SF6断路器微水在线监测仪系统毕业设计说明书

./WORD格式整理版摘要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；.AbstractSF6circuitbreakersmonitoronlinesystemusesthePIC16F877microcontrollerasaprocessor,toachievereal-timemonitoringofSF6gas’stemperature,humidityandpressure,andtokowntherunningstateofcircuitbreakerssothatpeoplecouldeffectivelydealwiththeinsulationfaultcausedbySF6gasitself,andensurethesaftyofthepowersupplysystem.Inthisdesign,thebasicprinciplesofSF6circuitbreakercanbesummarizedasthatthehumiditysensor,temperaturesensorandpressuresensorareconnectedtotheSF6gasroombythejointer,whichcansurveythehumidity,temperature,pressureofSF6gas.themeasuredanaloggothroughtheA/Dconversion,dataanalysisinthePIC16F877microcontroller,toimplementdataoverrunalarmanddemonstratetemperature,pressureandhumidity.TheinformationtransmissionbetweenslavesandthemastergeneratesastandardcommunicationpacketsbasedonMODBUSprotocoltoachievereal-timecontrol.Keyword:PIC16F877microcontroller;M-BUSbus;softwareprogramming;目录摘要IAbstractII第一章绪论11.1选题背景11.2主要设计〔研究内容31.3系统主要技术指标31.4解决的关键问题3第二章系统总体结构方案设计52.1系统总体结构及其功能52.2方案设计52.2.1方案一52.2.2方案二62.3方案论证72.4方案的确定7第三章系统的硬件设计103.1单片机103.1.1PIC16F877单片机特点103.1.2外围电路113.2温度传感器123.2.1温度传感器的选型123.2.2温度传感器接口电路143.2.3小结143.3湿度传感器143.3.1湿度传感器的选型153.3.2接口电路163.3.3小结183.4压力传感器183.4.1压力传感器的选型183.4.2接口电路193.4.3小结193.5键盘电路193.6报警电路203.7LCD显示模块203.7.1LCD显示模块的选型213.7.2接口电路213.7.3小结213.8掉电保护模块223.8.1掉电保护的选型223.9M-BUS通讯模块223.9.1M-BUS总线介绍233.10通讯接口电路的设计243.10.1TSS721A芯片介绍253.10.2TSS721A芯片与单片机接口电路设计273.10.3小结293.11电源的设计293.11.1电源选择293.11.2接线电路303.11.3电源的抗干扰技术313.11.4小结31第四章软件设计334.1系统软件的设计思想334.2系统主程序的设计334.3系统子程序的设计334.3.1定时器/计数器子程序334.3.2AD转换子程序364.3.3LCD显示子程序374.3.4中断服务子程序394.3.5键盘子程序404.3.6解除报警子程414.3.7串行通信子程序41第五章总结475.1毕业设计的主要工作情况及创新之处475.2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.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。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；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,相对湿度70%,则水蒸气的饱和压力为,所以外界水压力比内部水分高倍。而水分子呈V形结构,其等效分子直径仅为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。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: 各参数测量范围为：温度：－40℃～+60℃；测量误差不大于±0.2湿度：2～40,000uL/L；测量误差不大于2uL/L；压力：0.01～1Mpa；测量误差不大于0.01Mpa；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。