1、江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)高壓設(shè)備運(yùn)行溫度多點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要開關(guān)柜是重要的輸配電設(shè)備，在電力系統(tǒng)中起著非常關(guān)鍵的作用。在設(shè)備長期運(yùn)行中，由于觸頭老化或超負(fù)荷運(yùn)行，容易導(dǎo)致局部溫度過高，如果沒有及時(shí)排除，最終將引發(fā)火災(zāi)等事故。因此，對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有重要意義，盡量做到提早預(yù)防、提早發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理。本文給出的開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用紅外溫度傳感器采集開關(guān)柜內(nèi)母線排溫度，所得的模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送到現(xiàn)場(chǎng)控制單元，由微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。最終得到的溫度值由液晶屏顯示。控制單元根據(jù)設(shè)定值判斷溫度是否超限，若超限則啟動(dòng)報(bào)警裝置。數(shù)據(jù)通過RS-485串口通信上傳到管理計(jì)算

2、機(jī)，實(shí)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)傳感器、電路板工作所需電源都由板上集成的電源模塊供給，與外接電源隔離，RS-485通信采用光電隔離處理。在處理溫度數(shù)據(jù)時(shí)，采取多次測(cè)量，去掉最大、最小值后取平均值的方法，數(shù)據(jù)傳送采用偶校驗(yàn)。監(jiān)控軟件可以實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示、存檔和對(duì)比處理，具備記錄、報(bào)警、打印、設(shè)置等功能。系統(tǒng)使用MFC開發(fā)溫度監(jiān)控軟件，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用目前實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)中比較常用的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Access 2000，采用ADO訪問技術(shù)。關(guān)鍵詞: 開關(guān)柜；在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；傳感器；A/D轉(zhuǎn)換IIIAbstractSwitchgear is one of the most important parts of t

3、he electric 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 i

4、s a signal 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 AD

5、7656 transfers 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 switchgear's measuring part. The monitor

6、ing system sends 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

7、is transferd to 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

8、 MFC. The temperature is saved to the Access 2000 database. The software uses ADO technique to read the data from the database.Key words: switchgear; on-line real-time; sensor；AD conversion目錄摘要IAbstractII1 緒論11.1選題目的及意義11.2 研究技術(shù)現(xiàn)狀11.3 主要內(nèi)容和安排22 紅外測(cè)溫原理和方案設(shè)計(jì)42.1 紅外測(cè)溫原理42.2 紅外測(cè)溫影響因素52.3紅外測(cè)溫系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)62.4系統(tǒng)

9、總設(shè)計(jì)方案62.5硬件功能72.6軟件功能8本章小結(jié)83 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)103.1設(shè)計(jì)方案103.2器件選型103.3各功能模塊電路設(shè)計(jì)123.4 PCB設(shè)計(jì)173.5本章小結(jié)184 現(xiàn)場(chǎng)控制軟件單元設(shè)計(jì)194.1開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介194.2程序總體設(shè)計(jì)204.3.數(shù)據(jù)采集214.4數(shù)據(jù)處理224.5 LCD顯示224.6中斷處理234.7偶校驗(yàn)函數(shù)244.8 本章小結(jié)245 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)255.1監(jiān)控界面簡(jiǎn)介255.2各功能模塊設(shè)計(jì)255.3本章小結(jié)286 總結(jié)與展望296.1工作總結(jié)296.2 展望29致 謝30參考文獻(xiàn)31附錄A:外文翻譯-原文部分33附錄B：外文翻譯-譯文部分35附錄C:

10、硬件PCB圖37江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)1 緒論1.1選題目的及意義近年來紅外測(cè)溫技術(shù)被越來越多的企業(yè)和廠家所認(rèn)識(shí)和接受，在冶金、石化、電力、交通、水泥、橡膠等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。紅外測(cè)溫具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)、不需要接觸被測(cè)物體，不會(huì)擾亂被測(cè)物體的溫度場(chǎng)，不影響溫場(chǎng)分布，從而具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度；(2)、在測(cè)量過程中，光電器件不必和被測(cè)介質(zhì)達(dá)到熱平衡，所以測(cè)量速度快，因而能檢測(cè)溫度的迅速變化過程，并能測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度；(3)、 測(cè)溫范圍廣，采用紅外接受器件，可以測(cè)量相當(dāng)高的溫度，下限可測(cè)量-170；(4)、測(cè)量距離可近可遠(yuǎn)，近者可達(dá)幾厘米，甚至更小，遠(yuǎn)者可達(dá)近百公里；(5)、可以測(cè)

11、量小面積的目標(biāo)，目前可測(cè)量出直徑小至7.5m的目標(biāo)溫度；(6)、測(cè)量對(duì)象以黑體最為合適，但也可以測(cè)量一般物體。正是這些優(yōu)點(diǎn)使得紅外測(cè)溫技術(shù)得到越來越受到廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)在溫度測(cè)量領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。隨著電力系統(tǒng)的大容量化、高電壓化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、用電客戶對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性提出越來越高的要求，供電控制設(shè)備的安全運(yùn)行對(duì)社會(huì)生產(chǎn)具有非常重要的作用。因此對(duì)供電控制設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)十分必要。電力系統(tǒng)中，開關(guān)柜的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，擔(dān)負(fù)著開合電氣設(shè)備、保護(hù)設(shè)備安全的雙重重任，其內(nèi)部導(dǎo)電連接處的接觸特性直接影響到控制器件工作的可靠性。開關(guān)柜由許多繼電器和強(qiáng)電控制器組成，在設(shè)備長期運(yùn)行過程中，會(huì)出現(xiàn)接觸點(diǎn)老化、

12、接觸不良、接線柱松動(dòng)等情況。這些情況容易導(dǎo)致設(shè)備局部發(fā)熱或者產(chǎn)生電弧，燒蝕周圍部件，造成設(shè)備損壞、停電事故甚至引發(fā)火災(zāi)，給工廠、企業(yè)單位、國家等造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。為了確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，最大程度地降低事故發(fā)生率，需要對(duì)開關(guān)柜關(guān)鍵部位的溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，達(dá)到對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)了解，以減少設(shè)備故障次數(shù)，防止重大安全事故的發(fā)生。本文針對(duì)該問題旨在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一套基于紅外測(cè)溫傳感器的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。1.2 研究技術(shù)現(xiàn)狀1.2.1 開關(guān)柜測(cè)溫技術(shù)研究開關(guān)柜大多處于高溫、高壓、強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)電磁環(huán)境中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)它的溫度測(cè)量，必須保證測(cè)量裝置在上述惡劣環(huán)境條件下具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。目前開關(guān)柜測(cè)溫方式大多采用接觸

