柴油機組智能發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)

1、蘭州工業(yè)高等?？茖W校20102012 學年第一學期畢業(yè)設計課題名稱：設計時間：指導老師：系 部：班 級：姓 名：蘭州工業(yè)高等專科學校畢業(yè)設計（論文）任務書電氣工程系 2012 屆 電氣自動化技術 專業(yè)畢業(yè)設計（論文）題目柴油機發(fā)電機組智能監(jiān)控系統(tǒng)設計課題內(nèi)容性質(zhì)工程設計課題來源性質(zhì)教師收集的結(jié)合生產(chǎn)實際的課題校內(nèi)（外）指導教師職稱工作單位及部門聯(lián)系方式王淑紅教授電氣工程系一、題目說明（背景、目的和意義）在許多工程牽引車輛中，柴油發(fā)電機組作為動力的來源，擔負著牽引電機的電能供給和 機車輔助、控制電源的供給。為了發(fā)電機組的安全可靠運行，實現(xiàn)對機組的運行狀態(tài)檢測與 控制是尤為必要的。在機組運行期間，

2、監(jiān)控系統(tǒng)可對機組必要的運行參數(shù)、狀態(tài)進行實時檢 測，并顯示檢測到的參數(shù)；系統(tǒng)運行參數(shù)異常時，能夠發(fā)出報警信號提示操作人員采取必要 的措施,在規(guī)定的時間內(nèi)故障沒有消除時，輸出自動停機信號供主控機構(gòu)停機， 以保證機組的 安全。通過本次畢業(yè)設計，使學生能夠掌握系統(tǒng)單元電路的設計、元器件的選擇和參數(shù)計算的 基本方法；發(fā)揚理論聯(lián)系實際的科學作風，增強相關知識點的貫穿能力，從而培養(yǎng)分析問題 和解決問題的能力。二、設計（論文）要求（工作量、內(nèi)容、設計成果）（一）功能要求1. 實時檢測柴油發(fā)電機組的冷卻系統(tǒng)溫度、柴油機輸出軸的轉(zhuǎn)速、機油壓力；發(fā)電機輸 出電壓、電流、頻率、相丿予、缺相、電流不平衡狀態(tài)；2. 能

3、進行報警參數(shù)上限、下限的設定、存儲；報警等待時間設定；3. 能顯示主要檢測參數(shù)（柴油機輸出軸的轉(zhuǎn)速、電壓、電流）；4. 當冷卻系統(tǒng)溫度、柴油機輸出軸的轉(zhuǎn)速、機油壓力，發(fā)電機輸出電壓、電流、頻率、 電流不平衡狀態(tài)超過設定的上限、下限時輸出相應的光報警、并在所有報警出現(xiàn)時進行 聲音提示。在規(guī)定的時間內(nèi)故障沒有消除時，輸出自動停機信號供主控機構(gòu)停機以保證 機組的安全；（二）系統(tǒng)主要技術指標1. 環(huán)境溫度：-25 C - +40 C；2. 海拔高度w 3000m3. 機組輸出控制用直流電源電壓：DC12V4. 發(fā)電機組輸出交流相電壓（U、V W： 220V,線電壓為380V;5. 發(fā)電機機組輸出交流額

4、定相電流（la、lb、Ic）:300A ；6. 發(fā)電機機組輸出交流額定頻率：50Hz;7. 報警參數(shù)值：線電壓過壓： V > 430V;線電壓欠壓：V< 360V;超頻：F52Hz;欠頻: F< 48Hz;過流：I > 360A;8. 柴油發(fā)電機組的冷卻系統(tǒng)溫度：0100C ;溫度限制120C；9. 機油壓力：01.6MPa；壓力1.6MPa；（三）設計成果1. 設計報告1.5-2萬字左右；2. 用PROTE畫出系統(tǒng)的硬件接線圖附在論文后，答辯時1#硬件原理圖紙1張；3. 有壓力傳感器、溫度傳感器的分析選擇，頻率檢測電路、電流檢測電路、電壓檢測電 路設計計算；4. 基本

5、軟件流程圖。三、進度表日期內(nèi)容20112012學年秋 第十五周第十六周 第十七周 第十八周第十九周 第二十周20112012學年春第一周 第二周查閱、消化資料總體方案論證硬件線路設計、分析、確定 軟件總體設計及細化設計 撰寫論文準備答辯材料畢業(yè)答辯完成日期2012年1月6日答辯日期2012年2月20日3月2日四、主要參考文獻、資料、設備和實習地點及翻譯工作量1. 方承遠工廠電氣控制技術北京：機械工業(yè)出版社.20002. 向希才，劉洪海傳感器應用接口電路北京：機械工業(yè)出版社3. 孫涵芳，徐愛卿.MCS-51/96系列單片機原理及應用北京：北航出版社4. 胡漢才單片機原理及接口技術北京：清華大學出

6、版社.20055. 王瑞福單片機測控系統(tǒng)設計大全北京：航空航天出版社.20046. 李朝青.MCS-51系列單片機原理及應用.20037. 余永權.ATMEL8系列單片機應用技術M.北京：航空航天大學出版社.20028. AT89系列單片機技術手冊S 北京威立電子技術有限公司5教研室意見：教研室主任（簽字）：20年 月日注：本任務書要求一式兩份，一份打印稿交教研室，一份打印稿交學生，電子稿交系辦。#柴油機作為通用動力機械，廣泛應用于汽車、機車、電力、船舶、工程機械等行業(yè)。 為了保證柴油機可靠的運行，需要對柴油機的運行狀況進行測量和監(jiān)視及時發(fā)現(xiàn)異常象， 給操作人員提供操作信息，以便能及時排除故障

