高壓開關(guān)柜測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣信息學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課題名稱高壓開關(guān)柜測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓名專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)學(xué)號(hào)指導(dǎo)老師楊青梁錦吳勇峰課程設(shè)計(jì)時(shí)間第14、第15周教研室意見意見：審核人：一、任務(wù)及要求1.給出高壓開關(guān)柜測(cè)溫系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖；2.說(shuō)明采用溫度傳感器的型號(hào)，特性，以及具有的優(yōu)點(diǎn)；3.給出具體電路，如信號(hào)調(diào)理、采樣保持電路、隔離、A/D轉(zhuǎn)換等設(shè)計(jì)思路，畫出電路原理圖；6.說(shuō)明測(cè)溫時(shí)會(huì)遇到哪些干擾問題，增加抗干擾措施；7.編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書；8.課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書要求用手寫，所繪原理圖紙用計(jì)算機(jī)打印。〔16K〕二、進(jìn)度安排第一周：星期一：下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)書，介紹課題內(nèi)容與要求；星期二——星期五：查找資料，確定設(shè)計(jì)方案，畫出草圖。第二周：星期一上午——星期二下午：電路設(shè)計(jì)，打印出圖紙。星期三：書寫設(shè)計(jì)報(bào)告；星期四：書寫設(shè)計(jì)報(bào)告；星期五：辯論。三、參考資料1.鄒積巖.智能電器.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20212.王汝文，宋政湘，楊偉.電器智能化原理及應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2021目錄一、高壓開關(guān)柜測(cè)溫系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 1 2 3二、高壓開關(guān)柜測(cè)溫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4 5 6 6 6三、高壓開關(guān)柜測(cè)溫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4 6 6四、原理圖 4一、高壓開關(guān)柜測(cè)溫系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)高壓開關(guān)柜測(cè)溫系統(tǒng)包括三大局部：高壓開關(guān)柜內(nèi)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)、高壓開關(guān)柜外測(cè)溫接收系統(tǒng)、上位機(jī)數(shù)據(jù)處理與顯示。高壓開關(guān)柜測(cè)溫系統(tǒng)采用多點(diǎn)組網(wǎng)的方式：8路測(cè)溫節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)1路接收系統(tǒng)。首先，數(shù)據(jù)采集模塊通過主控單元將溫度數(shù)據(jù)打包，再利用無(wú)線通信模塊把獲取的信息傳送至接收系統(tǒng)，接收系統(tǒng)采用串口把數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)后，通過上位機(jī)完成溫度信息的處理、顯示和保存。整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)主要包括主控單元、數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線通信模塊、電源管理模塊以及數(shù)據(jù)傳輸模塊等幾局部，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求選擇適宜的芯片器件，硬件的選型關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。在整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，主控單元是系統(tǒng)的核心局部，控制并協(xié)調(diào)處理各部分正常工作，通過溫度傳感器獲取溫度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，無(wú)線通信模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊在系統(tǒng)起中間傳遞作用，發(fā)送、接收上位機(jī)指令以及溫度數(shù)據(jù)。