基于弧光原理的風(fēng)力發(fā)電機(jī)保護(hù)軟件設(shè)計(jì)

1、湖南大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)設(shè)計(jì)（論文）題目：基于弧光原理的風(fēng)力發(fā)電 機(jī)保護(hù)軟件設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：沈若松學(xué)生學(xué)號(hào)：201207010516專業(yè)班級(jí)：電自（5）學(xué)院名稱：電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師：魯文軍學(xué)院院長(zhǎng)：王耀南20 年 月 日I湖南大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）湖 南 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的設(shè)計(jì)（論文）是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本

2、人承擔(dān)。學(xué)生簽名：日期：20 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）版權(quán)使用授權(quán)書本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交設(shè)計(jì)（論文）的復(fù)印件和電子版，允許設(shè)計(jì)（論文）被查閱和借閱。本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本設(shè)計(jì)（論文）的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本設(shè)計(jì)（論文）。本設(shè)計(jì)（論文）屬于1、保 密 ，在 年解密后適用本授權(quán)書。2、不保密 。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”）學(xué)生簽名： 日期：20 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期：20 年 月 日基于弧光原理的風(fēng)力發(fā)電機(jī)保護(hù)軟件設(shè)計(jì)摘 要風(fēng)是沒有公害的能源

3、之一，它取之不盡，用之不竭。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國(guó)的重視。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，已在國(guó)內(nèi)大規(guī)模裝設(shè)。但是，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的保護(hù)卻沒有得到相應(yīng)的重視，風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路故障時(shí)有發(fā)生。發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路電流與短路性質(zhì)和短路位置有很大關(guān)系，但一般都會(huì)造成弧光放電，此時(shí)如不及時(shí)切除故障，完全可能發(fā)展成直接短路直至燒毀發(fā)電機(jī)。故本文針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)可能發(fā)生的弧光故障研發(fā)出新型弧光保護(hù)裝置，通過照度傳感器對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，在發(fā)生弧光故障時(shí)及時(shí)的將故障切除，減小對(duì)發(fā)電機(jī)組中設(shè)備的損壞。另外加入溫度和濕度傳感器，對(duì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，并在上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真

4、結(jié)果到達(dá)了預(yù)期的效果。本課題的研究可用于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的保護(hù)，具有實(shí)際意義。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；弧光保護(hù)；單片機(jī)；I2C總線Based on the principle of arc wind generator protection software designAbstractThe wind is one of the energy without public nuisance, it unlimited. Wind power as a kind of clean renewable energy, more and more get the attention of the c

5、ountries all over the world. Doubly-fed induction wind generator is the most widely used wind turbines, have been erected in the domestic large-scale. However, the protection of the wind turbine is didn't get the attention of the corresponding, wind generator internal short circuit fault occur.G

6、enerator internal short circuit current has a lot to do with the nature of short circuit and short circuit position, but generally cause arc discharge, if not timely removal of faults, at this time may develop into a direct short circuit completely until the burning generators. So the wind turbine,

7、the author of this paper the possibility of arc fault developed new arc protection device, through the illumination sensor to monitor it, in the case of arc fault timely failure amputated, minimising damage in generating set equipment. Addition, temperature and humidity sensor to monitor generator r

8、unning environment, and in the upper machine on the system simulation, real results reach the expected effect.This topic research can be used in the protection of double-fed induction wind turbines, has practical significance.Key words: wind turbine; Arc protection; Single chip microcomputer; The I2

9、C bus目 錄畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）版權(quán)使用授權(quán)書I摘 要IIAbstractIII1緒論11.1課題研究背景及意義11.1.1 風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展11.1.2 常用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組概述21.2 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀31.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障特性分析41.4 課題的目的52 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的弧光保護(hù)及其特點(diǎn)62.1弧光的產(chǎn)生和危害62.1.1 弧光放電的產(chǎn)生和原理62.1.2 弧光放電的危害62.2 弧光保護(hù)概述72.3本章小結(jié)83 弧光保護(hù)的硬件方案83.1 總體硬件結(jié)構(gòu)83.2 硬件模塊及其選型簡(jiǎn)述93.2.1 電源模塊93.2.2 單片機(jī)模塊103.2.3 I2C總擴(kuò)展模塊103.2

10、.4 與上位機(jī)接口模塊103.2.5傳感器模塊103.3 本章小結(jié)114 弧光保護(hù)的軟件設(shè)計(jì)114.1 I2C總線通信114.2 I2C器件介紹124.2.1 光照傳感器124.2.2 溫度傳感器144.2.3溫濕度傳感器164.2.4 I2C總線擴(kuò)展器件174.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)204.3.1 主程序設(shè)計(jì)204.3.2 I2C通信模塊程序設(shè)計(jì)214.3.3串口通信模塊子程序設(shè)計(jì)234.3.4 外部中斷子程序設(shè)計(jì)244.4 本章小節(jié)255 軟件仿真結(jié)果255.1串口調(diào)試助手255.2軟件仿真及數(shù)據(jù)分析255.2.1 溫度傳感器仿真及數(shù)據(jù)分析255.2.2 溫濕度傳感器仿真及數(shù)據(jù)分析265.2.3

11、 照度傳感器仿真及數(shù)據(jù)分析275.3 本章小結(jié)286 總結(jié)與展望286.1 研究工作總結(jié)286.2 課題展望29參考文獻(xiàn)30致謝31331緒論1.1課題研究背景及意義1.1.1 風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展隨著當(dāng)今社會(huì)的不斷發(fā)展，越來越多的能源與環(huán)境問題涌現(xiàn)出來。以煤炭、天然氣、石油等燃料作為能源的發(fā)電廠產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是目前世界環(huán)境惡化的重要因素。而核能發(fā)電因?yàn)楹藦U料的處理問題，也不利于環(huán)境保護(hù)。在可持續(xù)發(fā)展的要求下，風(fēng)能作為一種無污染、無公害的可再生能源，在各種形式的能源中脫穎而出。與傳統(tǒng)發(fā)電形式相比，風(fēng)力發(fā)電具有不消耗礦物質(zhì)和水資源，減排CO2、SO2、NOx 及煙塵污染物等各種優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)出巨大的潛力。

