電力變壓器冷卻系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　摘 要 </b></p><p>　　本設(shè)計針對電力變壓器冷卻系統(tǒng)中使用常規(guī)控制系統(tǒng)時存在的控制回路復(fù)雜、可靠性低、風機保護方式簡單、油溫測量精度低、控制誤差大、無法進行遠程通訊等問題，設(shè)計了一套智能化變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)以PIC16F877單片機為核心，實現(xiàn)了對變壓器油溫的實時采集、LED顯示、數(shù)據(jù)無線傳輸，并參考油溫變化對風機的運行狀況進行實時控制。

2、風機側(cè)完善的保護裝置為CPU提供準確的風機故障信號，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機、變壓器冷卻系統(tǒng)、風機故障、油溫采集</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The paper introduces a new smart of transformer temperature m

3、onitoring system. It’s 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

4、 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 op&

5、lt;/p><p>　　Keywords: SCM (Single Chip Micyoco), transformer cooling system, Fan Failure, Oil temperature`s collection</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘 要1</p>

6、<p>　　ABSTRACT2</p><p><b>　　緒 論5</b></p><p>　　第一章 設(shè)計任務(wù)及要求6</p><p>　　第一節(jié) 畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)6</p><p>　　第二節(jié) 畢業(yè)設(shè)計的要求6</p><p>　　第二章 系統(tǒng)的設(shè)計方案8&l

7、t;/p><p>　　第一節(jié) 系統(tǒng)工作的一般原理8</p><p>　　第二節(jié) 智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案8</p><p><b>　　2.1 方案一9</b></p><p>　　2.2 方案二10</p><p>　　2.3 方案三12</p><p>　　第三

8、節(jié) 設(shè)計方案的確定13</p><p>　　第三章 硬件電路設(shè)計16</p><p>　　第一節(jié) 單片機的選型16</p><p>　　第二節(jié) 振蕩器配置選擇18</p><p>　　2.1 晶體振蕩器/陶瓷諧振器方式18</p><p>　　2.2 RC振蕩器20</p><p>

9、;　　第三節(jié) 溫度采集電路模塊設(shè)計22</p><p>　　3.1 溫度檢測電路22</p><p>　　3.2 光電耦合隔離放大電路24</p><p>　　第四節(jié) 按鍵輸入和顯示電路部分設(shè)計29</p><p>　　4.1 按鍵輸入電路模塊設(shè)計29</p><p>　　4.2 顯示電路部分設(shè)計29<

10、;/p><p>　　第五節(jié) 無線通信系統(tǒng)的設(shè)計33</p><p>　　第六節(jié) 主回路部分設(shè)計38 </p><p>　　6.1 風冷機的保護簡要介紹38</p><p>　　6.2 輸出驅(qū)動電路設(shè)計38</p><p>　　第七節(jié) 直流電源的設(shè)計46</p><p>　　第四章 軟件部

11、分設(shè)計50</p><p>　　第一節(jié) 軟件需求分析50</p><p>　　第二節(jié) 各模塊的流程圖52</p><p>　　第五章 設(shè)計總結(jié)60</p><p><b>　　致 謝62</b></p><p><b>　　參考文獻63</b></p

12、><p>　　附錄一 程序清單64</p><p>　　附錄二 元器件明細表78</p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　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)運行的可靠性和運營效益。電力變壓器是電力系統(tǒng)運行的核

13、心設(shè)備之一，因此，電力變壓器安全可靠的運行是電力系統(tǒng)正常運行的根本保障。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)風冷或強迫油循環(huán)風（水）冷，使熱油經(jīng)過強風（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

14、及能否正常運行，因此變壓器的冷卻系統(tǒng)對變壓器的安全經(jīng)濟運行又極其重要的意義。在發(fā)電廠或變電所，風冷式變壓器采用多組風機降溫，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行實時監(jiān)控。</p><p>　　目前，還有許多變壓器采用由電接點式溫度計采集、顯示變壓器油溫，控制風機的啟動和停止，實現(xiàn)變壓器的溫度控制，在實際運行中，由于風機啟動時

15、全部投入，同時全部停止，沖擊電流較大，嚴重影響了電機的使用壽命。且由于無法和控制室聯(lián)系，所以無法實現(xiàn)變壓器的無人控制，增加了運行成本。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行過程中存在的問題，可以采用的智能

16、溫度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)溫度的自動采集、顯示、風機的順序起停。</p><p>　　根據(jù)現(xiàn)場運行要求，本設(shè)計選用了PIC16F877單片機構(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)定控制風機起停、報警及跳閘閥值，所有設(shè)定參數(shù)掉電后均不會丟失。溫度采集精度很高，并且采取了很多措施來保護電機，如過載、缺相保護等。由于工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境較惡劣，會對系統(tǒng)產(chǎn)生很大的干擾，設(shè)計采取了抗干擾措施，在集成電路的電源入口

17、處加了濾波電容，且送入單片機的信號都經(jīng)過了光耦隔離。最后通過無線通信實現(xiàn)遠程監(jiān)控，控制室通過無線通信及時掌握現(xiàn)場的運行情況，可任意對各種事故做出及時地反映，實現(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、抗干擾能力強的特點，所有器件的選擇均滿足工業(yè)級標準，并適合高溫環(huán)境。</p><p>　　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)計具有很好的擴展性，能滿足各種型號變壓器的要求。</p&g

