供配电系统高压设备运行温度多点检测系统设计说明

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1、 .供配电系统高压设备运行温度多点检测系统设计摘要开关柜是重要的输配电设备，在电力系统中起着非常关键的作用。在设备长期运行中，由于触头老化或超负荷运行，容易导致局部温度过高，如果没有与时排除，最终将引发火灾等事故。因此，对开关柜进行监测具有重要意义，尽量做到提早预防、提早发现、与时处理。本文给出的开关柜温度在线监测系统设计，采用红外温度传感器采集开关柜母线排温度，所得的模拟信号经过A/D转换后送到现场控制单元，由微处理器对数据进行处理。最终得到的温度值由液晶屏显示。控制单元根据设定值判断温度是否超限，若超限则启动报警装置。数据通过RS-485串口通信上传到管理计算机，实行远程监控。系统传感器、

2、电路板工作所需电源都由板上集成的电源模块供给，与外接电源隔离，RS-485通信采用光电隔离处理。在处理温度数据时，采取多次测量，去掉最大、最小值后取平均值的方法，数据传送采用偶校验。监控软件可以实时采集数据，并进行显示、存档和对比处理，具备记录、报警、打印、设置等功能。系统使用MFC开发温度监控软件，数据存储采用目前实时通信系统中比较常用的关系型数据库Access 2000，采用ADO访问技术。关键词: 开关柜；在线实时监测；传感器；A/D转换37 / 42AbstractSwitchgear is one of the most important parts of the electric

3、 system. But there are always some accidents here because of the high temperature. We all know that the current gets across the resistance will heat the equipments. When the temperature exceeds the limt then a fire happens which causes a lot of damage. Also the temperature goes too high is a signal

4、of the error of the equipment which is the base of the electric system. Therefore, monitor system means a lot to the electric system. It can ensure the electric system to work well. This system is based on the microcontroller MSP430F149, using IR temperature measurement technology. The AD7656 transf

5、ers analog inputs into digital outputs and then passes to MSP430F149. Using micro-processor to process the frequency signal of infrared temperature sensors and to display the temperature, and give an alarm according to the rising temperature of switchgears measuring part. The monitoring system sends

6、 temperature data to computer through RS-485.The power supply of the system is isolated from the outside.Also RS-485 communication is optical isolated. The final temperature is an average of several measurements, except the largest and the smallest data. Verifying even when the data is transferd to

7、the computer. The software of on-line real-time monitoring for temperature can show the temperature real-time, analyse the data, give an alarm, save the data, and so on. The system can notify the workers about the alarm in time to avoide the accident. The software is empoldered using MFC. The temper

8、ature is saved to the Access 2000 database. The software uses ADO technique to read the data from the database.Key words: switchgear; on-linereal-time;sensor；AD conversion目录摘要IAbstractII1 绪论11.1选题目的与意义11.2 研究技术现状11.3 主要容和安排22 红外测温原理和方案设计42.1 红外测温原理42.2 红外测温影响因素52.3红外测温系统组成结构62.4系统总设计方案62.5硬件功能72.6软件

9、功能8本章小结83 系统硬件设计103.1设计方案103.2器件选型103.3各功能模块电路设计123.4 PCB设计173.5本章小结184 现场控制软件单元设计194.1开发环境简介194.2程序总体设计204.3.数据采集214.4数据处理224.5 LCD显示224.6中断处理234.7偶校验函数244.8 本章小结245 上位机监控软件设计255.1监控界面简介255.2各功能模块设计255.3本章小结286 总结与展望296.1工作总结296.2 展望29致30参考文献31附录A:外文翻译-原文部分33附录B：外文翻译-译文部分35附录C:硬件PCB图371 绪论1.1选题目的与意

10、义近年来红外测温技术被越来越多的企业和厂家所认识和承受，在冶金、石化、电力、交通、水泥、橡胶等行业得到了广泛的应用。红外测温具有如下优点：(1)、不需要接触被测物体，不会扰乱被测物体的温度场，不影响温场分布，从而具有较高的测量准确度；(2)、在测量过程中，光电器件不必和被测介质达到热平衡，所以测量速度快，因而能检测温度的迅速变化过程，并能测量运动物体的温度；(3)、测温围广，采用红外承受器件，可以测量相当高的温度，下限可测量-170；(4)、测量距离可近可远，近者可达几厘米，甚至更小，远者可达近百公里；(5)、可以测量小面积的目标，目前可测量出直径小至7.5m的目标温度；(6)、测量对象以黑体

11、最为适宜，但也可以测量一般物体。正是这些优点使得红外测温技术得到越来越受到广泛的应用，该技术在温度测量领域具有不可替代的优势。随着电力系统的大容量化、高电压化、结构复杂化、用电客户对电网稳定性提出越来越高的要求，供电控制设备的安全运行对社会生产具有非常重要的作用。因此对供电控制设备进行实时的状态监测十分必要。电力系统中，开关柜的应用相当广泛，担负着开合电气设备、保护设备安全的双重重任，其部导电连接处的接触特性直接影响到控制器件工作的可靠性。开关柜由许多继电器和强电控制器组成，在设备长期运行过程中，会出现接触点老化、接触不良、接线柱松动等情况。这些情况容易导致设备局部发热或者产生电弧，烧蚀周围部

