擇和設(shè)計(jì)原理，以及整個(gè)電路的工作原理；包括驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)。介紹對于在不同的溫度下，如何開停電風(fēng)扇，電風(fēng)扇的投切規(guī)則等問題（這部分也可以放到第四章中介紹）。3.6 報(bào)警電路設(shè)計(jì)介紹本系統(tǒng)檢測設(shè)備故障后，可以采取的報(bào)警方式，以及實(shí)現(xiàn)的電路原理圖，和基本參數(shù)，并詳細(xì)介紹工作原理；3.7鍵盤與顯示電路的設(shè)計(jì)給出鍵盤電路和顯示電路，并分析電路的工作原理，給出鍵盤的設(shè)置功能，并介紹鍵盤的操作方法；給出顯示數(shù)碼管的設(shè)計(jì)原理以及顯示方式，特別是當(dāng)參數(shù)設(shè)置時(shí)，如何與鍵盤配合顯示等。（根據(jù)參數(shù)設(shè)定內(nèi)容，例如溫度、濕度上限和下限值的確定）包括報(bào)警時(shí)，應(yīng)顯示的方式；3.8 遠(yuǎn)程通信電路的設(shè)計(jì) 介紹采用的遠(yuǎn)程通信方式，通信電路的原理，通信的各個(gè)物理量，通信內(nèi)容，通信波特率等；3.9 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)簡述一下在現(xiàn)場可能存在的問題，本論文在設(shè)計(jì)上進(jìn)行了哪些抗干擾的設(shè)計(jì)。第四章 軟件設(shè)計(jì)本章對本課題的軟件進(jìn)行詳盡的說明，包括程序的結(jié)構(gòu)，以及各功能模塊的功能；4.1 軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 介紹程序的整體框架，軟件系統(tǒng)是由哪幾個(gè)模塊組成，在軟件上如何實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能，采取了哪些措施等；利用了單片機(jī)的那些資源，各個(gè)資源是如何分配的。最后給出主程序框圖，并介紹各模塊的功能。4.2 溫度信號(hào)的數(shù)據(jù)采集軟件的設(shè)計(jì) 介紹溫度信號(hào)的測量方法，給出計(jì)算公式，并分析采用了哪些數(shù)據(jù)處理措施；（例如各種濾波等），并給出程序流程圖；4.3 電風(fēng)扇檢測程序的設(shè)計(jì)分別介紹所涉及的模擬量信號(hào)的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集的方法，計(jì)算方法（結(jié)合第三章的給出的公式）；在數(shù)據(jù)處理方面采用了哪些措施（比如：數(shù)字濾波技術(shù)、數(shù)據(jù)的標(biāo)度變換、數(shù)據(jù)測量的非線性處理、測量數(shù)據(jù)的備份方法以及交流信號(hào)的同步測量原理等算法原理、計(jì)算公式）；并結(jié)合程序流程圖進(jìn)行說明；本節(jié)可分成多節(jié)來分別介紹。在程序流程圖中介紹風(fēng)扇的投切規(guī)則；4.4 報(bào)警輸出信號(hào)的軟件設(shè)計(jì)在軟件上如何實(shí)現(xiàn)報(bào)警信號(hào)的輸出；4.5 顯示與鍵盤程序的設(shè)計(jì)介紹鍵盤和顯示電路的軟件處理方式（顯示方式），編程方法，并給出程序流程圖；并給出測量數(shù)據(jù)的顯示格式，以及物理量的換算公式。4.6 通信軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 結(jié)合第三章的內(nèi)容，介紹通信的內(nèi)容和功能，在軟件上如何實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)出詳細(xì)通信的協(xié)議，并給出如何提高通信的可靠性方法和措施，并給出通信程序（或者中斷程序）的流程圖；4.7 軟件系統(tǒng)的可靠性措施介紹目前常用的軟件康干擾措施，并說明本課題所采用的軟件上的抗干擾措施的特點(diǎn)應(yīng)用方法以及算法。第五章 系統(tǒng)誤差分析總體介紹系統(tǒng)的誤差組成的部分，系統(tǒng)誤差的計(jì)算方法，對每一個(gè)誤差環(huán)節(jié)應(yīng)對措施。本章主要通過對樣機(jī)的實(shí)際測試，對樣機(jī)的測試中出現(xiàn)的誤差進(jìn)行分析，通過與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的對比，給出性能指標(biāo)的是否達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；并對樣機(jī)出現(xiàn)的誤差進(jìn)行理論分析，最終找出應(yīng)改進(jìn)的措施，即使設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，也應(yīng)從理論上分析在進(jìn)一步提高測量精度上應(yīng)采取的措施，在誤差方面還有那些不足，應(yīng)如何改進(jìn)，給出改進(jìn)得措施；5.1 系統(tǒng)的測量指標(biāo)的測試對比分析給出試驗(yàn)結(jié)果表，并與實(shí)際設(shè)計(jì)儀器的測量結(jié)果進(jìn)行比較，并分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)的造成的誤差的原因，進(jìn)行定性的理論分析，5.2 系統(tǒng)誤差分析對每一個(gè)造成的誤差進(jìn)行理論分析，其分析結(jié)果應(yīng)與測試結(jié)果相一致，并給出改進(jìn)的措施；第六章 結(jié)束語對課題完成做一個(gè)評價(jià)和總結(jié)，指出需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方，在課題達(dá)到實(shí)際應(yīng)用還有那些工作需要做；給出通過該課題自己有哪些體會(huì)，并對幫助過的人員進(jìn)行致謝。