18、t;<p>　　第一章 設(shè)計任務(wù)及要求</p><p><b>　　第一節(jié) 設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　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)中常用的油浸風冷式電力變壓器多采用多組風機降溫，控制變壓器的油溫在工藝要求的范圍之內(nèi)。目前現(xiàn)場還有相當數(shù)量的油浸風冷電力變壓器由電接點式溫度計采集、顯示

19、變壓器油溫，控制風機的啟動和停止，實現(xiàn)變壓器的溫度控制，即在變壓器油溫大于上限溫度時啟動全部風機，當油溫降至下限溫度時停止全部風機。而實際運行中這種控制方式有不少的缺點，如風機啟動時全部投入，沖擊電流太大，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行。</p><p>　　針對以上種種問題，要求本設(shè)計選用一款集成度較高的單片機，并采用無線通信技術(shù)，設(shè)計一個電力變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)，對現(xiàn)有落后的溫度控制系統(tǒng)進行改造，滿足自動化要求。&l

20、t;/p><p>　　設(shè)計主要完成的工作。</p><p>　　本設(shè)計須完成風冷式電力變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)的主機部分的設(shè)計，主要包括以下工作：</p><p>　?。?）收集電力變壓器溫度控制系統(tǒng)的控制原理的實際資料，確定要保證變壓器風冷系統(tǒng)正常運行及實現(xiàn)無人值班所需的遠程通訊功能，必須采用以單片機為核心的控制系統(tǒng)來完成；為保證風機能可靠安全運行，必須收集一既能被單片機驅(qū)

21、動又能保證風機可靠運行的元件。</p><p><b>　　（2）方案設(shè)計。</b></p><p>　?。?）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。</p><p>　?。?）根據(jù)設(shè)計原則完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。</p><p>　?。?）撰寫設(shè)計說明書，繪制系統(tǒng)電路原理圖。</p>&

22、lt;p>　?。?）完成指定內(nèi)容的外文資料翻譯。</p><p><b>　　第二節(jié) 設(shè)計要求</b></p><p>　　2.1 畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容</p><p>　?。?）完成系統(tǒng)設(shè)計；</p><p>　?。?）選擇合適的單片機，作為主機CPU；</p><p>　?。?）獨自完

23、成主機硬件、軟件設(shè)計，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、程序設(shè)計及調(diào)試；</p><p>　?。?）完成相關(guān)的設(shè)計圖紙繪制和設(shè)計說明書撰寫，通過畢業(yè)設(shè)計答辯。</p><p>　　2.2 設(shè)計實現(xiàn)的主要功能</p><p>　?。?）將采集到的油溫在就地和遠端（控制室）用LED實時顯示油溫，主機和

24、從機之間的通訊采用無線通信方式；</p><p>　?。?）系統(tǒng)設(shè)置自動、手動、停止三種運行方式，正常時采用自動方式運行，主控板檢修時采用手動方式運行，并且能夠靈活選擇運行方式。</p><p>　?。?）在自動方式運行下，當變壓器油溫超過上限時，風機全部投入；當溫度低于工藝下限時，風機全部停止；當溫度由高下降到上限和下限的中間值時，只投入3組風機；在投入3組風機的狀態(tài)，先運行的3組風機運

25、行1小時后（這三組風機在變壓器周圍間隔安裝），自動切換到另外3組（這三組風機也在變壓器周圍間隔安裝），1小時后又切換到原來的3組，如此交替運行，既延長風機的使用壽命，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，風機群全部投入運行時，采用順序啟動方式依次啟動，防止啟動電流過大情況發(fā)生造成設(shè)備損壞；</p><p>　?。?）系統(tǒng)具有故障

26、自診斷功能，當某一風機工作異常時如過壓、缺相、過載時，系統(tǒng)能夠在現(xiàn)場和控制室發(fā)出報警信號，顯示故障類型和故障發(fā)生的位置，便于工作人員及時進行設(shè)備檢修；</p><p>　?。?）系統(tǒng)設(shè)置正常運行、故障運行、油溫超過75℃三項遠傳開關(guān)信號；</p><p>　　（6）本設(shè)計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)； </p>

27、<p>　　（7）系統(tǒng)要采用必要的抗干擾措施（包括硬件和軟件）。 </p><p>　　2.3 主要技術(shù)指標</p><p>　　控制系統(tǒng)的工作電源為220V/50HZ的工頻交流電，容量為31500KVA；風機有6組，每組2個風機，均勻排列在變壓器四周，每個風機功率為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℃

28、。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)的設(shè)計方案</p><p>　　第一節(jié) 系統(tǒng)工作的一般原理</p><p>　　傳統(tǒng)的電力變壓器由人工控制風機，每臺變壓器有6組風冷式電動機需要控制，每組風機的保護通過熱繼電器實現(xiàn)，控制風機電源回路通過接觸器，而風機啟停的邏輯判斷通過測量變壓器的油溫和變壓器的過負荷實現(xiàn)，工作原理如圖2-1所示。主電路控制元件采用了接觸器，

