电力变压器冷却系统毕业设计 终稿

摘要本设计针对电力变压器冷却系统中使用常规控制系统时存在的控制回路复杂、可靠性低、风机保护方式简单、油温测量精度低、控制误差大、无法进行远程通讯等问题，设计了一套智能化变压器温度监控系统。本系统以PIC16F877单片机为核心，实现了对变压器油温的实时采集、LED显示、数据无线传输，并参考油温变化对风机的运行状况进行实时控制。风机侧完善的保护装置为CPU提供准确的风机故障信号，提高了系统运行的稳定性。关键词：单片机、变压器冷却系统、风机故障、油温采集ABSTRACTThepaperintroducesanewsmartoftransformertemperaturemonitoringsystem.It’sagreatchangeforthepowertransformercoolingsystem.Suchastheexistenceofcomplex,lowreliability,asimpleblowerprotection,lowtemperaturemeasurementaccuracy,controlerrors,andnotachievinglong-distancecommunications,ect.ThecontrolsystemusesthePIC16F877toachievethereal-timeacquisition,LEDdisplay,datawirelesstransmission,andtakingintoaccountairtemperaturechangeontheoperationofthestateofreal-timecontrol.TheCPUfancouldprovideaccuratefaultsignal,sothatitimprovesthestabilityofthesystem.Keywords:SCMSingleChipMicyoco,transformercoolingsystem,FanFailure,Oiltemperature`scollection

目录摘要 1ABSTRACT 2绪论 5第一章设计任务及要求 6第一节毕业设计的任务 6第二节毕业设计的要求 6第二章系统的设计方案 8第一节系统工作的一般原理 8第二节智能温度监控系统的设计方案 82.1方案一 92.2方案二 102.3方案三 12第三节设计方案的确定 13第三章硬件电路设计 16第一节单片机的选型 16第二节振荡器配置选择 182.1晶体振荡器/陶瓷谐振器方式 182.2RC振荡器 20第三节温度采集电路模块设计 223.1温度检测电路 223.2光电耦合隔离放大电路 24第四节按键输入和显示电路部分设计 294.1按键输入电路模块设计 294.2显示电路部分设计 29第五节无线通信系统的设计 33第六节主回路部分设计 386.1风冷机的保护简要介绍 386.2输出驱动电路设计 38第七节直流电源的设计 46第四章软件部分设计 50第一节软件需求分析 50第二节各模块的流程图 52第五章设计总结 60致谢 62参考文献 63附录一程序清单 64附录二元器件明细表 78绪论近年来，随着我国电力事业的飞速发展，电力变压器是发、输、变、配电系统中的重要设备之一，它的性能、质量直接关系到电力系统运行的可靠性和运营效益目前，还有许多变压器采用由电接点式温度计采集、显示变压器油温，控制风机的启动和停止，实现变压器的温度控制，在实际运行中，由于风机启动时全部投入，同时全部停止，冲击电流较大，严重影响了电机的使用寿命。且由于无法和控制室联系，所以无法实现变压器的无人控制，增加了运行成本。变压器温控器总存在一些问题，如测温误差大、抗干扰能力差等，这些都是在工程界非常棘手的问题。而早期的温度控制器，由于体积大、操作复杂、抗干扰能力差，给工程现场的使用也带来了很大不便。随着单片机技术的不断发展，温度控制器正向单片集成化、智能化的方向迅速发展。针对电力变压器在运行过程中存在的问题，可以采用的智能温度控制系统，实现温度的自动采集、显示、风机的顺序起停。根据现场运行要求，本设计选用了PIC16F877单片机构成变压器温度控制系统，设备操作简单，用户可通过面板按键轻松设定控制风机起停、报警及跳闸阀值，所有设定参数掉电后均不会丢失。温度采集精度很高，并且采取了很多措施来保护电机，如过载、缺相保护等。由于工业现场的环境较恶劣，会对系统产生很大的干扰，设计采取了抗干扰措施，在集成电路的电源入口处加了滤波电容，且送入单片机的信号都经过了光耦隔离。最后通过无线通信实现远程监控，控制室通过无线通信及时掌握现场的运行情况，可任意对各种事故做出及时地反映，实现了变压器的无人控制。系统整体具有测温误差小、分辨力高、抗干扰能力强的特点，所有器件的选择均满足工业级标准，并适合高温环境。由于采取了以上措施，可以保证控制系统稳定工作，设计具有很好的扩展性，能满足各种型号变压器的要求。第一章设计任务及要求第一节设计任务在我们的生活中，电力安全是至关重要的，而电力变压器又是电力系统的重要组成部分。电力系统中常用的油浸风冷式电力变压器多采用多组风机降温，控制变压器的油温在工艺要求的范围之内。目前现场还有相当数量的油浸风冷电力变压器由电接点式温度计采集、显示变压器油温，控制风机的启动和停止，实现变压器的温度控制，即在变压器油温大于上限温度时启动全部风机，当油温降至下限温度时停止全部风机。而实际运行中这种控制方式有不少的缺点，如风机启动时全部投入，冲击电流太大，不利于系统的稳定安全运行。针对以上种种问题，要求本设计选用一款集成度较高的单片机，并采用无线通信技术，设计一个电力变压器温度监控系统，对现有落后的温度控制系统进行改造，满足自动化要求。设计主要完成的工作。本设计须完成风冷式电力变压器温度监控系统的主机部分的设计，主要包括以下工作：（1）收集电力变压器温度控制系统的控制原理的实际资料，确定要保证变压器风冷系统正常运行及实现无人值班所需的远程通讯功能，必须采用以单片机为核心的控制系统来完成；为保证风机能可靠安全运行，必须收集一既能被单片机驱动又能保证风机可靠运行的元件。（2）方案设计。（3）确定系统配置及功能，并根据系统功能要求完成系统硬件设计。（4）根据设计原则完成控制系统的软件设计。（5）撰写设计说明书，绘制系统电路原理图。（6）完成指定内容的外文资料翻译。第二节设计要求2.1毕业设计的主要内容（1）完成系统设计；（2）选择合适的单片机，作为主机CPU；（3）独自完成主机硬件、软件设计，其中硬件部分主要包括温度采集、LED显示、主控电路、无线通讯、电源电路等，软件部分主要包括流程图设计、程序设计及调试；（4）完成相关的设计图纸绘制和设计说明书撰写，通过毕业设计答辩。2.2设计实现的主要功能（1）将采集到的油温在就地和远端（控制室）用LED实时显示油温，主机和从机之间的通讯采用无线通信方式；（2）系统设置自动、手动、停止三种运行方式，正常时采用自动方式运行，主控板检修时采用手动方式运行，并且能够灵活选择运行方式。（3）在自动方式运行下，当变压器油温超过上限时，风机全部投入；当温度低于工艺下限时，风机全部停止；当温度由高下降到上限和下限的中间值时，只投入3组风机；在投入3组风机的状态，先运行的3组风机运行1小时后（这三组风机在变压器周围间隔安装），自动切换到另外3组（这三组风机也在变压器周围间隔安装），1小时后又切换到原来的3组，如此交替运行，既延长风机的使用寿命，又能使变压器均匀降温。