（电力电子与电力传动专业论文）基于单片机船舶电力推进电机监测系统.pdf

a b s t r a c t w i t ht h eh i g h s p e e dd e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a l t e c h n o l o g y ，m a r i n e e l e c t r i c a lp r o p u l s i o nh a sb e e na p p l l e dw i d e l yi nv a r i e t i e so fs h i p s b u t t h e d e v e l o p m e n t o ft h e m o n i t o r i n ga n dp r o t e c ti n s t r u m e n t si ss l o w c o m p a r a t i v e l y a c c o r d i n gt ot e c h n o l o g yo ft h em a r i n ee l e c t r i c a l p r o p u l s i o n ，t h em a r i n ee l e c t r i c a lp r o p u l s i o n m o n i t o r i n gs y s t e mw a s e s t a b l i s h e db yc 8 0 5 1 f 0 2 0a n ds e n s o r sm e a s u r e m e n t ，m a d eu po ft h r e ep a r t s s u c ha sp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n tp a r t ，t h es i g n a lp r o c e s s i n gp a r ta n dt h e l c dd is p l a yp a r t i nt h ep a r a m e t e r sm e a s u r e m e n tp a r t ，t h ed e s i g ni sm a i n l ym a d eu po f t h r e ep a r t ss u c ha ss e n s o r ss e l e c t ，s e n s o r sc i r c u i td e s i g n s ，e x p e r i m e n t m e a s u r e m e n t a n ds e n s o r sc i r c u i td e s i g n si n v o l v e dm a g n i f yc i r c u i td e s i g n ， f i l t e rc i r c u i t sd e s i g na n dh a r d w a r er e l i a b i l i t yi n s t r u m e n t sd e s i g n i nt h e p r o c e s s i n ga n dc a l c u l a t i n gp a r t ，a dc o n v e r s i o np a r to f c 8 0 5 1 f 0 2 0w a sa p p l i e dt op r o c e s st h es i g n a l si n t ot h es i n g l ec h i p t h e s i g n a l sw e r et h e ns e n tt op ct h r o u g ht h es e r i e sc o m m u n i c a t i o n t h ew o r k i sm a i n l yi n v o l v e dt h r e ep a r t ss u c ha sh a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g n a n dc o o r d i n a t i n gt h ed e b u g g i n go ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m b a s e d o nt h el o c a li z a t i o no ft h ea dp a r t ，i op o r t sw e r ee x t e n d e da n ds a m p l e t i m ew a sm a t c h e d t h ed e s i g no fl c dd i s p l a yp a r ti sm a d eo ff o u rp a r t ss u c ha sl c ds e l e c t ， h a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g na n dl c dd e b u g g i n g t h em o t o rp a r a m e t e r s s u c ha st e m p e r a t u r e ，c u r r e n t ，v o lt a g e ，p o w e re t c c a nb ed is p l a y e db yl c d i nr e a lt i m e i ti n d i c a t e st h a