基于弧光原理的风力发电机保护软件设计

1、湖南大学本科生毕业设计（论文）本科生毕业设计(论文)设计（论文）题目：基于弧光原理的风力发电 机保护软件设计 学生姓名：沈若松学生学号：201207010516专业班级：电自（5）学院名称：电气与信息工程学院指导老师：鲁文军学院院长：王耀南20 年 月 日I湖南大学本科生毕业设计（论文）湖 南 大 学毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所呈交的设计（论文）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本

2、人承担。学生签名：日期：20 年 月 日毕业设计（论文）版权使用授权书本毕业设计（论文）作者完全了解学校有关保留、使用设计（论文）的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计（论文）的复印件和电子版，允许设计（论文）被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本设计（论文）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本设计（论文）。本设计（论文）属于1、保 密 ，在 年解密后适用本授权书。2、不保密 。（请在以上相应方框内打“”）学生签名： 日期：20 年 月 日导师签名： 日期：20 年 月 日基于弧光原理的风力发电机保护软件设计摘 要风是没有公害的能源

3、之一，它取之不尽，用之不竭。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。双馈异步风力发电机是目前应用最为广泛的风力发电机，已在国内大规模装设。但是，风力发电机的保护却没有得到相应的重视，风力发电机内部短路故障时有发生。发电机内部短路电流与短路性质和短路位置有很大关系，但一般都会造成弧光放电，此时如不及时切除故障，完全可能发展成直接短路直至烧毁发电机。故本文针对风力发电机可能发生的弧光故障研发出新型弧光保护装置，通过照度传感器对其进行监控，在发生弧光故障时及时的将故障切除，减小对发电机组中设备的损坏。另外加入温度和湿度传感器，对发电机的运行环境进行监控，并在上位机对系统进行仿真，仿真

4、结果到达了预期的效果。本课题的研究可用于双馈异步风力发电机的保护，具有实际意义。关键词：风力发电机；弧光保护；单片机；I2C总线Based on the principle of arc wind generator protection software designAbstractThe wind is one of the energy without public nuisance, it unlimited. Wind power as a kind of clean renewable energy, more and more get the attention of the c

5、ountries all over the world. Doubly-fed induction wind generator is the most widely used wind turbines, have been erected in the domestic large-scale. However, the protection of the wind turbine is didn't get the attention of the corresponding, wind generator internal short circuit fault occur.G

6、enerator internal short circuit current has a lot to do with the nature of short circuit and short circuit position, but generally cause arc discharge, if not timely removal of faults, at this time may develop into a direct short circuit completely until the burning generators. So the wind turbine,

7、the author of this paper the possibility of arc fault developed new arc protection device, through the illumination sensor to monitor it, in the case of arc fault timely failure amputated, minimising damage in generating set equipment. Addition, temperature and humidity sensor to monitor generator r

8、unning environment, and in the upper machine on the system simulation, real results reach the expected effect.This topic research can be used in the protection of double-fed induction wind turbines, has practical significance.Key words: wind turbine; Arc protection; Single chip microcomputer; The I2

9、C bus目 录毕业设计（论文）原创性声明和毕业设计（论文）版权使用授权书I摘 要IIAbstractIII1绪论11.1课题研究背景及意义11.1.1 风力发电的发展11.1.2 常用风力发电机组概述21.2 国内的研究现状31.3 风力发电机故障特性分析41.4 课题的目的52 风力发电机的弧光保护及其特点62.1弧光的产生和危害62.1.1 弧光放电的产生和原理62.1.2 弧光放电的危害62.2 弧光保护概述72.3本章小结83 弧光保护的硬件方案83.1 总体硬件结构83.2 硬件模块及其选型简述93.2.1 电源模块93.2.2 单片机模块103.2.3 I2C总扩展模块103.2

10、.4 与上位机接口模块103.2.5传感器模块103.3 本章小结114 弧光保护的软件设计114.1 I2C总线通信114.2 I2C器件介绍124.2.1 光照传感器124.2.2 温度传感器144.2.3温湿度传感器164.2.4 I2C总线扩展器件174.3 系统软件设计204.3.1 主程序设计204.3.2 I2C通信模块程序设计214.3.3串口通信模块子程序设计234.3.4 外部中断子程序设计244.4 本章小节255 软件仿真结果255.1串口调试助手255.2软件仿真及数据分析255.2.1 温度传感器仿真及数据分析255.2.2 温湿度传感器仿真及数据分析265.2.3