12、就全球而言，現(xiàn)已知世界總風(fēng)能資源高達(dá)53萬億千瓦時(shí)，到2020年，世界電力需求預(yù)計(jì)為25萬億千瓦時(shí)/年，可再生的風(fēng)能資源將比世界預(yù)期電力需求的2倍還多。在聯(lián)合國(guó)1995年所做的一份調(diào)查報(bào)告中，水能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等清潔能源的開發(fā)利用被認(rèn)為是最有利于人類的，而這之中最經(jīng)濟(jì)的就是發(fā)展太陽能和風(fēng)能。風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)前景被各國(guó)看好，歐洲國(guó)家更是其中的先驅(qū)。德國(guó)最重視風(fēng)電的發(fā)展，對(duì)風(fēng)電發(fā)展做出了長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，并指出到了2050年實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電量占到總用量的一半。丹麥的風(fēng)電業(yè)已滿足全國(guó)用電需求的18%，法國(guó)、意大利、英國(guó)也都開始制定風(fēng)電的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃并取得了成效。至于美洲，美國(guó)的風(fēng)電發(fā)展占居領(lǐng)先地位，預(yù)計(jì)到了2

13、050年美國(guó)風(fēng)電量能占總發(fā)電總量的10%1。亞洲的風(fēng)電也是發(fā)展迅速，以印度為例，其風(fēng)電裝機(jī)容量近乎中國(guó)的3.5倍，已經(jīng)成為世界第四大風(fēng)電國(guó)。就我國(guó)來說，我國(guó)的風(fēng)力資源也是非常豐富，實(shí)際可開發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量2.53億千瓦時(shí)2。由于起步較晚，風(fēng)電廠裝機(jī)容量較小，雖在近年以年均20%的速度遞增，但其容量仍只能占全國(guó)發(fā)電總?cè)萘康?.15%。國(guó)內(nèi)對(duì)風(fēng)能的利用還難以形成有規(guī)模效益的產(chǎn)業(yè)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的制造和控制和歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有不小的差距，風(fēng)電發(fā)展遠(yuǎn)未成熟。不過風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)被國(guó)家發(fā)改委確立為重點(diǎn)發(fā)展的可再生能源之一，并在近年的發(fā)展中取得不少突破。根據(jù)規(guī)劃，到2020年中國(guó)裝機(jī)容量將達(dá)到3千萬千瓦，其發(fā)展前

14、景也是十分廣闊。因此，風(fēng)力發(fā)電在成本不斷降低和技術(shù)日趨成熟的情況下，已經(jīng)成為電力系統(tǒng)所有新能源里相對(duì)增長(zhǎng)最快的發(fā)電方式。大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電將有助于實(shí)現(xiàn)能源的安全和多元化、減少化石燃料造成的環(huán)境污染、替代核能，對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、能源結(jié)構(gòu)改善、可持續(xù)發(fā)展的促進(jìn)有決定性作用。1.1.2 常用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組概述目前市場(chǎng)上使用的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)分為恒速恒頻 (constant speed constant frequency，CSCF)和變速恒頻(variable speed constant frequency，VSCF)兩類。恒速恒頻系統(tǒng)使用同步發(fā)電機(jī)或感應(yīng)發(fā)電機(jī)，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)以保持風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速恒

15、定，從而實(shí)現(xiàn)頻率的恒定。恒速恒頻風(fēng)力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是投資少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)方便。但它有著明顯的缺點(diǎn)，如風(fēng)能利用率低，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直接與電網(wǎng)耦合，風(fēng)電特性直接對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響等。變速恒頻是交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)，采用繞線式異步電機(jī)，或者級(jí)聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)。它的優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)能利用率高，降低了發(fā)電與電網(wǎng)之間的影響，更適應(yīng)市場(chǎng)需求，缺點(diǎn)是含結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，技術(shù)難度大等。目前應(yīng)用最廣泛的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是這類中的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DFIG，Double-Fed Induction Generator）。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)又可稱之為交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，它的結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)類似，由定子繞組直連定頻三相電網(wǎng)的繞線型異

16、步發(fā)電機(jī)和安裝在轉(zhuǎn)子繞組上的雙向背靠背IGBT電壓源變流器組成。這種發(fā)電機(jī)運(yùn)用變頻器實(shí)現(xiàn)它的交流勵(lì)磁，轉(zhuǎn)差功率由變頻器供給，容量的需求大大減小。頻率恒定的對(duì)稱三相電源激勵(lì)定子繞組，頻率可調(diào)的對(duì)稱三相電源激勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組，定轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)差頻率確定電機(jī)轉(zhuǎn)速。工作原理上，雙饋異步電機(jī)與一般的異步電機(jī)基本一致。不過二者之間也有區(qū)別，一般異步電機(jī)轉(zhuǎn)子電流頻率由電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，取決于轉(zhuǎn)子短路條感應(yīng)電勢(shì)頻率，而雙饋異步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的頻率可以隨外加交流勵(lì)磁電源供電的變化調(diào)節(jié)。根據(jù)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，發(fā)電系統(tǒng)可調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的頻率以實(shí)現(xiàn)恒頻輸出；通過改變勵(lì)磁電流的幅值和相位還可獨(dú)立調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功、無功功率。雙饋式風(fēng)力發(fā)

17、電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖11。網(wǎng)側(cè)變頻器轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器齒輪箱G雙饋發(fā)電機(jī)電網(wǎng)風(fēng)力機(jī)圖1.1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)1.2 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀風(fēng)力發(fā)電在近幾年已得到大規(guī)模應(yīng)用。應(yīng)用初期，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)容量普遍較小，風(fēng)力發(fā)電機(jī)均未配置專門的保護(hù)。隨著風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目逐漸增多，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量也不斷增大。新增裝機(jī)中2MW及以上容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)逐漸成為主流，如雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量普遍為2MW，最大的可以做到5MW甚至10MW。在這種情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的保護(hù)卻沒有得到重視。以目前應(yīng)用最多的2MW機(jī)組為例，發(fā)電機(jī)只在繞組內(nèi)部預(yù)埋溫度傳感器，發(fā)電機(jī)如遇各種故障只能通過溫度繼電器保護(hù)來將其切除。風(fēng)力發(fā)電機(jī)大多數(shù)都裝設(shè)

18、在高原和沿海地區(qū)。高原地區(qū)有絕緣條件差的特點(diǎn)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)發(fā)生絕緣擊穿短路的概率大。而沿海地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的受潮情況也是相當(dāng)嚴(yán)重。在這些不良因素的影響下，一旦發(fā)電機(jī)發(fā)生外部短路，就會(huì)引起其內(nèi)部繞組過流。如果繞組發(fā)生內(nèi)部相間或匝間短路、匝對(duì)地短路，而發(fā)電機(jī)是電源，內(nèi)部故障情況無法通過外部電流測(cè)量正確反應(yīng)，這使得發(fā)電機(jī)繞組有被燒毀的可能。從近年來對(duì)電機(jī)制造企業(yè)考察調(diào)研的情況來看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部的短路故障時(shí)有發(fā)生，如相間短路，或是相對(duì)地短路都并不鮮見。一旦故障發(fā)生，只能更換風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞組，不僅損失了發(fā)電量，還要承擔(dān)高額的更換維修費(fèi)用。按照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)電機(jī)容量超過1MW，電動(dòng)機(jī)容量超過2MW，必須配置