29、靠機械觸點來實現(xiàn)對風機的驅(qū)動。這種方式對風機的控制只能由人工完成，風機同時全部投入，同時全部停止，啟動時沖擊電流很大，會對器件造成損傷。當溫度在45℃-55℃時，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?？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，在運行過程中會出現(xiàn)接觸器的觸點長時間接觸及多次開斷造成觸點燒毀問題。風機缺乏必要的過壓、過載、缺相保護，實際運行中降低系統(tǒng)運行的可靠性，增加運行成本。

30、</p><p>　　圖2-1 傳統(tǒng)風冷機工作原理圖</p><p>　　第二節(jié) 智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案</p><p>　　本設(shè)計以PIC16F877單片機為核心完成系統(tǒng)的設(shè)計，要求對油溫進行實時采集，將采集結(jié)果送入MCU進行處理，然后按照工藝要求進行相應(yīng)的控制，實現(xiàn)對變壓器溫度的全自動遠程和就地監(jiān)控，系統(tǒng)要具有完善的保護功能，包括過壓、過載、缺相檢測和保護

31、，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行檢修；使用無線通信方式實現(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機運行情況，實現(xiàn)遠程溫度控制。整個課題包括系統(tǒng)設(shè)計，主機溫度信號采集與調(diào)理電路設(shè)計，主機LED顯示電路設(shè)計，主控電路設(shè)計，缺相檢測與保護電路設(shè)計，過載保護與檢測電路設(shè)計，從機設(shè)計，從主機LED顯示電路設(shè)計，無線通信電路設(shè)計，主電路設(shè)計，主機從機電源設(shè)計，系統(tǒng)軟件

32、流程圖設(shè)計，軟件編程等。</p><p>　　溫度信號的采集在設(shè)計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現(xiàn)。</p><p><b>　　2.1 方案一:</b></p><p>　　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[3]，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

33、端，PIC單片機根據(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，控制風機的起停，電機的保護電路包括過壓，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?以便對現(xiàn)場情況及時做出反應(yīng)。</p><p>　　方案采用PIC16F877單片機，PIC處理器具有不同

34、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8 輸入通道的A/D模塊，不需要專門的芯片進行A/D轉(zhuǎn)換；CCP模塊可提供外部信號的捕捉、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MAX7

35、219，其只需要三根線就可可控制八個數(shù)碼管，特別適用于需要I/O口較多的系統(tǒng)。MAX7219為8位LED顯示驅(qū)動電路，可以連續(xù)的驅(qū)動8位7段數(shù)據(jù)顯示。在芯片內(nèi)部集成了一個BCD譯碼器，段地址和位地址驅(qū)動以及一個88位的靜態(tài)隨機存儲器。只需要一個外部電阻，就可以正確地驅(qū)動所有LED的段地址。</p><p>　　信號通過無線通信芯片nRF401傳輸?shù)娇刂剖?。以便對現(xiàn)場情況及時做出反應(yīng)。nRF401 是一個433 M

36、Hz 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)性強的特點。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。</p><

37、p>　　圖2-2 溫度控制系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　2.2 方案二：</b></p><p>　　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)線就可實現(xiàn)與MCU的通信。它具有體積小，接口方便，傳輸距離遠

38、等特點。顯示采用單片機的RA口擴展四片串并轉(zhuǎn)換的移位寄存器74LS164驅(qū)動四只1.5寸共陽數(shù)碼管，實時顯示變壓器的溫度。復(fù)位電路采用MAXMAX6304芯片來實現(xiàn)單片機系統(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。</p><p>　?。ㄒ唬囟葯z測電路的設(shè)計</p><p>　　溫度檢測

39、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、傳輸距離遠等特點。DS18B20單總線數(shù)字傳感器工作溫度范圍是-55℃～125℃，在-30℃～85℃范圍內(nèi)溫度測量精度為±5℃；具有溫度報警功能，用戶可設(shè)置最高和最低</p><p&

40、gt;　　圖2-3 DS18B20引腳分布圖</p><p>　　報警溫度，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與單片機的接口電路如圖2-3所示。</p><p>　　I/O為數(shù)字信號輸入/輸出端，GND為電源地，VDD為外接供電電源輸入

41、端（在寄生電源接線方式時接地）。DS18B20主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的。相當于給每個DS18B20分配了一個獨一無二的64比特地址序列碼，這就允許多個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，溫度報警觸發(fā)器TH和TL以及配置寄存器的設(shè)置值均以一個字節(jié)的形式存儲在EE

42、PROM中，使用一個存儲功能命令可對其寫入。</p><p><b>　?。ǘ╋@示部分</b></p><p>　　可以用數(shù)碼管顯示，電路如下圖2-4所示。采用了MAX7219驅(qū)動器，對溫度值進行實時輸出顯示，根據(jù)精度要求，設(shè)置一位小數(shù)。</p><p>　　圖2-4 LED顯示電路</p><p><b>

43、;　　（三）鍵盤輸入</b></p><p>　　單片機監(jiān)電路設(shè)計的好壞，直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。在設(shè)計完單片機系統(tǒng)，并在實驗室調(diào)試成功后，在現(xiàn)場卻出現(xiàn)了“死機”、“程序跑飛” 等現(xiàn)象，而用仿真器調(diào)試時卻無此現(xiàn)象發(fā)生或極少發(fā)生此現(xiàn)象。有時會發(fā)現(xiàn)在關(guān)閉電源后的短時間內(nèi)再次開啟電源，單片機系統(tǒng)會工作不正常，這些都很可能是由單片機監(jiān)控電路設(shè)計的不可靠引起的。單片機監(jiān)控電路主要有監(jiān)控和看門狗兩個功能。