7、，避免柴油機在非正常工況下繼續(xù)運行， 保護柴油機不受到永久性損壞，從而達到了延長柴油機的使用壽命，同時保護以柴油機為 動力的整個系統(tǒng)得到有效可靠的運行。本論文介紹了一種以AT89S51單片微型計算機為核心的柴油發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)。針對 監(jiān)控要求，給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設計與軟件結(jié)構(gòu)設汁。在該系統(tǒng)控制下，可實現(xiàn)柴油發(fā) 電機組的自動啟動、運行及停機過程，并對柴油發(fā)電機組運行期間的各種參數(shù)和狀態(tài)進行 檢測，在出現(xiàn)故障時，監(jiān)控系統(tǒng)可及時做出處理，實現(xiàn)在無人值守的條件下，柴油發(fā)電機 組的自動運行。系統(tǒng)可靠性好、性能穩(wěn)定、實用性強。關鍵詞：單片機；柴油發(fā)電機組；控制7AbstractThe diesel en

8、gine as the gen eral dyn amics machi nery, is widely used in automobile, motorcycle, electric power, shipbuild ing, engin eeri ng mach inery and other in dustries. In order to en sure the reliable operati on of diesel engine, the n eed for diesel engine operat ing con diti ons were measured and mon

9、itored timely detecti on of abno rmal phe nomenon, to provide operati onal in formati on, so as to the timely troubleshoot ing, avoid ing diesel engine un der abno rmal work ing con diti ons continue, protecti on of diesel engine does not suffer perma nent damage, so as to prolong the diesel engine

10、service life, at the same time the protectio n of diesel power of the whole system is effective and reliable operati on.This paper in troduces a AT89S51 sin gle-chip microcomputer as the core of the mon itori ng system of diesel gen erati ng set. Aiming at the requireme nts of mon itori ng, gives th

11、e hardware structure desig n and software structure desig n. In the system is un der con trol, the realizati on of diesel gen erati ng un its and automatic starti ng, ru nning and shutdow n process, of diesel gen erator and period of various parameters and status of detecti on, in the eve nt of a fa

12、ilure, the mon itori ng system may make timely treatme nt, achieve in the un atte nded con diti on, diesel gen erati ng un its automatically. The system reliability, stable performa nee, stro ng practicability.Key words: si ngle chip microcomputer; diesel gen erator sets; con trol#目錄摘要錯誤！未定義書簽。Abstr

13、act 錯誤！未定義書簽。1. 緒論 錯誤！未定義書簽。1.1課題的目的和意義 錯誤！未定義書簽。1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀分析 錯誤！未定義書簽。1.3畢業(yè)設計的任務與要求錯誤！未定義書簽。2. 課題方案設計及論證錯誤！未定義書簽。2.1系統(tǒng)設計 錯誤！未定義書簽。2.2系統(tǒng)方案與選擇錯誤！未定義書簽。2.3系統(tǒng)硬件框圖 錯誤！未定義書簽。3. 傳感器的選用 錯誤！未定義書簽。3.1轉(zhuǎn)速傳感器 錯誤！未定義書簽。3.2溫度傳感器 錯誤！未定義書簽。3.3壓力傳感器錯誤！未定義書簽。4. 系統(tǒng)單元電路分析與設計 錯誤！未定義書簽。4.1轉(zhuǎn)速的測量電路 錯誤！未定義書簽。4.2 LED顯示的硬件電路錯誤！

14、未定義書簽。4.3頻率測量電路錯誤！未定義書簽。4.4相序缺相檢測保護電路設計 錯誤！未定義書簽。4.5溫度測量電路設計錯誤！未定義書簽。4.6 8路A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0809 錯誤！未定義書簽。5. 軟件設計與實現(xiàn)錯誤！未定義書簽。5.1主程序流程圖及其說明 錯誤！未定義書簽。5.2應用器件介紹 錯誤！未定義書簽。5.3鍵盤掃描子程序錯誤！未定義書簽。5.4測速子程序錯誤！未定義書簽。5.5顯示子程序錯誤！未定義書簽。5.6溫度測量程序錯誤！未定義書簽。5.7頻率測量程序錯誤！未定義書簽。5.8報警處理 錯誤！未定義書簽。結(jié)論錯誤！未定義書簽。致謝錯誤！未定義書簽。參考文獻 錯誤！未定義書

15、簽。91.緒論1.1課題的目的和意義柴油機作為通用動力機械，廣泛應用于汽車、機車、電力、船舶、工程機械等行業(yè)。 為了保證柴油機可靠的運行，需要對柴油機的運行狀況進行測量和監(jiān)視，及時發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn) 象，給操作人員提供操作信息，以便能及時排除故障，避免柴油機在非正常工況下繼續(xù)運 行，保護柴油機不受到永久性損壞，從而達到了延長柴油機的使用壽命，同時保護以柴油 機為動力的整個系統(tǒng)得到有效可靠的運行。本課題是研究開發(fā)一種新型的柴油機智能監(jiān)控系統(tǒng)。柴油機智能監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠動 態(tài)檢測顯示柴油機工作時的各種工作參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、電壓、頻率、水溫、油壓、，并且能在工作參數(shù)超過預設的工作報警值時發(fā)出聲光報警信號，提示操

16、作人員采取措施，消除隱 患；并能在工作參數(shù)超過預設的停機值時輸出停機信號以驅(qū)動柴油機停機電磁閥，強迫柴 油機停機，避免柴油機因為轉(zhuǎn)速過高飛車或潤滑油壓過低使柴油機受到損壞。為了同時在 控制室也能夠觀察到柴油機的各種工作情況，還專門設計了柴油機智能監(jiān)控系統(tǒng)遠傳顯示 器。柴油機智能監(jiān)控系統(tǒng)遠傳顯示器只能同步顯示柴油機工作時的轉(zhuǎn)速、油溫、水溫、油 壓，同時也能根據(jù)需要進行遠距離啟動柴油機或強制停止柴油機從而達到保護柴油機的功 能，并且當主機有報警參數(shù)時遠傳顯示器也能發(fā)出聲光報警信號，提醒操作人員使柴油機 能得到及時的保護。柴油機智能監(jiān)控系統(tǒng)和遠傳顯示器之間可以實現(xiàn)通訊功能。由于該柴 油機智能監(jiān)控系統(tǒng)