11、 照度传感器仿真及数据分析275.3 本章小结286 总结与展望286.1 研究工作总结286.2 课题展望29参考文献30致谢31331绪论1.1课题研究背景及意义1.1.1 风力发电的发展随着当今社会的不断发展，越来越多的能源与环境问题涌现出来。以煤炭、天然气、石油等燃料作为能源的发电厂产生的温室效应是目前世界环境恶化的重要因素。而核能发电因为核废料的处理问题，也不利于环境保护。在可持续发展的要求下，风能作为一种无污染、无公害的可再生能源，在各种形式的能源中脱颖而出。与传统发电形式相比，风力发电具有不消耗矿物质和水资源，减排CO2、SO2、NOx 及烟尘污染物等各种优点，展现出巨大的潜力。

12、就全球而言，现已知世界总风能资源高达53万亿千瓦时，到2020年，世界电力需求预计为25万亿千瓦时/年，可再生的风能资源将比世界预期电力需求的2倍还多。在联合国1995年所做的一份调查报告中，水能、风能、太阳能、生物质能等清洁能源的开发利用被认为是最有利于人类的，而这之中最经济的就是发展太阳能和风能。风力发电产业前景被各国看好，欧洲国家更是其中的先驱。德国最重视风电的发展，对风电发展做出了长远规划，并指出到了2050年实现风力发电量占到总用量的一半。丹麦的风电业已满足全国用电需求的18%，法国、意大利、英国也都开始制定风电的长远规划并取得了成效。至于美洲，美国的风电发展占居领先地位，预计到了2

13、050年美国风电量能占总发电总量的10%1。亚洲的风电也是发展迅速，以印度为例，其风电装机容量近乎中国的3.5倍，已经成为世界第四大风电国。就我国来说，我国的风力资源也是非常丰富，实际可开发的风能储量2.53亿千瓦时2。由于起步较晚，风电厂装机容量较小，虽在近年以年均20%的速度递增，但其容量仍只能占全国发电总容量的0.15%。国内对风能的利用还难以形成有规模效益的产业，风力发电机组的制造和控制和欧美发达国家相比还有不小的差距，风电发展远未成熟。不过风力发电已经被国家发改委确立为重点发展的可再生能源之一，并在近年的发展中取得不少突破。根据规划，到2020年中国装机容量将达到3千万千瓦，其发展前

14、景也是十分广阔。因此，风力发电在成本不断降低和技术日趋成熟的情况下，已经成为电力系统所有新能源里相对增长最快的发电方式。大力发展风力发电将有助于实现能源的安全和多元化、减少化石燃料造成的环境污染、替代核能，对生态环境保护、能源结构改善、可持续发展的促进有决定性作用。1.1.2 常用风力发电机组概述目前市场上使用的风力发电技术分为恒速恒频 (constant speed constant frequency，CSCF)和变速恒频(variable speed constant frequency，VSCF)两类。恒速恒频系统使用同步发电机或感应发电机，当风速变化时，系统进行调节以保持风力机转速恒

15、定，从而实现频率的恒定。恒速恒频风力机的优点是投资少，结构简单，运行维护方便。但它有着明显的缺点，如风能利用率低，风力发电机组直接与电网耦合，风电特性直接对电网产生影响等。变速恒频是交流励磁变速恒频风电系统，采用绕线式异步电机，或者级联式无刷双馈电机。它的优点是风能利用率高，降低了发电与电网之间的影响，更适应市场需求，缺点是含结构复杂，成本高，技术难度大等。目前应用最广泛的风力发电机是这类中的双馈异步风力发电机（DFIG，Double-Fed Induction Generator）。双馈异步风力发电机又可称之为交流励磁发电机，它的结构与绕线式异步电机类似，由定子绕组直连定频三相电网的绕线型异

16、步发电机和安装在转子绕组上的双向背靠背IGBT电压源变流器组成。这种发电机运用变频器实现它的交流励磁，转差功率由变频器供给，容量的需求大大减小。频率恒定的对称三相电源激励定子绕组，频率可调的对称三相电源激励转子绕组，定转子之间的转差频率确定电机转速。工作原理上，双馈异步电机与一般的异步电机基本一致。不过二者之间也有区别，一般异步电机转子电流频率由电机转速决定，取决于转子短路条感应电势频率，而双馈异步电机转子绕组的频率可以随外加交流励磁电源供电的变化调节。根据风力机的转速变化，发电系统可调节励磁电流的频率以实现恒频输出；通过改变励磁电流的幅值和相位还可独立调节发电机的有功、无功功率。双馈式风力发

17、电机系统结构图如图11。网侧变频器转子侧变频器齿轮箱G双馈发电机电网风力机图1.1 双馈异步风力发电机的结构1.2 国内的研究现状风力发电在近几年已得到大规模应用。应用初期，因为风力发电机容量普遍较小，风力发电机均未配置专门的保护。随着风力发电项目逐渐增多，风力发电机的容量也不断增大。新增装机中2MW及以上容量的风力发电机逐渐成为主流，如双馈异步风力发电机单机容量普遍为2MW，最大的可以做到5MW甚至10MW。在这种情况下，风力发电机的保护却没有得到重视。以目前应用最多的2MW机组为例，发电机只在绕组内部预埋温度传感器，发电机如遇各种故障只能通过温度继电器保护来将其切除。风力发电机大多数都装设