44、</p><p><b>　?。ㄋ模┩ㄓ嶋娐吩O(shè)計</b></p><p>　　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來實現(xiàn)無線通信。CC1000是根據(jù)Chipcon公司的SmartRF技術(shù)，在0.35μm 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

45、其工作在300～1000MHz范圍內(nèi)。它具有低電壓（2.3～3.6V），極低的功耗，可編程輸出功率（-20～10dBm），高靈敏度（一般-109dBm），小尺寸（TSSOP-28封裝），集成了位同步器等特點。其FSK可達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。</p><p>　　CC1000 可通過簡單的三線串行接口(PDATA、

46、 PCLK 和PALE) 進行編程，有36個8位配置寄存器，每個由7位地址尋址。一個完整的CC1000配置，要求發(fā)送29個數(shù)據(jù)幀，每個16位（7個地址位，1個讀/寫位和8個數(shù)據(jù)位）。PCLK 頻率決定了完全配置所需的時間。在10MHz的PCLK頻率工作下，完成整個配置所需時間少于60μs。在低電位模式設(shè)置時，僅需發(fā)射一個幀，所需時間少于2μs。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，每個數(shù)據(jù)幀中7個最重要的位（A

47、6：0）是地址位，A6是M鍵盤（最高位），首先被發(fā)送。下一個發(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 個數(shù)據(jù)位（D7：0），PDATA 在PCLK 下降沿有效。當8位數(shù)據(jù)位中的最后一個字節(jié)位D0 裝入后，整個數(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有效，但是不能關(guān)閉電源[5]。</p><p>　　微控制

48、器使用3個輸出引腳用于接口（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)計時的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（在引腳CHP_OUT）。當PLL 鎖定時，該信號為邏輯高電平。</p><p><b>　　2.3 方案三：</b></p><p>　　溫度檢測采用美國模擬器件公司（A

49、DI）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，具有測溫誤差小，動態(tài)阻抗低，傳輸距離遠，體積小，微功耗等特點。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標準。</p><p><b>　?。ㄒ唬囟炔杉娐?lt;/b></p><p>　　AD590是由美國哈里斯（Hrris

50、）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，具有測溫誤差小、動態(tài)阻抗響應(yīng)速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等優(yōu)點，適合遠距離測溫、控溫，不需要進行線性校準。</p><p>　　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)指標可能會有一些差異。例如，

51、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個管腳：1腳為正極，2腳是負極，3腳是接管殼。使用時將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)時間僅20μs，重復(fù)性誤差低至0.05℃，功耗約為5mW。</p><p>　　AD590等效于一個高阻抗的恒流源，其輸出阻抗大于10MΩ

52、，能大大減小因電源電壓從5V變化到10V時，所引起的電流最大變化量僅為1μA，等價于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1μA。在298.15K（對應(yīng)于25.15℃）時輸出電流恰好等于298.15μA。這表明，其輸出電流與熱力學(xué)溫度嚴格成正比。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。</p>

53、<p><b>　　（二）通訊電路</b></p><p>　　RS-485 采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實現(xiàn)通信：在發(fā)送端TXD 將串行口的TTL 電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號A、B 兩路輸出，經(jīng)傳輸后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。兩條傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，因此有極強的抗共模干擾的能力，接收靈敏度也相當高。同時，最大傳輸速率和最大傳輸距離也大大提高。如果以1

54、0Kbps 速率傳輸數(shù)據(jù)時傳輸距離可達 12m ，而用100Kbps時傳輸距離可達1.2km。如果降低波特率，傳輸距離還可進一步提高。另外RS-485 實現(xiàn)了多點互聯(lián)，最多可達256臺驅(qū)動器和256臺接收器，非常便于多器件的連接。不僅可以實現(xiàn)半雙工通信，而且可以實現(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

55、、MAX488～491、MAX1482等[6]。</p><p>　　第三節(jié) 設(shè)計方案的確定</p><p>　　根據(jù)上一節(jié)中三個設(shè)計方案，下面對這三種設(shè)計方案進行比較：</p><p>　　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，傳輸距離遠等特點。但價格較高。顯示采用單片

56、機的I/O口擴展四片串并轉(zhuǎn)換的移位寄存器74LS164驅(qū)動四只1.5寸共陽級數(shù)碼管，實時顯示變壓器的溫度。占用了較多的I/O口，使系統(tǒng)的可擴展性受到了一定的限制[7]。復(fù)位電路采用MAX6304芯片來實現(xiàn)單片機系統(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，適用于對可靠性要求較高且不在乎成本的場合。</

57、p><p>　　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，具有測溫誤差小，動態(tài)阻抗低，傳輸距離遠，體積小，微功耗等特點。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標準。此方案具有很高的可靠性，液晶具有很多優(yōu)點，可以實現(xiàn)漢字的顯示

58、等，但設(shè)計中要求在較遠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。</p><p>　　在方案一中，單片機選用了PIC16F877，具有高性能、高可靠性、端口多等優(yōu)點。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，顯示電路使用MAX7219只占用三個I/O口連線較少，容易實現(xiàn)。通信芯片nRF401,其通信距離遠，且不

