[信息與通信]智能變壓器溫度控制器的設計

1、摘 要電力變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設備。當內部發(fā)生故障時，表現(xiàn)為三個線包溫度升高。為了保護變壓器，保障供電系統(tǒng)的安全，可靠運行，需要對變壓器的三個線包溫度進行監(jiān)控，高壓時報警，超溫時跳閘。智能變壓器溫度控制器是以8位單片機AT89C51為核心，采用四個PT100傳感器，并將其直接插入變壓器線組包，對三相溫度進行測量和控制，同時對環(huán)境溫度進行測量和控制。最后將三相繞組溫度轉換成2-20mA變送信號輸出。當風機有故障時，控制器還可以發(fā)出故障報警信號和保護信號，以確保變壓器和其他設備的安全運行。AT89C51是在MCS-51單片機的基礎上精心設計的最新型的高性能八位單片機。AT89C51是一種低損耗

2、，高性能，CMOS八位微處理器，片內有4K字節(jié)的在線可重復編程快擦快寫程度存儲器。能重復寫入/擦除1000萬次，數據保存時間為十年。它的通信為串行通信，采用標準的RS-485接口技術。RS-485采用平衡式發(fā)送，差分式接收的數據收發(fā)器來驅動總線。相對于RS-232來講，RS-485總線標準具有很多優(yōu)點：支持多節(jié)點，遠距離和接收高靈敏度等。本文主要講述此種智能控制器的設計原理，工作流程，主程序以及RS-485的通信協(xié)議等。關鍵詞：溫度控制，溫度檢測，AT89C51,RS-485標準總線ABSTRACTElectric power transformer is an important equip

3、ment in the electric power system. When having troubles , it shows that the temperature of the transformer , ensure the power supplys safe,and credibility processing, it needs control the transformers three points temperature.When high temperature, give a slip.The aptitude transformer and temperatur

4、e controllers hard core is the signal chip AT89C51 which is 8-bit, use four sensors PT100,and put the sensors into the transformers line groups, to control and measure the three points temperature and the environment temperature. At last it will be out with a kind of transformation signal, which is

5、from 4mv to 20mv. When fans have malfunctions , controller can give trouble alarm signals and protect signals , to ensure transform and other equipments safely working. AT89C51 is a SCM, which is short-wastage, high-powered . AT98C51 have a 4K-byte extent memorizer, which can write again in line, ca

6、n lasered quickly , and write or erasure 1000 times. It can store date ten years . The communication of this controller is serial and RS-485 interface technical. RS-485 use the transceiver , which is balance sent and difference receive. Compared with RS-232 , RS-485 has many advantages. Such as sust

7、aining many nodes (32 nodes), long distance and incept higher delicacy, and so on. This paper will introduce the design principle, working precessor and communicate agreement of RS-485.KEY WOEDS: temperature controlling, temperature testing, AT98C51, RS-485 standard criterion bus目錄第1章 緒 論11.1 研究背景1系

8、統(tǒng)概述2論文完成的工作2第2章 智能控制器的硬件設計32.1 智能控制器的功能及工作原理4功能4工作原理42.1.3 技術條件5智能控制器的工作原理圖分析6核心部分（AT89C51）62.2.2 看門狗及掉電保護10測溫部分13溫度傳感器152.2.5 溫度檢測部分16人機交換部分18溫度控制部分192.2.8 電源部分21第3章軟件的設計23軟件組成243.2 基本功能24程序流程25初始化模塊25中斷模塊28通信模塊30通信中斷流程圖30通信主流程31通信主程序流程圖32第4章 RS-485現(xiàn)場總線334.1 RS-485串行接口標準33第5章 結 論35參 考 文 獻36致 謝38附錄

9、原理圖39附錄 PT100分度表42附錄 程序44第1章 緒 論1.1 研究背景電力變壓器是電力系統(tǒng)中重要的一次設備，在發(fā)、供電企業(yè)和用電單位之間起著橋梁作用。變壓器在能量的傳輸和轉換過程中，由于個線圈電流的流動和電磁場的存在會產生電能損耗，消耗一部分電能，這部分損耗主要轉化為熱能，以傳導、對流和熱輻射的散熱方式自發(fā)熱點向外傳遞，最終擴散到大氣中。這些熱能傳遞在過程中會引起變壓器各部位溫度不同程度的升高，電力變壓器溫度與其自身容量、損耗參數、冷卻方式、負載大小以及運行環(huán)境等密切相關。變壓器智能化溫度控制器由傳感器、單片機溫控儀及相應的輸出繼電器所組成。通過鉑電阻測取變壓器被測點的溫度，經與溫度