温度上限值和下限值可以通过硬件灵活设置，以适应不同类型和不同环境使用的变压器；变压器油温超过上限值时，风机群全部投入运行时，采用顺序启动方式依次启动，防止启动电流过大情况发生造成设备损坏；（4）系统具有故障自诊断功能，当某一风机工作异常时如过压、缺相、过载时，系统能够在现场和控制室发出报警信号，显示故障类型和故障发生的位置，便于工作人员及时进行设备检修；（5）系统设置正常运行、故障运行、油温超过75℃三项远传开关信号；（6）本设计中油温的上限缺省值为55℃，下限缺省值为45℃，要求上限值和下限缺省值能够方便的通过按键调节；（7）系统要采用必要的抗干扰措施（包括硬件和软件）。2.3主要技术指标控制系统的工作电源为220V/50HZ的工频交流电，容量为31500KVA；风机有6组，每组2个风机，均匀排列在变压器四周，每个风机功率为0.375KW；温度测量范围为0-100℃，温度采集精度为±2℃，温度控制精度为±5℃。第二章系统的设计方案第一节系统工作的一般原理传统的电力变压器由人工控制风机，每台变压器有6组风冷式电动机需要控制，每组风机的保护通过热继电器实现，控制风机电源回路通过接触器，而风机启停的逻辑判断通过测量变压器的油温和变压器的过负荷实现，工作原理如图2-1所示。主电路控制元件采用了接触器，靠机械触点来实现对风机的驱动。这种方式对风机的控制只能由人工完成，风机同时全部投入，同时全部停止，启动时冲击电流很大，会对器件造成损伤。当温度在45℃-55℃时，通常采用全部投入的方式，不利于节能，也不利于设备的维护。控制器系统采用继电器、热继电器、接触器逻辑电路控制，控制逻辑显得很复杂，在运行过程中会出现接触器的触点长时间接触及多次开断造成触点烧毁问题。风机缺乏必要的过压、过载、缺相保护，实际运行中降低系统运行的可靠性，增加运行成本。图2-1传统风冷机工作原理图第二节智能温度监控系统的设计方案本设计以PIC16F877单片机为核心完成系统的设计，要求对油温进行实时采集，将采集结果送入MCU进行处理，然后按照工艺要求进行相应的控制，实现对变压器温度的全自动远程和就地监控，系统要具有完善的保护功能，包括过压、过载、缺相检测和保护，还要具备故障自诊断功能，在故障出现时，给出故障信息，显示故障类型，便于工作人员及时进行检修；使用无线通信方式实现变压器控制器与中心控制室之间的数据通信。使用户随时了解变压器及风机运行情况，实现远程温度控制。整个课题包括系统设计，主机温度信号采集与调理电路设计，主机LED显示电路设计，主控电路设计，缺相检测与保护电路设计，过载保护与检测电路设计，从机设计，从主机LED显示电路设计，无线通信电路设计，主电路设计，主机从机电源设计，系统软件流程图设计，软件编程等。温度信号的采集在设计中是最重要的部分之一，其可以采用铂电阻电桥组成的温度检测电路，也可以使用温度传感器来实现。2.1方案一:温度检测电路通过预埋在变压器中的铂电阻传感器获得油温信号[3]，经信号调理电路处理后直接送入控制器的A/D转换输入端，PIC单片机根据信号数据及设定的各种控制参数，按照程序自动计算与处理，自动显示变压器油温，并输出相应的控制信号，控制风机的起停，电机的保护电路包括过压，过载，缺相等。显示电路采用7219，其只需要三根线就可控制八个数码管，特别适用于需要I/O口较多的系统。信号通过无线通信芯片nRF401传输到控制室,以便对现场情况及时做出反应。方案采用PIC16F877单片机，PIC处理器具有不同于一般微处理器的许多特性，它给出最大系统可靠性，通过减少外部元件使成本最小。另外，还提供节电工作模式及提供编码保护等。PIC16F877共有A口、B口、C口、D口、E口五组I/O口，完全可以满足本系统的要求，另外在其中嵌入一个8输入通道的A/D模块，不需要专门的芯片进行A/D转换；CCP模块可提供外部信号的捕捉、内部比较输出、及脉宽调制PWM功能；中断源多，具有看门狗定时器和睡眠功能；还可以在线串行编程、在线调试。显示电路采用7219，其只需要三根线就可可控制八个数码管，特别适用于需要I/O口较多的系统。7219为8位LED显示驱动电路，可以连续的驱动8位7段数据显示。在芯片内部集成了一个BCD译码器，段地址和位地址驱动以及一个88位的静态随机存储器。只需要一个外部电阻，就可以正确地驱动所有LED的段地址。信号通过无线通信芯片nRF401传输到控制室。以便对现场情况及时做出反应。nRF401是一个433MHz工业、科学、医用频段设计的真正单片无线收发芯片,它采用频移键控调制技术。nRF401发射速率可达20kb/s，发射功率可调,最大发射功率10dBm,接收灵敏度-105dBm，具有工作半径大、适应性强的特点。天线接口设计为差分天线,便于使用低成本的印刷电路板天线。nRF401还有待机工作方式,可以更省电和高效。此外,该芯片只需少量外围元件,使用十分方便。温度控制器系统框图如图2-2所示。图2-2温度控制系统框图2.2方案二：温度检测采用由DALLAS半导体公司生产的智能集成温度传感器DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,采用DALLAS公司特有的单总线通信协议，只用一条数据线就可实现与MCU的通信。它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。显示采用单片机的RA口扩展四片串并转换的移位寄存器74LS164驱动四只1.5寸共阳数码管，实时显示变压器的温度。复位电路采用6304芯片来实现单片机系统的监控电路。6304是一款专用、高性能、低功耗的微处理器监控芯片。通信采用CHIPCON公司新推出的CC1000单片可编程RF收发芯片。（一）温度检测电路的设计温度检测采用由DALLAS半导体公司生产的智能集成温度传感器DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。它具有体积小、接口方便、传输距离远等特点。DS18B20单总线数字传感器工作温度范围是-55℃～125℃，在-30℃～85℃范围内温度测量精度为±5℃；具有温度报警功能，用户可设置最高和最低图2-3DS18B20引脚分布图报警温度，且设置值掉电不丢失；采用DALLAS公司特有的单总线通信协议，只用一条数据线就可实现与MCU的通信；此外，DS18B20能够直接从数据线获得电源，无需外部电池供电[4]。DS18B20与单片机的接口电路如图2-3所示。I/O为数字信号输入/输出端，GND为电源地，VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。DS18B20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、配置寄存器。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的。相当于给每个DS18B20分配了一个独一无二的64比特地址序列码，这就允许多个DS18B20工作同条一线总线上，从而大大简化了分布式温度传感系统的应用。温度传感器完成对温度的测量，温度报警触发器TH和TL以及配置寄存器的设置值均以一个字节的形式存储在EEPROM中，使用一个存储功能命令可对其写入。（二）显示部分可以用数码管显示，电路如下图2-4所示。采用了7219驱动器，对温度值进行实时输出显示，根据精度要求，设置一位小数。图2-4LED显示电路（三）键盘输入单片机监电路设计的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性。在设计完单片机系统，并在实验室调试成功后，在现场却出现了“死机”、“程序跑飞”等现象，而用仿真器调试时却无此现象发生或极少发生此现象。有时会发现在关闭电源后的短时间内再次开启电源，单片机系统会工作不正常，这些都很可能是由单片机监控电路设计的不可靠引起的。