59、用編碼，軟件較容易實現(xiàn)。另外本方案還具有很好的經(jīng)濟性和可擴展性，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，可擴展，經(jīng)濟性較好，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。</p><p>　　圖2-5 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　如上系統(tǒng)框圖所

60、示，本設(shè)計以PIC16F877單片機為核心完成系統(tǒng)的設(shè)計，要求對油溫進行實時采集，將采集結(jié)果送入MCU進行處理，然后按照工藝要求進行相應(yīng)的控制，實現(xiàn)對變壓器溫度的全自動遠程和就地監(jiān)控，系統(tǒng)要具有完善的保護功能，包括過壓、過載、缺相檢測和保護，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行檢修；使用無線通信方式實現(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機運行情況，實現(xiàn)遠程溫

61、度控制。</p><p>　　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，控制風機的起停，電機的保護電路包括過壓，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)。</p

62、><p>　　信號通過無線通信芯片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)性強的特點。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還有待機工

63、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。</p><p>　　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。</p><p>　　第三章 硬件電路設(shè)計</p><p>　　第一節(jié) 單片機的選型</p><p>　　硬件電路是整個設(shè)計的核心，而單片機又是硬件電路的核

64、心，所以單片機的選擇顯得至關(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，所以單片機采用PIC系列微控制器[8]。</p><p>　　PIC系列單片機具有以下幾個大的特點：</p><p>　　（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)的單片機可節(jié)省30%以上的開發(fā)時間，2倍以上的程序空間。</p

65、><p>　　（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)標準，指令的執(zhí)行速度比一般的單片機要快4～5倍。</p><p>　?。?）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)計可進入休眠省電狀態(tài)而不影響喚醒后的正常工作。</p><p>　　（4）低價實用：PIC配備有OTP型、EPROM型和FLASH型諸

66、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。</p><p>　　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，它與其他3種單片機性能對照表如下所示。</p><p>　　表3-1

67、四種單片機性能比較表</p><p>　　PIC16F877單片機是高性能類—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8K字（14位字長）的FIASH程序存儲器；高達368字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器（RAM）；高達256字節(jié)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器。中斷能力多達14個內(nèi)部/外部中斷源。該單片機具有8級硬

68、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個引腳可進行在線調(diào)試，編程只需要5V電源，通過2個引腳可進行在線調(diào)試，處理器有通道能對程序存儲器進行讀/寫。單片機有寬范圍的工作電壓：2.0～5.5V

69、，最大拉電流/灌電流可達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</p><p><b>　　外圍功能模塊特性：</b></p><p>　　·定時器TMR0：帶有8位定時器/計數(shù)器。</p><p>　　

70、3;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)。</p><p>　　·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。</p><p>　　·兩個捕捉/比較/脈寬調(diào)制（PWM）模塊。</p><p>　　·16位的捕捉輸入的最大分辨率為12.5ns，16位的比

71、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。</p><p>　　·10位多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）。</p><p>　　·具有地址第九位檢測的通用異步接收器和發(fā)送器（USART/SCI）。</p><p>　　·由外部RD.WR.和控制線CS的8位寬度的并行從動端口PSP（僅用于40/44引腳芯片）。

72、</p><p>　　·用于鎖定（Brown-out）復(fù)位（BOR）的鎖定檢測電路。</p><p>　　由以上對單片機的介紹可以看出，PIC單片機性能高，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。</p><p>　　第二節(jié) 振蕩器配

73、置選擇</p><p>　　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。</p><p>　　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進行編程選擇其中的一種工作方式[9]。</p><p>　　LP方式： 低功耗晶體振蕩器方式；</p><

74、;p>　　XT方式： 晶體/陶瓷諧振器方式；</p><p>　　HS方式： 高速警惕/陶瓷諧振器方式；</p><p>　　RC方式： 阻容振蕩器方式。</p><p>　　2.1 晶體振蕩器/陶瓷諧振器方式</p><p>　　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

75、3-2。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引腳上進行驅(qū)動，這時OSC2引腳可以直接開路，如圖3-2所示。</p><p><b>　　注意：</b></p><p>　?。?）C1和

76、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</p><p><b>　　選擇。</b></p><p>　?。?）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；</p><p>　　（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</p><p>　

77、　要的最佳配合外部元器件的數(shù)值；</p><p>　?。?）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。</p><p>　　圖3-2 LP、XT和HS的石英/陶瓷振蕩器</p><p><b>　　注： </b></p><p>　?。?）C1和C2的推薦值見表3-4和表3-5。</p&g

78、t;<p>　?。?）對于AT方法切割的晶體需要接串聯(lián)電阻Rs。</p><p>　　（3）RF隨石英選擇不同而變。</p><p>　　圖3-3 外部時鐘輸入工作方式</p><p>　　表 3-4 陶瓷諧振器 </p><p>　　表3-5 石英晶體振蕩器的電容選擇</p><p>　　2.