19、差動(dòng)保護(hù)。而目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)因某些歷史原因，未考慮配置復(fù)雜的保護(hù)，其中性點(diǎn)側(cè)繞組也就沒考慮引出，因此無法測(cè)量中性點(diǎn)側(cè)的電流。這也導(dǎo)致現(xiàn)有的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)無法配置差動(dòng)保護(hù)。而另一方面，現(xiàn)在的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)變壓器與發(fā)電機(jī)距離相當(dāng)接近，有與發(fā)電機(jī)一起裝在機(jī)艙內(nèi)的，也有于塔基架處裝設(shè)的。電網(wǎng)局部故障發(fā)生頻繁，如欠電壓、過電壓、電網(wǎng)尖峰、低頻、高頻、相不平衡、電網(wǎng)電壓跌落以及電網(wǎng)電壓、頻率的波動(dòng)等，因此大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一定要采取更有效的方式來進(jìn)行保護(hù)。綜上所述，如何建立快速有效的風(fēng)力發(fā)電機(jī)保護(hù)方式，是廣大風(fēng)力發(fā)電機(jī)開發(fā)研究者以及各個(gè)電機(jī)制造企業(yè)需要迫切解決的問題。接下來將以DIFG為對(duì)象分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)短路

20、故障的具體特點(diǎn)和其通常的保護(hù)方式。 1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障特性分析雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前應(yīng)用最廣的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，故選其作為本節(jié)討論對(duì)象。并網(wǎng)運(yùn)行的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組與基于異步發(fā)電機(jī)的定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組的短路特性有極大的差異，電機(jī)各相電流在短路故障發(fā)生瞬間發(fā)生突變，按指數(shù)規(guī)律衰減，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的短路狀態(tài)，并維持運(yùn)行。雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組模型中，雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子只考慮勵(lì)磁支路，所以短路電流的初值由定子繞組暫態(tài)電抗與其非周期電流的初值來決定，其短路電流依次根據(jù)定子繞組暫態(tài)時(shí)間常數(shù)與其時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律衰減。當(dāng)線路發(fā)生三相短路故障，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在僅能提供瞬間性短路電流，而持續(xù)短路電流約等于0。而當(dāng)線路發(fā)生

21、兩相短路故障，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)卻能提供很大的持續(xù)短路電流3。若發(fā)生電力系統(tǒng)故障，即使與風(fēng)機(jī)距離很遠(yuǎn)，也可能導(dǎo)致雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接點(diǎn)處電壓暫降。電網(wǎng)電壓暫降時(shí)，DFIG會(huì)產(chǎn)生電壓和電流的振蕩，降落的百分比越大，振蕩越劇烈。因定子和轉(zhuǎn)子之間磁鏈耦合，電網(wǎng)電壓的暫降會(huì)導(dǎo)致雙饋電機(jī)定子繞組電流的增加，這電流也會(huì)涌入轉(zhuǎn)子回路和功率電子變流器。雙饋發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)有兩個(gè)弱阻尼極點(diǎn)，它們的振蕩頻率接近于電網(wǎng)頻率，如果雙饋電機(jī)暴露于這些電網(wǎng)擾動(dòng)的極點(diǎn)就會(huì)引起磁通振蕩。在擾動(dòng)下，需增加轉(zhuǎn)子電壓以控制轉(zhuǎn)子電流，當(dāng)所需電壓超過變流器的電壓限制，就不能按需要控制電流。這說明電壓暫降會(huì)引起轉(zhuǎn)子回路的高電流和高電壓，嚴(yán)重時(shí)

22、將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)的變流器過流或變流器直流側(cè)的電容過壓。為了防止過壓或是過流對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)的變流器造成危害，通常于轉(zhuǎn)子側(cè)安裝撬杠保護(hù)電路來保護(hù)變流器，這種保護(hù)方法稱為撬杠保護(hù)。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在故障時(shí)能提供短時(shí)故障電流。因其撬杠保護(hù)十分靈敏，發(fā)生故障后快速動(dòng)作，短接轉(zhuǎn)子繞組，使變流器退出運(yùn)行；而定子電壓電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間卻相對(duì)較長(zhǎng)，所以，故障切除前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)以接近于異步電機(jī)的方式來提供短路電流4。風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供故障電流的時(shí)間和故障點(diǎn)位置相關(guān)。若故障發(fā)生在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)感受到較大的沖擊，風(fēng)力發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作快速，使并網(wǎng)斷路器跳開，風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供故障電流時(shí)間很短。若故障點(diǎn)遠(yuǎn)離風(fēng)電場(chǎng)，其距離風(fēng)電場(chǎng)越遠(yuǎn)，風(fēng)力發(fā)

23、電機(jī)受到故障沖擊越小，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間因此增加，風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供故障電流時(shí)間也變長(zhǎng)4。故雙饋異步發(fā)電機(jī)提供故障電流持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)度取決于保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。以前，并網(wǎng)風(fēng)電廠容量較小，在發(fā)電機(jī)保護(hù)配置及其整定計(jì)算時(shí)普遍未考慮風(fēng)電場(chǎng)影響，而是簡(jiǎn)單地將其作為一個(gè)負(fù)荷，或?qū)L(fēng)力發(fā)電機(jī)視作同步發(fā)電機(jī)處理，不考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供的短路電流。然而，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)接入系統(tǒng)的規(guī)模越來越大， 在電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)將向短路點(diǎn)提供一 定的短路電流。在此情況下，發(fā)電機(jī)保護(hù)配置及其整定計(jì)算受風(fēng)電場(chǎng)的影響往往會(huì)出現(xiàn)偏差，實(shí)際運(yùn)行時(shí)甚至可能引起保護(hù)裝置誤動(dòng)56。1.4 課題的目的從上述分析可以看出，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障時(shí)的短路電流與同步