单片机监控电路主要有监控和看门狗两个功能。（四）通讯电路设计μmCMOS工艺下制造的一种理想的超高频单片收发通信芯片。它的工作频带在315、868及915MHz，但CC1000很容易通过编程使其工作在300～1000MHz范围内。它具有低电压（2.3～3.6V），极低的功耗，可编程输出功率（-20～10dBm），高灵敏度（一般-109dBm），小尺寸（TSSOP-28封装），集成了位同步器等特点。其FSK可达72.8Kbps，具有250Hz步长可编程频率能力，适用于跳频协议；主要工作参数能通过串行总线接口编程改变，使用非常灵活。CC1000可通过简单的三线串行接口PDATA、PCLK和PALE进行编程，有36个8位配置寄存器，每个由7位地址寻址。一个完整的CC1000配置，要求发送29个数据帧，每个16位（7个地址位，1个读/写位和8个数据位）。PCLK频率决定了完全配置所需的时间。在10MHz的PCLK频率工作下，完成整个配置所需时间少于60μs。在低电位模式设置时，仅需发射一个帧，所需时间少于2μs。所有寄存器都可读。在每次写循环中，16位字节送入PDATA通道，每个数据帧中7个最重要的位（A6：0）是地址位，A6是M键盘（最高位），首先被发送。下一个发送的位是读/写位（高电平写，低电平读），在传输地址和读/写位期间，PALE（编程地址锁存使能）必须保持低电平，接着传输8个数据位（D70），PDATA在PCLK下降沿有效。当8位数据位中的最后一个字节位D0装入后，整个数据字才被装入内部配置寄存器中。经过低电位状态下编程的配置信息才会有效，但是不能关闭电源。微控制器使用3个输出引脚用于接口（PDATA、PCLK、PALE），与PDATA相连的引脚必须是双向引脚，用于发送和接收数据。提供数据计时的DCLK应与微控制器输入端相连，其余引脚用来监视LOCK信号（在引脚CHP_OUT）。当PLL锁定时，该信号为逻辑高电平。nRF401是一个433MHz工业、科学、医用频段设计的真正单片无线收发芯片,它采用频移键控调制技术。nRF401发射速率可达20kb/s。发射功率可调,最大发射功率10dBm,接收灵敏度-105dBm，具有工作半径大、适应性强的特点。天线接口设计为差分天线,便于使用低成本的印刷电路板天线。nRF401还有待机工作方式,可以更省电和高效。此外,该芯片只需少量外围元件,使用十分方便。以上只是对本方案简单地做了介绍，对于本系统的具体的硬件电路的设计说明将在下一章节中作具体的阐述。第三章硬件电路设计第一节单片机的选型硬件电路是整个设计的核心，而单片机又是硬件电路的核心，所以单片机的选择显得至关重要。由于有温度检测，需要A/D转换，且需要较多的I/O口，所以单片机采用PIC系列微控制器[8]。PIC系列单片机具有以下几个大的特点：（1）开发容易，周期短：由于PIC采用RISC指令集，指令少，且全部为单字长指令，易学易用，相对于采用CISC结构的单片机可节省30%以上的开发时间，2倍以上的程序空间。（2）高速：PIC采用哈佛总线和精简指令集建立了一种新的工业标准，指令的执行速度比一般的单片机要快4～5倍。（3）低功耗：PIC采用CMOS设计结合了诸多的节电特性，使其功耗较低，PIC百分之百的静态设计可进入休眠省电状态而不影响唤醒后的正常工作。（4）低价实用：PIC配备有OTP型、EPROM型和FLASH型诸多形式的芯片，其OTP型芯片的价格很低。PIC还提供程序监视器和程序可分区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产品开发工具和大量的子程序库和应用例程，使产品开发更容易和更快捷。根据设计的要求，综合多方面的因素，我选择了PIC16F87X系列的PIC16F877单片机，它与其他3种单片机性能对照表如下所示。主要特征 PIC16F873 PIC16F874 PIC16F876 PIC16F877 工作频率 DC～20MHz DC～20MHz DC～20MHz DC～20MHz 复位（与延时） POR，BOR（PWRT，OST） POR，BOR（PWRT，OST） POR，BOR（PWRT，OST） POR，BOR（PWRT，OST） FISA程序存储器/K 4 4 8 8 数据存储器/字节 192 192 368 368 EERROM数据存储器/字节 128 128 256 256 中断 13 14 13 14 I/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 定时器/计数器 3 3 3 3 捕捉/比较/脉冲调制（PWM） 2 2 2 2 串行通信 MSSP，USART MSSP，USART MSSP，USART MSSP，USART 并行通信 -- PSP -- PSP 10位模数转换模块 5个输入通道 8个输入通道 5个输入通道 8个输入通道 指令数/条 35 35 35 35 表3-1四种单片机性能比较表PIC16F877单片机是高性能类―RISCCPU，一共有35条单字指令，除程序分支是双周期指令外，其他所有的指令都是单指令。工作速度：DC～20MHz时钟输入，DC～200ns指令周期。具有高达8K字（14位字长）的FIASH程序存储器；高达368字节的数据存储器（RAM）；高达256字节的EEPROM数据存储器。中断能力多达14个内部/外部中断源。该单片机具有8级硬件堆栈，上电复位电路（POR）及上电延时定时器（PWRT）和振荡器起振定时器（OST），带有片内RC振荡器的监视定时器（WDT）以保证可靠工作。它的可编程代码具有保护功能，省电休眠（Sleep）a；在32kHz时钟下，电源电压为3V时，典型工作电流值小于20μA；典型待命状态电流值小于1μA。外围功能模块特性：??定时器TMR0：带有8位定时器/计数器。??定时器TMR1：带有前分频器的16位定时器/计数器，在休眠期间可通过外部晶振/时钟增量计数。??定时器TMR2：带有8位周期寄存器.前分频器和后分频器的8位定时器/计数器。??两个捕捉/比较/脉宽调制（PWM）模块。??16位的捕捉输入的最大分辨率为12.5ns，16位的比较输出的最大分辨率为200ns，脉宽调制（PWM）输出的最大分辨率为10位。??10位多通道模数转换器（A/D）。??具有地址第九位检测的通用异步接收器和发送器（USART/SCI）。??由外部RD.WR.和控制线CS的8位宽度的并行从动端口PSP（仅用于40/44引脚芯片）。??用于锁定（Brown-out）图3-2LP、XT和HS的石英/陶瓷振荡器注：（1）C1和C2的推荐值见表3-4和表3-5。（2）对于AT方法切割的晶体需要接串联电阻Rs。（3）RF随石英选择不同而变。图3-3外部时钟输入工作方式测试范围 类型 频率 OSC1/pF OSC2/pF XT 455kHz 68～100 68～100 2MHz 15～68 15～68 4MHz 15～68 15～68 HS 8MHz 10～68 10～68 16MHz 10～22 10～22 以上值仅为推荐值 所使用的谐振器 455kHz PanasonicEFO― ―A455K04B ±0.3% 2MHz MurataErieCSA2.00MG ±0.5% 4MHz MurataErieCSA4.00MG ±0.5% 8MHz MurataErieCSA8.00MT ±0.5% 16MHz MurataErieCSA16.00MX ±0.5% 所有谐振器都不带内部电容值 表3-4陶瓷谐振器OSC类型 频率 C1/pF C2/pF LP 32kHz 33 33 200kHz 15 15 XT 200kHz 47～68 47～68 1MHz 15 15 4MHz 15 15 HS 4MHz 15 15 8MHz 15～33 15～33 20MHz 15～33 15～33 以上值仅为推荐值 所使用的石英晶体 32kHz EpsonC―001R32.768K---A ±20× 200kHz STDXTL200.00kHz ±20× 1MHz ESCESC-10-13-1 ±50× 4MHz ESCESC-40-20-1 ±50× 8MHz EpsonCA-3018.000M--C ±30× 20MHz EpsonCA-30120.000M--C ±30× 表3-5石英晶体振荡器的电容选择2.2RC振荡器对定时器要求不是很高的应用，可以采用低成本的RC振荡器方式。