图2-1以单片机为处理器的系统框图上位机图2-1以单片机为处理器的系统框图上位机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LM35CA电源湿度传感器HIH-3610LCD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。2.2.2方案二PLC控制器上位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PLC控制器上位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图2-2以PLC为处理器的系统框图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：单片机比PLC价格低,同样可以实现功能,故其性价比高。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。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。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。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～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：①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。③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。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～+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。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。显示方案：显示采用128×64液晶显示屏,并行通讯。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。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。3.1.1PIC16F877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1μA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.I²C和SPI串口总线端口PIC16F877具备I²C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外围电路图3-1时钟电路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。图3-1时钟电路微芯为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。图3-2外部复位电路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3-2外部复位电路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±0.2LM35CA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/℃·t3.2.1图3-3LM35CA的内部框图图3-3LM35CA的内部框图图3-4LM35的温度误差曲线图3-4LM35的温度误差曲线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>当US=+5V,-US=-5V时,R=100KΩ。接口电路如图3-5所示：图3-5LM35CA接口电路图3-5LM35CA接口电路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：〔式3.3.1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,为理想气体常数,为空气的绝对温度。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〔RelativeHumidity,其表示为〔式3.3.2一般用表示。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：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。高精度,在RH=0～100％、+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℃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。在环境温度为+25℃Uo=Ucc〔0.0062RH+0.16〔式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。表3-1饱和水蒸气压表〔20表3-1饱和水蒸气压表〔20～29℃T〔℃123456789202351.8002366.4662381.1312395.7962410.4622426.4602441.1262455.7912471.790212501.1212517.1192533.1182547.7832563.7822579.7812595.7792611.7782627.777222659.7742675.7732691.7712709.1032725.1022741.1002758.4322775.7642791.763232826.4262842.4252859.7572877.0892894.4212911.7522930.4182947.7492965.081243001.0783019.7433037.0753055.7403074.4053093.0703111.7353130.4013149.066253186.3963205.0613223.7263243.7243262.3893281.0543301.0533321.0513341.049263381.0463401.0443421.0433441.0413461.0393482.3713502.3693523.7003543.699273586.3623607.6933627.6923649.0233671.6883693.0193714.3513735.6823757.014283810.0103823.6753846.3403869.0043890.3363913.0013935.6653959.6633982.328294028.9914051.6564075.6544098.3184122.3164146.3144170.3124194.3104218.3083.3.2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10KΩ为准。图3-6在不同温度下的Uo-RH的关系曲线图3-6在不同温度下的Uo-RH的关系曲线图3-7HIH-3610湿度传感器接口电路图3-7HIH-3610湿度传感器接口电路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压力传感器的选型图3-8MPS-400压力传感器实物图根据系统实际需求,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、图3-8MPS-400压力传感器实物图全金属的封闭系统。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：图3-9图3-985300AOC压力传感器接口电路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3-10键盘接口电路图3-10键盘接口电路3.6报警电路图3-11报警接口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、光电耦合器图3-11报警接口电路或者微型继电器等,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。3.7LCD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。3.7.1LCD显示模块的选型要显示SF6断路器室内温度、湿度、压力,则该LCD具有至少显示四行且每行八个汉字的能力。根据系统实际需求,本次设计选用JHD12864A液晶显示模块。JHD12864A液晶显示模块的液晶屏幕为128*64,可显示四行,每行可显示8个汉字。8*16和16*16的字符按纵排取模,为了便于编程,取模获得的点阵字符数据一般以二维数组格式存放。这些格式分别适合小字体阿拉伯数字和英文字母、大体阿拉伯数字和英文字母、汉字。这些格式具有现成的字模数据提取软件可供使用,如ZIMO221。电源操作范围宽〔2.7Vto.5,低功耗设计可满足产品的省电要求；同时与单片机等微控器的接口界面灵活〔三种模式：并行8位/4位,串行3线/2线。JHD12864A液晶显示模块可实现汉字、ASCII码、点阵图形的同屏显示,中文液晶显示模块具有上/下/左/右动当前显示屏幕及清除屏幕的命令,具有光标显示/闪烁控制命令及关闭显示命令。预留多种控制线〔复位/串并选择/亮度调整供用户灵活使用。3.7.2接口电路液晶显示单元电路如图3-12,液晶显示器的数据总线D0～D7由单片机的RD端口驱动,三脚是液晶亮度调整脚,RST是液晶复位引脚,这里直接采用硬件复位。DI是指令输入端,高电平选择数据,低电平选择指令。RW是读写控制端,高电平选择图3-12液晶显示单元电路读命令,低电平选择写命令。E是使能端,CS1和CS2是液晶左右半边选择端,高电平片选有效。图3-12液晶显示单元电路3.7.3小结JHD12864A液晶显示模块的硬件接口采用并行接数据传输,由于并行接数据传输比串行接数据传输快,接线简单,编程容易。故本模块采用并行接数据传输。