畢業(yè)論文-變壓器油色譜分析（含外文翻譯）

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著電力設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，其電氣性能通常會(huì)有不同程度的降低，設(shè)備的耐受強(qiáng)度也會(huì)逐步下降，直到最后設(shè)備損壞，壽命終結(jié)。大型充油設(shè)備的油色譜在線監(jiān)測(cè)分析是目前在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的一項(xiàng)，對(duì)及時(shí)了解變壓器等大型充油設(shè)備并發(fā)現(xiàn)隱患，保證設(shè)備安全、可靠、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行具有重要意義。</p><p>　　本文介

2、紹了變壓器色譜分析在線監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)采集單元的硬件組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、各模塊的作用及軟件特點(diǎn)，主要是選出氣體傳感器，設(shè)計(jì)出傳感器測(cè)量電路，并對(duì)所需的單片機(jī)芯片進(jìn)行相應(yīng)的編程，整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各功能模塊按照現(xiàn)場(chǎng)的要求靈活配置。</p><p>　　關(guān)鍵詞：變壓器；色譜分析；數(shù)據(jù)采集；傳感器；單片機(jī)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p&g

3、t;<p>　　As the electric power equipment running time growth, its electric performance will usually have different rate reduce because equipment in operation; by different role outside an ageing, equipment, toleran

4、ce drop gradually, until finally the intensity, life will be ended and equipment will be damaged. Large oil filled equipment oil chromatographic analysis is the on-line monitoring on-line monitoring technology a widely u

5、sed to prompt understanding transformer, and other large oil equipments and</p><p>　　This paper introduces the transformer on-line monitoring device of chromatographic analysis of data acquisition cell hardw

6、are composition, structure characteristics, each module function and software characteristics, main is elected, the design gives sensor gas sensors, and the measurement circuit for chips for the corresponding programming

7、, the whole system USES modular design, every function module according to the request flexible configuration.</p><p>　　Keywords: transformer; Chromatographic analysis; Data acquisition; Sensors; microcontro

8、ller </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒 論1</b></p><p>　　1.1 本課題的意義、目的1</p><p>　　1.2色譜分析在線監(jiān)測(cè)裝置簡(jiǎn)介2</p><p>　　1.3 國(guó)內(nèi)外研究情況及其發(fā)展2

9、</p><p>　　1.4主要研究?jī)?nèi)容3</p><p>　　第2章 色譜分析數(shù)據(jù)采集單元總體設(shè)計(jì)4</p><p><b>　　2.1 概述4</b></p><p>　　2.2 數(shù)據(jù)采集單元的基本構(gòu)成及工作原理5</p><p>　　2.3 本章小結(jié)7</p><

10、;p>　　第3章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常用傳感器8</p><p>　　3.1傳感器的定義及組成8</p><p>　　3.2 傳感器的分類與特點(diǎn)8</p><p>　　3.3 電阻應(yīng)變式傳感器10</p><p>　　3.4 熱電偶傳感器10</p><p>　　3.5 電感式傳感器11</p>

11、<p>　　3.6 電容式傳感器11</p><p>　　3.7 壓電傳感器12</p><p>　　3.8本章小結(jié)12</p><p>　　第4章 計(jì)算機(jī)接口與數(shù)據(jù)采集12</p><p>　　4.1接口功能特點(diǎn)13</p><p>　　4.2數(shù)據(jù)傳送方式14</p><

12、p>　　4.3 數(shù)據(jù)采集的串行通信接口技術(shù)14</p><p>　　4.4 本章小結(jié)15</p><p>　　第5章 模擬量采集器的硬件設(shè)計(jì)16</p><p><b>　　5.1 概述16</b></p><p>　　5.2 微處理器16</p><p>　　5.3 時(shí)鐘振蕩電路

13、20</p><p>　　5.4看門(mén)狗電路設(shè)計(jì)20</p><p>　　5.5電源模塊的設(shè)計(jì)24</p><p>　　5.6 A/D轉(zhuǎn)換器26</p><p>　　5.7 CAN通信模塊的設(shè)計(jì)27</p><p>　　5.8 RS232通信模塊36</p><p>　　5.9 串口設(shè)

14、備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器36</p><p>　　5.10 本章小結(jié)38</p><p>　　第6章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)39</p><p>　　6.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾39</p><p>　　6.2 硬件抗干擾措施40</p><p>　　6.3 電源系統(tǒng)的抗干擾40</p><p