13、式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫兩種形式。接觸式測(cè)溫是通過設(shè)在測(cè)量點(diǎn)的溫度傳感器直接測(cè)量溫度，有熱電偶間接測(cè)溫法、集成溫度傳感器測(cè)溫法等。非接觸式測(cè)溫是通過熱輻射原理來測(cè)量溫度的，測(cè)溫元件不需與被測(cè)介質(zhì)接觸，有紅外傳感器測(cè)溫法、光纖溫度傳感器測(cè)溫法等。接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量點(diǎn)位置不受限制，傳感器安裝布局靈活、簡(jiǎn)單、可靠，且測(cè)量精度高。其缺點(diǎn)在于必須要求傳感器在高溫、強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境條件下具有較強(qiáng)的可靠性，還必須解決傳感器與采集部分的高壓隔離以及傳感器自身的工作電源問題。而且由于測(cè)溫元件需與被測(cè)介質(zhì)接觸后進(jìn)行熱交換，才能達(dá)到熱平衡，從而具有一定的安全隱患。另外，接觸式傳感器受到耐高溫材料的限制，接觸式測(cè)

14、溫不能應(yīng)用于很高溫度的測(cè)量。非接觸式測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)在于接收器(傳感器)可遠(yuǎn)離被測(cè)對(duì)象，解決了高壓隔離以及傳感器環(huán)境溫度高的問題，測(cè)溫速度較快，不會(huì)破壞被測(cè)物體的溫度場(chǎng)。其缺點(diǎn)是只能測(cè)量在傳感器視角范圍內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)的溫度，且受到物體的發(fā)射率，被測(cè)對(duì)象到測(cè)量裝置之間的距離，煙塵和水汽等其它介質(zhì)的影響，一般測(cè)溫誤差較大。 上述兩種測(cè)溫形式常用的方法有貼色片測(cè)溫法、熱敏電阻式測(cè)溫、光纖測(cè)溫、紅外輻射測(cè)溫法。貼色片測(cè)溫根據(jù)色片顏色隨溫度的不同而發(fā)生變化的原理來實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，測(cè)溫準(zhǔn)確度低，可靠性差。熱敏電阻式測(cè)溫系統(tǒng)在開關(guān)柜內(nèi)部惡劣的環(huán)境下具有很大的誤差，布線復(fù)雜且易損壞、維護(hù)量大。光纖測(cè)溫是將光纖作為溫度傳

15、感器，通過溫度變化調(diào)制透過光纖的光強(qiáng)來確定溫度，對(duì)光源、發(fā)射和接收電路的技術(shù)和穩(wěn)定性要求高，測(cè)量速度慢、空間分辨率低、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)困難。光纖測(cè)溫的另一種形式是以半導(dǎo)體溫度傳感器作為探頭，光纖作為傳光介質(zhì)，該方法缺點(diǎn)在于測(cè)量裝置大，減小了開關(guān)柜內(nèi)的絕緣空間，給開關(guān)柜的安全運(yùn)行帶來隱患，另外還需要外加工作電源，更換電源時(shí)需停電，影響系統(tǒng)的運(yùn)行。紅外輻射測(cè)溫法，是通過感知被測(cè)目標(biāo)的溫度變化對(duì)應(yīng)紅外輻射變化來確定其溫度，也是一種非接觸測(cè)量方式，其測(cè)量結(jié)果受環(huán)境影響大，準(zhǔn)確度較低，可通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正。1.2.2 國內(nèi)外研究狀況目前國內(nèi)外對(duì)高壓開關(guān)柜溫度的測(cè)量同樣通過上述兩種方式來實(shí)現(xiàn)。國外

16、的ABB配電公司開發(fā)了一種名為“SafeGuard”的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于對(duì)高壓開關(guān)柜的關(guān)鍵部位進(jìn)行連續(xù)不斷的溫度測(cè)量。其原理是采用一個(gè)SAW元件直接安裝在測(cè)量點(diǎn)上作為溫度傳感器，利用傳感器的信號(hào)通過振蕩電路產(chǎn)生一個(gè)頻率與溫度相關(guān)的脈沖信號(hào)，使用微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)監(jiān)測(cè)的連接。整個(gè)系統(tǒng)采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)以抑制強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾，并用微機(jī)聯(lián)網(wǎng)對(duì)高電位上三相多點(diǎn)的溫度實(shí)行二十四小時(shí)連續(xù)集中遙測(cè)和實(shí)現(xiàn)過熱報(bào)警。我國北京安伏電子技術(shù)有限公司開發(fā)的SCAN-3000分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一種由光纖傳輸溫度信號(hào)的高技術(shù)傳感器，為一種非接觸式測(cè)量。由于光纖的高絕緣性能，使其在高壓電器設(shè)備方面有著

17、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如中高壓電纜接頭的運(yùn)行溫度在線監(jiān)測(cè)、母線連接點(diǎn)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)、主變壓器內(nèi)部有載分接開關(guān)連接處的運(yùn)行溫度監(jiān)測(cè)、避雷針等其它設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)。SCAN-3000分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高壓運(yùn)行部件的在線監(jiān)測(cè)，與傳統(tǒng)的蠟片和色溫法相比，具有良好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，但是存在光纖沿表面放電的問題，需要很長的沿面放電時(shí)間，所以存在一定的缺陷。鑒于以上分析，有必要研究一種應(yīng)用于高壓開關(guān)柜設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)裝置，不僅要實(shí)現(xiàn)高壓隔離，溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且還要解決傳感器環(huán)境溫度高、電磁干擾等問題。1.3 主要內(nèi)容和安排本系統(tǒng)采用紅外溫度傳感器對(duì)開關(guān)柜溫度進(jìn)行采集，大大提高了安全性。隨著科技、工藝的進(jìn)步，以

18、前局限紅外溫度傳感器應(yīng)用的一些缺點(diǎn)已經(jīng)得到改善，系統(tǒng)采用的紅外測(cè)溫儀IPTP-SOOLS體積小，性能好，加上配合使用高精度的A/D轉(zhuǎn)換芯片，多次采集并去掉最大、最小值，再取平均值來減小誤差，測(cè)量結(jié)果比較精確。論文所研究的開關(guān)柜溫度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由三部分構(gòu)成:溫度數(shù)據(jù)采集、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理和上位機(jī)監(jiān)控軟件部分。每個(gè)開關(guān)柜內(nèi)放置6個(gè)紅外測(cè)溫探頭，分別采集柜內(nèi)各隔離開關(guān)觸點(diǎn)的溫度，通過AD轉(zhuǎn)換單元將數(shù)據(jù)送至單片機(jī)，單片機(jī)再將數(shù)據(jù)根據(jù)轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換為溫度值，送LCD顯示并儲(chǔ)存，若上位機(jī)查詢數(shù)據(jù)則將儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)通過RS-485總線送到上位機(jī)。多個(gè)這樣的系統(tǒng)可以聯(lián)網(wǎng)同時(shí)工作，每個(gè)開關(guān)柜都有一個(gè)獨(dú)立編號(hào)，

