风冷式电力变压器温度监控系统设计(毕业设计)

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1、毕业设计（论文）题目 风冷式电力变压器温度监控系统设计系 别 电气工程学院 专 业 电力系统自动化技术（风动） 班 级 风能11 姓 名 李德生 学 号 201102105113 指导教师（职称） 郭志成（助教） 日 期 2014年2月28日 3兰州工业学院毕业论文摘 要电力变压器是电力系统中的重要设备。为了保护变压器，保障供电系统的安全，可靠运行，需要对变压器的温度进行监控，高压时报警，超温时跳闸。由于在传统的控制系统中存在的风机保护方式简单、电力变压器容量相差大、测量参数不精确、冷却方式不同、负载大小以及运行环境不同，设计了一套智能化变压器温度监控系统。智能变压器温度控制器是以MCU为核心

2、，采用PT100传感器，将其直接埋入变压器线组内，对三相温度进行测量和控制。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。当风机有故障时，控制器还可以发出故障报警信号和保护信号，以确保变压器和其他设备的安全运行。关键词：单片机；变压器冷却系统；风机故障；油温采集59兰州工业学院毕业论文AbstractPower transformer is the important equipment in power system.In order to protect the transformer, to ensure the safety of

3、the power supply system, reliable operation, the need to monitor the temperature of the transformer, high voltage alarm, tripping over temperature.Due to exist in the traditional control system of simple, electric power transformer capacity differ big fan protection way, measurement parameters is no

4、t accurate, cooling way different, and the size of the load, and running environment, design a set of intelligent transformer temperature monitoring system.Intelligent transformer temperature controller based on MCU as the core, using PT100 sensors, the direct embedment in transformer windings, the

5、temperature measurement and control of three-phase.Implements of transformer oil temperature collection, LED display, data wireless transmission, real-time and refer to the oil temperature real-time control on the operation condition of the fan.When the fan is faulty, the controller can also signal

6、fault alarm and protection, in order to ensure the safe operation of the transformer and other equipment.Keywords: SCM (Single Chip Micyoco); transformer cooling system;Fan Failure; Oil temperatures collection兰州工业学院毕业论文目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1 研究背景11.2 研究内容21.3 论文的组织结构3第二章 系统的设计方案42.1 系统工作的一般原理4

7、2.2 智能温度监控系统的设计方案42.3 设计方案论述6第三章 硬件电路设计83.1 单片机的选型83.2 振荡器配置选择123.2.1 晶体振荡器/陶瓷谐振器功能作用123.2.2 RC振荡器153.3 温度采集电路模块设计173.4 光电隔离电路203.5 按键输入和显示电路部分设计203.5.1 按键输入电路模块设计203.5.2 显示电路部分设计213.6 无线通信系统的设计253.7 主回路部分设计303.7.1 风冷机的保护303.7.2 驱动电路设计323.8 直流电源的设计403.8.1 单相桥式整流电路413.8.2 滤波电路423.8.3 稳压电路42第四章 软件部分设计

8、444.1 软件需求分析444.2 各模块流程图46第五章 总 结53致 谢55参考文献56附 录57兰州工业学院毕业论文第一章 绪 论1.1 研究背景风冷式变压器在生产生活中有广泛应用。但是，风冷式电力变压器绕组过热的问题，大大缩短了风冷式电力变压器的寿命，是运行和制造部门研究和解决的重要问题之一。随着变压器容量的增大，变压器的损耗同样会增大，单靠箱壁和散热器已不能满足散热要求，需采用子循环风冷或强迫油循环风冷，使热油经过强风冷却器，冷却后再用油泵送回变压器。大容量的变压器已经采用导向冷却，在绕组和铁心内部，设有一定的油路，使进入油箱内的冷油全部通过绕组和铁芯内部流出，这样带走了大量的热量，