15、>　　6.4 屏蔽技術(shù)41</p><p>　　6.5 本章小結(jié)41</p><p>　　第7章 總結(jié)42</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)43</b></p><p><b>　　致謝44</b></p><p>　　附錄一 模擬量數(shù)據(jù)采集器硬件電

16、路圖45</p><p>　　附錄二 文獻(xiàn)翻譯46</p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　1.1 本課題的意義和目的</p><p>　　電力變壓器均以電磁感應(yīng)原理，硅鋼片、電磁線和油浸紙絕緣為主體，原理未曾改變，只是在設(shè)計(jì)參數(shù)、工藝材料上有不斷的變化，隨著科技的進(jìn)步，先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備

17、日臻完善，因而各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)愈來(lái)愈先進(jìn)。</p><p>　　變壓器作為電力行業(yè)的重要設(shè)備之一，對(duì)于電能經(jīng)濟(jì)傳輸和靈活調(diào)配具有十分重要的作用。利用氣相色譜分析變壓器油中溶解氣體組分及含量來(lái)判斷變壓器潛在性故障，已作為變壓器維護(hù)、監(jiān)督的有效手段而得到應(yīng)用和推廣。通過(guò)變壓器油中氣體的色譜分析這種化學(xué)監(jiān)測(cè)的方法，在不停電的情況下，對(duì)發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的某些潛伏性故障及其發(fā)展程度的早期診斷非常靈敏而有效。</p>

18、<p>　　在線色譜技術(shù)是色譜技術(shù)的一種延伸和應(yīng)用。對(duì)油中溶解氣體氫氣、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等氣體及總烴進(jìn)行監(jiān)測(cè)。</p><p>　　常用的油色譜分析法是基于實(shí)驗(yàn)室的分析技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采取油樣后在實(shí)驗(yàn)室定期進(jìn)行分析。其缺點(diǎn)是是油樣周期間隔中，無(wú)法對(duì)變壓器油中氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)有效地監(jiān)測(cè)，因此有可能漏報(bào)某些發(fā)展比較快的設(shè)備故障，而且在取樣實(shí)驗(yàn)過(guò)程中環(huán)節(jié)比較多，存在較大的人為誤差，影響其準(zhǔn)確性。&

19、lt;/p><p>　　應(yīng)用油色譜分析在線監(jiān)測(cè)，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，其檢驗(yàn)周期可以短到數(shù)分鐘一次，利于及早發(fā)現(xiàn)故障征兆，并及早采取糾正措施，這樣即可測(cè)量人工測(cè)量所需的工作量，又可減少了故障漏報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)和損失，為變壓器的運(yùn)行提供保障。</p><p>　　1.2色譜分析在線監(jiān)測(cè)裝置簡(jiǎn)介</p><p>　　隨著電力系統(tǒng)容量不斷增大，電壓等級(jí)不斷提高，以及供電部門(mén)

20、對(duì)供電可靠性要求的日益提高，無(wú)人值守變電站越來(lái)越多，對(duì)電力系統(tǒng)的設(shè)備實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)勢(shì)在必行。利用變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)絕緣油中的溶解氣體含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，是發(fā)現(xiàn)、診斷變壓器潛在故障的一種行之有效的方法。作為變壓器預(yù)防性試驗(yàn)的輔助手段，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，是開(kāi)展變壓器狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)。</p><p>　　變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不但能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)和顯示，還具備網(wǎng)絡(luò)通信能力，支持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程應(yīng)

21、用。</p><p>　　變壓器油色譜分析在線監(jiān)測(cè)具有實(shí)時(shí)性和連續(xù)性等特點(diǎn)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)被檢測(cè)設(shè)備存在的故障，作為變壓器油氣相色譜分析的補(bǔ)充和發(fā)展，安裝成熟的油氣在線監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)保障大型變壓器乃至電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行是必要的，是變壓器從計(jì)劃?rùn)z修到狀態(tài)檢修的過(guò)渡，是提高其運(yùn)行可靠性的重要技術(shù)手段。</p><p>　　1.3 國(guó)內(nèi)外研究情況及其發(fā)展</p>