19、上位機(jī)可以在線實(shí)時(shí)循環(huán)查詢各個(gè)開關(guān)柜內(nèi)各觸點(diǎn)的溫度，溫度分辨率可以達(dá)到16bit。上位機(jī)對(duì)每個(gè)觸點(diǎn)的溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)分析，如果溫度超過上位機(jī)設(shè)置的報(bào)警溫度，上位機(jī)將提醒使用者并生成溫度報(bào)警記錄。開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件由在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)分析兩部分組成。軟件具有在線采集、監(jiān)測(cè)、分析現(xiàn)場(chǎng)溫度的功能，這些分析包括超溫分析、溫升分析、相間溫差分析等，并能作出報(bào)警、對(duì)比等處理。軟件還具有歷史記錄分析、查看、打印等功能。 論文的主要工作是:根據(jù)上述系統(tǒng)要求，選擇合適的器件，設(shè)計(jì)硬件電路，制版、焊接并調(diào)試，編寫現(xiàn)場(chǎng)控制單元軟件以及上位機(jī)監(jiān)控界面。本文章節(jié)安排如下:第一 章:主要介紹本論文的相關(guān)背景、

20、研究現(xiàn)狀、研究目的、主要內(nèi)容。第二章:詳細(xì)介紹紅外測(cè)溫原理、誤差分析。給出了系統(tǒng)總體框架圖，對(duì)各部分的功能進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。第三章:主要介紹了系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，包括原理圖的設(shè)計(jì)、電路焊接、調(diào)試。 第四章:主要介紹了現(xiàn)場(chǎng)控制單元軟件的設(shè)計(jì)，其中應(yīng)用的一些算法和一些功能函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)簡(jiǎn)要介紹了單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境和仿真器的使用。第五章:主要介紹了系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件界面的設(shè)計(jì)。第六章:對(duì)本課題系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了總結(jié)，就目前仍存在的問題，提出了改進(jìn)的方向和一些實(shí)施辦法。2 紅外測(cè)溫原理和方案設(shè)計(jì)2.1 紅外測(cè)溫原理自然界中凡是溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)產(chǎn)生紅外輻射，輻射通量密度是物體溫度的函數(shù)，且與

21、物體本身發(fā)射能力有關(guān)。物體所發(fā)出的紅外輻射能量的強(qiáng)度與其溫度成比例。物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能量越強(qiáng)。紅外傳感器經(jīng)匯聚的紅外光照射后產(chǎn)生信號(hào)，該信號(hào)傳到處理電路，處理電路對(duì)其進(jìn)行處理并計(jì)算出物體的溫度。2.1.1 斯蒂芬-波爾茲曼定律溫度為T的物體，其輻射出射度M(,T)(輻射源在單位面積上向半球空間發(fā)射的總輻射功率，單位為W/CM2)由溫度決定。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，由下式求出： (2-1)式中為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)；T為物體熱力學(xué)溫度。2.1.2 維恩位移定律在任意溫度下，黑體光譜輻射通量最大值所對(duì)應(yīng)的峰值波長m與溫度T乘積為一常數(shù)，這就是維恩位移定律，即 (2-2)其中m為光譜

22、輻射出射度的峰值波長；為一常數(shù)。因此，光譜輻射出射度的峰值波長與絕對(duì)溫度成反比。2.1.3 基爾霍夫定律任何物體都不斷發(fā)出和吸收輻射能量。當(dāng)物體從周圍吸收的能量功率恰好等于自身輻射減小的能量功率時(shí)達(dá)到熱平衡。于是，輻射體可以用一個(gè)確定的溫度來描述。物體輻射度M(,T)和吸收比(,T)的比值與物體的性質(zhì)無關(guān)，只是波長和溫度的普適函數(shù)： (2-3)不同的物體對(duì)外來輻射的吸收，以及它本身向外的輻射都不相同。根據(jù)吸收比定義可知吸收比是被物體吸收的輻射通量與入射的輻射通量之比，它是物體溫度及波長等因素的函數(shù)。當(dāng)(,T)=1時(shí)，這種物體被定義為絕對(duì)黑體。換言之，絕對(duì)黑體是能夠在任何溫度下，全部吸收任何波長

23、的入射輻射的物體。在自然界中，理想的黑體是沒有的，吸收比總是小于1。2.1.4 普朗克定律單位面積的黑體在半球面方向上單位時(shí)間里光譜輻射能量是黑體溫度T和波長的函數(shù)，這就是普朗克定律。它給出了絕對(duì)黑體輻射的光譜分布 其中M(,T)為絕對(duì)黑體的輻射出射度；T為絕對(duì)溫度；為波長；C1為第一輻射常數(shù)；C2為第二輻射常數(shù)。此外紅外輻射，又稱紅外線，是物質(zhì)分子在其振動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)輻射出的電磁波，其波長在0.76m到1000m之間。紅外輻射是不可見光，但是具有較強(qiáng)的熱效應(yīng)。由以上相關(guān)理論可得到實(shí)際測(cè)量物體溫度與其紅外輻射度的關(guān)系為： (2-4)式中為物體表面的發(fā)射率 ；為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)；T為物體熱力

24、學(xué)溫度。因此由式(2-4)可得，被測(cè)目標(biāo)的溫度。2.2 紅外測(cè)溫影響因素2.2.1 待測(cè)目標(biāo)輻射率通過以上原理描述可知輻射率的大小決定了物體的紅外能量幅出度與被測(cè)物體實(shí)際溫度緊密相關(guān)。輻射率是指一般物體相對(duì)于黑體的輻射能力大小的物理量，與物體的材料形狀、凹凸度、表面粗糙度等因素有關(guān)，另外也與測(cè)量的方向有關(guān)。不同物質(zhì)的輻射率是不同的，紅外測(cè)溫裝置從被測(cè)物體上接收到的輻射能量大小正比于它的輻射率。2.2.2 待測(cè)目標(biāo)尺寸紅外溫度傳感器都有一個(gè)測(cè)量視角，測(cè)溫裝置的精度與被測(cè)物體尺寸和傳感器視角相關(guān)。使用紅外測(cè)溫裝置測(cè)溫時(shí)，通常只能測(cè)定被測(cè)目標(biāo)表面上某一確定面積的平均值。待測(cè)物體的尺寸與傳感器視角有以