24、發(fā)電機(jī)的故障電流不同，它們對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的繼電保護(hù)產(chǎn)生不同的影響，對(duì)于保護(hù)措施的要求非常高，而常用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)保護(hù)方式由于第一章所述的歷史原因，難以正確、可靠地動(dòng)作，新型的弧光保護(hù)在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生。故本課題的目的在于的研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的弧光保護(hù)和其軟件設(shè)計(jì)，包括在在原理上闡述它的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)弧光保護(hù)硬件原理，和軟件程序的編寫。本論文的研究工作安排如下：（1）在查閱了多種文獻(xiàn)和材料的基礎(chǔ)上，了解弧光保護(hù)的原理，分析其比起傳統(tǒng)保護(hù)方法的優(yōu)勢(shì)。（2）簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)，完成硬件系統(tǒng)各個(gè)組成部分，包括電源、單片機(jī)、傳感器等的選型。（3）進(jìn)行軟件程序的設(shè)計(jì)。包括熟悉I2C總線通信技術(shù)，串口及外部中斷的

25、使用，程序的設(shè)計(jì)與編寫。（4）對(duì)軟件程序進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的弧光保護(hù)及其特點(diǎn)2.1弧光的產(chǎn)生和危害2.1.1 弧光放電的產(chǎn)生和原理電弧是放電過程中發(fā)生的一種現(xiàn)象，兩點(diǎn)間的電壓超過其工頻絕緣強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)發(fā)生。當(dāng)適當(dāng)?shù)臈l件出現(xiàn)時(shí)，一個(gè)攜帶著電流的等離子產(chǎn)生，直到電源側(cè)的保護(hù)設(shè)備斷開才會(huì)消失?？諝庠谕ǔl件是很好的絕緣體，但由于溫度的升高或者其他外部因素的作用，其化學(xué)和物理特性發(fā)生改變時(shí)，它可能變成通電的導(dǎo)體?？諝獗浑婋x的同時(shí)，溫度隨之急劇上升產(chǎn)生電弧，這種放電稱為弧光放電?；」夥烹姰a(chǎn)生的條件是小間隙和大電流，類似地，電路兩相發(fā)生短路便可以產(chǎn)生電弧。電弧被拉長(zhǎng)和冷卻，會(huì)

26、導(dǎo)致維持它的必要條件缺失進(jìn)而熄滅，如增加間隙或減小電流，電弧將會(huì)消失。弧光放電一般不需要很高的電壓，屬于低電壓大電流放電。引起弧光放電的因素多種多樣，經(jīng)過對(duì)電廠的調(diào)研，主要包含以下幾點(diǎn)：（1）使用不良性能導(dǎo)電體；（2）絕緣材料損壞（包括：進(jìn)水、裂痕、老化等）；（3）人或其他物品意外接觸到帶電物體；（4）操作過程失誤或者設(shè)計(jì)或安裝錯(cuò)誤 ；（5）元件損壞，無良好的保養(yǎng)和維修設(shè)備；（6）過電壓；（7）電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變（電纜應(yīng)用增多、系統(tǒng)容量增大）。從第一章的敘述可以得知，裝設(shè)在高原和沿海地帶的風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣條件差，元件極容易受潮，且風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量在近年來不斷增大，導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變頻繁。故風(fēng)力

27、發(fā)電機(jī)若發(fā)生短路故障，產(chǎn)生持續(xù)的短路大電流，一般都造成弧光放電。2.1.2 弧光放電的危害形成弧光放電的方式主要是電弧性短路起火。如將兩電極接觸之后再拉開建立電弧，則維持這10mm長(zhǎng)的電弧只需要20V電壓。也就是說只需先接觸，之后又分開，就很可能產(chǎn)生局部高溫的電弧而成為火源。 在發(fā)電設(shè)備方面，弧光對(duì)設(shè)備的損害與其持續(xù)的時(shí)間有很大的關(guān)系，當(dāng)弧光時(shí)間超過100ms時(shí)，弧光產(chǎn)生的能量指數(shù)級(jí)別上升。即使是小電流故障也能產(chǎn)生弧光，當(dāng)發(fā)生非經(jīng)屬性短路故障時(shí)，故障電流可能很小，但如不及時(shí)切除故障，完全可能發(fā)展成直接短路直至燒毀發(fā)電機(jī)。對(duì)于一些重要的發(fā)電廠，若電弧光沒得到及時(shí)處理，或是處理不當(dāng)，還將

28、導(dǎo)致更嚴(yán)重的后果。其可能點(diǎn)燃發(fā)電機(jī)組內(nèi)器件，使絕緣物質(zhì)燃燒，金屬熔化飛濺，甚至引起火災(zāi)、爆炸，大面積燒毀配電設(shè)備，破壞直流系統(tǒng)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。2.2 弧光保護(hù)概述當(dāng)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生電弧，可通過三種不同的設(shè)計(jì)理念保護(hù)操作人員和設(shè)備的安全：（1）改良設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)，使之能承受電?。ū粍?dòng)保護(hù)）。（2）給設(shè)備安裝限制內(nèi)部電弧效應(yīng)的裝置（主動(dòng)保護(hù)）。（3）給設(shè)備安裝限流斷路器。這三種方案（可聯(lián)合使用）已在電氣工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)得到快速發(fā)展，并為一些主要的開關(guān)控制柜制造商所使用。其中限制內(nèi)部電弧效應(yīng)的裝置是一種主動(dòng)保護(hù)裝置，其內(nèi)部含有機(jī)電與電子裝置，通過安裝限電弧裝置，監(jiān)測(cè)內(nèi)部出現(xiàn)的故障電弧，比被動(dòng)保護(hù)裝置更加復(fù)雜

29、?，F(xiàn)我們也可以借鑒開關(guān)柜的經(jīng)驗(yàn)，將其運(yùn)用到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的保護(hù)中。主動(dòng)保護(hù)有兩種常見的方法，一是使用壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，二是使用弧光傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。第一種方法采用壓力傳感器作弧光探測(cè)單元，壓力波是裝置內(nèi)發(fā)生電弧事故的效應(yīng)之一，它在電弧出現(xiàn)10-15毫秒后出現(xiàn)，可安裝一些壓力傳感器探測(cè)壓力峰值。當(dāng)內(nèi)部壓力達(dá)到某個(gè)設(shè)定值時(shí)，弧光監(jiān)測(cè)裝置發(fā)出指令，控制開關(guān)器件動(dòng)作。但是要確定電弧在設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生的過壓值并非易事，故這種方法的應(yīng)用并不廣泛。第二種方法則是由于電弧現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈光輻射的特點(diǎn)，運(yùn)用弧光傳感器探測(cè)弧光。當(dāng)弧光監(jiān)控系統(tǒng)探測(cè)到故障，會(huì)給斷路器發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。這種方法非常符合風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障特點(diǎn)，保護(hù)系統(tǒng)