9、可以提高散热效率。变压器冷却系统决定了变压器的正常使用寿命及能否正常运行，因此变压器的冷却系统对变压器的安全经济运行又极其重要的意义。在发电厂或变电所，风冷式变压器采用多组风机降温，控制变压器的油温在额定范围之内，保证变压器正常工作。为了提高电力系统运行的可靠性和延长变压器的使用寿命，应该对变压器的油温进行实时监控。电力变压器在运行过程中绝缘系统也一直承受着化学性质的老化，该过程是积累性的，并且能导致绝缘系统失去绝缘性能，危害电力设备的安全运行，缩短变压器的使用寿命，造成不必要的损失。保证电力变器绕组始终工作在设定的温度范围内，是提高变压器使用寿命，保证电力设备安全工作的重要措施。目前，还有许

10、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

11、、风机的顺序起停。 依据设计任务书的要求，设计选用了单片机PIC16F877构成变压器温度监控系统，设备操作简单，我们可以通过控制面板按键来设定风机起停、报警及跳闸阀值等等，所有设定参数在系统掉电后不会丢失。温度采集的精度很高，并且采取了多种方式来保护电机过载、缺相等故障。一般的工业现场的环境相对恶劣，使系统受到很大的干扰，设计中有抗干扰措施，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，可随时对各种事故做出及时地反映，以达到变压器的无人控制要求。系统整体具有分辨力高、抗干扰能力强、测温误差小的特

12、点，在器件的选择上也满足工业级标准，高温环境下工作正常。应用了多种保护方式，不但保证控制系统稳定工作，并且有很好的扩展性，对多种型号的变压器也是适用的。1.2 研究内容在我们的生活中，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

13、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，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。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)分析项目要求，收集电力变压器温度控制系统的控制原理的实际资料，以低成本为核心的温度控制系统的总体方案设计，系统的组成和工作原理，阐述温度控制系统的中各种监控保护电路在设计中的应用，以及如何以低成本完成这些电路的设计。(2)系统的硬件设计，介绍主要硬件的选型及主要特点，设计中的温度传感器Pt100的采样和信号处理。(3)各模块电路的设计及实现

14、，根据设计题目选择合适的电器元件实现各模块的电路要求，并实现各模块之间的通信，涉及到各模块的功能和工作原理。(4)为了使各模块正常可靠工作，设计符合要求的电源，并使的工作电源稳定可靠。(5)完成系统的各个模块和电源之后，需要通过程序和单片机实现软件的连接，则需要写出程序流程图，包括主程序流程图、中断子程序流程图和各模块子程序流程图。(6)完成必要的英文翻译和总体设计说明书。1.3 论文的组织结构论文全文共分为5大章，整体内容安排如下所述：第一章为绪论，主要说明了当前现有技术对风冷式电力变压器的保护所存在的问题和缺陷。并对整个论文进行概述，包括所要完成的任务及整个论文的结构。第二章是系统的总体方

15、案设计，并对设计方案进行论述。第三章是硬件电路模块的设计，主要有单片机的选型、振荡器的配置、温度采集电路设计、隔离电路的设计、键盘和显示电路、主回路设计、电源电路设计。第四章是软件部分的设计，有软件需求分析和各模块软件流程图。第五章为总结，通过毕业设计所学到的知识，并找出自己的不足之处。第二章 系统的设计方案2.1 系统工作的一般原理根据现有资料显示在传统的电力变压器中，每台变压器有需要控制多组风冷式电动机，通过热继电器对每组风机进行保护，利用接触器对风机电源回路进行控制，通过测量变压器的油温和变压器的过负荷来实现风机启停的逻辑判断，图2-1所示为工作原理。接触器作为主电路的控制元件，风机的驱

16、动是利用机械触点来实现。所以这种方式对风机的控制只能由人工完成，风机是同时全部投入或全部停止，启动时有很大的冲击电流，会对器件造成损伤。温度在45-55时，通常采用全部投入的方式，但不利于节能，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。风机缺乏必要的保护，系统运行的可靠性在实际运行中被降低，也不具有经济性。 三 相电 源接触器热继电器 风冷电机变压器过负荷变压器油温检测机电逻辑处理系统图2-1 传统风冷机工作原理图2.2 智能温度监控系统的设计方案由于设计是以单片机为核心完成系