參考文獻(xiàn) 摘 要 本設(shè)計(jì)針對電力變壓器冷卻系統(tǒng)中使用常規(guī)控制系統(tǒng)時(shí)存在的控制回路復(fù)雜、可靠性低、風(fēng)機(jī)保護(hù)方式簡單、油溫測量精度低、控制誤差大、無法進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊等問題，設(shè)計(jì)了一套智能化變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)以PIC16F877單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)了對變壓器油溫的實(shí)時(shí)采集、LED顯示、數(shù)據(jù)無線傳輸，并參考油溫變化對風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。風(fēng)機(jī)側(cè)完善的保護(hù)裝置為CPU提供準(zhǔn)確的風(fēng)機(jī)故障信號(hào)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：單片機(jī)、變壓器冷卻系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)故障、油溫采集ABSTRACTThe paper introduces a new smart of transformer temperature monitoring system. Its a great change for the power transformer cooling system. Such as the existence of complex, low reliability, a simple blower protection, low temperature measurement accuracy, control errors, and not achieving long-distance communications, ect. The control system uses the PIC16F877 to achieve the real-time acquisition, LED display, data wireless transmission, and taking into account air temperature change on the operation of the state of real-time control. The CPU fan could provide accurate fault signal, so that it improves the stability of the system. Keywords: SCM (Single Chip Micyoco), transformer cooling system, Fan Failure, Oil temperatures collection目 錄摘 要1ABSTRACT2緒 論5第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求6第一節(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)6第二節(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求6第二章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案8第一節(jié) 系統(tǒng)工作的一般原理8第二節(jié) 智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案82.1 方案一92.2 方案二102.3 方案三12第三節(jié) 設(shè)計(jì)方案的確定13第三章 硬件電路設(shè)計(jì)16第一節(jié) 單片機(jī)的選型16第二節(jié) 振蕩器配置選擇182.1 晶體振蕩器/陶瓷諧振器方式182.2 RC振蕩器20第三節(jié) 溫度采集電路模塊設(shè)計(jì)223.1 溫度檢測電路223.2 光電耦合隔離放大電路24第四節(jié) 按鍵輸入和顯示電路部分設(shè)計(jì)294.1 按鍵輸入電路模塊設(shè)計(jì)294.2 顯示電路部分設(shè)計(jì)29第五節(jié) 無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)33第六節(jié) 主回路部分設(shè)計(jì)38 6.1 風(fēng)冷機(jī)的保護(hù)簡要介紹386.2 輸出驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)38第七節(jié) 直流電源的設(shè)計(jì)46第四章 軟件部分設(shè)計(jì)50第一節(jié) 軟件需求分析50第二節(jié) 各模塊的流程圖52第五章 設(shè)計(jì)總結(jié)60致 謝62參考文獻(xiàn)63附錄一 程序清單64附錄二 元器件明細(xì)表78緒 論近年來，隨著我國電力事業(yè)的飛速發(fā)展，電力變壓器是發(fā)、輸、變、配電系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，它的性能、質(zhì)量直接關(guān)系到電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和運(yùn)營效益。