10、監(jiān)控儀內部所預設定溫度比較后，輸出控制風機繼電器觸點、超溫報警繼電器和超溫跳閘繼電器觸點的開合，實現(xiàn)對變壓器繞組溫度的監(jiān)控，防止變壓器因過熱而損壞，保證變壓器的設計使用壽命。1 此智能溫度控制器是一臺智能化自動化于一體的性能穩(wěn)定的溫度控制器。是利用先進的單片機（89C51）進行溫度測量和控制的裝置。主要用于變壓器、電力開關柜、箱式變電站等設備的溫度及防過熱保護，保護電力設備無人值守時完全可靠運行。有效地解決了過熱及故障問題，保障設備安全運行，避免意外事故發(fā)生，節(jié)約人工成本，符合自動化的發(fā)展趨勢。智能變壓器溫度控制器以先進的單片機為控制核心。采用pt100鉑熱電阻溫度傳感器，并將其直接插入變壓器

11、繞組線包，對其三相溫度和環(huán)境溫度進行測量和控制，并實現(xiàn)循環(huán)數字顯示變壓器三相繞組溫度及最高溫度顯示，同時輸出溫度模擬信號（420mA），若傳感器斷線或短路，控制器將發(fā)出傳感器故障報警信號，該控制器具備手動開風機及0255小時定時開風機功能，當變壓器跳閘時，具備存儲跳閘時的溫度的功能，具有RS-485通訊功能，通過MAX3082轉換器轉化TTL電頻信號與RS-485總線電頻信號，實現(xiàn)與上位機PC機的交換。（1） 技術方案及技術路徑設計；（2） 硬件原理圖、PCB設計；（3） 制作及調試；(4)嵌入式軟件編程及調試。第2章 智能控制器的硬件設計 控制器以先進的單片機為控制核心，采用Pt100鉑電阻

12、溫度傳感器，并將其直接插入變壓器繞組線包，對三相溫度進行測量和控制，同時也對環(huán)境溫度進行測量和控制，并實現(xiàn)循環(huán)數字顯示變壓器三相繞組溫度和一路環(huán)境溫度。還可通過按鍵對環(huán)境溫度進行上下限值設定，對變壓器三相溫度統(tǒng)一進行4個溫度（風機停溫度T1、風機啟動溫度T2、報警溫度T3和跳閘溫度T 4）設置和顯示，并帶有掉電存貯功能。當風機故障時，控制器還可發(fā)出故障報警信號保護信號，以確保變壓器和其它設備的安全運行。對三相繞組溫度測量帶4-20mA模擬量輸出，可直接送入計算機實現(xiàn)實時監(jiān)控, 可手動啟動和停止風機，可255小時定時開風機，可保存變壓器斷電時的三相溫度值（溫度低于80不刷新記錄），可檢測傳感器斷

13、線和短路并發(fā)出報警信號。具有RS-485通信功能。2.1 智能控制器的功能及工作原理 溫度控制裝置是電力系統(tǒng)必不可少的。智能控制器以AT89C51為核心，是一種先進的溫度控制器，它有以下功能：(1)具有三相線包溫度的巡回顯示和最高溫度顯示切換功能。(2)可以根據設定的開、關風機溫度自動控制風機的開啟和關閉，保證變壓器在正常溫度下安全的工作。當三相線包溫度中的最高一相溫度超過開風機的設定溫度或在手動風機的情況下，風機會開啟，同時面板上“風機”指示燈點亮，反之指示燈滅。(3)具有超溫報警，跳閘以及故障顯示功能。傳感器故障時面板上“故障”指示燈會亮，會發(fā)出蜂鳴聲報警，并通過電源板“故障”輸出端輸出一

14、個開關信號給遠距離控制箱控制聲光報警。（a）指示燈不同顏色代表不同的含義：黃色A相 綠色B相 紅色C相 不亮故障(b)通過溫度顯示區(qū)顯示代碼不同，來判斷傳感器為短路或開路故障；顯示區(qū)顯示：H開路 L短路 (c)傳感器一相或兩相故障時，只根據好的傳感器溫度控制信號控制風機，三相都故障時立即打開風機。2變壓器溫度控制器，帶有四路溫度傳感器，后三路測量并控制變壓器三相繞組溫度，第一路測量并控制環(huán)境溫度。對變壓器三相繞組溫度，采用綜合控制的方法，用戶可通過鍵盤設置4級溫度門限： T1：風機停溫度 T2：風機啟動溫度 T3：超溫報警溫度 T4：超高溫跳閘溫度后三路溫度傳感器分別插入變壓器三相繞組線包，隨