tt h ee x p e r i m e n tr e s u l ti sa v a i l a b l ea n dp r a c t i c a b l e ， c a nb ea p p l i e di nr e a ls h i ps y s t e m t h em a r i n ee l e c t r i c a l p r o p u l s i o n m o n i t o r i n gs y s t e mi nm a r i n ee l e c t r i c a lp r o p u l s i o nc a na d v a n c et h er e a l 2 t i m eo ft h es y s t e m ，w h i c ht a k e sab a s i ca n dc r e a t i v es t e pi nm a r i n er e a l t i m es u p e r v i s i n gs y s t e m t h e s ea c h i e v e m e n t sa r eo fa d v a n c e m e n ta n dl a t e n t e c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d s ：m a r i n ee l e c t r i c a lp r o p u l s i o n s y s t e m ，s i n g l ec h i p s e n s o r s ，l c d ， m o t o rp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o n 3 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做 的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：曲企塑日期：选= ! ：鱼g ： 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：壹2 盆师签名：日期：塑兰：兰3 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 船舶电力推进监测系统 1 研究背景及立题意义 1 1 船舶电力推进系统的历史背景及现状 1 9 8 0 年“海上革命”激励了船舶电力推进系统的发展。由于具备节能和省舱 容以及良好的机动性等特点，电力推进系统应用范围日益广泛，不仅应用于军舰、 特种船舶，而且还应用于大型油轮和集装箱船舶。船舶采用电力推进方式已经有 近8 0 年的历史，在常规动力潜艇中已经采用了几十年。自2 0 世纪八十年代以来， 随着电力电子技术的迅速发展，大功率交流电机的变频调速技术日趋成熟，基于 晶闸管整流、i g b t 器材方案实现的船舶电力推进技术，在国内外受到了高度重视 并得以迅速发展，并在机动性、可靠性、和运行效率等方面都有了突破性的进展， 从而使船舶电力推进技术的应用领域不断扩大，船舶电力推进技术已显示出广泛 的应用前景“1 。 当代船舶建设朝着大型、节能、高效等方向迅速发展，变距桨、电力推进等 多种模式应运而生。船舶电力推进系统是利用推进电机驱动螺旋桨转动，从而推 动船舶前进。它的出现可追溯到一个多世纪以前。在第二次世界大战后，由于齿 轮加工能力的提高，电力推进船舶在数量上大为减少，但是由于战后自动控制系 统的发展以及电机放大机在推进系统中的广泛应用，使电力推进装置朝着另一方 向迅速发展。这时不再是主要利用其减速性能，而是主要利用其良好的调节性能、 机动性能以及低噪声性能。2 0 世纪8 0 年代中期以来，变流技术的发展使中压电力 系统在船舶中得到开拓，变频调速推进系统的功率已与其它动力装置不相上下， 因而电力推进方式变得极具前景。船舶电力推进作为目前应用比较广泛的系统， 具有以下几个优点： 1 、机动性能好。由于电动机的控制性能优于传统的热力机械，电力推进船舶 的机动性能较好，还具有紧急停车时滑行距离短、小角度回转和快速响应等优点。 2 、机舱小、布置灵活，可增加船舶的载货载客能力。电力推进系统减少了尾 轴、舵、传动装置以及热力系统所需要的大量辅机，总的来说增加了舱容。 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 船舶电力推进监测系统 3 、推进效率高。尤其是吊舱式结构省去了舵，所以与传统的定剧桨相比推进 效率提高了6 1 0 。 4 、节能和有利与环保。减少各种燃油、滑油的消耗：减少废气排放和震动 噪声污染“1 。 目前国外在船舶电力推进系统已经有了一定的发展，随着电力电子，变频器 及通信技术等方面的发展，各类电力推进系统出现并变成了现实，如a z i p o d ，s s p 等，应用范围也越来越广泛“。而船舶机舱的管理也从面向对象的维护、保养， 转向面向过程、旨在保障安全运行的集中管理控制。国内的船厂也逐渐引进技术 并进行建造电力推进船舶的实践，但是国内的发展相对落后，至今还没有比较成 熟的产品应用到运输船舶1 。 1 2 课题主要研究内容及意义 本课题采用单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 研制开发一套船舶电力推进电机监测系统。随着 计算机技术，电力电子技术，控制技术的发展，船舶电力推进系统的性能进一步提 高，应用范围也越来越广泛。