SF6断路器微水在线监测仪系统毕业设计说明书

兰州理工大学毕业设计说明书 I 摘 要 SF6断路器微水在线监测仪以 PIC16F877 单片机作为处理器 来实现实时监测 SF6 气体的温度 湿度及压力 从而得知断路器的运行状态 对由于 SF6 气体本身原因引 起的绝缘故障做出有效应对 进而保证电网的运行安全 本次设计的 SF6断路器微水在线监测系统的基本原理为 将湿度 温度 压力传感 器通过连接器件连接到 SF6气室 测量气室内 SF6气体的湿度 温度 压力 所测模拟 量送入 PIC16F877 单片机 通过 A D 转换 数据分析 实施数据越限报警 并用 LCD 显 示温度 压力以及湿度 下位机与上位机的通讯遵循 MODBUS 通讯协议 生成标准通信 数据包 数据包通过 M BUS 总线送入上位机 进行计算机实时监控 关键字 PIC16F877 单片机 M BUS 总线 软件编程 兰州理工大学毕业设计说明书 II Abstract SF6 circuit breakers monitor online system uses the PIC16F877 microcontroller as a processor to achieve real time monitoring of SF6 gas s temperature humidity and pressure and to kown the running state of circuit breakers so that people could effectively deal with the insulation fault caused by SF6 gas itself and ensure the safty of the power supply system In this design the basic principles of SF6 circuit breaker can be summarized as that the humidity sensor temperature sensor and pressure sensor are connected to the SF6 gas room by the jointer which can survey the humidity temperature pressure of SF6 gas the measured analog go through the A D conversion data analysis in the PIC16F877 microcontroller to implement data overrun alarm and demonstrate temperature pressure and humidity The information transmission between slaves and the master generates a standard communication packets based on MODBUS protocol to achieve real time control Keyword PIC16F877 microcontroller M BUS bus software programming 目 录 兰州理工大学毕业设计说明书 III 摘 要 I ABSTRACTABSTRACT II 第一章 绪 论 1 1 1 选题背景 1 1 2 主要设计 研究 内 容 3 1 3 系统主要技术指标 3 1 4 解决的关键问题 3 第二章 系统总体结构方案设计 5 2 1 系统总体结构及其功能 5 2 2 方案设计 5 2 2 1 方案一 5 2 2 2 方案二 6 2 3 方案论证 7 2 4 方案的确定 7 第三章 系统的硬件设计 10 3 1 单片机 10 3 1 1 PIC16F877 单片机特点 10 3 1 2 外围电路 11 3 2 温度传感器 12 3 2 1 温度传感器的选型 12 3 2 2 温度传感器接口电路 14 3 2 3 小结 14 3 3 湿度传感器 14 3 3 1 湿度传感器的选型 15 3 3 2 接口电路 16 3 3 3 小结 18 3 4 压力传感器 18 3 4 1 压力传感器的选型 18 3 4 2 接口电路 19 3 4 3 小结 19 3 5 键盘电路 19 3 6 报警电路 20 3 7 LCD 显示模块 20 3 7 1 LCD 显示模块的选型 21 3 7 2 接口电路 21 兰州理工大学毕业设计说明书 IV 3 7 3 小结 21 3 8 掉电保护模块 22 3 8 1 掉电保护的选型 22 3 9M BUS 通讯模块 22 3 9 1M BUS 总线介绍 23 3 10 通讯接口电路的设计 24 3 10 1 TSS721A 芯片介绍 25 3 10 2 TSS721A 芯片与单片机接口电路设计 27 3 10 3 小结 29 3 11 电源的设计 29 3 11 1 电源选择 29 3 11 2 接线电路 30 3 11 3 电源的抗干扰技术 31 3 11 4 小结 31 第四章 软件设计 33 4 1 系统软件的设计思想 33 4 2 系统主程序的设计 33 4 3 