高壓開關柜測溫系統(tǒng)設計

電氣信息學院課程設計任務書課題名稱高壓開關柜測溫系統(tǒng)設計姓名專業(yè)電氣工程及其自動化班級學號指導老師楊青梁錦吳勇峰課程設計時間第14、第15周教研室意見意見：審核人：一、任務及要求1.給出高壓開關柜測溫系統(tǒng)整體設計框圖；2.說明采用溫度傳感器的型號，特性，以及具有的優(yōu)點；3.給出具體電路，如信號調(diào)理、采樣保持電路、隔離、A/D轉(zhuǎn)換等設計思路，畫出電路原理圖；6.說明測溫時會遇到哪些干擾問題，增加抗干擾措施；7.編寫設計說明書；8.課程設計說明書要求用手寫，所繪原理圖紙用計算機打印?！?6K〕二、進度安排第一周：星期一：下達設計任務書，介紹課題內(nèi)容與要求；星期二——星期五：查找資料，確定設計方案，畫出草圖。第二周：星期一上午——星期二下午：電路設計，打印出圖紙。星期三：書寫設計報告；星期四：書寫設計報告；星期五：辯論。三、參考資料1.鄒積巖.智能電器.北京：機械工業(yè)出版社，20212.王汝文，宋政湘，楊偉.電器智能化原理及應用.北京：電子工業(yè)出版社，2021目錄一、高壓開關柜測溫系統(tǒng)整體方案設計 1 2 3二、高壓開關柜測溫系統(tǒng)硬件設計 4 5 6 6 6三、高壓開關柜測溫系統(tǒng)軟件設計 4 6 6四、原理圖 4一、高壓開關柜測溫系統(tǒng)整體方案設計高壓開關柜測溫系統(tǒng)包括三大局部：高壓開關柜內(nèi)測溫節(jié)點、高壓開關柜外測溫接收系統(tǒng)、上位機數(shù)據(jù)處理與顯示。高壓開關柜測溫系統(tǒng)采用多點組網(wǎng)的方式：8路測溫節(jié)點對應1路接收系統(tǒng)。首先，數(shù)據(jù)采集模塊通過主控單元將溫度數(shù)據(jù)打包，再利用無線通信模塊把獲取的信息傳送至接收系統(tǒng)，接收系統(tǒng)采用串口把數(shù)據(jù)傳至上位機后，通過上位機完成溫度信息的處理、顯示和保存。整個測溫系統(tǒng)主要包括主控單元、數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊、電源管理模塊以及數(shù)據(jù)傳輸模塊等幾局部，按照系統(tǒng)設計要求選擇適宜的芯片器件，硬件的選型關系到整個系統(tǒng)的性能。在整個測溫系統(tǒng)的硬件設計中，主控單元是系統(tǒng)的核心局部，控制并協(xié)調(diào)處理各部分正常工作，通過溫度傳感器獲取溫度信息進行數(shù)據(jù)采集，無線通信模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊在系統(tǒng)起中間傳遞作用，發(fā)送、接收上位機指令以及溫度數(shù)據(jù)。電源是系統(tǒng)的動力之源，是保證系統(tǒng)正常工作的根底，電源管理模塊包括系統(tǒng)測溫節(jié)點感應電源模塊和測溫接收系統(tǒng)電源設計兩局部。整個系統(tǒng)硬件結構如圖1所示：圖1：系統(tǒng)硬件結構圖溫度傳感器的選型不僅影響系統(tǒng)的測量精度，而且關系到信號調(diào)理電路的復雜程度。作為溫度信息的獲取源，溫度傳感器的選型對整個系統(tǒng)設計至關重要。目前，各行業(yè)溫度傳感器主要有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導體IC溫度傳感器等。本系統(tǒng)選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20來完成觸點的測溫，該芯片的全部傳感元件以及轉(zhuǎn)換電路都集成在在TO-92或uSOP封裝的集成電路內(nèi)，可以根據(jù)應用場合的不同而改變其外觀，易于安裝，特別適合狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域，本文采用的是接耳式DS18B20探頭。