RC振荡器的频率是电源电压、振荡电阻、电容C的数值和工作温度函数，再加上由于制造中正常的工艺参数的变化，另外封装时引脚结构分布电容的差异也会影响振荡频率，特别是在采用的振荡电容值较小时，这种影响更明显。当然，用户还必须考虑所使用的振荡电阻和电容变化的影响，图3-6是PIC16F877芯片与外部振荡电容和电阻连接的电路图。推荐值：3k≤Rext≤Q100k；Cext20pF图3-6RC振荡器工作方式复位PIC16F877芯片有以下几种复位方式：（1）芯片上电复位（POR）；（2）正常工作状态下通过在外部引脚上加低电平复位；（3）在休眠状态下通过在外部引脚上加低电平复位；（4）正常工作状态下监视器WDT超时溢出复位；（5）在休眠状态下监视器WDT超时溢出复位；（6）掉电锁定复位（BOR）。有些寄存器的值不受任何一种复位操作的影响，当芯片上电复位时，它们的值是不确定的，并在其他形式的复位后其值保持不变。而其他大多数寄存器的上电复位、在正常工作期间用信号复位或WDT超时溢出复位，在休眠期间信号复位以及在掉电锁存复位后都会被复位成“复位状态”。但在休眠期间WDT超时溢出复位不会影响这些寄存器的值，这是因为这种复位被看成是一种正常的操作，故不应使任何寄存器的值发生变化。表3-7为不同复位方式下的上电延迟时间。表3-8为状态寄存器STATUS中和位在不同复位方式下的不同的值，在软件中可以利用这些位来确定发生复位的方式。振荡器配置 上电 掉电锁存 休眠唤醒 0 1 XT、HS、LP 72ms+1024 1024 72ms+1024 1024 RC 72ms -- 72ms 表3-7不同情况下的上电延迟时间表3-8状态寄存器STATUS的位和它们的意义 说明 0 X 1 1 上电复位（POR） 0 X 0 X 无效，在上电复位时，被设置为1 0 X X 0 无效，在上电复位时，被设置为1 1 0 1 1 掉电锁存复位（BOR） 1 1 0 1 WDT复位 1 1 0 0 WDT唤醒复位 1 1 U U 在正常运行时复位 1 1 1 0 在休眠或从修面状态中唤醒复位 通过对以上进行分析说明，本设计选用了XT方式即晶体/陶瓷谐振器方式。石英晶体选用4MHz的ESC-40-20-1型，OSC1和OSC2的电容选择了30pF。第三节温度采集电路模块设计3.1温度检测电路温度是一种最基本的环境参数，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：①传统的分立式温度传感器；②模拟集成温度传感器；③智能集成温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展[7]。由于电力变压器内部带有铂电阻，为了硬件上便于实现，设计不采用模拟集成温度传感器和智能集成温度传感器，而是使用铂电阻电桥型温度检测电路进行温度检测。基于铂电阻的电桥型温度检测电路具有精度高、性能稳定、调试容易、对器件要求不高、实用性强的特点[3]。其检测电路图如图3-9所示。图3-9电桥型温度检测电路图3-10参考电压源电路图3-10中REF192是AD公司的精密参考电压源,输出为+2.5V,即VREFVD+2.5V,故VAVD1+R2/R3+2.51+R2/R3。图3-2中R8是铂电阻，其阻值为R1+δ,其中R为铂电阻在0℃时的阻值;δΔR/R；VB-R1+δVA/R4,则有:V0R1VAδ/R4由此可知,该电路的输出电压与铂电阻阻值的变化δ或ΔR呈线性关系。在图3-2中，R1R2R4R5R61KΩ,R310KΩ,R7100Ω。该电路的另一个优点是调试非常简单,在R和R4确定后,只需根据输出电压Vo的变化范围确定R1的阻值即可。电流流过铂电阻将会引起铂电阻温度升高,称其为自加热现象,从而带来一定的测量误差,为了减小这种误差,必须减小流经铂电阻电流,可以通过减小A点的电压和适当选取R4的阻值实现。而A点电压由参考电压VREF和R2/R3的值共同决定,因此,应选择输出电压比较低的参考电压源图3-2中选2.5V,此外R2/R3的值也要比较低。3.2光电耦合隔离放大电路由于现场的电磁干扰特别大，工作环境比较恶劣，如果要使温控器在此环境中能够长期稳定、可靠地运行，就必须解决温控器的抗干扰问题，否则将导致控制误差加大，甚至造成巨大的损失。所以温度信号要引入单片机必须经过光耦隔离。光耦（OpticalCoupler）器件也称为光电耦合器或者光电隔离器，它是一种以光为中间媒介来传输电信号的器件，通常把发光器件和光检测器封装在管壳内。当输入端加电信号时，发光器件发出光信号，光检测器接受到光信号后就产生光电流，从输出端输出，从而实现了“电--光--电”转换。普通的光耦器件只能传输数字信号，而近年来问世的线性光电耦合器能够传输连续变化的模拟电压或电流信号[10]。三极管型光电耦合器由发光二极管和光敏三极管构成，发光器件为发光二极管，光检测器为光敏三极管。当输入为低电平“0”时，没有电流（或者电流非常小）流过发光二极管，二极管不发光，光敏三极管处于截至状态，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，有一定的电流流过发光二极管，二极管发光，照射到光敏三极管上，产生一定的基极电流，使光敏三极管处于导通状态，输出为低电平“0”。若基极有引出线，则可满足温度补偿检测调制要求。这种光耦器件性能较好，价格便宜，因而应用广泛。光电耦合器之所以能在传输信号的同时有效的抑制尖脉冲和各种噪声干扰，大大提高通道上的信噪比，其主要原因如下。（1）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源阻抗较大，通常为几百K欧姆。由分压原理可知，即使干扰电压的幅值较大，但馈送到光电耦合器输入端的噪声电压很小，只能形成微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使发光二极管发光，从而被抑制。（2）光电耦合器的输入回路与输出会之间没有电气联系，也没有共地，之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因而回路一侧的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一侧去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。光电耦合器的主要优点是单向传输信号，输入端和输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。使用光电耦合器还具有很好的安全保障作用，因为光电耦合器的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压，即使当外部设备出现故障，也不会影响到单片机等重要的核心设备。常用的光耦器件为TLP521-1，TLP521-4，4N25，HCRN200，SLC800等。