電源是系統(tǒng)的動(dòng)力之源，是保證系統(tǒng)正常工作的根底，電源管理模塊包括系統(tǒng)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)感應(yīng)電源模塊和測(cè)溫接收系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)兩局部。整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示：圖1：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖溫度傳感器的選型不僅影響系統(tǒng)的測(cè)量精度，而且關(guān)系到信號(hào)調(diào)理電路的復(fù)雜程度。作為溫度信息的獲取源，溫度傳感器的選型對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。目前，各行業(yè)溫度傳感器主要有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導(dǎo)體IC溫度傳感器等。本系統(tǒng)選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20來(lái)完成觸點(diǎn)的測(cè)溫，該芯片的全部傳感元件以及轉(zhuǎn)換電路都集成在在TO-92或uSOP封裝的集成電路內(nèi)，可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而改變其外觀，易于安裝，特別適合狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域，本文采用的是接耳式DS18B20探頭。DS18B20的特點(diǎn)及一些工作參數(shù)如下：〔1〕可以用數(shù)據(jù)線供電，工作電壓3～5.5V；〔2〕溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)間200ms〔典型值〕；〔3〕測(cè)溫范圍-55℃～+125℃〔-67～257°F〕，適合高壓開關(guān)柜測(cè)溫；〔4〕測(cè)量結(jié)果以9～12位〔可選〕數(shù)字量方式串行傳送，可通過CRC校驗(yàn)碼提高抗干擾糾錯(cuò)能力，用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置；〔5〕每個(gè)DS18B20均有特定64位ROM編碼即ID號(hào)，因此可以在一條數(shù)據(jù)線上連接多個(gè)DS18B20；〔6〕利用單總線接口方式，能同時(shí)傳輸時(shí)鐘和數(shù)據(jù)，并且能雙向傳輸數(shù)據(jù)，所以這種接口方式電路簡(jiǎn)單，不僅很好的節(jié)約了微控制器資源，而且開發(fā)效率高。二、高壓開關(guān)柜測(cè)溫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的微控制器采用TI公司開發(fā)的16位超低功耗的混合信號(hào)處理器MSP430,在一個(gè)芯片上集成了微處理器、數(shù)字電路以及模擬電路等，是非常有代表性的片上系統(tǒng)，被稱之為綠色MCU。MSP430的主要特點(diǎn)如下：主控單元電路主要由微控制器及外圍電路構(gòu)成，控制并協(xié)調(diào)各局部正常工作，本系統(tǒng)的主控單元電路如圖2所示。圖2：主控單元電路DS18B20是利用溫度對(duì)振蕩器的頻率影響進(jìn)行測(cè)溫，其內(nèi)部含有兩個(gè)不同溫度系數(shù)的振蕩器，其中高溫度系數(shù)振蕩器決定一個(gè)門周期，計(jì)數(shù)器1在門周期內(nèi)通過計(jì)數(shù)低溫度系數(shù)振蕩器的脈沖獲得溫度值。計(jì)數(shù)器1和溫度存放器被預(yù)置為-55℃相應(yīng)的一個(gè)基權(quán)值，當(dāng)門周期結(jié)束之前計(jì)數(shù)器1到達(dá)0，那么溫度存放器的值增加，表示溫度值大于-55℃。反復(fù)循環(huán)此過程直到計(jì)數(shù)器2到達(dá)0，溫度存放器的值不再累加，即為所測(cè)溫度值，以16位帶符號(hào)位擴(kuò)展二進(jìn)制補(bǔ)碼形式讀出，溫度振蕩器的非線性可通過斜坡累加器進(jìn)行修正和補(bǔ)償。DSl8B20電路連接如圖3所示，VCC引腳接3.3V電壓，DQ引腳為數(shù)據(jù)線，與MSP430F149的P2.0引腳連接，再連接一個(gè)4.7K的上拉電阻，在空閑狀態(tài)下數(shù)據(jù)線可以直接跳變高電平。圖3：DS18B20接線圖本系統(tǒng)采用的nRF24L01無(wú)線通信芯片，是目前微功率短距離無(wú)線通信芯片中功耗最低、體最小、外圍電路最少、本錢最低的。以nRF24L01無(wú)線通信芯片，加上外圍元件及功放電路等，構(gòu)成了無(wú)線通信模塊，采用標(biāo)準(zhǔn)DIP間距接口，體積小巧，價(jià)格低廉，信號(hào)傳輸穩(wěn)定，十分適合嵌入式系統(tǒng)使用。圖4為模塊連接框圖。圖4：通信模塊接線圖圖4所設(shè)計(jì)的無(wú)線通信電路，工作頻率2.4GHz，最大發(fā)射功率0dBm，當(dāng)誤碼率為0.1%，1Mbps速率傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，最大接收靈敏度為-85dBm，下面計(jì)算該電路在自由空間傳播無(wú)線信號(hào)的距離。