12、件，造成设备损坏、停电事故甚至引发火灾，给工厂、企业单位、国家等造成巨大经济损失。为了确保电力系统的安全运行，最大程度地降低事故发生率，需要对开关柜关键部位的温度进行在线监测，达到对设备运行情况的实时了解，以减少设备故障次数，防止重大安全事故的发生。本文针对该问题旨在设计实现一套基于红外测温传感器的温度监测系统。1.2 研究技术现状1.2.1 开关柜测温技术研究开关柜大多处于高温、高压、强电场、强电磁环境中，要实现对它的温度测量，必须保证测量装置在上述恶劣环境条件下具有较强的适应能力。目前开关柜测温方式大多采用接触式测温和非接触式测温两种形式。接触式测温是通过设在测量点的温度传感器直接测量温度

13、，有热电偶间接测温法、集成温度传感器测温法等。非接触式测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，有红外传感器测温法、光纤温度传感器测温法等。接触式测量的优点在于测量点位置不受限制，传感器安装布局灵活、简单、可靠，且测量精度高。其缺点在于必须要求传感器在高温、强电场、强磁场环境条件下具有较强的可靠性，还必须解决传感器与采集部分的高压隔离以与传感器自身的工作电源问题。而且由于测温元件需与被测介质接触后进行热交换，才能达到热平衡，从而具有一定的安全隐患。另外，接触式传感器受到耐高温材料的限制，接触式测温不能应用于很高温度的测量。非接触式测温的优点在于接收器(传感器)可远离被测对象

14、，解决了高压隔离以与传感器环境温度高的问题，测温速度较快，不会破坏被测物体的温度场。其缺点是只能测量在传感器视角围的测量点的温度，且受到物体的发射率，被测对象到测量装置之间的距离，烟尘和水汽等其它介质的影响，一般测温误差较大。上述两种测温形式常用的方法有贴色片测温法、热敏电阻式测温、光纤测温、红外辐射测温法。贴色片测温根据色片颜色随温度的不同而发生变化的原理来实现温度的测量，测温准确度低，可靠性差。热敏电阻式测温系统在开关柜部恶劣的环境下具有很大的误差，布线复杂且易损坏、维护量大。光纤测温是将光纤作为温度传感器，通过温度变化调制透过光纤的光强来确定温度，对光源、发射和接收电路的技术和稳定性要求

15、高，测量速度慢、空间分辨率低、系统实现困难。光纤测温的另一种形式是以半导体温度传感器作为探头，光纤作为传光介质，该方法缺点在于测量装置大，减小了开关柜的绝缘空间，给开关柜的安全运行带来隐患，另外还需要外加工作电源，更换电源时需停电，影响系统的运行。红外辐射测温法，是通过感知被测目标的温度变化对应红外辐射变化来确定其温度，也是一种非接触测量方式，其测量结果受环境影响大，准确度较低，可通过大量实验数据对测量结果进行校正。1.2.2国外研究状况目前国外对高压开关柜温度的测量同样通过上述两种方式来实现。国外的ABB配电公司开发了一种名为“SafeGuard”的温度监测系统，用于对高压开关柜的关键部位进

16、行连续不断的温度测量。其原理是采用一个SAW元件直接安装在测量点上作为温度传感器，利用传感器的信号通过振荡电路产生一个频率与温度相关的脉冲信号，使用微处理器进行数据分析，实现与PC机监测的连接。整个系统采用全数字化设计以抑制强电磁场干扰，并用微机联网对高电位上三相多点的温度实行二十四小时连续集中遥测和实现过热报警。我国安伏电子技术开发的SCAN-3000分布式光纤测温系统，该系统采用一种由光纤传输温度信号的高技术传感器，为一种非接触式测量。由于光纤的高绝缘性能，使其在高压电器设备方面有着广泛的应用领域，如中高压电缆接头的运行温度在线监测、母线连接点的运行监测、主变压器部有载分接开关连接处的运行

17、温度监测、避雷针等其它设备的温度监测。SCAN-3000分布式光纤温度监测系统能实现高压运行部件的在线监测，与传统的蜡片和色温法相比，具有良好的实时性和稳定性，但是存在光纤沿表面放电的问题，需要很长的沿面放电时间，所以存在一定的缺陷。鉴于以上分析，有必要研究一种应用于高压开关柜设备温度在线监测装置，不仅要实现高压隔离，温度实时监测，而且还要解决传感器环境温度高、电磁干扰等问题。1.3 主要容和安排本系统采用红外温度传感器对开关柜温度进行采集，大大提高了安全性。随着科技、工艺的进步，以前局限红外温度传感器应用的一些缺点已经得到改善，系统采用的红外测温仪IPTP-SOOLS体积小，性能好，加上配合

18、使用高精度的A/D转换芯片，多次采集并去掉最大、最小值，再取平均值来减小误差，测量结果比较精确。论文所研究的开关柜温度在线实时监测系统，主要由三部分构成:温度数据采集、单片机数据处理和上位机监控软件部分。每个开关柜放置6个红外测温探头，分别采集柜各隔离开关触点的温度，通过AD转换单元将数据送至单片机，单片机再将数据根据转换公式转换为温度值，送LCD显示并储存，若上位机查询数据则将储存的数据通过RS-485总线送到上位机。多个这样的系统可以联网同时工作，每个开关柜都有一个独立编号，上位机可以在线实时循环查询各个开关柜各触点的温度，温度分辨率可以达到16bit。上位机对每个触点的温度进行数据存储，