18、在高原和沿海地区。高原地区有绝缘条件差的特点，导致发电机发生绝缘击穿短路的概率大。而沿海地区风力发电机的受潮情况也是相当严重。在这些不良因素的影响下，一旦发电机发生外部短路，就会引起其内部绕组过流。如果绕组发生内部相间或匝间短路、匝对地短路，而发电机是电源，内部故障情况无法通过外部电流测量正确反应，这使得发电机绕组有被烧毁的可能。从近年来对电机制造企业考察调研的情况来看，风力发电机内部的短路故障时有发生，如相间短路，或是相对地短路都并不鲜见。一旦故障发生，只能更换风力发电机绕组，不仅损失了发电量，还要承担高额的更换维修费用。按照电力行业标准，发电机容量超过1MW，电动机容量超过2MW，必须配置

19、差动保护。而目前风力发电机因某些历史原因，未考虑配置复杂的保护，其中性点侧绕组也就没考虑引出，因此无法测量中性点侧的电流。这也导致现有的双馈风力发电机无法配置差动保护。而另一方面，现在的大型风力发电机变压器与发电机距离相当接近，有与发电机一起装在机舱内的，也有于塔基架处装设的。电网局部故障发生频繁，如欠电压、过电压、电网尖峰、低频、高频、相不平衡、电网电压跌落以及电网电压、频率的波动等，因此大型风力发电机组一定要采取更有效的方式来进行保护。综上所述，如何建立快速有效的风力发电机保护方式，是广大风力发电机开发研究者以及各个电机制造企业需要迫切解决的问题。接下来将以DIFG为对象分析风力发电机短路

20、故障的具体特点和其通常的保护方式。 1.3 风力发电机故障特性分析双馈风力发电机是目前应用最广的风力发电机组，故选其作为本节讨论对象。并网运行的双馈风力发电机机组与基于异步发电机的定速风力发电机机组的短路特性有极大的差异，电机各相电流在短路故障发生瞬间发生突变，按指数规律衰减，达到稳态的短路状态，并维持运行。双馈变速风力发电机机组模型中，双馈电机的转子只考虑励磁支路，所以短路电流的初值由定子绕组暂态电抗与其非周期电流的初值来决定，其短路电流依次根据定子绕组暂态时间常数与其时间常数按指数规律衰减。当线路发生三相短路故障，双馈风力发电机在仅能提供瞬间性短路电流，而持续短路电流约等于0。而当线路发生

21、两相短路故障，双馈风力发电机却能提供很大的持续短路电流3。若发生电力系统故障，即使与风机距离很远，也可能导致双馈风力发电机连接点处电压暂降。电网电压暂降时，DFIG会产生电压和电流的振荡，降落的百分比越大，振荡越剧烈。因定子和转子之间磁链耦合，电网电压的暂降会导致双馈电机定子绕组电流的增加，这电流也会涌入转子回路和功率电子变流器。双馈发电机的传递函数有两个弱阻尼极点，它们的振荡频率接近于电网频率，如果双馈电机暴露于这些电网扰动的极点就会引起磁通振荡。在扰动下，需增加转子电压以控制转子电流，当所需电压超过变流器的电压限制，就不能按需要控制电流。这说明电压暂降会引起转子回路的高电流和高电压，严重时

22、将导致转子侧的变流器过流或变流器直流侧的电容过压。为了防止过压或是过流对转子侧的变流器造成危害，通常于转子侧安装撬杠保护电路来保护变流器，这种保护方法称为撬杠保护。双馈风力发电机在故障时能提供短时故障电流。因其撬杠保护十分灵敏，发生故障后快速动作，短接转子绕组，使变流器退出运行；而定子电压电流保护动作时间却相对较长，所以，故障切除前，风力发电机以接近于异步电机的方式来提供短路电流4。风力发电机提供故障电流的时间和故障点位置相关。若故障发生在风电场内，风力发电机感受到较大的冲击，风力发电机保护动作快速，使并网断路器跳开，风力发电机提供故障电流时间很短。若故障点远离风电场，其距离风电场越远，风力发

23、电机受到故障冲击越小，保护动作时间因此增加，风力发电机提供故障电流时间也变长4。故双馈异步发电机提供故障电流持续时间的长度取决于保护的动作时间。以前，并网风电厂容量较小，在发电机保护配置及其整定计算时普遍未考虑风电场影响，而是简单地将其作为一个负荷，或将风力发电机视作同步发电机处理，不考虑风力发电机提供的短路电流。然而，随着风力发电机接入系统的规模越来越大， 在电网故障时风力发电机会将向短路点提供一 定的短路电流。在此情况下，发电机保护配置及其整定计算受风电场的影响往往会出现偏差，实际运行时甚至可能引起保护装置误动56。1.4 课题的目的从上述分析可以看出，由于风力发电机故障时的短路电流与同步