普通的光耦在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到，如UART协议的20mA电流环。对于模拟信号，光耦因为输入输出的线形较差，并且随温度变化较大，限制了其在模拟信号隔离的应用。对于高频交流模拟信号，变压器隔离是最常见的选择，但对于支流信号却不适用。一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案，如ADI公司的AD202，能够提供从直流到几K的频率内提供0.025%的线性度，但这种隔离器件内部先进行电压-频率转换，对产生的交流信号进行变压器隔离，然后进行频率-电压转换得到隔离效果。集成的隔离放大器内部电路复杂、体积大、成本高，不适合大规模应用。模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性都是一样的，这样，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的。市场上的线性光耦有几中可选择的芯片，如Agilent公司的HCNR200/201，TI子公司TOAS的TIL300，CLARE的LOC111等。本设计采用HCNR200/201进行设计。HCNR200/201的内部框图如3-11所示图3-11HCRN200内部框图其中1、2引脚作为隔离信号的输入，3、4引脚用于反馈，5、6引脚用于输出。1、2引脚之间的电流记作IF，3、4引脚之间和5、6引脚之间的电流分别记作IPD1和IPD2。输入信号经过电压-电流转化，电压的变化体现在电流IF上，IPD1和IPD2基本与IF成线性关系，线性系数分别记为K1和K2,即K1与K2一般很小（HCNR200是0.50%），并且随温度变化较大（HCNR200的变化范围在0.25%到0.75%之间），但芯片的设计使得K1和K2相等。在后面可以看到，在合理的外围电路设计中，真正影响输出/输入比值的是二者的比值K3,线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。HCNR200和HCNR201的内部结构完全相同，差别在于一些指标上。相对于HCNR200，HCNR201提供更高的线性度。采用HCNR200/201进行隔离的一些指标如下所示：*线性度：HCNR200：0.25%，HCNR201：0.05%；*线性系数K3：HCNR200：15%，HCNR201：5%；*温度系数：-65ppm/℃；*隔离电压：1414V；*信号带宽：直流到大于1MHz。从上面可以看出，和普通光耦一样，线性光耦真正隔离的是电流，要想真正隔离电压，需要在输入和输出处增加运算放大器等辅助电路。下面对HCNR200/201的典型电路进行分析，对电路中如何实现反馈以及电流-电压、电压-电流转换进行推导与说明。Agilent公司的HCNR200/201的手册上给出了多种实用电路[11]，其中较为典型的一种如图3-12所示：图3-12线性光耦的隔离应用电路设运放负端的电压为运放输出端的电压为放不饱和的情况下二者足下面的关系：其中是在运放输入差模为0时的输出电压，为运放的增益，一般比较大。忽略运放负端的输入电流，可以认为通过R1的电流为，根据R1的欧姆定律得：通过R3两端的电流为，根据欧姆定律得：其中,为光耦2脚的电压，考虑到LED导通时的电压（）基本不变，这里的作为常数对待。根据光耦的特性，将和的表达式代入上式，可得：上式经变形可得到：将的表达式代入（3）式可得

考虑到特别大，则可以做以下近似：这样，输出与输入电压的关系如下：可见，在上述电路中，输出和输入成正比，并且比例系数只由K3和R1、R2确定一般选R1R2，达到只隔离不放大的目的。辅助电路与参数确定上面的推导都是假定所有电路都是工作在线性范围内的，要想做到这一点需要对运放进行合理选型，并且确定电阻的阻值。运放可以是单电源供电或正负电源供电，上面给出的是单电源供电的例子。为了能使输入范围能够从0到VCC，需要运放能够满摆幅工作，另外，运放的工作速度、压摆率不会影响整个电路的性能。TI公司的L单运放电路能够满足以上要求，可以作为HCNR200/201的外围电路。电阻的选型需要考虑运放的线性范围和线性光耦的最大工作电流IF。K1已知的情况下，IF又确定了IPD1的最大值IPD1，这样，由于Vo的范围最小可以为0，这样，由于考虑到IF大有利于能量的传输，这样，一般取另外，由于工作在深度负反馈状态的运放满足虚短特性，因此，考虑IPD1的限制，R2的确定可以根据所需要的放大倍数确定，例如如果不需要方法，只需将R2R1即可。另外由于光耦会产生一些高频的噪声，通常在R2处并联电容，构成低通滤波器，具体电容的值由输入频率以及噪声频率确定。确定Vcc5V，输入在0-4V之间，输出等于输入，采用LMV321运放芯片以及上面电路，下面给出参数图3-13按键输入电路图4.2显示电路部分设计由于要对变压器的油温进行实时显示，所以显示电路的稳定性就十分重要。一般的显示大都采用使用单片机的I\O口作为数码管的位选线和段选线，或者使用移位寄存器。但这会占用大量的端口，且硬件电路也十分复杂。若采用液晶显示，能满足设计的要求，但因其价格昂贵，所以设计不采用液晶进行显示。设计采用美信公司的集成显示芯片来实现温度的显示，其不但硬件电路十分简单，而且占用的端口又较少可以满足设计要求[12]。7219为8位LED显示驱动电路，可以连续的驱动8位7段数据显示。在芯片内部集成了一个BCD译码器，段地址和位地址驱动以及一个88位的静态随机存储器。只需要一个外部电阻，就可以正确的驱动所有LED的段地址。单一的数据位更新无需对整个显示重新写入。这个芯片具有低功耗工作模式以及数字化的光亮控制。用户可以根据自己的需要，自第一位到第八位显示数据，同时，芯片内部还具有使数码管中每一段二极管都点亮的测试模式。主要特性：⑴独立的LED段码控制 ⑵BCD译码与段码两种模式选择⑶150μA的低功耗关闭模式（数据保留）⑷数字化的光亮控制⑸驱动共阴极LED显示⑹24管脚封装7219和单片机连接有三条引线（DIN、CLK、LOAD）采用16位数据串行移位接收方式。即单片机将16位二进制数逐位发送到DIN端,在CLK上升沿到来前准备就绪，CLK的每个上升沿将一位数据移入7219内移位寄存器，当16位数据移入完，在LOAD引脚信号上升沿将16位数据装入7219内的相应位置，在7219内部硬件动态扫描显示控制电路作用下实现动态显示[13]。图3-147219的时序图芯片的数据传输时序如图3-14所示，在时钟脉冲CLK上升沿的作用下，16位串行数据依次从DIN端输入到7219的移位寄存器，然后在LOAD的上升沿被锁存到芯片内部的数据或控制寄存器中。LOAD的上升沿必须在第16个时钟脉冲上升之后和下一个脉冲上升沿之前出现，否则数据将会丢失。因为在16.5个时钟脉冲上升之后，从DIN端进来的数据将出现在输出引脚DOUT上，以便在级联应用时传到下一个7219。图3-15数码管接口电路图根据本设计的温度精度要求，用了3个数码管显示温度大小，由7219驱动的3个七段数码管的接口电路如图3-8所示。其中LOAD、DIN、CLK分别接到单片机的RC1、RC2、RC3，此外还应注意对于7219连接到V+和ISET端的电阻REST可对数码管亮度进行调节，但不得小于9.53K欧姆，在本设计中选用了阻值为33K欧姆的电阻。为了能保证系统正常工作，需要对系统的运行状态实时监控，设计中为了方便的看到系统状态，设置了三套监测与指示装置，变压器的安装现场有一套，它是由控制风机起停的接触器、检测故障的继电器的常开或常闭触点控制的。