25、下幾種關(guān)系：1、當(dāng)待測(cè)物體尺寸小于測(cè)試視角時(shí)，被測(cè)物體周圍事物輻射的能量就會(huì)進(jìn)入傳感器的測(cè)量區(qū)域，干擾測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，造成誤差。最終得到溫度信息是被測(cè)物體和周圍事物溫度的加權(quán)平均值。因此，在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，通常要求被測(cè)物體尺寸要超過傳感器視角大小的50%。2、當(dāng)被測(cè)目標(biāo)大于測(cè)試視場(chǎng)時(shí)，測(cè)溫裝置就不會(huì)受到測(cè)量區(qū)域以外事物影響，能夠準(zhǔn)確的測(cè)量被測(cè)物體位于傳感器視角內(nèi)確定面積的實(shí)際溫度，此時(shí)傳感器的測(cè)試效果最佳。3、當(dāng)被測(cè)目標(biāo)等于傳感器測(cè)試視角時(shí)，由于環(huán)境中物體間的能量在不斷的傳遞，尤其是事物與事物直接相互接觸部位，所以此時(shí)被測(cè)物體溫度已受到一定程度影響，但一般影響還比較小，測(cè)試效果相對(duì)可信。從上述幾種情況可

26、看出在設(shè)計(jì)測(cè)溫裝置時(shí)需要對(duì)測(cè)量實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)地考察，確定被測(cè)物體的尺寸，選取適合的溫度傳感器，保證測(cè)量裝置的測(cè)量精度。2.2.3 測(cè)量距離所有能量的傳遞都會(huì)有一定程度的衰減，被測(cè)物體輻射出的能量在傳送到傳感器的過程中同樣會(huì)受到外界環(huán)境的影響，造成能量衰減，衰減程度與傳感器到被測(cè)物體的距離相關(guān)，距離越遠(yuǎn)衰減越大。因此在使用紅外傳感器進(jìn)行溫度信號(hào)采集時(shí)，需要通過實(shí)驗(yàn)分析選取適合的距離對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行溫度測(cè)量。2.2.4 環(huán)境影響紅外測(cè)溫的準(zhǔn)確性還與環(huán)境溫度有很大關(guān)系，被測(cè)物體處于一定溫度的環(huán)境中，自身輻射能量的同時(shí)會(huì)吸收環(huán)境的輻射能量。假設(shè)被測(cè)物體的溫度為T0，環(huán)境溫度為T1，此時(shí)該被測(cè)物體單位面積

27、發(fā)射的輻射能量為A.T04，被它所吸收的環(huán)境輻射能量為A.T14，因此該物體單位面積發(fā)出的凈輻射能量為Q，A為單位面積，為物體吸收率，為物體發(fā)射率，為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)。綜合以上分析，在設(shè)計(jì)溫度測(cè)量裝置時(shí)需要充分考慮這些影響因素，采取適當(dāng)?shù)姆椒p小由這些因素所引起的測(cè)量誤差。2.3紅外測(cè)溫系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)紅外測(cè)溫儀是根據(jù)物體的紅外輻射特性，依靠其內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)將物體的紅外輻射能量匯聚到探測(cè)器(傳感器)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過放大電路、補(bǔ)償電路及線性處理后，在顯示終端顯示被測(cè)物體的溫度的儀器。系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成，其核心是紅外探測(cè)器，將入射輻射能轉(zhuǎn)換

28、成可測(cè)量的電信號(hào)(如圖2.1 )。圖2.1紅外測(cè)溫系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)2.4系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)的智能化，擺脫人工巡檢，只需在管理計(jì)算機(jī)上，就可以了解所有開關(guān)柜的運(yùn)行情況，判斷是否存在異常。系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)圖如圖2.2。數(shù)據(jù)處理模塊包括A/D轉(zhuǎn)換、LCD顯示、報(bào)警等功能，上位機(jī)監(jiān)控軟件界面具有實(shí)時(shí)溫度分析、歷史溫度查詢、報(bào)警參數(shù)設(shè)置等功能。下位機(jī)多個(gè)模塊可以同時(shí)且獨(dú)立于上位機(jī)自主工作，只有在收到上位機(jī)的查詢要求時(shí)才將數(shù)據(jù)上傳。因此，工作人員既可以從管理計(jì)算機(jī)上獲得溫度信息，也可以從現(xiàn)場(chǎng)直接獲得。圖2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖2.5硬件功能系統(tǒng)硬件部分主要完成數(shù)據(jù)采集和

29、數(shù)據(jù)處理工作，可分為以下幾個(gè)功能模塊:數(shù)據(jù)采集模塊系統(tǒng)采用紅外溫度傳感器來采集溫度，具有安全、準(zhǔn)確、快速等優(yōu)點(diǎn)。紅外溫度傳感器感知被測(cè)點(diǎn)的溫度，然后通過內(nèi)部調(diào)理電路處理，將溫度值以電信號(hào)的形式送到后續(xù)電路進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理模塊傳感器送出的信號(hào)是模擬信號(hào)，而單片機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，因此需要先將溫度信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換完成后將結(jié)果送到單片機(jī)。單片機(jī)將所得到的數(shù)字信號(hào)再通過算法轉(zhuǎn)換成溫度值，然后送LCD顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來，待上位機(jī)查詢時(shí)，再送出去。另外，還要根據(jù)報(bào)警參數(shù)的設(shè)置來對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，看是否存在異常。通信模塊通信模塊的主要功能是與上位機(jī)進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)交換。由于系統(tǒng)

30、需要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多的通信，考慮采用RS-485方式。上位機(jī)根據(jù)每套硬件系統(tǒng)的編號(hào)尋址，單片機(jī)接收到串口中斷時(shí)，會(huì)將上位機(jī)送過來的地址與本身的編號(hào)進(jìn)行比對(duì)，如果符合則進(jìn)一步響應(yīng)。2.6軟件功能系統(tǒng)軟件主要由在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)分析兩個(gè)部分組成。具體功能模塊可分為:自檢模塊為了使系統(tǒng)能夠可靠的工作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為在打開界面后對(duì)各開關(guān)柜硬件設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，看其是否能正常工作。若發(fā)現(xiàn)異常，則及時(shí)顯示提示信息，提醒工作人員檢查測(cè)溫設(shè)備。另外，在系統(tǒng)工作過程中，也可以通過比較采集到的數(shù)據(jù)，分析可能發(fā)生的故障，如通信故障、傳感器故障、單片機(jī)故障等。通過建立自檢模塊，能夠盡可能的避免因系統(tǒng)故障而產(chǎn)生的誤報(bào)警，方便設(shè)備的檢查、

