電力變壓器運行實時監(jiān)控系統(tǒng)設計.doc

電力變壓器運行實時監(jiān)控系統(tǒng)設計第一章 概述1.1 問題的提出1.2 目前國內外發(fā)展的現狀1.3 預期目標系統(tǒng)的功能要求，本論文解決的問題及達到的目標。第二章 系統(tǒng)方案設計本章主要是對課題的主要技術指標及功能進行分析，并提出多種技術方案進行經濟、技術比較（包括：系統(tǒng)的可靠性、可擴性等方面），最終確認一個最優(yōu)的技術方案。2.1 系統(tǒng)的功能及技術指標 在本節(jié)給出系統(tǒng)的整個電路原理框圖；2.2 單片機系統(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，內部溫度的范圍，在不同的溫度下應投切的風扇的數量，以及傳輸功率的關系（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 電力變壓器冷卻設備運行狀態(tài)檢測方案設計對于油泵，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，本課題如何實現檢測；提出檢測方案；對于電風扇：說明風扇的重要性，分析風扇可能出現的幾種故障類型，并根據故障類型，給出電風扇可能幾種檢測方案，并進行經濟、技術比較；當發(fā)現故障時，有幾種報警方式，以及實現的方法；2.5 電力變壓器風扇的控制電路方案的選擇根據以上分析，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現的原理；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，進行經濟技術比較，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、適應的場所、特點，并對各個通信方式進行比較，并結合課題的要求，介紹選擇rs-485的通信標準以及應采取的一切方案（包括RS-485電路應采取的保護等問題）。第三章 硬件電路設計本章是根據系統(tǒng)方案的各功能模塊，進行分電路的設計原理和工作原理分析。根據需要也可以給出所選器件的技術參數（僅指那些不常見的、新穎的器件），本章應從理論上進行分析系統(tǒng)所能達到的技術指標，應采用曲線、算法公式以及理論推導等手段進行分析；3.1 單片機應用系統(tǒng)設計單片機外圍基本電路的設計，設計依據，原理，基本功能等。3.2 電力變壓器溫度檢測電路的設計給出具體的電路原理圖，并分析如何實現電力變壓器的溫度檢測，給出各物理量參數的計算公式，并進行深入的分析。3.3 電力變壓器冷卻風扇檢測電路的設計給出具體風扇檢測電路，并介紹檢測電路的詳細原理，以及如何實現故障判斷的。3.4 電力變壓器油泵的監(jiān)測電路設計給出油泵檢測電路圖，并介紹電路圖的工作原理。 3.5 冷卻風扇驅動電路的設計 給出風扇電路原理圖，并根據驅動的功率，介紹電路器件的選擇和設計原理，以及整個電路的工作原理；包括驅動電路的保護。介紹對于在不同的溫度下，如何開停電風扇，電風扇的投切規(guī)則等問題（這部分也可以放到第四章中介紹）。3.6 報警電路設計介紹本系統(tǒng)檢測設備故障后，可以采取的報警方式，以及實現的電路原理圖，和基本參數，并詳細介紹工作原理；3.7鍵盤與顯示電路的設計給出鍵盤電路和顯示電路，并分析電路的工作原理，給出鍵盤的設置功能，并介紹鍵盤的操作方法；給出顯示數碼管的設計原理以及顯示方式，特別是當參數設置時，如何與鍵盤配合顯示等。（根據參數設定內容，例如溫度、濕度上限和下限值的確定）包括報警時，應顯示的方式；3.8 遠程通信電路的設計 介紹采用的遠程通信方式，通信電路的原理，通信的各個物理量，通信內容，通信波特率等；3.9 系統(tǒng)可靠性設計簡述一下在現場可能存在的問題，本論文在設計上進行了哪些抗干擾的設計。第四章 軟件設計本章對本課題的軟件進行詳盡的說明，包括程序的結構，以及各功能模塊的功能；4.1 軟件的系統(tǒng)結構設計 介紹程序的整體框架，軟件系統(tǒng)是由哪幾個模塊組成，在軟件上如何實現各個功能，采取了哪些措施等；利用了單片機的那些資源，各個資源是如何分配的。最后給出主程序框圖，并介紹各模塊的功能。4.2 溫度信號的數據采集軟件的設計 介紹溫度信號的測量方法，給出計算公式，并分析采用了哪些數據處理措施；（例如各種濾波等），并給出程序流程圖；4.3 電風扇檢測程序的設計分別介紹所涉及的模擬量信號的特點，數據采集的方法，計算方法（結合第三章的給出的公式）；在數據處理方面采用了哪些措施（比如：數字濾波技術、數據的標度變換、數據測量的非線性處理、測量數據的備份方法以及交流信號的同步測量原理等算法原理、計算公式）；并結合程序流程圖進行說明；本節(jié)可分成多節(jié)來分別介紹。在程序流程圖中介紹風扇的投切規(guī)則；4.4 報警輸出信號的軟件設計在軟件上如何實現報警信號的輸出；4.5 顯示與鍵盤程序的設計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；并給出測量數據的顯示格式，以及物理量的換算公式。4.6 通信軟件系統(tǒng)的設計 結合第三章的內容，介紹通信的內容和功能，在軟件上如何實現。設計出詳細通信的協(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應用方法以及算法。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)誤差的計算方法，對每一個誤差環(huán)節(jié)應對措施。本章主要通過對樣機的實際測試，對樣機的測試中出現的誤差進行分析，通過與標準數據的對比，給出性能指標的是否達到了設計要求；并對樣機出現的誤差進行理論分析，最終找出應改進的措施，即使設計已經達到了設計要求，也應從理論上分析在進一步提高測量精度上應采取的措施，在誤差方面還有那些不足，應如何改進，給出改進得措施；5.1 系統(tǒng)的測量指標的測試對比分析給出試驗結果表，并與實際設計儀器的測量結果進行比較，并分析設計系統(tǒng)的造成的誤差的原因，進行定性的理論分析，5.2 系統(tǒng)誤差分析對每一個造成的誤差進行理論分析，其分析結果應與測試結果相一致，并給出改進的措施；第六章 結束語對課題完成做一個評價和總結，指出需要進一步改進的地方，在課題達到實際應用還有那些工作需要做；給出通過該課題自己有哪些體會，并對幫助過的人員進行致謝。