17、針對柴油機出現(xiàn)的各種異常情況進行了的智能化的保護，從而使操作人 員能夠在相對輕松、安全的環(huán)境中操作使用柴油機。1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀分析目前國內(nèi)柴油機燃油噴射主要為機械式，電控燃油噴射柴油機還處于試驗階段，柴油 機行業(yè)還在大量使用柴油機指針式組合系統(tǒng)表箱測量顯示柴油機的各項工作參數(shù)。指針式 組合系統(tǒng)表箱的功能除了顯示功能外，其它保護功能非常少。如果要增加其他功能，就需 要增加相應的報警傳感器。例如當需要增加溫度報警功能，就需要單獨增加溫度報警開關, 并要求在柴油機溫度管道上增加一個溫度報警開關的安裝螺紋孔。最主要的是所有報警功 能、停機功能之間是相互獨立的，而柴油機從啟動到正常工作時各個參數(shù)之間是相

18、互關聯(lián) 的，這就使柴油機發(fā)生突發(fā)事件時很難得到有效可靠的保護。柴油機指針式組合系統(tǒng)表箱的精度由各個模擬指針式系統(tǒng)表的精度來決定，模擬指針 式系統(tǒng)表的精度較低，其中指針式轉(zhuǎn)速表的精度一般為1.5級以下，水溫表和油溫表的精度為4級，壓力表的精度為4級。而且，由于傳感器和指針式系統(tǒng)表的個體差異，傳感器 和指針式系統(tǒng)表的互換性差，如果傳感器或系統(tǒng)表出現(xiàn)故障需要更換， 精度會進一步降低。由于柴油機指針式組合系統(tǒng)表箱精度低，功能少，可靠性及抗干擾能力都較差，柴油 機指針式組合系統(tǒng)表箱對柴油機的自動監(jiān)控和保護力度都不夠，因此柴油機廠家及用戶都 希望能有功能更強、可靠性更高的智能式系統(tǒng)表來代替它。尤其是船舶用

19、柴油機用戶的需 求更加強烈。隨著近海漁業(yè)資源的萎縮，越來越多的漁船開赴遠太平洋進行遠洋作業(yè)，使 得捕撈周期地由星期為單位變成以月為單位，而且在海上的維修和補給遠遠比不上近海作 業(yè)，一遇到緊急情況就發(fā)出求救的信號，最快得到救援也需要幾天的時間。因此對漁船的 設備及船員的素質(zhì)有特殊的要求。柴油機作為船舶的主動力系統(tǒng)和供電發(fā)動機，為了保證 柴油機長時間的正常運轉(zhuǎn)，就必須對柴油機工況進行實時監(jiān)測，但目前漁業(yè)船舶上對柴油 機的監(jiān)測很少，即使有，也只是安裝在柴油機的旁邊，需要工作人員長時間在機艙里值班，對工作人員的素質(zhì)要求較高，從而使柴油機的壽命受到了嚴重的考驗。目前，國內(nèi)一些公司采用 MCS-51系列單

20、片機作為控制核心，開發(fā)了柴油機智能監(jiān)控 系統(tǒng)，實現(xiàn)了柴油機自動監(jiān)控，無需操作人員長期值守。目前國內(nèi)柴油機智能監(jiān)控系統(tǒng)的功能主要有以下幾方面：采集顯示柴油機各項參數(shù)。a顯示轉(zhuǎn)速、水溫、油溫、油壓、累積運行時間；b.顯示方式為數(shù)碼管顯示；警信號，有以下報警參數(shù)。a.轉(zhuǎn)速越限報警c.電壓越限報警e.電流越限報警g.相位缺相報警停機功能，停機燈亮,a.轉(zhuǎn)速超限停機報警功能，報警時報警燈及相應參數(shù)窗口閃爍，同時發(fā)出報警聲并輸出報b.油壓越限報警d.水溫越限報警f.頻率越限報警輸出停機信號，有以下停機參數(shù)b.油壓過低停機由于采用單片機技術，控制功能很容易實現(xiàn)，可以根據(jù)用戶的需要增加功能 國內(nèi)目前生產(chǎn)的柴油

21、機智能監(jiān)控系統(tǒng)的特點：1、微處理器基本上都采用了 MCS-51系列單片機作為控制核心進行設計。2、采集處理電路采用了 A/D轉(zhuǎn)換技術，以便把傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機能夠識別的數(shù)字信號。3、顯示電路基本上都采用了數(shù)碼管顯示而不采用指針顯示以提高顯示分辨率。4、具備報警值和停機值參數(shù)設定功能由于每個柴油機廠家的機型都較多，額定轉(zhuǎn)速從750r/min到1800r/min都有，而轉(zhuǎn)速超速報警值和停機值的要求都各不相同，柴油機監(jiān)控系統(tǒng)逐步使用按鍵設定報警值和停機 值，使柴油機監(jiān)控系統(tǒng)能方便的改變設置，以適應不同柴油機機型從而達到了減少庫存?zhèn)?貨的目的。國外柴油機燃油噴射現(xiàn)有機械式、電控泵式和共軌式三

22、種。國外柴油機在20世紀80時年代以后開始采用電控燃油噴射技術。早期的電控燃油噴射系統(tǒng)都采用了 “位置控制”，經(jīng)過近十年的發(fā)展，到20世紀90年代初，“時間控制”式電控燃油噴射系統(tǒng)開發(fā)成功， 20世紀90年代中期，出現(xiàn)了電控共軌燃油噴射系統(tǒng)，使柴油機進入了新的發(fā)展階段。目 前，歐美國家電控燃油噴射技術的應用率已達到60%90%。電控燃油噴射技術采用現(xiàn)代傳感檢測技術測出柴油機實際運行工況的主要參數(shù)，如：柴油機轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、油溫、 油壓、水溫、增壓壓力等。各單元對各種參數(shù)進行處理后，控制柴油機達到最佳運轉(zhuǎn)狀態(tài)。 因此，電噴柴油機不再需要配置柴油機監(jiān)控系統(tǒng)。國外機械式燃油噴射柴油機仍然有柴油 機