22、<p>　　隨著電力設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，其電氣性能通常會(huì)有不同程度的降低是因?yàn)樵O(shè)備運(yùn)行時(shí)受到不同的外施作用，不斷老化，設(shè)備的耐受強(qiáng)度逐步下降，直到最后設(shè)備損壞，壽命終結(jié)。若在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中結(jié)合設(shè)備的狀態(tài)能夠及時(shí)進(jìn)行合理的維修，則耐受強(qiáng)度及運(yùn)行時(shí)間就會(huì)大大的增長(zhǎng)。狀態(tài)檢修就是通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)和綜合分析，掌握設(shè)備的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)做到“應(yīng)修必修”，對(duì)有限的維修經(jīng)費(fèi)進(jìn)行優(yōu)化分配使用，節(jié)省檢修經(jīng)費(fèi)。大型充油設(shè)備的油色譜在線監(jiān)測(cè)分析是目前在

23、線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的一項(xiàng)，對(duì)及時(shí)了解變壓器等大型充油設(shè)備并發(fā)現(xiàn)隱患，保證設(shè)備安全、可靠、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行具有重要意義。</p><p>　　變壓器油色譜分析在線監(jiān)測(cè)具有實(shí)時(shí)性和連續(xù)性等特點(diǎn)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)被檢測(cè)設(shè)備存在的故障，作為變壓器油氣相色譜分析的補(bǔ)充和發(fā)展，安裝成熟的油氣在線監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)保障大型變壓器乃至電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行是必要的，是變壓器從計(jì)劃?rùn)z修到狀態(tài)檢修的過(guò)渡，是提高其運(yùn)行可靠性的重要

24、技術(shù)手段。</p><p>　　隨著變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和裝置需求的增加，一些新型、先進(jìn)的檢測(cè)原理和方法將不斷出現(xiàn)，變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置的可靠性、準(zhǔn)確性、靈敏度將會(huì)進(jìn)一步提高，將朝著氣體種類全面化、監(jiān)測(cè)對(duì)象綜合化、診斷技術(shù)智能化、與其他自動(dòng)化技術(shù)一體化的方向發(fā)展。 </p><p><b>　　1.4主要研究?jī)?nèi)容</b></p&g

25、t;<p>　　本設(shè)計(jì)主要針對(duì)色譜分析在線監(jiān)測(cè)裝置的開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)了基于CAN總線的模擬量數(shù)據(jù)采集器。針對(duì)本次設(shè)計(jì)主要做了一下幾個(gè)方面的工作：</p><p>　?。?）選擇氣體傳感器：根據(jù)可檢測(cè)的氣體種類選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳌?lt;/p><p>　　（2）通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將所選的氣體模擬量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量，并進(jìn)行相應(yīng)的編程。</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)看

26、門(mén)狗電路，電源電路。</p><p>　?。?）選取微處理器芯片，并進(jìn)行相應(yīng)的編程。</p><p>　?。?）初步了解CAN通信模塊，并且運(yùn)用CAN通信模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　第2章 色譜分析數(shù)據(jù)采集單元總體設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2.1 概述</b></p><p>　　

27、變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)，必須能按實(shí)際需要的監(jiān)測(cè)周期，按時(shí)自動(dòng)測(cè)出變壓器油中可燃?xì)怏w含量，并打印出譜圖及含量值。根據(jù)測(cè)出氣體含量值判斷變壓器的運(yùn)行狀況，判斷是否存在潛伏性故障，如果存在，故障是放電性故障或是過(guò)熱性故障，并應(yīng)有報(bào)警信號(hào)傳至主控制室。</p><p>　　根據(jù)變壓器油中溶解的氣體：甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氫氣、一氧化碳、二氧化碳等氣體組分含量來(lái)判斷變壓器是否存在潛伏性故障。如果存在，故障是放電性故障或是過(guò)

28、熱性故障。</p><p>　　對(duì)于大型變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)選擇氣體組分量應(yīng)具備：</p><p>　?。?）必須能判斷變壓器是否存在潛伏性故障，是放電性故障還是過(guò)熱性故障。</p><p>　　（2）監(jiān)測(cè)氣體組分盡量少些，使監(jiān)測(cè)裝置簡(jiǎn)單穩(wěn)定。</p><p>　　一般變壓器有放電性故障時(shí)，乙炔含量明顯增大；有過(guò)熱性故障時(shí)，甲烷、乙烯、乙烷的

