柴油机组智能发电机组监控系统.doc

兰州工业高等专科学校 20102012学年第一学期毕 业 设 计课题名称： 设计时间： 指导老师： 系 部： 班 级： 姓 名： 兰州工业高等专科学校毕业设计（论文）任务书电气工程系2012 届 电气自动化技术 专业毕业设计（论文）题目柴油机发电机组智能监控系统设计课题内容性质工程设计课题来源性质教师收集的结合生产实际的课题校内（外）指导教师职 称工作单位及部门联系方式王淑红教 授电气工程、题目说明（背景、目的和意义）在许多工程牵引车辆中，柴油发电机组作为动力的来源，担负着牵引电机的电能供给和机车辅助、控制电源的供给。为了发电机组的安全可靠运行，实现对机组的运行状态检测与控制是尤为必要的。在机组运行期间，监控系统可对机组必要的运行参数、状态进行实时检测，并显示检测到的参数；系统运行参数异常时，能够发出报警信号提示操作人员采取必要的措施,在规定的时间内故障没有消除时，输出自动停机信号供主控机构停机，以保证机组的安全。通过本次毕业设计，使学生能够掌握系统单元电路的设计、元器件的选择和参数计算的基本方法；发扬理论联系实际的科学作风，增强相关知识点的贯穿能力，从而培养分析问题和解决问题的能力。二、设计（论文）要求（工作量、内容、设计成果）（一）功能要求1.实时检测柴油发电机组的冷却系统温度、柴油机输出轴的转速、机油压力；发电机输出电压、电流、频率、相序、缺相、电流不平衡状态；2.能进行报警参数上限、下限的设定、存储；报警等待时间设定；3.能显示主要检测参数（柴油机输出轴的转速、电压、电流）；4.当冷却系统温度、柴油机输出轴的转速、机油压力，发电机输出电压、电流、频率、电流不平衡状态超过设定的上限、下限时输出相应的光报警、并在所有报警出现时进行声音提示。在规定的时间内故障没有消除时，输出自动停机信号供主控机构停机以保证机组的安全；（二）系统主要技术指标1.环境温度： -25- +40；2.海拔高度3000m；3.机组输出控制用直流电源电压： DC12V；4.发电机组输出交流相电压（U、V、W）：220V，线电压为380V；5.发电机机组输出交流额定相电流（Ia、Ib、Ic）:300A；6.发电机机组输出交流额定频率：50Hz；7.报警参数值：线电压过压： V430V；线电压欠压：V360V；超频：F52Hz；欠频：F48Hz；过流：I360A；8.柴油发电机组的冷却系统温度：0100；温度限制120；9.机油压力：01.6MPa；压力1.6MPa；（三）设计成果1.设计报告1.5-2万字左右；2.用PROTEL画出系统的硬件接线图附在论文后，答辩时1#硬件原理图纸1张；3.有压力传感器、温度传感器的分析选择，频率检测电路、电流检测电路、电压检测电路设计计算；4.基本软件流程图。三、进度表日 期内 容20112012学年秋第十五周第十六周第十七周第十八周第十九周第二十周20112012学年春第一周第二周查阅、消化资料总体方案论证硬件线路设计、分析、确定软件总体设计及细化设计撰写论文准备答辩材料毕业答辩完成日期2012年1月6日答辩日期2012年2月20日3月2日 四、主要参考文献、资料、设备和实习地点及翻译工作量1. 方承远工厂电气控制技术北京：机械工业出版社20002.向希才， 刘洪海传感器应用接口电路北京：机械工业出版社3.孙涵芳， 徐爱卿MCS-51/96系列单片机原理及应用北京：北航出版社4.胡汉才单片机原理及接口技术北京：清华大学出版社20055.王瑞福单片机测控系统设计大全北京：航空航天出版社20046.李朝青MCS-51系列单片机原理及应用2003 7.余永权ATMEL89系列单片机应用技术M.北京：航空航天大学出版社20028.AT89系列单片机技术手册 S北京威立电子技术有限公司教研室意见： 教研室主任（签字）： 20 年 月 日注：本任务书要求一式两份，一份打印稿交教研室，一份打印稿交学生，电子稿交系办。 摘 要柴油机作为通用动力机械，广泛应用于汽车、机车、电力、船舶、工程机械等行业。为了保证柴油机可靠的运行，需要对柴油机的运行状况进行测量和监视及时发现异常象，给操作人员提供操作信息，以便能及时排除故障，避免柴油机在非正常工况下继续运行，保护柴油机不受到永久性损坏，从而达到了延长柴油机的使用寿命，同时保护以柴油机为动力的整个系统得到有效可靠的运行。本论文介绍了一种以AT89S51单片微型计算机为核心的柴油发电机组监控系统。针对监控要求，给出了系统的硬件结构设计与软件结构设汁。在该系统控制下，可实现柴油发电机组的自动启动、运行及停机过程，并对柴油发电机组运行期间的各种参数和状态进行检测，在出现故障时，监控系统可及时做出处理，实现在无人值守的条件下，柴油发电机组的自动运行。系统可靠性好、性能稳定、实用性强。