野外柴油发电机监控系统设计

1、第一章 前言在电气时代的今天，发电机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用，尤其是野外工作，更加离不开自动监控的发电机。在本文中我们主要是围绕柴油发电机的控制原理和方法进行研究，发电机的控制技术的发展得力于单片机微机技术，传感器技术，自动控制技术的最新发展成就。柴油发电机组监控系统(简称:监控系统)是以具有很强逻辑控制和数据处理能力的单片微型计算机为核心，实现对机组的检测与控制。在机组运行期间，监控系统可对机组的运行参数、状态进行实时检测，控制机组的自动运行。监控系统配有通讯功能，可将检测的参数及运行状态经传送到上位监控主机，也可以接收上位监控主机的指令，控制机组的运行。本监控系统己应用

2、于500kVA的柴油发电机组的监控中，并有效地实现了机组在无人值守条件下 .柴油发电机组监控系统简介柴油发电机组是一种小型发电设备，系指以柴油等为燃料，以柴油机为原动机带动发电机发电的动力机械。柴油发电机组一般由柴油机、发电机、控制箱、燃油箱、起动和控制用蓄电瓶、保护装置、应急柜等部件组成。整体可以固定在基础上，定位使用，亦可装在拖车上，供移动使用。柴油发电机组属非连续运行发电设备，若连续运行超过12h，其输出功率将低于额定功率约90。尽管柴油发电机组的功率较低，但由于其体积小、灵活、轻便、配套齐全，便于操作和维护，所以广泛应用于矿山、铁路、野外工地、道路交通维护、以及工厂、企业、医院等部门，

3、作为备用电源或临时电源。近年来新研制的无人值守的全自动应急电站，更加扩大了该种发电机组的使用范围。目前，带有自动监控的柴油发电机组远销国内外，深收消费者欢迎。自动监控的柴油发电机组它主要有如下功能实时读取各指标：柴油发电机组的三相电流，三相电压，频率等数据；环境温度，水温，油温等数据；柴油发电机油位，油压，转速等数据；各种报警数据；各种状态数据。实时控制：启动，停止，油机合闸，油机分闸等；远程设置各参数：各上限，下限值等。1.2柴油发电机监控系统现状和发展1.3柴油发电机监控系统的前景和展望1.4课题的研究背景和意义1.5柴油发电机监控系统的研究 该设计主要是针对监控系统的研究，监控系统主要对

4、的运行状态，工作参数，耗油量，工作温度和电压进行监控。当这些参数发生变化时就会通过传感器经过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号，数字信号通过接口接入单片机通过单片机的程序设计来控制发电机的电压，转速和水箱温度，把这些输出信号接入LED来反映这些参数。当发电机的电压超过246V，水箱温度90，油箱油位低于下限位时LED显示屏发出闪灯警报，以此来自动控制发电机的工作状态。传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特

5、性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。按照其用途，传感器可分类为：压力敏和力敏传感器 位置传感器，液面传感器 能耗传感器，速度传感器 热敏

6、传感器，加速度传感器 射线辐射传感器，振动传感器 湿敏传感器，磁敏传感器 气敏传感器，真空度传感器，生物传感器等。本文主要讲温度传感器，压力传感器，基于霍尔效应的转速传感器。温度传感器 根据设计的精确度，本设计采用了具有较高精确度的热敏电阻温度传感器。热敏电阻(Thermistor，Thermal Resistor之缩写)是一种高温度系数的电阻体， 热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，利用的原理是温度引起电阻变化若电子和空穴的浓度分别为n、p，迁移率分别为n、p，则半导体的电导为：=q（nn+pp）因为n、p、n、p都是依赖温度T的函数，所以

7、电导是温度的函数，因此可由测量电导而推算出温度的高低，并能做出电阻-温度特性曲线这就是半导体热敏电阻的工作原理就其电阻系数之大小而言，乃属于半导体；而依其电阻值随温度变化的情形，主要可将其分为负温度系数(NTC, Negative Temperature Coefficient)热敏电阻及负温度系数(PTC, Positive Temperature Coefficient)热敏电阻两种。 电阻-温度特性：NTC（负温度系数）的电阻值可以随温度的上升而下降，由于其温度系数非常大，所以可以检知微小的温度变化，因此被广泛应用在温度的量测、电路软启动，控制与补偿。常规的热敏电阻温度传感器都是由NTC