24、发电机的故障电流不同，它们对风力发电机的继电保护产生不同的影响，对于保护措施的要求非常高，而常用的风力发电机保护方式由于第一章所述的历史原因，难以正确、可靠地动作，新型的弧光保护在这种情况下应运而生。故本课题的目的在于的研究风力发电机的弧光保护和其软件设计，包括在在原理上阐述它的特点和优势，实现弧光保护硬件原理，和软件程序的编写。本论文的研究工作安排如下：（1）在查阅了多种文献和材料的基础上，了解弧光保护的原理，分析其比起传统保护方法的优势。（2）简要设计硬件系统，完成硬件系统各个组成部分，包括电源、单片机、传感器等的选型。（3）进行软件程序的设计。包括熟悉I2C总线通信技术，串口及外部中断的

25、使用，程序的设计与编写。（4）对软件程序进行仿真，并对仿真结果进行分析。2 风力发电机的弧光保护及其特点2.1弧光的产生和危害2.1.1 弧光放电的产生和原理电弧是放电过程中发生的一种现象，两点间的电压超过其工频绝缘强度极限时就会发生。当适当的条件出现时，一个携带着电流的等离子产生，直到电源侧的保护设备断开才会消失。空气在通常条件是很好的绝缘体，但由于温度的升高或者其他外部因素的作用，其化学和物理特性发生改变时，它可能变成通电的导体。空气被电离的同时，温度随之急剧上升产生电弧，这种放电称为弧光放电。弧光放电产生的条件是小间隙和大电流，类似地，电路两相发生短路便可以产生电弧。电弧被拉长和冷却，会

26、导致维持它的必要条件缺失进而熄灭，如增加间隙或减小电流，电弧将会消失。弧光放电一般不需要很高的电压，属于低电压大电流放电。引起弧光放电的因素多种多样，经过对电厂的调研，主要包含以下几点：（1）使用不良性能导电体；（2）绝缘材料损坏（包括：进水、裂痕、老化等）；（3）人或其他物品意外接触到带电物体；（4）操作过程失误或者设计或安装错误 ；（5）元件损坏，无良好的保养和维修设备；（6）过电压；（7）电网结构的改变（电缆应用增多、系统容量增大）。从第一章的叙述可以得知，装设在高原和沿海地带的风力发电机绝缘条件差，元件极容易受潮，且风力发电机容量在近年来不断增大，导致电网结构改变频繁。故风力

27、发电机若发生短路故障，产生持续的短路大电流，一般都造成弧光放电。2.1.2 弧光放电的危害形成弧光放电的方式主要是电弧性短路起火。如将两电极接触之后再拉开建立电弧，则维持这10mm长的电弧只需要20V电压。也就是说只需先接触，之后又分开，就很可能产生局部高温的电弧而成为火源。 在发电设备方面，弧光对设备的损害与其持续的时间有很大的关系，当弧光时间超过100ms时，弧光产生的能量指数级别上升。即使是小电流故障也能产生弧光，当发生非经属性短路故障时，故障电流可能很小，但如不及时切除故障，完全可能发展成直接短路直至烧毁发电机。对于一些重要的发电厂，若电弧光没得到及时处理，或是处理不当，还将

28、导致更严重的后果。其可能点燃发电机组内器件，使绝缘物质燃烧，金属熔化飞溅，甚至引起火灾、爆炸，大面积烧毁配电设备，破坏直流系统，造成重大经济损失。2.2 弧光保护概述当发电机组产生电弧，可通过三种不同的设计理念保护操作人员和设备的安全：（1）改良设备机械结构，使之能承受电弧（被动保护）。（2）给设备安装限制内部电弧效应的装置（主动保护）。（3）给设备安装限流断路器。这三种方案（可联合使用）已在电气工业领域内得到快速发展，并为一些主要的开关控制柜制造商所使用。其中限制内部电弧效应的装置是一种主动保护装置，其内部含有机电与电子装置，通过安装限电弧装置，监测内部出现的故障电弧，比被动保护装置更加复杂