3.8掉电保护模块掉电记忆是一种软硬件结合的抗干扰措施。电网的瞬间断电或电压的突然下降会使单片机系统陷入混乱状态,一方面可使实时数据丢失,另一方面混乱的系统可能执行错误的操作。因此,掉电保护的工作也应该从两方面入手：保护现场的实时数据和及时关闭微机系统。当系统恢复供电后,掉电保护现场的恢复是系统软件设计的一个重要环节,包括判断是否发生掉电保护、数据是否还有效和恢复现场等工作。判断是否发生掉电保护的目的是区别是否是正常正常关机,如果是正常关机,就没有必要恢复现场了。本设计选用EEPROM存储芯片实现系统的掉电记忆。3.8.1掉电保护的选型采用外扩EEPROM存储器的方法,其优点是廉价、灵活；缺点是占用单片机有限的引脚资源,电路结构复杂程度增加,更重要的一条是保密性差。原因是独立的EEPROM器件可以被单独拆下,并且很容易读取其内容。在PIC16F877单片机内部,作为一个片内外设模块配置的EEPROM,只能由用户程序或者烧写器对其实施读/写操作。一般从单片机芯片外部不能非法地读取已加密的EEPROM。由此可见,利用PIC16F877片内的EEPROM数据存储器模块,可以实现以上功能,显然克服了外扩EEPROM数据存储器的缺点,从而可以使保密性得到极大地提高。故本次设计采用单片机内部集成的EEPROM数据存储器模块,它的容量为256x8位。单片机向EEPROM烧写的数据,可以是来自外部,可以经过端口模块〔可以是USART、SPI、I²C等与外界通讯并获取数据,然后写入EEPROM。掉电保护功能主要由软件完成,在此不再累赘。3.9M-BUS通讯模块该系统中,下位机需要把采集到的温度、压力、湿度等数据反馈到上位机,由监控人员查看,分析,以及做出对SF6断路器室内状态的判断,并采取相应的措施。而且,上位机对下位机进行一定程度的控制,上位机可对下位机下达命令,设置临界值等。这些都用到了通讯。本次设计题目要求采用M-BUS总线进行通讯。3.9.1M-BUS总线介绍仪表总线<Meter-Bus,简称M-Bus>是欧洲新型总线结构,是一种专为家用仪表数据传输而设计的低成本总线,可以实现公共事业仪表的联网和远程抄表功能.在我国,随着楼宇自动化的发展,M-Bus作为一种低成本、简单可靠、开放的测量总线,虽处于起步阶段,但基于其自身独特的优势,也逐步得到了各个仪表生产厂家的广泛支持并逐步推广使用.参照国际标准化组织<ISO>的开放系统互连模型<OSI>的7层网络模型,M-Bus只提供物理层、数据链层、网络层和应用层的功能.M-Bus是一种由主机控制的分级通信系统.它由主机、从机和两线连接电缆组成.从机之间不能直接交换信息,只能通过主机来转发.M-Bus总线的一个重要特点是,它可以通过主机实现终端仪表的远程供电.因此,M-Bus与其他通信总线相比形成了自己独特的电平特征.总线上传输的数据位定义如下:1>主机到从机的数据传输按电压方式传送.如图3-13所示,逻辑电平"1”对应于总线驱动器上输出+36V正常电压,而逻辑电平"0”对应于总线上输出得+24V正常电压Vmark<1>=<24～42>VVspace<0>=<Vmark-12>V2>从机到主机的数据传输按从机的电流消耗进行调制、编码在图3-13中,逻辑电平"1”对应于最大可达1.5mA的稳态电流,逻辑电平"0”对应的电流是在逻辑电平"1”对应的稳态电流的基础上额外增加11～20mA.其中,稳态电流用以满足接口、仪表或传感器本身的供电要求Imark<1>=Ibus=constant<mA>Ispace<0>=Imark+Im<mA>式中,Im为调制中变化电流,变化范围为11～20mA.我国现在绝大多数建筑物计费仪表都是靠附带电池提供能源,这种方式对电池的性能要求较高,同时要定期进行维护,更换电池,增加了成本和工作量.M-Bus总线标准提供了既传信号又传电源的功能,可使终端仪表所用电池成为备用电源,减少了仪表维护所带来的困难.M-Bus总线可给从机提供3mA/3.3V的电源,通常可满足低功耗终端的应用.终端在获得M-Bus电压时,将终端内部的电池关闭,通过中央控制单元提供的M-Bus电压,维持终端运行。只有在电池耗尽和M-Bus关闭的情况下,终端才停止工作.M-Bus允许电池和电缆供电同时存在,具有较强的适应性。图3-13M图3-13M-BUS传输位定义3.10通讯接口电路的设计基于M-BUS总线的监测系统构成遵循一主<Master>多<Slave>的原则.主站在硬件方面必须有具备调制总线电压<发送数据>和检测总线电流变化<接收数据>功能的主站接口电路;相应的从站在硬件方面必须有具备检测总线电压变化<接收数据>和调制总线电流<发送数据>功能的从站接口电路.能源服务供应商,包括M-BUS协议组织都没有生产专门的M-BUS<>RS232转换器和从机接收器,而只提供M-BUS主站成套设备,包括电平转换,M-BUS协议栈的编码器、数据存储器等功能。在M-Bus系统中,中央控制单元一般由PC机、电源驱动器和M-Bus适配器组成.其中,M-Bus适配器功能是:①将PC机上的RS232电平转换成M-Bus电平;②读取、管理多达250个的终端仪表.从结构上来看,M2Bus适配器包括:电压供应模块、发送器、接收器、中继器及过载报警模块.由于本次设计时间紧张,加上设计任务没有要求设计M-BUS<>RS232转换器,故它不在设计范围内。