电路图如下图3-16所示。在风机正常运行时，控制回路中继电器的常开触点就会因为继电器线圈的得电而接通，触点一侧的发光二极管点亮，指示风机处于正常运行状态。在故障显示电路中，过载故障显示是当其中的任意一组风机发生过载后，过载继电器的常开触点就会因为继电器线圈的得电而接通，触点一侧的发光二极管点亮，指示现在风机过载运行，过载信号经过光电隔离送入主控室的单片机，单片机接到低电平信号，立即做出响应，将接在相应端口的风机组切除。缺相故障时的信号传送及其显示电路原理和过载时基本一致，在风机的每一相中都接了一个继电器线圈，有缺相时，继电器的常开触点就会因为继电器线圈的得电而接通，触点一侧的发光二极管点亮，指示现在风机缺相运行，缺相信号经过光电隔离送入主控室的单片机，单片机接到低电平信号，立即做出响应，将接在相应端口的风机组切除。当过压时，过压信号经过光电隔离送入主控室的单片机，单片机接到低电平信号，立即做出响应，发光二极管点亮，将接在相应端口的风机组切除。图3-16风机故障显示电路在本电路中需要用8输入或/或非门对信号进行选通，下面来简单介绍一下8输入或/或非门芯片CC4078的工作原理。CC4078芯片的引脚排列图如图3-17所示。图3-17CC4078芯片的引脚排列图引出端功能说明：A～H数据输入端Vdd正电源Vss地W原码输出端Y反码输出端该芯片电源电压的范围是3V～15V，输入电压的范围是0～Vdd，在本控制回路中电源电压是5V，满足电路设计要求。第五节无线通信系统的设计设计中要实现变压器的无人看守，因此需要将现场的温度信号，故障信号送入控制室，以便于工作人员随时掌握变压器现场的运行情况。通信可以采用无线和有线两种方式实现，设计中要求采用无线通信来实现。nRF401单片UHF无线收发芯片可以满足设计的要求，其硬件电路的设计过程在以下进行详细讲解。在本设计中,无线射频模块采用挪威Nordic公司推出的nRF401无线收发芯片。该芯片使用433MHzISM频段,是真正的单片UHF无线收发一体芯片,他在一个20脚的芯片中包括了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调、多频道切换等,是目前集成度最高的无线数传产品[14]。nRF401是一个为433MHz工业、科学、医用频段设计的真正单片无线收发芯片,它采用频移键控调制技术。nRF401发射速率可达20kb/s。发射功率可调,最大发射功率10dBm,接收灵敏度-105dBm。具有工作半径大、适应性强的特点。天线接口设计为差分天线,便于使用低成本的印刷电路板天线。nRF401还有待机工作方式,可以更省电和高效。此外,该芯片只需少量外围元件,使用十分方便。nRF401的工作过程为:在发射开始时首先发射同步信息,令收/发双方同步,同步结束后传输目的地址,然后传送采集数据。接收模块总是先接受码流中的同步信息,一旦收到同步信息后立即进行位同步,获得位同步后,进行码同步,码同步完成后开始接收1个地址信息。接收到地址信息后,用接收的目的地址同自己的身份码进行比较,若身份码相符就将数据送给上位机,不符则忽略[15]。nRF401无线收发芯片的结构框图如图3-18所示：图3-18nRF401内部框图内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几部分。发射电路包含有：射频功率放大器、锁相环PLL，压控振荡器VCO，频率合成器等电路。基准振荡器采用外接晶体振荡器，产生电路所需的基准频率。其主要特性如下：●工作频率为国际通用的数传频段eFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；●采用PLL频率合成技术，频率稳定性极好；●灵敏度高，达到．105dBmnRF401；●功耗小，接收状态250~A，待机状态仅为8AnRF401；●最大发射功率达+10dBm；●低工作电压2．7v，可满足低功耗设备的要求；●具有多个频道，可方便地切换工作频率；●工作速率最高可达20Kbit／sRF401；●仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件，基本无需调试；●因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达1000米与具体使用环境及元件参数有关。引脚排列和功能nRF401无线收发芯片具有2O个引脚，图3-19所示是其引脚排列。图3-19nRF2401引脚排列各引脚功能如下：VSS-PA、VSS为参考接地端；VDD为电源端，接+3.3V直流电源；VDD-PA为功率放大+1.8V电源输出端；ANT1、ANT2为天线接口端；XC1、XC2为晶振端；IREF为参考电流端，通过22K电阻接地；PWR-UP为上电端；CE为工作状态使能端；CS为片选端，控制对nRF2401的PWR-UP、CE和CS引脚状态组合设置，控制nRF401的主工作方式，当状态组合为1、1、0，1、0、1或1、0、0时，芯片分别处于掉电状态；CLK1、CLK2为通道1、2时钟信号端，由控制器提供，在突发传递模式下，控制器在时钟上升沿由DATA引脚向nRF401写入数据，在下降沿从nRF401的DATA引脚读出数据；DR1、DR2为通道1、2接受数据就绪信号端；DATA、DOUT为通道1、2数据端，控制器与nRF401由CLK、DR和DATA组成的三线接口交换传输的数据，通道1可接收和发送数据，通道2只能接收数据[15]。引脚号 引脚名称 引脚功能 描述 1 CE 数字输入 用于激活芯片的接收或发送模式 2 DR2 数字输出 数据信道2接收数据准备好输出，表示可以接收数据 3 CLK2 数字输入/输出 接收数据信道2的时钟输出/输入 4 DOUT2 数字输出 接收数据信道2 5 CS 数字输入 片选，用于激活配置模式 6 DR1 数字输出 该脚输出可用于表示数据信道1接收数据已准备好 7 CLK1 数字输入/输出 在数据信道1的3―线接口发送时钟输入和接收的时钟输出/输入 8 DATA 数字输入/输出 接收信道1/发送数据输入/3―线接口 9 DVDD 功率 数字电源正端，使用时应退耦 10 VSS 功率 接地（0V） 11 XC2 模拟输出 晶振接入端 12 XC1 模拟输入 晶振接入端 13 VDD-PA 功率输出 功率放大器电源端（1.8V） 14 ANT1 射频 天线接口1 15 ANT2 射频 天线接口2 16 VSS-PA 功率 接地（0V） 17 VDD 功率 +3VDC电源端 18 VSS 功率 地（0V） 19 IREF 模拟输入 参考电流输入端 20 VSS 功率 地（0V） 21 VDD 功率 +3VDC直流电源端 22 VSS 功率 地（0V） 23 POW-UP 数字输入 功率上限 24 VDD 功率 +3VDC电源 表3-20nRF401的引脚功能设计电路时应注意以下问题。重要时序参数TX与RX之间的切换当从RX切换TX模式时，数据输入脚DIN必须保持为高至少1ms才能收发数据。当从TX切换到Rx时，数据输出脚DOUT要至少3ms以后有数据输出。Standby与RX之间的切换从待机模式到接收模式，当PWRUP输入设成1时，经过3ts时间后，DOUT脚输出数据才有效。对nRF401来说，ts最长的时间是3ms。nRF401无线收发芯片有多种工作模式。不同工作模式下的时序如表3-21所示表3-21不同工作模式下的时序从待机模式到发射模式，所需稳定的最大时间是t。PowerUp与TX间的切换从加电到发射模式过程中，为了避免开机时产生干扰和辐射，在上电过程中TXEN的输入脚必须保持为低，以便于频率合成器进入稳定工作状态。