29、。现我们也可以借鉴开关柜的经验，将其运用到风力发电机组的保护中。主动保护有两种常见的方法，一是使用压力传感器进行监测，二是使用弧光传感器进行监测。第一种方法采用压力传感器作弧光探测单元，压力波是装置内发生电弧事故的效应之一，它在电弧出现10-15毫秒后出现，可安装一些压力传感器探测压力峰值。当内部压力达到某个设定值时，弧光监测装置发出指令，控制开关器件动作。但是要确定电弧在设备内产生的过压值并非易事，故这种方法的应用并不广泛。第二种方法则是由于电弧现象会产生强烈光辐射的特点，运用弧光传感器探测弧光。当弧光监控系统探测到故障，会给断路器发出动作信号。这种方法非常符合风力发电机的故障特点，保护系统

30、根据弧光检测和过流检测原理，动作快、可靠性高，可以有效保护发电机内部弧光故障和外部短路过流。当风力发电机发生绕组内部短路时，通过弧光检测能迅速判断出故障并发出跳闸信号。当风力发电机发生外部短路时，利用常规电流保护的保护功能即可。运用第二种方法，风力发电机弧光保护内部故障的动作时间为710毫秒，远快于各种传统保护方式，能将故障损失降到最低，为快速处理事故，恢复供电创造条件。2.3本章小结本章主要介绍了弧光放电的原理和危害、弧光保护的原理和弧光保护对于风力发电机保护的优势。说明风力发电机组一旦发生故障，出现短路电流，则基本都会发生弧光放电。若电弧不得到及时处理，还会带来极其严重的后果。提出能够克服

31、这些问题的新型弧光保护，特别是运用弧光传感器监测电弧的方法，动作快、可靠性高，完全符合风力发电机组的需求。3 弧光保护的硬件方案弧光保护装置需要具备这两个功能：一是通过单片机串口与上位机通信；二是对照度传感器设置上限阀值，当传感器检测到光强超过该阀值时，系统能控制对应继电器吸合。这些功能需要合理的硬件和软件设计来共同实现，其中 硬件结构是软件程序的基础，本章主要是简要介绍总体硬件方案，阐述各个硬件模块的功能及选型。3.1 总体硬件结构本保护装置采取全数字化设计，采用四路照度传感器(ISL29023)、四路温度传感器(LM75A)、四路温湿度传感器(SHT21)、四路开关量输入和四路继电器输出(

32、无源触点)。这之中，温度、照度和温湿度传感器在实际使用中只需接三路，剩下一路备用。调试是四路继电器输出的作用，作用于硬件系统的调试的有三路，单片机接收到上位机发送的指令时，根据相应的指令使这三路继电器动作；当传感器检测到超设定阀值光强时，剩下一路动作。 其主控部分选用STCl1L60XE单片机，其电源部分选用AC-DC隔离电源，使输入输出都能实现隔离，而传感器和主机通讯选用I2C数字接口，且使隔离扩展加入，有效将通讯距离延长，使通讯可靠性提高，与上位机接口部分则配置RS-232接口、USB接口和CAN 接口，可以任选其一实现通讯7。本文的上位机即指PC，在PC上运行串口调试软件，用于调试系统。

33、该保护系统使用MCU的IO口模拟I2C总线，并通过带有I2C接口的传感器对环境中的温度、照度以及湿度进行采集，实现单片机和传感器间的I2C 总线通信。 通过单片机串口与上位机之间的连接，连接时以8位的拨码开关选择需求的接口，在设置拨码开关为00000011时，选择RS232接口进行通信；为00001100 时，选择CAN接口通信；在设置为00110000时，选择USB接口通信。并应用上位机串口调试软件调试系统。 系统重点是监测环境照度数据，如果照度值超越设定上限阀值便会产生中断信号来控制继电器吸合。3.2 硬件模块及其选型简述系统的硬件主要包括电源模块，单片机模块，I2C总线扩展模块，与上位机

34、接口模 块以及传感器模块。硬件主要结构框图如图31所示。RS-232接口USB接口CAN接口拨码开关单片机STCl1L60XE电源模块温度传感器光照传感器温湿度传感器I2C总线通信模块外部中断源继电器图31 硬件结构框图3.2.1 电源模块 电源模块负责给系统的各个模块提供匹配且稳定的电源。采用ZY0012GD5W作为 总的AC-DC电源，并与之配合使用数种隔离电源以减少外部交流信号的干扰，同时将匹配的电压向各个模块提供。3.2.2 单片机模块 单片机模块为系统核心模块，采用STCl1L60XE单片机来作主控制器负责管理并控制这个系统。因STC单片机无I2C总线接口，本系统利用单片机P0.0和

35、P0.1管脚以模拟I2C总线，来实现其和各个传感器间数据通信；并选择P30和P31管脚作单片机和上位机间串口通信发送与接收的端口；利用P32 管脚作外部中断的请求源，在光强超设定阀值令CPU对中断请求作出相应；P20P23管脚则是对应这四路继电器的输出管脚。 3.2.3 I2C总扩展模块 I2C总线扩展模块用于增加I2C接口数量，延长I2C总线通信距离。以I2C总线扩展模块来扩展总线，并令传感器接I2C总线，能使系统的模块化设计变得方便。该模块的总线扩展器件为PCA9545A，能使总线从一路扩展到四路。传感器和主控制器间的接口则是I2C串行总线，I2C总线通常用作板内通信，因为在对发电机组各数