17、统的设计，并且要求对油温进行实时采集，将采集结果送入MCU进行处理，按照设计任务书中的要求进行相应的控制，可以实现对变压器温度的全自动远程和就地监控，并且要具有完善的保护功能，即变压器中的各种故障和保护，还要具备故障自诊断功能，在故障出现时，发出故障信号，显示故障类型，可以使工作人员及时进行检修；在与中心控制室之间的数据通信使用的是无线通信方式，并与变压器控制器连接。可以随时了解变压器及风机运行情况，实现远程温度控制。整个设计包括系统设计，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

18、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。方案设计PT100是一个温度传感器,是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在 -200 至650 的范围。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，经处理后直接送入控制器的A/D转换输入端，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。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。显示电路采用MAX7219，其只需要三根线就可控制八个数码管，特别适用于需要I

19、/O口较多的系统。采用PIC16F877单片机，处理器具有不同于一般微处理器的特性，它给出最大系统可靠性，外部元件使用较少。并具有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；CCP模块可提供内部比较输出、外部信号的捕捉、及脉宽调制PWM功能；中断源多，有看门狗定时器和睡眠功能；还可以在线串行编程并调试。显示电路采用MAX7219，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。MAX7219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

20、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。通过无线通信芯片nRF401传输信号到控制室。以便对现场情况及时做出反应。nRF401 是一个433 MHz 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20 kb/ s，发射功率可调, 最大发射功率10 dBm,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。而且芯片所需的外部器件较少。2.3

21、 设计方案论述单片机选用了PIC16F877，具有高性能、高可靠性、端口多等优点。温度检测电路使用内置的铂电阻来检测温度变化，硬件电路较为简单，光电隔离使用线形光耦，具有较好的性能，抗干扰能力较强，显示电路使用MAX7219只占用三个I/O口连线较少，容易实现。通信芯片nRF401,其通信距离远，且不用编码，软件较容易实现。另外本方案还具有很好的经济性和可扩展性，可满足各种不同变压器的要求。综上所述，本方案具有较高的性价比。根据设计方案的说明可以看出，此方案具有较好的抗干扰性，可扩展，经济性较好，而且采用无线通讯，具有较高的性价比。具体的硬件框图如图2-2所示。PIC16F877单片机按键输入

22、电 源变压器油温采集模块主回路控制模块nRF401通讯电路LED显 示电路光电耦合电路图2-2 温度控制系统结构框图如上系统框图所示，本设计以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。温度检测电路通过预埋在变压器中的铂电阻传

23、感器获得油温信号，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，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。nRF401 是一个433 MHz 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20 kb/ s。发射功率可调, 最大发射功率10 dBm,接收灵敏度-

24、 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3.1 单片机的选型设计是以单片机为核心完成的，所以合适的单片机关系到整个系统能否正常工作。系统设计中有多个硬件电路要与单片机连接，则需要多个I/O口，所以单片机采用PIC系列微控制器。PIC系列单片机具有以下几个大的特点：(1)采用哈佛结构。在国内最常见的单片机中，PIC系列单片机是唯

25、一一种在芯片内部采用哈佛结构的机型。这里所说的“哈佛结构”就是，在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并且采用不同的宽度。这样做的好处是，便于实现“流水作业”，也就是在执行一条指令的同时对下一条指令进行取指操作，而在一般的单片机中，指令总线和数据总线是共用的。 (2)指令的“单字节化”。因为数据总线和指令总线是分离的，并且采用了不同的宽度，所以程序存储器ROM和数据存储器RAM的寻址空间是互相独立的，而且两种存储器宽度也不同。这样设计不仅可以确保数据的安全性，还能提高运行速度和实现全部指令的“单字节化”。在此所说的“字节”，特指PIC单片机的指令字节，而不是常说的8比特字节。例如，PIC12C5