29、含量增大。因此，選擇甲烷、乙烷、乙烯、乙炔作為監(jiān)測(cè)氣體組分，即可滿足監(jiān)測(cè)裝置的要求。</p><p>　　當(dāng)然，用戶需要時(shí)，也可在線監(jiān)測(cè)七種氣體含量。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的變壓器色譜分析在線監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)采集單元，在線監(jiān)測(cè)七種氣體的含量，同時(shí)檢測(cè)油溫。使測(cè)得的七種氣體及油溫這八種模擬量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量，從而達(dá)到測(cè)量的目的。</p><p>　　2.2 數(shù)

30、據(jù)采集單元的基本構(gòu)成及工作原理</p><p>　　2.2.1 系統(tǒng)的基本構(gòu)成</p><p>　　電力變壓器油色譜分析數(shù)據(jù)采集單元主要由傳感器、傳感器測(cè)量電路、A/D轉(zhuǎn)換器、串行通信、微處理器、驅(qū)動(dòng)電路等模塊組成，其整體框架圖如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1數(shù)據(jù)采集單元整體框架圖</p><p><b>　?。?）傳

31、感器：</b></p><p>　　傳感器位于被測(cè)對(duì)象與測(cè)試系統(tǒng)的接口位置，是一個(gè)信號(hào)變換器。它直接從被測(cè)對(duì)象中提取被測(cè)量信息，感受其變化并變換成便于測(cè)量的其它量。該系統(tǒng)的氣體傳感器應(yīng)該能夠監(jiān)測(cè)七種氣體。</p><p><b>　?。?）測(cè)量電路：</b></p><p>　　將傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行整形或電平調(diào)整，最后傳輸?shù)接?jì)

32、算機(jī)總線上。</p><p>　?。?）A/D轉(zhuǎn)換器：</p><p><b>　　是采樣通道的核心</b></p><p><b>　　（4）微處理器：</b></p><p>　　由計(jì)算機(jī)及其外部設(shè)備構(gòu)成。</p><p>　?。?）通信及驅(qū)動(dòng)電路：</p>

33、<p>　　采用CAN總線通信。</p><p>　　2.2.2 采集單元基本功能 </p><p>　　數(shù)據(jù)采集是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字量之后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的過(guò)程，相應(yīng)的系統(tǒng)成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。</p><p>　　從嚴(yán)格意義上說(shuō)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)該是用計(jì)算機(jī)控制的多路數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)，并且能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí)行存儲(chǔ)

34、、處理、分析，以及從監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)中提取可用的信息，供顯示、記錄、打印或描繪的系統(tǒng)?？傊?，不論在哪個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)采集與處理越及時(shí)，工作效率應(yīng)越高，取得的經(jīng)濟(jì)效益越大。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，具體地說(shuō)就是傳感器從被測(cè)對(duì)象獲取有用的信息，并將其輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，得出所需的數(shù)據(jù)。同時(shí)，將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、儲(chǔ)存或打印，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)視，其中

35、一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被生產(chǎn)過(guò)程</p><p>　　中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用來(lái)對(duì)進(jìn)行對(duì)某些物理量的控制。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)輸入通道、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出及顯示這五個(gè)部分組成。輸入通道要實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)、采樣和信號(hào)轉(zhuǎn)換等工作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理要把采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行管理和應(yīng)用。數(shù)據(jù)處理就是從采集到的原始數(shù)據(jù)中，刪除干擾噪聲，無(wú)關(guān)信息和

36、不必要的信息，提取出反映被測(cè)對(duì)象特征的重要信息。另外就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以便于檢索，或者反數(shù)據(jù)恢復(fù)成原來(lái)的物理量形式，以可輸出的形態(tài)在輸出設(shè)備上輸出，如打印、顯示、繪圖等。數(shù)據(jù)輸出及顯示就是把數(shù)據(jù)以適當(dāng)?shù)男问捷敵龊惋@示。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞，主要取決于它的精度和速度，在保證精度的條件下，盡可能的提高速度，以滿足實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理和實(shí)施控制的要求。</p><p>

37、;<b>　　2.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集單元是基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，并結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)化、傳感器等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，系統(tǒng)具備全數(shù)字化信息采集功能，可以實(shí)現(xiàn)將氣體模擬量轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。</p><p>　　第3章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常用傳感器</p><p>　　傳感器技術(shù)、通信技術(shù)

38、、計(jì)算機(jī)技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。它們分別是智能系統(tǒng)的感官、神經(jīng)和大腦。傳感器作為獲取信息的首要部件在工程測(cè)試中起到至關(guān)重要的作用。</p><p>　　3.1傳感器的定義及組成</p><p>　　根據(jù)《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 7665-87）傳感器通用術(shù)語(yǔ)》規(guī)定，傳感器的定義是能感受規(guī)定的測(cè)量量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號(hào)的器件或裝置。通常由對(duì)被測(cè)量量敏感的元件和轉(zhuǎn)換元