15、時采集線包的溫度變化信號，將其分別轉換為DC4-20mA標準電流信號輸出，同時將傳感器采集的信號經前級電路處理后進行A/D轉換，然后送入單片機，單片機將其轉換為對應的溫度值后，送數碼管循環(huán)顯示，將最大值Tmax逐次與設定的4個溫度門限值進行比較：1 當TmaxT1時，即三相溫度均低于風機停溫度T1，風機停止工作。2 當TmaxT2時，即三相溫度至少有一相高于風機啟動溫度T2，風機同時啟動降溫。3 當TmaxT3時，即變壓器溫度未降下來，且已高于超溫報警溫度T3，此時，超溫報警常開觸點閉合，若接有警鈴和指示燈，則可發(fā)出聲光超溫報警信號,值班人員應檢查負載或設備有何異常。4 當TmaxT4時，即變

16、壓器溫度已高于超高溫T4，也就是說當負載或設備發(fā)生嚴重故障時，控制器立即發(fā)出跳閘信號，強制停電檢修。第一路溫度傳感器采集到的溫度同樣經前級電路處理后進行A/D轉換，然后送入單片機，單片機將其轉換為對應的溫度值后，送數碼管循環(huán)顯示，并可通過按鍵設置溫度上下限值，若環(huán)境溫度大于設定的上限值時，控制器自動驅動風機工作，降低環(huán)境溫度，當環(huán)境溫度低于設定下限值時，風機1停止工作。另外，控制器還具有風機故障檢測功能：當風機斷線時，故障觸點閉合，若接有指示燈，則指示燈發(fā)出報警信號。2.1.3 技術條件l 電 源： AC220V 50Hz/60Hzl 工作環(huán)境：溫度 -4085 相對濕度595%RHl 測控范

17、圍：0200l 輸出電流：4-20mADCl 控制精度：2% l 顯示方法：五位LED數碼管，其中一位相序顯示，三位半溫度顯示l 最大功耗：10Wl 外形尺寸：16080138l 開孔尺寸：15477工作原理框圖2-1圖2-1原理框圖2.2.1核心部分（AT89C51）AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100

18、次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。3（1）主要特性與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán) 數據保留時間：10年 全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8位內部RAM 32可編程I/O線 兩個16位定時器/計數器 5個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩

19、器和時鐘電路 （2）管腳說明 VCC:供電電壓 GND：接地 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電 流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數 據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為

20、第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3

21、口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如表2-1所示：表2-1 P3口功能表口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口）TXD（串行輸出口）（外部中斷0）（外部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入） T1（記時器1外部輸入）P3.6 （外部數據存儲器寫選通）（外部數據存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。4 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許

22、的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 ：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /VPP

23、：當保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，將內部鎖定為RESET；當端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 （3）振蕩器特性 XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必

24、須保證脈沖的高低電平要求的寬度。（4）芯片擦除 整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外，AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。5 圖 2-2 AT89C51 引腳2.2.2 看門狗及掉電保護 控制器在運行時，通

25、常都會遇到各種各樣的現(xiàn)場干擾，抗干擾能力是衡量工控系統(tǒng)性能的一個重要指標。看門狗(Watchdog)電路是自行監(jiān)測系統(tǒng)運行的重要保證，幾乎所有的工控系統(tǒng)都包含看門狗電路。在8096系列單片機和增強型8051系列單片機中，該系統(tǒng)已經做在芯片內部，用戶只要用軟件開放它就可以，使用很方便。但目前工控系統(tǒng)仍在使用廉價的普通型8051系列單片機，則看門狗電路必須由用戶自己建立?？撮T狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統(tǒng)需要出讓一個定時器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，而且若系統(tǒng)軟件運行不正常，可能導致看門狗系統(tǒng)也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的“程序運行監(jiān)視器”，如計數型

26、的看門狗電路通常由555多諧振蕩器、計數器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統(tǒng)電路較為復雜，運行不夠可靠。6（1）X25045芯片簡介 X25045是美國Xicor公司的生產的標準化8腳集成電路，它將EEPROM、看門狗定時器、電壓監(jiān)控三種功能組合在單個芯片之內，大大簡化了硬件設計，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對印制電路板的空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗，是一種理想的單片機外圍芯片。X25045引腳如圖2-3所示。 圖2-3 X25045引腳 其引腳功能如下： CS：片選擇輸入； SO：串行輸出，數據由此引腳逐位輸出； SI：串行輸入，數據或命令由此引腳逐位寫入X25045； SCK：串

