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硕士论文基于红外传感器的开关柜温度在线实时监测系统设计 摘要 开关柜是重要的输配电设备，在电力系统中起着非常关键的作用。在设备长期运行 中，由于触头老化或超负荷运行，容易导致局部温度过高，如果没有及时排除，最终将 引发火灾等事故。因此，对开关柜进行监测具有重要意义，尽量做到提早预防、提早发 现、及时处理。 本文给出的开关柜温度在线监测系统设计，采用红外温度传感器采集开关柜内母线 排温度，所得的模拟信号经过a d 转换后送到现场控制单元，由微处理器对数据进行处 理。最终得到的温度值由液晶屏显示。控制单元根据设定值判断温度是否超限，若超限 则启动报警装置。数据通过r s 4 8 5 串口通信上传到管理计算机，实行远程监控。 系统传感器、电路板工作所需电源都由板上集成的电源模块供给，与外接电源隔离， r s 4 8 5 通信采用光电隔离处理。在处理温度数据时，采取多次测量，去掉最大、最小 值后取平均值的方法，数据传送采用偶校验。监控软件可以实时采集数据，并进行显示、 存档和对比处理，具备记录、报警、打印、设置等功能。系统使用m f c 开发温度监控 软件，数据存储采用目前实时通信系统中比较常用的关系型数据库a c c e s s2 0 0 0 ，采用 a d o 访问技术。 关键词：开关柜，在线实时监测，红外温度传感器，m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，r s 4 8 5 ，m f c 硕二七论文 垒! 竺竺! 一一 a b s t r a c t s w i t c h g e a ri s0 n eo ft h em o s ti m p o n a i l tp a r t s o fm ee l e c t r i cs y s t e m b u tt h e r ea r ea l w a y s s o m ea c c i d e n t sh e r eb e c a u s eo f t h eh i g ht e m p e r a t u r e w ea l lk n o w m a tt l l ec 眦e n tg e t sa c r o s s t l l er e s i s 伽c e “l lh e a t 也ee q u i p m e n t s w h e nm et e r r 学眦呱ee x c e e d st h el l m tt h e na t l r e h a p p e n sw h i c hc a u s e sa 1 0 to fd 锄a g e a l s ot h et e m p e r a t u r eg o e st o ot l i g hi sas l g n a lo it n e e o r0 ft h ee q u i p r n e n tw l _ l i c hi st h eb a o f m ee l e c t r i cs y s t e m t h e r e f o r e ，m o m t o rs y s t e 】 1 l m e a i l sa1 0 tt ot 1 1 ee l e c t r i cs y s t e m nc a l le n s u r em e e l e c t r i cs y s t e mt 0w o r kw e l l t l l i ss v s t e mi sb a s e do nt l l e m i c r o c o n t r o l l e rm s p 4 3 0 f l4 9 ，u s i n gi rt e m p e r a 眦 m e a s u r e m e n tt e c l u l o l o g ) r t h ea d 7 6 5 6 仃a i l s f e r s 锄a l o gi n p u t si n t od i g 渤lo u t p u t s 锄d 恤n p a s s e st 0m s p 4 3 0 f 1 4 9 u s i n gm i c r o - p r o c e s s o rt op r o c e s s t l l en e q u e n c ys l g l l mo 士l i l 士r a r e d t e m p e r a t l l r es e n s o r sa i l dt 0d i s p l a yt h et e m p e r a t u r e ，锄d 西v e 觚a l a m a c c o r d l n gt o 也en s m g t e m p e 咖eo fs w i t c h g e a r sm e a s u r i n gp a r t 1 1 1 em o n i t o r i n gs y s t c m s e n d st