DS18B20的特點及一些工作參數(shù)如下：〔1〕可以用數(shù)據(jù)線供電，工作電壓3～5.5V；〔2〕溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時間200ms〔典型值〕；〔3〕測溫范圍-55℃～+125℃〔-67～257°F〕，適合高壓開關柜測溫；〔4〕測量結果以9～12位〔可選〕數(shù)字量方式串行傳送，可通過CRC校驗碼提高抗干擾糾錯能力，用戶可定義的非易失性溫度報警設置；〔5〕每個DS18B20均有特定64位ROM編碼即ID號，因此可以在一條數(shù)據(jù)線上連接多個DS18B20；〔6〕利用單總線接口方式，能同時傳輸時鐘和數(shù)據(jù)，并且能雙向傳輸數(shù)據(jù)，所以這種接口方式電路簡單，不僅很好的節(jié)約了微控制器資源，而且開發(fā)效率高。二、高壓開關柜測溫系統(tǒng)硬件設計本系統(tǒng)的微控制器采用TI公司開發(fā)的16位超低功耗的混合信號處理器MSP430,在一個芯片上集成了微處理器、數(shù)字電路以及模擬電路等，是非常有代表性的片上系統(tǒng)，被稱之為綠色MCU。MSP430的主要特點如下：主控單元電路主要由微控制器及外圍電路構成，控制并協(xié)調(diào)各局部正常工作，本系統(tǒng)的主控單元電路如圖2所示。圖2：主控單元電路DS18B20是利用溫度對振蕩器的頻率影響進行測溫，其內(nèi)部含有兩個不同溫度系數(shù)的振蕩器，其中高溫度系數(shù)振蕩器決定一個門周期，計數(shù)器1在門周期內(nèi)通過計數(shù)低溫度系數(shù)振蕩器的脈沖獲得溫度值。計數(shù)器1和溫度存放器被預置為-55℃相應的一個基權值，當門周期結束之前計數(shù)器1到達0，那么溫度存放器的值增加，表示溫度值大于-55℃。反復循環(huán)此過程直到計數(shù)器2到達0，溫度存放器的值不再累加，即為所測溫度值，以16位帶符號位擴展二進制補碼形式讀出，溫度振蕩器的非線性可通過斜坡累加器進行修正和補償。DSl8B20電路連接如圖3所示，VCC引腳接3.3V電壓，DQ引腳為數(shù)據(jù)線，與MSP430F149的P2.0引腳連接，再連接一個4.7K的上拉電阻，在空閑狀態(tài)下數(shù)據(jù)線可以直接跳變高電平。圖3：DS18B20接線圖本系統(tǒng)采用的nRF24L01無線通信芯片，是目前微功率短距離無線通信芯片中功耗最低、體最小、外圍電路最少、本錢最低的。以nRF24L01無線通信芯片，加上外圍元件及功放電路等，構成了無線通信模塊，采用標準DIP間距接口，體積小巧，價格低廉，信號傳輸穩(wěn)定，十分適合嵌入式系統(tǒng)使用。圖4為模塊連接框圖。圖4：通信模塊接線圖圖4所設計的無線通信電路，工作頻率2.4GHz，最大發(fā)射功率0dBm，當誤碼率為0.1%，1Mbps速率傳輸數(shù)據(jù)時，最大接收靈敏度為-85dBm，下面計算該電路在自由空間傳播無線信號的距離。本文選用SiGe半導體公司生產(chǎn)的微功率放大器PA2423L，它是一款低功耗的LNA放大芯片，工作電壓3.3V，線性增益可達22.5dBm，可用于2.4GHz頻段的許多設備中，如Wlan、藍牙以及其它ISM頻段的設備。根據(jù)自由空間傳播公式，計算得出傳輸距離理論值為129m，所以采用PA2423L可以滿足設計要求。根據(jù)系統(tǒng)要求無線通信模塊具有收發(fā)一體化的功能，因此設計的功率放大電路由信號反相電路、通道開關電路、功率放大三局部組成。反相電路如圖5所示，nRF24L01的功率放大引腳VDD_PA根據(jù)發(fā)送或接收的不同狀態(tài)呈現(xiàn)上下電平：VDD_PA=0，為接收狀態(tài)；VDD_PA=1，為發(fā)射狀態(tài)，將此信號接到反相電路取非，并將此信號送至通道開關電路。