23、監(jiān)控裝置，采用指針式系統(tǒng)表箱或電子式監(jiān)控裝置。指針式系統(tǒng)表箱的功能與國內(nèi)系統(tǒng) 表類似，電子式監(jiān)控裝置采用數(shù)字電子技術，不同廠家功能各不相同，除了檢測柴油機的 各種參數(shù)，實現(xiàn)故障報警等功能外，有的帶電子調(diào)速功能。本課題研究的柴油機智能監(jiān)控系統(tǒng)應用對象是國內(nèi)傳統(tǒng)機械式柴油機。國內(nèi)目前生產(chǎn)的柴油機智能監(jiān)控系統(tǒng)的不足：1、抗干擾能力較差；2、傳感器的可靠性需要提高；3、精度校驗是通過可調(diào)電位器調(diào)整，振動環(huán)境下可靠性不高。13本項目研究的柴油機智能監(jiān)控系統(tǒng)除了具有現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)點，還要克服存在的缺點。1.3畢業(yè)設計的任務與要求在許多工程牽引車輛中，柴油發(fā)電機組作為動力的來源，擔負著牽引電機的電能供給 和機

24、車輔助、控制電源的供給。為了發(fā)電機組的安全可靠運行，實現(xiàn)對機組的運行狀態(tài)檢 測與控制是尤為必要的。在機組運行期間，監(jiān)控系統(tǒng)可對機組必要的運行參數(shù)、狀態(tài)進行 實時檢測，并顯示檢測到的參數(shù)；系統(tǒng)運行參數(shù)異常時，能夠發(fā)出報警信號提示操作人員 采取必要的措施，在規(guī)定的時間內(nèi)故障沒有消除時，輸出自動停機信號供主控機構(gòu)停機， 以保證機組的安全。功能要求1. 實時檢測柴油發(fā)電機組的冷卻系統(tǒng)溫度、柴油機輸出軸的轉(zhuǎn)速、機油壓力；發(fā) 電機輸出電壓、電流、頻率、相序、缺相、電流不平衡狀態(tài)；2. 能進行報警參數(shù)上限、下限的設定、存儲；報警等待時間設定；3. 能顯示主要檢測參數(shù)（柴油機輸出軸的轉(zhuǎn)速、電壓、電流）；4.

25、當冷卻系統(tǒng)溫度、柴油機輸出軸的轉(zhuǎn)速、機油壓力，發(fā)電機輸出電壓、電流、 頻率、電流不平衡狀態(tài)超過設定的上限、下限時輸出相應的光報警、并在所有報警出 現(xiàn)時進行聲音提示。在規(guī)定的時間內(nèi)故障沒有消除時，輸出自動停機信號供主控機構(gòu) 停機以保證機組的安全；系統(tǒng)主要技術指標1. 環(huán)境溫度：-25 C - +40 C；2. 海拔高度w 3000m3. 機組輸出控制用直流電源電壓：DC12V4. 發(fā)電機組輸出交流相電壓（U、V、W： 220V,線電壓為380V;5. 發(fā)電機機組輸出交流額定相電流（la、lb、Ic ） :300A ；6. 發(fā)電機機組輸出交流額定頻率：50Hz;7. 報警參數(shù)值：線電壓過壓：V &

26、gt;430V;線電壓欠壓：VW 360V;超頻：F52Hz；欠頻：Fw 48Hz;過流：I > 360A8. 柴油發(fā)電機組的冷卻系統(tǒng)溫度：0100C ;溫度限制120C；9. 機油壓力：01.6MPa；壓力1.6MPa；柴油機智能監(jiān)控系統(tǒng)遠傳顯示器只能同步顯示柴油機工作時的轉(zhuǎn)速、頻率、水溫、油 壓，同時也能根據(jù)需要進行遠距離啟動柴油機或強制停止柴油機從而達到保護柴油機的功 能，并當主機有報警參數(shù)時遠傳顯示器也能發(fā)出聲光報警信號提醒操作人員使柴油機能得 到及時的保護。 _.,#2. 課題方案設計及論證2.1系統(tǒng)設計在許多工程牽引車輛中，柴油發(fā)電機組作為動力的來源，擔負著牽引電機的電能供給

27、 和機車輔助、控制電源的供給。為了發(fā)電機組的安全可靠運行，實現(xiàn)對機組的運行狀態(tài)檢 測與控制是尤為必要的。在機組運行期間，監(jiān)控系統(tǒng)可對機組必要的運行參數(shù)、狀態(tài)進行 實時檢測，并顯示檢測到的參數(shù)；系統(tǒng)運行參數(shù)異常時，能夠發(fā)出報警信號提示操作人員 采取必要的措施，在規(guī)定的時間內(nèi)故障沒有消除時，輸出自動停機信號供主控機構(gòu)停機， 以保證機組的安全。系統(tǒng)功能與要求功能要求1. 實時檢測柴油發(fā)電機組的冷卻系統(tǒng)溫度、柴油機輸出軸的轉(zhuǎn)速、機油壓力；發(fā) 電機輸出電壓、電流、頻率、相序、缺相、電流不平衡狀態(tài)；2. 能進行報警參數(shù)上限、下限的設定、存儲；報警等待時間設定；3. 能顯示主要檢測參數(shù)（柴油機輸出軸的轉(zhuǎn)速、