e m p e r a t u r ed a t at 0 c 锄p u t e rt l u d u 曲r s 一4 8 5 t h ep o w e rs u p p l yo fm es y s t e m i si s o l a t e d 舶mm eo m s i d e a l s 0 r s 4 8 5 c o m m 硼i c a t i o ni so p t i c a l i s o l a t e d t h ef i n a lt e m p e r 咖r e i s肌 a v e m g e o t s e v e r a j m e a s u f e m e 鹏，e x c e p t 恤l 掣s t 锄dt h es m a l l e s td a 诅v e r i 匆i n g e v e nw h e n 也ed a t a1 s t r a n s f e r dt 0 妇c o m p u t e r ms 0 r w a r e o f0 n 1 i n er e a l t i m em o i l i t o r i n gf o rt e m p e r 栅c 趾 s h o wt h et e m p e 舭r e a l - t i m e ，砌y s em ed 砒g i v e 趾a l 糊，s a v e m ed a 协，a n ds 0o n - l h e s v s t e mc a i ln o t i 旬t h ew o r k e r sa b o u tt h ea l 锄i n t i m et oa v o i d et h ea c c i d e n t t h es o r 、7 哪e1 s 锄p o l d e r e dl l s i n gm f c t h et e m p e r a n 鹏i ss a v e d t 0t l l ea c c e s s2 0 0 0d a t a b a s e 。i h es 0 r w a r e u s e sa d ot e c h n i q u et or e a dt h ed a t a 劬m t l l ed 撕b a s e k e yw o r d s ：嘶t c h g e 瓯0 n 1 i n e ，r e a l t i m e ，i 曲a r e dt e 雌r a t l 鹏s e n s 。r m s p 4 3 0 f 1 4 9 ， r s 4 8 5 ，m f c i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名： j 神j 年f 月；。日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：盈吐 一年月弘日 硕士论文基于红外传感器的开关柜温度在线实时监测系统设计 1 绪论 开关柜( 又称成套开关或成套配电装置) 由柜体和断路器两大部分组成【l 】，具有架 空进出线，联络母线等功能。柜体由外壳、电器元件( 包括绝缘器件) 、二次端子以及 连接线等组成。生产厂家根据电气一次主接线图的要求，将有关的高低压装置( 包括控 制装置、保护装置、测量装置) 以及母线、绝缘子等装配在金属柜内，作为电力系统中 接收和分配电能的装置。 正常运行的电力设备，由于电流、电压的作用，会产生发热现象。这些发热的形成 原因是多种多样的，主要存在下列三种方式【2 】【3 】： 电阻损耗 根据焦耳定律，电流通过导体将产生热能，其发热功率为： p = k ，2 尺 ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中：尸发热功率( w ) r 电器或载流导体的直流电阻( q ) ，电流强度( a ) k ，附加损耗数 这种发热为电流效应引起的发热。 介质损耗 电气绝缘介质由于交变电场的作用，使介质极化方向不断改变，从而消耗电能并引 起发热，其发热功率为： p = u 2 倒殛万 ( 1 2 ) 式( 1 2 ) 中：u 施加的电压( v ) c 介质的等值电容( f ) 缈交变电压角频率 辔万介质损耗角正切值 这种发热为电压效应引起的发热。 铁损 当在励磁回路上施加工作电压时，由于铁芯的磁滞、涡流而产生电能损耗，并形成 发热。 以上三种发热形式，在正常运行的电气设备中也同样存在，这时设备表现为正常的 热分布。若设备出现异常，这些发热机理将加剧或表现异常，导致热分布与正常情况不 一样，具体表现为可能局部温度过高。 l 绪论 硕士论文 1 1 课题背景 1 1 1 课题来源及研究的目的和意义 本课题是为减轻人工巡检的负担，实现开关柜温度在线实时监测，及时发现问题并 处理而开发的温度实时在线监测系统。 自1 8 8 2 年t a 托马斯5 可尔瓦爱迪生在纽约主持建造珍珠街电站，到1 9 世纪9 0 年 代，三相交流输电系统研制成功，并很快取代了直流输电，再到2 0 世纪电力系统规模 迅速增长，电在人们的生活中扮演着愈益重要的角色。