79、2 RC振蕩器</p><p>　　對定時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</p><p>　　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</p><p>　　造中正常的工藝參數(shù)的變化，另外封裝時引腳結(jié)構(gòu)分布電容的差異也會影響振蕩</p><p>　　頻率，特別是在采用的振蕩電容值較

80、小時，這種影響更明顯。當然，用戶還必須</p><p>　　考慮所使用的振蕩電阻和電容變化的影響，圖3-6是PIC16F877芯片與外部振蕩</p><p>　　電容和電阻連接的電路圖。</p><p>　　推薦值：3k≤Rext≤≦100k； Cext﹥20pF</p><p>　　圖3-6 RC振蕩器工作方式復(fù)位</p>

81、<p>　　PIC16F877芯片有以下幾種復(fù)位方式：</p><p>　　（1）芯片上電復(fù)位（POR）；</p><p>　　（2）正常工作狀態(tài)下通過在外部引腳上加低電平復(fù)位；</p><p>　?。?）在休眠狀態(tài)下通過在外部引腳上加低電平復(fù)位；</p><p>　?。?）正常工作狀態(tài)下監(jiān)視器WDT超時溢出復(fù)位；</p>

82、;<p>　?。?）在休眠狀態(tài)下監(jiān)視器WDT超時溢出復(fù)位；</p><p>　?。?）掉電鎖定復(fù)位（BOR）。</p><p>　　有些寄存器的值不受任何一種復(fù)位操作的影響，當芯片上電復(fù)位時，它們的值是不確定的，并在其他形式的復(fù)位后其值保持不變。而其他大多數(shù)寄存器的上電復(fù)位、在正常工作期間用信號復(fù)位或WDT超時溢出復(fù)位，在休眠期間信號復(fù)位以及在掉電鎖存復(fù)位后都會被復(fù)位成“復(fù)位

83、狀態(tài)”。但在休眠期間WDT超時溢出復(fù)位不會影響這些寄存器的值，這是因為這種復(fù)位被看成是一種正常的操作，故不應(yīng)使任何寄存器的值發(fā)生變化。表3-7為不同復(fù)位方式下的上電延遲時間。表3-8為狀態(tài)寄存器STATUS中和位在不同復(fù)位方式下的不同的值，在軟件中可以利用這些位來確定發(fā)生復(fù)位的方式。</p><p>　　表3-7 不同情況下的上電延遲時間</p><p>　　表3-8 狀態(tài)寄存器STA

84、TUS的位和它們的意義</p><p>　　通過對以上進行分析說明，本設(shè)計選用了XT方式即晶體/陶瓷諧振器方式。石英晶體選用4MHz的ESC-40-20-1型，OSC1和OSC2的電容選擇了30pF。</p><p>　　第三節(jié) 溫度采集電路模塊設(shè)計</p><p>　　3.1 溫度檢測電路</p><p>　　溫度是一種最基本的環(huán)境參數(shù)

85、，在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實時測量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測量，因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。測量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：①傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器；②模擬集成溫度傳感器；③智能集成溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展[7]。</p><p>　　由于電力變壓器內(nèi)部帶有鉑電阻，為了硬件上便于實現(xiàn)，設(shè)計不

86、采用模擬集成溫度傳感器和智能集成溫度傳感器，而是使用鉑電阻電橋型溫度檢測電路進行溫度檢測?；阢K電阻的電橋型溫度檢測電路具有精度高、性能穩(wěn)定、調(diào)試容易、對器件要求不高、實用性強的特點[3]。其檢測電路圖如圖3-9所示。</p><p>　　圖3-9 電橋型溫度檢測電路</p><p>　　圖3-10 參考電壓源電路</p><p>　　圖3-10中REF192是

87、AD公司的精密參考電壓源,輸出為+ 2.5V,即VREF=VD=+2.5V,故VA=VD(1+ R2/ R3) = +2. 5(1 + R2/ R3)。圖3-2中R8是鉑電阻，其阻值為R(1 +δ),其中R為鉑電阻在0℃時的阻值;δ=ΔR/ R；VB = - R(1 +δ) VA/ R4 ,則有:　</p><p>　　V0 = R1VAδ/ R4</p><p>　　由此可知,該電路的輸

88、出電壓與鉑電阻阻值的變化δ(或ΔR) 呈線性關(guān)系。在圖3-2中，R1=R2=R4=R5=R6=1KΩ,R3 =10KΩ,R7=100Ω。</p><p>　　該電路的另一個優(yōu)點是調(diào)試非常簡單,在R和R4確定后,只需根據(jù)輸出電壓Vo的變化范圍確定R1的阻值即可。電流流過鉑電阻將會引起鉑電阻溫度升高,稱其為自加熱現(xiàn)象,從而帶來一定的測量誤差,為了減小這種誤差,必須減小流經(jīng)鉑電阻電流,可以通過減小A 點的電壓和適當選取

89、R4 的阻值實現(xiàn)。而A點電壓由參考電壓VREF 和R2/ R3 的值共同決定,因此,應(yīng)選擇輸出電壓比較低的參考電壓源(圖3-2中選2.5V) ,此外R2/ R3 的值也要比較低。</p><p>　　3.2 光電耦合隔離放大電路</p><p>　　由于現(xiàn)場的電磁干擾特別大，工作環(huán)境比較惡劣，如果要使溫控器在此環(huán)境中能夠長期穩(wěn)定、可靠地運行，就必須解決溫控器的抗干擾問題，否則將導(dǎo)致控制誤