本设计针对船舶电力系统发展的现状，研究和设计船 舶电力推进电机监测系统，该系统主要包括系统参数测量部分、数据的采集和处理 部分和l c d 显示部分。 参数测量部分的设计包括传感器的选型，变送电路的设计和采集结果的测量。 变送电路的设计还包括放大电路的设计，滤波电路的设计和保证硬件可靠性措施 等； 数据采集和处理部分的设计主要是利用c 8 0 5 1 f 0 2 0 的1 2 位a d 转换端口来进 行数据的采集和a d 转换，通过串口通讯进行与上位机的通讯。主要工作包括硬件 电路的设计、软件部分的设计和硬件系统与软件系统的协同调试。本设计还针对 a d 端口的局限性，扩展采集端口并进行了采样时间的匹配； l c d 显示部分的设计主要包括l c d 的选型、硬件电路的设计、软件程序的编 写及l c d 的调试等。l c d 可以实时显示电机的温度、电流、电压、功率和功率因 数等参数。 本系统用于船舶电力推进电机系统，可为以后研制更大规模的船舶实时管理系 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 船舶电力推进监测系统 统提供了新的思路，为船舶电力推进的智能控制打下了基础。产品应用到船舶电力 推进电机监控系统的研究与开发，具有一定的实际意义。 本课题得到了上海市教委科研项目“船舶电力推进混合仿真系统”相关 研究资金的支持。 1 3 论文内容与结构 第一章是绪论，阐述选题背景与意义，对于国内外研究概况与船舶电力推进系 统存在的主要问题做出了阐述。最后指出本文主要创新点与实用价值。 第二章提出基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 的船舶电力推进电机监测系统，着重介绍了其主要 结构和系统的主要组成部分，并介绍了船舶电力推进电机监测系统中所用到的主要 芯片，包括单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 、l c d 显示器和传感器等。本设计所用的传感器包括 温度传感器r , n o o ( k 型) 、电流传感器a c s 7 0 4 和电压互感器k b k 3 0 j - - d 等。 第三章主要是对船舶电力推进电机参数测量电路的设计。针对不同的物理量， 分别设计了p t l 0 0 测温电路、霍尔元件测电流电路、电压参数测量电路和滤波电路 等，并采取了硬件可靠性措施。 第四章介绍了数据采集和数据处理的方法。数据采集采用c 8 0 5 1 f 0 2 0 的1 2 位 a d 转换端口，并对采集到的物理量进行计算和处理。本设计实时采集到电机的温 度、电流和电压参数，编写参数计算软件得到电机的功率因数、功率和力矩等参数。 本章还设计了l c d 显示模块，实时显示电电机运行状态。 第五章总结了本系统所完成的工作，并对船舶电力推进电机监测系统的前景 作出了展望。 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 船舶电力推进监测系统 2 船舶电力推进电机监测系统总体设计 2 1 船舶电力推进电机监测系统结构 本系统主要由参数检测电路、数据采集电路、基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 的监测系统、显 示系统等构成，各部分连接关系如图2 1 所示。 图2 1 系统结构框图 本检测系统的设计主要是利用单片机的智能控制对电机的温度信号、电流信 号、电压信号进行采集处理，然后达到对外电路进行检测和控制的目的。在本系 统中有温度信号、电流信号、电压信号等信号的采集输入。 本船舶电力推进电机监测系统的硬件主要包括上位计算机、基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 数据监测处理部分和液晶显示以及外围电路。其结构框图如图2 1 所示。其中，数 据监测处理单元采用单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 芯片，是整个系统的核心部分。c 8 0 5 1 f 0 2 0 通过串行总线和上位机通讯，采用l c d 传输和显示电机运行状态和电机运行参数 的计算。 本监测系统的核心是采用芯片c 8 0 5 1 f 0 2 0 的评估板。该评估板总体结构如图 2 2 所示。 4 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 船舶电力推进监测系统 图2 2 评估板主要结构 本监控系统主要分为信号采集模块，信号处理模块，显示模块，通信模块四个 部分。信号的采集模块分为温度信号的采集、电流信号的采集，电压信号的采集等。 温度信号的采集主要由p t l 0 0 测温电路构成，p t l 0 0 具有近似于线性的温度曲线， 并通过运放电路和软件补偿得到o 3 v 标准电压信号。电流信号的采集由a c s 7 0 4 运放电路组成，霍尔元件a c s 7 0 4 是可以工作在0 - 8 0 0 v 的交流电流传感器，经过 运放电路和整流电路最终获得0 3 3 v 电压信号。 输入部分采用c 8 0 5 1 f 0 2 0 的1 2 位a 0 转换端口对信号进行采集，定时器进行 转换。单片机通过r s 2 3 2 串口与p c 机相连，并通过l c d 显示电机运行参数和电机 运行状态。本监测系统不仅有大量需要实时输入的数据，而且还有很多实时显示 的数据，因此良好的人机接口设计是不可避免的。