到如今，我们的周围几乎无处不 见电的身影。如果没有了电，那么我们的生活一下就会倒退到一百多年前，几乎所有新 近的发明都将变得毫无意义。所以，电已经成了一种不可或缺的能源，更是维护社会稳 定发展的基础。 高速发展的发电、用电现状，使我们清楚的认识到一个不容忽视的问题，那就是安 全。很多电力设备技术落后、器件陈旧，可靠性低，在长期使用过程中，极易导致事故 发生，造成设备损坏，甚至可能危及到人身安全，直接影响到人民生活和经济建设的发 展。 开关柜是电力系统重要的电气设备。在长期运行过程中，开关柜中的触点和母线连 接处等部位因老化或接触电阻过大而产生发热，如果没有及时发现并做出处理，这些发 热部位的温度一旦超过临界点，则很有可能导致火灾事故，造成巨大损失。 解决开关柜过热问题是杜绝此类事故发生的关键。高压开关刀闸等部位的连接是否 紧密，开关表面是否被氧化腐蚀、紧固螺栓是否松动等问题都无法在运行时发现，而这 些都是造成高压开关过热，甚至出现严重事故的诱因，通过监测开关柜内触点温度的情 况，可以有效防止开关柜的事故发生，但由于开关柜内高压的结构，进行人工巡查测温 存在一定的危险，因此实现温度在线监测是保证高压开关柜安全运行的重要手段。 1 1 2 开关柜测温技术研究 由于开关触头处于高电压、高温度、强磁场以及极强的电磁干扰环境中，要实现对 触头的测温，必须解决测量装置在上述恶劣环境条件下的适应性。目前开关柜测温方式 基本上采用接触式测温和非接触式测温两种形式【4 5 l 【6 】。 接触式测温是通过设在测量点的温度传感器直接测量温度，有热电偶间接测温法， 集成温度传感器测温法等；非接触式测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不 需与被测介质接触，有红外传感器测温法，光纤温度传感器测温法等。接触式测量的优 点在于测量点位置不受限制，传感器安装布置灵活，简单、可靠，且测量精度高；其缺 点是必须解决传感器在高温、强电场、强磁场环境条件下的工作可靠性、传感器与主机 之间的高压隔离以及传感器自身的工作电源问题。而且由于测温元件需与被测介质接触 2 硕十论文摹于红外传感器的开关柜温度在线实时监测系统设计 后进行热交换，才能达到热平衡，因而产生了滞后现象。另外，由于受到耐高温材料的 限制，接触式测温不能应用于很高温度的测量。非接触式测温的优点在于接收器( 传感 器) 可远离测量点，解决了高压隔离以及传感器环境温度高的问题，测温速度较快，不 会破坏被测物体的温度场；其缺点是只可测量在传感器直视范围内的测量点温度，且受 到物体的发射率，被测对象到测量装置之间的距离，烟尘和水汽等其它介质的影响，一 般测温误差较大。 贴色片测温法是根据色片颜色随温度的不同而发生变化的原理进行的温度测量，测 温准确度低，可靠性差；热敏电阻式测温系统在开关柜内部恶劣的环境下具有很大的误 差，布线复杂且易损坏、维护量大；光纤测温是将光纤作为温度传感器，通过温度变化 调制透过光纤的光强来确定温度，对光源、发射和接收电路的技术和稳定性要求高，测 量速度慢、空间分辨率低。光纤测温的另一种形式是以半导体温度传感器作为探头，光 纤仅作为传光介质，测量装置大，减小了开关柜内的绝缘空间，给开关柜的安全运行带 来隐患，另外还需要外加工作电源，更换电源时需停电，影响系统的运行【7 j 。红外辐射 测温法，是通过被测目标的温度变化对应红外辐射变化来确定其温度的，为非接触测量 方式，测量结果受环境影响大，准确度低。 目前国内外开关柜测温系统的研究重点主要是在测温方法以及数据传输方式上。最 新的开关柜测温系统除了应用上述的非接触式的红外测温法【7 】【8 】【9 】、光纤测温法【1 0 1 ，接 触式的集成温度传感器法( 如文献【1 l 】中采用d s l 8 8 2 0 集成温度传感器) 外，也有采用 结合两种测温方法彼此相互校正的方法( 如文献 1 2 】中采用数字温度传感器和红外温度 传感器相结合的方法) ，或者利用高分子示温片过热熔化放出c 0 2 气体的原理与c 0 2 气 体检测技术来进行温度测量( 如文献【1 3 】中采用t g s 4 1 6 0c 0 2 传感器) 。数据传输主要 有r s 4 8 5 通信、无线通信【1 4 】【1 5 j 、红外通信。 1 2 论文研究的主要内容及章节安排 本系统采用红外温度传感器对开关柜温度进行采集，大大提高了安全性。随着科技、 工艺的进步，以前局限红外温度传感器应用的一些缺点已经得到改善，系统采用的红外 测温仪i p t p 5 0 0 l s 体积小，性能好，加上配合使用高精度的a d 转换芯片，多次采集并 去掉最大、最小值，再取平均值来减小误差，测量结果比较精确。 论文所研究的开关柜温度在线实时监测系统，主要由三部分构成：温度数据采集、 单片机数据处理和上位机监控软件部分。每个开关柜内放置6 个红外测温探头，分别采 集柜内各隔离开关触点的温度，通过a d 转换单元将数据送至单片机，单片机再将数据 根据转换公式转换为温度值，送l c d 显示并储存，若上位机查询数据则将储存的数据通 过r s 4 8 5 总线送到上位机。