8、热敏电阻制成。 PTC（正温度系数）的电阻值可以随温度的上升而增大，由于其温度系数非常大，主要用在消磁电路、加热器、电路保护、电机启动、暖风机，风速测量，温度控制与补偿。其特性图见图2-1(a)图2-1(a)电阻-温度特性电流-电压特性：当通入的电流小，几乎不使元件本身发热时，电阻值是一定值。当电流增加，NTC热敏电阻产生的焦耳热使元件本身的温度上(self-heating)，并与环境进行热交换。此电流-电压特性的典型应用为液位感测器，其基本原理是利用NTC热敏电阻在液体和空气中的热散失差异；如前所述，NTC热敏电阻通以电流后产生焦耳热而升温，其热量传导至周围介质，平衡温度将随介质种

9、类而不同。利用此现象可检知NTC热敏电阻在液体中或空气中，以适时启动警示灯。 电流-时间特性：NTC热敏电阻的另一个重要参数是时间，亦即使NTC热敏电阻从某一电阻值改变到另一电阻值所需的时间。当开始加电压于NTC热敏电阻时是定电阻、定电流的状态，而在自热区域(self-heating)则电阻下降、电流增加。而其改变速率则和加于NTC热敏电阻上的功率和元件本身的Thermal Mass、形状/结构及环境状况等因素有关。此一电流-时间特性可用于抑制突波电流，又不至于对电路的总电流造成太大的影响。因此被广泛应用于OA机器的交换式电源供应器中，以抑制电源开启时，引发的突波电流，如此可以防止熔丝的熔断与

10、保护电子线路及其他电子元件，以提高OA机器的可靠度.热敏电阻的非线性特性：热敏电阻由于物理结构所造成的，所以非线性较大，因此在使用时要进行线性化处理。线性化处理虽然能够改善热敏电阻的特性曲线，但是比较复杂。为此，在要求不高的一般应用中，常做出在一定的温度范围内温度与阻值成线性关系的假定，以简化计算。使用热敏电阻是为了感知温度，给热敏电阻通以恒定的电流，电阻两端就可测到一个电压，然后通过公式下面的公式可求得温度：T=T0-KVTT为被测温度; T0为与热敏电阻特性有关的温度参数; K为与热敏电阻特性有关的系数;虚拟化技术,VT为热敏电阻两端的电压。根据这一公式，如果能测得热敏电阻两端的电压，再知

11、道参数T0和K，则可以计算出热敏电阻的环境温度，也就是被测的温度，这样就把电阻随温度的变化关系转化为电压随温度变化的关系了.热敏电阻的阻值定义：测量一只良好的热敏电阻，须在环境温度25下测量，得出的电阻值就是这个热敏电阻的标称阻值。B值是指电阻值/温度的特性用公式计算基础的数值，用在数字表达中，表示与绝对温度相对应的电阻，当B值本身随温度变化时，不适合在宽的温度范围变化，fenwal使用00和500来计算B值。B值与温度的变化曲线如图21（b）图21（b）该转速传感器主要为发电机电控单元提供转速信号，通过对霍尔转速传感器信号进行滤波和整形，使处理后的信号转换成标准的方波信号，霍尔转速传感器是利

12、用霍尔效应原理工作：一个金属或半导体薄片置于磁场中，磁场垂直于薄片，当薄片通以电流J 时，在薄片的两侧面上就会产生一个微量的霍尔电压UH，如果改变磁场的强度，霍尔电压的大小亦随之改变，当磁场消失时，霍尔电压变为零。霍尔效应式转速传感器输出的信号是矩形脉冲信号，很合于数字控制系统，抗干扰能力强。传感器输出电压信号稳定，只要存在磁场，霍尔元件总是产生相同的电压，并且输出信号电压的大小与转速无关，即使是在发动机起动的低转速状态下，仍能够获得较高的检测准确度。对该传感器做简单介绍（1）转速信号盘该盘上共有6个齿，其中有一个40。的宽齿(作为喷油正时基准信号)，5个20。度的窄齿；围绕盘中心有4个均部(

13、相隔90。)的孔，2个大孔为O21，另2个小孔为O106，盘中心还有一个052的中心孔。把宽齿齿边与盘中心连线对应的大孔作为特殊孔，这几个孔在发动机上主要用于定位。用双速电机代替发动机，信号盘与电机安装在一起，随电机转动，传感器固定在支架上，垂直于转速盘，与其相对的位置安装一块永久磁铁，当转速盘旋转时，霍尔传感器就输出矩形脉冲信号，输出6个脉冲，对应发动机一个工作循环每个信号对应一个缸，其中的2个宽脉冲信号配合上止点信号精确确定上止点的位置。（2）信号处理电路经传感器转换和放大器放大的电信号，由于测试环境的电磁干扰、传感器和放大器自身的影响，往往会含有多种频率成分的噪音信号。严重时，这种噪音信