系统子程序的设计 33 4 3 1 定时器 计数器子程序 33 4 3 2 AD 转换子程序 36 4 3 3 LCD 显示子程序 37 4 3 4 中断服务子程序 39 4 3 5 键盘子程序 40 4 3 6 解除报警子程 41 4 3 7 串行通信子程序 41 第五章 总 结 47 5 1 毕业设计的主要工作情况及创新之处 47 5 2 系统改进及发展前景 47 参考文献 48 英文原文及翻译 49 原文 49 翻译 57 致 谢 63 附录 64 程序清单 64 兰州理工大学毕业设计说明书 V 兰州理工大学毕业设计说明书 1 第一章 绪 论 目前 社会对电力的需求越来越大 在电力系统向超高压 大电网 大容量和自 动化方向发展的同时 用于关合及开断电力线路 以输送和倒换电力负荷以及从电力 系统中退出故障设备以保证系统安全运行的高压开关就显得尤为重要了 由于 SF6气体 具有优良的绝缘 灭弧性能以及 SF6气体在绝缘组合电器中所体现出的优越性 近 30 年间 SF6气体在高压电气设备中的应用取得了惊人的进展 但也是由于 SF6气体的缘故 空气中的水分能对 SF6断路器产生很大的影响 如产生毒 性化合物 对设备的绝缘产生危害 降低开关的机械性能等 本次设计的 SF6断路器微水在线监测仪系统包括现场设备监测和远程通信两大部分 其中现场的数据采集和具体任务的执行是由单片机来实现的 而现场和控制计算机之 间的通信则借助于 M BUS 总线实现 在软件通信技术的支持下完成信息的交换 SF6断路器微水在线监测系统的主要任务是 及时 准确的掌握 SF6气体在设备中 温度 湿度与压力 周期性检测设备内的湿度 以便及时发现设备内部的潜在问题并 采取相应预防措施 保证设备的可靠运行 1 1选题背景 SF6 气体具有优良的绝缘性能 用作许多高压电气设备的绝缘介质 但是其绝缘 强度与其湿度 微水含量 有着密切的关系 当 SF6气体中含水量较多时 一方面 SF6 气 体的电弧分解物在水分参与下会产生很多有毒物质 如氟化亚硫酸 氢氟酸等 腐蚀 断路器内部结构材料并威胁检修人员安全 另一方面 由于水分凝结 湿润绝缘表面 将使其绝缘强度下降 威胁运行安全 所以 对 SF6 进行湿度监测具有重要的意义 SF6断路器具有断口电压高 开断能力 允许连续开断的次数较多 噪声低和无火 花危险 而且断路器尺寸小 重量轻 容量大 不需要维修或少维修 这些 优点使传 统的油断路器和压缩空气断路器无法与其相比 在超高压领域中几乎全部取代了其他 类型断路器 另外在中压配电方面 六氟化硫断路器具有在开断容性电流时不重燃 以及开断感性电流时不产生过电压等优点 正逐步取代其他类型的断路器 六氟化硫 断路器的优良性能得益于 SF6气体良好的灭弧特性 SF6是无 色 无味 无毒 不可燃 的惰性气体 具有优异的冷却电弧特性 介电强度远远超过传统的绝缘气体 在均匀 电场下 SF6的介质强度为同一气压下空气的 2 5 3 倍 在 4 个大气压 其介质电强 度与变压器油相当 由于 SF6的介质强度高 对相同电压级和开断电流相近的断路器 SF6的串联断口要少 例 如 220kV 少油断路器要 4 个断口 500kV 少油开关要 6 8 个 断口 而 220kVSF6 断路只要 1 个断口 500kVSF6 断路器只要 3 4 个断 口 一是因为 SF6的分子量大 比热大 其对流的传热能力优于空气 二是 SF6在高温下的分解特性 在分解反应过程中吸收能量 SF6这种优良导热性能 是形成 SF6灭弧性能的原因之一 兰州理工大学毕业设计说明书 2 另外 SF6吸附自由电子而形成负离子的现象也是其成为优良灭弧介质的原因 常态下 SF6气体无色无味 有良好的绝缘性能和灭弧性能 一旦大气中的水分浸 入或固体介质表面受潮 则电气强度会显著下降 断路器是户外设备 当气温骤降时 SF6气体过量水可能会凝结在固体介质表面而发生闪络 严重时造成断路器发生爆炸事 故 纯净 SF6气体 在运行中 受电弧放电或高温后 会分解成 单体的氟 硫和氟硫 化合物 电弧消失后会又化合成稳定的 SF6气体 当气体中含有水分时 出现的氟硫化 合物会与水反应生成腐蚀性很强的氢氟酸 硫酸和其他毒性很强的化学物质等 危及 维护人员的生命安全 对断路器的绝缘材料或金属材料造成腐蚀 使绝缘劣化 甚至 发生设备爆炸 SF6气体微水超标的原因 主要有以下六个方面 1 SF6气体新气的水分不合格 造成新气不合格的原因 一是制气厂对新气检测 不严格 二是运输过程中和存放环境不符合要求 三是存储时间过长 2 断路器充入 SF6气体时带进水分 断路器充气时 工作人员不按有关规程和检 修工艺操作要求进行操作 如充气时气瓶未倒立放置 管路 接口不干燥或装配时暴 露在空气中的时间过长工等导致水分带进 3 绝缘件带入的水分 厂家在装配前对绝缘未作干燥处理或干燥处理不合格 断 路器在解体检修时 绝缘件暴露在空气中的时间过长而受潮 4 吸附剂带入的水分 吸附剂对 SF6气体中水分和各种主要的分解物都具有较好的 吸附能力 如果吸附剂活化处理时间短 没有彻底干燥 安装时暴露在空气中时间过 长而受潮 吸附剂可能带入数量可观的水分 5 透过密封件渗入的水分 在 SF6断路器中 SF6气体的压力比外界高 5 倍 但外界 的水分压力比内部高 例如 断路器的充气压力为 0 5Mpa SF6气体水分体积分数为 则水的压力为 