下面着重介绍从机收发器的设计。3.10.1TSS721A芯片介绍TSS721A是TI公司专为M-Bus总线开发的从机收发芯片,执行异步半双工通信协议,波特率最大为9600bps.该接收器具有动态电平辨识机制,发送器的通信电流大小可通过电阻编程来调节。TSS721A功能介绍TSS721A是TI公司1999年生产的用于仪表总线通讯的芯片。它符合EN1434-3标准,支持HART协议,半双工下通讯波特率可达9600bps。在通讯时,发送方通过改变自身电流消耗使总线供电电压发生变化,接收方通过监测总线电压变化获得数据,由于采用了动态电平识别逻辑,可以使由于距离变化影响的总线电压不影响通讯。DIP封装的TSS721A引脚功能定义见图3-14.TSS721A通讯原理TSS721A通讯原理分数据发送和接受两部分说明。发送时工作原理见3-15.当没有通讯数据时,TSS721A吸收的电流Ispace包括芯片本身消耗电流、对外供电电流Imark和通讯发送电路消耗电流Imc。当通讯数据从RX或RXI进人时,数据会对Imc的有无进行调制,这样发送的数据就转化成总线电流变化。Imc的大小可以由外接电阻Rris调整。仪表总线的拓扑结构要求每个节点有恒定的电流消耗,TSS721A依靠其内部设计满足这一要求。由于对总线供电的电源具有较大的阻抗,总线电流的变化将引起总线电压的变化,接收一方把变化的电压还原成通讯的数据,其工作原理如图3-16。由于总线电压是由BUSL1和BUSL2之间的电压差定义的,通讯距离将影响两者之间电压差。为了使通讯与距离无关,接收引人具有延迟作用的电容Csc。这样,当总线电压变化时,比较器的输出就可以检测总线电压前一个时刻的值和当前值的变化,产生数据输出。连接在引脚CS上的电容Csc,其充电电流和放电电流是不一样的,前者约为后者的40倍。这个比例关系是根据HART协议协调的〔主要满足在通讯时"1"较少的情况下,也能保证Csc上的电压。因为HART协议中空闲位表示为"1",在设计时应该使用TS1、RX1做通讯端,这样使系统有较小的电流消耗。1BUSL2仪表总线接入端22VB整流后总线电压输出3STC供电滤波电容连接端4RIDD电流调节电阻连接端5PF掉电信号指示输出端6SC接收延迟电容连接端7TX1反相数据输出8TX正相数据输出9BAT备用电源逻辑输入端10VS总线供电/电池供电选择输出11VDD3.3V稳压输出12RX正相数据输入13RX1反相数据输入14RIS发送调制电流调节输入端15GND地16BUSL1仪表总线接入端1图3-14图3-14TSS721A引脚功能定义图3-15图3-15TSS721A发送原理示意图图3-16图3-16TSS721A接收原理示意图3.10.2TSS721A芯片与单片机接口电路设计为了布线方便,采用异步串行通信。所选取的PIC6F877微处理器内部含有USART模块。该模块内部包含波特率设置部分、接收部分、发送部分以及接口部分。接口电路如图3-17所示。图3-17TSS图3-17TSS721A的接口电路USART模块带有一个8位的波特率发生器BRG,实际就是波特率时钟发生器,为串行信息帧格式中每一位编码的发送和接收检测提供定时时钟。它可以支持USART的同步方式和异步方式。利用寄存器SPBRG来定义一个8位定时器的循环周期,以实现对波特率的控制。分频比有BRGH位和SYNC位设定为1：4、1：16或1：64.信号波特率的设置由分频因子N和所需的波特率<9600bps>来决定,数据的传送或接收主要是通过一个移位寄存器。接收时移位寄存器将接收来的数据流组合满一个字节,就保存到接收缓存RCREG;发送时,将发送缓存TXREG内的数据一位一位地送到发送端口。TSS721A的8位拨段开关用来设置总线上断路器的惟一地址。上位机通过寻址的方式来实现和微处理器PIC6F877之间的通信。每次主机对某一地址呼叫,只有地址像相符的从机才可以识别呼叫并做出相应的响应。所采用的通信协议是半双工通信协议。3.10.3小结本模块的作用是通过从机接收芯片,M-BUS总线,以及M-BUS适配器与监控中心的上位机通信,通讯接口电路是整个系统的关键,它关系到数据的发送与接收。作为一个自动数据采集系统,如果数据不能输出,整个系统是毫无意义的。3.11电源的设计本设计中的电源主要有三种：±5V和+12V。±5V的电源是供给各种集成器件以及单片机使用的；+12V的电源是供给放大器使用的。由于单片机和传感器需要不同的两种电源：模拟电源与数字电源,数字电路的频率高,模拟电路的敏感度强,为防止它们之间互相干扰,应分别设计。3.11.1电源选择传统的单片集成稳压电源,具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点,但外围电路复杂,需要进行滤波等。新型集成的稳压电源出价格外在各方面都优于传统的集成电源,本次设计选用HV-2405E。HV-2405E是美国HARRIS公司推出的一种高效率、无变压器输出的降压式AC-DC转换器。