相对于传统的使用几个数码管 的显示方式而言，使用l c d 将使得整个嵌入式系统的人机接口变得更加友好，也 能满足仿真对于大量数据显示的要求，便于调试检测。 2 2 单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 的结构 单片机部分是整个系统的核心，在单片机部分运行的主要是系统软件。它主 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 船舶电力推进j ；c 测系统 要包括a d 、d a 转换控制程序，l c d 显示驱动程序，串口通讯程序等。船舶电 力推进监控系统的实时性和可靠性要求单片机要具有丰富的外设接口资源和足够 高的运算速度，经过分析比较，本设计采用了美国德州c y g n a l 公司推出的一种混 合信号s o c 型8 位单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 。它是完全集成的混合信号系统级m c u 芯 片，具有6 4 个数字i o 引脚。具体的原理图如图2 3 所示。 图2 3c 8 0 5 1 f 0 2 0 原理结构图 该单片机采用流水线处理( p i p el i n e ) 技术，不再区分时钟周期和机器周期， 能在执行指令期间预处理下一条指令，提高了指令执行效率。而且c 8 0 5 1 f 0 2 0 具 备控制系统所需的模拟和数字外设，包括看门狗、a d c 、d a c 、电压比较器、电 压基准输出、定时器、p w m 、定时器捕捉和方波输出等，并具备多种总线接口， 包括u a r t 、s p i 、s m b u s 总线以及c a n 总线。c 8 0 5 1 f 0 2 0 采用h a s h r o m 技术， 集成j t a g 支持在线编程。c 8 0 5 1 f 0 2 0 的诸多优点和优越性，使其广受单片机系统 设计工程师青睐，成为很多测控系统控制的首选机型。其具体特性如下： 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p 5 1 内核( 可达2 5 m i p s ) ； 全速、非侵入式的系统调试接口( 片内) ； 真正1 2 位、1 0 0 k s p s 的八通道a d c ，带p g a 和模拟多路开关； 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 船舶电力推进监测系统 真正1 2 位d a c ，具有可编程数据更新方式； 6 4 k 字节可在系统编程的f a l s h 存储器； 4 3 5 2 ( 4 0 9 6 + 2 5 6 ) 字节的片内r a m ； 可寻址6 4 k 字节地址空间的外部数据存储器接口； 硬件实现的s p i 、s m b u s ，2 c 和两个u a r t 串行接口； 5 个通用的1 6 位定时器； 具有5 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器阵列； 片内看门狗定时器、v d d 监视器和温度传感器。 具有片内v d d 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的c 8 0 5 1 f 0 2 0 是真正能独 立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能禁止和配置。 f l a s h 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许用 户现场更新8 0 5 1 固件。”。 片内j t a g 调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品m c u 进行非侵入 式( 不占用片内资源) 、全速、在线系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器 和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用j t a g 调试时，所 有的模拟和数字外设都可全功能运行。“。 每个m c u 都可在工业温度范围内( 一4 5 。c 8 5 。c ) 内用2 7 v 3 6 v 的电 压工作。端口加、r s t 和j t a g 引脚都允许5 v 的输入信号电压。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 系列器件使用s i l i c o nl a b s 的专利c i p 5 1 微控制器内核。c i p 5 1 采用流水线结构，与标准的8 0 5 1 结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标 准的8 0 5 1 中，除m u l 和d i v 以外所有的指令都需要1 2 或者2 4 个系统时钟周期， 最大系统时钟频率为1 2 - 2 4 m h z 。而对于c i p 5 1 内核，7 0 的指令执行时间为1 或2 个系统时钟周期，只有4 条指令的执行时间大于4 个系统时钟周期，其最大 系统时钟频率为2 5 m h z “1 。图2 4 给出了几种8 位微控制器内核工作在最大系统时 钟时的峰值速度的比较关系。 