26、0/ PIC16C5系列单片机的指令字节为12比特；PIC16C6/ PIC16C7/ PIC16C8系列的指令字节为14比特；PIC17C系列的指令字节为16比特。它们的数据存储器全为8位宽。而MCS51系列单片机的ROM和RAM宽度都是8位，指令长度从1个字节（8位）到3个字节长短不一。 (3)精简指令集（RISC）技术。PIC系列单片机的指令系统只有35条指令。这给指令的学习、记忆、理解带来很大的好处，也给程序的编写、阅读、调试、修改、交流带来极大的便利，真可谓“易学好用”。而MCS51单片机的指令系统共有111条指令，MC68HC05单片机的指令系统共有89条指令。PIC系列单片机不仅

27、全部指令均为单字节指令，而且绝大多数指令为单周期指令，以利于提高执行速度。(4)寻址方式简单。寻址方式就是寻找操作数的方法。PIC系列单片机只有4种寻址方式（即寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址，以后将作详细解释），容易掌握，而MCS51单片机则有7种寻址方式，68HC05单片机有6种。(5)代码压缩率高。 1K字节的存储器空间，对于像MCS51这样的单片机，大约只能存放600条指令，而对于PIC系列单片机则能够存放多达1024条指令条数。PIC16C5是一种最节省程序存储器空间的单片机。也就是说，完成相同功能的一段程序所占用的空间，MC68HC05是PIC16C5的2.24倍。(6

28、)运行速度高。由于采用了哈佛总线结构，又由于指令的读取和执行采用了流水作业方式，PIC系列单片机的运行速度大大提高。PIC系列单片机的运行速度远远高于其它相同档次的单片机。在所有8位机中，PIC17C是目前世界上速度最快的品种之一。(7)功耗低。PIC系列单片机的功率消耗极低，有些型号的单片机在4MHz时钟下工作时耗电不超过2mA，在睡眠模式下低到1A以下。(8)驱动能力强。I/O端口驱动负载的能力较强，每个I/O引脚吸入和输出电流的最大值可分别达到25mA和20mA，能够直接驱动发光二极管、光电耦合器或者微型继电器等。(9)寻址空间设计简洁。PIC系列单片机的程序、堆栈、数据三者各自采用互相

29、独立的寻址（或地址编码）空间，而且前两者的地址安排不需要用户操心，这会受到初学者的欢迎。而MC68HC05和MC68HC11单片机的寻址空间只有一个，编程时需要用户对程序区、堆栈区、数据区和I/O端口所占用的地址空间作精心安排，这样会给高手的设计上带来灵活性，但是也会给初学者带来一些麻烦。(10)外围电路简洁。PIC系列单片机片内集成了上电复位电路、I/O引脚上拉电路、看门狗定时器等，可以最大程度地减少或免用外围器件，以便实现“纯单片”应用。这样，不仅便于开发，而且还可节省用户的电路板空间和制造成本。(11)开发方便。通常，业余条件下学习和应用单片机，最大的障碍是实验开发设备昂贵，使许多初学者

30、望而却步。微芯片公司及其国内多家代理商，为用户的应用开发提供了丰富多彩的硬件和软件支持。有各种档次的烧录器（或称编程器）和硬件仿真器出售，其售价大约从500元到2000元不等。此外，微芯片公司还研制了多种版本的软件仿真器和软件综合开发环境（MPLABIDE），为爱好者学习与实践、应用与开发的实际操练提供了极大的方便。对于PIC系列中任一款单片机的开发，都可以借助于一套免费的软件综合开发环境实现程序编写和模拟仿真，再用任何一种廉价的烧录器完成程序烧写，便形成一套经济实用的开发系统。它特别适合那些不想过多投资购置昂贵开发工具的初学者和业余爱好者。借助于这套廉价的开发系统，用户可以完成一些小型电子产

31、品的研制开发。PIC单片机是一种最为适合、最容易接近的单片机。在PIC系列单片机中，PIC16F873是微芯片公司于1998年底推出的一款特色鲜明的新产品，它除了具有上述特点之外，还有一个最重要的特点，就是它可以实现在线调试和在线编程。这是MCS51 和MC68系列单片机所不具备的,学会其中一款就基本上等于认识了这四兄弟，所以我们先在其中挑一款相对简单的型号向大家介绍。总体上讲，论本领、威力或者性能的话，在众多的PIC单片机家族成员中，PIC16F87占据着中上等水平。有的初学者可能要问，既然PIC系列中还有更简单易学的品种，该型号具备让人接近的良好途径在线调试和在线编程。借助于这项独特的性能