19、实时分析，如果温度超过上位机设置的报警温度，上位机将提醒使用者并生成温度报警记录。开关柜温度监测系统的系统软件由在线监测和实时分析两部分组成。软件具有在线采集、监测、分析现场温度的功能，这些分析包括超温分析、温升分析、相间温差分析等，并能作出报警、对比等处理。软件还具有历史记录分析、查看、打印等功能。 论文的主要工作是:根据上述系统要求，选择适宜的器件，设计硬件电路，制版、焊接并调试，编写现场控制单元软件以与上位机监控界面。本文章节安排如下:第一章:主要介绍本论文的相关背景、研究现状、研究目的、主要容。第二章:详细介绍红外测温原理、误差分析。给出了系统总体框架图，对各部分的功能进行简要介绍。第

20、三章:主要介绍了系统硬件部分的设计实现，包括原理图的设计、电路焊接、调试。 第四章:主要介绍了现场控制单元软件的设计，其中应用的一些算法和一些功能函数的实现，同时简要介绍了单片机的开发环境和仿真器的使用。第五章:主要介绍了系统上位机监控软件界面的设计。第六章:对本课题系统的设计过程进行了总结，就目前仍存在的问题，提出了改进的方向和一些实施方法。2 红外测温原理和方案设计2.1 红外测温原理自然界中凡是温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射，辐射通量密度是物体温度的函数，且与物体本身发射能力有关。物体所发出的红外辐射能量的强度与其温度成比例。物体的温度越高，所发出的红外辐射能量越强。红外传感器经

21、汇聚的红外光照射后产生信号，该信号传到处理电路，处理电路对其进行处理并计算出物体的温度。2.1.1斯蒂芬-波尔兹曼定律温度为T的物体，其辐射出射度M(,T)(辐射源在单位面积上向半球空间发射的总辐射功率，单位为W/CM2)由温度决定。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，由下式求出： (2-1)式中为斯蒂芬波尔兹曼常数；T为物体热力学温度。2.1.2维恩位移定律在任意温度下，黑体光谱辐射通量最大值所对应的峰值波长与温度T乘积为一常数，这就是维恩位移定律，即 (2-2)其中m为光谱辐射出射度的峰值波长；为一常数。因此，光谱辐射出射度的峰值波长与绝对温度成反比。2.1.3基尔霍夫定律任何物体都不断发出和吸收辐

22、射能量。当物体从周围吸收的能量功率恰好等于自身辐射减小的能量功率时达到热平衡。于是，辐射体可以用一个确定的温度来描述。物体辐射度M(,T)和吸收比(,T)的比值与物体的性质无关，只是波长和温度的普适函数：(2-3)不同的物体对外来辐射的吸收，以与它本身向外的辐射都不相同。根据吸收比定义可知吸收比是被物体吸收的辐射通量与入射的辐射通量之比，它是物体温度与波长等因素的函数。当(,T)=1时，这种物体被定义为绝对黑体。换言之，绝对黑体是能够在任何温度下，全部吸收任何波长的入射辐射的物体。在自然界中，理想的黑体是没有的，吸收比总是小于1。2.1.4普朗克定律单位面积的黑体在半球面方向上单位时间里光谱辐

23、射能量是黑体温度T和波长的函数，这就是普朗克定律。它给出了绝对黑体辐射的光谱分布其中M(,T)为绝对黑体的辐射出射度；T为绝对温度；为波长；C1为第一辐射常数；C2为第二辐射常数。此外红外辐射，又称红外线，是物质分子在其振动状态发生改变时辐射出的电磁波，其波长在0.76m到1000m之间。红外辐射是不可见光，但是具有较强的热效应。由以上相关理论可得到实际测量物体温度与其红外辐射度的关系为： (2-4)式中为物体表面的发射率；为斯蒂芬波尔兹曼常数；T为物体热力学温度。因此由式(2-4)可得，被测目标的温度。2.2 红外测温影响因素2.2.1待测目标辐射率通过以上原理描述可知辐射率的大小决定了物体

24、的红外能量幅出度与被测物体实际温度紧密相关。辐射率是指一般物体相对于黑体的辐射能力大小的物理量，与物体的材料形状、凹凸度、表面粗糙度等因素有关，另外也与测量的方向有关。不同物质的辐射率是不同的，红外测温装置从被测物体上接收到的辐射能量大小正比于它的辐射率。2.2.2待测目标尺寸红外温度传感器都有一个测量视角，测温装置的精度与被测物体尺寸和传感器视角相关。使用红外测温装置测温时，通常只能测定被测目标表面上某一确定面积的平均值。待测物体的尺寸与传感器视角有以下几种关系：1、当待测物体尺寸小于测试视角时，被测物体周围事物辐射的能量就会进入传感器的测量区域，干扰测温数据，造成误差。最终得到温度信息是被

25、测物体和周围事物温度的加权平均值。因此，在实际测温时，通常要求被测物体尺寸要超过传感器视角大小的50%。2、当被测目标大于测试视场时，测温装置就不会受到测量区域以外事物影响，能够准确的测量被测物体位于传感器视角确定面积的实际温度，此时传感器的测试效果最正确。3、当被测目标等于传感器测试视角时，由于环境中物体间的能量在不断的传递，尤其是事物与事物直接相互接触部位，所以此时被测物体温度已受到一定程度影响，但一般影响还比较小，测试效果相对可信。从上述几种情况可看出在设计测温装置时需要对测量实际情况进行实地考察，确定被测物体的尺寸，选取适合的温度传感器，保证测量装置的测量精度。2.2.3测量距离所有能