7 基于c 8 0 5 1 f 0 2 d 船舶电力推进监测系统 图2 4m c u 峰值执行速度比较 增加的功能：c 8 0 5 1 f 0 2 0 对c i p 5 1 内核和外设有几项关键性的改进，提高了 整体性能，更易于在最终应用中使用。 1 、扩展的中断系统向c i p 一5 1 提供2 2 个中断源( 标准8 0 5 1 只有7 个中断源) 。“， 允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的 m c u 干预，因为有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系统时，这些增加 的中断源是非常有用的。 2 、m c u 可有多达7 个复位源：一个片内v d d 监视器、一个看门狗定时器、一 个时钟丢失监测器、一个由比较器o 提供的电压检测器、一个软件强制复位、 c n v s t r 引脚及r s t 引脚、除了v d d 监视器和复位输入引脚外，每个复位源 都可以由用户软件禁止；使用m o n e n 引脚使能禁止v d d 监视器。在一次上 电复位之后的m c u 初始化期间，w d t 可以被永久性使能。 3 、m c u 内部有一个独立运行的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如 果需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器，外部振荡器可以使用晶体、 陶瓷谐振器、电容、r c 或外部时钟源产生系统时钟。时钟切换功能在低功耗系 统中是非常有用的，它允许m c u 从一个低频率( 节电) 外部晶体源运行，当需 要时再周期性切换到高速( 可达1 6 m h z ) 的内部振荡器”“。 由以上特点可以看出，c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机具有丰富的片上硬件资源及高运算速 8 基于c 8 0 5 1 1 m 2 0 船舶电力推进监测系统 度，这为实现复杂的控制算法提供了保障，而且几乎不需系统扩展即可满足控制 系统对硬件资源的需求，极大地提高了系统可靠性。 2 3 l c d 选型 本设计中l c d 采用c 系列中的o c m j 2 x 1 0 c _ 2 中文显示模块。c 系列中文模 块可以显示字母，数字符号，中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功 能。提供三种控制接口，分别是8 位微处理器接口，4 位微处理器接口及串行接口。 所有的功能，包含显示r a m ，字符产生器，都包含在一个芯片里面，只要一个最 小的微处理系统，就可以方便操作模块。内置2 m 位中文字型r o m 总共提供8 1 9 2 个中文字型( 1 6 1 6 点阵) ，1 6 k - 位半宽字型r o m 总共提供1 2 6 个符号点阵( 1 6 x 8 点阵) ，6 4 1 6 一位字型产生r a m ，另外绘图显示画面提供一个6 4 x 2 5 6 点的 绘图区域，可以和文字画面混合显示。提供多功能指令：画面清除( d i s p l a yc l e a r ) 、 光标归位( r e t u r nh o m e ) 、显示打开关闭( d i s p l a yo n o f f ) 、光标显示隐藏( c u r s o r o n o f f ) 、显示字符闪烁( d i s p l a yc h a r a c t e rb l i n k ) 、光标移位( c u r s o rs h i f t ) 、显示 移位( d i s p l a ys h i f t ) 、垂直画面卷动( v e r t i c a ll i n es c r o l l ) 、反白显示( b yl i n er e v e r s e d i s p l a y ) 、待命模式( s t a n d b ym o d e ) “”。 主要参数： 1 、工作电压( v d d ) ：4 5 5 5 v 2 、逻辑电平；2 7 5 5 v 3 、l c d 驱动电压( v o ) ：o 7 v 4 、工作温度：0o c 5 5 。c ( 常温) 一2 0 。c 7 5 。c ( 宽温) 保存温度：一1 0 。c 6 5 。cf 常 温) - 3 0 。c 8 5 。c ( 宽温) 。 2 3 1 ( e m j 2 x1 0 c _ 2 ( 1 6 0 3 2 ) 引脚说明 c 系列中文显示模块o c m j 2 x 1 0 c _ 2 ( 1 6 0 3 2 ) 日1 脚说明如表2 1 所示。 引名称 方向说明 脚 1v s s o n d ( 0 v ) 9 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 船舶电力推进监测系统 2v d d s u p p l yv o l t a g ef o rl o g i c ( + 5 v ) 3v o s u p p l yv o l t a g ef o rl c d 4 r s ( c s ) ih ：d 戌i al i n s t r u c t i o nc o d e 5 w w ( s t d ) ih ：r e a dl ：w r i t c 6 e ( s c l k ) i e n a b l es i g n a l 高电平有效 7d 踟i ，0数据0 8d b li o 数据1 9 d b 2i o 数据2 1 0 d b 3i o 数据3 1 1d