多个这样的系统可以联网同时工作，每个开关柜都有一个独 立编号，上位机可以在线实时循环查询各个开关柜内各触点的温度，温度分辨率可以达 3 1 绪论 硕上论文 到1 6 b i t 。上位机对每个触点的温度进行数据存储，实时分析，如果温度超过上位机设置 的报警温度，上位机将提醒使用者并生成温度报警记录。 开关柜温度监测系统的系统软件由在线监测和实时分析两部分组成。软件具有在线 采集、监测、分析现场温度的功能，这些分析包括超温分析、温升分析、相间温差分析 等，并能作出报警、对比等处理。软件还具有历史记录分析、查看、打印等功能。 论文的主要工作是：根据上述系统要求，选择合适的器件，设计硬件电路，制版、 焊接并调试，编写现场控制单元软件以及上位机监控界面。 本文章节安排如下： 第一章：主要介绍本论文的研究背景、意义、主要内容。 第二章：主要介绍红外测温原理、误差分析、常用诊断方法、红外测温仪的组成。 第三章：系统的总体设计部分。首先给出总体框架图，然后分软、硬件各模块介绍 系统的功能。 第四章：主要介绍了系统硬件部分的设计实现，包括原理图和p c b 图的设计。 第五章：主要介绍了现场控制单元软件的设计，其中应用的一些算法和一些功能函 数的实现，同时简要介绍了单片机的开发环境和仿真器的使用。 第六章：主要介绍了系统上位机监控软件界面的设计。 第七章：对本课题系统的设计过程进行了总结，对当前尚存在的问题，提出进一步 研究和改进的方向。 4 硕士论文基于红外传感器的开关柜温度在线实时监测系统设计 2 红外测温技术 1 8 0 0 年，英国物理学家f w 赫胥尔从热的角度来研究各种色光时，发现了红外线。 红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质，红外线的发现是人类对自 然认识的一次飞跃，为研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新的广阔道路【l6 】。 红外检测技术是“九五”国家科技成果的重点推广项目，是一种在线监测( 不停电) 式高科技检测技术。我国电力设备红外故障诊断发展分为四个阶段【1 7 】： 第一阶段：1 9 8 6 年以前十年，为调查研究、基础研究和可行性试验阶段，红外诊断 技术逐渐引入我国；第二阶段：1 9 8 7 1 9 9 1 年，测量电气设备外露接头的过热故障，着 重对高压输电线路进行试验研究；第三阶段：1 9 9 2 1 9 9 5 年，为全国各供电局进行红外 测温生产性试验阶段，发现高压设备存在大量过热缺陷，经处理后设备运行情况获得明 显改善；第四阶段：1 9 9 0 0 5 年，为应用推广红外诊断技术和建立红外诊断标准阶段， 自此，红外检测技术在电力设备故障诊断的应用得到快速发展。 国内外红外诊断的实践证明，在没有红外检测前，电力设备故障率为l ，在红外 检测后l 3 年，电力设备故障率下降到0 5 。另外，红外设备检测出故障设备的效果， 投入产出比为l ：9 ，高压设备每找出一个过热点，可以节省因停电和损坏设备造成的损 失2 2 0 0 元，因此，可以说红外诊断技术在电力系统的推广使用具有显著的经济效益【1 7 l 。 目前应用红外诊技术的测试设备比较多，有红外测温仪、红外热电视、红外热像仪 等等。红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术将看不见的“热像”转变成可见 光图像，使测试效果直观，灵敏度高，能检测出设备细微的热状态变化，准确反映设备 内部、外部的发热情况，可靠性高，对发现设备隐患非常有效。而红外测温仪因原理和 结构简单，是国内外研制开发较早，应用最为普遍的一种非接触型单点测温仪器。 在实际应用中，红外测温仪由于不具备扫描功能和仪器本身距离系数的影响，存在 一定的局限性，在电力设备的探测和普查工作中效率不算高。但由于其价格低和对单点 测温准确，操作简单，易于掌握，逐渐得到广大基层电力部门的应用。 2 1 红外测温原理 红外线是介于可见光红光端与微波之间的电磁辐射。在这个波长带内，又进一步分 为近红外( 波长0 7 5 m 3 岬1 ) 、中红外( 波长3 刚p m ) 、远红外( 波长6 “m 1 5 岬) 和极远红 外( 波长15 岫1 0 0 0 岬) 四个波段l i 引。 在自然界中，当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在，就会不断 地向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0 7 5 p m 1 0 0 0 岬的红外线。 在给定的温度和波长下，物体发射的辐射能有一个最大值，这种物质称为黑体【1 9 】， 5 2 红外测温技术 硕士论文 并设定它的反射系数为1 ，其它的物质反射系数小于1 。 