14、号会淹没待提取的输入信号，造成测试系统无法获取被测信号。在这种情况下，需要采取滤波措施，抑制不需要的杂散信号，使系统的信噪比增加，在此选用了有源滤波器中的低通滤波器。根据低通滤波器幅频特性，确定有限增益低通滤波器的线路图。（3）转速测量原理发动机的转速传感器信号盘安装在曲轴上，工作时传感器输出信号经整形后可得到相应的方波脉冲信号。利用M68HC11单片机的输入捕捉功能，可得到相邻的两个上升沿的时间差，即可算出当前转速 为3J= j×2000000×60(i×T)= 1.2×10 × (I×T)(rmin)，其中 i为转速信号盘每转输出

15、信号数； 为信号盘转1圈发动机转的圈数(信号盘安装在曲轴上时= 1，装在凸轮轴上则 =2)；T为单片机输入捕捉所计算出的相邻两个上升沿之间的时间差值。压力传感器将压力转换为电信号输出的传感器。通常把压力测量仪表中的电测式仪表称为压力 传感器。压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件（或应变计）组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。有时把这两种元件的功能集于一体。压力传感器广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业

16、。本设计主要介绍气体压力传感器。压力是一种非电量的物理量，它可以用指针式气体压力表来测量，也可以用压力传感器把压强转换成电量，用数字电压表测量和监控。其原理图如图2-3（a）图2-3（a）气压直接影响到弹簧的形变及弹簧对底座的压力，这是一个惯性值。 如果把压敏电阻装到弹簧和底座之间，那么电阻就会针对弹簧的形变弹力改变电阻，而弹簧的弹力又受气压压强影响。所以压敏电阻的大小就是气压的比值。2.2 A/D转换器在A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的而输出的数字信号是离散的，所以转换只能在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样植转换成输出的输出量。因此，A/D转换的过程是

17、首先对输入的模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这段时间内将取样的电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。然后，再开始下一次取样。现在以程序查询为例，说明ADC0804在数据采集系统中的应用。采集数据时，首先微处理器执行一条传送指令，在该指令执行过程中，微处理器在控制总线的同时产生C 低电平信号，启动A/D转换器工作，ADC0804经100 后将输入模拟信号转换为数字信号存于输出锁存器，并INTR端产生低电平表示转换结束，并通知微处理器可来取数。当微处理器通过总线查询到INTR为低电平时。立即执行输入指令，以产生CS， 低电平信号到ADC0804相应引脚，将数据取出并存入存储

18、器中。整个数据采集过程中，由微处理器有序的执行若干指令完成。 （1）ADC0804的规格存取时间: 135US 输入电压范围为05V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为 5V分辨率：8位 转换时间：100US 总误差：正负 1LSB 工作温度：ADC0804LCN-070度 （2）ADC0804的引脚图及说明见图2-2（a）图2-2（a）ADC0804引脚图ADC0804的两模拟信号输出端，用以接受单极性、双极性和差摸输入信号。A/D转换器数据输出端，该输出端具有三态特性，能与微机总线相接。AGND：模拟信号地。 DGND：数字信号地。CLKIN/R：外电路提供时钟脉冲输入端。时钟输入或接振

19、荡无件（R，C）频率约限制在 100KHZ1460KHZ，如果使用 RC 电路则其振荡频率为 1/（1.1RC）。CLKR：内部时钟发生器外接电阻端，与CLKIN端配合可由芯片自身产生时钟脉冲，其频率为1/（1.1RC）。CS：片选信号输入端，低电平有效，一旦CS有效，表明A/D转换器被选中，可启动工作。WR：写信号输入，接受微机系统或其它数字系统控制芯片的启动输入端，低电平有效，当CS、WR同时为低电平时，启动转换。RD：读信号输入，低电平有效，当CS、RD同时为低电平时， RD 为 HI 时，DB0DB7 处理高阻抗： RD 为 LO 时，数字数据才会输出，可读取转换输出数据。INTR转换