本文選用SiGe半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的微功率放大器PA2423L，它是一款低功耗的LNA放大芯片，工作電壓3.3V，線性增益可達(dá)22.5dBm，可用于2.4GHz頻段的許多設(shè)備中，如Wlan、藍(lán)牙以及其它ISM頻段的設(shè)備。根據(jù)自由空間傳播公式，計(jì)算得出傳輸距離理論值為129m，所以采用PA2423L可以滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)系統(tǒng)要求無(wú)線通信模塊具有收發(fā)一體化的功能，因此設(shè)計(jì)的功率放大電路由信號(hào)反相電路、通道開關(guān)電路、功率放大三局部組成。反相電路如圖5所示，nRF24L01的功率放大引腳VDD_PA根據(jù)發(fā)送或接收的不同狀態(tài)呈現(xiàn)上下電平：VDD_PA=0，為接收狀態(tài)；VDD_PA=1，為發(fā)射狀態(tài)，將此信號(hào)接到反相電路取非，并將此信號(hào)送至通道開關(guān)電路。圖5：反相電路通道開關(guān)電路由兩個(gè)高頻信號(hào)開關(guān)UPG2214TK構(gòu)成，其中U2引腳IN與nRF24L01相連，引腳OUT1連接功率放大器，U3引腳IN與天線相連，引腳OUT2連接功率放大器，如圖5，圖6分別為通道開關(guān)電路和功率放大芯片電路。當(dāng)發(fā)送信號(hào)時(shí)，TX_ON=1，RX_ON=0，U2的引腳1、5相連，信號(hào)經(jīng)過PA2324L放大輸出至U3的引腳3，此時(shí)U3的引腳3、5相連，無(wú)線信號(hào)被經(jīng)過天線端向外傳播；當(dāng)接收信號(hào)時(shí)，TX_ON=0，RX_ON=1，發(fā)射通道關(guān)閉，天線接收到的信號(hào)由U3的引腳5進(jìn)入，此時(shí)引腳1、5相連，信號(hào)不經(jīng)過PA2324L直接連接U2的引腳3，U2的引腳3、5相連，nRF24L01接收無(wú)線信號(hào)。圖7：通道開關(guān)電路和信號(hào)放大電路天線作為一種接收和發(fā)射電磁波的設(shè)備，是通信模塊的重要組成局部，尤其是在無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)信息都要通過天線傳輸。天線的選擇與研究設(shè)計(jì)能使通信模塊的輻射效率提高，輻射范圍擴(kuò)大。在射頻電路中，有三種供選擇的天線：片式天線、外接直立天線和PCB天線。片式天線通過集成電路實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性一般，而且不易根據(jù)實(shí)際要求調(diào)整性能；外接直立天線性能優(yōu)越，而且可以改變天線大??；PCB天線雖具有體積優(yōu)勢(shì)，但對(duì)設(shè)計(jì)以及布線的要求較高。本系統(tǒng)與上位機(jī)傳輸量較少，數(shù)據(jù)通信速率適中，而且MSP430只需要簡(jiǎn)單的存放器的配置，就可輕松實(shí)現(xiàn)USAR模塊的設(shè)計(jì)，所以采用USB-RS232接口轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)USB接口通信的功能是可行的。綜合以上設(shè)計(jì)思想，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊采用Prolific公司研制PL2303，是一種高速集成的RS232-USB接口轉(zhuǎn)換芯片。RS232全雙工異步串行通信裝置通過此芯片能方便連接USB功能接口。PL2303內(nèi)部集成了USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器以及UART，外圍元件較少，組成電路簡(jiǎn)單，能容易的嵌入到手持設(shè)備。一方面可以從下位機(jī)以RS232接口獲取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為USB數(shù)據(jù)格式發(fā)送至上位機(jī)，另一方面可以從上位機(jī)通過USB接口接收數(shù)據(jù)以RS232格式發(fā)送至下位機(jī)。PL2303外圍電路連接如圖8所示，引腳TXD、RXD與MSP430所配置的對(duì)應(yīng)引腳P3.5、P3.4連接，引腳OSC1、OSC2與晶振相連，系統(tǒng)時(shí)鐘采用12MHz晶振；引腳DM、DP分別與USB接口的D-、D+端口連接，為防止高速信號(hào)在端口附近發(fā)生反射，引腳DM和DP均輸入100Ω的終端匹配電阻。圖8：數(shù)據(jù)傳輸模塊電路三、高壓開關(guān)柜測(cè)溫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)溫度傳感器控制程序設(shè)計(jì)MSP430F149以單總線的方式控制DS18B20，DS18B20數(shù)據(jù)的讀出與寫入是由MSP430F149讀寫的特定時(shí)間暫存器來(lái)完成。單總線協(xié)議分為四個(gè)局部：初始化、ROM操作命令、存儲(chǔ)器操作命令以及數(shù)據(jù)傳輸，單總線的空閑狀態(tài)為高電平。