26、量的传递都会有一定程度的衰减，被测物体辐射出的能量在传送到传感器的过程中同样会受到外界环境的影响，造成能量衰减，衰减程度与传感器到被测物体的距离相关，距离越远衰减越大。因此在使用红外传感器进行温度信号采集时，需要通过实验分析选取适合的距离对被测物体进行温度测量。2.2.4环境影响红外测温的准确性还与环境温度有很大关系，被测物体处于一定温度的环境中，自身辐射能量的同时会吸收环境的辐射能量。假设被测物体的温度为T0，环境温度为T1，此时该被测物体单位面积发射的辐射能量为A.T04，被它所吸收的环境辐射能量为A.T14，因此该物体单位面积发出的净辐射能量为，A为单位面积，为物体吸收率，为物体发射率，

27、为斯蒂芬波尔兹曼常数。综合以上分析，在设计温度测量装置时需要充分考虑这些影响因素，采取适当的方法减小由这些因素所引起的测量误差。2.3红外测温系统组成结构红外测温仪是根据物体的红外辐射特性，依靠其部光学系统将物体的红外辐射能量汇聚到探测器(传感器)，并转换成电信号，再通过放大电路、补偿电路与线性处理后，在显示终端显示被测物体的温度的仪器。系统主要由光学系统、光电探测器、信号放大器与信号处理、显示输出等部分组成，其核心是红外探测器，将入射辐射能转换成可测量的电信号(如图2.1 )。图2.1红外测温系统组成结构2.4系统总设计方案 根据系统设计的要求，系统的主要功能是实现温度监测的智能化，摆脱人工

28、巡检，只需在管理计算机上，就可以了解所有开关柜的运行情况，判断是否存在异常。系统的主要结构图如图2.2。数据处理模块包括A/D转换、LCD显示、报警等功能，上位机监控软件界面具有实时温度分析、历史温度查询、报警参数设置等功能。下位机多个模块可以同时且独立于上位机自主工作，只有在收到上位机的查询要求时才将数据上传。因此，工作人员既可以从管理计算机上获得温度信息，也可以从现场直接获得。图2.2系统总体结构图2.5硬件功能系统硬件部分主要完成数据采集和数据处理工作，可分为以下几个功能模块:数据采集模块系统采用红外温度传感器来采集温度，具有安全、准确、快速等优点。红外温度传感器感知被测点的温度，然后通

29、过部调理电路处理，将温度值以电信号的形式送到后续电路进行处理。数据处理模块传感器送出的信号是模拟信号，而单片机只能处理数字信号，因此需要先将温度信号进行A/D转换，A/D转换完成后将结果送到单片机。单片机将所得到的数字信号再通过算法转换成温度值，然后送LCD显示，同时将数据储存起来，待上位机查询时，再送出去。另外，还要根据报警参数的设置来对采集到的数据进行判断，看是否存在异常。通信模块通信模块的主要功能是与上位机进行通信，完成数据交换。由于系统需要实现点对多的通信，考虑采用RS-485方式。上位机根据每套硬件系统的编号寻址，单片机接收到串口中断时，会将上位机送过来的地址与本身的编号进行比对，如

30、果符合则进一步响应。2.6软件功能系统软件主要由在线监测和实时分析两个部分组成。具体功能模块可分为:自检模块为了使系统能够可靠的工作，系统设计为在打开界面后对各开关柜硬件设备进行检测，看其是否能正常工作。若发现异常，则与时显示提示信息，提醒工作人员检查测温设备。另外，在系统工作过程中，也可以通过比较采集到的数据，分析可能发生的故障，如通信故障、传感器故障、单片机故障等。通过建立自检模块，能够尽可能的避免因系统故障而产生的误报警，方便设备的检查、维修工作，同时保证设备正常有效的工作。报警参数设置模块监控软件的主要功能是与时发现安全隐患，提醒工作人员加以排除，因此报警功能是系统不可或缺的一部分。使

31、用者可以根据行业标准或经验值在报警参数设置模块中实现对温度报警限定值的设置。系统软件则会根据设定值对数据进行分析，并判断是否需要做出报警。根据开关柜温度监测的实际需求，温度报警限定值主要包括:温度报警上限，温度报警下限，温升报警值和相间温差报警。另外，为避免非工作人员的误操作，温度报警限定值的设置和修改需要具有管理员操作权限。实时温度显示模块为了能让工作人员实时了解开关柜的运行情况，实时温度数据显示是一种最直接也是最有效的方法。该模块列出了每个开关柜6路传感器所测得的实时温度值，并设有温度报警、温升报警、相间报警警示灯。历史温度曲线模块工作人员往往需要查询过往的数据，于是历史温度曲线模块应运而

32、生。该模块连接数据库，可以查询有记录的任何一天的温度，并显示当天的最高与最低温度。地址修改模块由于系统由多个开关柜温度监测模块组成，上位机查询数据会根据地址来识别各开关柜，这个地址并不是固定不变的，只要不和已有的地址重复，可以根据需要进行修改，这样便大大提高了系统的灵活性。日志记录模块考虑到系统安全的需要，在系统启动后，所有有关的操作都会被记录，如何时登录系统，何时执行了何种操作等。一旦出现问题，操作人员可以查看历史日志修复错误操作。数据查询模块该模块可以查询记录到数据库的所有数据，包括每个开关柜每个传感器每天测得的温度以与报警参数的设置。打印功能能将表格数据全部打印出来。系统安全模块考虑到系