30、根據(jù)弧光檢測(cè)和過流檢測(cè)原理，動(dòng)作快、可靠性高，可以有效保護(hù)發(fā)電機(jī)內(nèi)部弧光故障和外部短路過流。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)生繞組內(nèi)部短路時(shí)，通過弧光檢測(cè)能迅速判斷出故障并發(fā)出跳閘信號(hào)。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)生外部短路時(shí)，利用常規(guī)電流保護(hù)的保護(hù)功能即可。運(yùn)用第二種方法，風(fēng)力發(fā)電機(jī)弧光保護(hù)內(nèi)部故障的動(dòng)作時(shí)間為710毫秒，遠(yuǎn)快于各種傳統(tǒng)保護(hù)方式，能將故障損失降到最低，為快速處理事故，恢復(fù)供電創(chuàng)造條件。2.3本章小結(jié)本章主要介紹了弧光放電的原理和危害、弧光保護(hù)的原理和弧光保護(hù)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)保護(hù)的優(yōu)勢(shì)。說明風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一旦發(fā)生故障，出現(xiàn)短路電流，則基本都會(huì)發(fā)生弧光放電。若電弧不得到及時(shí)處理，還會(huì)帶來極其嚴(yán)重的后果。提出能夠克服

31、這些問題的新型弧光保護(hù)，特別是運(yùn)用弧光傳感器監(jiān)測(cè)電弧的方法，動(dòng)作快、可靠性高，完全符合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的需求。3 弧光保護(hù)的硬件方案弧光保護(hù)裝置需要具備這兩個(gè)功能：一是通過單片機(jī)串口與上位機(jī)通信；二是對(duì)照度傳感器設(shè)置上限閥值，當(dāng)傳感器檢測(cè)到光強(qiáng)超過該閥值時(shí)，系統(tǒng)能控制對(duì)應(yīng)繼電器吸合。這些功能需要合理的硬件和軟件設(shè)計(jì)來共同實(shí)現(xiàn)，其中 硬件結(jié)構(gòu)是軟件程序的基礎(chǔ)，本章主要是簡(jiǎn)要介紹總體硬件方案，闡述各個(gè)硬件模塊的功能及選型。3.1 總體硬件結(jié)構(gòu)本保護(hù)裝置采取全數(shù)字化設(shè)計(jì)，采用四路照度傳感器(ISL29023)、四路溫度傳感器(LM75A)、四路溫濕度傳感器(SHT21)、四路開關(guān)量輸入和四路繼電器輸出(

32、無源觸點(diǎn))。這之中，溫度、照度和溫濕度傳感器在實(shí)際使用中只需接三路，剩下一路備用。調(diào)試是四路繼電器輸出的作用，作用于硬件系統(tǒng)的調(diào)試的有三路，單片機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送的指令時(shí)，根據(jù)相應(yīng)的指令使這三路繼電器動(dòng)作；當(dāng)傳感器檢測(cè)到超設(shè)定閥值光強(qiáng)時(shí)，剩下一路動(dòng)作。 其主控部分選用STCl1L60XE單片機(jī)，其電源部分選用AC-DC隔離電源，使輸入輸出都能實(shí)現(xiàn)隔離，而傳感器和主機(jī)通訊選用I2C數(shù)字接口，且使隔離擴(kuò)展加入，有效將通訊距離延長(zhǎng)，使通訊可靠性提高，與上位機(jī)接口部分則配置RS-232接口、USB接口和CAN 接口，可以任選其一實(shí)現(xiàn)通訊7。本文的上位機(jī)即指PC，在PC上運(yùn)行串口調(diào)試軟件，用于調(diào)試系統(tǒng)。

33、該保護(hù)系統(tǒng)使用MCU的IO口模擬I2C總線，并通過帶有I2C接口的傳感器對(duì)環(huán)境中的溫度、照度以及濕度進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和傳感器間的I2C 總線通信。 通過單片機(jī)串口與上位機(jī)之間的連接，連接時(shí)以8位的撥碼開關(guān)選擇需求的接口，在設(shè)置撥碼開關(guān)為00000011時(shí)，選擇RS232接口進(jìn)行通信；為00001100 時(shí)，選擇CAN接口通信；在設(shè)置為00110000時(shí)，選擇USB接口通信。并應(yīng)用上位機(jī)串口調(diào)試軟件調(diào)試系統(tǒng)。 系統(tǒng)重點(diǎn)是監(jiān)測(cè)環(huán)境照度數(shù)據(jù)，如果照度值超越設(shè)定上限閥值便會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)來控制繼電器吸合。3.2 硬件模塊及其選型簡(jiǎn)述系統(tǒng)的硬件主要包括電源模塊，單片機(jī)模塊，I2C總線擴(kuò)展模塊，與上位機(jī)

34、接口模 塊以及傳感器模塊。硬件主要結(jié)構(gòu)框圖如圖31所示。RS-232接口USB接口CAN接口撥碼開關(guān)單片機(jī)STCl1L60XE電源模塊溫度傳感器光照傳感器溫濕度傳感器I2C總線通信模塊外部中斷源繼電器圖31 硬件結(jié)構(gòu)框圖3.2.1 電源模塊 電源模塊負(fù)責(zé)給系統(tǒng)的各個(gè)模塊提供匹配且穩(wěn)定的電源。采用ZY0012GD5W作為 總的AC-DC電源，并與之配合使用數(shù)種隔離電源以減少外部交流信號(hào)的干擾，同時(shí)將匹配的電壓向各個(gè)模塊提供。3.2.2 單片機(jī)模塊 單片機(jī)模塊為系統(tǒng)核心模塊，采用STCl1L60XE單片機(jī)來作主控制器負(fù)責(zé)管理并控制這個(gè)系統(tǒng)。因STC單片機(jī)無I2C總線接口，本系統(tǒng)利用單片機(jī)P0.0和

35、P0.1管腳以模擬I2C總線，來實(shí)現(xiàn)其和各個(gè)傳感器間數(shù)據(jù)通信；并選擇P30和P31管腳作單片機(jī)和上位機(jī)間串口通信發(fā)送與接收的端口；利用P32 管腳作外部中斷的請(qǐng)求源，在光強(qiáng)超設(shè)定閥值令CPU對(duì)中斷請(qǐng)求作出相應(yīng)；P20P23管腳則是對(duì)應(yīng)這四路繼電器的輸出管腳。 3.2.3 I2C總擴(kuò)展模塊 I2C總線擴(kuò)展模塊用于增加I2C接口數(shù)量，延長(zhǎng)I2C總線通信距離。以I2C總線擴(kuò)展模塊來擴(kuò)展總線，并令傳感器接I2C總線，能使系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)變得方便。該模塊的總線擴(kuò)展器件為PCA9545A，能使總線從一路擴(kuò)展到四路。傳感器和主控制器間的接口則是I2C串行總線，I2C總線通常用作板內(nèi)通信，因?yàn)樵趯?duì)發(fā)電機(jī)組各數(shù)