31、維修工作，同時(shí)保證設(shè)備正常有效的工作。報(bào)警參數(shù)設(shè)置模塊監(jiān)控軟件的主要功能是及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，提醒工作人員加以排除，因此報(bào)警功能是系統(tǒng)不可或缺的一部分。使用者可以根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或經(jīng)驗(yàn)值在報(bào)警參數(shù)設(shè)置模塊中實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度報(bào)警限定值的設(shè)置。系統(tǒng)軟件則會(huì)根據(jù)設(shè)定值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并判斷是否需要做出報(bào)警。根據(jù)開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求，溫度報(bào)警限定值主要包括:溫度報(bào)警上限，溫度報(bào)警下限，溫升報(bào)警值和相間溫差報(bào)警。另外，為避免非工作人員的誤操作，溫度報(bào)警限定值的設(shè)置和修改需要具有管理員操作權(quán)限。實(shí)時(shí)溫度顯示模塊為了能讓工作人員實(shí)時(shí)了解開關(guān)柜的運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)顯示是一種最直接也是最有效的方法。該模塊列出了每個(gè)

32、開關(guān)柜6路傳感器所測(cè)得的實(shí)時(shí)溫度值，并設(shè)有溫度報(bào)警、溫升報(bào)警、相間報(bào)警警示燈。歷史溫度曲線模塊工作人員往往需要查詢過往的數(shù)據(jù)，于是歷史溫度曲線模塊應(yīng)運(yùn)而生。該模塊連接數(shù)據(jù)庫，可以查詢有記錄的任何一天的溫度，并顯示當(dāng)天的最高及最低溫度。地址修改模塊由于系統(tǒng)由多個(gè)開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)模塊組成，上位機(jī)查詢數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)地址來識(shí)別各開關(guān)柜，這個(gè)地址并不是固定不變的，只要不和已有的地址重復(fù)，可以根據(jù)需要進(jìn)行修改，這樣便大大提高了系統(tǒng)的靈活性。日志記錄模塊考慮到系統(tǒng)安全的需要，在系統(tǒng)啟動(dòng)后，所有有關(guān)的操作都會(huì)被記錄，如何時(shí)登錄系統(tǒng)，何時(shí)執(zhí)行了何種操作等。一旦出現(xiàn)問題，操作人員可以查看歷史日志修復(fù)錯(cuò)誤操作。數(shù)據(jù)查詢模

33、塊該模塊可以查詢記錄到數(shù)據(jù)庫的所有數(shù)據(jù)，包括每個(gè)開關(guān)柜每個(gè)傳感器每天測(cè)得的溫度以及報(bào)警參數(shù)的設(shè)置。打印功能能將表格數(shù)據(jù)全部打印出來。系統(tǒng)安全模塊考慮到系統(tǒng)運(yùn)行的安全問題，登錄系統(tǒng)需要用戶名和密碼，另外，系統(tǒng)對(duì)操作權(quán)限也做了分級(jí)控制，普通操作員只能進(jìn)行常規(guī)操作(如查詢數(shù)據(jù)、查看記錄等)，而對(duì)溫度報(bào)警的上下限及其他一些重要的參數(shù)的設(shè)置只能由系統(tǒng)管理員完成。本章小結(jié)本章主要介紹了紅外測(cè)溫的原理，遵循的理論依據(jù)，根據(jù)原理推導(dǎo)出計(jì)算溫度的公式。同時(shí)對(duì)運(yùn)用紅外溫度傳感器測(cè)量溫度時(shí)的一些重要影響因素和設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)需要注意的問題做了簡(jiǎn)單說明。最后根據(jù)測(cè)溫原理設(shè)計(jì)出了整個(gè)系統(tǒng)的總體方案，簡(jiǎn)要介紹了一些重要模塊的相關(guān)

34、功能，每一部分功能的具體實(shí)現(xiàn)會(huì)將在后續(xù)的章節(jié)加以詳細(xì)闡述。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件主要包括電源模塊、溫度采集模塊、單片機(jī)處理模塊、LCD顯示模塊以及RS-485通訊模塊。硬件電路設(shè)計(jì)主要包含以下工作:方案論證、器件選型、畫原理圖、PCB制版、焊接以及調(diào)試。3.1設(shè)計(jì)方案根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，硬件需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和溫度顯示的功能，同時(shí)，要能跟上位機(jī)進(jìn)行通信，每一套系統(tǒng)都要有自己的地址，方便上位機(jī)查詢。另外，為減小外界影響，加入了獨(dú)立的電源模塊。硬件主要結(jié)構(gòu)如圖3.1 。圖3.1硬件結(jié)構(gòu)圖3.2器件選型3.2.1溫度傳感器溫度傳感器采用紅外測(cè)溫儀，綜合考慮各方面性能，選擇器件型號(hào):IPTP

35、-SOOLS。 其主要性能為:·測(cè)溫范圍:0-500 ;·環(huán)境溫度:0-60 ;·儲(chǔ)存溫度:-20-80 ;·響應(yīng)時(shí)間:150ms;·距離系數(shù):15:1;·電源:24V DC ;.尺寸: 18mm×96mm (L);·信號(hào)輸出:標(biāo)準(zhǔn)4-20mA 。由于電流發(fā)熱效應(yīng)，開關(guān)柜的溫度不會(huì)低于0 ，所以0-500己足夠，060的環(huán)境溫度也符合。由于溫度是一個(gè)緩變量，所以采集頻率不需要很高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為5s一次，150ms的響應(yīng)時(shí)間對(duì)于系統(tǒng)并無影響。距離系數(shù)15:1，即要準(zhǔn)確測(cè)量直徑為1 cm的圓形區(qū)域的溫度，必須將傳感器安裝

36、在距離15m的地方，再加上其本身尺寸也很小，適合像開關(guān)柜這樣比較狹小的地方。3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片為了提高數(shù)據(jù)的精度，A/D轉(zhuǎn)換芯片采用模擬器件公司的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 ;·最大吞吐率為250kS/s;" AVCC范圍為4.75V-5.25V ;·低功耗:在供電電壓為5V、采樣速率為250kS/s時(shí)的功耗為160m/v;·寬帶寬輸入:輸入頻率為5OkHz時(shí)的信噪比(SNR)為85dB;·片上有2.5V基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)緩沖器;·有并行和串行接口;·與S