32、，我们可以边学边练，学用结合。在与其他型号单片机进行比较之后，选择了PIC16F87X系列的PIC16F877单片机为设计所需的单片机型号，与其他3种单片机性能对照表如表3-1所示。表3-1 四种单片机性能比较表主要特征PIC16F873PIC16F874PIC16F876PIC16F877工作频率DC20MHzDC20MHzDC20MHzDC20MHz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/K4488数据存储器/字节192192368368EERROM数据存储器/

33、字节128128256256中断13141314I/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3333捕捉/比较/脉冲调制（PWM）2222串行通信MSSP，USARTMSSP，USARTMSSP，USARTMSSP，USART并行通信-PSP-PSP10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35353535表3-1中的单片机由Microchip公司生产开发的新产品。具有368字节的数据存储器（RAM）；8K字（14位字长）的FIASH程序存储器；256字节的EEPROM数据存储器；14个内部/外部中断源。工作

34、速度：DC20MHz时钟输入，是类高性能RISC CPU，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，DC200ns指令周期。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）方式。低功耗型：在4MHz时钟下，电源电压为5V时，典型工作电流值小于2ma。并可选择不同的振荡器工作方式，有高速，低功耗CMOS FLASH/EEPROM技术。通过两个引脚可进行在线调试，外部电源只需要5V直流电源，通过两个引脚可

35、进行在线调试，处理器有通道能对程序存储器进行读/写。单片机有宽范围的工作电压：2.05.5V；在32kHz时钟下，电源电压为3V时，典型待命状态电流值小于1A；典型工作电流值小于20A，最大拉电流/灌电流可达25mA，符合工业级和商用级的工作温度范围。外围功能模块特性：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）。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

36、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。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）复位（BOR）的锁定检测电路。具有地址第九位检测的通用异步接收器和发送器（USART/SCI）。对以上对单片机的介绍可以看出，PIC单片机性能高，而且自身带有10位多通道A/D转换器，在温度检测信号后就不需要设计专门电路来进行A/D转换，所以应用电路比较简单，本设计中就选用了PIC16F877单片机作为主芯片。3.2 振荡器配置选择振荡器在应用具体起到的作用，微控制器的时钟源可以分为两类：基于机

37、械谐振器件的时钟源，如晶振、陶瓷谐振槽路；RC（电阻、电容）振荡器。一种是皮尔斯振荡器配置，适用于晶振和陶瓷谐振槽路。另一种为简单的分立RC振荡器。基于晶振与陶瓷谐振槽路的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温度系数。在本次设计中，我们需要用到振荡器，下面对振荡器做个初步的了解介绍。PIC16F87X系列芯片在4种不同的类型的振荡器方式下都能工作，可以通过对配置寄存器中的振荡器选择位FOSC0和FOSC1进行编程选择工作方式。(1) LP方式： 低功耗晶体振荡器方式；(2) XT方式： 晶体/陶瓷谐振器方式；(3) HS方式： 高速警惕/陶瓷谐振器方式；(4) RC方式： 阻容振荡器方式。

38、3.2.1 晶体振荡器/陶瓷谐振器功能作用RC振荡器能够快速启动，成本也比较低，但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差，会在标称输出频率的5%至50%范围内变化。但其性能受环境条件和电路元件选择的影响。需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局。在使用时，陶瓷谐振槽路和相应的负载电容必须根据特定的逻辑系列进行优化。具有高Q值的晶振对放大器的选择并不敏感，但在过驱动时很容易产生频率漂移（甚至可能损坏）。影响振荡器工作的环境因素有：电磁干扰（EMI）、机械震动与冲击、湿度和温度。这些因素会增大输出频率的变化，增加不稳定性，并且在有些情况下，还会造成振荡器停振。上述大部分问题都可以通过使用振荡