2 1 1 基尔霍夫定律【2 0 】【2 1 】 在任何温度和波长下，一个热平衡不透明腔体的发射率s 等于其吸收率口，即 s = 口 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，s 为发射率；口为吸收率。 根据能量守恒定律，有： 口+ ，+ r = 1( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中，口为吸收率；，为反射率；f 为透射率。 对于不透明材料，= 0 ，即口+ ，= l ，以及： g = 口= l 一， ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 表明，高反射表面一定是弱发射体，这一点对掌握辐射测温很重要。对于黑 体，有，= 0 ，r = o ，即： 占= 口= 1( 2 4 ) 2 1 2 普朗克定律【1 9 】【2 0 l 2 1 】【2 2 】【2 3 】 黑体的光谱辐射功率尼( 旯丁) 与绝对温度t 之间满足普朗克定理： 必耻篆 ( 2 5 ) 允丁一1 式( 2 5 ) 中，只( 允丁) 黑体的辐射出射度，矿沏2 删 五波长，朋 丁绝对温度，k q 、c 2 辐射常数，c l = 3 7 4 1 5 1 0 8 形c 肌朋4 ； c 2 = 1 4 3 8 7 9 1 0 4 朋4 k 式( 2 5 ) 说明： 随着温度的升高，物体的辐射能量越强。 随着温度升高，辐射峰值向短波方向移动，并满足维恩位移定理： 丁丸= 2 8 9 7 8 朋k ( 2 6 ) 峰值处的波长丸与绝对温度丁成反比。公式( 2 6 ) 说明了高温测温仪多工作在短波 处，低温测温仪多工作在长波处的原因。 辐射能量随温度的变化率，短波处比长波处大，即短波处工作的测温仪相对信噪高 ( 灵敏度高) ，抗干扰性强，测温仪应尽量选择工作在峰值波长处。 6 硕士论文 基于红外传感器的开关柜温度在线实时监测系统设计 2 1 3 斯蒂芬。玻尔兹曼定律1 9 】【2 0 】口2 1 】【2 2 】【2 3 】 将式( 2 5 ) 对波长从0 砌积分，得到黑体的辐出度尼( 旯r ) 与温度丁的四次方成正比， 即： ( 五丁) = 卯4 ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 中，b ( 力丁) 温度为丁时，单位时间从黑体单位面积上辐射出的总辐射 能，称为总辐射度，矿肌2 仃斯特藩玻耳兹曼常量； 丁物体温度。 2 1 4 红外测温原理 式( 2 7 ) 中黑体的热辐射定律正是红外测温技术的理论基础。在条件相同的情况下， 物体在同一波长范围内辐射的功率总是小于黑体的功率，即物体的单色总辐射度忍( 兄丁) 小于小于黑体的单色辐出度p ( 丁) ，将它们之比称为物体的单色黑度s ( 五) ，即实际物体 接近黑体的程度： 占( 五) = p ( 丁) e ( 五丁) ( 2 8 ) 考虑到物体的单色黑度占( 兄) 是不随波长变化的常数，即占( 允) = g ，称此物体为灰体， 它是随不同物质而值不同，即使是同一种物质因其结构不同值也不同，只有黑体占= 1 ， 而一般灰体0 5 y ( 4 5 ) 可见，此时三极管工作在饱和状态，电阻的作用是使i b 减小，从而减小单片机输出功 率。 地址编码电路。整个监测系统由多套硬件系统组成，每一套硬件系统都有自己的i d 号，以供上位机查询。这个i d 号可以手动设置，利用拨码开关来实现。拨码开关由8 路开关封装而成，一端接地，一端连接到单片机的i o 口并通过上拉电阻接3 3 v ，这 样，通过拨动开关可以实现“0 ”、“l ”的输入，8 位就是一个字节，共可实现1 2 8 个不同 的i d 号。m s p 4 3 0 f 1 4 9 输入电流应小于1 2 n 迭【3 4 1 ，因此，上拉电阻可选择1 k ，此时， 输入电流最大为： k = 3 3 么1 0 0 0 = 3 3 ，州 ( 4 6 ) 综合以上，m s p 4 3 0 f 1 4 9 电路设计如图4 1 0 。 2 4 硕士论文基于红外传感器的开关柜温度在线实时j l i 测系统设计 4 3 5 液晶显示模块 图4 1 0m s p 4 3 0 f 1 4 9 电路设计 根据需要连接液晶屏提供的标准2 0 p i n 的控制端口( 如图4 1 1 ) 。 第4 脚v d d 和第1 7 脚l e d + 接5 v 电压，第3 脚v s s 和第1 8 脚l e d 接地，l e d + 、l e d 为 背光电压； 第2 0 脚r s t 复位引脚接到m s p 4 3 0 f 1 4 9 的r s l m i ，单片机复位的同时也将液晶显示 屏复位； 第5 脚v 0 和第1 9 脚v o u t 之间接1 0 k 滑动变阻器，用以调节显示的亮度； 第8 脚e 使能端由m s p 4 3 0 f 1 4 9 的p 3 7 位控制； 第7 脚w 读写信号由m s p 4 3 0 f 1 4 9 的p 3 6 位控制； 第6 脚d i 数据、指令选择信号由m s p 4 3 0 f 1 4 9 的p 3 1 位控制； 第l 脚c s a 和第2 脚c s b 片选信号由m s p 4 3 0 f 1 4 9 的p 3 3 、p 3 2 组合控制； 第9 脚一第1 6 脚：d b 0 d b 7 ，三态数据总线，分别连到m s p 4 3 0 f 1 4 9 的p 4 肚p 4 7 。 