圖5：反相電路通道開關電路由兩個高頻信號開關UPG2214TK構成，其中U2引腳IN與nRF24L01相連，引腳OUT1連接功率放大器，U3引腳IN與天線相連，引腳OUT2連接功率放大器，如圖5，圖6分別為通道開關電路和功率放大芯片電路。當發(fā)送信號時，TX_ON=1，RX_ON=0，U2的引腳1、5相連，信號經(jīng)過PA2324L放大輸出至U3的引腳3，此時U3的引腳3、5相連，無線信號被經(jīng)過天線端向外傳播；當接收信號時，TX_ON=0，RX_ON=1，發(fā)射通道關閉，天線接收到的信號由U3的引腳5進入，此時引腳1、5相連，信號不經(jīng)過PA2324L直接連接U2的引腳3，U2的引腳3、5相連，nRF24L01接收無線信號。圖7：通道開關電路和信號放大電路天線作為一種接收和發(fā)射電磁波的設備，是通信模塊的重要組成局部，尤其是在無線測試系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)信息都要通過天線傳輸。天線的選擇與研究設計能使通信模塊的輻射效率提高，輻射范圍擴大。在射頻電路中，有三種供選擇的天線：片式天線、外接直立天線和PCB天線。片式天線通過集成電路實現(xiàn)，穩(wěn)定性一般，而且不易根據(jù)實際要求調(diào)整性能；外接直立天線性能優(yōu)越，而且可以改變天線大??；PCB天線雖具有體積優(yōu)勢，但對設計以及布線的要求較高。本系統(tǒng)與上位機傳輸量較少，數(shù)據(jù)通信速率適中，而且MSP430只需要簡單的存放器的配置，就可輕松實現(xiàn)USAR模塊的設計，所以采用USB-RS232接口轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)USB接口通信的功能是可行的。綜合以上設計思想，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊采用Prolific公司研制PL2303，是一種高速集成的RS232-USB接口轉(zhuǎn)換芯片。RS232全雙工異步串行通信裝置通過此芯片能方便連接USB功能接口。PL2303內(nèi)部集成了USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器以及UART，外圍元件較少，組成電路簡單，能容易的嵌入到手持設備。一方面可以從下位機以RS232接口獲取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為USB數(shù)據(jù)格式發(fā)送至上位機，另一方面可以從上位機通過USB接口接收數(shù)據(jù)以RS232格式發(fā)送至下位機。PL2303外圍電路連接如圖8所示，引腳TXD、RXD與MSP430所配置的對應引腳P3.5、P3.4連接，引腳OSC1、OSC2與晶振相連，系統(tǒng)時鐘采用12MHz晶振；引腳DM、DP分別與USB接口的D-、D+端口連接，為防止高速信號在端口附近發(fā)生反射，引腳DM和DP均輸入100Ω的終端匹配電阻。圖8：數(shù)據(jù)傳輸模塊電路三、高壓開關柜測溫系統(tǒng)軟件設計溫度傳感器控制程序設計MSP430F149以單總線的方式控制DS18B20，DS18B20數(shù)據(jù)的讀出與寫入是由MSP430F149讀寫的特定時間暫存器來完成。單總線協(xié)議分為四個局部：初始化、ROM操作命令、存儲器操作命令以及數(shù)據(jù)傳輸，單總線的空閑狀態(tài)為高電平。在完成任何操作之前，MSP430F149首先要對DS18B20進行初始化，即MSP430F149發(fā)送復位脈沖，將單總線上的DS18B20復位，完成復位后發(fā)送ROM操作命令，緊接著發(fā)送RAM指令,這樣才可以對DS18B20進行預定操作。