39、器模块避免。这些模块自带振荡器、提供低阻方波输出，并且能够在一定条件下保证运行。最常用的两种类型是晶振模块和集成RC振荡器（硅振荡器）。晶振模块提供与分立晶振相同的精度。硅振荡器的精度要比分立RC振荡器高，多数情况下能够提供与陶瓷谐振槽路相当的精度。选择振荡器时还需要考虑功耗。分立振荡器的功耗主要由反馈放大器的电源电流以及电路内部的电容值所决定。CMOS放大器功耗与工作频率成正比，可以表示为功率耗散电容值。比如，HC04反相器门电路的功率耗散电容值是90pF。在4MHz、5V电源下工作时，相当于1.8mA的电源电流。再加上20pF的晶振负载电容，整个电源电流为2.2mA。陶瓷谐振槽路一般具有较

40、大的负载电容，相应地也需要更多的电流。相比之下，晶振模块一般需要电源电流为10mA 60mA。硅振荡器的电源电流取决于其类型与功能，范围可以从低频（固定）器件的几个微安到可编程器件的几个毫安。一种低功率的硅振荡器，如MAX7375，工作在4MHz时只需不到2mA的电流。在特定的应用场合优化时钟源需要综合考虑以下一些因素：精度、成本、功耗以及环境需求。 图3-1 LP、XT和HS的石英/陶瓷振荡器注： (1)C1和C2的推荐值见表3-2和表3-3。(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3-2 外部时钟输入工作方式表 3-2 陶瓷谐振器测试范围类型频率O

41、SC1/pFOSC2/pF XT455kHz68100681002MHz156815684MHz15681568 HS 8MHz1068106816MHz10221022以上值仅为推荐值所使用的谐振器455kHzPanasonicEFOA455K04B0.3%2MHzMurata Erie CSA2.00MG0.5%4MHzMurata Erie CSA4.00MG0.5%8MHzMurata Erie CSA8.00MT0.5%16MHzMurata Erie CSA16.00MX0.5%所有谐振器都不带内部电容值表3-3 石英晶体振荡器的电容选择OSC类型频率C1/pFC2/pF LP32

42、kHz3333200kHz1515 XT200kHz476847681MHz15154MHz1515 HS4MHz15158MHz1533153320MHz15331533以上值仅为推荐值所使用的石英晶体32kHzEpson C001R32.768K-A20200kHzSTD XTL 200.00kHz201MHzESC ESC-10-13-1504MHzESC ESC-40-20-1508MHzEpson CA-301 8.000MC3020MHzEpson CA-301 20.000MC303.2.2 RC振荡器RC振荡电路工作原理输出电压 uo经正反馈（兼选频）网络分压后，取uf作为同相

43、比例电路的输入信号ui。(1)起振过程图3-3 起振过程(2)稳定振荡图3-4 稳定震荡(3)振荡频率振荡频率由相位平衡条件决定。A= 0，仅在 f0处 F = 0 满足相位平衡条件，所以振荡频率f0= 1/2RC。改变R、C可改变振荡频率，RC振荡电路的振荡频率一般在200KHz以下。(4)起振及稳定振荡的条件考虑到起振条件AuF 1, 一般应选取 RF略大2R1。如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严重失真。由运放构成的RC串并联正弦波振荡电路不是靠运放内部的晶体管进入非线性区稳幅，而是通过在外部引入负反馈来达到稳幅的目的。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

44、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3-5是PIC16F877芯片与外部振荡电容和电阻连接的电路图。 图3-5 RC振荡器工作方式复位推荐值：3kRext100k； Cext20pFPIC16F877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

45、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3-4为不同复位方式下的上电延迟时间。表3-5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

46、定发生复位的方式。表3-4 不同情况下的上电延迟时间振荡器配置 上电掉电锁存休眠唤醒=0=1XT、HS、LP72ms+10241 02472ms+10241 024RC 72ms - 72ms表3-5 状态寄存器STATUS的位和它们的意义说明0X11上电复位（POR）0X0X无效，在上电复位时，被设置为10XX0无效，在上电复位时，被设置为11011掉电锁存复位（BOR）1101WDT复位1100WDT唤醒复位11UU在正常运行时复位1110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，振荡电路