27、行時鐘輸入，其上升沿將數據或命令寫入，下降沿將數據輸出； WP：寫保護輸入，當它低電平時，寫操作被禁止； Vss：地； Vcc：電源電壓； RESET：復位輸出。（2）X25043/45工作原理通過SI輸入的數據在變?yōu)榈碗娖胶蟮腟CK第一個上升沿被采樣，數據由SCK的下降沿輸出到S0線上。在整個工作期間，必須是低電平且WP必須是高電平。X25043/45具有監(jiān)視總線功能，在預置的時間周期內沒有總線活動，/RESET輸出。 X25045在讀寫操作之前，需要先向它發(fā)出指令，指令名及指令格式如表2-2所示。表2-2 X25045指令及其含義指令名指令格式操作WREN00000110設置寫使能鎖存器（

28、允許寫操作）WRDI00000100復位寫使能鎖存器（禁止寫操作）RDSR00000101讀狀態(tài)寄存器WRSR00000001寫狀態(tài)寄存器READ0000A8011把開始于所選地址的存儲器中的數據讀出WRITE0000A8010把數據寫入開始于所選地址的存儲器（3）X25045看門狗電路設計及編程X25045硬件連接圖如圖2-4所示。X25045芯片內包含有一個看門狗定時器，可通過軟件預置系統(tǒng)的監(jiān)控時間。在看門狗定時器預置的時間內若沒有總線活動，則X25045將從RESET輸出一個高電平信號，經過微分電路C2、R3輸出一個正脈沖，使CPU復位。圖2電路中，CPU的復位信號共有3個：上電復位(C

29、1、R2)，人工復位(S、R1、R2)和Watchdog復位(C2、R3)，通過或門綜合后加到RESET端。C2、R3的時間常數不必太大，有數百微秒即可，因為這時CPU的振蕩器已經在工作。 圖 2-4 X25045看門狗電路硬件連接看門狗定時器的預置時間是通過X25045的狀態(tài)寄存器的相應位來設定的。如表2-3所示，X25045狀態(tài)寄存器共有6位有含義，其中WD1、WD0和看門狗電路有關，其余位和EEPROM的工作設置有關。 表2 -3 X25045狀態(tài)寄存器D7D6D5D4D3D2D1D0XXWD1WD0BL1BL0WELWIP WD10，WD0=0，預置時間為1.4s； WD10，WD0=

30、1，預置時間為0.6s； WD11，WD0=0，預置時間為0.2s； WD11，WD0=1，禁止看門狗工作。 看門狗電路的定時時間長短可由具體應用程序的循環(huán)周期決定，通常比系統(tǒng)正常工作時最大循環(huán)周期的時間略長。編程時，可在合適的地方加一條喂狗指令，使看門狗的定時時間永遠達不到預置時間，系統(tǒng)就不會復位而正常工作。當系統(tǒng)跑飛，陷入軟件陷阱等，而別的方法無法捕捉會程序時，則看門狗定時時間很快增長到預置時間則系統(tǒng)自動復位。 精確的測量是控溫的前提。由于鉑溫度傳感器測溫精確度高、穩(wěn)定性好，有較大的測量范圍，易于使用在自動測量和遠距離測量中。本設計采用的是PT100鉑熱電阻傳感器，測量范圍是-200650

31、C,測溫精確度達到0.5%FS。 其電阻特性方程如下：-2000C時，Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100) （2-1） 0650C時 Rt=R0(1+At+Bt2) （2-2） 10-3K10-710-12C 但在通常的測量中，電阻溫度的關系一般用近似的線形表示，在外接引線較長時，為減少誤差常采用三線式電橋連接法或四線電阻測量電路。四個PT100分別埋在變壓器的三相繞組或掛在室內，把檢測到的溫度信號轉換為D（4-20mA的標準電流信號）經過集成運算放大器LM324和DP07轉換等前級處理，通過 A/D轉換器TLC0843轉換為數字信號，最后送單片機進行處理。 TLC0834是TI公