b 4【o 数据4 1 2 d b 5i o 数据5 1 3 d b 6i 内 数据6 1 4 d b 7 i o 数据7 1 5 p s bih ：p a r a l l e lm o d els e r i a lm o d e 1 6n c 空脚 1 7r s tir e s e ts i g n a l 1 8n c 空脚 1 9i 卫d k 背光源负极 2 0l e d a 背光源正极 2 3 2 数据传输时序图 表2 1 o c m j 2 x 1 0 c _ 2 ( 1 6 0 3 2 ) 弓 脚说明 当p s b 角接高电位时，模块将进入并列模式，在并列模式下可由指令d l f l a g 来选择8 位或4 位接口，主控制系统将配合( r s ，r w , e ，d b 0 d b 7 ) 来达成传输 动作。从一个完整的流程来看，当下设定地址指令后，若要读取数据时需要先 d u m m y r e a d 一次，才会读取到正确数据，第二次读取时则不需d u m m y r e a d ， 除非又下设定地址指令才需再次d u m m yr e a d 。在4 - 位传输模式中，每一个八位 的指令或数据都将被分为两个字节动作：较高4 位( d b 7 d b 4 ) 的资料将会被放 在第一个字节的( d b 7 d b 4 ) 部分，而较低4 位( d b 3 d b 0 ) 的资料则会被放 在第二个字节的( d b 7 d b 4 ) 部分，至于相关的另四位则在4 - 位传输模式中d b 3 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 船舶电力推进监测系统 d b 0 接口未使用。相关接口传输讯号如图2 5 和图2 6 所示： 图2 58 位并行信号传输时序图 2 3 3 串行接口与串行传输时序 当p s b 脚接收低电位时，模块将进入串行模式。从一个完整的串行传输流程来 看，一开始先传输起始字节，它需要先接收到五个连续的“1 ”( 同步位字符串) ， 在起始字节，此时传输计数将被重置并且串行传输将被同步，再跟随的两个位字符 串分别指定传输方向位( r w ) 及寄存器选择位( r s ) ，最后第八的位则为0 。在 接收到同步位及r w 和r s 资料的起始字节后，每一个八位的指令将被分为两个字 节接收到：较高4 位的指令资料将会被放在第一个字节的l s b 部分，而较低4 位的 指令 资料则会被放在第二个字节的l s b 部分，至于相关的另四位都为o “”。 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 船舶电力推进监测系统 2 3 4 八位并行连接时序图 八位并行连接时序图如图2 7 和2 8 所示。 脑：二：二二：二 匿：二二：二二二：x 二二二 ? 、x 强。一一一一j 一一一 n 埔二二二：二芰里一 一么二二二 e = _ 厂帮1 - 瞄q 嘲 - _ f h 图2 7m p u 从模块读出控制字 2 4 传感器的选取 图2 8m p u 从模块读出数据 广义上来说，传感器是指能感知某一物理量、化学量或者生物量等的信息， 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 船舶电力推进监测系统 并能将之转化为可加以利用的信息的装置。传感器狭义的定义是：感受被测量， 并按一定规律将其转化为同种或其他性质的输出信号的装置。由于电信号易于保 存、放大、计算、传输、且是计算机能够直接处理的信号，所以，传感器的输出 一般是电信号。( 如电流、电压、电阻、电感、电容、频率) 、本文为了计算方便 和基于单片机的输入信号的要求，将被测量转换为o 3 。3 v 之间的电压信号传输到 单片机。 2 4 1 传感器分类 由于传感器技术的发展，其品种已达数万，可从不同角度对其进行分类“。 ( 1 ) 按被测量( 或者传感器的用途) 分类 如果被测量为温度、压力、流量、位移、速度等时，则相应的传感器分别称 为温度传感器、压力传感器、流量传感器、位移传感器、速度传感器等、常见的 其他被测量还有：热量、压差、力、力矩、质量、振幅、频率、加速度、噪声、 浓度、密度等，其相应的传感器一般以被测量命名。这种分类方法可以方便地根 据测量对象选择所需的传感器。 ( 2 ) 按工作原理分类 传感器的工作原理主要是基于电磁原理和固体物理学理论。据此可将传感器 分为电阻式、电感式、电容式、阻抗式、磁电式、热电式、压电式、光电式等类 别，这种分类方法有利于从原理上和设计上做归纳性的分析研究。 ( 3 ) 按输出信号的性质分类 根据传感器输出信号的性质，可将其分为模拟传感器和数字传感器两大类。 前者输出模拟信号，后者输出数字信号。模拟传感器如果要与计算机连接，需要 引入模数转换环节，而数字传感器则不需。数字传感器一般将被测量转换为脉冲、 频率或者二进制数码输出，抗干扰性能强。 本系统选用温度传感器，电流传感器和电压互感器分别采集电机温度信号， 电流信号和电压信号。 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 船舶电力推进监测系统 2 4 2 温度传感器的选取 随着工业技术的发展，温度传感器的种类越来越多，但是由于器件本身的因素 和实际环境的影响，大多数温度传感器的感温特性都不是严格的线性关系。