28、電壓、電流）；4. 當冷卻系統(tǒng)溫度、柴油機輸出軸的轉(zhuǎn)速、機油壓力，發(fā)電機輸出電壓、電流、 頻率、電流不平衡狀態(tài)超過設定的上限、下限時輸出相應的光報警、并在所有報警出 現(xiàn)時進行聲音提示。在規(guī)定的時間內(nèi)故障沒有消除時，輸出自動停機信號供主控機構(gòu) 停機以保證機組的安全；系統(tǒng)主要技術指標1. 環(huán)境溫度：-25 C - +40 C；2. 海拔高度w 3000m3. 機組輸出控制用直流電源電壓：DC12V4. 發(fā)電機組輸出交流相電壓（U、V、W： 220V,線電壓為380V;5. 發(fā)電機機組輸出交流額定相電流（la、lb、Ic ） :300A ；6. 發(fā)電機機組輸出交流額定頻率：50Hz;7. 報警參數(shù)值

29、：線電壓過壓： V >430V;線電壓欠壓：VW 360V;超頻：F52Hz；欠 頻：Fw 48Hz;過流：I > 360A8. 柴油發(fā)電機組的冷卻系統(tǒng)溫度：0100C ;溫度限制120C；9. 機油壓力：01.6MPa；壓力1.6MPa；柴油機智能監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠檢測顯示柴油機工作時的轉(zhuǎn)速、頻率、電壓、水溫、油壓、電流以及累積工作時間，并且要求能進行手動設置齒數(shù)、報警、停機參數(shù)，從而使 參數(shù)超過設定報警值時輸出聲光報警超過設定停機值時輸出停機信號，強迫柴油機停機從 而實現(xiàn)自動保護柴油機的功能。柴油機智能監(jiān)控系統(tǒng)遠傳顯示器只能同步顯示柴油機工作時的轉(zhuǎn)速、頻率、水溫、油 壓（共有4路

30、顯示參數(shù)），同時也能根據(jù)需要進行遠距離啟動柴油機或強制停止柴油機從 而達到保護柴油機的功能，并當主機有報警參數(shù)時遠傳顯示器也能發(fā)出聲光報警信號提醒 操作人員使柴油機能得到及時的保護。2.2系統(tǒng)方案與選擇本章將在前一章對基本理論進行介紹的基礎上，對控制方案和器件選擇進行進一步的 選擇與比較，在實現(xiàn)設計所要求功能的基礎上對電路中應用的器件進行全方位的比較，從而選擇更為合理的器件進行設計。其中包括對單片機進行選擇、對外圍的輸入和顯示電路 進行設計，以及驅(qū)動電路器件的選擇。在滿足要求的基礎上最大限度的節(jié)省材料，降低成 本。2.2.1單片機的選擇AT89C51是ATMEL公司推出的一種帶4K字節(jié)閃速可編

31、程可擦除只讀存儲器（FLASH ROM）的低電壓、高性能CMOS 8位微控制器。器件使用ATMEL公司高密度、非易失性 技術生產(chǎn)，與標準的MSC-51指令系統(tǒng)和8051引腳兼容。由于將多功能8位CPU和閃速 存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。與8051相比其最大 的特點是：4KB可編程Flash存儲器，可進行1000次擦寫；全靜態(tài)時鐘0-24MHZ ；三級程 序加密；低功耗支持Idle （空閑）工作模式和Power-Down （斷電）工作模式。而AT89S51是2003年ATMEL推出的新型品種，除了完全兼容 8051外，還多了 ISP 編程和看門狗功能。因

32、此，選擇 AT89S51單片機作為微處理器2.2.2鍵盤的選擇鍵盤是計算機不可缺少的輸入設備，是實現(xiàn)人機對話的紐帶，借助鍵盤可以向計算機 系統(tǒng)輸入程序、置數(shù)、送操作命令、控制程序的執(zhí)行走向等。在本設計中，使用者可通過 鍵盤對電機進行啟動和制動、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)、加速和減速控制。2.2.3獨立式鍵盤獨立式按鍵是指直接用I/O接口線構(gòu)成的單個按鍵電路。每個獨立式按鍵單獨占有一 根I/O接口線，每根I/O接口線的工作狀態(tài)不會影響其它I/O接口線的工作狀態(tài)。獨立鍵 盤如圖2.2.1所示。獨立式按鍵電路配置靈活、軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個按鍵必須占用一根 I/O 口線，在按鍵數(shù)量較多時，I/O 口線浪費較大，故只在

33、按鍵數(shù)量不多時米用這種按鍵電 路。此電路中，按鍵輸入都采用低電平有效，上拉電阻保證了按鍵斷開時，I/O 口線上有確定的高電平。當I/O 口內(nèi)部有上拉電阻時，外電路可以不配置上拉電阻。S1小U身$1 TLS2“S3WS4-CO収 ° L I I IAT39S51P1.0P1.1P1.4P1.5圖2.2.1獨立式鍵盤電路本設計中只用到了 4個按鍵，用獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤都要用到 4個I/O 口，但是 應用獨立式鍵盤結(jié)構(gòu)簡單且不造成按鍵的浪費，故采用獨立式鍵盤。2.2.4顯示方式的選擇LED顯示器是單片機應用系統(tǒng)中最常用的輸出器件。它是由若干個發(fā)光二極管組成 的，當發(fā)光二極管導通時，相應

34、的一個點或一個筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管導通， 就能顯示出各種字符。常用的LED顯示器有7段和“米”字段之分。在次顯示轉(zhuǎn)速數(shù)值用 7段顯示管即可。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。共陰極 LED顯示器的發(fā)光二極管的 陰極連接在一起，通常此公共陰極接地。當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極 管點亮，相應的段被顯示。同樣，共陽極LED顯示器的發(fā)光二極管的陽極連接在一起， 通 常此公共陽極接正電壓，當某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應15AD的段 被顯示。本設計選用了四位共陽極接法。如圖2.2.2LED的共陽、共陰極接法A B C D E F G HCOM擊牛木卞木牛木牛