32、司生產的八位逐次逼近模數轉換器，具有輸入可配置的多通道多路器和串行輸入方式。文中以AT89C51 CPU為核心，采用LTC0834八位串行A/D轉換器設計了一個可將模擬信號轉換為數字信號的電路。 關鍵詞：單片機 A/D轉換器 TLC0834 單片機控制系統(tǒng)通常要用到A/D轉換。根據輸出的信號格式，比較常用的A/D轉換方式可分為并行A/D和串行A/D。并行方式一般在轉換后可直接接收，但芯片的引腳比較多；串行方式所用芯片引腳少，封裝小，在PCB板上占用的空間也小，但需要軟件處理才能得到所需要的數據。7 圖2-5 TLC0834引腳 TLC0834的引腳排列如圖2-5所示，其中CH0CH3為模擬輸入

33、端；CS為片選端；DI為串行數據輸入，該端僅在多路器尋址時（MUX Settling Time）才被檢測；DO為A/D轉換結果的三態(tài)串行輸出端；CLK為時鐘；SARS為轉換狀態(tài)輸出端，該端為高電平時，表示轉換正在進行，為低電平則表示轉換完成；REF為參考電壓輸入端；VCC為電源；DGTL GND為數字地，ANGL GND為模擬地 TLC0834的主要特點 TLC0834是TI公司生產的8位逐次逼近模數轉換器具有輸入可配置的多通道多路器和串形輸入輸出方式。其多路器可由軟件配置為單端或差分輸入，也可以配置為偽差分輸入。另外，其輸入基準電壓大小可以調整。在全8位分辨率下，它允許任意小的模擬電壓編碼間

34、隔。由于TLC0834采用的是串行輸入結構，因此封裝體積小，可節(jié)省51系列單片機I/O資源，價格也較適中。其主要特點如下： 8位分辨率； 易于和微處理器接口或獨立使用； 可滿量程工作； 可用地址邏輯多路器選通4輸入通道； 單5V供電，輸入范圍為05V； 輸入和輸出與TTL、CMOS電平兼容； 時鐘頻率為250kHz時，其轉換時間為32us； 可以和美國國家半導體公司的ADC0843和ADC0838進行替換，但它內部不帶齊納穩(wěn)壓器網絡； 總調整誤差為1LSB。 與單片機的接口電路設計 TLC0834TLC0834的片選信號， P1.6用于產生A/D轉換的時鐘，P1.5為一個雙向I/O口位，可用于

35、對模擬輸入進行配置及輸出轉換所得的數據。在這里，模擬信號以單端方式輸入，參考電壓為5V，即A/D模擬量的輸入范圍為05V。圖2-6 TLC0834與89C51單片機的硬件PT100是一個溫度傳感器,是一種穩(wěn)定性和線性都比較好的鉑絲熱電阻傳感器,可以工作在 -200 至650 的范圍。電阻式溫度檢測器（RTD,RResistance Temperature Detector)是一種物質材料作成的電阻,它會隨溫度的上升而改變電阻值,如果它隨溫度的上升而電阻值也跟著上升就稱為正電阻系數,如果它隨溫度的上升而電阻值反而下降就稱為負電阻系數。大部分電阻式溫度檢測器是以金屬作成的,其中以白金(Pt)作成的

36、電阻式溫度檢測器,最為穩(wěn)定耐酸堿、不會變質最受工業(yè)界采用。8PT100溫度傳感器是一種以白金(Pt)作成的電阻式溫度檢測器,屬于正電阻系數,其電阻和溫度變化的關系式如下：R=Ro(1+T)，其中=0.00392,Ro為100(在0的電阻值),T為攝氏溫度，因此白金作成的電阻式溫度檢測器,又稱為PT100。 100(1+0.00392T)=0.255+T/1000。 (2)量測Vo時,不可分出任何電流,否則量測值會不準。電路分析由于一般電源供應較多零件之后,電源是帶雜訊的,因此我們使用齊納二極體作為穩(wěn)壓零件,由于7.2V齊納二極體的作用,使得1K電阻和5K可變電阻之電壓和為6.5V,靠5K可變電

37、阻的調整可決定電晶體的射(集極)極電流,而我們須將集極電流調為2.55mA,使得量測電壓V如箭頭所示為0.255+T/1000。其后的非反向放大器,輸入電阻幾乎無限大,同時又放大10倍,使得運算放大器輸出為2.55+T/100。6V齊納二極體的作用如7.2V齊納二極體的作用,我們利用它調出2.55V,因此電壓追隨器的輸出電壓V1亦為2.55V。其后差動放大器之輸出為Vo=10(V2-V1)=10(2.55+T/100-2.55)=T/10,如果現(xiàn)在室溫為25,則輸出電壓為2.5V。9 工作原理: 傳感器的接入非常簡單,從系統(tǒng)的 5V 供電端僅僅通過一支 3K92 的電阻就連接到 PT100 了