p t l 0 0 传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测 温，其温度阻值对应关系为： ( 1 ) 一2 0 0 t o 时，r p t l 0 0 = 1 0 0 1 + a t + b t 2 + c t 3 ( t 1 0 0 ) ( 式2 1 ) ( 2 ) o c t 8 5 0 时，r p t l 0 0 = 1 0 0 ( 1 + a t + b t 2 )( 式2 2 ) 其中，a = 3 9 0 8 0 2 1 0 3 b = 一5 8 0 1 0 7 c = 4 2 7 3 5 x1 0 一1 2 p t l 0 0 温度传感器的主要技术参数如下：测量范围：一2 0 04 c + 8 5 0 。c ；允许偏 差值：a 级( o 1 5 + 0 0 0 2lti ) ，b 级( o 3 0 + o 0 0 5itj ) ；热响应 时间 3 0 s ；最小置入深度：热电阻的最小置入深度2 0 0 m m ；允通电流、 k h z c a ( 1 0 0 1 0 ) p f 2 、根据选择的滤波电容c 和给定的阻尼系数a ( 或品质因数q ) 以及截止角 频率的值，利用( 式3 1 6 ) 和( 式3 1 7 ) 求滤波电阻r ： 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 船舶电力推进监测系统 。, 2 一a 2 x = 。一 。p c ( 式3 1 8 ) 3 、根据式f3 1 7 ) 求出能够满足阻尼系数要求的集成运放的闭环增益 爿。：1 + 生。3 一a 厶- 1 + 云妇叫 ( 式3 1 9 ) 4 、 求f g n r 。和月，。r 。和r ，可根据以下两个要求来确定。 为了消除集成运放偏置引起的失调，要求集成运放同相端对地的直流电 阻等于反向端对地的直流电阻，即 鱼生；2 月 r o + r ， ( 式3 2 0 ) 适当选择r 和r ，的值，以满足由式( 3 1 9 ) 确定的集成运放闭环增益白 的要求。联立式( 3 1 9 ) 和( 3 2 0 ) 可得 r 。丝坐o a 矿一1 r ，- 纠玎r 3 4 电压信号的采集 f 式3 2 1 ) ( 式3 2 2 ) 本设计中采用的电机电压参数为：y 型接法为3 8 0 v ，接法为2 2 0 v 。单片机 c 8 0 5 1 f 0 2 0 的输入电压为o 3 v ，所以本设计采用变压器先把3 8 0 v 2 2 0 v 电压变 为5 v ，然后经过电阻分压达到o 3 3 v 。 3 4 1 隔离变压器k b k 3 0 j - - d 本设计中变压器采用k b k 3 0 5 卡轨式隔离变压器，型号为k b k 3 0 j - - d 。其初级 电压为3 8 0 v 2 2 0 v ，频率为5 0 6 0 h z ，次级电压为5 v ，电流为2 5 a 。k b k 3 0 j 卡轨 式隔离变压器实物如图3 7 所示1 。 苎三! ! 竺! 翌垫塑塑皇垄苎堂堕型至篓 图3 7 k b k 3 0 j 卡轨式隔离变压器实物图 k b k 3 0 j 卡轨式隔离变压器内部接线图和单路输出接线图如图3 8 所示 。 3 4 2 电阻分压电路 内部接线圈 图3 8 k b k 3 0 j - - d 内部接线图和单路输出图 隔离变压器k b k 3 0 j 将电压转换为o 5 v ，然后经过电阻分压为0 3 3 v 。电 阻分压电路如图3 9 所示。 图3 9 电阻分压电路 ，p飞警。躺，9飞套。蟠 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 船舶电力推进监测系统 该电阻分压电路是一个端点分压电路，电容起到滤波作用。图3 9 中的k 是定 子绕组的对地端点电压，置和r 为分压电阻，v 。是分压滤波后的电压。k 经过分 压和滤波后得n n v 。范围是0 3 3 v ，送入c 8 0 5 1 f 0 2 0 的a d c 0 端口。 在图3 。7 中，此分压电路的分压比为； ? ：善v o ( 式3 2 3 ) 墨+ r ：k ( 式3 2 3 ) 中，在选择蜀，r ：的值时，为了保护单片机芯片的a d c 转换模 n n n v 。的值过大而损坏a d c 转换模块，就应适当减少分压比。但是如果分压 比过小就会给测量带来一定的误差。因为当定子电压 一定时，分压比越小则分 压电压y 。就越小，而y 。就是a d c 模块的转换电压，v 。越低则a d c 模块的测量 误差就越大。所以，对于分压比的选择应采取“适度”的原则。在本设计中蜀= 1 0 k 岛为5 0 k 的电位器。 滤波电容c 。和分压电阻r 并联，所以电容的选择也是必须考虑的因素。 r ；1 。掀 ( 式3 2 4 ) 对于电容的电阻足值与r 相比不能过小。如果r 过小就会造成分压电阻雹 的短路，使其失去作用。 3 4 3 电压信号的断相保护 三相不可控二极管整流，经过i m 和1 0 k 的电阻分压，加在1 0 k 上的电压信 号输入到l m 3 5 8 ，此时电压大小为5 4 v ，若断开一相时电压大小为3 8 v ，所以选取 参考电位为中间值4 5 v 。1 0 u f 的电容起到滤波的作用，最终l m 3 5 8 输出的为一方 波。具体电路图如图3 8 所示。 基于c 8 0 5 i f 0 2 0 船舶电力推进监测系统 一 一 ：跨扣 l一【】 一l jk 一 3 5 硬件可靠措施 图3 8 电压信号的断相保护 本船舶电力推进系统参数测量电路主要是对模拟量的测量和调理，抗干扰是 模拟量测量中重要的指标。本设计中模拟量输入通道的干扰信号主要为串模干扰。 