電力變壓器是電力系統(tǒng)運(yùn)行的核心設(shè)備之一，因此，電力變壓器安全可靠的運(yùn)行是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的根本保障。隨著變壓器容量的增大，變壓器的損耗同樣會(huì)增大，單靠箱壁和散熱器已不能滿足散熱要求，需采用子循環(huán)風(fēng)冷或強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)（水）冷，使熱油經(jīng)過強(qiáng)風(fēng)（水）冷卻器，冷卻后再用油泵送回變壓器。大容量的變壓器已經(jīng)采用導(dǎo)向冷卻，在繞組和鐵心內(nèi)部，設(shè)有一定的油路，使進(jìn)入油箱內(nèi)的冷油全部通過繞組和鐵芯內(nèi)部流出，這樣帶走了大量的熱量，可以提高散熱效率。變壓器冷卻系統(tǒng)決定了變壓器的正常使用壽命及能否正常運(yùn)行，因此變壓器的冷卻系統(tǒng)對變壓器的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行又極其重要的意義。在發(fā)電廠或變電所，風(fēng)冷式變壓器采用多組風(fēng)機(jī)降溫，控制變壓器的油溫在額定范圍之內(nèi)，保證變壓器正常工作。為了提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和延長變壓器的使用壽命，應(yīng)該對變壓器的油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。目前，還有許多變壓器采用由電接點(diǎn)式溫度計(jì)采集、顯示變壓器油溫，控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，實(shí)現(xiàn)變壓器的溫度控制，在實(shí)際運(yùn)行中，由于風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)全部投入，同時(shí)全部停止，沖擊電流較大，嚴(yán)重影響了電機(jī)的使用壽命。且由于無法和控制室聯(lián)系，所以無法實(shí)現(xiàn)變壓器的無人控制，增加了運(yùn)行成本。變壓器溫控器總存在一些問題，如測溫誤差大、抗干擾能力差等，這些都是在工程界非常棘手的問題。而早期的溫度控制器，由于體積大、操作復(fù)雜、抗干擾能力差，給工程現(xiàn)場的使用也帶來了很大不便。隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，溫度控制器正向單片集成化、智能化的方向迅速發(fā)展。針對電力變壓器在運(yùn)行過程中存在的問題，可以采用的智能溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)采集、顯示、風(fēng)機(jī)的順序起停。 根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行要求，本設(shè)計(jì)選用了PIC16F877單片機(jī)構(gòu)成變壓器溫度控制系統(tǒng)，設(shè)備操作簡單，用戶可通過面板按鍵輕松設(shè)定控制風(fēng)機(jī)起停、報(bào)警及跳閘閥值，所有設(shè)定參數(shù)掉電后均不會(huì)丟失。溫度采集精度很高，并且采取了很多措施來保護(hù)電機(jī)，如過載、缺相保護(hù)等。由于工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境較惡劣，會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生很大的干擾，設(shè)計(jì)采取了抗干擾措施，在集成電路的電源入口處加了濾波電容，且送入單片機(jī)的信號(hào)都經(jīng)過了光耦隔離。最后通過無線通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，控制室通過無線通信及時(shí)掌握現(xiàn)場的運(yùn)行情況，可任意對各種事故做出及時(shí)地反映，實(shí)現(xiàn)了變壓器的無人控制。系統(tǒng)整體具有測溫誤差小、分辨力高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，所有器件的選擇均滿足工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并適合高溫環(huán)境。由于采取了以上措施，可以保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作，設(shè)計(jì)具有很好的擴(kuò)展性，能滿足各種型號(hào)變壓器的要求。第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求第一節(jié) 設(shè)計(jì)任務(wù)在我們的生活中，電力安全是至關(guān)重要的，而電力變壓器又是電力系統(tǒng)的重要組成部分。電力系統(tǒng)中常用的油浸風(fēng)冷式電力變壓器多采用多組風(fēng)機(jī)降溫，控制變壓器的油溫在工藝要求的范圍之內(nèi)。目前現(xiàn)場還有相當(dāng)數(shù)量的油浸風(fēng)冷電力變壓器由電接點(diǎn)式溫度計(jì)采集、顯示變壓器油溫，控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，實(shí)現(xiàn)變壓器的溫度控制，即在變壓器油溫大于上限溫度時(shí)啟動(dòng)全部風(fēng)機(jī)，當(dāng)油溫降至下限溫度時(shí)停止全部風(fēng)機(jī)。而實(shí)際運(yùn)行中這種控制方式有不少的缺點(diǎn)，如風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)全部投入，沖擊電流太大，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。