20、结束输出信号，低电平有效。输出低电平表示本次转换已完成。该信号常作为向微机系统发出的中断请求信号。WR：用来启动转换的控制输入，相当于 ADC 的转换开始（CS=0 时），当WR 由 HI变为 LO时，转换器被清除：当WR 回到 HI 时，转换正式开始。 INTR:中断请求信号输出,低地平动作。 VIN(+) 、VIN(-) :差动模拟电压输入.输入单端正电压时, VIN(-)接地:而差动输入时, 直接加入 VIN(+) VIN(-)。 AGND、 DGND:模拟信号以及数字信号的接地。 VREF:辅助参考电压。 DB0DB7:8 位的数字输出。 VCC: 电源供应以及作为电路的参考电压5。A

21、DC0804 原理图如图2-2（a）图2-2（a）ADC0804 原理图ADC0804是属于连续渐进式(Successive Approximation Method)的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快(几十至几百us)、分辨率高外，好有价格便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。 以输出8位的ADC0804动作来说明“连续渐进式的A/D转换器”的原理，动作步骤如表2-2（a）所示(原则上先从左侧最高位寻找起)：第一次寻找结果：10000000(若假设值输入值，则寻找位=假设位=1)第二次寻找结果：11000000(若假设值输入值，则寻找位=假设位=1)第三次寻找结果： 1

22、1000000(若假设值输入值，则寻找位=假设位=0)第四次寻找结果：11010000(若假设值输入值，则寻找位=假设位=1)第五次寻找结果： 11010000(若假设值输入值，则寻找位=假设位=0)第六次寻找结果：11010000(若假设值输入值，则寻找位=假设位=1)第七次寻找结果：11010110(若假设值输入值，则寻找位=假设位=1)第八次寻找结果： 11010110(若假设值输入值，则寻找位=假设位=0)表2-2（a）二分法寻找这样使用二分法的寻找方式，8位的A/D转换器只要寻找8次，12位的A/D转换器只要12次寻找，就能完成转换的动作。例:VIN=3V,由表2.2可知 2. 88

23、0+0.120=3V 为 10010110=96H。功能说明：ADC0804 将输入模拟值转换成数字值输出到 P0,使相对应的 LED 亮.如输入 3V,ADC0804 的输出应为96H=10010110,此数字信号送入 8051 的 P1,再由 P1 存入 8051 的累加器,然后累加器再到 P0,使相应的 LED亮。表2.2 ADC0804电压输入与数字输出关系表先将 ADC0804 的参考电压 VREF 调整为 2.56V。(在腾龙套件中主要演示原理，未作此精确调整电压，用 2个 1K 电阻分压，约 2.5V)。调整 ADC0804 的 VIN可变电阻器。由 0V 调到 5V 根据其关系

24、观察 P1的 LED 变化情形。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！它主要是作

25、为控制部分的核心部件。 单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。本设计主要采用AT89C51单片机。其基本介绍如下 AT89C51简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦只读（FPEROMFalshProgrammable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密

26、度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图2-3（a）所示 图2-3（a）AT89C51引脚图AT89C51主要特性·与MCS-51 兼容 ·4K字节可编程闪烁存储器 ·寿命：1000写/擦循环·数据保留时间：10年·全静态工作：0Hz-24MHz·三级程序存储器锁定·12

27、8×8位内部RAM·32可编程I/O线·两个16位定时器/计数器·5个中断源 ·可编程串行通道·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路 AT89C51引脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双

28、向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储

29、器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3

30、.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，M

31、OVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2

32、：来自反向振荡器的输出。振荡器特性:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.4LED数码管介绍 用新型单片机以及高灵敏度的热敏电阻对水箱温度进行实时测量，由单片机内集成的10 bit A/D 进行模数转换从而实现实时监测、实时控制、实时显示及越限报警等功能。系统硬件由主机、电源、按键及显示、控温执行和串行口通信等部分组成，软件由主程序、温度检测转换、温度监控

33、等模块组成。系统通过按键切换实现实际温度和设定温度在数码管中的显示和更改。其流程方框图如3-1（a）所示图3-1（a）温度监控系统框图系统方案设计系统工作时先由使用者设定预期达到的两位温度值(该值为十进制，单位为摄氏度，范围O.0099.9)，温度值输入后，打开电源，单片机自动复位，进行初始化，这时LED显示器显示设定温度，以便操作人员核对设定温度，然后温度检测电路将测点的温度输入单片机，经软件滤波后作为实测温度，此后显示器将一直显示实测温度。若实测温度高于设定温度时，报警显示，若在设定温度范围内，无报警显示。（1）系统功能分析由于系统应实现温度的自动精确控制及显示，并可以随时调整设定温度，从

