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1、精选优质文档-倾情为你奉上电气信息学院课程设计任务书课题名称高压开关柜测温系统设计姓 名专业电气工程及其自动化班级学号指导老师杨青 梁锦 吴勇峰课程设计时间第14、第15周教研室意见意见： 审核人：一、任务及要求1. 给出高压开关柜测温系统整体设计框图；2.说明采用温度传感器的型号，特性，以及具有的优点；3. 给出具体电路，如信号调理、采样保持电路、隔离、A/D转换等设计思路，画出电路原理图；6.说明测温时会遇到哪些干扰问题，增加抗干扰措施；7.编写设计说明书；8.课程设计说明书要求用手写，所绘原理图纸用计算机打印。（16K） 二、进度安排第一周：星期一：下达设计任务书，介绍课题内容与要求；星
2、期二星期五：查找资料，确定设计方案，画出草图。第二周：星期一上午星期二下午：电路设计，打印出图纸。 星期三：书写设计报告；星期四：书写设计报告；星期五：答辩。三、参考资料1.邹积岩. 智能电器. 北京：机械工业出版社，20062.王汝文，宋政湘，杨伟. 电器智能化原理及应用. 北京：电子工业出版社，2003目录一、高压开关柜测温系统整体方案设计11.1系统整体结构21.2传感器特性3二、高压开关柜测温系统硬件设计42.1主控单元设计52.2数据采集模块设计62.3无线通信模块设计62.4数据传输模块设计6三、高压开关柜测温系统软件设计43.4温度传感器控制程序设计63.5无线通信模块程序设计6
3、四、原理图4一、高压开关柜测温系统整体方案设计1.1系统整体结构高压开关柜测温系统包括三大部分：高压开关柜内测温节点、高压开关柜外测温接收系统、上位机数据处理与显示。高压开关柜测温系统采用多点组网的方式：8路测温节点对应1路接收系统。首先，数据采集模块通过主控单元将温度数据打包，再利用无线通信模块把获取的信息传送至接收系统，接收系统采用串口把数据传至上位机后，通过上位机完成温度信息的处理、显示和保存。 整个测温系统主要包括主控单元、数据采集模块、无线通信模块、电源管理模块以及数据传输模块等几部分，按照系统设计要求选择合适的芯片器件，硬件的选型关系到整个系统的性能。在整个测温系统的硬件设计中，主
4、控单元是系统的核心部分，控制并协调处理各部分正常工作，通过温度传感器获取温度信息进行数据采集，无线通信模块和数据传输模块在系统起中间传递作用，发送、接收上位机指令以及温度数据。电源是系统的动力之源，是保证系统正常工作的基础，电源管理模块包括系统测温节点感应电源模块和测温接收系统电源设计两部分。整个系统硬件结构如图1 所示：图1：系统硬件结构图1.2传感器特性温度传感器的选型不仅影响系统的测量精度，而且关系到信号调理电路的复杂程度。作为温度信息的获取源，温度传感器的选型对整个系统设计至关重要。目前，各行业温度传感器主要有热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体IC温度传感器等。 本系统选用数字温度传感器
5、DS18B20来完成触点的测温，该芯片的全部传感元件以及转换电路都集成在在TO-92或u SOP封装的集成电路内，可以根据应用场合的不同而改变其外观，易于安装，特别适合狭小空间设备数字测温和控制领域，本文采用的是接耳式DS18B20探头。DS18B20 的特点及一些工作参数如下： （1）可以用数据线供电，工作电压 35.5V； （2）温度数字量转换时间 200ms（典型值）； （3）测温范围-55+125（-67257F），适合高压开关柜测温； （4）测量结果以 912 位（可选）数字量方式串行传送，可通过 CRC 校验码提高抗干扰纠错能力，用户可定义的非易失性温度报警设置； （5）每个 DS
6、18B20 均有特定 64 位 ROM 编码即 ID 号，因此可以在一条数据线上连接多个 DS18B20； （6）利用单总线接口方式，能同时传输时钟和数据，并且能双向传输数据，所以这种接口方式电路简单，不仅很好的节约了微控制器资源，而且开发效率高。二、高压开关柜测温系统硬件设计2.1主控单元设计本系统的微控制器采用 TI 公司开发的 16 位超低功耗的混合信号处理器 MSP430,在一个芯片上集成了微处理器、数字电路以及模拟电路等，是非常有代表性的片上系统，被称之为绿色 MCU。MSP430 的主要特点如下：主控单元电路主要由微控制器及外围电路构成，控制并协调各部分正常工作，本系统的主控单元电