33、统运行的安全问题，登录系统需要用户名和密码，另外，系统对操作权限也做了分级控制，普通操作员只能进行常规操作(如查询数据、查看记录等)，而对温度报警的上下限与其他一些重要的参数的设置只能由系统管理员完成。本章小结本章主要介绍了红外测温的原理，遵循的理论依据，根据原理推导出计算温度的公式。同时对运用红外温度传感器测量温度时的一些重要影响因素和设计时应需要注意的问题做了简单说明。最后根据测温原理设计出了整个系统的总体方案，简要介绍了一些重要模块的相关功能，每一部分功能的具体实现会将在后续的章节加以详细阐述。3 系统硬件设计系统的硬件主要包括电源模块、温度采集模块、单片机处理模块、LCD显示模块以与R

34、S-485通讯模块。硬件电路设计主要包含以下工作:方案论证、器件选型、画原理图、PCB制版、焊接以与调试。3.1设计方案根据系统设计要求，硬件需要实现数据采集、数据处理和温度显示的功能，同时，要能跟上位机进行通信，每一套系统都要有自己的地址，方便上位机查询。另外，为减小外界影响，加入了独立的电源模块。硬件主要结构如图3.1 。图3.1硬件结构图3.2器件选型3.2.1温度传感器温度传感器采用红外测温仪，综合考虑各方面性能，选择器件型号:IPTP-SOOLS。 其主要性能为:测温围:0-500 ;环境温度:0-60 ;储存温度:-20-80;响应时间:150ms;距离系数:15:1;电源:24V

35、 DC ;.尺寸: 18mm96mm (L);信号输出:标准4-20mA 。由于电流发热效应，开关柜的温度不会低于0 ，所以0-500己足够，060的环境温度也符合。由于温度是一个缓变量，所以采集频率不需要很高，系统设计为5s一次，150ms的响应时间对于系统并无影响。距离系数15:1，即要准确测量直径为1 cm的圆形区域的温度，必须将传感器安装在距离15m的地方，再加上其本身尺寸也很小，适合像开关柜这样比较狭小的地方。3.2.2 A/D转换芯片为了提高数据的精度，A/D转换芯片采用模拟器件公司的16位高分辨率AD7656，其主要性能如下:6通道16-bit逐次逼近型ADC ;最大吞吐率为25

36、0kS/s; AVCC围为4.75V-5.25V ;低功耗:在供电电压为5V、采样速率为250kS/s时的功耗为160m/v;宽带宽输入:输入频率为5OkHz时的信噪比(SNR)为85dB;片上有2.5V基准电压源和基准缓冲器;有并行和串行接口;与SPI/QSPI小Wire/DSP兼容的高速串行接口;可通过引脚或软件方式设定输入电压围仕(l0V，5V);采用iCMOS工艺技术;64引脚QFP 。6通道使得单个系统采集的点数最多可达6个，监测更加全面。由于不使用外接电源，低功耗能减小电源模块的损耗。AD7656功能完善，易于单片机控制。AD7656的转换结果编码采用16位二进制补码方式，如图3.

37、2 .图3.2 AD7656转换结果对应输入编码图3.2.3单片机由于系统需要的单片机控制端口比较多，而且，作为中央处理单元，必须性能稳定，协调各器件工作，具有一定的处理速度，另外，还应具备通信功能，开发环境要成熟，因此，选择TI公司开发的具有16位总线的flash单片机MSP430F149o MSP430F149由于性价比和集成度高，受到广大技术开发人员的青睐。它采用16位的总线，外设和存统一编址，寻址围可达64K，还可以外扩存储器，具有统一的中断管理，具有丰富的片上外围模块，片有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14通道的12位的A/D转换器、一个看门狗、6路I/0口、两路USART通

38、信口、一个比较器、一个DCO部振荡器和两个外部时钟，最高支持8M的时钟(如图3.3 )。可以在线对单片机进行调试和下载，且JTAG口直接和FE(FLASHEMULATION TOOL)相连，不需另外的仿真工具，方便实用，而且，可以在超低功耗模式下工作，对环境和人体的辐射小，测量结果为100mw左右的功耗(电流为14mA左右)，可靠性能好，加强电干扰运行不受影响，适合工业级的运行环境.图3.3 MSP430F149部结构图3.2.4电源根据上述选择的器件，系统需要提供24V, 5V以与3.3V, 2.5V的电源。其中24V和5V采用带隔离的DC-DC电压模块。而3.3V则由5V经AMS 1117

39、-3 .3 芯片转换得到，2.5V由5V经AMS 1117-2.5芯片转换得到，用于提供AD7656转换基准电压。系统使用的电源模块具有宽输入电压围，输出长期短路保护、可自动恢复，高开关频率、高密度、高可靠性，输入输出无过冲，低电磁兼容性，紫铜外壳电泳黑，全六面金属屏蔽等功能，模块输出电流大，能满足系统的负载要求。3.3各功能模块电路设计3.3.1电源模块为了方便于调试，系统除了部供电模块，还外接了开关电源，调试的时候使用外接电源，最后再接上供电芯片，这样不但可以检验电源芯片是否正常工作，万一电路设计存在问题，也减小了损失。如图3.4所示，J11为5V电源输入端口，J1为24V电源输入端口，J

40、14为24V-5V电源，J15为24V-24V电源，J4为5V-3.3V芯片，J10为5V-2.5V芯片，J12, J13, J19跳图3.4电源模块电路设计针接口。调试的时候将J12, J13, J19分别用跳针连接好，这样外部电源就可以替代电源芯片供给整个系统的用电，此时，外电源共地。调式通过后，将J12, J13, J19断开，就可以将外部24V电源与部完全隔离起来，减小外界对系统的干扰。3.3.2数据采集模块数据采集模块是指传感器接收红外信号，经部处理后将温度以电信号的形式输出到A/D转换芯片。由于红外测温仪输出的是电流信号，围为4-20mA，而AD7656的输入信号为电压，围为0-5