36、據(jù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，各測(cè)量點(diǎn)間距離較遠(yuǎn)，所以需延長(zhǎng)I2C的通信距離。本模塊采用P82896 能對(duì)I2C總線的通信距離進(jìn)行有效延長(zhǎng)，同時(shí)減小發(fā)電機(jī)內(nèi)部對(duì)系統(tǒng)的影響較大的電磁干擾。其一端連接在單片機(jī)I2C接口上，另一端利用通信線纜接到配對(duì)的P82896 上。 3.2.4 與上位機(jī)接口模塊 本模塊配置有RS-232接口、CAN接口和USB接口，可利用撥碼開關(guān)任選其一連接上位機(jī)來進(jìn)行通訊。 RS-232是一種被廣泛應(yīng)用的接口，非常方便，進(jìn)行短距離通信時(shí)，通常使用系統(tǒng)的RS-232接口連接上位機(jī)；USB接口也是一種比較普遍的接口，USB總線的特點(diǎn)是傳輸速度快；CAN總線通常用于長(zhǎng)距離通信，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)， 發(fā)電

37、機(jī)組距離中控室較遠(yuǎn)時(shí)，可選擇CAN總線來進(jìn)行通信。3.2.5傳感器模塊 該弧光保護(hù)裝置配有環(huán)境光傳感器ISL29023、溫濕度傳感器SHT21和溫度傳感器LM75A。三種傳感器都可將測(cè)到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的輸出。ISL29023是一個(gè)具備中斷功能的數(shù)字環(huán)境光傳感器，用它檢測(cè)發(fā)電機(jī)組內(nèi)產(chǎn)生的電弧光，通過編程對(duì)其設(shè)定一個(gè)閥值，當(dāng)光照強(qiáng)度超過此閥值時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)， 使繼電器跳閘來切斷弧光故障。 發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，內(nèi)部溫濕度的高低對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行都是有影響的，該裝置使用 溫度以及溫濕度傳感器讀取環(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù)，并通過串口調(diào)試助手對(duì)其進(jìn)行了調(diào) 試。3.3 本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)的硬件方案

38、，對(duì)硬件系統(tǒng)按功能模塊進(jìn)行了劃分。對(duì)器件的選型做了簡(jiǎn)要的介紹。硬件的設(shè)計(jì)，將是下文所闡述軟件設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。4 弧光保護(hù)的軟件設(shè)計(jì)4.1 I2C總線通信現(xiàn)在，串行總線十分廣泛地應(yīng)用在單片機(jī)系統(tǒng)中。其中，I2C總線因規(guī)范的嚴(yán)格加上眾多帶I2C接口的外圍器件使其得到普遍應(yīng)用。I2C總線基本結(jié)構(gòu)見圖41。SDASCLVCC單片機(jī)1SCL SDASDA SCL其他I2C外圍設(shè)備SDA SCLA/D或D/ASDA SCL存儲(chǔ)器單片機(jī)2SCL SDARR圖4.1 I2C總線通信的基本結(jié)構(gòu)憑借其性能的優(yōu)異和操作的簡(jiǎn)便，I2C總線技術(shù)應(yīng)用廣泛，其有如下特點(diǎn)。(1)在I2C總線系統(tǒng)內(nèi)，任何I2C器件，就算它們的

39、功能有再大差別，都是通過數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL接到I2C總線上。因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)只需將器件的SCL和SDA引腳接入I2C總線，然后對(duì)器件模塊設(shè)計(jì)獨(dú)立的電路即可。這樣不僅使設(shè)計(jì)的復(fù)雜性得到簡(jiǎn)化，同時(shí)也使系統(tǒng)的抗干擾性得到提高8。(2)I2C外圍接口器件的地址具備極高獨(dú)立性。每個(gè)I2C器件單主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)都具備唯一器件地址。其只能用作從器件，未具備發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)的能力，因此各個(gè)器件互不發(fā)生干擾，相互通信無法進(jìn)行，且每個(gè)器件獨(dú)立供電。通過獨(dú)一無二的器件地址， I2C器件與單片機(jī)間的通信得到了實(shí)現(xiàn)。(3)軟件操作具有一致性。單片機(jī)I2C器件與之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞绞腔鞠嗤模虼?，I2C器件的模塊化程序設(shè)

40、計(jì)流程也具有一致性。4.2 I2C器件介紹I2C器件就是被I2C協(xié)議植入IO 口的器件，在使用時(shí)可直接掛I2C總線上，這樣的特點(diǎn)極大地方便了應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。I2C器件不需要片選信號(hào)，由主器件發(fā)出的I2C從地址決定是否選中，而I2C總線委員會(huì)則統(tǒng)一發(fā)配I2C器件的從地址。4.2.1 光照傳感器SL29023包含8個(gè)8bit寄存器。設(shè)備的運(yùn)行模式由其中兩個(gè)指令寄存器決定，直至寄存器清零，它的值都不會(huì)改變。兩個(gè)8位的數(shù)據(jù)只讀寄存器通過ADC輸出，而ADC輸出的最后一次數(shù)據(jù)則由寄存器保留9。各個(gè)寄存器的設(shè)置如表41所示。表41 ISL29023寄存器設(shè)置ADDRREGNAMEBIT7654321000

41、hCOMMANDIOP2OP1OP000FLAGPRST1PRST001hCOMMANDII0000RES1RES0RANGE1RANGE002hDATALSBD7D6D5D4D3D2D1D003hDATAMSBD15D14D13D12D11D10D9D804hINT_LT_LSBTL7TL6TL5TL4TL3TL2TL1TL005hINT_LT_MSBTL15TL14TL13TL12TL11TL10TL9TL806hINT_HT_LSBTH7TH6TH5TH4TH3TH2TH1TH007hINT_HT_MSBTH15TH14TH13TH12TH11TH10TH9TH81 指令寄存器1(地址0