7、路如图 2 所示。图2：主控单元电路2.2数据采集模块设计DS18B20是利用温度对振荡器的频率影响进行测温，其内部含有两个不同温度系数的振荡器，其中高温度系数振荡器决定一个门周期，计数器1在门周期内通过计数低温度系数振荡器的脉冲获得温度值。计数器1和温度寄存器被预置为-55相应的一个基权值，当门周期结束之前计数器1到达0，则温度寄存器的值增加，表示温度值大于-55。反复循环此过程直到计数器2到达0，温度寄存器的值不再累加，即为所测温度值，以16位带符号位扩展二进制补码形式读出，温度振荡器的非线性可通过斜坡累加器进行修正和补偿。DSl8B20电路连接如图3所示，VCC引脚接3.3V电压，DQ引
8、脚为数据线，与MSP430F149的P2.0引脚连接，再连接一个4.7K的上拉电阻，在空闲状态下数据线可以直接跳变高电平。 图3：DS18B20接线图2.3无线通信模块设计本系统采用的n RF24L01无线通信芯片，是目前微功率短距离无线通信芯片中功耗最低、体最小、外围电路最少、成本最低的。以n RF24L01无线通信芯片，加上外围元件及功放电路等，构成了无线通信模块，采用标准DIP间距接口，体积小巧，价格低廉，信号传输稳定，十分适合嵌入式系统使用。图4为模块连接框图。 图4：通信模块接线图图4所设计的无线通信电路，工作频率2.4GHz，最大发射功率0d Bm，当误码率为0.1%，1Mbps速
9、率传输数据时，最大接收灵敏度为-85d Bm，下面计算该电路在自由空间传播无线信号的距离。本文选用Si Ge半导体公司生产的微功率放大器PA2423L，它是一款低功耗的LNA放大芯片，工作电压3.3V，线性增益可达22.5d Bm，可用于2.4GHz频段的许多设备中，如Wlan、蓝牙以及其它ISM频段的设备。根据自由空间传播公式，计算得出传输距离理论值为129m，所以采用PA2423L可以满足设计要求。 根据系统要求无线通信模块具有收发一体化的功能，因此设计的功率放大电路由信号反相电路、通道开关电路、功率放大三部分组成。 反相电路如图5所示，n RF24L01的功率放大引脚VDD_PA根据发送
10、或接收的不同状态呈现高低电平：VDD_PA=0，为接收状态；VDD_PA=1，为发射状态，将此信号接到反相电路取非，并将此信号送至通道开关电路。图5：反相电路通道开关电路由两个高频信号开关UPG2214TK构成，其中U2引脚IN与n RF24L01相连，引脚OUT1连接功率放大器，U3引脚IN与天线相连，引脚OUT2连接功率放大器，如图5，图6分别为通道开关电路和功率放大芯片电路。当发送信号时，TX_ON=1，RX_ON=0，U2的引脚1、5相连，信号经过PA2324L放大输出至U3的引脚3，此时U3的引脚3、5相连，无线信号被经过天线端向外传播；当接收信号时，TX_ON=0，RX_ON=1，
11、发射通道关闭，天线接收到的信号由U3的引脚5进入，此时引脚1、5相连，信号不经过PA2324L直接连接U2的引脚3，U2的引脚3、5相连，n RF24L01接收无线信号。图7：通道开关电路和信号放大电路天线作为一种接收和发射电磁波的设备，是通信模块的重要组成部分，尤其是在无线测试系统中所有的数据信息都要通过天线传输。天线的选择与研究设计能使通信模块的辐射效率提高，辐射范围扩大。在射频电路中，有三种供选择的天线：片式天线、外接直立天线和 PCB 天线。片式天线通过集成电路实现，稳定性一般，而且不易根据实际要求调整性能；外接直立天线性能优越，而且可以改变天线大小；PCB 天线虽具有体积优势，但对设
12、计以及布线的要求较高。2.4数据传输模块设计本系统与上位机传输量较少，数据通信速率适中，而且MSP430只需要简单的寄存器的配置，就可轻松实现USAR模块的设计，所以采用USB-RS232接口转换器实现USB接口通信的功能是可行的。 综合以上设计思想，本系统的数据传输模块采用Prolific公司研制PL2303，是一种高速集成的RS232-USB接口转换芯片。RS232全双工异步串行通信装置通过此芯片能方便连接USB功能接口。PL2303内部集成了USB功能控制器、USB收发器、振荡器以及UART，外围元件较少，组成电路简单，能容易的嵌入到手持设备。一方面可以从下位机以RS232接口获取数据转
13、为USB数据格式发送至上位机，另一方面可以从上位机通过USB接口接收数据以RS232格式发送至下位机。PL2303外围电路连接如图8所示，引脚TXD、RXD与MSP430所配置的对应引脚P3.5、P3.4连接，引脚OSC1、OSC2与晶振相连，系统时钟采用12MHz晶振；引脚DM、DP分别与USB接口的D-、D+端口连接，为防止高速信号在端口附近发生反射，引脚DM和DP均输入100的终端匹配电阻。图8：数据传输模块电路三、高压开关柜测温系统软件设计3.1温度传感器控制程序设计MSP430F149 以单总线的方式控制 DS18B20，DS18B20 数据的读出与写入是由MSP430F149 读写