47、与单片机的连接电路图如图3-10所示，OSC1和OSC2的电容选择了30pF。3.3 温度采集电路模块设计温度检测电路电阻式温度检测器是一种物质材料作成的电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟著上升就称为正电阻系数,如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。大部分电阻式温度检测器是以金属作成的,其中以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,最为稳定耐酸碱、不会变质最受工业界采用。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,可广泛用于温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备

48、等工业、民用、军事领域中。DS18B2引角分布图如图3-6所示。DS18B20具有体积小、接口方便、传输距离远等特点；温度报警功能，可设置最高和最低报警温度，且设置值掉电不丢失；DS18B20能够直接从数据线获得电源，无需外部电池供电；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；单总线数字传感器工作温度范围是-55125，在-3085范围内温度测量精度为2。图3-6 DS18B20引脚分布图DS18B20组成部分有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。GND为电源地， VDD为外接供电电源输入端，I/O为数字信号输入/输

49、出端（在寄生电源接线方式时接地）。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。为了在硬件上实现，设计不采用模拟集成温度传感器和智能光刻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。集成温度传感器，而是使用变压器内部铂电阻作为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性能稳定、调试容易、精度高、实用性强、对器件要求不高的

50、特点。其检测电路图如图3-7所示。图3-7 电桥型温度检测电路图3-8 参考电压源电路在图3-7中，R1=R2=R4=R5=R6=1K,R3 =10K,R7=100。图3-8中REF192是AD公司的精密参考电压源,输出为+2.5V,即VREF=VD=+2.5V,故VA=VD(1+ R2/ R3) = +2. 5(1 + R2/ R3)。该电路的另一个优点是调试简单,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。电流流过铂电阻会引起铂电阻温度升高,这个过程称为自加热现象,使测量带有一定的误差,为了减小这种误差,就要减小流经铂电阻电流,可以通过减小电压和适当选取R4 的阻值实现

51、。而电压由参考电压VREF 和R2/ R3 的值共同决定, R2/ R3 的值也要比较低，此外，应选择输出电压比较低的参考电压源。3.4 光电隔离电路光电隔离电路的作用是在电隔离的情况下,以光为媒介传送信号，对输入和输出电路可以进行隔离，因而能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等好处，使其在强-弱电接口，特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。电压、电流、温度、压力、应力及流量等测量是工业及过程控制应用中的重要组成部分。此类应用环境常会涉及危险级电压、瞬态信号、共模电压及不稳定地电位，可能会损坏测量系统，降低测量精度。为了克服以上缺陷，工业应用

52、中的测量系统设计会加入电气隔离。图3-9为光耦隔离应用电路。图3-9 光耦隔离应用电路3.5 按键输入和显示电路部分设计3.5.1 按键输入电路模块设计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。需要有外部输入使其恢复正常，单片机监控电路主要有监控和看门狗两个功能。由电路图图3-10可知，SET键为温度范围设定开始键，UP 为温

53、度的递增键，DOWN 为温度的递减键，每按下一次，温度变化一度。所以设计时共用了四个按键，其中一个为清除键，三个为温度设定键，并且共用一个键盘服务程序。当SET键按下时系统进入键盘服务子程序，表明进入温度的设定状态，设置的初始温度是4555，对于温度的设定是在这个基础上进行递增或递减，再次按下SET键时，表明进入上限值的设定，由UP键/DOWN键对温度值进行调整，如果不需要设定温度值，则按取消键退出，在连续按下SET键三次之后，系统进入下限值的设定。3.5.2 显示电路部分设计1.MAX7219驱动数码管接口电路MAX7219是MAXIM公司生产的串行输入/输出共阴极数码管显示驱动芯片，一片M