35、木卞圖2.2.2LED的共陽、共陰極接法LED數(shù)碼管顯示器有二種工作方式，即動態(tài)顯示方式和靜態(tài)顯示方式。在動態(tài)顯示方 式中，各位數(shù)碼管的各個端并連在一起，與單片機系統(tǒng)的一個I/O 口相連，從該I/O 口輸出顯示代碼。每只數(shù)碼管的共陽極或共陰極則與另一I/O 口相連，控制被點亮的位。動態(tài)顯示的特點是：每一時刻只能有1位數(shù)碼管被點亮，各位依次輪流放點亮；對于每一位來 說，每隔一段時間點亮一次。為了每位數(shù)碼管能夠充分被點亮，二極管應持續(xù)發(fā)光一段時 間。利用發(fā)光二極管的余輝和人眼的駐留效應，通過適當?shù)卣{(diào)整每位數(shù)碼管被點亮的時間 間隔（一般為1mS）,可以觀察到穩(wěn)定的顯示輸出。在靜態(tài)顯示方式下，每位數(shù)碼

36、管的各個端與一個8位的I/O 口相連。要在某一位數(shù)碼管上顯示字符時，只要從對應的I/O 口輸出并鎖存其顯示代碼即可。其特點為：各數(shù)碼管 同時點亮，數(shù)碼管中的發(fā)光二極管恒定地導通或截止，直到顯示字符改變?yōu)橹?。相比而言，動態(tài)顯示方式更節(jié)省硬件資源和I/O 口，一般系統(tǒng)都會選擇該種顯示方式。 故經(jīng)綜合考慮，決定選用LED數(shù)碼管動態(tài)顯示方式。2.3系統(tǒng)硬件框圖根據(jù)產(chǎn)品功能要求，硬件設計要由以下功能模塊構(gòu)成：微處理器、數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換、 LED顯示、輸入輸出接口電路及與遠傳顯示器進行通訊的處理電路。柴油機監(jiān)控系統(tǒng)工作原理硬件框圖如圖 2.3.1所示：173. 傳感器的選用3.1轉(zhuǎn)速傳感器CS3020是

37、CS系列霍爾傳感器中比較常用的一員，它的由電壓調(diào)整器，霍爾電壓發(fā) 生器，差分放大電路，史密特觸發(fā)器及集電極開路的輸出級組成磁敏傳感電路，其輸入為 磁感應強度，輸出為電壓。CS3020的特征；CS302（工作頻率寬（100KHz），開關速度快，沒瞬間抖動，電源電壓 范圍寬，能直接和晶體管及TTL、MOS等邏輯電路接口，并且還有壽命長，體積小，方便 安裝等優(yōu)點。CS3020典型應用于無觸點開關、位置控制、轉(zhuǎn)速測量、隔離檢測、無刷電機等方面 CS3020的引腳說明CS3020只有三個引腳，1腳接電源，2腳接地，3腳接輸出，安裝簡單方便易用。其 外形如圖3.1.1。圖 3.1.1 CS3020外形CS

38、3020可組成轉(zhuǎn)速計探頭。該探頭由霍爾元件 CS3020和磁鋼組成測量電路。將2個小 磁鋼對稱固定于被測對象的旋轉(zhuǎn)主軸上。當小磁鋼測量磁路時，霍爾元件輸出高電平，其 他時間輸出為低電平；這樣圓盤每轉(zhuǎn)一周，電路輸出2個脈沖，這樣可測出被測對象的實際轉(zhuǎn)速。圖3.1.2霍爾轉(zhuǎn)速傳感器原理圖經(jīng)過轉(zhuǎn)速傳感器得到的信號是159齒的正弦信號。經(jīng)過整形處理后得到微處理器能識 別的標準方波信號。因此，選擇 CS3020是CS系列霍爾傳感器測量油壓。3.2溫度傳感器采用數(shù)字單片智能溫度傳感器智能溫度傳感器（亦稱數(shù)字溫度傳感器）是微電子技術、計算機技術和自動測試技術 （ATE）的結(jié)晶。目前，已開發(fā)出多種智能溫度傳感

39、器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部都包 含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器（或寄存器）和接口電路。有的產(chǎn)品還帶 多路選擇器、中央控制器（CPU）、隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。智能溫 度傳感器的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關的溫度控制量，適配各種微控制器（MCU）.智能溫度傳感器的總線技術也實現(xiàn)了標準化、 規(guī)范化，所采用的總線主要有單線（1-WIRE）總線、 I2C總線、SMBUS總線和SPI總線。溫度傳感器作為從機可通過專用總線接口與主機進行 通信。智能溫度控制器是在智能溫度傳感器的基礎上發(fā)展而成的。典型產(chǎn)品有DS18B20,智能溫度控制器適配各種微控制器 ，構(gòu)成智能化

40、溫控系統(tǒng)；它們還可以脫離微控制器單獨 工作,自行構(gòu)成一個溫控儀。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具 有3引腳TO- 92小體積封裝形式；溫度測量范圍為55C+ 125C ,可編程為9位12位 A/D轉(zhuǎn)換精度,測溫分辨率可達0.0625 C ,被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸 出，其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPL只需一根端口線就能與諸多 DS18B20通信,占用微處理器的端口較少， 可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。 同DS1820一樣，DS18B20也 支持“一線總線”接口，測 量溫度范圍為-

41、55 C+125C,在-10 C+85C范圍內(nèi),精度為0.5 C。DS18B20的精度較差 為土 0.2 C?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品 等。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持 3V5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設計更靈活、方便。 而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。由于DS18B20將溫度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、接口全部集成于一芯片，與 單片機連接簡單、方便，與 AD590相比是更新一代的溫度傳感器，所以溫度傳感器采用 DS18B20I/O，18GND71 27DS18B20

42、NC36NC45VCCNCNCNCDS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)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 警觸發(fā)器TH和TL,高速暫存器。DS18B20的管腳排列如圖3.2.1所示。DS18B201 2 3GNDI/OVCC圖3.2.1 DS18B20 管腳圖3.3壓力傳感器壓力傳感器的種類繁多，如應變電阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力 傳感器、諧振式壓力傳感器等。但應用最為廣泛的是應變電阻式壓力傳感器，它具有極低 的價格和較高的精度以及較好的線性特性。電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉(zhuǎn)換 成為一種電信號的敏感器件。它是應變電阻式壓力傳感器的主要組成部分之一。電阻