外界的温度为 20 时 相对 6 30 10 63 0 5 30 100 015 10 MPa 湿 度 70 则水蒸气的饱和压力为 所以外界水压力 33 2 38 100 71 666 10 MPa 比内部水分高 倍 而水分子呈 V 形结构 其等效分子直径 33 1 666 10 0 015 10111 仅为 SF6分子的 0 7 倍 渗透力极强 在内外巨大压差作用 下 大气中的水分会逐渐 通过密封件渗入断路器的 SF6气体中 6 断路器的泄漏点渗入的水分 充气口 管路接头 法兰处渗漏 铝铸件砂孔等 泄漏点 是水份渗入断路器内部的通道 空气中的水蒸气逐渐渗透到设备的内部 因 为该过程是一个持续的过程 时间越长 渗入的水份就越多 由此进入 SF6气体中的水 份占有较大比重 要完全清除 SF6断路器内 SF6气体的水分是不可能的 但是掌握 SF6气体微水超标 的原因 及时监测 SF6断路器内的湿度 采取相应的预防控制措施 减少 SF6气体中的 水分 可以保证和提高断路器的安全运行可靠性 兰州理工大学毕业设计说明书 3 1 2 主要设计 研究 内 容 现场电气设备中的SF6气体并非总是纯净的 其性能也就不能等同于纯净气体 微 水超标 即湿度超标 的危害表现在以下几个方面 1 水分引起SF6气体分解物化合反应产生毒性化合物 2 水分引起设备的化学腐蚀 3 水分对设备的绝缘产生危害 4 水分影响开关的开断性能 5 水分降低开关的机械性能 由于以上这些原因 所以对 SF6气体水分含量进行在线监测 及时发现设备内部的 潜在问题并采取相应预防措施 对提高设备的安全健康运行水平具有重要意义 本次 设计的主要内容有以下几点 1 具有微水 气体压力 温度在线监测功能 2 具有当地显示功能 能够实时显示温度 湿度 压力值 3 具备数据超限报警功能 4 具备掉电参数保护功能 上电后参数恢复功能 5 能够遵循 MODBUS 通讯协议 生成标准通信数据包 6 能够接收解读上位管理机的通讯包 完成当地的报警解除与参数设定功能 1 3 系统主要技术指标 本系统所实现的主要技术指标如下 1 各参数测量范围为 温度 40 60 测量误差不大于 0 2 湿度 2 40 000 uL L 测量误差不大于 2 uL L 压力 0 01 1Mpa 测量误差不大于 0 01 Mpa 2 实时采集周期 1 次 1 分钟 发送周期 1 次 1 小时 1 4 解决的关键问题 本系统的技术关键在于研制和寻找适合现场条件的湿度 温度 和压力传感器 该传感器是整个在线监测装置的核心 测量数据的处理与传送也是在线监测的关键 在线监测装置的结构设计与加工同样非常重要 如何将监测装置与 SF6 电气设备 连接起来 并且确保设备密封性能良好 不发生气体泄漏对于装置运行来说是必要条 件 兰州理工大学毕业设计说明书 4 第二章 系统总体结构方案设计 2 1 系统总体结构及其功能 设计总体结构如图 2 1 所示 兰州理工大学毕业设计说明书 5 上位机 M BUS 接口电 路 PIC16F877 单片机 85 型高稳定 压力传感器 蜂鸣器 键盘输入 液位传感 器 温度传感器 LM35CA 电源 湿度传感器 HIH 3610 LCD 显示器 Rs232 与 M BUS 接 口电路 下位机负责数据采集 数据处理 报警以及接收并处理系统的控制命令 下位机首先收集安装在现场的湿度传感器 温度与压力传感器的实时数据并进行 数据处理 然后根据数据库中定义的越限条件判别事故的发生与否 在事故发生时将 产生一个当地报警提示 红灯闪烁 下位机还负责采集数据的实时保存与实时显示 上 下位机采用半双工通信 基于 M BUS 总线 遵循 MODBUS 通讯协议 下位机位 于被叫地位 可独立运行 即使上位机故障 下位机亦可进行数据的实时采集 实时 显示 报警提示 保证系统数据的完整性和不停机运行 下位机地址由上位机设置 2 2 方案设计 SF6断路器微水在线监测仪可采用以下两种方案 处理器基于单片机的微水监测仪 处理器基于可编程控制器 PLC 的微水监测仪 2 2 1 方案一 方案一采用单片机作为微水监测仪的处理器 该测控器与上位机的通信是基于 M BUS 总线传输实现 该系统利用液位传温度感 器 压力传感器 湿度传感器实时采集温度 压力 湿度 经由单片机 AIN 口进入 10 位模数转换器 ADC 转换成相应的数字量 再由计算程序计算出相对湿度 因为湿度与 压力和温度都有很大的关系 根据上位机的设定值 来比对湿度是否超限 若超限则 报警 该系统采用 LCD 实现实时当地显示 并可以将温度 压力 湿度信息采样发送 到监控中心 同时 该系统也可通过监控中心对现场实现远程参数设置 图 2 1 以单片机为处理器的系统框图 兰州理工大学毕业设计说明书 6 2 2 2 方案二 方案二采用可编程控制器 PLC 作为微水在线监测仪的处理器 系统框图如下所示 该方案的下位机与上位的通信采用可编程控制器生产商提供的通信协议 实现将 SF6断路器室内的状态发送到监控中心 同时 系统通过该协议实现监控中心远程对现 场进行参数设置 该协议符合国际标准 IEC1131 标准 PLC 可识别三种信号 开关 量 模拟量和数字量 该系统由压力传感器 温度传感器 湿度传感器对这三个量进 行监测 输出信号经变送器转换为标准模拟信号以供 PLC 识别 该方案的人机交互采 用的硬件为触摸屏 