54、AX7219可驱动8个7段（包括小数点共8段）数字LED、LED条线图形显示器、或64个分立的LED发光二级管。该芯片具有10MHz传输率的三线串行接口可与任何微处理器相连，只需一个外接电阻即可设置所有LED的段电流。它的操作很简单，MCU只需通过模拟SPI三线接口就可以将相关的指令写入MAX7219的内部指令和数据寄存器，同时它还允许用户选择多种译码方式和译码位。此外它还支持多片7219串联方式，这样MCU就可以通过3根线（即串行数据线、串行时钟线和芯片选通线）控制更多的数码管显示。主要包括移位寄存器、控制寄存器、译码器、数位与段驱动器以及亮度调节和多路扫描电路等。MAX7219采用串行接口

55、方式。 DIN管脚上的16位串行数据包不受LOAD状态的影响,在每个CLK的上升沿被移入到内部16位移位寄存器中。然后,在LOAD的上升沿数据被锁存到数字或控制寄存器中。LOAD必须在第16个时钟上降沿或之后,但在下一个时钟上升沿之前变高,否则数据将会丢失。DIN端的数据通过移位寄存器传送。MAX7219的串行数据标记为D15D0,其中低8位表示显示数据本身,最高的4位D15D12未使用,寻址内部寄存器的地址位占用D11D8,选择14个内部寄存器。分为可寻址数字和控制寄存器。其中的8个数字寄存器由一个片内88双端口SRAM实现。它们可直接寻址,因此可对单个数进行更新并且通常只要V+超过2V数据

56、就可保留下去。除8个数位寄存器之外,还有无操作、译码方式、亮度调整、扫描位数、睡眠模式和显示器测试6个控制寄存器。图3-10 按键输入电路图主要特性：(1)24管脚封装(2)数字化的光亮控制(3)BCD译码与段码两种模式选择(4)驱动共阴极LED显示(5)独立的LED段码控制(6)150A的低功耗关闭模式MAX7219和单片机连接有三条引线，接收方式采用16位数据串行移位。也就是说单片机将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MAX7219内移位寄存器，当移入完16位数据后，在LOAD引脚信号上升沿将16位数据装入MAX7219内的相应

57、的存储位置，在MAX7219内部硬件动态扫描显示控制电路作用下实现动态显示。图3-11 MAX7219的时序图MAX7219的数据传输时序如图3-11所示，在时钟脉冲CLK上升沿的作用下，依次从DIN端把16位串行数据输入到MAX7219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MAX7219。图3-12 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

58、温度大小，由MAX7219驱动的3个七段数码管的接口电路如图3-12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MAX7219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33 K欧姆的电阻。2.运行及故障显示电路如图3-14所示为了能够使系统正常工作，需要对系统的运行状态进行实时监控，在系统中设置了三套监测与指示装置，变压器的安装现场有一套，这些装置可以方便的看到系统状态，装置由检测故障的继电器的常开或常闭触点、控制风机起停的接触器组成。出现故障时，在故障显示电路中，过载故障显示是当其

59、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。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。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，

60、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，则指示风机处于正常运行状态。CC4078芯片的引脚排列图如图3-13所示。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。图3-13 CC4078芯片的引脚排列图引出端功能说明：AH 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3V15V，输入电压的范围是0Vdd，在本控制回路中电源电压是5V，满足电路设计要求。图3-14

61、 风机故障显示电路3.6 无线通信系统的设计通信电路采用无线通信芯片来完成。无线通信芯片种类繁多。根据设计任务书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，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。nRF401芯片使用433MHzISM频段,是一种单片UHF无线收发一体芯片, 他包括了PLL合成、高频发射、高频接收、多频道切换、FSK调制、FSK解调等, 在一个芯片中20个管脚，是目前集成度最高的无线数传产品。nRF401无线收发芯片是挪威 Nordic公司推出的。nRF401无线收发芯片的结构框图如图3-15所示，nRF401 的工作过程为: 系统在发射开始时首先发射同步信息,接收/发射双方同步,在同步结束后传输目的地址,然后传送所采集的数据。接收模块总是先接受码流中的同步信息,系统一旦收到同步信息后立即进行位同步,获