38、，這種接法通常會引起嚴重的非線性問題,但是，由于有了單片機的軟件校正作為后盾,因此就簡化了傳感器的接入方式。 2.2.5 溫度檢測部分 （1）變壓器各相溫度檢測電路 本設計需對四路電路進行檢測：A相、B相、C相和環(huán)境溫度。A、B、C相的檢測電路如圖2-7所示。圖2-7 溫度檢測電路 途中虛線部分是信號調理電路，其中W7為調零電阻 ，W8為調滿量程電阻，R53為精密電阻，OP07運算放大器是TTL雙極低噪聲，低功耗精密運算放大器，具有精度高、漂移率低等特點，其放大倍數為R+(R+W)/W。根據PT100所測得的溫度為0C時，其熱電阻阻值為100，當溫度傳感器PT100測得溫度為 200，調節(jié)滑動

39、變阻器W，使OP07的輸出為+5V。傳感器是把物理信號轉變?yōu)殡娦盘枺瑴囟葌鞲衅鱌T100是把溫度的變化轉變?yōu)殡娮柚档母淖?。通過集成運算放大器輸出相應的電壓值，但是由于電壓的傳送消耗很大，遠距離傳輸時，大大降低了傳輸效率，而電流對外接干擾不敏感，因此通常情況下，運用變送器把電壓信號轉換為4-20mA的電流信號進行傳輸。有很好的抗干擾能力。所以，當所測溫度為0C使，OP07的輸出端為0，調節(jié) W使得流過R72的電流為4mA，當所測溫度為200C時，OP07的輸出為+5V，流過R72的電流為20mA。（2）環(huán)境溫度檢測 圖2-8環(huán)境溫度檢測電路 鍵盤，數碼顯示管等以及指示燈是實現(xiàn)人機交換的主要器件。

40、 鍵盤及顯示部分是人機交換對話的基本部件。為簡化操作，降低成本，這里采用極其簡單的輕觸式來完成各項功能查詢、切換以及設定。鍵盤操作由于鍵數較少，所以采用獨立式按鍵，用了3個輕觸式按鍵分別占有 I/O口的P2.0、 P2.1、P2.2完成參數的增加、減少以及顯示狀態(tài)的切換，這樣使得鍵盤操作電路簡單。顯示部分采用了5個共陽極的LED數碼管TOE-1106BH完成，其顯示清晰，成本低廉且與單片機接口簡單。電路采用了一個串入并出的ZLG7289A寄存器，其為驅動有MPU的P0.1口并為其提時鐘脈沖，由P0.0為其提供被顯示的數據ZLG7289A出口經過電阻直接跟LED完成所有顯示功能。11 顯示驅動器

41、ZLG7289A是具有串行接口，可同時驅動8位共陰式數碼管(或64只獨立LED)的智能顯示驅動芯片，該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片機即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能。 圖2-9 ZLG7289A引腳 ZLG7289A具有片選信號，可方便地實現(xiàn)多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口，其技術特點為：(1)串行接口，無需外圍元件可直接驅動LED；(2)各位獨立控制譯碼/不譯碼及消隱和閃爍屬性；(3)(循環(huán))左移/(循環(huán))右移指令；(4)具有段尋址指令，方便控制獨立LED；(5)64鍵鍵盤控制器，內含去抖動電路。 以ZLG7289A為核心的人機接口電路只需一片智能芯片很好地完成了數字

42、顯示和鍵盤控制功能，電路簡單，功能完備，結果了然。應用這一電路實現(xiàn)了精密低頻信號發(fā)生器的人機對話，在實際應用中取得了良好的效果。12 （1）風機溫度控制及風機斷線檢測電路 風機控制按不同的接法可分別控制380V和220V的風機，風機接線如圖2-10所示。接380V風機，當不開風機時，6、7、8接線端（接220V風機時為5、6接線端）電壓為零；當風機啟動時，6、7、8接線端有AC380電壓輸出（接220V風機時，5、6有AC220電壓輸出），Pt100溫度傳感器通過15針的插座（DB-15）將傳感器測得信號經過處理送到溫控箱內，經過單片機分析、處理來控制風機的開關。13 當TmaxT2時，即三相