43、應變 片應用最多的是金屬電阻應變片、半導體應變片。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬 箔狀應變片兩種。金屬受到拉伸作用時，在長度方向發(fā)生伸長變形的同時會在徑向發(fā)生收 縮變形，其電阻會產(chǎn)生變化。通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學應 變基體上，當基體受力發(fā)生應變時，電阻應變片也一起產(chǎn)生形變，使應變片的阻值發(fā)生改 變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。應變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般 這種應變片都組成惠斯登電橋，并通過后續(xù)的系統(tǒng)表放大器進行放大， 再傳輸給處理電路， 通常是A/D轉(zhuǎn)換器和CPU。半導體應變片是利用晶體的壓阻效應制作的。晶體受到外部壓力時，晶體內(nèi)部會產(chǎn)生應變，其

44、能帶結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變，載流子的運動狀態(tài)也將發(fā)生變化， 由此引起該晶體的阻抗變化。在阻抗變化中起主導作用的是電阻率的變化。半導體應變片 的應變系數(shù)比金屬電阻應變片大 50100倍。半導體應變片制作時，是將 P型雜質(zhì)擴散到 N型硅片上，形成極薄的導電P型層，焊上引腳即成應變片，叫作擴散硅應變片。還有一 種應變片是在陶瓷基片上印刷厚膜電阻。壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生 微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠斯通電橋，由于壓敏電阻的 壓阻效應，使電橋產(chǎn)生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號。半導體應變片的最突出優(yōu)點是靈敏度大，靈敏系數(shù)可達60150,能直

45、接與記錄系統(tǒng)器連接而不需放大器，使測量系統(tǒng)簡化。此外，其橫向效應小，機械滯后小和體積小。缺 點是電阻值和靈敏度的溫度穩(wěn)定性差。當應變較大時，非線性嚴重。由于受晶向、雜質(zhì)等 因素影響，靈敏度分散度大。陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動 的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達-40135C，而且具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣強度大于2kV，輸出信號強，長期穩(wěn)定性好。高特性，低價格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向。因此，選擇陶瓷壓力傳感器測 量油壓。傳感器測量電路如圖3.3.1所示。無差壓時，電橋兩臂電流相等。差壓信號加到陶瓷 壓力傳感器電阻上，

46、壓敏電阻的阻值隨差壓而變化，引起電橋不平衡。電橋輸出電壓饋入放 大器A 1。A 1的輸出電壓通過晶體管Q 8改變輸出電流10的大小。10流過電橋的電阻反 饋網(wǎng)絡,使電橋恢復平衡。這樣，電橋輸出電壓的變化與差壓變化成對應比例關系。從而將 差壓的變化直接轉(zhuǎn)換成電信號。#圖331傳感器測量電路274. 系統(tǒng)單元電路分析與設計4.1轉(zhuǎn)速的測量電路本設計附加了對直流電動機的測速顯示功能。下面我們分別分析一下測速部分和顯示 部分的硬件連接。其原理框圖如圖4.1.1所示。CS3020圖4.1.1測速顯示部分硬件原理框圖對轉(zhuǎn)速的檢測有很多傳感器可以應用，如光學編碼器，霍爾元件和霍爾接近開關等?？紤]到成本和易用

47、性等問題，本設計選用的是霍爾元件CS3020作為測速的傳感器。在電機的轉(zhuǎn)葉上貼上兩片小磁鋼，那么電機每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器輸出兩個脈沖。CS3020的接線圖比較簡單，由檢測傳感器、單片機電路和數(shù)碼顯示電路等組成。4.1.1CS3020霍爾元件的介紹CS3020是CS系列霍爾傳感器中比較常用的一員，它的由電壓調(diào)整器，霍爾電 壓發(fā)生器，差分放大電路，史密特觸發(fā)器及集電極開路的輸出級組成磁敏傳感電路，其輸 入為磁感應強度，輸出為電壓。4.1.2CS3020的特征及應用CS3020工作頻率寬（100KHZ），開關速度快，沒瞬間抖動，電源電壓范圍寬，能 直接和晶體管及TTL、MOS等邏輯電路接口，并且還有

48、壽命長，體積小，方便安裝等優(yōu) 點。CS3020典型應用于無觸點開關、位置控制、轉(zhuǎn)速測量、隔離檢測、無刷電機等方面。 CS3020的引腳說明CS3020只有三個引腳，1腳接電源，2腳接地，3腳接輸出，安裝簡單 方便易用。CS302可組成轉(zhuǎn)速計探頭。該探頭由霍爾元件 CS302和磁鋼組成測量電路。將2個小 磁鋼對稱固定于被測對象的旋轉(zhuǎn)主軸上。當小磁鋼測量磁路時，霍爾元件輸出高電平，其 他時間輸出為低電平；這樣圓盤每轉(zhuǎn)一周，電路輸出2個脈沖，這樣可測出被測對象的實際轉(zhuǎn)速。CS3020霍爾傳感器內(nèi)部有5個部分組成，即由穩(wěn)壓電路、霍爾電勢發(fā)生器、差分放大 器、施密特觸發(fā)器以及輸出級組成。其功能是把磁信號

49、轉(zhuǎn)換成電信號，圖4.2是霍爾元件CS3020的功能圖?；魻栐為磁敏元件，當垂直于霍爾元件的磁場強度隨之變化時，其 兩端的電壓就會發(fā)生變化，經(jīng)放大和整形后。即可在3腳輸出脈沖電信號。對于開關型傳感器的正值規(guī)定是：用磁鐵的S極接近傳感器的端面所形成的 B值為正值。當B=0時，Vo為高電平；當外磁場增至Bop時，輸出Vo由高電平轉(zhuǎn)為低電平。外磁場由Bop降至Brp時,輸出 V 由低電平反向，Brp被稱為釋放點。對于 CS3O20 BOp=0.022T, BRP=0.0165T,Vol =80 150mV, Voh =4V，工作電壓為 4.5V 24V。圖4.1.2CS3020的功能框圖4.2 L