36、据进行测量时，各测量点间距离较远，所以需延长I2C的通信距离。本模块采用P82896 能对I2C总线的通信距离进行有效延长，同时减小发电机内部对系统的影响较大的电磁干扰。其一端连接在单片机I2C接口上，另一端利用通信线缆接到配对的P82896 上。 3.2.4 与上位机接口模块 本模块配置有RS-232接口、CAN接口和USB接口，可利用拨码开关任选其一连接上位机来进行通讯。 RS-232是一种被广泛应用的接口，非常方便，进行短距离通信时，通常使用系统的RS-232接口连接上位机；USB接口也是一种比较普遍的接口，USB总线的特点是传输速度快；CAN总线通常用于长距离通信，在实际应用时， 发电

37、机组距离中控室较远时，可选择CAN总线来进行通信。3.2.5传感器模块 该弧光保护装置配有环境光传感器ISL29023、温湿度传感器SHT21和温度传感器LM75A。三种传感器都可将测到的模拟量转化为数字信号的输出。ISL29023是一个具备中断功能的数字环境光传感器，用它检测发电机组内产生的电弧光，通过编程对其设定一个阀值，当光照强度超过此阀值时产生一个中断信号， 使继电器跳闸来切断弧光故障。 发电机组在运行过程中，内部温湿度的高低对系统的运行都是有影响的，该装置使用 温度以及温湿度传感器读取环境中的温湿度数据，并通过串口调试助手对其进行了调 试。3.3 本章小结本章主要介绍了系统的硬件方案

38、，对硬件系统按功能模块进行了划分。对器件的选型做了简要的介绍。硬件的设计，将是下文所阐述软件设计的重要基础。4 弧光保护的软件设计4.1 I2C总线通信现在，串行总线十分广泛地应用在单片机系统中。其中，I2C总线因规范的严格加上众多带I2C接口的外围器件使其得到普遍应用。I2C总线基本结构见图41。SDASCLVCC单片机1SCL SDASDA SCL其他I2C外围设备SDA SCLA/D或D/ASDA SCL存储器单片机2SCL SDARR图4.1 I2C总线通信的基本结构凭借其性能的优异和操作的简便，I2C总线技术应用广泛，其有如下特点。(1)在I2C总线系统内，任何I2C器件，就算它们的

39、功能有再大差别，都是通过数据线SDA和时钟线SCL接到I2C总线上。因此在设计电路时只需将器件的SCL和SDA引脚接入I2C总线，然后对器件模块设计独立的电路即可。这样不仅使设计的复杂性得到简化，同时也使系统的抗干扰性得到提高8。(2)I2C外围接口器件的地址具备极高独立性。每个I2C器件单主机系统内都具备唯一器件地址。其只能用作从器件，未具备发送时钟信号的能力，因此各个器件互不发生干扰，相互通信无法进行，且每个器件独立供电。通过独一无二的器件地址， I2C器件与单片机间的通信得到了实现。(3)软件操作具有一致性。单片机I2C器件与之间数据传输的方式是基本相同的，因此，I2C器件的模块化程序设

40、计流程也具有一致性。4.2 I2C器件介绍I2C器件就是被I2C协议植入IO 口的器件，在使用时可直接挂I2C总线上，这样的特点极大地方便了应用系统的设计。I2C器件不需要片选信号，由主器件发出的I2C从地址决定是否选中，而I2C总线委员会则统一发配I2C器件的从地址。4.2.1 光照传感器SL29023包含8个8bit寄存器。设备的运行模式由其中两个指令寄存器决定，直至寄存器清零，它的值都不会改变。两个8位的数据只读寄存器通过ADC输出，而ADC输出的最后一次数据则由寄存器保留9。各个寄存器的设置如表41所示。表41 ISL29023寄存器设置ADDRREGNAMEBIT7654321000

41、hCOMMANDIOP2OP1OP000FLAGPRST1PRST001hCOMMANDII0000RES1RES0RANGE1RANGE002hDATALSBD7D6D5D4D3D2D1D003hDATAMSBD15D14D13D12D11D10D9D804hINT_LT_LSBTL7TL6TL5TL4TL3TL2TL1TL005hINT_LT_MSBTL15TL14TL13TL12TL11TL10TL9TL806hINT_HT_LSBTH7TH6TH5TH4TH3TH2TH1TH007hINT_HT_MSBTH15TH14TH13TH12TH11TH10TH9TH81 指令寄存器1(地址0