針對以上種種問題，要求本設(shè)計(jì)選用一款集成度較高的單片機(jī)，并采用無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)電力變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)，對現(xiàn)有落后的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，滿足自動(dòng)化要求。設(shè)計(jì)主要完成的工作。本設(shè)計(jì)須完成風(fēng)冷式電力變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)的主機(jī)部分的設(shè)計(jì)，主要包括以下工作：（1）收集電力變壓器溫度控制系統(tǒng)的控制原理的實(shí)際資料，確定要保證變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)正常運(yùn)行及實(shí)現(xiàn)無人值班所需的遠(yuǎn)程通訊功能，必須采用以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)來完成；為保證風(fēng)機(jī)能可靠安全運(yùn)行，必須收集一既能被單片機(jī)驅(qū)動(dòng)又能保證風(fēng)機(jī)可靠運(yùn)行的元件。（2）方案設(shè)計(jì)。（3）確定系統(tǒng)配置及功能，并根據(jù)系統(tǒng)功能要求完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。（4）根據(jù)設(shè)計(jì)原則完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。（5）撰寫設(shè)計(jì)說明書，繪制系統(tǒng)電路原理圖。（6）完成指定內(nèi)容的外文資料翻譯。第二節(jié) 設(shè)計(jì)要求2.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容（1）完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)；（2）選擇合適的單片機(jī)，作為主機(jī)CPU；（3）獨(dú)自完成主機(jī)硬件、軟件設(shè)計(jì)，其中硬件部分主要包括溫度采集、LED顯示、主控電路、無線通訊、電源電路等，軟件部分主要包括流程圖設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)及調(diào)試；（4）完成相關(guān)的設(shè)計(jì)圖紙繪制和設(shè)計(jì)說明書撰寫，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。2.2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主要功能（1）將采集到的油溫在就地和遠(yuǎn)端（控制室）用LED實(shí)時(shí)顯示油溫，主機(jī)和從機(jī)之間的通訊采用無線通信方式；（2）系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)、手動(dòng)、停止三種運(yùn)行方式，正常時(shí)采用自動(dòng)方式運(yùn)行，主控板檢修時(shí)采用手動(dòng)方式運(yùn)行，并且能夠靈活選擇運(yùn)行方式。（3）在自動(dòng)方式運(yùn)行下，當(dāng)變壓器油溫超過上限時(shí)，風(fēng)機(jī)全部投入；當(dāng)溫度低于工藝下限時(shí)，風(fēng)機(jī)全部停止；當(dāng)溫度由高下降到上限和下限的中間值時(shí)，只投入3組風(fēng)機(jī)；在投入3組風(fēng)機(jī)的狀態(tài)，先運(yùn)行的3組風(fēng)機(jī)運(yùn)行1小時(shí)后（這三組風(fēng)機(jī)在變壓器周圍間隔安裝），自動(dòng)切換到另外3組（這三組風(fēng)機(jī)也在變壓器周圍間隔安裝），1小時(shí)后又切換到原來的3組，如此交替運(yùn)行，既延長風(fēng)機(jī)的使用壽命，又能使變壓器均勻降溫。溫度上限值和下限值可以通過硬件靈活設(shè)置，以適應(yīng)不同類型和不同環(huán)境使用的變壓器；變壓器油溫超過上限值時(shí)，風(fēng)機(jī)群全部投入運(yùn)行時(shí)，采用順序啟動(dòng)方式依次啟動(dòng)，防止啟動(dòng)電流過大情況發(fā)生造成設(shè)備損壞；（4）系統(tǒng)具有故障自診斷功能，當(dāng)某一風(fēng)機(jī)工作異常時(shí)如過壓、缺相、過載時(shí)，系統(tǒng)能夠在現(xiàn)場和控制室發(fā)出報(bào)警信號(hào)，顯示故障類型和故障發(fā)生的位置，便于工作人員及時(shí)進(jìn)行設(shè)備檢修；（5）系統(tǒng)設(shè)置正常運(yùn)行、故障運(yùn)行、油溫超過75三項(xiàng)遠(yuǎn)傳開關(guān)信號(hào)；（6）本設(shè)計(jì)中油溫的上限缺省值為55，下限缺省值為45，要求上限值和下限缺省值能夠方便的通過按鍵調(diào)節(jié)； （7）系統(tǒng)要采用必要的抗干擾措施（包括硬件和軟件）。 2.3 主要技術(shù)指標(biāo)控制系統(tǒng)的工作電源為220V/50HZ的工頻交流電，容量為31500KVA；風(fēng)機(jī)有6組，每組2個(gè)風(fēng)機(jī)，均勻排列在變壓器四周，每個(gè)風(fēng)機(jī)功率為0.375KW；溫度測量范圍為0-100，溫度采集精度為2，溫度控制精度為5。