触摸屏可方便的实现现场数据修改与实时当地信息显示 PLC 控制 器内部对各种输入输出信号的处理由软件程序实现 用户程序线性的存储在监控程序 指令的存储区间内 它的最大容量有监控程序所限制 2 3 方案论证 方案一与方案二都是使用传感器将压力 温度 湿度转换成模拟电信号 将其进 行 A D 转换 计算 并同时显示在显示屏上 方案一与方案二处理芯片不同 前者为单片机 后者为可编程控制器 PLC 当需要 发送压力 温度和湿度信息时 单片机将采集数据通过 M BUS 总线送至上位机 而可 编程控制器将数据通过固定的通信协议发送到监控中心 方案一显示使用的是 LCD 键 PLC 控制器控制器 上上 位位 机机 通信协议 报警指示 触 摸 屏 温度传感器 变 送 器 湿度传感器 变 送 器 电压传感器 电 源 变送器 图 2 2 以 PLC 为处理器的系统框图 兰州理工大学毕业设计说明书 7 盘为 4 4 距阵键盘 方案二人机交互采用的硬件为触摸屏 方案一中单片机集成度高 把中央处理器 CPU 随机存取存储器 RAM 只读存 储 器 ROM 输入 输出端口 I O 等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片 上 具有性能高 速度快 体积小 价格低 应用广泛 通用性强等突出优点 通过 不同的程序可实现不同的功能 尤其是特殊的独特的一些功能 但其稳定性和抗电磁 干扰能力相较于 PLC 比较弱 方案二中可编程控制器 PLC 抗干扰能力强 编程方便 可在现场修改程序 且 PLC 接口容易 编程语言易于为工程技术人员接受 但可编程控制器的价格高昂 在小型 设备上应用 PLC 控制器会由于成本过高 且各种不同生产商的控制器通信协议互不兼 容 造成产品推广性差 2 4 方案的确定 1 方案的选择 本次设计考虑到产品的性价比 可实用性和推广性 决定选择方案一 原因有以 下三点 1 单片机比 PLC 价格低 同样可以实现功能 故其性价比高 2 单片机的通讯较之 PLC 方便很多 单片机的通讯方式及协议有很多种 选择范 围广 而 PLC 由于各种生产商的通讯协议互不兼容 给通讯造成了很大的障碍 3 单片机比 PLC 更易于推广 2 方案的确定 本次设计选用温度传感器 湿度传感器 压力传感器采集 SF6气体的温度 湿度及 压力 单片机选用 PIC16F877 它内含 8 路逐次逼近式 10 位 A D 转换器 单片机内部 的 A D 模块将采集到的三个模拟量转换成数字量 并进行运算和比较 对于压力 温 度 湿度超限进行声光报警 压力值 温度值 湿度值分别由 LCD 显示 下位机与上 位机的通讯采用 M BUS 总线 M BUS 与上位机及下位机的接口电路必须实现电平转换 上位机对下位机进行控制 但下位机又可独自运行 上位机对下位机发送的数据进行 汇总 分析 控制断路器的运行状态 超限值由上位机设定 也可由工作人员通过键 盘设定 用键盘手动解除声光报警 与系统相关的技术方案包括 传感器的选择 处理器的选择及存储器的扩展方案 串口通讯方案 显示方案 电源方案等 a 传感器的选择 考虑到 SF6断路器对湿度要求的严格性 传感器首先要求精度 高 其次输出信号易处理 容易与单片机传输 再次是价格便宜 本次设计选用 LM35CA 温度传感器 HIH 3610 湿度传感器 85300OAC 压力传感器 i 温度传感器 LM35CA 是一种高精度集成电路温度传感器 其输出电压与摄氏温 度成线性比例关系 LM35 不需要外部校准和调节就具有室温时为 1 4 全面温度范 兰州理工大学毕业设计说明书 8 围 55 150 时为 3 4 的典型精度 设计要求误差不得大于 0 2 LM35CA 的精度 完全满足 LM35CA 的测量范围为 55 150 而要求的范围为 40 60 故测量范围 也满足 LM35 的低输出阻抗 线性输出和它出厂时的精度校准使得它的外接口电路及 其简单 在电源方面 LM35 既可以单电源供电又可以双电源供电 其电源电流仅为 60uA 因此在静电的空气中它自身的热效应小于 0 1 因此它满足设计要求 ii HIH 3610 型电压输出式集成湿度传感器是美国霍尼威尔公司生产的 它属于线 性电压输出式集成湿度传感器 内部包含湿敏电容和湿度信号调理器 能以最简方式 构成相对湿度测量仪 其输出电压不仅与相对湿度成线性关系 还与电源电压成正比 输出电压范围是 0 8 3 9V 性能特点如下 高精度 在 RH 0 100 T 25 UCC 5V 的条件下 测量精度可达 2 稳定性好 漂移量小 抗化学腐蚀性强 它能在高温 有化学液体或气体的环 境下正常工作 采用 4V 5 8V 电源供电 当 UCC 5V 电源电流仅为 200uA 工作温 度范围是 40 85 设计要求误差不得大于 2uL L 而 HIH 3610 的精度可达 2 完全满足 它的抗 化学腐蚀性也非常符合 SF6 断路器的腔体 工作范围也是满足的 故满足设计要求 iii 85 型高稳定压力传感器是采用微机械加工技术制造的硅压阻式压力传感器 它适用于 OEM 的应用领域 可测量腐蚀性介质 这点非常符合 SF6 断路器内气体的测 量 工作温度范围 40 125 存储温度范围 50 125 也满足设计要求中的 温度范围 40 60 补偿温度范围 20 85 几乎覆盖整个工作温度范围 