4 系统硬件设计 4 3 6r s 4 8 5 通信模块 图4 1 l 液晶模块电路设计 r s 4 8 5 通信模块的电路如图4 1 2 所示， 地。滤去高频、低频噪声。第3 脚d 1 和第4 脚 第1 1 脚d e 和第1 4 脚v c c 5 必须加限流电阻， 硕上论文 电源使用3 3 v ，通过0 1 心和2 2 心的电容接 d 2 分别接二极管再通过电容接地。第9 脚d i 、 以保护内部二极管。由于一般二极管正向电 流可达几百m a 到1 a 左右，因此对于图4 1 2 中， 电流最大不超过3 3 10 0 0 a ，即3 3 m a ，能满足 选择r 2 1 = l 毪2 = r 2 3 = 1 k ，此时二极管正向 条件 一 1 v 正l 碍 a a 2 8 2 v i 王2a q 2 7 + a 9 =o帕ijd232 6 0 断 田恻1 42 5b u d 2 4 一苎2 4 2 2 正 5 i 、1 4 6 g m li s 0 鼢测 7 f s a 2 3a r e s l 7 i l c 4 l0 0t l f8 s di s o d l 聃 2 2 t x x 1 9 v 0 3i s o d e i n 2 ii r 2 5 咖淫1 1 0 d ii s o c 0 皿 2 0i 1 9ji 慰7 黧6 ? 1 l l v i ii s o d ic r v 1 8( 7i 一 r e s i 1 2 g m ) 2l s (i d e d r v 1 7 ，2 ll 1 3 f 的i s o c d 砭 j ol 矗出 1 4j 5 r e s l v u ji 跚l u l 上_ u i i 7心姗 图4 1 2r s 4 8 5 通信模块电路设计 硕上论文基于红外传感器的开关柜温度在线实时监测系统设计 4 4p c b 设计 在设计印制电路板的时候，应采用正确的方法，否则即使原理图设计正确，也无法 使电路可靠的工作。在设计过程中，应注意以下原则【删【4 5 删f 4 7 】： 地线的设计 在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。如果能将接地和屏蔽正确结合起来使 用，可解决大部分干扰问题。地线设计中应注意以下几点： 将数字地与模拟地分开。电路板上既有数字电路，又有模拟电路，应使它们尽量分开， 而且两者的地线不要相混，减小串扰。 尽量加粗接地线。若接地线很细，则接地电位随电流的变化而变化，致使电子设备的 定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏，因此应将接地线尽量加粗。 电磁兼容性设计 电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。 电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰，使电子设备在特定的电 磁环境中能够正常工作，同时又能减少电子设备本身对其它电子设备的电磁干扰。 选择合理的导线宽度。由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导 线的电感成分造成的，因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度 成正比，与其宽度成反比，因而短而粗的导线对抑制干扰是有利的。 采用正确的布线策略。采用平行走线可以减小导线电感，但导线之间的互感和分布电 容增加，如果布局允许，最好采用井字形网状布线结构，即将印制板的一面横向布线， 另一面纵向布线，然后在交叉孔处用金属孔相连。为了抑制印制板导线之间的串扰， 在设计布线时应尽量避免长距离的平行走线，尽可能拉开线与线之间的距离，信号线与 地线及电源线尽可能不要交叉。在一些对干扰十分敏感的信号线之间设置一根接地的印 制线，可以有效地抑制串扰。 去藕电容配置 在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。例如在数字电路中，当电路从一 个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪 声电压。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是印制电路板的可靠性设计 的一种常规做法，配置原则如下： 电源输入端跨接一个1 0 1 0 0 u f 的电解电容器，并并联一个0 1 u f 的电容，滤去高频、 低频信号。