初始化具體操作為：復位脈沖至少為480us的低電平信號，隨后單總線被釋放進入接收狀態(tài)，MSP430F149控制與DS18B20相連的引腳產(chǎn)生上升沿，DS18B20會在15～60us的任意時刻發(fā)出一個60～240us低電平信號響應上升沿，MSP430F149收到這個信號表示復位成功，假設沒有檢測到就一直檢測等待。當MSP430F149檢測到DS18B20的存在，MSP430F149以ROM命令和RAM命令的形式對DS18B20操作。ROM的操作命令都是8位，在此只介紹幾個根本指令：〔1〕跳過ROM，方案總體設計是多個獨立測溫節(jié)點，所以要求MSP430F149一個I/O口只能連接一個DS18B20，跳過ROM命令DS18B20將不進行識別多個傳感器；〔2〕讀RAM，用此命令讀出溫度轉(zhuǎn)換的結果以及其它狀態(tài)信息，從字節(jié)0開始讀取進行到第9字節(jié)，第8個字節(jié)為CRC校驗；〔3〕溫度轉(zhuǎn)換，啟動一次溫度轉(zhuǎn)換過程，DS18B20在此命令執(zhí)行的過程中保持待機狀態(tài)，假設MSP430F149繼續(xù)發(fā)出讀時間隙，DS18B20同時進行時間轉(zhuǎn)換，那么單總線將輸出“0〞，假設溫度轉(zhuǎn)換完成，那么輸出“1〞。寫數(shù)據(jù)：MSP430F149向DS18B20寫數(shù)據(jù)，周期最少為60us，最長不超過120us，在開始寫另一個寫周期之前至少要1us的恢復時間。由于單總線傳輸是以“位〞為單位，因此DS18B20寫時序包括寫“1〞和寫“0〞兩個過程。首先將單總線拉低，發(fā)出寫起始信號。寫“1〞時MSP430F149在15us內(nèi)釋放被拉低的單總線，由4.7K的上拉電阻拉高單總線；寫“0〞時單總線拉低最少保持60us。DS18B20檢測到單總線被拉低15us后從15us到45us開始采樣，在這段時間如果采樣值為高電平，DS18B20寫入“1〞；如果采樣值為低電平，DS18B20寫入“0〞。具體流程圖如圖8所示。圖8：溫度傳感器控制程序流程圖無線發(fā)送模式流程：〔1〕置低CE，使nRF24L01進入待機模式1，配置其存放器；〔2〕由SPI接口將數(shù)據(jù)〔TX_PLD〕和地址〔TX_ADDR〕寫入nRF24L01緩存區(qū)TX_FIFO中；〔3〕將PRIM_RX置低，CE置高，啟動發(fā)送模式，CE至少保持10us時間；〔4〕進行內(nèi)部數(shù)據(jù)處理，包括系統(tǒng)上電、開啟內(nèi)部16MHz時鐘、數(shù)據(jù)打包和發(fā)送；〔5〕假設自動應答模式開啟，nRF24L01將進入接收模式等待應答判斷數(shù)據(jù)是否成功發(fā)送，假設在10us內(nèi)接收不到應答信號，那么要反復執(zhí)行上述步驟直到nRF24L01重發(fā)計數(shù)器有溢出產(chǎn)生，IRQ置高產(chǎn)生中斷進行復位；〔6〕在10us內(nèi)成功收到應答信號后，如果CE置低，那么nRF24L01進入待機模式1；如果CE置高，那么nRF24L01會發(fā)送TX_FIFO的下一數(shù)據(jù)包；如果TX_FIFO為空且CE為高，那么nRF24L01進入待機模式2。無線接收模式流程：〔1〕置低CE，使nRF24L01進入待機模式1，配置其存放器；〔2〕將CE、PWR_UP、PRIM_RX置高，啟動ShockBurstTM接收模式；〔3〕延遲130us，nRF24L01開始檢測空中信息；〔4〕通過CRC校驗地址匹配正確，說明接收的數(shù)據(jù)包有效，將數(shù)據(jù)存儲在接收緩存區(qū)RX_FIFO中，置高RX_DR，置低IRQ產(chǎn)生中斷；〔5〕發(fā)送確認信號；〔6〕置低CE，nRF24L01進入待機模式1；〔7〕MSP430通過SPI接口以設計要求的速率將數(shù)據(jù)讀出。具體如圖9所示。圖9：無線通信模塊程