压力非 线性 0 1 也满足设计要求 输出为 0 100mV 与微机连接还需要放大信号 总之它 能满足设计要求 b 处理器的选择方案 根据该系统选用的传感器都是模拟输出 需要 A D 转换 以及系统的存储量大 掉电保护功能 通讯技术 中断等的实际要求 本次设计采用 美国微芯公司开发的 PIC16F877 单片机 PIC16F877 单片机集成了许多外围模块 可以 简化外围电路 提高硬件的可靠性 c 串口通讯方案 本监控模块通过M BUS总线收发数据 是因为M BUS总线有 诸 多优点 低成本 简单可靠 传输线路长等 由于单片机的工作电平为5V 而PC机RS 232串口电平为 12V到 12V 要实现单片机和上位机通讯 中间需要通过电平转换 M BUS总线的一个重要特征是它有自己独特的电平特征 d 显示方案 显示采用 128 64 液晶显示屏 并行通讯 e 电源方案 本设计中的电源主要有两种 5V 和 12V 5V 为单片机的模 拟电源与数字电源 以及传感器电源 12V 的电源是供给运算放大器使用的 兰州理工大学毕业设计说明书 9 第三章 系统的硬件设计 本系统的数据采集终端主要由传感器 数据采集 数据处理 数据存储 串行通 信接口 M BUS 等几部分组成 下面将具体介绍监控终端各个主要组成部分的功能 选型以及具体连接方式 3 1 单片机 单片机亦称单片微型电脑或单片微型计算机 在国际上统称为微控制器 就是把 中央处理器 CPU 随机存取存储器 RAM 只读存储器 ROM 输入 输出端口 I O 等主要的 计算机功能部件 都集成在了一块集成电路芯片上 从而形成一部完整的微型计算机 单片机是大规模集成电路在技术发展的结晶 单片机具有性能高 速度快 体积小 价格低 稳定可靠 应用广泛 通用性强等突出优点 兰州理工大学毕业设计说明书 10 3 1 1 PIC16F877 单片机特点 PIC16F877 单片机是美国微芯公司所生产的 PIC 系列单片机之一 它硬件结构设计 简洁 指令系统设计精炼 有以下几个特点 1 哈弗总线结构 在 PIC 系列单片机中采用的这种 哈弗总线结构 就是在芯片内部将数据总线和 指令总线分离 并且采用不同宽度 这样做的好处是 便于实现全部指令提取的流水 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 便于实现全部指令 的单字节化 单周期化 从而有利于提高 CPU 的执行速度 2 指令单字节化 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 的寻址空间是相互独立的 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 3 精简指令技术 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 理解带来了 很大的好处 也给程序的编写 阅读 调试 修改 交流带来了极大地便利 4 寻址方式简单 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 比较容易掌握 5 代码压缩率高 1k 字节的存储空间 对于像 MCS 51 这样的单片机 大约只能存放 600 条指令 而 对于 PIC 系列单片机能够存放的指令条数可达 1024 条 6 运行速度高 由于采用哈佛总线结构 以及指令系统的读取和执行采用流水作业方式 使得运 行速度大大提高 7 功耗低 PIC 系列单片机的功率消耗极低 是目前世界上功耗最低的单片机品种之一 其中 PIC16F877 在 4MHz 时钟下工作时耗电不超过 2mA 在睡眠模式下耗电可以低到 1 A 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 LED 光电耦合器或者微型继电器等 9 I C 和 SPI 串口总线端口 PIC16F877 具备 I C 和 SPI 串口总线端口 利用单片机串行总线端口可以方便灵活 的扩展一些必要的外围器件 10 寻址空间设计简洁 PIC 系列单片机的程序 堆栈 数据三者各自采用相互独立的寻址空间 而前两者 兰州理工大学毕业设计说明书 11 的地址安排不需要用户操心 11 外界电路简洁 PIC 系列单片机机片内集成了上电复位电路 I O 引脚上拉电路 看门狗定时电路 等 可以最大程度地减少或免用外接器件 以便实现 纯单片 应用 这样 不仅方 便于开发 而且还可以电路板空间和制造成本 12 PIC16F87X 系列可实现在线编程和在线调试 PIC16F877 除了具有以上这些优点外 它片内还带有 64 128 或 256 字节的 EEPROM 数据存储器 另外其程序存储器不再是传统的 OTP 型 而是 Flash 型存储器 这种存储器可以实现在电路板上直接擦 写程序 自然是最适合制作经济型在线调试器的一种型号 3 1 2 外围电路 1 时钟电路 单片机内部的各种功能电路几乎 全部是由数字电路构筑而成的 大家知道 数字 电路的工作离不开时钟信号 每一步细微动作都 是在一个共同的时间基准信号协调之下完成的 作为时基发生器的时钟振荡电路 为整个单片机 芯片的工作提供系统时钟信号 也为单片机与其 它外接芯片之间的通讯提供可靠地同步时钟信号 微芯为 PIC 