39、件組成，其中敏感元件是指能夠直接感受或響應(yīng)被測(cè)量的部分，比如應(yīng)式壓力傳感器中的彈簧膜片，就是敏感元件。轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺懿㈨憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)，如電阻應(yīng)變片就是轉(zhuǎn)換元件。根據(jù)以上定義可畫(huà)出傳感器的組成框圖，如圖3.1所示</p><p>　　圖3.1傳感器組成框圖 </p><p>　　3.2 傳感器的分類與特點(diǎn)</p><p&

40、gt;　　傳感器常用的分類方法有兩種，一種是按被測(cè)輸入量來(lái)分，另一種是按傳感器的工作原理來(lái)分，另外還有按能量的關(guān)系來(lái)分等其他分類方法。</p><p>　　3.2.1 按被測(cè)物理量分類</p><p>　　這種方法是根據(jù)被測(cè)量的性質(zhì)進(jìn)行分類，如被測(cè)量分別為溫度、濕度、壓力、位移、流量、加速度、光，則對(duì)應(yīng)的傳感器分別為溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、加速傳感器、光

41、電傳感器。這種分類方法的優(yōu)點(diǎn)是比較明確地表達(dá)傳感器的用途，為使用者提供了方便，可方便地根據(jù)測(cè)量對(duì)象選擇所需要的傳感器。其缺點(diǎn)是沒(méi)有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換機(jī)理上有何共性和差異，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。</p><p>　　3.2.2 按敏感材料分類</p><p>　　這種分類方法是按制造傳感器的材料分類，如半導(dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器、光導(dǎo)纖維傳感器、高分子材料傳感器和金屬傳感器等

42、。這種分類方法是第一類分類方法的子集。</p><p>　　3.2.3 按能量的關(guān)系分類</p><p>　　根據(jù)能量關(guān)系分類，可將傳感器分為有源傳感器和無(wú)源泉傳感器兩大類。前者一般是將非電能量轉(zhuǎn)換為電能量，稱為能量轉(zhuǎn)換型傳感器，也稱為換能器。通常它們配有電壓測(cè)量和放大電路，如壓電式、熱電式、壓阻式等。無(wú)源傳感器又稱為能量控制型傳感器。它本身不是一個(gè)換能裝置，被測(cè)非電量公對(duì)傳感器中的能量起

43、控制和調(diào)節(jié)作用。所以，它們必須具有輔助能源(電源)，這類傳感器有電阻式、電容式和電感式等。無(wú)源傳感器常用電橋電路和諧振電路等測(cè)量。</p><p>　　3.2.4 其他分類方法</p><p>　　除以上幾種常用的分類法外，還有按其用途分類、科目分類、功能分類和輸出信號(hào)的性質(zhì)分類等方法。</p><p>　　3.3 電阻應(yīng)變式傳感器</p><p

44、>　　電阻應(yīng)變式傳感器是目前工程測(cè)力傳感器中應(yīng)用最的一種傳感器，它有測(cè)量精度高，范圍廣、頻率響應(yīng)特性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、易實(shí)現(xiàn)小型化，并能在高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣環(huán)境下使用，并且工藝性好，價(jià)格低廉等特點(diǎn)。它主要通過(guò)在力的作用下，將材料應(yīng)變轉(zhuǎn)為電阻值的變化，從而實(shí)現(xiàn)力值的測(cè)量。組成電阻應(yīng)變片的材料一般有金屬及半導(dǎo)體材料。目前汽車衡稱重系統(tǒng)主是就是利用電阻應(yīng)變式傳感器進(jìn)行工作。</p><p>　　3.4 熱電偶

45、傳感器</p><p>　　熱電偶傳感器是目前使用最廣泛的測(cè)溫元件之一。其主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫范圍廣，可以在269- 2800攝氏度的溫度范圍內(nèi)使用，精度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)特性好，而且可直接輸出電信號(hào)，便于處理和遠(yuǎn)距離傳送，所以在工業(yè)測(cè)溫領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，在科研和生產(chǎn)中發(fā)揮重要的作用。熱電偶溫度傳感器以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)。為保證熱電偶正常工作，熱電偶兩電極之間及與保護(hù)套之間都需要良好的絕緣，而且高溫、耐腐蝕和沖