关键词：单片机；柴油发电机组；控制AbstractThe diesel engine as the general dynamics machinery, is widely used in automobile, motorcycle, electric power, shipbuilding, engineering machinery and other industries. In order to ensure the reliable operation of diesel engine, the need for diesel engine operating conditions were measured and monitored timely detection of abnormal phenomenon, to provide operational information, so as to the timely troubleshooting, avoiding diesel engine under abnormal working conditions continue, protection of diesel engine does not suffer permanent damage, so as to prolong the diesel engine service life, at the same time the protection of diesel power of the whole system is effective and reliable operation.This paper introduces a AT89S51 single-chip microcomputer as the core of the monitoring system of diesel generating set. Aiming at the requirements of monitoring, gives the hardware structure design and software structure design. In the system is under control, the realization of diesel generating units and automatic starting, running and shutdown process, of diesel generator and period of various parameters and status of detection, in the event of a failure, the monitoring system may make timely treatment, achieve in the unattended condition, diesel generating units automatically. The system reliability, stable performance, strong practicability.Key words: single chip microcomputer; diesel generator sets; control目录摘 要5Abstract61.绪论81.1 课题的目的和意义81.2 国内外现状分析81.3 毕业设计的任务与要求102.课题方案设计及论证112.1 系统设计112.2 系统方案与选择122.3 系统硬件框图133.传感器的选用143.1 转速传感器143.2 温度传感器153.3 压力传感器164.系统单元电路分析与设计184.1 转速的测量电路184.2 LED显示的硬件电路194.3 频率测量电路204.4 相序缺相检测保护电路设计214.5 温度测量电路设计244.6 8路A/D转换电路ADC0809265.软件设计与实现285.1 主程序流程图及其说明285.2 应用器件介绍285.3键盘扫描子程序295.4 测速子程序305.5 显示子程序315.6 温度测量程序325.7 频率测量程序335.8报警处理34结论36致谢37参考文献381.绪论1.1 课题的目的和意义柴油机作为通用动力机械，广泛应用于汽车、机车、电力、船舶、工程机械等行业。为了保证柴油机可靠的运行，需要对柴油机的运行状况进行测量和监视，及时发现异常现象，给操作人员提供操作信息，以便能及时排除故障，避免柴油机在非正常工况下继续运行，保护柴油机不受到永久性损坏，从而达到了延长柴油机的使用寿命，同时保护以柴油机为动力的整个系统得到有效可靠的运行。本课题是研究开发一种新型的柴油机智能监控系统。柴油机智能监控系统不仅能够动态检测显示柴油机工作时的各种工作参数，如转速、电压、频率、水温、油压、，并且能在工作参数超过预设的工作报警值时发出声光报警信号，提示操作人员采取措施，消除隐患；并能在工作参数超过预设的停机值时输出停机信号以驱动柴油机停机电磁阀，强迫柴油机停机，避免柴油机因为转速过高飞车或润滑油压过低使柴油机受到损坏。