42、0h)ISL29023运行模式由指令寄存器1的Bit7、6、5决定，如表42所示。表42 运行模式设置Bit7to 5实现操作000进入掉电模式001一次测量环境光010一次测量红外光100保留不用101连续测量环境光110连续测量红外光111保留不用2 指令寄存器2(地址01h) 指令寄存器2中的Bit3和Bit2决定了该ADC的单次转换的时钟周期数和分辨率， 如表43所示。表43分辨率及时钟周期设置Bit3、2时钟周期数字n-bit ADC00216=655361601212=409681028=25641124=162设置光的测量范围所用的是指令寄存器2中的Bitl和Bit0位，如表44

43、所示。表44 设置光的测量范围Bitl、0RANGE测量范围00Range10015-10001ux01Range2O06-4000lux10Range3O24-160001ux11Range4096-640001ux3 数据寄存器(地址02h、03h) ISL29023有两个8位数据只读寄存器为ADC从低位到高位保存数据。低位数据由地址为02h的寄存器存储，高位数据由地址03h的寄存器存储。 4 中断寄存器(地址04h、05h、06h、07h) 中断寄存器04h、05h为中断标志位和中断引脚设置了一个低阈值，默认值为00H， 中断寄存器06h、07h为中断标志位和中断引脚设置了一个高阈值，默

44、认值为FFH。4.2.2 温度传感器LM75A内部包含4个寄存器。 1 温度寄存器(地址00x0) LM75A内温度寄存器是一个含有2个8位字节的只读寄存器，由一个一个低数据字节(LS) 和高数据字节(MS)组成。两个字节以二进制补码形式使用高1l位存放分辨率为0125的温度数据，见表45。对于8位 的I2C总线，只需要在LM75A的“00地址”连续地读两字节。表45 温度寄存器Temp MS字节Temp LS字节MSBLSBMSBLSBB7B6B5B4B3B2B1B0B7B6B5B4B3B2B1B0Temp 11位数据未使用MSBLSBD10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0XXXXX

45、计算温度值的方法根据11位的温度数据而来： 若D10=0，温度值()=+数据*O125 若D10=I，温度值()=-数据的二进制补码*0125 2 配置寄存器(地址OOxl) 配置寄存器为8位可读写寄存器，其位功能分配如表46所示。表46 配置寄存器功能分配B7B6B5B4B3B2B1B0保留OS故障队列OS极性OS比较中断关断D7-D5：默认值为0，保留。 D4-D3：OO到1l代表值为l、2、4、6，默认值为0，用以编程OS故障队列。 D2：用来选择OS极性，D2=0，OS低电平有效(默认)；D2=l，OS高电平有效。 D1： 选择OS工作模式。DI=0，直接控制外围电路而配置为比较器模式

46、；DI=I，输出功能受OS控制而配置成中断模式，以此通知MCU进行处理。 DO：器件工作模式选择。DO=0，LM75A为正常工作模式(默认)：D0=I， LM75A变为关断模式。3 滞后寄存器(地址0x02)滞后寄存器是提供温控范围下限的读写寄存器。 每当转换结束，温度数据都会比较存在此寄存器内的数据，若环境温度比该温度低，LM75A会通过当前的比较或是中断模式控制OS引脚作相应反应。 该寄存器均具有两个8位数据字节，不过这两字节中，用以储存设定点数只有9位(分辨率为05二进制补码)，数据格式见表47。表47 滞后寄存器的数据格式D15D14-D8D7D6-D0T8T7T6T5T4T3T2T1

47、T0未定义4 过温关断寄存器(地址0x03)温控范围上限由过温关断寄存器负责提供。每当转换结束，高9位的寄存器数据将会对比存放于该寄存器内的数值，若环境温度比该温度高， LM75A将通过当前模式控制OS引脚作相应的反应。 在主控器控制下，LM75A能通过L数据总线SDA和时钟总线SC连接I2C总线。SCL时钟信号由主控制器提供，SDA则用来读写数据。把两个外部上拉电阻分别接在SDA和 SCL端，阻值大约10kQ左右。地址引脚A2、A1、A0的逻辑电平决定LM75A从地址的低3位。其高4位预先设为“1001”。 器件完整地址由表48给出，由表可知，同一总线可连接8个器件且它们的地址不产生冲突。表

48、48 LM75A从地址表MSBLSB1001A2A1A0因为输入管脚SCL、SDA、A2A0内无偏置，所以它们在任何应用中都不能悬空。4.2.3温湿度传感器SHT21采用标准I2C协议以进行通讯。SHT21的器件从地址在I2C总线下为 1000000x，读写位为最后一位。在第8个SCL时钟下降沿之后拉低SDA引脚(ACK 位)，指示其数据的接受为正常。一旦测量命令被发出来，MCU必须不断等待直至完成测量10。 其基本命令如表49所示。表49 SHT21基本命令命令释义代码触发T测量保持主机11100011触发RH测量保持主机11100101触发T测量不保持主机111100ll触发RH测量不保持