90、差加大，甚至造成巨大的損失。所以溫度信號要引入單片機必須經(jīng)過光耦隔離。</p><p>　　光耦（Optical Coupler）器件也稱為光電耦合器或者光電隔離器，它是一種以光為中間媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器件和光檢測器封裝在管殼內(nèi)。當輸入端加電信號時，發(fā)光器件發(fā)出光信號，光檢測器接受到光信號后就產(chǎn)生光電流，從輸出端輸出，從而實現(xiàn)了“電--光--電”轉(zhuǎn)換。普通的光耦器件只能傳輸數(shù)字信號，而近年來問世的

91、線性光電耦合器能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或電流信號[10]。</p><p>　　三極管型光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管構(gòu)成，發(fā)光器件為發(fā)光二極管，光檢測器為光敏三極管。當輸入為低電平“0”時，沒有電流（或者電流非常?。┝鬟^發(fā)光二極管，二極管不發(fā)光，光敏三極管處于截至狀態(tài)，輸出為高電平“1”；當輸入為高電平“1”時，有一定的電流流過發(fā)光二極管，二極管發(fā)光，照射到光敏三極管上，產(chǎn)生一定的基極電流，使光敏三極管處

92、于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出為低電平“0”。若基極有引出線，則可滿足溫度補償檢測調(diào)制要求。這種光耦器件性能較好，價格便宜，因而應(yīng)用廣泛。</p><p>　　光電耦合器之所以能在傳輸信號的同時有效的抑制尖脈沖和各種噪聲干擾，大大提高通道上的信噪比，其主要原因如下。</p><p>　?。?）光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源阻抗較大，通常為幾百K歐姆。由分壓原理可知，即使干擾電壓的幅值較

93、大，但饋送到光電耦合器輸入端的噪聲電壓很小，只能形成微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使發(fā)光二極管發(fā)光，從而被抑制。</p><p>　?。?）光電耦合器的輸入回路與輸出會之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地，之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因而回路一側(cè)的各種干擾噪聲都很難通過光電耦合器饋送到另一側(cè)去，避免了共阻抗耦合的干擾信號的產(chǎn)生。</p><p>　　光電耦合器的主要優(yōu)點是單向傳輸信

94、號，輸入端和輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸效率高。使用光電耦合器還具有很好的安全保障作用，因為光電耦合器的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓，即使當外部設(shè)備出現(xiàn)故障，也不會影響到單片機等重要的核心設(shè)備。</p><p>　　常用的光耦器件為TLP521-1，TLP521-4，4N25，HCRN200，SLC800等。</p><p>　　普通的光耦在數(shù)字隔

95、離電路或數(shù)據(jù)傳輸電路中常常用到，如UART協(xié)議的20mA電流環(huán)。對于模擬信號，光耦因為輸入輸出的線形較差，并且隨溫度變化較大，限制了其在模擬信號隔離的應(yīng)用。</p><p>　　對于高頻交流模擬信號，變壓器隔離是最常見的選擇，但對于支流信號卻不適用。一些廠家提供隔離放大器作為模擬信號隔離的解決方案，如ADI公司的AD202，能夠提供從直流到幾K的頻率內(nèi)提供0.025%的線性度，但這種隔離器件內(nèi)部先進行電壓-頻率轉(zhuǎn)

96、換，對產(chǎn)生的交流信號進行變壓器隔離，然后進行頻率-電壓轉(zhuǎn)換得到隔離效果。集成的隔離放大器內(nèi)部電路復(fù)雜、體積大、成本高，不適合大規(guī)模應(yīng)用。</p><p>　　模擬信號隔離的一個比較好的選擇是使用線形光耦。線性光耦的隔離原理與普通光耦沒有差別，只是將普通光耦的單發(fā)單收模式稍加改變，增加一個用于反饋的光接受電路用于反饋。這樣，雖然兩個光接受電路都是非線性的，但兩個光接受電路的非線性特性都是一樣的，這樣，就可以通過反饋

97、通路的非線性來抵消直通通路的非線性，從而達到實現(xiàn)線性隔離的目的。</p><p>　　市場上的線性光耦有幾中可選擇的芯片，如Agilent公司的HCNR200/201，TI子公司TOAS的TIL300，CLARE的LOC111等。本設(shè)計采用HCNR200/201進行設(shè)計。</p><p>　　HCNR200/201的內(nèi)部框圖如3-11所示</p><p>　　圖3-

98、11 HCRN200內(nèi)部框圖</p><p>　　其中1、2引腳作為隔離信號的輸入，3、4引腳用于反饋，5、6引腳用于輸出。1、2引腳之間的電流記作IF，3、4引腳之間和5、6引腳之間的電流分別記作IPD1和IPD2。輸入信號經(jīng)過電壓-電流轉(zhuǎn)化，電壓的變化體現(xiàn)在電流IF上，IPD1和IPD2基本與IF成線性關(guān)系，線性系數(shù)分別記為K1和K2,即K1與K2一般很?。℉CNR200是0.50%），并且隨溫度變化較大（

99、HCNR200的變化范圍在0.25%到0.75%之間），但芯片的設(shè)計使得K1和K2相等。在后面可以看到，在合理的外圍電路設(shè)計中，真正影響輸出/輸入比值的是二者的比值K3,線性光耦正利用這種特性才能達到滿意的線性度的。</p><p>　　HCNR200和HCNR201的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同，差別在于一些指標上。相對于HCNR200，HCNR201提供更高的線性度。</p><p>　　采用HC