43、溫度至少有一相高于風機啟動溫度T2，P00端輸入為“0”，光電隔離有電流輸出，觸電動作，風機工作，同時啟動降溫。同理，當TmaxT1時，即三相溫度均低于風機停溫度T1，風機停止工作 。圖2-10風機接線 風機正常工作時，TR1次級有感應電流，光耦合器IC2A的發(fā)光二級光發(fā)光，則三級管導通，P37口輸出高電平，不發(fā)出故障報警信號；風機斷線時，則反之。圖2-11 風機溫度控制電路（2）超溫、跳閘、故障控制電路該部分是溫控器的重要組成部分，用以對異常情況及時動作，充分對變壓器進行保護。溫控器有3個常開式繼電器，分別接上超溫、故障和跳閘信號，如圖2-12所示。當某相有信號時，常開觸點閉合，執(zhí)行相應的動

44、作。為了引起操作人員對異常信號的注意，智能控制器的AT89C51的P1.4引腳裝置了聲光報警系統(tǒng)，由S8050三極管來驅動，主要來用對超溫、跳閘和傳感器故障進行聲光報警，同時控制面板上相應的指示燈點亮，對異常情況區(qū)別。超溫、跳閘、故障控制電路如圖2-12所示。圖2-12 跳閘控制電路2.2.8 電源部分 電源在智能儀器中具有特殊的地位，一方面它為系統(tǒng)提供正常工作所需要的電能；另一方面，它是各種電磁干擾傳輸的重要通道。為了突出電源的重要性，把電源作為智能溫度控制器的一個子系統(tǒng)。在整個溫控器有幾個不同等級的電壓，它們分別是首先對輸入的220V進行整流，再通過電容濾波和7912和7812等穩(wěn)壓器得到

45、主板上各個芯片所需的直流電壓。在整個硬件電路設計中考慮到干擾的存在，采用了一系列的保護措施，如光電隔離。對于AT89C51采用X25045（可編程看門狗電壓監(jiān)控及EEPROM），X25045把常用的看門狗定時器、電壓監(jiān)控和EEPROM組合在一個單個的封裝之內，看門狗定時器對微控器提供了獨立的保護系統(tǒng)。電源電路如圖2-13所示。 圖2-13電源電路第3章軟件的設計 軟件上，在單片機上實現(xiàn)多種功能，并保證控制精度，軟件設計必須實現(xiàn)功能占CPU時間的分配上做到有主有次，既要保證完整性，又要保證實時性。溫度控制器在軟件上采用C51開發(fā)，用模塊化結構。首先進行數據存儲區(qū)的設置。標志位設置，接著是主程序，

46、首先是主要初始化工作，如中斷優(yōu)先級，定時器設置及串行口中斷設置等，其他的所有功能都是在中斷服務程序中完成。通過X25045讀寫數據。風機控制程序、三相溫度查詢、鍵值響應、溫度轉換為BCD碼、顯示等一系列的子程序，分別完成查詢顯示、設置和控溫等功能。其軟件設計如圖3-1。 圖3-1 軟件設計 電阻溫度計軟件由主程序和中斷服務程序組成，主程序完成定時器、計數器、EEPROM、顯示控制驅動器PS7219等的初始化，鍵盤操作管理，數據采集處理，控制輸出及顯示。中斷服務程序主要處理突然停電時的數據保留，如三相溫度及相位。 3.2 基本功能 (1)巡回/最高轉換功能 巡回測量:依次巡回測量并顯示A,B,C

47、三相溫度;最高相溫度測量:巡回測量A,B,C三相溫度并顯示其中最高相溫度。開機時本鍵處于巡回狀態(tài)。(2)黑匣子功能 在遇突然斷電時能自動保留斷電前的三相溫度和相位。 (3)數據保留與處理功能 可自動保留歷史最高溫度數據(斷電后不丟失),可清除歷史最高溫度?？煞奖愕匦薷谋Ａ魷囟瓤刂圃O定值（滿足T4T3T2T1。其中，風機啟動溫度T2=100，可調范圍20；風機停止溫度T1=80，可調范圍20；超溫報警溫度T3=130，可調范圍20；超溫跳閘溫度T4=150，可調范圍20）。 (4)故障檢測功能 傳感器若出現(xiàn)開路或短路,能自動報警(故障接點吸合)并顯示。 (5) “風機”自動啟停功能 當所測量溫度