50、ED顯示的硬件電路本系統(tǒng)使用四位共陽數(shù)碼管顯示直流電動機的轉(zhuǎn)速，為了節(jié)省I/O 口，我們使用74LS47來把四位的BCD碼轉(zhuǎn)換成七段LED顯示，所以在單片機中輸出轉(zhuǎn)速的數(shù)值要用 BCD表示，會詳細在下一章的軟件部分講到。下面給出LED與單片機的接口電路圖，如圖 4.2.1。圖4.2.1 LED與單片機接口的硬件圖由上圖可以看到，單片機P2.0P2.1、P2.2和P2.3作為BCD碼的輸出口，分別與74LS47 的A、B、C和D引腳相接。單片機的P2.4、P2.5、P2.6和P2.7分別作為四位LED的由低 位到高位的選通腳。設計中我采用了通過控制三極管來選通 LED的方法。所使用的三極管 是9

51、014,該三極管是NPN管，當給它一個高電平時就導通，給它低電平時截止。由于LED 正常的工作電壓為3.5V左右，如果直接給LED選通端接5V電壓，LED可能會燒毀，所 以先接兩個壓降為0.7V的普通二極管進行降壓后再送到三極管的集電極。這樣做可以保證 LED能正常地工作。4.3頻率測量電路本系統(tǒng)用AT89S51單片機為核心的柴油機發(fā)電機組頻率測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用全浮 空雙端光電隔離技術，以及對輸入信號正負半周期交替計數(shù)方法，使系統(tǒng)可靠性、信號反應 靈敏度大為提高，并且具有電路簡單、通用性強等優(yōu)點。特別適合于在頻率電壓變換器、轉(zhuǎn) 速繼電器以及電氣液壓型調(diào)速器的測頻回路中推廣應用。測頻電路：以A

52、T89S51單片計算機為核心的柴油機發(fā)電機頻率測量系統(tǒng)的測頻電路總 體結(jié)構(gòu)如圖1所示。取發(fā)電機端電壓互感器或電網(wǎng)電壓互感器的測頻輸入信號，經(jīng)削波、濾波處理后，變成幅度基本不變的穩(wěn)定波形，再經(jīng)施密特電路放大整形，得到正負幅值基本相 等、占空比約為50%的方波。然后，通過光電耦合器使單片機系統(tǒng)與輸入信號隔離。單片機對隔離后的方波信號的 周期進行計數(shù)，利用其運算功能對周期數(shù)進行倒數(shù)運算（f=1/T）,得到信號的頻率數(shù)，該頻率數(shù) 經(jīng)12位高速PWM進行數(shù)字脈寬變換，再經(jīng)過光電耦合以實現(xiàn)單片機系統(tǒng)與輸出信號之間 的隔離。來自光電耦合器的輸出信號經(jīng)精密整形限幅后實現(xiàn)幅值恒定、脈寬與頻率值對應 的脈沖信號。

53、最后從有源濾波器輸出便得到了隨輸入信號頻率變化的直流信號，從而完成了 由F-V的測量任務。該單片機應用系統(tǒng)采用了抗干擾能力很強的全浮空方法，即微機系統(tǒng)不但與輸入通道隔離，還與輸出通道隔離，因而大大提高了系統(tǒng)硬件的抗干擾能力。測頻輸入部分測頻輸入部分的具體電路如圖431所示。取自發(fā)電機端電壓互感器的信號，正常值為 100 V的正弦波,在發(fā)電機失去勵磁的情況下，一般有2 V左右的殘壓輸出，并且機組的端電 壓隨轉(zhuǎn)速降低而減小。通過選擇合適的元件和電路參數(shù)，該電路能保證輸入信號在0.2150V之間可靠工作。圖4玉1頻率輸入電路測頻原理AT89S51內(nèi)部定時/計數(shù)器T0與定時/計數(shù)器T1工作在模式一的結(jié)

54、構(gòu)圖。當TRO= “ 1” , GATE0= “ 1”時,計數(shù)器T0的計數(shù)開關受INT0腳控制。同樣地,TR1= “ 1” , GATE仁“ 1” 時,計數(shù)器T1的計數(shù)開關受INT1腳控制。從圖3中可以看出INT0與INT1恰好是邏輯非 關系。因此，當INT0= “1”時,T0計數(shù)器開始記數(shù),同時，INT仁“0” , T1計數(shù)器停止計數(shù), 并INT1腳產(chǎn)生中斷信號,請求CPU取數(shù)。反之，當INT1= “1”時,T1開始計數(shù)，此時INT0=“0” , TO停止計數(shù)，并由INTO腳產(chǎn)生一個中斷請求信號，請求CPU取數(shù)。這樣一來，在一個 信號周期內(nèi),T0計數(shù)器的計數(shù)值與T1計數(shù)器的計數(shù)值之和即為周期數(shù)(NT)。通過軟件處理 即可求得對應的頻率數(shù) Nf=K/NT。4.4相序缺相檢測保護電路設計在電子、電力、系統(tǒng)表、自動控制和電力電子等設備中，往往需要檢測判斷三相交 流電源的相序和是否缺相，如果產(chǎn)生缺相或者是相序有誤的時候就要及時形成保護。特別 是對于只允許單向旋轉(zhuǎn)的設備而言，如果相序有誤可能造成其旋轉(zhuǎn)件損壞；如載人電梯因 相序的改變，使運行方向與預定方向相反，可能危及人身安全。這時就有必要采取措施進 行相序檢測。相序、缺相檢測電路原理根據(jù)三相交流電知識三相交流電的相電壓三角 函數(shù)表達式為：UA=Um sin 3 t2兀UB=Um sin(31-)3Uc