为了同时在控制室也能够观察到柴油机的各种工作情况，还专门设计了柴油机智能监控系统远传显示器。柴油机智能监控系统远传显示器只能同步显示柴油机工作时的转速、油温、水温、油压，同时也能根据需要进行远距离启动柴油机或强制停止柴油机从而达到保护柴油机的功能，并且当主机有报警参数时远传显示器也能发出声光报警信号，提醒操作人员使柴油机能得到及时的保护。柴油机智能监控系统和远传显示器之间可以实现通讯功能。由于该柴油机智能监控系统针对柴油机出现的各种异常情况进行了的智能化的保护，从而使操作人员能够在相对轻松、安全的环境中操作使用柴油机。1.2 国内外现状分析目前国内柴油机燃油喷射主要为机械式，电控燃油喷射柴油机还处于试验阶段，柴油机行业还在大量使用柴油机指针式组合系统表箱测量显示柴油机的各项工作参数。指针式组合系统表箱的功能除了显示功能外，其它保护功能非常少。如果要增加其他功能，就需要增加相应的报警传感器。例如当需要增加温度报警功能，就需要单独增加温度报警开关，并要求在柴油机温度管道上增加一个温度报警开关的安装螺纹孔。最主要的是所有报警功能、停机功能之间是相互独立的，而柴油机从启动到正常工作时各个参数之间是相互关联的，这就使柴油机发生突发事件时很难得到有效可靠的保护。柴油机指针式组合系统表箱的精度由各个模拟指针式系统表的精度来决定，模拟指针式系统表的精度较低，其中指针式转速表的精度一般为1.5级以下，水温表和油温表的精度为4级，压力表的精度为4级。而且，由于传感器和指针式系统表的个体差异，传感器和指针式系统表的互换性差，如果传感器或系统表出现故障需要更换，精度会进一步降低。由于柴油机指针式组合系统表箱精度低，功能少，可靠性及抗干扰能力都较差，柴油机指针式组合系统表箱对柴油机的自动监控和保护力度都不够，因此柴油机厂家及用户都希望能有功能更强、可靠性更高的智能式系统表来代替它。尤其是船舶用柴油机用户的需求更加强烈。随着近海渔业资源的萎缩，越来越多的渔船开赴远太平洋进行远洋作业，使得捕捞周期地由星期为单位变成以月为单位，而且在海上的维修和补给远远比不上近海作业，一遇到紧急情况就发出求救的信号，最快得到救援也需要几天的时间。因此对渔船的设备及船员的素质有特殊的要求。柴油机作为船舶的主动力系统和供电发动机，为了保证柴油机长时间的正常运转，就必须对柴油机工况进行实时监测，但目前渔业船舶上对柴油机的监测很少，即使有，也只是安装在柴油机的旁边，需要工作人员长时间在机舱里值班，对工作人员的素质要求较高，从而使柴油机的寿命受到了严重的考验。目前，国内一些公司采用MCS-51系列单片机作为控制核心，开发了柴油机智能监控系统，实现了柴油机自动监控，无需操作人员长期值守。目前国内柴油机智能监控系统的功能主要有以下几方面：采集显示柴油机各项参数。a显示转速、水温、油温、油压、累积运行时间；b显示方式为数码管显示；报警功能，报警时报警灯及相应参数窗口闪烁，同时发出报警声并输出报39警信号，有以下报警参数。a.转速越限报警 b.油压越限报警c.电压越限报警 d.水温越限报警e. 电流越限报警 f. 频率越限报警g.相位缺相报警停机功能，停机灯亮，输出停机信号，有以下停机参数。a转速超限停机 b油压过低停机由于采用单片机技术，控制功能很容易实现，可以根据用户的需要增加功能。国内目前生产的柴油机智能监控系统的特点：1、微处理器基本上都采用了MCS-51系列单片机作为控制核心进行设计。2、采集处理电路采用了A/D转换技术，以便把传感器的模拟信号转换为单片机能够识别的数字信号。3、显示电路基本上都采用了数码管显示而不采用指针显示以提高显示分辨率。4、具备报警值和停机值参数设定功能由于每个柴油机厂家的机型都较多，额定转速从750r/min到1800r/min都有，而转速超速报警值和停机值的要求都各不相同，柴油机监控系统逐步使用按键设定报警值和停机值，使柴油机监控系统能方便的改变设置，以适应不同柴油机机型从而达到了减少库存备货的目的。国外柴油机燃油喷射现有机械式、电控泵式和共轨式三种。国外柴油机在20世纪80时年代以后开始采用电控燃油喷射技术。早期的电控燃油喷射系统都采用了“位置控制”，经过近十年的发展，到20世纪90年代初，“时间控制”式电控燃油喷射系统开发成功，20世纪90年代中期，出现了电控共轨燃油喷射系统，使柴油机进入了新的发展阶段。目前，欧美国家电控燃油喷射技术的应用率已达到60%90%。电控燃油喷射技术采用现代传感检测技术测出柴油机实际运行工况的主要参数，如：柴油机转速、扭矩、功率、油温、油压、水温、增压压力等。各单元对各种参数进行处理后，控制柴油机达到最佳运转状态。因此，电喷柴油机不再需要配置柴油机监控系统。国外机械式燃油喷射柴油机仍然有柴油机监控装置，采用指针式系统表箱或电子式监控装置。