在完成任何操作之前，MSP430F149首先要對(duì)DS18B20進(jìn)行初始化，即MSP430F149發(fā)送復(fù)位脈沖，將單總線上的DS18B20復(fù)位，完成復(fù)位后發(fā)送ROM操作命令，緊接著發(fā)送RAM指令,這樣才可以對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定操作。初始化具體操作為：復(fù)位脈沖至少為480us的低電平信號(hào)，隨后單總線被釋放進(jìn)入接收狀態(tài)，MSP430F149控制與DS18B20相連的引腳產(chǎn)生上升沿，DS18B20會(huì)在15～60us的任意時(shí)刻發(fā)出一個(gè)60～240us低電平信號(hào)響應(yīng)上升沿，MSP430F149收到這個(gè)信號(hào)表示復(fù)位成功，假設(shè)沒有檢測(cè)到就一直檢測(cè)等待。當(dāng)MSP430F149檢測(cè)到DS18B20的存在，MSP430F149以ROM命令和RAM命令的形式對(duì)DS18B20操作。ROM的操作命令都是8位，在此只介紹幾個(gè)根本指令：〔1〕跳過ROM，方案總體設(shè)計(jì)是多個(gè)獨(dú)立測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，所以要求MSP430F149一個(gè)I/O口只能連接一個(gè)DS18B20，跳過ROM命令DS18B20將不進(jìn)行識(shí)別多個(gè)傳感器；〔2〕讀RAM，用此命令讀出溫度轉(zhuǎn)換的結(jié)果以及其它狀態(tài)信息，從字節(jié)0開始讀取進(jìn)行到第9字節(jié)，第8個(gè)字節(jié)為CRC校驗(yàn)；〔3〕溫度轉(zhuǎn)換，啟動(dòng)一次溫度轉(zhuǎn)換過程，DS18B20在此命令執(zhí)行的過程中保持待機(jī)狀態(tài)，假設(shè)MSP430F149繼續(xù)發(fā)出讀時(shí)間隙，DS18B20同時(shí)進(jìn)行時(shí)間轉(zhuǎn)換，那么單總線將輸出“0〞，假設(shè)溫度轉(zhuǎn)換完成，那么輸出“1〞。寫數(shù)據(jù)：MSP430F149向DS18B20寫數(shù)據(jù)，周期最少為60us，最長(zhǎng)不超過120us，在開始寫另一個(gè)寫周期之前至少要1us的恢復(fù)時(shí)間。由于單總線傳輸是以“位〞為單位，因此DS18B20寫時(shí)序包括寫“1〞和寫“0〞兩個(gè)過程。首先將單總線拉低，發(fā)出寫起始信號(hào)。寫“1〞時(shí)MSP430F149在15us內(nèi)釋放被拉低的單總線，由4.7K的上拉電阻拉高單總線；寫“0〞時(shí)單總線拉低最少保持60us。DS18B20檢測(cè)到單總線被拉低15us后從15us到45us開始采樣，在這段時(shí)間如果采樣值為高電平，DS18B20寫入“1〞；如果采樣值為低電平，DS18B20寫入“0〞。具體流程圖如圖8所示。圖8：溫度傳感器控制程序流程圖無(wú)線發(fā)送模式流程：〔1〕置低CE，使nRF24L01進(jìn)入待機(jī)模式1，配置其存放器；〔2〕由SPI接口將數(shù)據(jù)〔TX_PLD〕和地址〔TX_ADDR〕寫入nRF24L01緩存區(qū)TX_FIFO中；〔3〕將PRIM_RX置低，CE置高，啟動(dòng)發(fā)送模式，CE至少保持10us時(shí)間；〔4〕進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)處理，包括系統(tǒng)上電、開啟內(nèi)部16MHz時(shí)鐘、數(shù)據(jù)打包和發(fā)送；〔5〕假設(shè)自動(dòng)應(yīng)答模式開啟，nRF24L01將進(jìn)入接收模式等待應(yīng)答判斷數(shù)據(jù)是否成功發(fā)送，假設(shè)在10us內(nèi)接收不到應(yīng)答信號(hào)，那么要反復(fù)執(zhí)行上述步驟直到nRF24L01重發(fā)計(jì)數(shù)器有溢出產(chǎn)生，IRQ置高產(chǎn)生中斷進(jìn)行復(fù)位；〔6〕在10us內(nèi)成功收到應(yīng)答信號(hào)后，如果CE置低，那么nRF24L01進(jìn)入待機(jī)模式1；如果CE置高，那么nRF24L01會(huì)發(fā)送TX_FIFO的下一數(shù)據(jù)包；如果TX_FIFO為空且CE為高，那么nRF24L01進(jìn)入待機(jī)模式2。無(wú)線接收模式流程：〔1〕置低CE，使nRF24L01進(jìn)入待機(jī)模式1，配置其存放器；〔2〕將CE、PWR_UP、PRIM_RX置高，啟動(dòng)ShockBurstTM接收模式；〔3〕延遲130us，nRF24L01開始檢測(cè)空中信息；〔4〕通過CRC校驗(yàn)地址匹配正確，說(shuō)明接收的數(shù)據(jù)包有效，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在接收緩存區(qū)RX_FIFO中，置高RX_DR，置低IRQ產(chǎn)生中斷；〔5〕發(fā)送確認(rèn)信號(hào)；〔6〕置低CE，nRF24L01進(jìn)入待機(jī)模式1；〔7〕MSP430通過SPI接口以設(shè)計(jì)要求的速率將數(shù)據(jù)讀出。具體如圖9所示。圖9：無(wú)線通信模塊程