当由上电进入发射模式时，TXEN必须保持lms以后才可以往DIN发送数据。从上电到接收模式过程中，芯片将不会接收数据，DOUT也不会有数据输出，直到电压稳定达到2.7V以上，并且至少保持5ms。如果采用外部振荡器，这个时间可以缩短到3ms。应用电路及设计应注意问题在实际应用中，微控制器采用Microchip公司的PIC16F877单片机，分别用单片机的RC4、RC5、RC6、RC7、RE2口各管脚控制nRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS这五个脚即可。具体连接可在芯片使用时，设定好工作频率，进入正常工作状态后，根据需要进行收发转换控制，发送／接收数据或进行状态转换。在本设计中的无线通信电路如下图3-22所示。硬件电路的设计要点如下:（1）射频电路对于电源噪声相当敏感,必须采用星形布线的方法使数字部分和RF部分有各自的电源线路,并且应在靠近集成电路电源引脚处分别去耦。（2）外接VCO电感应选用高频电感,Q45,精度为2%,本设计采用深圳顺百科技的LQW18AN22NG00,电感的精度对无线通信的距离有较大的影响,也可使用精度为5%的,但通信距离会大大减小。VCO电感连线应与其他控制线保持一定的距离,应避免数字控制线从电感引脚之间经过,并且应该使VCO电感元件的中心距离nRF401的VCO1,VCO2引脚焊盘的中心514mm左右,电感元件的选择与布局很重要,是设计成败的关键点。图3-22无线通信电路（3）在电路板的正反两面均使用大面积铺铜作为接地面,使所有的器件容易去耦,两面的铺铜应使用多个过孔相连,所有对地线层的连接必须尽量短,接地过孔应放置在非常靠近元件的焊盘处[16-17]。（4）天线的设计使用PCB板的环形天线,尺寸为35mm×20mm,天线增益为-11dB,天线阻抗为380Ω,天线应位于PCB板的顶部,天线部分不要铺铜,有关环形天线的设计可参考Nordic公司的技术文档nAN400―03和nAN400―05。±0.2V。

第六节主回路部分设计6.1风冷机的保护简要介绍风冷式电动机是电动机的一种形式。电动机的保护往往与其控制方式有一定关系，即保护中有控制，控制中有保护。如电动机直接启动时，往往产生4～7倍额定电流的启动电流，可以由接触器或断路器来控制，电器的触头应能承受启动电流的连接和分段考核，应该要选用可频繁操作的接触器。在使用中往往于启动器串联在主回路中一起作用，此时由启动器的接触器来承载启动电流的考核，而其他电器只承载通常运转中出现的电动机过载电流分段的考核，至于保护功能由配套的保护装置来完成。此外，对电动机的控制还可以采用无触点方式，即采用软启动控制系统，电动机主回路由晶闸管来连接和分断，有的为了避免在这些元件上的持续损耗，正常运行中采用真空接触器承载主回路（并联晶闸管上）负载，这种控制有程控或非程控，近控或远控，慢速启动或快速启动等多种方式，另外，依赖电子线路，很容易做到如电子式继电器那样的各种保护功能。电动机在运行中可能发生的故障是多种多样的，它与设计和制造质量、使用条件、工作方式以及使用维护等因素密切相关，故障原因也比较复杂。详细分析电动机损坏的主要原因，能够帮助正确地使用和维护电动机，并能减少不应有电动机的损坏。电动机在运行中往往会出现过载故障、过压故障、缺相故障、短路故障、漏电故障等，在本设计中，由于是对变压器的油温进行检测及控制，启动风机是为了控制变压器的油温，所以只涉及了风冷式电动机的过载、过压、缺相故障，下面对这三种保护简要说明一下：过载保护――过载保护是通过对电动机热容量的跟踪计算来保护电动机，免于因过热而缩短寿命或损坏，电动机的热量值可以直接显示在操作面板上，同时通过总线上传给上位机。过压保护――过压保护是根据最小线电压或最大线电压和额定电压的比值，来判断是否起动保护功能。缺相保护――缺相保护是根据最大相电流是否超过90的额定电流，最小相电流是否低于10的额定电流来判断是否起动缺相保护功能[18]。6.2输出驱动电路设计设计中要对电机进行控制，只需要控制电机的启动和停止，不需要调速，因此较为简单，是普通的开关量控制。由于单片机I/O口的负载能力很小，所以输出应该加驱动电路，驱动电路可以采用固态继电器。设计中采用三极管和光耦来驱动继电器，来控制电机的起停。单片机输出的控制量会输入到Q1的基极[19]，若此信号低电平，则光电耦合器件导通，使CMOS三级管导通，从而继电器通电，常开触点闭合，致使输出220V电压；否则输出0V电压。在实际电路中，用6个上述的类似电路对电机进行监视控制。例如：当温度超过风机温度上限时，单片机就会通过软件将输出端置为低电平，进而使CMOS导通，对继电器加上220V电压，从而使风机加电，开起风机；若温度再高，达到超温报警温度上限，就会发出超温报警；若温度高到超温跳闸温度上限，就会发生超温跳闸。因此达到对被控对象进行实时监控的目的[20]。6.2.1风机型号的选择设计要求中提出了风机的容量应为375W，经过对相近容量风机的比较，本设计最终选择了AO系列微型电动机中的AO6322型，其技术数据可参看下表，额定电流较小，便于选择保护器件，功率因数较高，提高了风机的实用性，启动电流、最大转矩与其他型号的一致。AO系列微型电动机主要技术数据如下表3-23所示：型号 容量W 转速r/mi 额定电流A 功率% 功率因数 启动电流A 最大转矩N.M AO6322 370 2800 0.965 72.5 0.80 6 2.4 AO6312 250 2800 0.684 71.0 0.78 6 2.4 AO6344 370 1400 1.120 70.5 0.71 6 2.4 AO6324 250 1400 0.806 68.0 0.69 6 2.4 表3-23AO系列微型电动机主要技术数据注：额定电压380V，频率50Hz，连续工作，可逆。6.2.2主回路设计在本设计中，风机的保护部分对整个系统起着至关重要的作用，他决定了这个系统的运行寿命及运行的可靠性。风机的保护可以有很多种方案，下面介绍了两种方案。方案一：这是一组风机的保护系统，它对两台并联运行的小风机进行过载、缺相的保护，其中用到了两个接触器，两个空气开关，一个热过载继电器，一个固态继电器，三个熔断器，六个小型继电器，并用两个接触器的常闭触点对两条线路进行了互锁。图3-24主回路一方案二：图3-25也是一组风机的保护系统，用了一个空气开关，一个热过载继电器，一个接触器，六个小型继电器，一台小风机配了三个小继电器，一旦发生缺相，立即报警，并将这组风机从系统切除，维护了其他组风机的正常运行。两种方案的区别在于同样实现了小风机的保护，但前者的用的器件较多，成本比后者高，对于这样一套控制系统可以选经济型的后者，虽然前者的安全系数较后者高，但由于器件多，可靠性就会降低，设计系统是一套应该能长期运行的无间断设备，所以这里选择了图3-25的方式。图3-25主回路图二下面对于风机在控制回路中的原理做一说明。用一个单刀双掷开关来控制电机的手动和自动操作，六组风机的启停控制分别由六个固态继电器负责，由PIC送出的高电平启动或低电平停止信号控制接触器线圈的得电与失电，实现风机运行与停止的控制。这里的KM7常闭提供手动操作的，当线圈得电后，常闭打开，这时的KM8线圈不带电，固态继电器起作用，进行手动启动电机。当开关打到自动时，KM8线圈带电，KM8的常闭打开，KM7线圈不带电，即进入自动状态。此时由单片机送出的高电平启动或低电平停止信号控制接触器线圈的得电与失电，实现风机运行与停止的控制。控制回路电路图如图3-26所示。图3-26风机控制回路图6.2.3主回路中器件的选型（一）固态继电器固态继电器（SSR）是一种无触点通断功率型电子开关。