參考文獻 摘 要 本設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，實現了對變壓器油溫的實時采集、LED顯示、數據無線傳輸，并參考油溫變化對風機的運行狀況進行實時控制。風機側完善的保護裝置為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。關鍵詞：單片機、變壓器冷卻系統(tǒng)、風機故障、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 設計任務及要求6第一節(jié) 畢業(yè)設計的任務6第二節(jié) 畢業(yè)設計的要求6第二章 系統(tǒng)的設計方案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)的設計方案82.1 方案一92.2 方案二102.3 方案三12第三節(jié) 設計方案的確定13第三章 硬件電路設計16第一節(jié) 單片機的選型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計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計294.1 按鍵輸入電路模塊設計294.2 顯示電路部分設計29第五節(jié) 無線通信系統(tǒng)的設計33第六節(jié) 主回路部分設計38 6.1 風冷機的保護簡要介紹386.2 輸出驅動電路設計38第七節(jié) 直流電源的設計46第四章 軟件部分設計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 設計總結60致 謝62參考文獻63附錄一 程序清單64附錄二 元器件明細表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)中的重要設備之一，它的性能、質量直接關系到電力系統(tǒng)運行的可靠性和運營效益。電力變壓器是電力系統(tǒng)運行的核心設備之一，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采用導向冷卻，在繞組和鐵心內部，設有一定的油路，使進入油箱內的冷油全部通過繞組和鐵芯內部流出，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行，因此變壓器的冷卻系統(tǒng)對變壓器的安全經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，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，應該對變壓器的油溫進行實時監(jiān)控。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，實現變壓器的溫度控制，在實際運行中，由于風機啟動時全部投入，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、操作復雜、抗干擾能力差，給工程現場的使用也帶來了很大不便。隨著單片機技術的不斷發(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，可以采用的智能溫度控制系統(tǒng)，實現溫度的自動采集、顯示、風機的順序起停。 根據現場運行要求，本設計選用了PIC16F877單片機構成變壓器溫度控制系統(tǒng)，設備操作簡單，用戶可通過面板按鍵輕松設定控制風機起停、報警及跳閘閥值，所有設定參數掉電后均不會丟失。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)現場的環(huán)境較惡劣，會對系統(tǒng)產生很大的干擾，設計采取了抗干擾措施，在集成電路的電源入口處加了濾波電容，且送入單片機的信號都經過了光耦隔離。最后通過無線通信實現遠程監(jiān)控，控制室通過無線通信及時掌握現場的運行情況，可任意對各種事故做出及時地反映，實現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。由于采取了以上措施，可以保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作，設計具有很好的擴展性，能滿足各種型號變壓器的要求。第一章 設計任務及要求第一節(jié) 設計任務在我們的生活中，電力安全是至關重要的，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。目前現場還有相當數量的油浸風冷電力變壓器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。針對以上種種問題，要求本設計選用一款集成度較高的單片機，并采用無線通信技術，設計一個電力變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)，對現有落后的溫度控制系統(tǒng)進行改造，滿足自動化要求。設計主要完成的工作。本設計須完成風冷式電力變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)的主機部分的設計，主要包括以下工作：（1）收集電力變壓器溫度控制系統(tǒng)的控制原理的實際資料，確定要保證變壓器風冷系統(tǒng)正常運行及實現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動又能保證風機可靠運行的元件。（2）方案設計。（3）確定系統(tǒng)配置及功能，并根據系統(tǒng)功能要求完成系統(tǒng)硬件設計。（4）根據設計原則完成控制系統(tǒng)的軟件設計。（5）撰寫設計說明書，繪制系統(tǒng)電路原理圖。（6）完成指定內容的外文資料翻譯。第二節(jié) 設計要求2.1 畢業(yè)設計的主要內容（1）完成系統(tǒng)設計；（2）選擇合適的單片機，作為主機CPU；（3）獨自完成主機硬件、軟件設計，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計、程序設計及調試；（4）完成相關的設計圖紙繪制和設計說明書撰寫，通過畢業(yè)設計答辯。2.2 設計實現的主要功能（1）將采集到的油溫在就地和遠端（控制室）用LED實時顯示油溫，主機和從機之間的通訊采用無線通信方式；（2）系統(tǒng)設置自動、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。