指针式系统表箱的功能与国内系统表类似，电子式监控装置采用数字电子技术，不同厂家功能各不相同，除了检测柴油机的各种参数，实现故障报警等功能外，有的带电子调速功能。本课题研究的柴油机智能监控系统应用对象是国内传统机械式柴油机。国内目前生产的柴油机智能监控系统的不足：1、抗干扰能力较差；2、传感器的可靠性需要提高；3、精度校验是通过可调电位器调整，振动环境下可靠性不高。本项目研究的柴油机智能监控系统除了具有现有产品的优点，还要克服存在的缺点。1.3 毕业设计的任务与要求在许多工程牵引车辆中，柴油发电机组作为动力的来源，担负着牵引电机的电能供给和机车辅助、控制电源的供给。为了发电机组的安全可靠运行，实现对机组的运行状态检测与控制是尤为必要的。在机组运行期间，监控系统可对机组必要的运行参数、状态进行实时检测，并显示检测到的参数；系统运行参数异常时，能够发出报警信号提示操作人员采取必要的措施,在规定的时间内故障没有消除时，输出自动停机信号供主控机构停机，以保证机组的安全。功能要求1.实时检测柴油发电机组的冷却系统温度、柴油机输出轴的转速、机油压力；发电机输出电压、电流、频率、相序、缺相、电流不平衡状态；2.能进行报警参数上限、下限的设定、存储；报警等待时间设定；3.能显示主要检测参数（柴油机输出轴的转速、电压、电流）；4.当冷却系统温度、柴油机输出轴的转速、机油压力，发电机输出电压、电流、频率、电流不平衡状态超过设定的上限、下限时输出相应的光报警、并在所有报警出现时进行声音提示。在规定的时间内故障没有消除时，输出自动停机信号供主控机构停机以保证机组的安全；系统主要技术指标1.环境温度： -25- +40；2.海拔高度3000m；3.机组输出控制用直流电源电压： DC12V；4.发电机组输出交流相电压（U、V、W）：220V，线电压为380V；5.发电机机组输出交流额定相电流（Ia、Ib、Ic）:300A；6.发电机机组输出交流额定频率：50Hz；7.报警参数值：线电压过压： V430V；线电压欠压：V360V；超频：F52Hz；欠频：F48Hz；过流：I360A；8.柴油发电机组的冷却系统温度：0100；温度限制120；9.机油压力：01.6MPa；压力1.6MPa；柴油机智能监控系统远传显示器只能同步显示柴油机工作时的转速、频率、水温、油压，同时也能根据需要进行远距离启动柴油机或强制停止柴油机从而达到保护柴油机的功能，并当主机有报警参数时远传显示器也能发出声光报警信号提醒操作人员使柴油机能得到及时的保护。2.课题方案设计及论证2.1 系统设计在许多工程牵引车辆中，柴油发电机组作为动力的来源，担负着牵引电机的电能供给和机车辅助、控制电源的供给。为了发电机组的安全可靠运行，实现对机组的运行状态检测与控制是尤为必要的。在机组运行期间，监控系统可对机组必要的运行参数、状态进行实时检测，并显示检测到的参数；系统运行参数异常时，能够发出报警信号提示操作人员采取必要的措施,在规定的时间内故障没有消除时，输出自动停机信号供主控机构停机，以保证机组的安全。系统功能与要求功能要求1.实时检测柴油发电机组的冷却系统温度、柴油机输出轴的转速、机油压力；发电机输出电压、电流、频率、相序、缺相、电流不平衡状态；2.能进行报警参数上限、下限的设定、存储；报警等待时间设定；3.能显示主要检测参数（柴油机输出轴的转速、电压、电流）；4.当冷却系统温度、柴油机输出轴的转速、机油压力，发电机输出电压、电流、频率、电流不平衡状态超过设定的上限、下限时输出相应的光报警、并在所有报警出现时进行声音提示。在规定的时间内故障没有消除时，输出自动停机信号供主控机构停机以保证机组的安全；系统主要技术指标1.环境温度： -25- +40；2.海拔高度3000m；3.机组输出控制用直流电源电压： DC12V；4.发电机组输出交流相电压（U、V、W）：220V，线电压为380V；5.发电机机组输出交流额定相电流（Ia、Ib、Ic）:300A；6.发电机机组输出交流额定频率：50Hz；7.报警参数值：线电压过压： V430V；线电压欠压：V360V；超频：F52Hz；欠频：F48Hz；过流：I360A；8.柴油发电机组的冷却系统温度：0100；温度限制120；9.机油压力：01.6MPa；压力1.6MPa；柴油机智能监控系统不仅能够检测显示柴油机工作时的转速、频率、电压、 水温、油压、电流以及累积工作时间，并且要求能进行手动设置齿数、报警、停机参数，从而使参数超过设定报警值时输出声光报警超过设定停机值时输出停机信号，强迫柴油机停机从而实现自动保护柴油机的功能。柴油机智能监控系统远传显示器只能同步显示柴油机工作时的转速、频率、水温、油压（共有4路显示参数），同时也能根据需要进行远距离启动柴油机或强制停止柴油机从而达到保护柴油机的功能，并当主机有报警参数时远传显示器也能发出声光报警信号提醒操作人员使柴油机能得到及时的保护。