48、高于設定溫度T2時,“風機”自動啟動,“風機”啟動指示燈亮；三相測量溫度低于T1時,“風機”自動停止,“風機”啟動指示燈滅。(6) 超溫報警功能時,超溫接點斷開,超溫指示燈滅,蜂鳴器終止發(fā)聲報警。(7)超溫跳閘報警功能時,跳閘接點斷開,跳閘指示燈滅,蜂鳴器終止長音報警。 (8)警示回歸 當溫控器超溫或跳閘蜂鳴器報警后,按一下本鍵,報警聲停止1h左右,再按一次,則恢復報警。(9)安全報警 溫控器接受外接長開接點輸入,若該接點閉合(配電室門開啟時),蜂鳴器發(fā)長音報警。 (10) 自檢功能 溫控器能自檢除跳閘以外的所有輸出功能。 開機后首先進行初始化操作，從EEPROM中調出T4、T3、T2、T1的

49、溫度值，如有鍵盤按下，則先執(zhí)行相應的鍵盤處理程序，此后同時啟動計數器和定時器，單片機對CD4052的通道進行選擇就可得到相應的計數值，對于每一個通道進行3次采樣取中間值，直至得到所有要求的溫度計數值，然后對計數值進行相應的換算處理，根據儀器的要求輸出相應的控制信號控制各繼電器的狀態(tài)。在程序設計中，為了防止跳閘操作的誤動作，考慮到溫度的變化是個緩慢過程，溫度上升時必先到達風機啟動溫度T2，然后到達超溫報警T3，最后到達超溫跳閘溫度T4，在輸出超溫跳閘控制信號前檢驗風機和超溫報警繼電器的狀態(tài)。同時在硬件電路中，用與門實現(xiàn)風機啟動控制信號、超溫報警控制信號和單片機輸出的超溫跳閘控制信號相與作為真正的

50、超溫跳閘制信號控制繼電器。 該模塊主要對系統(tǒng)進行初始化，包括對CPU本身，顯示顯板、通訊及開關量輸出進行初始化，將存在X25045的EEPROM中的溫度設定值調出并進行初始化，對定時器T0，T1及串行口通訊工作方式，串行通訊特率進行設置。初始化流程圖如圖3-2：圖 3-2初始化流程圖3-3主程序模塊中斷是計算機的一個重要功能。采用中斷技術能實現(xiàn)以下功能： （1）分時操作。計算機的中斷系統(tǒng)可以使CPU與外設同時工作。CPU在啟動外設后，便繼續(xù)執(zhí)行主程序；CPU響應該中斷請求并為其服務完畢后，回到原來的斷點處繼續(xù)運行主程序。外設在得到服務后，也繼續(xù)進行自己的工作。因此， CPU可以使多個外設同時工

51、作，并分時為各外設提供服務，從而大大提高了CPU的利用率和輸入/輸出的速度。 （2） 實時處理。當計算機用于實時控制時，請求CPU提供服務是隨機發(fā)生的。有了中斷系統(tǒng)，CPU就可以立即響應并加以處理。 （3）故障處理。計算機在運行時往往會出現(xiàn)一些故障，如電源斷電，存儲器奇偶校驗出錯，運算溢出等。有了中斷系統(tǒng)，當上述情況發(fā)生時，CPU可及時轉去執(zhí)行故障處理程序，自行處理故障而不必停機。智能控制器的串行中斷復位程序流程圖如圖3-4所示：圖3-4串行中斷復位程序流程圖3-5通信中斷流程圖3-6 通信主流程圖3-7 通信主程序流程第4章 RS-485現(xiàn)場總線4.1 RS-485串行接口標準 RS-485

52、、RS-422與RS-232不一樣，數據信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B，通常情況下，發(fā)送驅動器A、B之間的正電平在+2+6V，是一個邏輯狀態(tài)，負電平在-26V，是另一個邏輯狀態(tài)。另有一個信號地C，在RS-485中還有一“使能”端，而在RS-422中這是可用可不用的。“使能”端是用于控制發(fā)送驅動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用時，發(fā)送驅動器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。接收器也作與發(fā)送端相對的規(guī)定，收、發(fā)端通過平衡雙絞線將AA與BB對應相連，當在收端AB之間有大于+200mV的電平時，輸出正邏輯電平，小于-200mV時，輸出負邏輯電平。接收器接收平衡線上的電平范圍通200mV至6V之間。RS-485與RS-422的不同還在于其共模輸出電壓是不同的，RS-485是-7V至+12V之間，而RS-422在-7V至+7V之間，RS-485接收器最小輸入阻抗為12k歐姆，而RS-422的接受器最小輸入阻抗為4k歐姆；所以RS-485滿足所有RS-422的規(guī)范，所以RS-485的驅動器可以用在RS-422網絡中應用。 而RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s。平衡雙絞線的長度與傳輸