37、PI/QSPI小Wire/DSP兼容的高速串行接口;·可通過引腳或軟件方式設(shè)定輸入電壓范圍仕(±l0V，±5V);·采用iCMOS工藝技術(shù);·64引腳QFP 。6通道使得單個(gè)系統(tǒng)采集的點(diǎn)數(shù)最多可達(dá)6個(gè)，監(jiān)測(cè)更加全面。由于不使用外接電源，低功耗能減小電源模塊的損耗。AD7656功能完善，易于單片機(jī)控制。AD7656的轉(zhuǎn)換結(jié)果編碼采用16位二進(jìn)制補(bǔ)碼方式，如圖3.2 .圖3.2 AD7656轉(zhuǎn)換結(jié)果對(duì)應(yīng)輸入編碼圖3.2.3單片機(jī)由于系統(tǒng)需要的單片機(jī)控制端口比較多，而且，作為中央處理單元，必須性能穩(wěn)定，協(xié)調(diào)各器件工作，具有一定的處理速度，另外，還應(yīng)具

38、備通信功能，開發(fā)環(huán)境要成熟，因此，選擇TI公司開發(fā)的具有16位總線的flash單片機(jī)MSP430F149o MSP430F149由于性價(jià)比和集成度高，受到廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞。它采用16位的總線，外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達(dá)64K，還可以外擴(kuò)存儲(chǔ)器，具有統(tǒng)一的中斷管理，具有豐富的片上外圍模塊，片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)14通道的12位的A/D轉(zhuǎn)換器、一個(gè)看門狗、6路I/0口、兩路USART通信口、一個(gè)比較器、一個(gè)DCO內(nèi)部振蕩器和兩個(gè)外部時(shí)鐘，最高支持8M的時(shí)鐘(如圖3.3 )。可以在線對(duì)單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試和下載，且JTAG口直接和FE(FLASHEMULATION TOO

39、L)相連，不需另外的仿真工具，方便實(shí)用，而且，可以在超低功耗模式下工作，對(duì)環(huán)境和人體的輻射小，測(cè)量結(jié)果為100mw左右的功耗(電流為14mA左右)，可靠性能好，加強(qiáng)電干擾運(yùn)行不受影響，適合工業(yè)級(jí)的運(yùn)行環(huán)境.圖3.3 MSP430F149內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.2.4電源根據(jù)上述選擇的器件，系統(tǒng)需要提供24V, 5V以及3.3V, 2.5V的電源。其中24V和5V采用帶隔離的DC-DC電壓模塊。而3.3V則由5V經(jīng)AMS 1117-3 .3 芯片轉(zhuǎn)換得到，2.5V由5V經(jīng)AMS 1117-2.5芯片轉(zhuǎn)換得到，用于提供AD7656轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓。系統(tǒng)使用的電源模塊具有寬輸入電壓范圍，輸出長期短路保護(hù)、可自動(dòng)恢

40、復(fù)，高開關(guān)頻率、高密度、高可靠性，輸入輸出無過沖，低電磁兼容性，紫銅外殼電泳黑，全六面金屬屏蔽等功能，模塊輸出電流大，能滿足系統(tǒng)的負(fù)載要求。3.3各功能模塊電路設(shè)計(jì)3.3.1電源模塊為了方便于調(diào)試，系統(tǒng)除了內(nèi)部供電模塊，還外接了開關(guān)電源，調(diào)試的時(shí)候使用外接電源，最后再接上供電芯片，這樣不但可以檢驗(yàn)電源芯片是否正常工作，萬一電路設(shè)計(jì)存在問題，也減小了損失。如圖3.4所示，J11為5V電源輸入端口，J1為24V電源輸入端口，J14為24V-5V電源，J15為24V-24V電源，J4為5V-3.3V芯片，J10為5V-2.5V芯片，J12, J13, J19跳圖3.4電源模塊電路設(shè)計(jì)針接口。調(diào)試的時(shí)

41、候?qū)12, J13, J19分別用跳針連接好，這樣外部電源就可以替代電源芯片供給整個(gè)系統(tǒng)的用電，此時(shí)，內(nèi)外電源共地。調(diào)式通過后，將J12, J13, J19斷開，就可以將外部24V電源與內(nèi)部完全隔離起來，減小外界對(duì)系統(tǒng)的干擾。3.3.2數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊是指?jìng)鞲衅鹘邮占t外信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部處理后將溫度以電信號(hào)的形式輸出到A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于紅外測(cè)溫儀輸出的是電流信號(hào)，范圍為4-20mA，而AD7656的輸入信號(hào)為電壓，范圍為0-5 V，所以必須將傳感器的輸出信號(hào)作一個(gè)初步處理，以匹配A/D轉(zhuǎn)換芯片的要求。如圖3.5所示，J5為傳感器接口，V1-V5為輸出信號(hào)，經(jīng)250的精密電阻接地后連接到A

42、D7656的6路通道端口。4-20mA乘以250得到的電壓范圍為1-5V，滿足要求。圖3.5數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計(jì)3.3.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊為了濾去電路中的高頻以及低頻噪聲，在電源信號(hào)端口都接上0.1uf 和10uf的電容(如圖3.6 )。另外，AD7656是5V供電，而MSP430F149則是3.3V供電，將AD7656的第九個(gè)引腳Vdrive。接3.3V，這樣就能使數(shù)據(jù)口和一些控制端口直接按3.3V方式進(jìn)行通信，而不需要進(jìn)行電平匹配。各控制端口設(shè)計(jì)如下:·Vdrive接3.3V;" CONVSTA, B, C連接到一起，并由MSP430F149的P6.3口控·R

43、D讀信號(hào)由P6.4口控制;·CS讀寫控制信號(hào)由P6.5口控制;·BUSY判忙信號(hào)連接到P6.6;·REFIN/REFOUT接2.5V基準(zhǔn)電壓;·SER/PAR接低電平，采用并行傳輸方式;·H/S SEL接低電平，AD7656工作在硬件選擇模式下;" WR/ REF EN/DISAB LE接低電平，禁用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓;" RESET信號(hào)由P6.7口控制;" RANGE經(jīng)上拉電阻接高電平，表示轉(zhuǎn)換范圍為±2×VREF;·STBY經(jīng)上拉電阻接高電平，使AD7656工作在正常模式;·W