100、NR200/201進行隔離的一些指標如下所示：</p><p>　　* 線性度：HCNR200：0.25%，HCNR201：0.05%；</p><p>　　* 線性系數(shù)K3：HCNR200：15%，HCNR201：5%；</p><p>　　* 溫度系數(shù)： -65ppm/℃；</p><p>　　* 隔離電壓：1414V；</p>

101、;<p>　　* 信號帶寬：直流到大于1MHz。</p><p>　　從上面可以看出，和普通光耦一樣，線性光耦真正隔離的是電流，要想真正隔離電壓，需要在輸入和輸出處增加運算放大器等輔助電路。下面對HCNR200/201的典型電路進行分析，對電路中如何實現(xiàn)反饋以及電流-電壓、電壓-電流轉(zhuǎn)換進行推導(dǎo)與說明。</p><p>　　Agilent公司的HCNR200/201的手冊上給

102、出了多種實用電路[11]，其中較為典型的一種如圖3-12所示：</p><p>　　圖3-12 線性光耦的隔離應(yīng)用電路</p><p>　　設(shè)運放負端的電壓為，運放輸出端的電壓為，在運放不飽和的情況下二者滿足下面的關(guān)系： </p><p>　　其中是在運放輸入差模為0時的輸出電壓，為運放的增益，一般比較大。忽略運放負端的輸入電流，可以認為通過R1的電流為，根據(jù)R

103、1的歐姆定律得：</p><p>　　通過R3兩端的電流為，根據(jù)歐姆定律得：</p><p>　　其中,為光耦2腳的電壓，考慮到LED導(dǎo)通時的電壓（）基本不變，這里的作為常數(shù)對待。根據(jù)光耦的特性，即</p><p>　　將和的表達式代入上式，可得：</p><p><b>　　上式經(jīng)變形可得到：</b></p>

104、;<p>　　將的表達式代入（3）式可得：</p><p>　　考慮到特別大，則可以做以下近似：</p><p>　　這樣，輸出與輸入電壓的關(guān)系如下：</p><p>　　可見，在上述電路中，輸出和輸入成正比，并且比例系數(shù)只由K3和R1、R2確定，一般選R1=R2，達到只隔離不放大的目的。</p><p>　　輔助電路與參數(shù)確定

105、：</p><p>　　上面的推導(dǎo)都是假定所有電路都是工作在線性范圍內(nèi)的，要想做到這一點需要對運放進行合理選型，并且確定電阻的阻值。</p><p>　　運放可以是單電源供電或正負電源供電，上面給出的是單電源供電的例子。為了能使輸入范圍能夠從0到VCC，需要運放能夠滿擺幅工作，另外，運放的工作速度、壓擺率不會影響整個電路的性能。TI公司的LT1097單運放電路能夠滿足以上要求，可以作為HC

106、NR200/201的外圍電路。</p><p>　　電阻的選型需要考慮運放的線性范圍和線性光耦的最大工作電流IFmax。K1已知的情況下，IFmax又確定了IPD1的最大值IPD1max，這樣，由于Vo的范圍最小可以為0，這樣，由于考慮到IFmax大，有利于能量的傳輸，這樣，一般取10KΩ。</p><p>　　另外，由于工作在深度負反饋狀態(tài)的運放滿足虛短特性，因此，考慮IPD1的限制，R

107、2的確定可以根據(jù)所需要的放大倍數(shù)確定，例如如果不需要方法，只需將R2=R1即可。另外由于光耦會產(chǎn)生一些高頻的噪聲，通常在R2處并聯(lián)電容，構(gòu)成低通濾波器，具體電容的值由輸入頻率以及噪聲頻率確定。</p><p>　　確定Vcc=5V，輸入在0-4V之間，輸出等于輸入，采用LMV321運放芯片以及上面電路，下面給出參數(shù)。</p><p>　　R1=200KΩ,R2=174,R3=33KΩ,C1

108、=47P,R4=2.2KΩ,C2=33P,R5=270Ω, R6=6.8KΩRP1=50KΩ，C3=C4=C5=C6=0.1uF。</p><p>　　經(jīng)過線形光耦的隔離可以很好地抑制現(xiàn)場的各種干擾，達到了系統(tǒng)設(shè)計要求的技術(shù)指標。</p><p>　　第四節(jié) 按鍵輸入和顯示電路部分設(shè)計</p><p>　　4.1 按鍵輸入電路模塊設(shè)計</p>&l

109、t;p>　　系統(tǒng)中共用了四個按鍵，一個為清除鍵，其余三個為溫度設(shè)定鍵，四鍵共用一個鍵盤服務(wù)程序。 SET 鍵為溫度范圍設(shè)定開始鍵，UP 為溫度的遞增鍵，DOWN 為溫度的遞減鍵，每按下一次，溫度變化一度。當 SET 鍵按下時系統(tǒng)進入鍵盤服務(wù)子程序，表明進入溫度的設(shè)定狀態(tài)，系統(tǒng)的初始值是45℃—55℃，對于溫度的設(shè)定是在這個基礎(chǔ)上進行遞增或遞減，再次按下 SET 鍵時，表明進入上限值的設(shè)定，由 UP 鍵/ DOWN 鍵對溫度值進行調(diào)