46、擊的保護(hù)套管也是必不可少的。工業(yè)熱電偶的典型結(jié)構(gòu)有普通型裝配式結(jié)構(gòu)和柔性安裝愷裝結(jié)構(gòu)兩種。</p><p>　　3.5 電感式傳感器</p><p>　　電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置，可以用來(lái)測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、流量、重量、力矩和應(yīng)變等多種物理量。電感式傳感器的核心部分是可變自感或可變互感，在被測(cè)量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時(shí)，一般要利用磁場(chǎng)作為媒介或利用鐵

47、磁體的某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有繞組。它的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，輸出功率大，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)工作環(huán)境要求不高，分辨力較高，示值誤差一般為示值范圍的 0.1%-0.5%，穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)是:頻率響應(yīng)低，不宜用于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量。一般來(lái)說(shuō)，電感式傳感口器的分辨力和示值誤差與示值范圍有關(guān)。示值范圍大時(shí)，分辨力和示值精度將相應(yīng)降低。電感式傳感器種類很多，有利用自感原理的自感式傳感器，有利用互感原理的差動(dòng)變壓器式傳感器，有利用渦流原理的渦流式

48、傳感器，利用壓磁原理的壓磁式傳感器和利用互感原理的感應(yīng)同步器等。常用的是自感式電感傳感器，它又分為變間隙型、變面積型和螺管型三種。A變間隙型靈敏度較高，但非線性誤差較大，且制作裝配比較困難;B變面積型靈敏度較前者小，但線性較好，量程較大，使用比較廣泛;C螺管型靈敏度較低，但量程大且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于制作和批量生產(chǎn)，是使用最廣泛</p><p>　　3.6 電容式傳感器</p><p>　　電容式

49、傳感器是一種能將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅鞯碾娙萘孔兓?，然后再通過(guò)一定的電路將此電容的變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率等信號(hào)的輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的測(cè)量。電容式傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn):A結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輕巧，易于制造;B功率小，阻抗高、靈敏度高;C動(dòng)態(tài)特性好;D能在高低溫及強(qiáng)輻射的惡劣環(huán)境中工作:E能進(jìn)行非接觸測(cè)量。但它也有不足之處，如負(fù)載能力差，寄生電容影響較大，輸出為非線性等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電容式傳感器的性能已得到了很大的改善，在位移、壓力、液

50、壓等物理量測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用。</p><p><b>　　3.7 壓電傳感器</b></p><p>　　壓電傳感器是利用某些半導(dǎo)體材料的壓電效應(yīng)為實(shí)現(xiàn)由力至電量的變化，壓電傳感元件是力敏感元件，屬于有源傳感器類，它可以最終能變換為力的那些非電物理量，如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量，壓電式傳感器具有體積小，質(zhì)量輕，頻響高，信噪比大等特點(diǎn)

51、。由于它沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可靠性，穩(wěn)定性高。由于它靈敏系數(shù)高，信噪比高，使用頻帶寬，體積小，方便耐用等優(yōu)點(diǎn)己廣泛應(yīng)用在工業(yè)，軍事及民用等方面。</p><p><b>　　3.8本章小結(jié)</b></p><p>　　通過(guò)本章對(duì)傳感器的大致了解，在選擇色譜分析數(shù)據(jù)采集單元的傳感器方面，應(yīng)選擇能夠測(cè)量七種氣體的氣體傳感器以及溫度傳感器。具體型號(hào)及測(cè)量氣體如下：&

52、lt;/p><p>　　ME2-CO：一氧化碳</p><p><b>　　ME3-H2：氫氣</b></p><p>　　MC-101：甲烷、乙烷、乙烯、乙炔</p><p>　　MG-811：二氧化碳</p><p>　　第4章 計(jì)算機(jī)接口與數(shù)據(jù)采集</p><p>　　接

53、口電路得一種介于計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的，起緩沖，轉(zhuǎn)換和匹配作用的電路。接口電路負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送。由于外設(shè)與主機(jī)的信息格式不同，數(shù)據(jù)總線不允許被某個(gè)設(shè)備長(zhǎng)期占用，由于CPU與外設(shè)之間速度不匹配等原因，在主機(jī)和外設(shè)之間需要加入接口電路。</p><p><b>　　4.1接口功能特點(diǎn)</b></p><p>　　所謂接口，是指計(jì)算機(jī)中兩個(gè)不同部件和設(shè)備之間的