44、/B經(jīng)上拉電阻接高電平，字節(jié)傳輸方式;·DB8-DB 15接P1.0-P1.7;" DB7/HBEN/DCEN接低電平，·DBl-DB6懸空。AD7656管腳除電源端外，輸出數(shù)據(jù)時(shí)先送低字節(jié):輸入電流應(yīng)在±10mA以內(nèi)，因此上拉電阻大小選擇2k, 此時(shí)，輸入電流最大為:I=5A/2000=2.5mA (3.1)另外，還需要特別注意的是，AD7656的數(shù)字地與模擬地必須分開，否則會(huì)影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度。所有的數(shù)字地連接在一起，模擬地也連接在一起，最后，再用0的電阻將數(shù)字地與模擬地連接起來。0電阻在高頻信號(hào)電路中可充當(dāng)電感，主要解決電磁兼容問題，抑制傳導(dǎo)干擾。

45、3.3.4單片機(jī)模塊單片機(jī)的電路設(shè)計(jì)主要包括外接晶振、上電復(fù)位電路、JTAG口，地址編碼以及I/O口的連接。為確保單片機(jī)能正常工作，必須進(jìn)行上電復(fù)位。上電復(fù)位電路由電阻及電容組成 ，3.3V接到電阻然后再接電容接地，從電阻和電容之間引出信號(hào)接到MSP430F149的RST/NMI腳。電阻及電容的值由單片機(jī)需要的復(fù)位時(shí)間確定。電容兩端電壓Uc可由式(3.2)確定: （3.2）MSP430F149設(shè)計(jì)為使用外部晶振XT2，晶振頻率為8MHz。晶振的兩腳分別接到單片圖3.6 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)機(jī)的XT2IN, XT2OUT，兩個(gè)管腳分別接40PF的電容接地。電容大小的確定:C(XIN)=C(XOUT

46、) =2 X CL,CL的值見表3.l.表3.1電容CL值的確定JTAG是單片機(jī)的下載調(diào)試接口。TAP (Test Access Port)是一個(gè)通用的端口，通過TAP可以訪問芯片提供的所有數(shù)據(jù)寄存器(DR)和指令寄存器(IR)。對(duì)整個(gè)TAP的控制是通過TAP Controller來完成的。TAP總共包括5個(gè)信號(hào)接口TCK, TMS, TDI,TDO和TRSToMSP430F149的JTAG接口為標(biāo)準(zhǔn)IDC-14封裝形式，其第二腳Wcc-MSP接3.3V，第九腳GND接地，其余1腳TDO、3腳TDI, 5腳TMS, 7腳TCK, 11腳RST/NMI分別接到MSP430F149的對(duì)應(yīng)接口。報(bào)警

47、電路是為了在發(fā)現(xiàn)溫度異常時(shí)提醒工作人員用的，電路如圖3.7所示，Q1為NPN三極管，R28為DS2Y S-DC5V繼電器。圖3.7中，繼電器“4, 8”端口之間為常開開關(guān)。圖3.7報(bào)警電路地址編碼電路。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由多套硬件系統(tǒng)組成，每一套硬件系統(tǒng)都有自己的ID號(hào)，以供上位機(jī)查詢。這個(gè)ID號(hào)可以手動(dòng)設(shè)置，利用撥碼開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。撥碼開關(guān)由8路開關(guān)封裝而成，一端接地，一端連接到單片機(jī)的IO口并通過上拉電阻接3.3V，這樣，通過撥動(dòng)開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)“0"、 "1”的輸入，8位就是一個(gè)字節(jié)，共可實(shí)現(xiàn)128個(gè)不同的ID號(hào)。MSP430F149輸入電流應(yīng)小于12mA，因此，上拉電阻可選擇1k

48、，此時(shí)，輸入電流最大為: I=3.3A/1000=3.3mA ( 3.6 )綜合以上，MSP430F149電路設(shè)計(jì)如圖3.8.3.3.5 RS-485通信模塊RS-485通信模塊的電路，電源使用3.3V，通過0.1uF和22uF的電容接地。濾去高頻、低頻噪聲。第3腳D1和第4腳D2分別接二極管再通過電容接地。第9腳DI,第11腳DE和第14腳Vcc5必須加限流電阻，以保護(hù)內(nèi)部二極管。由于一般二極管正向電流可達(dá)幾百mA到1A左右，因此對(duì)于圖4.12中，選擇R21=R22=R23=1k，此時(shí)二極管正向電流最大不超過3.3/1000A，即3.3mA，能滿足條件。圖3.8 MSP430F149電路設(shè)計(jì)

49、3.4 PCB設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)印制電路板的時(shí)候，應(yīng)采用正確的方法，否則即使原理圖設(shè)計(jì)正確，也無法使電路可靠的工作。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)注意以下原則地線的設(shè)計(jì)在電子設(shè)備中，接地是控制干擾的重要方法。如果能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用，可解決大部分干擾問題。地線設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):·將數(shù)字地與模擬地分開。電路板上既有數(shù)字電路，又有模擬電路，應(yīng)使它們盡量分開，而且兩者的地線不要相混，減小串?dāng)_。·盡量加粗接地線。若接地線很細(xì)，則接地電位隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞，因此應(yīng)將接地線盡量加粗。電磁兼容性設(shè)計(jì)電磁兼容性是指電子設(shè)備在各種電磁環(huán)境中仍能夠協(xié)調(diào)、

50、有效地進(jìn)行工作的能力。電磁兼容性設(shè)計(jì)的目的是使電子設(shè)備既能抑制各種外來的干擾，使電子設(shè)備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時(shí)又能減少電子設(shè)備本身對(duì)其它電子設(shè)備的電磁干擾。.選擇合理的導(dǎo)線寬度。由于瞬變電流在印制線條上所產(chǎn)生的沖擊干擾主要是由印制導(dǎo)線的電感成分造成的，因此應(yīng)盡量減小印制導(dǎo)線的電感量。印制導(dǎo)線的電感量與其長度成正比，與其寬度成反比，因而短而粗的導(dǎo)線對(duì)抑制干擾是有利的。·采用正確的布線策略。采用平行走線可以減小導(dǎo)線電感，但導(dǎo)線之間的互感和分布電容增加，如果布局允許，最好采用井字形網(wǎng)狀布線結(jié)構(gòu)，即將印制板的一面橫向布線，另一面縱向布線，然后在交叉孔處用金屬孔相連。為了抑制印制