如果印制电路板的允许，采用1 0 0 u f 以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。 对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和i 的m 、洲等存储型器件，应在芯片 的电源线和地线间直接接入去耦电容。 去耦电容的引线不能过长，特别是高频旁路电容不能带引线。 2 7 4 系统硬件设计硕十论文 电路板的尺寸与器件的布置 印制电路板大小要适中，过大时印制线条长，阻抗增加，不仅抗噪声能力下降，成 本也高：过小，则散热不好，同时易受临近线条干扰。 在器件布置方面与其它逻辑电路一样，应把相互有关的器件尽量放得靠近些，这样 可以获得较好的抗噪声效果。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远 离逻辑电路。 本系统p c b 版采用双层版设计，尺寸为5 0 0 0 m i l 4 0 0 0m i l ，设计时主要注意以下问 题：外接接口应分布在电路板的边缘，各器件的尺寸、焊盘的大小应严格按照器件厂家 提供的数据设计，其中，对于a d 7 6 5 6 、m s p 4 3 0 f 1 4 9 、a m s l l l 7 3 3 、a m s l l l 7 2 5 、 x r l o 2 4 s 2 4 、x r l 0 2 4 s 0 5 以及外接的引出线接口，都需要重新画制。电源线、地线的 宽度为5 嘶0 m i l ，普通信号线的宽度为1 0 m i l 。走线应尽量短，折线采用1 4 5 。角，模拟地 与数字地分开，外接电源的地与内部电源的地分开，去藕电容应尽量靠近端口，才能得 到较好的效果。a d 转换芯片应尽可能靠近传感器输出信号，避免衰减。所有器件均匀 分布在p c b 版上，相关芯片应尽量靠在一起，但应考虑器件的大小，留有适当的缝隙。 在板子四个角分别打上直径为1 5 0 m i l 的孔，拧上螺丝后可以支撑整个电路板。 4 5 本章小结 本章主要介绍了系统的硬件设计方案，将整个硬件系统进行了功能模块的划分。然 后详细论述了如何选择合适的芯片，主要考虑那些参数，并对各芯片的主要性能作了简 单的介绍。对于其他些模拟器件，如电阻等的选择，则根据具体应用进行确定。接着 分模块介绍了具体设计，最终将所有模块组合起来，得到整体的原理图，然后进行p c b 设计。对于设计中需要注意的问题，文中进行了详细的介绍。结果证实系统完全能够正 常工作。 碗论文 甚f n 外传癌器的开关柜短度在缱实时监测系统设计 5 现场控制单元软件设计 现场控制单元是脱离上位机自主运行的，其单片机、a ，d 转换芯片、l c d 等器件都 需要驱动，并根据系统要求工作。完成一系列采集、显示功能，并与上位机通信。 5 1 开发环境简介 m s p 4 3 0 系列是具有集成度高、功能强、功耗极低等技术特点的1 6 位单片机。其代 码存储空间为1 6 0k 当程序量大于8k 时，使用汇编语言会使软件设计工作的效率大大 降低。用c 语言程序设计来实现系统的应用软件开发，可以大大提高开发调试工作的效 率；同时，所产生的文档资料也容易理解，便于移植。适用于m s p 4 3 0 系列的c 4 3 0 语言， 与标准c 语言兼容程度高。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的开发环境为i a r e m b e d d c d w 砒b 髓c h me ，如图5 1 。该软件 支持c 、c + 十、汇编等编程语言，具备单步调试、变量查看等调试功能。 b 】i - 。1 1h j 。! 】， 3 口。r 一。口口 l h 圈5 l m s p 4 3 0 f 1 4 9 开发环境 w o r k b c i l c h 包含的实用工具有【档1 ： 具有语法表现能力的文本编辑器； 编译器； 5 现场控制单元软件设计 硕士论文 汇编器； 连接器； 函数库管理器； 实现操作自动化的m a l ( e 工具； 内嵌c 语言级和汇编级的调试器c s p y 。 c s p y 调试器的工作方式有多种。它可以工作在模拟方式下( s i m u l a t i o n ) ；也可以 经过j t a g 接口与目标硬件连接起来，工作在仿真方式下( e m u l a t i o n ) 。在模拟方式下， 目标系统的工作过程由调试主机以软件模拟来实现，用户可以通过各种不同类型的窗口 来观察调试程序的运行过程，也就是说，在目标硬件系统产生之前就已经可以验证程序 的设计思想和结构是否合理。而在仿真方式下，整个调试过程是在目标板的真实工作下 进行的，不仅可以验证设计思想和程序结构，还可以验证目标板的硬件设计是否正确。 m s p 4 3 0 系列的f l a s h 型芯片为程序设计和调试提供了极大的方便。因为f l a s h 存 储器能够方便的进行在线擦除和改写。在进行擦除和改写操作时，对电源电压的要求也 比较低，为2 7 v 3 6 v 。 