42、0h)ISL29023運(yùn)行模式由指令寄存器1的Bit7、6、5決定，如表42所示。表42 運(yùn)行模式設(shè)置Bit7to 5實(shí)現(xiàn)操作000進(jìn)入掉電模式001一次測(cè)量環(huán)境光010一次測(cè)量紅外光100保留不用101連續(xù)測(cè)量環(huán)境光110連續(xù)測(cè)量紅外光111保留不用2 指令寄存器2(地址01h) 指令寄存器2中的Bit3和Bit2決定了該ADC的單次轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘周期數(shù)和分辨率， 如表43所示。表43分辨率及時(shí)鐘周期設(shè)置Bit3、2時(shí)鐘周期數(shù)字n-bit ADC00216=655361601212=409681028=25641124=162設(shè)置光的測(cè)量范圍所用的是指令寄存器2中的Bitl和Bit0位，如表44

43、所示。表44 設(shè)置光的測(cè)量范圍Bitl、0RANGE測(cè)量范圍00Range10015-10001ux01Range2O06-4000lux10Range3O24-160001ux11Range4096-640001ux3 數(shù)據(jù)寄存器(地址02h、03h) ISL29023有兩個(gè)8位數(shù)據(jù)只讀寄存器為ADC從低位到高位保存數(shù)據(jù)。低位數(shù)據(jù)由地址為02h的寄存器存儲(chǔ)，高位數(shù)據(jù)由地址03h的寄存器存儲(chǔ)。 4 中斷寄存器(地址04h、05h、06h、07h) 中斷寄存器04h、05h為中斷標(biāo)志位和中斷引腳設(shè)置了一個(gè)低閾值，默認(rèn)值為00H， 中斷寄存器06h、07h為中斷標(biāo)志位和中斷引腳設(shè)置了一個(gè)高閾值，默

44、認(rèn)值為FFH。4.2.2 溫度傳感器LM75A內(nèi)部包含4個(gè)寄存器。 1 溫度寄存器(地址00x0) LM75A內(nèi)溫度寄存器是一個(gè)含有2個(gè)8位字節(jié)的只讀寄存器，由一個(gè)一個(gè)低數(shù)據(jù)字節(jié)(LS) 和高數(shù)據(jù)字節(jié)(MS)組成。兩個(gè)字節(jié)以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式使用高1l位存放分辨率為0125的溫度數(shù)據(jù)，見表45。對(duì)于8位 的I2C總線，只需要在LM75A的“00地址”連續(xù)地讀兩字節(jié)。表45 溫度寄存器Temp MS字節(jié)Temp LS字節(jié)MSBLSBMSBLSBB7B6B5B4B3B2B1B0B7B6B5B4B3B2B1B0Temp 11位數(shù)據(jù)未使用MSBLSBD10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0XXXXX

45、計(jì)算溫度值的方法根據(jù)11位的溫度數(shù)據(jù)而來： 若D10=0，溫度值()=+數(shù)據(jù)*O125 若D10=I，溫度值()=-數(shù)據(jù)的二進(jìn)制補(bǔ)碼*0125 2 配置寄存器(地址OOxl) 配置寄存器為8位可讀寫寄存器，其位功能分配如表46所示。表46 配置寄存器功能分配B7B6B5B4B3B2B1B0保留OS故障隊(duì)列OS極性O(shè)S比較中斷關(guān)斷D7-D5：默認(rèn)值為0，保留。 D4-D3：OO到1l代表值為l、2、4、6，默認(rèn)值為0，用以編程OS故障隊(duì)列。 D2：用來選擇OS極性，D2=0，OS低電平有效(默認(rèn))；D2=l，OS高電平有效。 D1： 選擇OS工作模式。DI=0，直接控制外圍電路而配置為比較器模式

46、；DI=I，輸出功能受OS控制而配置成中斷模式，以此通知MCU進(jìn)行處理。 DO：器件工作模式選擇。DO=0，LM75A為正常工作模式(默認(rèn))：D0=I， LM75A變?yōu)殛P(guān)斷模式。3 滯后寄存器(地址0x02)滯后寄存器是提供溫控范圍下限的讀寫寄存器。 每當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束，溫度數(shù)據(jù)都會(huì)比較存在此寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，若環(huán)境溫度比該溫度低，LM75A會(huì)通過當(dāng)前的比較或是中斷模式控制OS引腳作相應(yīng)反應(yīng)。 該寄存器均具有兩個(gè)8位數(shù)據(jù)字節(jié)，不過這兩字節(jié)中，用以儲(chǔ)存設(shè)定點(diǎn)數(shù)只有9位(分辨率為05二進(jìn)制補(bǔ)碼)，數(shù)據(jù)格式見表47。表47 滯后寄存器的數(shù)據(jù)格式D15D14-D8D7D6-D0T8T7T6T5T4T3T2T1

47、T0未定義4 過溫關(guān)斷寄存器(地址0x03)溫控范圍上限由過溫關(guān)斷寄存器負(fù)責(zé)提供。每當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束，高9位的寄存器數(shù)據(jù)將會(huì)對(duì)比存放于該寄存器內(nèi)的數(shù)值，若環(huán)境溫度比該溫度高， LM75A將通過當(dāng)前模式控制OS引腳作相應(yīng)的反應(yīng)。 在主控器控制下，LM75A能通過L數(shù)據(jù)總線SDA和時(shí)鐘總線SC連接I2C總線。SCL時(shí)鐘信號(hào)由主控制器提供，SDA則用來讀寫數(shù)據(jù)。把兩個(gè)外部上拉電阻分別接在SDA和 SCL端，阻值大約10kQ左右。地址引腳A2、A1、A0的邏輯電平?jīng)Q定LM75A從地址的低3位。其高4位預(yù)先設(shè)為“1001”。 器件完整地址由表48給出，由表可知，同一總線可連接8個(gè)器件且它們的地址不產(chǎn)生沖突。表

48、48 LM75A從地址表MSBLSB1001A2A1A0因?yàn)檩斎牍苣_SCL、SDA、A2A0內(nèi)無偏置，所以它們?cè)谌魏螒?yīng)用中都不能懸空。4.2.3溫濕度傳感器SHT21采用標(biāo)準(zhǔn)I2C協(xié)議以進(jìn)行通訊。SHT21的器件從地址在I2C總線下為 1000000x，讀寫位為最后一位。在第8個(gè)SCL時(shí)鐘下降沿之后拉低SDA引腳(ACK 位)，指示其數(shù)據(jù)的接受為正常。一旦測(cè)量命令被發(fā)出來，MCU必須不斷等待直至完成測(cè)量10。 其基本命令如表49所示。表49 SHT21基本命令命令釋義代碼觸發(fā)T測(cè)量保持主機(jī)11100011觸發(fā)RH測(cè)量保持主機(jī)11100101觸發(fā)T測(cè)量不保持主機(jī)111100ll觸發(fā)RH測(cè)量不保持