（3）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置，以適應不同類型和不同環(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)生造成設備損壞；（4）系統(tǒng)具有故障自診斷功能，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備檢修；（5）系統(tǒng)設置正常運行、故障運行、油溫超過75三項遠傳開關信號；（6）本設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 主要技術指標控制系統(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。第二章 系統(tǒng)的設計方案第一節(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，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，工作原理如圖2-1所示。主電路控制元件采用了接觸器，靠機械觸點來實現對風機的驅動。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，控制邏輯顯得很復雜，在運行過程中會出現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。 三 相電 源接觸器熱繼電器 風冷電機變壓器過負荷變壓器油溫檢測機電邏輯處理系統(tǒng)圖2-1 傳統(tǒng)風冷機工作原理圖第二節(jié) 智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案本設計以PIC16F877單片機為核心完成系統(tǒng)的設計，要求對油溫進行實時采集，將采集結果送入MCU進行處理，然后按照工藝要求進行相應的控制，實現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變壓器控制器與中心控制室之間的數據通信。使用戶隨時了解變壓器及風機運行情況，實現遠程溫度控制。整個課題包括系統(tǒng)設計，主機溫度信號采集與調理電路設計，主機LED顯示電路設計，主控電路設計，缺相檢測與保護電路設計，過載保護與檢測電路設計，從機設計，從主機LED顯示電路設計，無線通信電路設計，主電路設計，主機從機電源設計，系統(tǒng)軟件流程圖設計，軟件編程等。溫度信號的采集在設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。2.1 方案一:溫度檢測電路通過預埋在變壓器中的鉑電阻傳感器獲得油溫信號3，經信號調理電路處理后直接送入控制器的A/D轉換輸入端，PIC單片機根據信號數據及設定的各種控制參數，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傳輸到控制室,以便對現場情況及時做出反應。方案采用PIC16F877單片機，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轉換；CCP模塊可提供外部信號的捕捉、內部比較輸出、及脈寬調制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、在線調試。顯示電路采用MAX7219，其只需要三根線就可可控制八個數碼管，特別適用于需要I/O口較多的系統(tǒng)。MAX7219為8位LED顯示驅動電路，可以連續(xù)的驅動8位7段數據顯示。在芯片內部集成了一個BCD譯碼器，段地址和位地址驅動以及一個88位的靜態(tài)隨機存儲器。只需要一個外部電阻，就可以正確地驅動所有LED的段地址。信號通過無線通信芯片nRF401傳輸到控制室。以便對現場情況及時做出反應。nRF401 是一個433 MHz 工業(yè)、科學、醫(yī)用頻段設計的真正單片無線收發(fā)芯片,它采用頻移鍵控調制技術。nRF401 發(fā)射速率可達20 kb/ s，發(fā)射功率可調, 最大發(fā)射功率10 dBm,接收靈敏度- 105dBm，具有工作半徑大、適應性強的特點。天線接口設計為差分天線,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。PIC16F877單片機按鍵輸入電 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半導體公司生產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，只用一條數據線就可實現與MCU的通信。它具有體積小，接口方便，傳輸距離遠等特點。顯示采用單片機的RA口擴展四片串并轉換的移位寄存器74LS164驅動四只1.5寸共陽數碼管，實時顯示變壓器的溫度。復位電路采用MAXMAX6304芯片來實現單片機系統(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。（一）溫度檢測電路的設計溫度檢測采用由DALLAS半導體公司生產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、軍事等領域的溫度測量及控制儀器、測控系統(tǒng)和大型設備中。它具有體積小、接口方便、傳輸距離遠等特點。DS18B20單總線數字傳感器工作溫度范圍是-55125，在-3085范圍內溫度測量精度為5；具有溫度報警功能，用戶可設置最高和最低圖2-3 DS18B20引腳分布圖報警溫度，且設置值掉電不丟失；采用DALLAS公司特有的單總線通信協(xié)議，只用一條數據線就可實現與MCU的通信；此外，DS18B20能夠直接從數據線獲得電源，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。I/O為數字信號輸入/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置值均以一個字節(jié)的形式存儲在EEPROM中，使用一個存儲功能命令可對其寫入。（二）顯示部分可以用數碼管顯示，電路如下圖2-4所示。采用了MAX7219驅動器，對溫度值進行實時輸出顯示，根據精度要求，設置一位小數。圖2-4 LED顯示電路（三）鍵盤輸入單片機監(jiān)電路設計的好壞，直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。