41、 V，所以必须将传感器的输出信号作一个初步处理，以匹配A/D转换芯片的要求。如图3.5所示，J5为传感器接口，V1-V5为输出信号，经250的精密电阻接地后连接到AD7656的6路通道端口。4-20mA乘以250得到的电压围为1-5V，满足要求。图3.5数据采集模块电路设计3.3.3 A/D转换模块为了滤去电路中的高频以与低频噪声，在电源信号端口都接上0.1uf 和10uf的电容(如图3.6 )。另外，AD7656是5V供电，而MSP430F149则是3.3V供电，将AD7656的第九个引脚Vdrive。接3.3V，这样就能使数据口和一些控制端口直接按3.3V方式进行通信，而不需要进行电平匹配

42、。各控制端口设计如下:Vdrive接3.3V; CONVSTA, B, C连接到一起，并由MSP430F149的P6.3口控RD读信号由P6.4口控制;CS读写控制信号由P6.5口控制;BUSY判忙信号连接到P6.6;REFIN/REFOUT接2.5V基准电压;SER/PAR接低电平，采用并行传输方式;H/S SEL接低电平，AD7656工作在硬件选择模式下; WR/ REFEN/DISAB LE接低电平，禁用部基准电压; RESET信号由P6.7口控制; RANGE经上拉电阻接高电平，表示转换围为2VREF;STBY经上拉电阻接高电平，使AD7656工作在正常模式;W/B经上拉电阻接高电平，

43、字节传输方式;DB8-DB 15接P1.0-P1.7; DB7/HBEN/DCEN接低电平，DBl-DB6悬空。AD7656管脚除电源端外，输出数据时先送低字节:输入电流应在10mA以，因此上拉电阻大小选择2k, 此时，输入电流最大为:I=5A/2000=2.5mA (3.1)另外，还需要特别注意的是，AD7656的数字地与模拟地必须分开，否则会影响转换结果的精度。所有的数字地连接在一起，模拟地也连接在一起，最后，再用0的电阻将数字地与模拟地连接起来。0电阻在高频信号电路中可充当电感，主要解决电磁兼容问题，抑制传导干扰。3.3.4单片机模块单片机的电路设计主要包括外接晶振、上电复位电路、JTA

44、G口，地址编码以与I/O口的连接。为确保单片机能正常工作，必须进行上电复位。上电复位电路由电阻与电容组成 ，3.3V接到电阻然后再接电容接地，从电阻和电容之间引出信号接到MSP430F149的RST/NMI脚。电阻与电容的值由单片机需要的复位时间确定。电容两端电压Uc可由式(3.2)确定: （3.2）MSP430F149设计为使用外部晶振XT2，晶振频率为8MHz。晶振的两脚分别接到单片图3.6 A/D转换电路设计机的XT2IN, XT2OUT，两个管脚分别接40PF的电容接地。电容大小的确定:C(XIN)=C(XOUT) =2 X CL,CL的值见表3.l.表3.1电容CL值的确定JTAG是

45、单片机的下载调试接口。TAP (Test Access Port)是一个通用的端口，通过TAP可以访问芯片提供的所有数据寄存器(DR)和指令寄存器(IR)。对整个TAP的控制是通过TAP Controller来完成的。TAP总共包括5个信号接口TCK, TMS, TDI,TDO和TRSToMSP430F149的JTAG接口为标准IDC-14封装形式，其第二脚Wcc-MSP接3.3V，第九脚GND接地，其余1脚TDO、3脚TDI, 5脚TMS, 7脚TCK, 11脚RST/NMI分别接到MSP430F149的对应接口。报警电路是为了在发现温度异常时提醒工作人员用的，电路如图3.7所示，Q1为NP

46、N三极管，R28为DS2Y S-DC5V继电器。图3.7中，继电器“4, 8”端口之间为常开开关。图3.7报警电路地址编码电路。整个监测系统由多套硬件系统组成，每一套硬件系统都有自己的ID号，以供上位机查询。这个ID号可以手动设置，利用拨码开关来实现。拨码开关由8路开关封装而成，一端接地，一端连接到单片机的IO口并通过上拉电阻接3.3V，这样，通过拨动开关可以实现“0、 1”的输入，8位就是一个字节，共可实现128个不同的ID号。MSP430F149输入电流应小于12mA，因此，上拉电阻可选择1k，此时，输入电流最大为:I=3.3A/1000=3.3mA ( 3.6 )综合以上，MSP430F

47、149电路设计如图3.8.3.3.5 RS-485通信模块RS-485通信模块的电路，电源使用3.3V，通过0.1uF和22uF的电容接地。滤去高频、低频噪声。第3脚D1和第4脚D2分别接二极管再通过电容接地。第9脚DI,第11脚DE和第14脚Vcc5必须加限流电阻，以保护部二极管。由于一般二极管正向电流可达几百mA到1A左右，因此对于图4.12中，选择R21=R22=R23=1k，此时二极管正向电流最大不超过3.3/1000A，即3.3mA，能满足条件。图3.8 MSP430F149电路设计3.4 PCB设计在设计印制电路板的时候，应采用正确的方法，否则即使原理图设计正确，也无法使电路可靠的