系列单片机的时钟电路设计了四种工作模式 标准 XT 高速 HS 低频 LP 和阻容 RC 本次设计选择标准 XT 时钟电路由一个晶振和两个小电容组成 晶振选 用 4MHz 电容为 15pF 其接口电路图如图 3 1 所示 2 外部复位电路 所谓复位 就是让微处理器进入一个初始化程序 使 CPU 恢复初 始状态 PIC16F877 的复位功能设计的比较完善 实现复位或者说引起复位的条件和原因可 以归纳为四类 人工复位 上电复位 看门狗复位 欠压复位 这四个情况中的其中一个发生都会引起单 片机复位 本次设计考虑到在单片机运行到我们不希 望的状态下或着死机的情况下 需要人工复位按钮强 行迫使单片机复位 故选择外接人工复位电路 其接 口电路如 3 2 所示 图 3 1 时钟电路 图 3 2 外部复位电路 兰州理工大学毕业设计说明书 12 3 2 温度传感器 温度传感器是感应温度变化 以电量形式输出 以便于信号分析及处理 在本系 统中 温度和压力与湿度密切相关 测量的精度直接影响对湿度的控制 而精度与传 感器有非常密切的关系 故传感器的选择很重要 3 2 1 温度传感器的选型 系统的温度范围为 40 60 要求温度传感器的测量误差不大于 0 2 LM35CA 是一种高精度集成电路温度传感器 其输出电压与摄氏温度成线性比例关 系 LM35 不需要外部校准和调节就具有室温时为 1 4 全面温度范围 55 150 时 为 3 4 的典型精度 设计要求误差不得大于 0 2 LM35CA 的精度完全满足 LM35CA 的测量范围为 55 150 而要求的范围为 40 60 故测量范围也满足 LM35 的低输出阻抗 线性输出和它出厂时的精度校准使得它的外接口电路及其简单 在电源方面 LM35 既可以单电源供电又可以双电源供电 其电源电流仅为 60uA 因此 在静电的空气中它自身的热效应小于 0 1 因此它满足设计要求 LM35CA 的内部框图和温度误差曲线分别如图 3 3 3 4 所示 由 VT1 VT2 构成了 温度传感器 二者的发射结面积之比为 10 1 A2 是电压放大器 R1 R2 分别为 VT1 和 VT2 发射结压降的取样电阻 VD 是电流源的温度补偿二极管 有 VT3 和 R3 R4 组成 了发射极输出式电路 其工作原理是利用在不同电流密度下的晶体管 VT1 VT2 的发射 结正向压降之差 Ube 作为基本的温度敏感元件 经过变换之后 在 Uo 端获得与摄 氏温度成正比的电压信号 输出电压的电压温度系数 Kv 10mV 利用下式可计算出被 测温度 t Uo Kv t 10mV t 3 2 1 兰州理工大学毕业设计说明书 13 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 75 252575125175 温度误差 温度 LM35D LM35C LM35CA LM35CA LM35C LM35D 典型 图 3 3 LM35CA 的内部框图 图 3 4 LM35 的温度误差曲线 123456 A B C D 654321 D C B A Title Nu mberRevisio nSiz e B Date 5 Jun 2 009 Sh eet of File G 1 dd bDrawn By R1 R2 A 8 8m A V D R4 R4 R3 8 R3 US Uo A1A2 R2 nR1 V T1V T2 V T3 兰州理工大学毕业设计说明书 14 3 2 2 温度传感器接口电路 为测量负温度 需采用双电源供电 在输出端接上电阻 R R 的下端接负电源 US R 值由下式确定 式 3 2 2 50 SU R A 当 US 5V US 5V 时 R 100K 接口电路如图 3 5 所示 12345678 A B C D 87654321 D C B A Title Num berRevisionSize A2 Date 15 Jun 2009Sheet of File C Docum ents and Settings 1 ddbDrawn By Uo 1 NC 2 NC 3 GND 4 NC 5 NC 6 NC 7 Us 8 LM 35C A 5VA U3 R1 5 18 K RA0 R1 4 39 0 C9 10 0 F 5VA 3 2 3 小结 采用 LM35CA 温度传感器 直接输出电压 且在 5v 电压以内 可直接与单片机连 接 只需要简单的滤波 电路简单可靠 3 3 湿度传感器 湿度传感器是本次设计的重点之一 系统的根本目的就是测量 SF6断路器室内的 湿度 及时提醒人们给与控制 防患于未然 湿度是指大气中的水蒸气的含量 即空气的干湿程度 大气的干湿程度通常通常是用 大气中的水汽的浓度或密度来表示的 即以每 1m3 大气所含水气的克数来表示 称之 为大气的绝对湿度 如果把待测空气看作是由水蒸气和干燥空气组成的理想混合 v 气体 根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程 得出如下关系 图 3 5 LM35CA 接口电路 兰州理工大学毕业设计说明书 15 式 3 3 1 v eMRT 式中 为在一定温度下空气中水蒸气的分压 为水蒸气的摩尔质量 为理想气体eMR 常数 为空气的绝对温度 T 由于空气湿度与空气中水蒸气压和同一温度下水的饱和蒸气压之间的差值相关 