54、電路和相關(guān)軟件。如圖4.1所示，接口通常包括數(shù)據(jù)端口，狀態(tài)端口和控制端口，分別用于存放數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。</p><p><b>　　圖4.1接口電路</b></p><p>　　1.對(duì)輸入、輸出信息進(jìn)行傳輸形式的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　2.根據(jù)外設(shè)的具體情況，提供一種合適的數(shù)據(jù)交換“調(diào)度策略”，即合理的數(shù)據(jù)輸入、輸出方法。&l

55、t;/p><p>　　3.為數(shù)據(jù)傳送提緩沖、鎖存、定時(shí)和控制等，協(xié)調(diào)CPU與外設(shè)數(shù)據(jù)處理速度上的差異。</p><p>　　4.提供輸入輸出設(shè)備狀態(tài)信息供CPU查詢，或CPU送給外設(shè)的命令供外設(shè)查詢。</p><p>　　5.保證輸入輸出電氣特性匹配。</p><p>　　6.保證輸入輸出負(fù)載匹配。</p><p>　　外

56、設(shè)接口是為使CPU與外設(shè)相連接而專門(mén)設(shè)計(jì)的邏輯電路和相關(guān)軟件，它是CPU與外設(shè)進(jìn)行信息交換的橋梁。</p><p><b>　　4.2數(shù)據(jù)傳送方式</b></p><p>　　CPU和外設(shè)之間進(jìn)行輸入輸出數(shù)據(jù)的傳送方式通常有三種:程序控制傳送方式、中斷傳送方式、DMA(直接存儲(chǔ)器存取)方式。程序控制傳送方式(l)無(wú)條件傳送方式又稱同步傳送方式，無(wú)條件傳送方式假設(shè)外設(shè)己

57、做好傳送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，因而CPU直接與外設(shè)傳送數(shù)據(jù)而不必預(yù)先查詢外設(shè)的狀態(tài)。(2)查詢傳送方式又稱異步傳送方式。查詢傳送方式在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送前，程序首先檢測(cè)外設(shè)狀態(tài)端口的狀態(tài)，只有在狀態(tài)信息滿足條件時(shí)，才能通過(guò)數(shù)據(jù)端口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，否則程序只能循環(huán)等待或轉(zhuǎn)入其他程序段。中斷傳送方式在中斷方式下，當(dāng)外設(shè)“準(zhǔn)備就緒”，主動(dòng)向CPU發(fā)出傳送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，CPU可暫時(shí)中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行與外設(shè)傳送數(shù)據(jù)有關(guān)的程序，數(shù)據(jù)傳送完畢后，又恢復(fù)執(zhí)行原

58、被中斷的程序。DMA方式就是在外設(shè)與內(nèi)存或外設(shè)之間以及內(nèi)存與內(nèi)存之間開(kāi)辟直接的數(shù)據(jù)通道，內(nèi)存和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送在D做控制器的管理下直接進(jìn)行，而不經(jīng)過(guò)CPU。</p><p>　　4.3 數(shù)據(jù)采集的串行通信接口技術(shù)</p><p>　　采用串行通信端口采集數(shù)據(jù)，即在各個(gè)生產(chǎn)參數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置數(shù)據(jù)采集模塊，使得模擬信號(hào)并成數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)串行通信線、串行端口傳送到計(jì)算機(jī)。</p>

59、;<p><b>　　4.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了計(jì)算機(jī)接口與數(shù)據(jù)采集，介紹了數(shù)據(jù)傳送方式，以及串行通信技術(shù)。計(jì)算機(jī)接口是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中重要的一環(huán)，起到了紐帶的作用。數(shù)據(jù)傳送方式有多種，如何選擇、選擇哪一種傳送方式以及采用哪種串行通信技術(shù)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。</p><p>　　第5章 模擬量采集器的硬件設(shè)計(jì)</p>

60、<p><b>　　5.1 概述</b></p><p>　　整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由以CAN通信控制器和C51系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　由于CAN總線能有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)據(jù)通信方面具有可靠、實(shí)時(shí)和抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器在設(shè)計(jì)時(shí)也采用了CAN總線通信控制器，具備利用CAN總線的通信能力，各個(gè)采集器通過(guò)CA