49、主机11110101写用户寄存器11100110读用户寄存器111001ll软复位11111110MCU与传感器间的通讯可选择不同的方式：主机及非主机模式。 若选主机模式，进行数据采集时传感器封锁SCL线 (传感器对其进行控制)；若选非主机模式，进行数据采集时SCL线保持开放，其他通讯也可进行。非主机模式采集数据时传感器允许处理其它I2C总线通信。在无需关闭并再开电源的情况下，用软复位命令重启传感器系统。传感器系统在接收这个命令之后重新初始化，恢复默认设置状态。软复位只需15毫秒以内。4.2.4 I2C总线扩展器件PCA9545A作为I2C总线扩展器件，用以解决使用I2C器件中因各器件间电压不

50、同或地址冲突而无法正常连接的问题11。 PCA9545A芯片内，有一个由上行I2C总线进行读写访问的8位控制寄存器。通过设置其相应位，可令下行相应的I2C总线与上行连接。当器件上 电或复位引脚有效，控制寄存器清零。其寄存器结构框图如图42所示。总线控制寄存器图42 PCA9545内部结构框图其寄存器的相应位描述见表410。表410 PCA9545A寄存器的相应位描述位功能描述复位值0下行I2CO使能位高电平，下行I2C0总线与上行连接；低电平，断开连接01下行I2C1使能位高电平，下行I2C1总线与上行连接；低电平，断开连接02下行I2C2使能位高电平，下行I2C2总线与上行连接；低电平，断开

51、连接03下行I2C3使能位高电平，下行I2C3总线与上行连接；低电平，断开连接04中断0状态位中断输入INT0为低电平，该为l；输入为高电平，为O05中断1状态位中断输入INT1为低电平，该为l；输入为高电平，为O06中断2状态位中断输入INT2为低电平，该为l；输入为高电平，为O07中断3状态位中断输入INT3为低电平，该为l；输入为高电平，为O0控制寄存器相应位和下行I2C总线简单结构示意图见图42。总线控制寄存器图43 控制寄存器与总线相应位的关系的bit0bit3，与下行I2C总线I2C0I2C3对应，对应的下行I2C总线在其中某一位为1时将与上行连接。如当PCA9545A值为0x03

52、，则表示下行I2C0总线、I2C1总线和上行I2C同时连接，其主机能同时访问这两条下行I2C上的器件。PCA9545A相应位和中断输入的结构见图44。控制总线寄存器图44 控制寄存器中相应位和总线的关系控制寄存器的bit4bit7对应中断输入INT0INT3，而PCA9545A在其中某位的中断输入为0低电平有效时，其相应位对应为1；此外，中断输入的引脚状态由PCA9545A相应位实时的反映，因此其中断输入只是电平触发的方式。若对PCA9545A写操作，bit4bit7为只读，写进去的数据是无效的。由图还可看出，中断输出为所有中断输入相与的结果，每当中断产生，PCA9545A的高4位来被程序读取

53、，以判断那是哪个中断输入。在PCA9545A器件上有2个地址选择引脚A0和Al。设置2个引脚电平高低以确定器件的从地址。PCA9545A器件从地址见表411。表411 PCA9545A从地址11100A1A0R/ w由于在PCA9545A内部仅一个8位控制寄存器，控制寄存器内部物理地址能被其地址代替。所以，I2C总线可通过单字节进行读写数据。 I2C写操作见图45：主机发送START信号启动I2C总线，然后发送具备方向位的“写”器件地址字节。待从机应答，要写入的数据再由主机发送。在完成发送后，主机再发送停止信号，结束I2C数据传输。再次设置控制寄存器设置控制寄存器发送从机地址S从机地址WADA

54、TAAnDATAAP写数据图45 I2C操作之写控制寄存器如图45，主机通过向PCA9545A写数据以实现与下行I2C 连接。一次写操作中可连续发送数个数据到PCCA9545A，不过仅最后一次发送数据能被PCA9545A留存。因此在实际应用里可采取单字节的发送。 I2C的读操作见图46：主机发送START信号启动I2C，之后主机发送带方向位“读”的器件地址字节，从机紧接着发送应答信号：表明其已能仅需数据发送。从机每将一个字节数据发送，主机便将一个非应答信号发送。最后，随着停止信号被主机发送，I2C数据传输结束。发送从机地址读控制寄存器读数据S从机地址RADATANAP图46 I2C操作之读控制寄存器如图46，主机从PCA9545A读取数据并查询已读回数据，即可知中断输入有无以及能连接的下行I2C总线。4.3 系统软件设计该系