饱和蒸气压是指在一定温度下混合气体中所含水蒸气压的最大值 温度越高 饱 S e 和水蒸气压越大 将在某一温度下水蒸气压同饱和蒸气压的百分比称为相对湿度 Relative Humidity 其表示为 式 3 3 2 100 S RHe e 一般用表示 由于绝对湿度有单位 而相对湿度描述比较方便 因此常常使用相 RH 对湿度 3 3 1 湿度传感器的选型 本次监测的是 SF6气体的湿度 纯净 SF6气体 在运行中 受电弧放电或高温后 会分解成 单体的氟 硫和氟硫化合物 电弧消失后会又化合成稳定的 SF6气体 当气 体中含有水分时 出现的氟硫化合物会与水反应生成腐蚀性很强的氢氟酸 硫酸和其 他毒性很强的化学物质等 正式由于 SF6气体的这些特殊性 设计中必须选用抗腐蚀 灵敏度高的湿度传感器 本次设计选用 HIH 3610 湿度传感器 HIH 3610 湿度传感器是美国 Honeywell 公司生产的 HIH 系列集成湿度传感器之一 它属于相对湿度集成电路 特点如下 1 它属于线性电压型输出式集成湿度传感器 内部包含湿敏电容和湿度信号调理 器 能以最简单方式构成相对湿度测试仪 其输出电压不仅与相对湿度成线性关系 还与电源电压成正比 输出电压的范围是 0 8 3 9v 2 高精度 在 RH 0 100 25 UCC 5V 的条件下 测量精度可达 2 3 稳定性好 漂移量小 抗化学腐蚀性强 它能在高温 有化学液体或气体的环 境下正常工作 4 采用 4V 5 8V 电源供电 当 UCC 5V 电源电流仅为 200uA 工作温度范围是 40 85 HIH 3610 采用多层结构 第一层和第三层是经过加热成型的热聚合物 第二层为 多孔铂层 第四层为铂层 最下面是硅衬底 热固聚合物根据环境温度的变化从外界 吸收或释放水蒸气 使其电容量发生变化 这种多层 多孔式结构的优点是能适应恶 劣的环境 即使传感器表面沾上污垢 灰尘和油渍 也不影响测量 当然 灰尘积累 较多时也会影响传感器的响应速度 使传感器内部与外部达到水蒸气平衡的时间延长 兰州理工大学毕业设计说明书 16 在环境温度为 25 时 HIH 系列传感器的输出电压与相对湿度的关系为 Uo Ucc 0 0062RH 0 16 式 3 3 3 式中 RH 用 表示 当电源电压升高时 Uo 也按相同比例增加 相对湿度还与环境温度有关 令传感器的测量值为 RH 实际相对湿度为 R 环境温 度为 T 有公式 RH 式 3 3 2 1 05460 00216 RH T 在 0 25 和 85 时 Uo 与 RH 的关系曲线如 3 6 所示 测量得到的电信号还 需要用式 3 3 3 式 3 3 4 求出实际相对湿度 再利用式 3 3 2 转换为绝对湿度 其中 饱和蒸气压通过查饱和水蒸汽气压表求得 部分饱和水蒸气压表如下所示 行代表 S e 在 n 个标准大气压 列代表温度 T 123456789 202351 8002366 4662381 1312395 7962410 4622426 4602441 1262455 7912471 790 212501 1212517 1192533 1182547 7832563 7822579 7812595 7792611 7782627 777 222659 7742675 7732691 7712709 1032725 1022741 1002758 4322775 7642791 763 232826 4262842 4252859 7572877 0892894 4212911 7522930 4182947 7492965 081 243001 0783019 7433037 0753055 7403074 4053093 0703111 7353130 4013149 066 253186 3963205 0613223 7263243 7243262 3893281 0543301 0533321 0513341 049 263381 0463401 0443421 0433441 0413461 0393482 3713502 3693523 7003543 699 273586 3623607 6933627 6923649 0233671 6883693 0193714 3513735 6823757 014 283810 0103823 6753846 3403869 0043890 3363913 0013935 6653959 6633982 328 294028 9914051 6564075 6544098 3184122 3164146 3144170 3124194 3104218 308 3 3 2 接口电路接口电路 由于 HIH 3610 湿度传感器的输出电压范围在单片机的电压范围内 故不需调理电 路 可直接进行简单的滤波就可以输入单片机的模拟通道 接口电路如 3 7 所示 选 择滤波电阻值的原则是对模拟通道以前的电路进行戴维南等效 电阻值不大于 10K 为准 表 3 1 饱和水蒸气压表 20 29 兰州理工大学毕业设计说明书 17 3 3 3 小结 如上所述 HIH 3610 湿度传感器的优良特性使得设计简单 而且它的高精度和适 应恶劣环境 以及输出形式都表明其非常符合本次设计要求 唯一不足的是它的计算 图 3 6 在不同温度下的 Uo RH 