HV-2405E的主要特点有：不需要电源变压器就能进行整流、滤波,将高压交流电变换成低压直流电；具有极宽的电压输入范围,在输入电流交流电压为15～275V时均能输出稳定的5V直流电压；输出电压可在5～24V之间自由调整；最大输出电流为50mA；采用DIP-8封装,外围元件少,整个变换器的面积小于0.14平方英寸；工作温度范围为-40℃～+85℃引脚功能图3-18图3-18HV-2405E引脚功能定义引脚号引脚名称引脚功能1ACRETURN交流电压输入2PRE-REG电压预置控制3GND接地4INHIBIT禁止、抑制控制端5VSENSE基准电压6VOUT稳压输出脚7NC空脚8ACHIGH交流电压输入3.11.2接线电路图3-19电源模块接线电路图3-19电源模块接线电路在图3-19中,HV2405E的5脚输出5V额定电压,6脚输出可以调整的电压。Q2、Z2、R40、R41、R43、R44组成输入电压过压保护电路：由于Z2作用,R40左端电压为Z2的稳压值5.1V,该电压经过R40、R41分压,使Q2发射极电压稳定在3.2V,在电源电压不高于230V时,R44上的压降低于3.9V,Q2截止,HV2405E的禁止端4脚悬空,电路正常工作；当电源电压高于230V时,R3上的压降将高于3.9V,该电压使Q2的基极电压高于发射极电压0.7V,Q1饱和导通,HV2405E内部电路停止工作,切断输出电压,有效的保护负载和HV2405E不至于过压损坏。-5V电源采用传统的单片集成稳压电源,接线图如3-20所示：图图3-20-5V电源设计接线图3.11.3电源的抗干扰技术单片机应用系统中最重要且危害最严重的干扰来源于电源的污染。由于电源通常是由市电电网经变换后得到的,随着工业的迅速发展,市电电网电源污染问题越来越严重,各种干扰极易耦合到供电线路中。同时,电源本身也会产生干扰,对本设计有较大影响的是电网干扰和电源干扰,因此,为了减少干扰因素,需要在设计时采用一系列抗干扰的措施,这里主要包括电源接地和电源滤波技术。电源接地时应遵循以下原则：在接地面上,电源接地和数字信号接地相互隔离,减少地线间的耦合。分别建立交流、直流和数字信号的接地通路。将几条接地通路接到电源公共点上,以保证电源电路有低的阻抗通道。电源滤波的主要目的是抑制在电源线上的传导高频干扰。单片机应用系统电源滤波不仅能有效地防止外界环境的电磁干扰传入系统,而且能有效地抑制系统本身产生的干扰向外界传递,造成电磁环境污染,同时还能较好地克服电源本身产生的干扰信号对系统工作的影响。单片机系统的电源滤波通常包括交流端的滤波和直流端的滤波。本次设计不只做了直流端滤波,还有交流端滤波。直流端的滤波主要是抑制整流电路和开关电路所产生的高频干扰,通常用电容滤波就足够了。如图3-19所示,输入采用容量较小的电容改善纹波和抑制输入的过电压保证集成三端稳压器的输入-输出电压差不会瞬间超过允许值；输出采用容量较小的电容改善负载的瞬态响应。3.11.4小结本次设计采用新型集成电源模块,接口简单,工作可靠。特别是输入范围宽,输出电压可在5～24V之间自由调节,应用非常方便。第四章软件设计单片机系统只有硬件还不能工作,必须有软件<即程序>来控制系统运行。本系统虽然涉及到的功能不多,但由于大部分模块均要求实时工作,相互配合密切,对软件设计提出了很高的要求,因此软件设计就成为本系统能否成功实现的重点,也是难点。我们采用汇编语言编写源程序,整个程序采用模块化结构,各部分模块分工明确,具有代码效率高、维护方便、占用存储空间少等特点。4.1系统软件的设计思想系统软件设计思想为:系统上电复位后,各模块初始化,其中包括单片机PIC16F877、通信模块和LCD液晶显示模块等,以确定定时参数、复位周期、主频、波特率等。在主程序中不断查询调用各种模块功能的标志位,而各种标志位的置位是采用中断功能完成的。这样的安排是单片机采用中断提高工作效率,又不在中断中调用子程,使程序及时退出中断,不存在中断嵌套问题,简化了软件设计。4.2系统主程序的设计如图4-1为本系统主程序流程图。系统上电后先进行系统初始化,然后开中断,接着程序进入主循环。主循环中通过判断各标志位,调用各模块子程序实现了数据采集,液晶显示,报警,以及上位机与下位机的通讯。4.3系统子程序的设计整个软件系统中主要包括如下子程序：定时器中断子程序、AD转换子程序、键盘子程序、LCD显示子程序、初始化子程序、解除报警子程序以及通讯子程序等。4.3.1定时器/计数器子程序本次设计要求系统对SF6断路器室内的温度、湿度、压力一分钟采集一次。由于定时时间比较长,必须用定时器与计数器配合使用才能完成。但PIC6F877单片机集成的定时器/计数器TMR1可以借助于自带的低频时基振荡器,实现实时时钟。利用实时时钟可以简化软件设计。TMR1模块具有一个由受控三态门构成的低频低功耗晶体振荡器,用来为TMR1提供独立于系统时钟的时间基准信号,如图4-2.只有当使能端TIOSCEN设置为高电平时,振荡器才能够工作。该振荡器利用两条外接引脚跨接石英晶体,构成电容三点式振荡电路。工作频率取决于晶体,不同频率需要配接不同的外接电容。NNNNYYY初始化采样时间到温度采集及数据处理湿度采集及数据处理压力采集及数据处理数据超限否FLAGE==1?开始报警调用显示子程主程序流程图调用从机回应主机子程序本次设计使用外接32.768kHz的电子钟表通用的,廉价易购的微型石英晶体。理由是,对该频率进行15级分频之后,便可以得到"秒"时基信号。利用这个独立于系统时钟的时基信号,再配合下面的中断程序,就可以完成一分钟定时。图4-2TMR1自带时基振荡器接线图图中断服务子程序设计如下,一秒定