34、而扩大应用范围，因此功能扩展为：通过加热器实现升温，通过轴流风机实现降温；通过单片机控制使温度相对恒定；控制温度精度约为0.；通过按键输入设定值；实时显示当前温度值并可以进行设定温度与实际温度的显示转换；越过设定温度（90）报警。（2）精度保证与实现方法采用现有最灵敏的感温元件热敏电阻， 由于本设计采用的是ADC0804转换器。本次设计的测量温度范围是0100，由于所采用的ADC0804片内是8bit的转化器，由100/256=0.4可知以0.4作为响应的A/D 区分度要求，A/D 需要区分(100-0)/0.4=250 个数字量。（3）按键设计根据功能要求，系统中应设置5 个按键：a 复位键

35、：用于单片机的软件复位；(2)运行键：使温度控制系统运行；b显示转换键： 用于切换实际温度与设定温度的显示；c设置温度加0.5键；d 设置温度减0.5键。(4)显示设计使用3 个共阴极的LED数码管，通过串入并出芯片扩展，并由单片机SPI(同步外围串口)实现静态显示，显示温度范围0.0 99.8 。(5) 越限报警系统中设置蜂鸣器，通过单片机进行比较判断，当温度超过90 时进行报警提示。 系统设计本系统采用AT89C51作为核心处理器件，把经过温度传感器现场实时采集到的温度数据，经过A/D转换成数字信号存入AT89C51的内部数据存储器，送LED数字显示屏显示，并与预先设定值进行比较，然后由单

36、片机输出信号去控制发电机。进行温度控制程序的设计应考虑如下几个问题：(1)实时采集温度；(2)温度显示：采用3位LED显示当前温度；（3)按键处理； (4)越限报警和处理：将采集到的温度值与预先设置值进行比较，若当前温度值越限，则产生报警信号。软件设计主要有：主程序、初值设定子程序、温度读取子程序、显示子程序和输出控制子程序等。初值设定子程序完成对温度初值的设定及数据保存；温度读取子程序完成对温度传感器数据的读取，并通过显示子程序显示温度值；输出控制子程序则根据温度的数值完成对输出口的控制。硬件电路主要由主机、电源、按键及显示、控温执行和串行口通信等部分组成。(1) 温度检测电路设计温度检测部

37、分的主体为负温度系数热敏电阻，其标称阻值为50 K。由于热敏电阻灵敏度高，因此阻值虽温度变化的幅度大，可以不经过放大器，直接进行模数转换，仍能保持较高精度，这就简化了温度检测电路，便于调试，且不易出错。电路原理如图3-1（b）3-1（b）温度检测部分电路原理（2）显示部分设计在单片机资源扩展中，可以进行串口输出口扩展。而本系统中的串口需通过编程加以实现，因此，使用同步串行外围接口(SPI)并通过外接(串入并出移位寄存器)可扩展并行输出口。 系统程序设计所有程序采用单片机 语言进行编程，并用KielC51 软件进行调试、修改、编辑和仿真。（1） 主程序模块、开始系统初始化温度检测温度显示报警温度

38、大于等于90图3-1（c）温度检测转换模块温度检测转换模块采用ADC_DATA/ADC_LOW2 特殊功能寄存器实现A/D转换。其中，ADC_DATA(C6h)全部8 bit 均有效，ADC_LOW2(Beh)只有低2 bit 有效。计算公式为结果(ADC_DATA7:0, ADC_LOW21:0)=1024×Vin/VccVin模拟输入通道输入电压Vcc单片机实际工作电压，并作为模拟参考电压取ADC_DATA 的8 bit 为ADC 转换的高8 bit ，ADC_LOW2 的低2 bit为ADC转换的低2 bit，即为10 bit精度；如果舍弃ADC_LOW2 的低2 bit，只用

39、ADC_DATA的8 bit 作为ADC 转换的高8 bit，则A/D 转换结果为8 bit精度。此时的计算公式为:结果(ADC_DATA7:0)=256×Vin/Vcc将输入的电压信号转换成数字信号后，经过反复调试对比，把温度和电压的关系近似地归为分段线性关系，并由分支语句分别计算得到比较准确的摄氏温度值，在0100的精确度约为0.4。（2） 显示模块由于需显示的是3 bit 10 进制数字，因此要设置3 个变量分别储存十位、个位和小数位数字，且由SPI 模拟串口逐位发送，每发送一批后有一定延时。（3） 系统初始化模块系统初始化模块中包含与A/D 转换和SPI 有关的位设置。与SP