的关系曲线 图 3 7 HIH 3610 湿度传感器接口电路 0 5 1 0 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 20406080 100 4 07V 3 90V 3 50V 0 25 80 123456 A B C D 654321 D C B A Title Nu mberRevisio nSiz e B Date 5 Jun 2 009 Sh eet of File G 1 dd bDrawn By R13 390 C2 100 F Ucc 1 GN D 2 Uo 3 HIH 3610 5 U12 兰州理工大学毕业设计说明书 18 比较麻烦 需先结合图 3 6 和式 3 3 3 得出 25 时相对湿度与输出电压的关系 再利 用式 3 3 4 和所测量的环境温度得出实际相对湿度 再转换为绝对湿度 这就要求在 软件设计中有比较高的技术 3 4 压力传感器 压力测量主要依靠压力传感器实现 压力传感器分好多种 有测量气压 液压 固体压力等 就单气压的测量又分为绝压型压力传感器 差压型压力传感器和表压型 压力传感器 本次设计测量的是 SF6断路器室内的绝对压力 故选用绝压型压力传感器 本次设计对压力传感器的要求有压力范围为 0 01MPa 1MPa 测量误差不得大于 0 01MPa 其次由于 SF6断路器室内气体的特殊性 要求压力传感器抗腐蚀 适应恶劣 环境 3 4 1 压力传感器的选型 根据系统实际需求 考虑测量精度要求 价 格承受能力 安装维护方便 运行可靠安全等多 方面因素 压力采集单元选用了 MSP 400 系列的 电桥式压力传感器 选择了 1Mpa 的量程 MSP 400 电桥式压力传感器适用于对气 液压的检测 甚至较恶劣的介质环境 如污水 蒸汽 轻度腐 蚀性液体和气体 这点非常符合 SF6气体 MSP 400 压力传感器的压力腔由一块单件 17 4PH 或 316 不锈钢加工而成 产品采用 1 4NPT 或 M20X1 5mm 螺纹接头 提供防泄漏 全金属的封闭系统 此产品的特点是无 O 型圈 焊缝 硅油 机体完全不须与压力介 质接触 MSI 采用的微熔技术 引进航空应用技术 利用高温玻璃将微加工硅压敏电阻应变 片固化在不锈钢隔离膜片上 玻璃粘接避免了温度 湿度 机械疲劳和介质对胶水和 材料的影响 从而加强了传感器在工业环境中的长期稳定性能 同时也避免了传统微 机械传感器的 P N 结效应 具体的技术参数有 工作温度范围 40 85 满足设 计要求中的温度范围 40 60 补偿温度范围 0 70 压力精度为 0 5 0 20mA 输出 传感器的实物图如图 3 8 所示 图 3 8 MPS 400 压力传感器实物图 兰州理工大学毕业设计说明书 19 3 4 2 接口电路 A D 转换器选用了 PIC16F877 自带的 10 位 A D 转换器 压力传感器采用 5V 供电 考虑的其输出驱动能力有限 将传感器输出信号经过一个电压跟随器提高输出电流后 进行 A D 转换 接口电路如图 3 9 所示 12345678 A B C D 87654321 D C B A Title Num berRevisionSize A2 Date 15 Jun 2009Sheet of File G 1 ddbDrawn By 1 2 3 U1 MS P 4 00 A1 LM 324 AN 5 C2 0 1 F 12 C110 F 16 V RA2 3 4 3 小结 MSP 400 系列的电桥式压力传感器的高精度 抗腐蚀 接口电路简单 以及电压输 出型都给设计带来了便利 3 5 键盘电路 本次设计键盘需要完成的功能有设定参数以及解除报警 设定参数用四个键分别 完成温度 湿度 压力设定值单元的切换 循环右移一位功能 加一功能和减一功能 由于 PIC6F877 的 RB4 RB7 具有电平变化中断功能 用这四个 I O 端口可简化电路 解除报警用 RB0 端口 它是外部中断端口 PIC6F877 自身集成很多中断 不需要把每 个中断处理都通过外部中断 故外部中断只需要完成解除报警功能 虽然 PIC16F877 内部集成 I O 引脚上拉电路 但它的电压还是不够的 仍然需要经上拉电阻接 5V 电源 由于键盘功能简单 所需要的按键也是少数 故采用独立式键盘 接口电路如图 3 10 图 3 9 85300AOC 压力传感器接口电路 兰州理工大学毕业设计说明书 20 3 6 报警电路 系统要求一旦监测到 SF6断路器室内 湿度超标 就要立即报警 等待工作 人员来检查 并解除报警 本次设计 采用声光报警 选用蜂鸣器和发光二 极管 由于 PIC6F877 的 I O 端口驱 动负载的能力强 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 LED 光电耦合器 或者微型继电器等 所以报警电路比较简单 发光二极管经过限流电阻接在 I O 端口 上 蜂鸣器用三极管放大驱动 接口电路如图 3 11 所示 3 7 LCD 显示模块 根据设计要求 监控终端必须具有当地显示 SF6断路器室内温度 湿度 压力信息 的功能 因此要设计一个显示器 相较于 LED 显示数码管 LCD 具有显示功能强大 结 构简单 抗干扰能力强 功耗小等特点 所以本设计选用其作为显示部分 123456 A