第二章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案第一節(jié) 系統(tǒng)工作的一般原理傳統(tǒng)的電力變壓器由人工控制風(fēng)機(jī)，每臺(tái)變壓器有6組風(fēng)冷式電動(dòng)機(jī)需要控制，每組風(fēng)機(jī)的保護(hù)通過熱繼電器實(shí)現(xiàn)，控制風(fēng)機(jī)電源回路通過接觸器，而風(fēng)機(jī)啟停的邏輯判斷通過測量變壓器的油溫和變壓器的過負(fù)荷實(shí)現(xiàn)，工作原理如圖2-1所示。主電路控制元件采用了接觸器，靠機(jī)械觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。這種方式對風(fēng)機(jī)的控制只能由人工完成，風(fēng)機(jī)同時(shí)全部投入，同時(shí)全部停止，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流很大，會(huì)對器件造成損傷。當(dāng)溫度在45-55時(shí)，通常采用全部投入的方式，不利于節(jié)能，也不利于設(shè)備的維護(hù)?？刂破飨到y(tǒng)采用繼電器、熱繼電器、接觸器邏輯電路控制，控制邏輯顯得很復(fù)雜，在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)接觸器的觸點(diǎn)長時(shí)間接觸及多次開斷造成觸點(diǎn)燒毀問題。風(fēng)機(jī)缺乏必要的過壓、過載、缺相保護(hù)，實(shí)際運(yùn)行中降低系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，增加運(yùn)行成本。 三 相電 源接觸器熱繼電器 風(fēng)冷電機(jī)變壓器過負(fù)荷變壓器油溫檢測機(jī)電邏輯處理系統(tǒng)圖2-1 傳統(tǒng)風(fēng)冷機(jī)工作原理圖第二節(jié) 智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案本設(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。整個(gè)課題包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主機(jī)溫度信號(hào)采集與調(diào)理電路設(shè)計(jì)，主機(jī)LED顯示電路設(shè)計(jì)，主控電路設(shè)計(jì)，缺相檢測與保護(hù)電路設(shè)計(jì)，過載保護(hù)與檢測電路設(shè)計(jì)，從機(jī)設(shè)計(jì)，從主機(jī)LED顯示電路設(shè)計(jì)，無線通信電路設(shè)計(jì)，主電路設(shè)計(jì)，主機(jī)從機(jī)電源設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)計(jì)，軟件編程等。溫度信號(hào)的采集在設(shè)計(jì)中是最重要的部分之一，其可以采用鉑電阻電橋組成的溫度檢測電路，也可以使用溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)。2.1 方案一: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(hào)3，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)通過無線通信芯片nRF401傳輸?shù)娇刂剖?以便對現(xiàn)場情況及時(shí)做出反應(yīng)。方案采用PIC16F877單片機(jī)，PIC處理器具有不同于一般微處理器的許多特性，它給出最大系統(tǒng)可靠性，通過減少外部元件使成本最小。另外，還提供節(jié)電工作模式及提供編碼保護(hù)等。PIC16F877共有A口、B口、C口、D口、E口五組I/O口，完全可以滿足本系統(tǒng)的要求，另外在其中嵌入一個(gè)8 輸入通道的A/D模塊，不需要專門的芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；CCP模塊可提供外部信號(hào)的捕捉、內(nèi)部比較輸出、及脈寬調(diào)制PWM功能；中斷源多，具有看門狗定時(shí)器和睡眠功能；還可以在線串行編程、在線調(diào)試。顯示電路采用MAX7219，其只需要三根線就可可控制八個(gè)數(shù)碼管，特別適用于需要I/O口較多的系統(tǒng)。MAX7219為8位LED顯示驅(qū)動(dòng)電路，可以連續(xù)的驅(qū)動(dòng)8位7段數(shù)據(jù)顯示。在芯片內(nèi)部集成了一個(gè)BCD譯碼器，段地址和位地址驅(qū)動(dòng)以及一個(gè)88位的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。只需要一個(gè)外部電阻，就可以正確地驅(qū)動(dòng)所有LED的段地址。信號(hào)通過無線通信芯片nRF401傳輸?shù)娇刂剖?。以便對現(xiàn)場情況及時(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。溫度控制器系統(tǒng)框圖如圖2-2所示。PIC16F877單片機(jī)按鍵輸入電 源變壓器油溫采集模塊主回路控制模塊nRF401通訊電路LED顯 示電路光電耦合電路圖2-2 溫度控制系統(tǒng)框圖2.2 方案二：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,屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器, 采用DALLAS公司特有的單總線通信協(xié)議，只用一條數(shù)據(jù)線就可實(shí)現(xiàn)與MCU的通信。