串模干扰是指在测量信号上迭加的干扰噪声。也就是串联于信号源回路中的干扰， 也称横向干扰或正态干扰。“。本设计中采取抗干扰的方法如下： 1 、输入通道中接入滤波器，根据串模与干扰信号的频率和被测信号的关系， 可分别采用低通滤波器、高通滤波器或带通滤波器。滤波电路的主要设计见3 3 节。 2 、若串模干扰和被测信号的频率相当，则很难用滤波的方法消除，本设计采 取在信号源与单片机之间采用带屏蔽层的双绞线或同轴电缆，并保证接地正确可 靠3 ”。 除此之外，本设计还采取了以下三种方法来保证参数测量的稳定可靠。 1 、当传感器距离控制室比较远时，可采用4 2 0 m a 的电流代替电压传输。 在a d 转换时，并联一个采样电阻，将电压转化为电流。 2 、低频电路中，布线和元件的寄生电感响应不大，因而一般采用一点接地， 以减少地线造成的地环路。 3 、数字地与模拟地一定要分开接地，即使是一个芯片上有两种地也得分别接 地，然后在一点处把两种地连起来。 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 船舶电力推进监测系统 3 6 本章小结 本章针对船舶电力推进电机的特点，设计了p t l 0 0 测温电路，a c s 7 0 4 电流参 数测量电路和电压参数测量电路，并采取了硬件可靠性措施。参数测量电路主要 把电机的定子绕组温度参数，定子电流和定子电压参数经过传感器电路转化为0 3 3 v 之间的电压信号，从而传送到单片机进行数据采集和数据处理。本章是全文 的重点，参数的准确测量和实时性决定了整个船舶电力推进电机监测系统的实时 性和准确性。 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 船舶电力推进监测系统 4 数据的采集和处理 由电流传感器、电压互感器和温度传感器采集到的电流信号、电压信号和温 度信号经过信号调理电路最终都转化为0 3 3 v 之间的电压信号。这些电压信号经 过数据采集电路传送到单片机，在单片机环境下进行数据的采集和处理。 4 1 数据采集电路 c 8 0 5 1 f 0 2 0 的a d c o 子系统包括一个9 通道的可编程模拟多路选择器( a m u x o ) ， 一个可编程增益放大器( p g a o ) 和一个l o o k s p s 、1 2 位分辨率的逐次逼近寄存器 型a d c ，a d c 中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器，见图4 1 的原理框图。 图4 11 2 位a d c o 功能框图 a m u x o 、p g a o 、数据转换方式和窗口检测器都可用软件通过图4 1 所示的特殊 功能寄存器来控制。只有当a d c o 控制寄存器中的a d o e n 位被置1 时，a d c o 子 系统( a d c o 、跟踪保持器和p g a o ) 才被允许工作。当a d o e n 位为“0 ”时，a d c o 子系统处于低功耗关断方式。模拟通道选择器可选择以下信号进入a d c o 转换： a i n o o a i n o 7 、高压差动放大器和内部温度传感器。a m u x 有两种工作模式：单 基于c 8 0 5 l f 0 2 0 船舶电力推进监测系统 端输入模式和差动输入模式。在单端输入模式下，其转换信号必须在a g n d 和参考 电压v r e f 之间；而在差动输入模式下，信号电平( 指输入信号正端和负端间的差 值) 可在- - v r e f 和v r e f 之间；而一般的a d c 芯片只能转换a g n d 和参考电压v r e f 之间的电平。单端输入模式和差动输入模式之间的切换非常快，无须等待。 4 1 1a d c 的工作方式 a d c o 的最高转换速度为l o o k s p s ，其转换时钟来源于系统时钟分频，分频值 保存在寄存器a d c o c f 的a d c s c 位。 a d c o 有4 种转换启动方式，由a d c o c n 中的a d c o 启动转换方式位 ( a d o c m i ，a d o c m o ) 的状态决定。转换触发源有： 1 向a d c o c n 的a d o b u s y 位写1 ； 2 定时器3 溢出( 即定时的连续转换) ： 3 外部a d c 转换启动信号的上升沿，c n v s t r ： 4 定时器溢出( 即定时的连续转换) 。 a d o b u s y 位在转换期间被置“1 ”，转换结束后复0 。a d o b u s y 位的下降沿触 发一个中断( 当被允许时) 并将中断标志a d o i n t ( a d c o c n 5 ) 置“l ”。转换数据被 保存在a d c 数据字的m s b 和l s b 寄存器：a d c o h 和a d c o l 。转换数据在寄存器对 a d c o h ：a d c o l 中的存储方式可以是左对齐和右对齐，由a d c o c n 寄存器中a d o l j s t 位的编程状态决定。“。 当通过向a d o b u s y 写“1 ”启动数据转换时，应查询a d o i n t 位以确定转换何 时结束( 也可以使用a d c o 中断) 。本设计中查询步骤如下： 1 写0 到a d o i n t ； 2 向a d b u s y 写“1 ”； 3 查询并等待a d o i n t 变1 ； 4 处理a d c o 数据。 基于c 8 0 5 t f 0 2 0 船舶电力推进监测系统 4 1 2 跟踪方式