48、工作。在设计过程中，应注意以下原则地线的设计在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。如果能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。地线设计中应注意以下几点:将数字地与模拟地分开。电路板上既有数字电路，又有模拟电路，应使它们尽量分开，而且两者的地线不要相混，减小串扰。尽量加粗接地线。若接地线很细，则接地电位随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏，因此应将接地线尽量加粗。电磁兼容性设计电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰，使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作，同时又

49、能减少电子设备本身对其它电子设备的电磁干扰。.选择合理的导线宽度。由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的，因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比，与其宽度成反比，因而短而粗的导线对抑制干扰是有利的。采用正确的布线策略。采用平行走线可以减小导线电感，但导线之间的互感和分布电容增加，如果布局允许，最好采用井字形网状布线结构，即将印制板的一面横向布线，另一面纵向布线，然后在交叉孔处用金属孔相连。为了抑制印制板导线之间的串扰，在设计布线时应尽量避免长距离的平行走线，尽可能拉开线与线之间的距离，信号线与地线与电源线尽可能不要交叉。在一些对干扰十分

50、敏感的信号线之间设置一根接地的印制线，可以有效地抑制串扰。去藕电容配置在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。例如在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。配置去祸电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是印制电路板的可靠性设计的一种常规做法，配置原则如下:电源输入端跨接一个10-100uF的电解电容器，并并联一个0.1uF的电容，滤去高频、低频信号。如果印制电路板的允许，采用100uF以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM, RAM等存储型器件，应在芯片的电源线和地线间直接接入去藕电

51、容。去祸电容的引线不能过长，特别是高频旁路电容不能带引线。电路板的尺寸与器件的布置印制电路板大小要适中，过大时印制线条长，阻抗增加，不仅抗噪声能力下降，成本也高;过小，则散热不好，同时易受临近线条干扰。在器件布置方面与其它逻辑电路一样，应把相互有关的器件尽量放得靠近些，这样可以获得较好的抗噪声效果。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路。3.5本章小结本章主要介绍了系统的硬件设计方案，将整个硬件系统进行了功能模块的划分。然后详细论述了如何选择适宜的芯片，主要考虑那些参数，并对各芯片的主要性能作了简单的介绍。对于其他一些模拟器件，如电阻等的选择，则根据具体应用进行确定。接着

52、分模块介绍了具体设计，最终将所有模块组合起来，得到整体的原理图，然后进行PCB设计。对于设计中需要注意的问题，文中进行了详细的介绍。结果证实系统完全能够正常工作。4 现场控制软件单元设计现场控制单元是脱离上位机自主运行的，其单片机、A/D转换芯片、LCD等器件都需要驱动，并根据系统要求工作，完成一系列采集、显示功能，并与上位机通信。4.1开发环境简介MSP430系列是具有集成度高、功能强、功耗极低等技术特点的16位单片机。其代码存储空间为1-60 k.当程序量大于8k时，使用汇编语言会使软件设计工作的效率大大降低。用C语言程序设计来实现系统的应用软件开发，可以大大提高开发调试工作的效率;同时，

53、所产生的文档资料也容易理解，便于移植。适用于MSP430系列的C430语言，与标准C语言兼容程度高。MSP430F149单片机的开发环境为IAR Embedded Workbench IDE。该软件支持C, C+、汇编等编程语言，具备单步调试、变量查看等调试功能。具有语法表现能力的文本编辑器;编译器;汇编器;连接器;函数库管理器;实现操作自动化的Make工具;嵌C语言级和汇编级的调试器C-SPY.C-SPY调试器的工作方式有多种。它可以工作在模拟方式下(Simulation;也可以经过JTAG接口与目标硬件连接起来，工作在仿真方式下(Emulation)在模拟方式下，目标系统的工作过程由调试主

54、机以软件模拟来实现，用户可以通过各种不同类型的窗口来观察调试程序的运行过程，也就是说，在目标硬件系统产生之前就己经可以验证程序的设计思想和结构是否合理。而在仿真方式下，整个调试过程是在目标板的真实工作下进行的，不仅可以验证设计思想和程序结构，还可以验证目标板的硬件设计是否正确。MSP430系列的FLASH型芯片为程序设计和调试提供了极大的方便。因为FLASH存储器能够方便的进行在线擦除和改写。在进行擦除和改写操作时，对电源电压的要求也比较低，为2.7V-3.6V .仿真工具采用USB型MSP430F149仿真器:LSD-FET430 UIF V3.1。即插即用的USB接口使得该仿真器使用起来非

55、常方便，并且上面带有电源、模式指示灯，可以直观的判断仿真器工作是否正常。使用该开发环境进行编程的步骤如下:在指定目录下建立工程;选择编程语言;建立对应的程序文档;保存工程;打开菜单栏的Project，选择Files，将刚才建立的文档添加到工程;修改配置:在左边Files窗口中的工程名上点击右键，选择Options，进入设置界面。在左边Category列表下选择General Options，在界面中Device下选择需要调试的对应芯片型号。完成后进入Category列表中Debugger界面，在Driver选项中有FET Debugger和simulator两个选项。使用FET连接目标板进行在

56、线仿真调试时，选择FET Debuggers最后进入Category列表中将其中FET Debugger界面，选择USB。在程序文档中编辑程序;编译选择工具栏右边数过来第四个按钮:Make，如出现错误会出现信息提示。用鼠标单击任意一个错误信息提示，系统会自动指示有错误的语句行。调试Debug为最右边的按钮。源文件编译通过后，单击Debug进行连接以生成目标代码并下载程序到目标板里的MCU，如果下载正常便进入调试界面。在调试环境中，可以打开调试程序所需的若干窗口，如源程序窗口、寄存器窗口、观察窗口.连续模式特殊功能寄存器窗口等;也可以设置程序执行的不同模式，如单步执行、断点模式、执行到光标处等运