2.2 系统方案与选择本章将在前一章对基本理论进行介绍的基础上，对控制方案和器件选择进行进一步的选择与比较，在实现设计所要求功能的基础上对电路中应用的器件进行全方位的比较，从而选择更为合理的器件进行设计。其中包括对单片机进行选择、对外围的输入和显示电路进行设计，以及驱动电路器件的选择。在满足要求的基础上最大限度的节省材料，降低成本。2.2.1单片机的选择AT89C51是ATMEL公司推出的一种带4K字节闪速可编程可擦除只读存储器(FLASH ROM)的低电压、高性能CMOS 8位微控制器。器件使用ATMEL公司高密度、非易失性技术生产，与标准的MSC-51指令系统和8051引脚兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。与8051相比其最大的特点是：4KB可编程Flash存储器，可进行1000次擦写；全静态时钟0-24MHz；三级程序加密；低功耗支持Idle（空闲）工作模式和Power-Down（断电）工作模式。而AT89S51是2003年ATMEL推出的新型品种，除了完全兼容8051外，还多了ISP编程和看门狗功能。因此，选择AT89S51单片机作为微处理器2.2.2键盘的选择键盘是计算机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带，借助键盘可以向计算机系统输入程序、置数、送操作命令、控制程序的执行走向等。在本设计中，使用者可通过键盘对电机进行启动和制动、正转和反转、加速和减速控制。2.2.3独立式键盘 独立式按键是指直接用I/O接口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O接口线，每根I/O接口线的工作状态不会影响其它I/O接口线的工作状态。独立键盘如图2.2.1所示。独立式按键电路配置灵活、软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口线浪费较大，故只在按键数量不多时采用这种按键电路。此电路中，按键输入都采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线上有确定的高电平。当I/O口内部有上拉电阻时，外电路可以不配置上拉电阻。 图2.2.1 独立式键盘电路本设计中只用到了4个按键，用独立式键盘和矩阵式键盘都要用到4个I/O口，但是应用独立式键盘结构简单且不造成按键的浪费，故采用独立式键盘。2.2.4显示方式的选择LED显示器是单片机应用系统中最常用的输出器件。它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常用的LED显示器有7段和“米”字段之分。在次显示转速数值用7段显示管即可。这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段 被显示。本设计选用了四位共阳极接法。如图2.2.2LED的共阳、共阴极接法图2.2.2LED的共阳、共阴极接法LED数码管显示器有二种工作方式，即动态显示方式和静态显示方式。在动态显示方式中，各位数码管的各个端并连在一起，与单片机系统的一个I/O口相连，从该I/O口输出显示代码。每只数码管的共阳极或共阴极则与另一I/O口相连，控制被点亮的位。动态显示的特点是：每一时刻只能有1位数码管被点亮，各位依次轮流放点亮；对于每一位来说，每隔一段时间点亮一次。为了每位数码管能够充分被点亮，二极管应持续发光一段时间。利用发光二极管的余辉和人眼的驻留效应，通过适当地调整每位数码管被点亮的时间间隔（一般为1mS），可以观察到稳定的显示输出。在静态显示方式下，每位数码管的各个端与一个8位的I/O口相连。要在某一位数码管上显示字符时，只要从对应的I/O口输出并锁存其显示代码即可。其特点为：各数码管同时点亮，数码管中的发光二极管恒定地导通或截止，直到显示字符改变为止。相比而言，动态显示方式更节省硬件资源和I/O口，一般系统都会选择该种显示方式。故经综合考虑，决定选用LED数码管动态显示方式。2.3 系统硬件框图根据产品功能要求，硬件设计要由以下功能模块构成：微处理器、数据采集A/D转换、LED显示、输入输出接口电路及与远传显示器进行通讯的处理电路。柴油机监控系统工作原理硬件框图如图2.3.1所示：显示AT89S51单片机相序及缺相转速电流电压频率8位A/D转换输入电路8位A/D转换输入电路报警键盘输入水温油压图2.3.1柴油机监控系统工作原理硬件框图3.传感器的选用3.1 转速传感器 CS3020是CS系列霍尔传感器中比较常用的一员，它的由电压调整器，霍尔电压发生器，差分放大电路，史密特触发器及集电极开路的输出级组成磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出为电压。 