在設計完單片機系統(tǒng)，并在實驗室調試成功后，在現場卻出現了“死機”、“程序跑飛” 等現象，而用仿真器調試時卻無此現象發(fā)生或極少發(fā)生此現象。有時會發(fā)現在關閉電源后的短時間內再次開啟電源，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。（四）通訊電路設計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來實現無線通信。CC1000是根據Chipcon公司的SmartRF技術，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。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。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個數據幀，每個16位（7個地址位，1個讀/寫位和8個數據位）。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60s。在低電位模式設置時，僅需發(fā)射一個幀，所需時間少于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，每個數據幀中7個最重要的位（A6：0）是地址位，A6是M鍵盤（最高位），首先被發(fā)送。下一個發(fā)送的位是讀/寫位（高電平寫，低電平讀），在傳輸地址和讀/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 個數據位（D7：0），PDATA 在PCLK 下降沿有效。當8位數據位中的最后一個字節(jié)位D0 裝入后，整個數據字才被裝入內部配置寄存器中。經過低電位狀態(tài)下編程的配置信息才會有效，但是不能關閉電源5。 微控制器使用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)送和接收數據。提供數據計時的DCLK 應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。2.3 方案三：溫度檢測采用美國模擬器件公司（ADI）生產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轉換器即可構成三位半液晶顯示的溫度傳感器，通信采用RS-485標準。（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。AD590屬于采用激光修正的精密集成溫度傳感器。該產品有3種封裝形式；TO-52封陶瓷封裝（測溫范圍是-55+150）。不同公司產品的分檔情況及技術指標可能會有一些差異。例如，由ADI公司生產的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，相應時間僅20s，重復性誤差低至0.05，功耗約為5mW。AD590等效于一個高阻抗的恒流源，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，所引起的電流最大變化量僅為1A，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，對應于熱力學溫度T每變化1K，輸出電流就變化1A。在298.15K（對應于25.15）時輸出電流恰好等于298.15A。這表明，其輸出電流與熱力學溫度嚴格成正比。AD590配以ICL7106型單片A/D轉換器，即可構成3位半液晶顯示的數字溫度計。（二）通訊電路RS-485 采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實現通信：在發(fā)送端TXD 將串行口的TTL 電平信號轉換成差分信號A、B 兩路輸出，經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10Kbps 速率傳輸數據時傳輸距離可達 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 實現了多點互聯(lián)，最多可達256臺驅動器和256臺接收器，非常便于多器件的連接。不僅可以實現半雙工通信，而且可以實現全雙工通信。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) 設計方案的確定根據上一節(jié)中三個設計方案，下面對這三種設計方案進行比較：在方案二中，溫度檢測采用由DALLAS半導體公司生產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。顯示采用單片機的I/O口擴展四片串并轉換的移位寄存器74LS164驅動四只1.5寸共陽級數碼管，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。復位電路采用MAX6304芯片來實現單片機系統(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。在方案三中，溫度檢測采用美國模擬器件公司（ADI）生產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轉換器即可構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，可以實現漢字的顯示等，但設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。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。通信芯片nRF401,其通信距離遠，且不用編碼，軟件較容易實現。另外本方案還具有很好的經濟性和可擴展性，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。根據上面對三個設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。所以在本設計中采用了方案一。具體的硬件框圖如下所示。圖2-5 溫度控制系統(tǒng)結構框圖 如上系統(tǒng)框圖所示，本設計以PIC16F877單片機為核心完成系統(tǒng)的設計，要求對油溫進行實時采集，將采集結果送入MCU進行處理，然后按照工藝要求進行相應的控制，實現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變壓器控制器與中心控制室之間的數據通信。