它具有體積小，接口方便，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。顯示采用單片機(jī)的RA口擴(kuò)展四片串并轉(zhuǎn)換的移位寄存器74LS164驅(qū)動(dòng)四只1.5寸共陽數(shù)碼管，實(shí)時(shí)顯示變壓器的溫度。復(fù)位電路采用MAXMAX6304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。（一）溫度檢測電路的設(shè)計(jì)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,屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器,可廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測量及控制儀器、測控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。它具有體積小、接口方便、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。DS18B20單總線數(shù)字傳感器工作溫度范圍是-55125，在-3085范圍內(nèi)溫度測量精度為5；具有溫度報(bào)警功能，用戶可設(shè)置最高和最低圖2-3 DS18B20引腳分布圖報(bào)警溫度，且設(shè)置值掉電不丟失；采用DALLAS公司特有的單總線通信協(xié)議，只用一條數(shù)據(jù)線就可實(shí)現(xiàn)與MCU的通信；此外，DS18B20能夠直接從數(shù)據(jù)線獲得電源，無需外部電池供電4。DS18B20與單片機(jī)的接口電路如圖2-3所示。I/O為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端，GND為電源地，VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。DS18B20主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。光刻ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的。相當(dāng)于給每個(gè)DS18B20分配了一個(gè)獨(dú)一無二的64比特地址序列碼，這就允許多個(gè)DS18B20工作同條一線總線上，從而大大簡化了分布式溫度傳感系統(tǒng)的應(yīng)用。溫度傳感器完成對溫度的測量，溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL以及配置寄存器的設(shè)置值均以一個(gè)字節(jié)的形式存儲(chǔ)在EEPROM中，使用一個(gè)存儲(chǔ)功能命令可對其寫入。（二）顯示部分可以用數(shù)碼管顯示，電路如下圖2-4所示。采用了MAX7219驅(qū)動(dòng)器，對溫度值進(jìn)行實(shí)時(shí)輸出顯示，根據(jù)精度要求，設(shè)置一位小數(shù)。圖2-4 LED顯示電路（三）鍵盤輸入單片機(jī)監(jiān)電路設(shè)計(jì)的好壞，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。在設(shè)計(jì)完單片機(jī)系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試成功后，在現(xiàn)場卻出現(xiàn)了“死機(jī)”、“程序跑飛” 等現(xiàn)象，而用仿真器調(diào)試時(shí)卻無此現(xiàn)象發(fā)生或極少發(fā)生此現(xiàn)象。有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)在關(guān)閉電源后的短時(shí)間內(nèi)再次開啟電源，單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)工作不正常，這些都很可能是由單片機(jī)監(jiān)控電路設(shè)計(jì)的不可靠引起的。單片機(jī)監(jiān)控電路主要有監(jiān)控和看門狗兩個(gè)功能。（四）通訊電路設(shè)計(jì)通信電路采用無線通信芯片來完成。無線通信芯片種類繁多，方案選擇CC1000來實(shí)現(xiàn)無線通信。CC1000是根據(jù)Chipcon公司的SmartRF技術(shù)，在0.35m CMOS工藝下制造的一種理想的超高頻單片收發(fā)通信芯片。它的工作頻帶在315、868及915MHz，但CC1000很容易通過編程使其工作在3001000MHz范圍內(nèi)。它具有低電壓（2.33.6V），極低的功耗，可編程輸出功率（-2010dBm），高靈敏度（一般-109dBm），小尺寸（TSSOP-28封裝），集成了位同步器等特點(diǎn)。其FSK可達(dá)72.8Kbps，具有250Hz步長可編程頻率能力，適用于跳頻協(xié)議；主要工作參數(shù)能通過串行總線接口編程改變，使用非常靈活。 CC1000 可通過簡單的三線串行接口(PDATA、 PCLK 和PALE) 進(jìn)行編程，有36個(gè)8位配置寄存器，每個(gè)由7位地址尋址。一個(gè)完整的CC1000配置，要求發(fā)送29個(gè)數(shù)據(jù)幀，每個(gè)16位（7個(gè)地址位，1個(gè)讀/寫位和8個(gè)數(shù)據(jù)位）。PCLK 頻率決定了完全配置所需的時(shí)間。在10MHz的PCLK頻率工作下，完成整個(gè)配置所需時(shí)間少于60s。在低電位模式設(shè)置時(shí)，僅需發(fā)射一個(gè)幀，所需時(shí)間少于2s。所有寄存器都可讀。