57、行模式。4.2程序总体设计现场控制单元软件程序功能如图4.2，中断流程图如图4.3。由于程序中只用到了USART0接收中断和TimerA定时器中断，其他可屏蔽中断并没有开启，因此，图4.3中只给出了USARTO接收中断和TimerA定时器中断的处理流程。图4.2 USARTO, TimerA中断服务子程序流程图图4.3程序功能图4.3.数据采集AD7656的转换过程必须满足如图4.4的时序。图4.4 AD7656转换时序首先，将CONVSTA, B, C置高，启动6路通道同时进行转换，转换过程中，BUSY信号会保持高电平，一旦检测到BUSY为低，说明转换已经完毕。此时，将读写控制信号CS置低(

58、CS可以一直保持低电平)，RD读信号置低，就可以从DB15DB8读出转换结果，先低字节再高字节，顺序从V1到V6.4.4数据处理AD7656的转换结果是二进制补码，要想获得正确的温度值，必须对其进行必要的处理。为减小误差，采取多次测量，去掉最大、最小值，然后再取平均值的方法:LSBi=(LSBOi0+LSBOi1+LSBOi2+LSBOi3+LSBOi4-MIIV-L-MAX_ L)/3;根据所得的转换结果，对照AD7656的转换结果对应输入电压图，考虑实际情况，求出输入模拟电压的大小。AD7656是双极性A/D转换芯片，如果模拟电压AVcc输入引脚接+5V, Vss接-5v，转换围就是+5V

59、-5V，最小量化电平1LSB=0.152mV，具体计算方法为:LSB=52216=0.152 (4.1)本系统中，AVcc接+5V, Vss接的是0V，所以不能完全按照转换结果图来处理转换结果，但有一点可以确定，根据AD7656的转换原理，转换结果与输入电压之间呈线性关系。为了得到正确的转换公式，必须测试实际的转换情况，找出其间存在的线性关系。根据红外测温仪的输出围对应的温度围，将电压值转换为所需要的温度值。IPTP-5OOLS测量温度0-500时，对应输出电流为4-20mA，对应输入AD7656的电压为1-5V，由此可以根据转换结果求得温度值.4.5 LCD显示系统中需要使用液晶屏来显示6路

60、传感器测得的温度值以与其他一些辅助信息，显示容包括数字、字母、符号以与中文。其中，数字、字母、符号归类为西文字符，采用8x8点阵显示，中文字符采用16x16点阵显示。MGLS-19264是由3屏合成的，每屏有64x64个点，将64行分成8页，每页8行，64列，用一个字节来表示8行1列中的点的亮暗信息，上面为最低位。设置了页地址和列地址就唯一确定了显示RAM中的一个单元，这样MPU就可以用读写指令读出该单元中的容或向该单元写进一个字节数据。在对HD61202与其兼容控制驱动器操作之前要查询BUSY状态以确定是否可以对HD61202与其兼容控制驱动器进行操作。在BUSY和REST状态时除读状态指令

61、外其它指令均不对HD61202与其兼容控制驱动器产生作用。读写数据指令每执行完一次读、写操作列地址就自动增一，必须注意的是，进行读操作之前必须有一次空读操作，紧接着再读才会读出所要读的单元中的数据。CSA, CSB选通信号的不同组合分别对应左、中、右3屏，见表4.2。表4.2选通信号组合CSACSB选通屏00左01中10右设定液晶显示格式。第一行为1616的中文:“传感器温度”:“传感器”那一列下面有6行，分别是Sensorl-Sensor6，后面加“:”，再后面用来显示测得的温度，也就是在“温度”那一列，温度值采用3位整数，一位小数的格式，高位为0，不显示，小数位为0，显示，后面加上单位“”

62、。每一位都有固定的位置，上下对齐。由式得到的温度值，设为T1，是一个浮点数，小数位数不确定，因此需要采取四舍五入法将多余的小数去掉。具体实现方法为:先将T1乘以100，然后对10求余，得到最后一位数，这一位数同时也是T1的小数点后第二位，设为No;将T，乘以100的值除以10，然后对10求余，得到T1的小数点后第一位，设为N1，如果No5，则N1加1，如果No5，则N1不变，这样就使T1只有一位小数;再依次不断的除以10，然后对10求余，将T1整数部分的每一位取出，分别设为N2,N3, N4(最大值为500， 3位整数);将每一位数在液晶屏上固定位置显示出来，加上小数点，就是最终的温度。4.6

63、中断处理4.6.1USART接收中断处理除了上位机要求查询温度时，一般情况下，现场控制单元独立工作在监测并显示温度的状态，为了能够尽快地响应上位机的要求，系统开启了USART0接收中断。中断在MSP430中得到广泛的应用，它可以快速进入中断程序，处理完毕后返回中断前的状态，其时序为:PC执行程序中断允许置位SR中的GIE置位EINT(开中断) 产生中断，中断标志位(IFG)置位从中断向量表中读取中断程序的入口地址，进入中断程序执行中断程序中断允许位复位RETI中断返回一回到中断前地址.4.6.2TimerA定时中断处理当5s定时中断到来时会进入TimerA定时中断处理函数，将标志变量mark的值设置为0，这样，系统完毕中断回到原