40、I 有关的特殊功能寄存器包括：控制寄存器(SPCTL)，状态寄存器(SPSTAT)和数据寄存器(SPDAT)。（4） 系统调试调试包括用实验板对整个操作过程的调试以及对系统的功能调试。将硬件按位置分成主机部分、按键及LED 部分和显示部分。在A/D 转换结果与实际温度关系建模方面，对温度的水箱进行温度测量。 3.2 发电机转速监控系统发电机组转速的可靠测量是对其进行有效监视与控制的基础，针对目前柴油发电机组转速的测量以人工监控转速测量值不方便问题，通过单片机的程序控制来实现自动监控，3.2.1系统设计（1）测速原理发电机的转速n与发电机的频率，成线性关系，即满足关系式：(1)式中为发电机的定子

41、磁极对数，对于定型的发电机为常数。检测测速齿盘的转速传感器的输出脉冲频率 满足以下线性关系：(2)式中：为发电机的转速；为测速齿盘的齿数，设计定型后为一常数。式(1)与式(2)中的即为被检测的量，根据式(1)，可以得到发电机的额定转速 ，当发电机频率为50时所对应的转速：(3)由额定转速，根据0200就可以确定出转速测量的实际范围。DSP经过对输入的脉冲信号频率的计算，再根据式(2)，就可以得到发电机的实际转速：(4)将测量得到的发电机转速经过D/A转换后就可以得到与转速相对应的420mA标准电流信号。 硬件设计与工作原理对于齿盘测速方式，系统主要由以下几个部分组成，即：输入信号处理模块、倍频

42、电路、DA转换输出模块、LED显示电路、转速动作值整定与报警电路，系统的硬件结构图如图1所示。而对于信号取自发电机机端PT(Pressure Tramormer)的所谓残压测速方式，硬件上的主要差别在于信号进单片机前的信号调理部分，后续部分在硬件上都可以通用。采用基于霍尔效应的转速传感器，其测量的输出信号为+24v方波脉冲信号。所采用的单片机是AT89C51单片机。F240中计数器精确测量脉冲频率的要求；同时也满足了国标规定的水轮发电机组控制对转速测量精度的要求。倍频电路主要由CMOS锁相环CD4046和双十进制计数器CD4518构成。DSP的运算与处理模块主要实现3个功能：转速计算、转速显示

43、与报警、转速模拟量输出。DSP接收到经过倍频变换的脉冲信号后，首先利用式(4)计算出倍频后的转速数值，由此数值即可求出发电机组的实际转速。计算出发电机组的转速以后，经过主要由8255与LED构成的数码显示电路，可以实时地显示出机组的转速以监视机组运行情况；同时，基于此数值，经过整定好的主要由控制继电器组构成的转速整定与报警电路，就可以提供机组顺序控制中所需要的特定转速点的升速降速动作情况的转速开戈量信号，进而对机组进行有效控制。DA转换电路主要是为电站监控系统的上位机提供机组远程控制所需要的机组运行参数，这在对于实现国标要求的“发电站无人值班，少人值守”来说，此部分完成的功能极为重要。DA转换

44、电路主要TLV5619数模变换器、74AC138地址译码器以及参考电压REF191组成。TLV5619是l2位并行电压输出数模变换器，输出电压经过变换即可得到420 mA的标准电流信号。TLV5619输出电压的计算公式为 (5)式中：为转换器参考电压；为被转换的电压数值。图3-2（a）转速监控模块框图软件设计系统的软件主要由主程序、频率测量子程序和DA转换子程序组成，各部分程序流程分别如图3-2（b），3-2（c），3-2（d）转速的LED显示转速开关量信号调用D/A转换子程序计算转速R调用频率测量子程序系统初始化图3-2（b）主程序流程图图3-2（c）频率测量流程系统中，频率测量是整个系统的

45、核心。在频率测量中，主要利用F240的数字IO端口CAP1QEPI的脉冲捕捉功能，在定时器T1确定的1 s时问内，捕捉输入方波脉冲的上升沿个数，并将此脉冲的上升沿个数计数在计数器中，由此可测量出倍频后的脉冲频率，再经过换算，就可以得到机组的实际转速值，从而实现测速系统的预定功能。图3-2（d）D/A转换流程3.3油箱油位监控系统介绍一种基于单片机实现的柴油发电机油位监控系统的设计方法，该监控系统以单片机为核心，通过外围硬件电路来达到实现监控的目的。可根据需要设定油位控制高度，同时具备报警、高度显示等功能，由于增加了气体压力传感器，使其具有与液面不接触的特点。系统设计方案利用单片机为控制核心，设