51、板導(dǎo)線之間的串?dāng)_，在設(shè)計(jì)布線時(shí)應(yīng)盡量避免長距離的平行走線，盡可能拉開線與線之間的距離，信號(hào)線與地線及電源線盡可能不要交叉。在一些對(duì)干擾十分敏感的信號(hào)線之間設(shè)置一根接地的印制線，可以有效地抑制串?dāng)_。去藕電容配置在直流電源回路中，負(fù)載的變化會(huì)引起電源噪聲。例如在數(shù)字電路中，當(dāng)電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時(shí)，就會(huì)在電源線上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。配置去禍電容可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲，是印制電路板的可靠性設(shè)計(jì)的一種常規(guī)做法，配置原則如下:·電源輸入端跨接一個(gè)10-100uF的電解電容器，并并聯(lián)一個(gè)0.1uF的電容，濾去高頻、低頻信號(hào)。如果印制電路板的允許，采用10

52、0uF以上的電解電容器的抗干擾效果會(huì)更好。·對(duì)于噪聲能力弱、關(guān)斷時(shí)電流變化大的器件和ROM, RAM等存儲(chǔ)型器件，應(yīng)在芯片的電源線和地線間直接接入去藕電容。·去禍電容的引線不能過長，特別是高頻旁路電容不能帶引線。電路板的尺寸與器件的布置印制電路板大小要適中，過大時(shí)印制線條長，阻抗增加，不僅抗噪聲能力下降，成本也高;過小，則散熱不好，同時(shí)易受臨近線條干擾。在器件布置方面與其它邏輯電路一樣，應(yīng)把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些，這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應(yīng)盡量遠(yuǎn)離邏輯電路。3.5本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，將整個(gè)硬件系統(tǒng)進(jìn)

53、行了功能模塊的劃分。然后詳細(xì)論述了如何選擇合適的芯片，主要考慮那些參數(shù)，并對(duì)各芯片的主要性能作了簡(jiǎn)單的介紹。對(duì)于其他一些模擬器件，如電阻等的選擇，則根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行確定。接著分模塊介紹了具體設(shè)計(jì)，最終將所有模塊組合起來，得到整體的原理圖，然后進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。對(duì)于設(shè)計(jì)中需要注意的問題，文中進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。結(jié)果證實(shí)系統(tǒng)完全能夠正常工作。4 現(xiàn)場(chǎng)控制軟件單元設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)控制單元是脫離上位機(jī)自主運(yùn)行的，其單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換芯片、LCD等器件都需要驅(qū)動(dòng)，并根據(jù)系統(tǒng)要求工作，完成一系列采集、顯示功能，并與上位機(jī)通信。4.1開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介MSP430系列是具有集成度高、功能強(qiáng)、功耗極低等技術(shù)特點(diǎn)的16位單片機(jī)。

54、其代碼存儲(chǔ)空間為1-60 k.當(dāng)程序量大于8k時(shí)，使用匯編語言會(huì)使軟件設(shè)計(jì)工作的效率大大降低。用C語言程序設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件開發(fā)，可以大大提高開發(fā)調(diào)試工作的效率;同時(shí)，所產(chǎn)生的文檔資料也容易理解，便于移植。適用于MSP430系列的C430語言，與標(biāo)準(zhǔn)C語言兼容程度高。MSP430F149單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench IDE。該軟件支持C, C+、匯編等編程語言，具備單步調(diào)試、變量查看等調(diào)試功能。·具有語法表現(xiàn)能力的文本編輯器;·編譯器;·匯編器;·連接器;·函數(shù)庫管理器;·實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化的Mak

55、e工具;·內(nèi)嵌C語言級(jí)和匯編級(jí)的調(diào)試器C-SPY.C-SPY調(diào)試器的工作方式有多種。它可以工作在模擬方式下(Simulation;也可以經(jīng)過JTAG接口與目標(biāo)硬件連接起來，工作在仿真方式下(Emulation)在模擬方式下，目標(biāo)系統(tǒng)的工作過程由調(diào)試主機(jī)以軟件模擬來實(shí)現(xiàn)，用戶可以通過各種不同類型的窗口來觀察調(diào)試程序的運(yùn)行過程，也就是說，在目標(biāo)硬件系統(tǒng)產(chǎn)生之前就己經(jīng)可以驗(yàn)證程序的設(shè)計(jì)思想和結(jié)構(gòu)是否合理。而在仿真方式下，整個(gè)調(diào)試過程是在目標(biāo)板的真實(shí)工作下進(jìn)行的，不僅可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)思想和程序結(jié)構(gòu)，還可以驗(yàn)證目標(biāo)板的硬件設(shè)計(jì)是否正確。MSP430系列的FLASH型芯片為程序設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了極大的

56、方便。因?yàn)镕LASH存儲(chǔ)器能夠方便的進(jìn)行在線擦除和改寫。在進(jìn)行擦除和改寫操作時(shí)，對(duì)電源電壓的要求也比較低，為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接口使得該仿真器使用起來非常方便，并且上面帶有電源、模式指示燈，可以直觀的判斷仿真器工作是否正常。使用該開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程的步驟如下:在指定目錄下建立工程;選擇編程語言;建立對(duì)應(yīng)的程序文檔;保存工程;打開菜單欄的Project，選擇Files，將剛才建立的文檔添加到工程;修改配置:在左邊Files窗口中的工程名上點(diǎn)擊右鍵，選擇Options，進(jìn)入設(shè)置界面。在左邊Ca

57、tegory列表下選擇General Options，在界面中Device下選擇需要調(diào)試的對(duì)應(yīng)芯片型號(hào)。完成后進(jìn)入Category列表中Debugger界面，在Driver選項(xiàng)中有FET Debugger和simulator兩個(gè)選項(xiàng)。使用FET連接目標(biāo)板進(jìn)行在線仿真調(diào)試時(shí)，選擇FET Debuggers最后進(jìn)入Category列表中將其中FET Debugger界面，選擇USB。在程序文檔中編輯程序;編譯選擇工具欄右邊數(shù)過來第四個(gè)按鈕:Make，如出現(xiàn)錯(cuò)誤會(huì)出現(xiàn)信息提示。用鼠標(biāo)單擊任意一個(gè)錯(cuò)誤信息提示，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)指示有錯(cuò)誤的語句行。調(diào)試Debug為最右邊的按鈕。源文件編譯通過后，單擊Debug進(jìn)行連接以生成目標(biāo)代碼并下載程序到目標(biāo)板里的MCU，如果下載正常便進(jìn)入調(diào)試界面。在調(diào)試環(huán)境中，可以打開調(diào)試程序所需的若干窗口，如源程序窗口、寄存器窗口、觀察窗口.連續(xù)模式特殊功能寄存器窗口等;也可以設(shè)置程序執(zhí)行的不同模式，如單步執(zhí)行、斷點(diǎn)模