当施加触发信号后，其主回路呈导通状态；无信号时，呈阻断状态。它利用电子技术实现了控制回路（输入端）与负载回路（输出端）之间的电隔离和信号耦合，而没有任何可动部件和触头，实现了相当于电磁继电器的功能，故称为固态继电器。与普通电磁继电器相比，它具有体积小、开关速度快、无机械触点和机械噪音、无开关电弧、耐冲击、抗有害气体腐蚀、寿命长等优点，在微机控制系统中应用很好[21]。通常是4端组件，两个输入端和两个输出端，下图为其结构框图。图3-27固态继电器结构框图它一般有5部分组成，其中耦合隔离器的作用是在输入与输出两端电气上完全隔离下传递信号，控制触发器是为后级开关电路导通提供触发，吸收保护电路的功能是为了防止电源的尖峰和浪涌对开关电路造成损坏而采用的R-C串联网络和压敏电阻，零压检测器用于控制开关开通时刻消除射频干扰，开关电路是用来接通或关断直流和交流负载的大功率器件。固态继电器过零型交流SSR是只当加入控制信号后，交流电压过零时固态继电器为通态；而当断开控制信号后，SSR要等交流点的正负半周的零电位时（严格说是负载电流小于可控硅导通的维持电流时）SSR才断开。过流型交流SSR能防止高次谐波的干扰。图3-28过零输出型交流固态继电器的内部电路原理图固态继电器由三部分组成：输入电路、隔离（耦合）电路和输出电路。在输入电路控制端加入信号后，IC1光电耦合器内光敏三极管呈导通状态，R1串接电阻对输入信号进行限流，以保证光耦合器不致损坏。LED发光二极管指示输入端控制信号，VD1可防止当输入信号正负极性接反时以保护光耦IC1。V1在线路中起到交流电压检测作用，使固态继电器在电压过零时开启、负载电流过零时关断。当IC1光敏三极管截止时（控制端无信号输入时）,V1通过R2获得基极电流使之饱和导通，从而使SCR可控硅门极触发电压被箝在低电位而处于关断状态，最终导致BTA双向可控硅在门极控制端R6上无触发脉冲而处于关断状态。当IC1光敏三极管导通时（控制端有信号输入时），SCR可控硅的工作状态由交流电压零点检测三极管V1来确定其工作状态。如电源电压经R2与R3分压，A处电压大于过零电压时,V1处于饱和导通状态，SCR、BTA可控硅都处于关断状态。如电源电压经R2与R3分压，A处电压小于过零电压时，V1处于截止状态，SCA可控硅通过R4获得触发信号而导通，从而使BTA在R6上也获得触发信号而呈导通状态，对负载电源进行关断控制。如此时控制端信号关断后，负载电流也随之减小至BTA双向可控硅的维持电流时可自行关断，切断负载电源[20]。交流过零型固态继电器，因有其电压过零时开启、负载电流过零时关断的特性，它的最大接通、关断时间是半个电源周期，在负载上可得到一个完整的正弦波形，也相应地减少了对负载的冲击。而在相应的控制回路中产生的射频干扰也大大减少。过零型与随机型的工作波形如图3-20所示。图3-29交流固态继电器的工作波形1输入控制电压低3～14V，驱动电流小（3～15mA），输入控制电压与TTL、DTL、HTL电平兼容，直流或脉冲电压均能作输入控制电压;2输出与输入之间采用光电隔离，可实现在以弱控强的同时，做到强电与弱电完全隔离，两部分之间的安全绝缘电压大于2kV，符合国际电气标准;3输出无触点、无噪音、无火花、开关速度快;4输出部分内部一般含有RC过压吸收电路，以防止瞬间过压而损坏固态继电器;5有多种规格可选择：输入有电阻限流直流恒流直流和交流等类型。输出有直流输出方式和交流输出方式。输出额定电压有220～380V交流电压及30～180V直流电压。交流输出中有过零触发型和非过零触发型（随机型）;6过零触发型固态继电器对外界的干扰非常小;7采用环氧树脂全灌封装，具有防尘、耐湿、寿命长等优点。（二）器件选型热继电器是利用电流热效应原理制成的一种保护用继电器，广泛地用于电动机的过载保护，对于非频繁起动的低压电动机，通常使用电磁起动器操作起动，并同时用热继电器作过载保护同时用熔断器作短路保护对于频繁起动的电动机，则使用空气断路器和电磁起动器操作起动，JR36系列热继电器适用于交流50Hz或60Hz，主电路额定电压至660V，电流至160A的电力系统中作为三相交流电动机的过载和断相保护，有温度补偿，自动与手动复位功能。中间继电器作用是用来传递信号或同时控制多个电路，也可直接用它来控制小容量电动机或其他电气执行元件，它的结构和交流接触器基本相同，只是电磁系统小些，触点多些。继电器的工作原理是当某一输入量如电压、电流、温度、速度、压力等达到预定数值时，使它动作，以改变控制电路的工作状态，从而实现既定的控制或保护的目的。在此过程中，继电器主要起了传递信号的作用。

第七节直流电源的设计在工农业生产、科学实验和日常生活中，主要采用交流电。但在有些情况下，如电解、电镀、直流电动机等都需要直流电源供电。此外，从简单的到复杂的电子电路和自动控制系统中，还需要用电压稳定的直流电源。为了得到直流电，除了用直流发电机或化学电池作为直流电源外，目前广泛采用由各种半导体器件组成的直流电源[20]。本设计主要介绍的是单相小功率（200W以下）直流电源。它的任务是把220V、50Hz的交流市电转换成幅值稳定的直流电压（例如几伏到十几伏），同时提供一定的直流电流（例如几安或十几安）。下图是为实现上述目的而建的电路系统框图。图3-30直流电源原理框图1）电源变压器其作用是将交流电源的电压变换为符合整流需要的数值。2）整流电路利用具有单向导电性能的整流元件（如晶体二极管，真空二极管），将正弦交流电压变为单向直流脉动电压。单向直流脉动电压非正弦周期电压，含有直流成分和各种频率的交流成分。3）滤波电路利用电容、电感等电路元件的频率特性，将直流脉动电压中的谐波成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。4）稳压电路当电网电压波动或负载变动时，经滤波后的直流电压大小还会变动。稳压电路的作用是使直流输出电压基本不受上述因素的影响。下面分别说明各部分的组成、工作原理和性能。7.1单相桥式整流电路单相桥式整流电路由由四个二极管接成电桥形式。当U2为正半周时，引入两个二极管VD1和VD2，如图所示。此时将有电流从A点自上而下流入负载电阻RL。当U2为负半周时，再引入两个二极管VD3和VD4，其连接方式应能导引电流沿同一方向由A点自上而下流入负载电阻RL，如图所示。上述电路实现了在U2的一个周期内都有同一个方向的电流流过RL，即达到了全波整流的目的。将以上两个电路组合在一起，得到下图所示电路。图3-31单相桥式整流电路在变压器的二次电压U2为正半周（上正下负）时，二极管VD1和VD2导通，VD3和VD4截止。在变压器二次电压为负半周时，二极管VD3和VD4导通，VD1和VD2截止。下面计算如何选用二极管，要求输出电压为+5V。变压器二次电压有效值考虑到变压器二次侧及管子的压降，变压器二次电压大约需提高10%，即二极管最大反向电压因此，可以选用型号为2CZ54C的二极管，其最大整流电流为500mA，反向工作峰值电压为100V。变压器的变比7.2滤波电路前面分析的整流电路虽然可以把交流电转换成直流电，但是所得到的输出电压中含有较大的脉动成分（主要是50Hz或100Hz）。在某些设备（例如电镀、蓄电池充电设备中，这种电压的脉动是允许的。但是当直流用于电子设备的电源时，会引起严重的谐波干扰。为此，整流电路中都要加接滤波电路，以保留整流后输出电压的直流成分，滤掉脉动成分，使输出电压接近于理想的直流电压。常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、型滤波、有源滤波。7.3稳压电路在前面主要介绍了如何通过整流电路把交流电变成单向的直流脉动电压，以及如何利用储能元件组成各种滤波电路