46、计一个对柴油发电机油箱油位进行监控的系统。根据监控对象的特征，要求实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较，由单片机控制固态继电器的开断进行液位的调整，最终达到液位的预设定值。检测值若低于下限设定值时，要求报警，断开继电器，提醒加油；现场实时显示测量值，从而实现对油箱箱液位的监控。油位监控系统工作原理基于单片机实现的液位控制器是以AT89C51芯片为核心，由键盘、数码显示AD转换、传感器，电源和控制部分等组成。工作过程如下：油香液位发生变化时，引起连接在油箱底部的软管管内的空气气压变化，气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后，即把变化量转化成电压信号；该信号经过运算放大电路放大后变成幅

47、度为05V标准信号，送入AD转换器，AD转换器把模拟信号变成数字信号量，由单片机进行实时数据采集，并进行处理，根据设定要求控制输出，同时数码管显示液位高度。通过键盘设置液位下限限定值以及强制报警值。该系统控制器特点是直观地显示油位高度，可任意控制油位高度。图3-3（a）原理框图硬件设计此液位监控器的硬件主要包括由单片机、传感器(带变送器)、报警器、键盘电路、数码显示电路、AD转换器和输出控制电路等。（1） 单片机单片机采用由Atmel公司生产的双列40脚芯片，如图1所示。其中，P0口用于AD转换和显示；P1口连接一个3×5的键盘；P2口用于控制电磁阀和水泵动作；P3口用于上、下限指示

48、灯，报警指示灯以及用于读写控制和中断等。其芯片功能前面已介绍。（2） 传感器传感器使用SY一9411LD型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。压力传感器是美国SM公司生产的555-2型OEM压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定(070)，传感器经过特殊加工处理，用坚固的耐高温塑料外壳封装。其引脚分布如图3所示。1脚为信号输出(一)；2脚为信号输出(一)；3脚为激励电压；4脚为地；5脚为信号输出(+)；6脚为信号输出(+)。    在水箱底部安装1根直径为5 mm的软管，一端安装在水箱底部；另一端与传感器连接。水箱水位高度发生变化时，引起软管内气压变

49、化，然后传感器把气压转换成电压信号，输送到AD转换器。图3-3（b）SY一9411LD型变送器引脚结构（3） 液位显示电路液位显示采用数码管动态显示，范围从0999(单位可自定)，选择的数码管是7段共阴极连接，型号是LDSl8820。在这里使用到了74LS373，它是一个8位的D触发器，在单片机系统中经常使用，可以作地址数据总线扩展的锁存器，也可以作为普通的LED的驱动器件，由于单独使用HEF4511B七段译码驱动显示器来完成数码管的驱动显示，因此74LS373在这里只用作扩展的缓冲，图3-3（c）是显示电路的原理图。图3-3（c）显示电路原理图（4） A/D转换电路AD转换电路在控制器中起主

50、导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。该控制器采用CMOS工艺制造的逐步逼近式8位AD转换器芯片ADC0809。在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制AD转换程序。图3-3（d）是AD转换部分原理图，在接线时先经过运算放大器和分压电路把传感器输出的电流信号转换成电压信号然后输入到AD转换器控制输出主要有上下限状态显示、超限报警。另外在设计过程中预留了串行口，供进一步开发使用 图3-3（d）A/D转换电路软件设计液位控制器模型的软件设计框图如图3-3（e）所示。图3-3（e）程序设计框图3.4 发电机输出电压监控系统介绍一种基于单片机实现的柴油发电机发电电压监

51、控系统的设计方法，该监控系统以单片机为核心，通过外围硬件电路来达到实现监控的目的。可根据需要设定控制最高电压，同时具备报警、电压显示等功能。还需要压力传感器进行感应。 硬件设计（1）硬件系统概述本系统主要是以单片机作为主处理器，系统主要由信号采集、AD转换、时钟计时、显示、报警等几个功能模块组成。系统框图如下图3-4（a）所示： 图3-4（a）系统框图被测交流电压由精密电阻分压得到与输入被测电压成比例的交流电压值；由运算放大器OP07放大；经整流滤波得到与输人电压成比例的直流电压值。由压频转换芯片LM331转换成相应的脉冲信号。由单片机在固定时间(200ms)内对脉冲信号进行计量从而完成MI)