仿真工具采用u s b 型m s p 4 3 0 f 1 4 9 仿真器：l s d f e t 4 3 0u i fv 3 1 。即插即用的u s b 接口使得该仿真器使用起来非常方便，并且上面带有电源、模式指示灯，可以直观的判 断仿真器工作是否正常。 使用该开发环境进行编程的步骤如下： 在指定目录下建立工程； 选择编程语言； 建立对应的程序文档； 保存工程； 打开菜单栏的p r o j e c t ，选择f i l e s ，将刚才建立的文档添加到工程： 修改配置：在左边f i l e s 窗口中的工程名上点击右键，选择o p t i o n s ，进入设置界面。 在左边ca t e g o r ) ，列表下选择g e n e r a lo p t i o n s ，在界面中d e v i c e 下选择需要调试的对应 芯片型号。完成后进入c a t e g o r ) r 列表中d e b u g g e r 界面，在d r i v e r 选项中有f e td e b u g g e r 和s i m u l a t o r 两个选项。使用f e t 连接目标板进行在线仿真调试时，选择f e td e b u g g e r 。 最后进入c a t e g o 巧列表中将其中f e td e b u g g e r 界面4 9 1 ，选择u s b 。 在程序文档中编辑程序； 编译选择工具栏右边数过来第四个按钮：m a k e ，如出现错误会出现信息提示。用鼠 标单击任意一个错误信息提示，系统会自动指示有错误的语句行。 调试d e b u g 为最右边的按钮。源文件编译通过后，单击d e b u g 进行连接以生成目标代 码并下载程序到目标板里的m c u ，如果下载正常便进入调试界面。 在调试环境中，可以打开调试程序所需的若干窗口，如源程序窗口、寄存器窗口、 3 0 硕上论文基于红外传感器的开关柜温度在线实时j l ：i 测系统设计 观察窗口、特殊功能寄存器窗口等；也可以设置程序执行的不同模式，如单步执行、 连续模式、断点模式、执行到光标处等运行模式。 5 2 程序总体设计 现场控制单元软件程序功能如图5 2 ，中断流程图如图5 3 。由于程序中只用到了 u s a l 玎0 接收中断和t i m e r a 定时器中断，其他可屏蔽中断并没有开启，因此，图5 3 中只 给出了u s a i 玎o 接收中断和t i m e r a 定时器中断的处理流程。 i 珊筹嚣 1 r i 标志参数置。 r 结束中断 图5 2 程序功能图 图5 3u s a r l r 0 、t i m e r a 中断服务子程序流程图 5 3 各功能函数说明 程序开始必须包含头文件： 撑i n c l u d e 胜要是一些宏定义 5 3 1 初始化函数 5 现场控制单元软件设计 硕上论文 初始化完成一些基本配置，启动硬件。对于m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，首先应关闭看门狗 w d t c t l = w d t p w + w d t h o l d ，以免影响调试。接着启用外接晶振： b c s c t l l & 。( t 2 0 f f ：使t x 2 有效，t x 2 上电默认为关闭的 b c s c t l 2 l - s e l m l ；使m c l k = r x t 2 ，不分频，s m c l k = d c o c l k d o i f g l & o f i f g ：清o s c f a u l t 标志 f o “i _ 0 x f f ；i o ；i 一) ； 延时等待 ) 、h i l e ( ( i f g l & o f i f g ) ! = 0 ) ； 查o s c f a u l t ，为0 时转换完成 当单片机刚上电时，会产生上电复位信号( p o r ) 和上电清除信号( p u c ) 。当发 生一次有效的p u c 时，c p u 在执行程序时所需要的m c l k 来自快速启动的d c o 。集成在 基础时钟模块中的d c o 振荡器是一个r c 振荡器，其频率可以根据d c o 、m o d 、r s e l 位用软件调节。p u c 后，r s e l = 4 ，d c o = 3 ，这样就使d c o 振荡器工作在一个与外界无 关的适中的频率上【5 0 1 。 基础时钟模块提供3 种时钟信号剐： a c l k 辅助时钟。a c l k 是l f x t l c l k 信号经1 、2 、4 或8 分频后得到的，可用软件选 择分频因子。a c l k 可用软件选作外围模块的时钟信号。 m c l k 主时钟。m c l k 可用软件选择自l f x t l c l k 、x t 2 c l k 或d c o 信号经l 、2 、4 或8 分频后得到，可用软件选择分频因子。m c l k 用于c p u 和系统。 s m c l k 子时钟。s m