在每次寫循環(huán)中，16位字節(jié)送入PDATA通道，每個(gè)數(shù)據(jù)幀中7個(gè)最重要的位（A6：0）是地址位，A6是M鍵盤（最高位），首先被發(fā)送。下一個(gè)發(fā)送的位是讀/寫位（高電平寫，低電平讀），在傳輸?shù)刂泛妥x/寫位期間，PALE （編程地址鎖存使能）必須保持低電平，接著傳輸8 個(gè)數(shù)據(jù)位（D7：0），PDATA 在PCLK 下降沿有效。當(dāng)8位數(shù)據(jù)位中的最后一個(gè)字節(jié)位D0 裝入后，整個(gè)數(shù)據(jù)字才被裝入內(nèi)部配置寄存器中。經(jīng)過低電位狀態(tài)下編程的配置信息才會(huì)有效，但是不能關(guān)閉電源5。 微控制器使用3個(gè)輸出引腳用于接口（PDATA、PCLK、PALE），與PDATA相連的引腳必須是雙向引腳，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。提供數(shù)據(jù)計(jì)時(shí)的DCLK 應(yīng)與微控制器輸入端相連，其余引腳用來監(jiān)視LOCK 信號(hào)（在引腳CHP_OUT）。當(dāng)PLL 鎖定時(shí)，該信號(hào)為邏輯高電平。2.3 方案三：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(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，通信采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)。（一）溫度采集電路AD590是由美國哈里斯（Hrris）公司、模擬器件公司（ADI）等生產(chǎn)的恒流源式模擬溫度傳感器。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(dòng)態(tài)阻抗響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等優(yōu)點(diǎn)，適合遠(yuǎn)距離測溫、控溫，不需要進(jìn)行線性校準(zhǔn)。AD590屬于采用激光修正的精密集成溫度傳感器。該產(chǎn)品有3種封裝形式；TO-52封陶瓷封裝（測溫范圍是-55+150）。不同公司產(chǎn)品的分檔情況及技術(shù)指標(biāo)可能會(huì)有一些差異。例如，由ADI公司生產(chǎn)的AD590，就有90J/K/L/M四檔。這類器件的外形與小功率晶體管相仿，共有3個(gè)管腳：1腳為正極，2腳是負(fù)極，3腳是接管殼。使用時(shí)將3腳接地，可起到屏蔽作用。AD系列產(chǎn)品以AD590M的性能最佳，其測溫范圍是-55+150，最大非線性誤差為0.3，相應(yīng)時(shí)間僅20s，重復(fù)性誤差低至0.05，功耗約為5mW。AD590等效于一個(gè)高阻抗的恒流源，其輸出阻抗大于10M，能大大減小因電源電壓從5V變化到10V時(shí)，所引起的電流最大變化量僅為1A，等價(jià)于1的測溫誤差。AD590的工作電壓為+4+30V、測溫范圍是+55+150，對應(yīng)于熱力學(xué)溫度T每變化1K，輸出電流就變化1A。在298.15K（對應(yīng)于25.15）時(shí)輸出電流恰好等于298.15A。這表明，其輸出電流與熱力學(xué)溫度嚴(yán)格成正比。AD590配以ICL7106型單片A/D轉(zhuǎn)換器，即可構(gòu)成3位半液晶顯示的數(shù)字溫度計(jì)。（二）通訊電路RS-485 采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實(shí)現(xiàn)通信：在發(fā)送端TXD 將串行口的TTL 電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)A、B 兩路輸出，經(jīng)傳輸后在接收端將差分信號(hào)還原成TTL電平信號(hào)。兩條傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，因此有極強(qiáng)的抗共模干擾的能力，接收靈敏度也相當(dāng)高。同時(shí)，最大傳輸速率和最大傳輸距離也大大提高。如果以10Kbps 速率傳輸數(shù)據(jù)時(shí)傳輸距離可達(dá) 12m ，而用100Kbps時(shí)傳輸距離可達(dá)1.2km。如果降低波特率，傳輸距離還可進(jìn)一步提高。另外RS-485 實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)互聯(lián)，最多可達(dá)256臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和256臺(tái)接收器，非常便于多器件的連接。不僅可以實(shí)現(xiàn)半雙工通信，而且可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信。半雙工通信芯片有SN75176、SN75276、SN75LBC184、MAX485、MAX3082、MAX1482等。全雙工通信的有SN75179、SN75180、MAX488491、MAX1482等6。第三節(jié) 設(shè)計(jì)方案的確定根據(jù)上一節(jié)中三個(gè)設(shè)計(jì)方案，下面對這三種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較：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(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1.5寸共陽級(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(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(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2-5 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 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)通過無線通信芯片nRF401傳輸?shù)娇刂剖?。