CS3020的特征;CS3020工作频率宽（100KHz），开关速度快，没瞬间抖动，电源电压范围宽，能直接和晶体管及TTL、MOS等逻辑电路接口，并且还有寿命长，体积小，方便安装等优点。 CS3020典型应用于无触点开关、位置控制、转速测量、隔离检测、无刷电机等方面。 CS3020的引脚说明CS3020只有三个引脚，1脚接电源，2脚接地，3脚接输出，安装简单方便易用。其外形如图3.1.1。 图3.1.1 CS3020外形CS3020可组成转速计探头。该探头由霍尔元件CS3020和磁钢组成测量电路。将2个小磁钢对称固定于被测对象的旋转主轴上。当小磁钢测量磁路时，霍尔元件输出高电平，其他时间输出为低电平；这样圆盘每转一周，电路输出2个脉冲，这样可测出被测对象的实际转速。图3.1.2 霍尔转速传感器原理图经过转速传感器得到的信号是159齿的正弦信号。经过整形处理后得到微处理器能识别的标准方波信号。因此，选择CS3020是CS系列霍尔传感器测量油压。3.2 温度传感器 采用数字单片智能温度传感器智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。目前，已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU). 智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线(1-WIRE)总线、I2C总线、SMBUS总线和SPI总线。温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。典型产品有DS18B20,智能温度控制器适配各种微控制器,构成智能化温控系统;它们还可以脱离微控制器单独工作,自行构成一个温控仪。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO92小体积封装形式;温度测量范围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生;多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。同DS1820一样，DS18B20也 支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55+125，在-10+85范围内,精度为0.5。DS18B20的精度较差为0.2 。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量。如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。由于DS18B20将温度传感器、信号放大调理、A/D转换、接口全部集成于一芯片，与单片机连接简单、方便，与AD590相比是更新一代的温度传感器，所以温度传感器采用DS18B20。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。DS18B20的管脚排列如图3.2.1所示。 图3.2.1 DS18B20管脚图3.3 压力传感器压力传感器的种类繁多，如应变电阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器等。但应用最为广泛的是应变电阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是应变电阻式压力传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片、半导体应变片。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。金属受到拉伸作用时，在长度方向发生伸长变形的同时会在径向发生收缩变形，其电阻会产生变化。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应变时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成惠斯登电桥，并通过后续的系统表放大器进行放大，再传输给处理电路，通常是A/D转换器和CPU。半导体应变片是利用晶体的压阻效应制作的。晶体受到外部压力时，晶体内部会产生应变，其能带结构将发生改变，载流子的运动状态也将发生变化，由此引起该晶体的阻抗变化。在阻抗变化中起主导作用的是电阻率的变化。半导体应变片的应变系数比金属电阻应变片大50100倍。半导体应变片制作时，是将P型杂质扩散到N型硅片上，形成极薄的导电P型层，焊上引脚即成应变片，叫作扩散硅应变片。还有一种应变片是在陶瓷基片上印刷厚膜电阻。压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号。