49、主機(jī)11110101寫用戶寄存器11100110讀用戶寄存器111001ll軟復(fù)位11111110MCU與傳感器間的通訊可選擇不同的方式：主機(jī)及非主機(jī)模式。 若選主機(jī)模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)傳感器封鎖SCL線 (傳感器對(duì)其進(jìn)行控制)；若選非主機(jī)模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)SCL線保持開放，其他通訊也可進(jìn)行。非主機(jī)模式采集數(shù)據(jù)時(shí)傳感器允許處理其它I2C總線通信。在無需關(guān)閉并再開電源的情況下，用軟復(fù)位命令重啟傳感器系統(tǒng)。傳感器系統(tǒng)在接收這個(gè)命令之后重新初始化，恢復(fù)默認(rèn)設(shè)置狀態(tài)。軟復(fù)位只需15毫秒以內(nèi)。4.2.4 I2C總線擴(kuò)展器件PCA9545A作為I2C總線擴(kuò)展器件，用以解決使用I2C器件中因各器件間電壓不

50、同或地址沖突而無法正常連接的問題11。 PCA9545A芯片內(nèi)，有一個(gè)由上行I2C總線進(jìn)行讀寫訪問的8位控制寄存器。通過設(shè)置其相應(yīng)位，可令下行相應(yīng)的I2C總線與上行連接。當(dāng)器件上 電或復(fù)位引腳有效，控制寄存器清零。其寄存器結(jié)構(gòu)框圖如圖42所示?？偩€控制寄存器圖42 PCA9545內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖其寄存器的相應(yīng)位描述見表410。表410 PCA9545A寄存器的相應(yīng)位描述位功能描述復(fù)位值0下行I2CO使能位高電平，下行I2C0總線與上行連接；低電平，斷開連接01下行I2C1使能位高電平，下行I2C1總線與上行連接；低電平，斷開連接02下行I2C2使能位高電平，下行I2C2總線與上行連接；低電平，斷開

51、連接03下行I2C3使能位高電平，下行I2C3總線與上行連接；低電平，斷開連接04中斷0狀態(tài)位中斷輸入INT0為低電平，該為l；輸入為高電平，為O05中斷1狀態(tài)位中斷輸入INT1為低電平，該為l；輸入為高電平，為O06中斷2狀態(tài)位中斷輸入INT2為低電平，該為l；輸入為高電平，為O07中斷3狀態(tài)位中斷輸入INT3為低電平，該為l；輸入為高電平，為O0控制寄存器相應(yīng)位和下行I2C總線簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)示意圖見圖42?？偩€控制寄存器圖43 控制寄存器與總線相應(yīng)位的關(guān)系的bit0bit3，與下行I2C總線I2C0I2C3對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)的下行I2C總線在其中某一位為1時(shí)將與上行連接。如當(dāng)PCA9545A值為0x03

52、，則表示下行I2C0總線、I2C1總線和上行I2C同時(shí)連接，其主機(jī)能同時(shí)訪問這兩條下行I2C上的器件。PCA9545A相應(yīng)位和中斷輸入的結(jié)構(gòu)見圖44。控制總線寄存器圖44 控制寄存器中相應(yīng)位和總線的關(guān)系控制寄存器的bit4bit7對(duì)應(yīng)中斷輸入INT0INT3，而PCA9545A在其中某位的中斷輸入為0低電平有效時(shí)，其相應(yīng)位對(duì)應(yīng)為1；此外，中斷輸入的引腳狀態(tài)由PCA9545A相應(yīng)位實(shí)時(shí)的反映，因此其中斷輸入只是電平觸發(fā)的方式。若對(duì)PCA9545A寫操作，bit4bit7為只讀，寫進(jìn)去的數(shù)據(jù)是無效的。由圖還可看出，中斷輸出為所有中斷輸入相與的結(jié)果，每當(dāng)中斷產(chǎn)生，PCA9545A的高4位來被程序讀取

53、，以判斷那是哪個(gè)中斷輸入。在PCA9545A器件上有2個(gè)地址選擇引腳A0和Al。設(shè)置2個(gè)引腳電平高低以確定器件的從地址。PCA9545A器件從地址見表411。表411 PCA9545A從地址11100A1A0R/ w由于在PCA9545A內(nèi)部?jī)H一個(gè)8位控制寄存器，控制寄存器內(nèi)部物理地址能被其地址代替。所以，I2C總線可通過單字節(jié)進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)。 I2C寫操作見圖45：主機(jī)發(fā)送START信號(hào)啟動(dòng)I2C總線，然后發(fā)送具備方向位的“寫”器件地址字節(jié)。待從機(jī)應(yīng)答，要寫入的數(shù)據(jù)再由主機(jī)發(fā)送。在完成發(fā)送后，主機(jī)再發(fā)送停止信號(hào)，結(jié)束I2C數(shù)據(jù)傳輸。再次設(shè)置控制寄存器設(shè)置控制寄存器發(fā)送從機(jī)地址S從機(jī)地址WADA

54、TAAnDATAAP寫數(shù)據(jù)圖45 I2C操作之寫控制寄存器如圖45，主機(jī)通過向PCA9545A寫數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)與下行I2C 連接。一次寫操作中可連續(xù)發(fā)送數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)到PCCA9545A，不過僅最后一次發(fā)送數(shù)據(jù)能被PCA9545A留存。因此在實(shí)際應(yīng)用里可采取單字節(jié)的發(fā)送。 I2C的讀操作見圖46：主機(jī)發(fā)送START信號(hào)啟動(dòng)I2C，之后主機(jī)發(fā)送帶方向位“讀”的器件地址字節(jié)，從機(jī)緊接著發(fā)送應(yīng)答信號(hào)：表明其已能僅需數(shù)據(jù)發(fā)送。從機(jī)每將一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送，主機(jī)便將一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)發(fā)送。最后，隨著停止信號(hào)被主機(jī)發(fā)送，I2C數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。發(fā)送從機(jī)地址讀控制寄存器讀數(shù)據(jù)S從機(jī)地址RADATANAP圖46 I2C操作之讀控制寄存器如圖46，主機(jī)從PCA9545A讀取數(shù)據(jù)并查詢已讀回?cái)?shù)據(jù)，即可知中斷輸入有無以及能連接的下行I2C總線。4.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)該系