14、的特定时间暂存器来完成。单总线协议分为四个部分：初始化、ROM操作命令、存储器操作命令以及数据传输，单总线的空闲状态为高电平。在完成任何操作之前，MSP430F149 首先要对 DS18B20 进行初始化，即 MSP430F149发送复位脉冲，将单总线上的 DS18B20 复位，完成复位后发送 ROM 操作命令，紧接着发送 RAM 指令,这样才可以对 DS18B20 进行预定操作。初始化具体操作为：复位脉冲至少为 480us 的低电平信号，随后单总线被释放进入接收状态，MSP430F149 控制与DS18B20 相连的引脚产生上升沿，DS18B20 会在 1560us 的任意时刻发出一个 60
15、240us 低电平信号响应上升沿，MSP430F149 收到这个信号表示复位成功，若没有检测到就一直检测等待。当 MSP430F149 检测到 DS18B20 的存在，MSP430F149 以 ROM 命令和 RAM 命令的形式对 DS18B20 操作。ROM 的操作命令都是 8 位，在此只介绍几个基本指令：（1）跳过 ROM，方案总体设计是多个独立测温节点，所以要求 MSP430F149 一个 I/O 口只能连接一个 DS18B20，跳过 ROM 命令 DS18B20 将不进行识别多个传感器；（2）读RAM，用此命令读出温度转换的结果以及其它状态信息，从字节 0 开始读取进行到第 9字节，第
16、 8 个字节为 CRC 校验；（3）温度转换，启动一次温度转换过程，DS18B20在此命令执行的过程中保持待机状态，若 MSP430F149 继续发出读时间隙，DS18B20同时进行时间转换，那么单总线将输出“0”，若温度转换完成，则输出“1”。 写数据：MSP430F149 向 DS18B20 写数据，周期最少为 60us，最长不超过 120us，在开始写另一个写周期之前至少要 1us 的恢复时间。由于单总线传输是以“位”为单位，因此 DS18B20 写时序包括写“1”和写“0”两个过程。首先将单总线拉低，发出写起始信号。写“1”时 MSP430F149 在 15us 内释放被拉低的单总线，
17、由 4.7K 的上拉电阻拉高单总线；写“0”时单总线拉低最少保持 60us。DS18B20 检测到单总线被拉低 15us后从 15us 到 45us 开始采样，在这段时间如果采样值为高电平，DS18B20 写入“1”；如果采样值为低电平，DS18B20 写入“0”。具体流程图如图8所示。图8：温度传感器控制程序流程图3.5无线通信模块程序设计无线发送模式流程： （1）置低 CE，使 n RF24L01 进入待机模式 1，配置其寄存器；（2）由 SPI 接口将数据（TX_PLD）和地址（TX_ADDR）写入 n RF24L01 缓存区 TX_FIFO 中；（3）将 PRIM_RX置低，CE 置高
18、，启动发送模式，CE 至少保持 10us 时间；（4）进行内部数据处理，包括系统上电、开启内部 16MHz 时钟、数据打包和发送；（5）若自动应答模式开启，n RF24L01 将进入接收模式等待应答判断数据是否成功发送，若在 10us 内接收不到应答信号，则要反复执行上述步骤直到 n RF24L01 重发计数器有溢出产生，IRQ 置高产生中断进行复位；（6）在 10us 内成功收到应答信号后，如果 CE 置低，则 n RF24L01 进入待机模式 1；如果 CE 置高，则 n RF24L01 会发送 TX_FIFO 的下一数据包；如果 TX_FIFO为空且 CE 为高，则 n RF24L01
19、进入待机模式 2。 无线接收模式流程： （1）置低 CE，使 n RF24L01 进入待机模式 1，配置其寄存器；（2）将 CE、PWR_UP、PRIM_RX 置高，启动 Shock BurstTM接收模式；（3）延迟 130us，n RF24L01 开始检测空中信息；（4）通过 CRC 校验地址匹配正确，说明接收的数据包有效，将数据存储在接收缓存区 RX_FIFO 中，置高 RX_DR，置低 IRQ 产生中断；（5）发送确认信号；（6）置低 CE，n RF24L01 进入待机模式 1；（7）MSP430 通过 SPI 接口以设计要求的速率将数据读出。 具体如图9所示。图9：无线通信模块程序流程图四、原理图课程设计评分标准环节项目评价优良中及格不及格实践环节（70%）1、设计方案合理性与创造性（10%）2、硬件电路设计完成情况（20%）3、解决问题能力及答辩情况（10%）4、纪律和出勤情况（30%）设计报告（30%）总电路原理图的设计质量,设计报告内容完整、规范，图纸正确、清晰，设计步骤规范、正确，设计结果可行（30%）综合评价课程设计成绩评定为：优 良 中 及格 不及格 指导老师签名：_ 日 期：_专心-专注-专业