半导体应变片的最突出优点是灵敏度大，灵敏系数可达60150，能直接与记录系统器连接而不需放大器，使测量系统简化。此外，其横向效应小，机械滞后小和体积小。缺点是电阻值和灵敏度的温度稳定性差。当应变较大时，非线性严重。由于受晶向、杂质等因素影响，灵敏度分散度大。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40135，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘强度大于2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向。因此，选择陶瓷压力传感器测量油压。传感器测量电路如图3.3.1所示。无差压时,电桥两臂电流相等。差压信号加到陶瓷压力传感器电阻上,压敏电阻的阻值随差压而变化,引起电桥不平衡。电桥输出电压馈入放大器A 1。A 1的输出电压通过晶体管Q 8改变输出电流IO的大小。IO流过电桥的电阻反馈网络,使电桥恢复平衡。这样,电桥输出电压的变化与差压变化成对应比例关系。从而将差压的变化直接转换成电信号。图3.3.1传感器测量电路4.系统单元电路分析与设计4.1 转速的测量电路本设计附加了对直流电动机的测速显示功能。下面我们分别分析一下测速部分和显示部分的硬件连接。其原理框图如图4.1.1所示。 图4.1.1 测速显示部分硬件原理框图对转速的检测有很多传感器可以应用，如光学编码器，霍尔元件和霍尔接近开关等。考虑到成本和易用性等问题，本设计选用的是霍尔元件CS3020作为测速的传感器。在电机的转叶上贴上两片小磁钢，那么电机每转一圈，霍尔传感器输出两个脉冲。CS3020的接线图比较简单，由检测传感器、单片机电路和数码显示电路等组成。4.1.1CS3020霍尔元件的介绍 CS3020是CS系列霍尔传感器中比较常用的一员，它的由电压调整器，霍尔电压发生器，差分放大电路，史密特触发器及集电极开路的输出级组成磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出为电压。4.1.2CS3020的特征及应用 CS3020工作频率宽（100KHz），开关速度快，没瞬间抖动，电源电压范围宽，能直接和晶体管及TTL、MOS等逻辑电路接口，并且还有寿命长，体积小，方便安装等优点。CS3020典型应用于无触点开关、位置控制、转速测量、隔离检测、无刷电机等方面。CS3020的引脚说明CS3020只有三个引脚，1脚接电源，2脚接地，3脚接输出，安装简单方便易用。CS3020可组成转速计探头。该探头由霍尔元件CS3020和磁钢组成测量电路。将2个小磁钢对称固定于被测对象的旋转主轴上。当小磁钢测量磁路时，霍尔元件输出高电平，其他时间输出为低电平；这样圆盘每转一周，电路输出2个脉冲，这样可测出被测对象的实际转速。 CS3020霍尔传感器内部有5个部分组成，即由稳压电路、霍尔电势发生器、差分放大器、施密特触发器以及输出级组成。其功能是把磁信号转换成电信号，图4.2是霍尔元件CS3020的功能图。霍尔元件X为磁敏元件，当垂直于霍尔元件的磁场强度随之变化时，其两端的电压就会发生变化，经放大和整形后。即可在3脚输出脉冲电信号。对于开关型传感器的正值规定是：用磁铁的S极接近传感器的端面所形成的B值为正值。当B=0时，为高电平；当外磁场增至时，输出由高电平转为低电平。外磁场由降至时，输出由低电平反向，被称为释放点。对于CS3020，=0.022T，=0.0165T，=80150mV，=4V，工作电压为4.5V24V。 图4.1.2CS3020的功能框图4.2 LED显示的硬件电路 本系统使用四位共阳数码管显示直流电动机的转速，为了节省I/O口，我们使用74LS47来把四位的BCD码转换成七段LED显示，所以在单片机中输出转速的数值要用BCD表示，会详细在下一章的软件部分讲到。下面给出LED与单片机的接口电路图，如图4.2.1。 图4.2.1 LED与单片机接口的硬件图由上图可以看到，单片机P2.0、P2.1、P2.2和P2.3作为BCD码的输出口，分别与74LS47的A、B、C和D引脚相接。单片机的P2.4、P2.5、P2.6和P2.7分别作为四位LED的由低位到高位的选通脚。设计中我采用了通过控制三极管来选通LED的方法。所使用的三极管是9014，该三极管是NPN管，当给它一个高电平时就导通，给它低电平时截止。由于LED正常的工作电压为3.5V左右，如果直接给LED选通端接5V电压，LED可能会烧毁，所以先接两个压降为0.7V的普通二极管进行降压后再送到三极管的集电极。这样做可以保证LED能正常地工作。4.3 频率测量电路 本系统用AT89S51单片机为核心的柴油机发电机组频率测量系统。