52、转换的功能。再由单片机对AD转换的结果进行标度变换，得到被测电压数值(BCD码)，通过单片机驱动四个LED数码管显示结果。当电压超过设定植时，报警器报警，LED闪光提示。（2）电压信号采样电压信号采样模块中，被测电压信号经过两个电阻串联分压，幅值降低1000倍，再由运算放大器OP07进行放大，再由两个二极管线性整流整流后的脉动直流经n型滤波电路滤波得到平直的直流信号。送LM331的电压输入端。图3-4（b）为采样部分的原理图。图3-4（b）信号采样部分原理图（3）时钟信号单元在系统设计中。经常需要有时钟，好比单片机内带了一块钟表一样例如电子考勤机不仅要记录员工的身份号码同时需要记录出入门禁的时

53、间。又比如复费率电表，把一天24小时划分为若干个时段每一个时段有不同的费率，有了时钟就可以根据不同时段来计费。单片机内有定时器，十数器，可以用软件来定时，但这要占用片内资源(占用一路定时器计数器)，而且编程十分复杂，在本智能电压表的设计中。如采用定时器通过软件定时，可能出现。定时器中断影响单片机计量脉冲的准确度，甚至发生计数错误。反复的定时器中断在单片机以查询的方式通讯时，可能造成通信错误或通信失败。因此，在这些情况下，多采用实时时钟芯片。时钟芯片的种类很多。有并口方式的器件，如MCl46818，MSM6242等，有串口I2C方式的DSl302，PCF8563，PCF8583，以及串口 SPI

54、方式的DSl2887，RTC4553等等。设计中我试用了DSl302，PCF8563，RTC4553等时钟芯片。最后我采用了ESPON公司的RTC8025这一款由ESPON公司最新推出的串口I2C方式的实时时钟芯片，它所独有的固定周期中断功能，恰好满足了我的设计要求，简化了硬件电路。编程也变的简单。（4） A/D转换电路AD转换器的核心部件是电压一频率变换器(V/F)。它是把待转换的模拟电压V先变换成脉冲信号，该脉冲信号的重复频率与信号幅值成正比然后在一段标准时间内。用计数器累积所产生的脉冲数，从而实现AD转换。这就是电压一频率一数字变换原理。VF转换器的典型电路由图3-4（c）。该电路由积分

55、器、比较器、恒流源、单脉冲发生器和模拟开关组成。转换开始时，开关K断开，VA单独作用于积分器。输出负斜波电压VO。当VOVR，比较器输出一个负脉冲。触发单脉冲，发生器产生一个宽度为T2的控制脉冲，该信号使K闭合，将恒流源与积分器的A点接通。因为在设计上保证在数值上IO。，而=VA/R，且两者极性相反，所以VO波形开始回扫，经过T2时间，单脉冲发生器恢复原态，K又断开，积分器又在I。作用下输出负斜波。上述过程周而复始在比较器的输出端得到一系列的负脉冲。图3-4（c）V/F转换器原理图 软件设计软件主要包括上位Pc机的电压监控程序、下位单片机的电压数据采集程序的程序。Pc机的电压监控程序利用Vis

56、ual Basic 60编写监控界面，可获取系统最近24小时的电压值，并形成柱状图型，对系统测量电压值予以直观显示。还可通过Pc机修改时钟芯片的设置使系统时间等于当前时间或设定时间。其中PC机的通讯功能由Visual Basic 60的串行通讯组件MSComm控件完成。下位单片机通过在固定周期内对LM331输出的脉冲信号进行计数，获取电压值，利用时钟芯片RTC8025产生的-d,时中断记录当时的电压数值并存储最近24小时的电压值供上位PC机进行查询。并接收PC机的指令修改时钟芯片的设置。整个软件系统可以完成电压数值采集、存储、显示并由上位Pc对电压数值进行简单的监控。使仪表不仅可以计量电压还可将测量值反馈给上位机。也为仪表系统的总线化、网络化提供了可能。（1） 整体程序设计程序开始后，先进行初始化。包括IO的初始化，把单片机的I0引脚设置成相应的输入输出状态还包括存储单元的清零，和时钟日历的初始化。初始化过后，程序进入主循环。在主循环中单片机串口首先被置为接受状态，并打开外部中断允许，允许时钟日历芯片向单片机申请中断。然后进行脉冲的采集和计算，得到电压数值送显示缓存区显示。开始进入通讯模块，在主循环中，单片机串口处于接收状态以查询的方式接收由上位机发送的指令和数据。上位机发送的指令有“改写时钟命令_0l”和“要求发送电压值_0