以便對現(xiàn)場情況及時(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(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，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(shí)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45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)性能對照表如下所示。主要特征PIC16F873PIC16F874PIC16F876PIC16F877工作頻率DC20MHzDC20MHzDC20MHzDC20MHz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/K4488數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器/字節(jié)192192368368EERROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)器/計(jì)數(shù)器3333捕捉/比較/脈沖調(diào)制（PWM）2222串行通信MSSP，USARTMSSP，USARTMSSP，USARTMSSP，USART并行通信-PSP-PSP10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35353535表3-1 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：DC20MHz時(shí)鐘輸入，DC200ns指令周期。具有高達(dá)8K字（14位字長）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，處理器有通道能對程序存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫。單片機(jī)有寬范圍的工作電壓：2.05.5V，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20A；典型待命狀態(tài)電流值小于1A。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12.5ns，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RD.WR.和控制線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（Brown-out）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(hào)后就不需要設(shè)計(jì)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(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。2.1 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3-2。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3-2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4、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3-2 LP、XT和HS的石英/陶瓷振蕩器 注： （1）C1和C2的推薦值見表3-4和表3-5。（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3-3 外部時(shí)鐘輸入工作方式 測試范圍類型頻率OSC1/pFOSC2/pF XT455kHz68100681002MHz156815684MHz15681568 HS 8MHz1068106816MHz10221022以上值僅為推薦值所使用的諧振器455kHzPanasonicEFOA455K04B0.3%2MHzMurata Erie CSA2.00MG0.5%4MHzMurata Erie CSA4.00MG0.5%8MHzMurata Erie CSA8.00MT0.5%16MHzMurata Erie CSA16.00MX0.5%所有諧振器都不帶內(nèi)部電容值表 3-4 陶瓷諧振器 OSC類型頻率C1/pFC2/pF LP32kHz3333200kHz1515 XT200kHz476847681MHz15154MHz1515 HS4MHz15158MHz1533153320MHz15331533以上值僅為推薦值所使用的石英晶體32kHzEpson C001R32.768K-A20200kHzSTD XTL 200.00kHz201MHzESC ESC-10-13-1504MHzESC ESC-40-20-1508MHzEpson CA-301 8.000M-C3020MHzEpson CA-301 20.000M-C30表3-5 石英晶體振蕩器的電容選擇2.2 RC振蕩器 對定時(shí)器要求不是很高的應(yīng)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(shù)值和工作溫度函數(shù)，再加上由于制造中正常的工藝參數(shù)的變化，