使用戶隨時了解變壓器及風機運行情況，實現遠程溫度控制。溫度檢測電路通過預埋在變壓器中的鉑電阻傳感器獲得油溫信號，經信號調理電路處理后直接送入控制器的A/D轉換輸入端，PIC單片機根據信號數據及設定的各種控制參數，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傳輸到控制室。以便對現場情況及時做出反應。nRF401 是一個433 MHz 工業(yè)、科學、醫(yī)用頻段設計的真正單片無線收發(fā)芯片,它采用頻移鍵控調制技術。nRF401 發(fā)射速率可達20 kb/ s。發(fā)射功率可調, 最大發(fā)射功率10 dBm,接收靈敏度- 105dBm，具有工作半徑大、適應性強的特點。天線接口設計為差分天線,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。 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計說明將在下一章節(jié)中作具體的闡述。第三章 硬件電路設計第一節(jié) 單片機的選型硬件電路是整個設計的核心，而單片機又是硬件電路的核心，所以單片機的選擇顯得至關重要。由于有溫度檢測，需要A/D轉換，且需要較多的I/O口，所以單片機采用PIC系列微控制器8。PIC系列單片機具有以下幾個大的特點： （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，易學易用，相對于采用CISC結構的單片機可節(jié)省30%以上的開發(fā)時間，2倍以上的程序空間。 （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45倍。 （3）低功耗：PIC采用CMOS設計結合了諸多的節(jié)電特性，使其功耗較低，PIC百分之百的靜態(tài)設計可進入休眠省電狀態(tài)而不影響喚醒后的正常工作。（4）低價實用：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品開發(fā)工具和大量的子程序庫和應用例程，使產品開發(fā)更容易和更快捷。根據設計的要求，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。主要特征PIC16F873PIC16F874PIC16F876PIC16F877工作頻率DC20MHzDC20MHzDC20MHzDC20MHz復位（與延時）POR，BOR（PWRT，OST）POR，BOR（PWRT，OST）POR，BOR（PWRT，OST）POR，BOR（PWRT，OST）FISA程序存儲器/K4488數據存儲器/字節(jié)192192368368EERROM數據存儲器/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端口定時器/計數器3333捕捉/比較/脈沖調制（PWM）2222串行通信MSSP，USARTMSSP，USARTMSSP，USARTMSSP，USART并行通信-PSP-PSP10位模數轉換模塊5個輸入通道8個輸入通道5個輸入通道8個輸入通道指令數/條35353535表3-1 四種單片機性能比較表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：DC20MHz時鐘輸入，DC200ns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)的數據存儲器（RAM）；高達256字節(jié)的EEPROM數據存儲器。中斷能力多達14個內部/外部中斷源。該單片機具有8級硬件堆棧，上電復位電路（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。通過2個引腳可進行在線調試，編程只需要5V電源，通過2個引腳可進行在線調試，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：2.05.5V，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： 定時器TMR0：帶有8位定時器/計數器。 定時器TMR1：帶有前分頻器的16位定時器/計數器，在休眠期間可通過外部晶振/時鐘增量計數。 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/計數器。 兩個捕捉/比較/脈寬調制（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，脈寬調制（PWM）輸出的最大分辨率為10位。 10位多通道模數轉換器（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位寬度的并行從動端口PSP（僅用于40/44引腳芯片）。 用于鎖定（Brown-out）復位（BOR）的鎖定檢測電路。 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轉換器，在溫度檢測信號后就不需要設計專門電路來進行A/D轉換，所以應用電路比較簡單，因此在本設計中就選用了PIC16F877單片機。第二節(jié) 振蕩器配置選擇在本次設計中，我們需要用到振蕩器，下面對振蕩器做個初步的了解介紹。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。（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;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。在這3種方式下，也可以用外部時鐘源加在OSC1引腳上進行驅動，這時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，但同時會增加起振時間；（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值；（4）為避免超過晶體驅動能力，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 對定時器要求不是很高的應用，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的數值和工作溫度函數，再加上由于制造中正常的工藝參數的變化，