该系统采用全浮空双端光电隔离技术,以及对输入信号正负半周期交替计数方法,使系统可靠性、信号反应灵敏度大为提高,并且具有电路简单、通用性强等优点。特别适合于在频率电压变换器、转速继电器以及电气液压型调速器的测频回路中推广应用。测频电路：以AT89S51单片计算机为核心的柴油机发电机频率测量系统的测频电路总体结构如图1所示。取发电机端电压互感器或电网电压互感器的测频输入信号,经削波、滤波处理后,变成幅度基本不变的稳定波形,再经施密特电路放大整形,得到正负幅值基本相等、占空比约为50%的方波。 然后,通过光电耦合器使单片机系统与输入信号隔离。单片机对隔离后的方波信号的周期进行计数,利用其运算功能对周期数进行倒数运算(f=1/T),得到信号的频率数,该频率数经12位高速PWM进行数字脉宽变换,再经过光电耦合以实现单片机系统与输出信号之间的隔离。来自光电耦合器的输出信号经精密整形限幅后实现幅值恒定、脉宽与频率值对应的脉冲信号。最后从有源滤波器输出便得到了随输入信号频率变化的直流信号,从而完成了由FV的测量任务。该单片机应用系统采用了抗干扰能力很强的全浮空方法,即微机系统不但与输入通道隔离,还与输出通道隔离,因而大大提高了系统硬件的抗干扰能力。测频输入部分测频输入部分的具体电路如图4.3.1所示。取自发电机端电压互感器的信号,正常值为100 V的正弦波,在发电机失去励磁的情况下,一般有2 V左右的残压输出,并且机组的端电压随转速降低而减小。通过选择合适的元件和电路参数,该电路能保证输入信号在0.2150 V之间可靠工作。测频原理AT89S51内部定时/计数器T0与定时/计数器T1工作在模式一的结构图。当TR0=“1”, GATE0=“1”时,计数器T0的计数开关受INT0脚控制。同样地, TR1=“1”, GATE1=“1”时,计数器T1的计数开关受INT1脚控制。从图3中可以看出INT0与INT1恰好是逻辑非关系。因此,当INT0=“1”时, T0计数器开始记数,同时, INT1=“0”, T1计数器停止计数,并INT1脚产生中断信号,请求CPU取数。反之,当INT1=“1”时, T1开始计数,此时INT0=“0”, T0停止计数,并由INT0脚产生一个中断请求信号,请求CPU取数。这样一来,在一个信号周期内, T0计数器的计数值与T1计数器的计数值之和即为周期数(NT)。通过软件处理即可求得对应的频率数Nf=K/NT。4.4 相序缺相检测保护电路设计 在电子、电力、系统表、自动控制和电力电子等设备中，往往需要检测判断三相交流电源的相序和是否缺相，如果产生缺相或者是相序有误的时候就要及时形成保护。特别是对于只允许单向旋转的设备而言，如果相序有误可能造成其旋转件损坏；如载人电梯因相序的改变，使运行方向与预定方向相反，可能危及人身安全。这时就有必要采取措施进行相序检测。相序、缺相检测电路原理 根据三相交流电知识三相交流电的相电压三角函数表达式为： UA=Um sint UB=Um sin(t-) UC=Um sin(t+)分析上述表达式可知三相交流电源每相的相位角相差。以UA和UB相为例，如果将UB相位角延迟得： UB=Um sin(t-)=-Um sint与 UA=Um sint处于反相状态。如图4.4.1所示，粗线为UA和UB未移相之前的波形，细线为UB移相之后的波形。同理将UC延迟后与UB处于反相状态，将UA延迟后与UC处于反相状态。图4.4.1A、B相移相前后的波形图 如果将延迟后的相电压按正序UAUBUCUA相互叠加，在三相平衡的状态下其结果为0。但是在逆序的情况下相互叠加，其结果则将不会为0。例如以UAUCUBUA的相序移相叠加，将UC相位角延迟得：UC=Um sin（t+）Um （t+）与UA=Um sint相比较相位角超前，而不是反相状态。如图4.4.2所示粗线为未移相之前的UA和UC的波形图，细线为移相后的UC相波形图。图4.4.2 A、C相移相前后的波形图 同理将UB延迟后，亦与UC相位角相差；将UA延迟后，亦与UB相位角相差。如果是在正序的情况下缺相，则三相电压叠加后结果一样不为0。假设现在的相序正确但是缺少UC相，则UB延迟后与UA相叠加使UA相输出衰减为0，但是由于缺少UC相，UB相将得不到衰减，结果电路相当于UB相单相整流输出。根据上面的分析，只要将三相交流电的每一相电压延迟相位角后与前一相电压叠加整流输出，如果相序正确则整流后的电压将为0。如果处于逆序或者是缺相状态，输出电压将不为0。根据上述原理可设计制作出相序、缺相检测电路。电路原理图如图4.4.3所示。图4.4.3 相序、缺相检测保护电路原理图图4.4.3中相序、缺相检测电路由R1R9、C1C3、D1D6构成。其中R4R9为分压限流电阻，D1D6构成三相桥式整流电路，R1、C1组成UA相移相电路，将UA相延迟后与分压后的UC相叠加；R2、C2组成UB相移相电路，将UB相延迟后与UA相叠加；R3、C3组成相移相电路，将UC相延迟后与UB相叠加。理想状态下适当选择电路中的参