61、N總線連接在一起。</p><p><b>　　5.2 微處理器</b></p><p>　　5.2.1 STC89C51性能參數(shù)</p><p>　　微處理器是數(shù)據(jù)采集器的核心部件，協(xié)調(diào)各模塊穩(wěn)定工作，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性的作用。本次設(shè)計(jì)采用宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)，其指令代碼

62、完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/ 機(jī)器周期和6 時(shí)鐘/ 機(jī)器周期可反復(fù)設(shè)置。</p><p>　　STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)主要性能[4]：</p><p>　?。?）增強(qiáng)型6時(shí)鐘/ 機(jī)器周期，12 時(shí)鐘/ 機(jī)器周期 8051 CPU；（2）工作電壓：5.5V - 3.4V（5V 單片機(jī)）/  3.8V - 2.0V（3V 單片機(jī)）；（3）工作頻率范圍：0

63、 - 40 MHz，相當(dāng)于普通8051的0～80MHz.實(shí)際工作 頻率可達(dá)48MHz；（4）用戶應(yīng)用程序空間 4K / 8K / 15K / 16K / 20K / 32K / 64K 字節(jié)；（5）片上集成 512 字節(jié) / 1280字節(jié) RAM；（6） 通用I/O 口（32/36 個(gè)），復(fù)位后為： P1/P2/P3/P4 是準(zhǔn)雙向口/ 弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口） P0 口是開(kāi)漏輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，

64、作為I/O 口用時(shí)，需加上拉電阻。（7）ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專用編程器可通過(guò)串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，8K 程序3 秒即可完成一片。（8）EEPROM 功能；（9）看門(mén)狗；（10）外部晶體20M 以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路；（11）共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；</p><p>　　（12）外部中斷2路,下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,Power Down模式可

65、由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒；（13）通用異步串行口(UART)；（14）工作溫度范圍： 0 - 75℃ / -40 - +85℃（15）封裝：DIP-40</p><p>　　5.2.2 引腳功能說(shuō)明</p><p><b>　　●VCC：電源電壓</b></p><p><b>　　●GND：地</b><

66、;/p><p>　　●P0口：P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向陽(yáng)口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口，作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門(mén)電路，對(duì)端口P0寫(xiě)“1"時(shí)，也可作為高阻抗輸入使用。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址(低8位)和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。在FLASH編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。在F

67、lash編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)要求外接上拉電阻。</p><p>　　●P1口：Pl口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)也可作輸入口。作為輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流I，在Flash編程和程序校驗(yàn)期間，輸

68、出低八位地址。</p><p>　　●P2口： P2口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)也可作輸入口。作為輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流I。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)，在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

69、時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P2口亦接收高八位地址和其他控制信號(hào)。</p><p>　　●P3口：P3口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3的出緩沖可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)P3口寫(xiě)“1”時(shí)，它被內(nèi)部的上拉電阻拉高并可當(dāng)作輸入口。作為輸入口使用時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流I。P3口除作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，

70、如表5.1所示。P3口還接收一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。</p><p>　　●RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。</p><p>　　●ALE/PROG：ALE/PROG:當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)，一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出

71、固定的脈沖型號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)的目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。在Flash編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖。</p><p>　　表5.1 P3口第二功能</p><p>　　●/PSEN：程序存儲(chǔ)允許（/PSEN）輸出時(shí)外部數(shù)據(jù)儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)STC89C51由外部程序存儲(chǔ)器取指令時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN，即讀出兩個(gè)脈沖。在此

72、期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這兩次有效的/PSEN信號(hào)不出現(xiàn)。</p><p>　　●EV/VPP:外部訪問(wèn)允許。欲使CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，EA端必須保持低電平(接地);需要注意的是如果加密為L(zhǎng)B1被編程，復(fù)位時(shí)會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平(接VCC端)，CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。在Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件使用12V編程電源Vpp。&l

73、t;/p><p>　　●XTAL1:振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。</p><p>　　●XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。</p><p>　　5.3 時(shí)鐘振蕩電路</p><p>　　STC89C51中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的可控高增益反向放大器，兩個(gè)引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。在片外跨接一晶振

74、和2個(gè)匹配電容C1、C2就構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。其中匹配電容C1、C2要根據(jù)石英晶體振蕩器的要求來(lái)選取，一般選用20～30pF的瓷片電容。振蕩頻率根據(jù)實(shí)際要求的工作速度，從幾百KHz～24MHz中適當(dāng)選取莫一頻率。</p><p>　　此外，還可以使用外部時(shí)鐘。采用外部時(shí)鐘的電路，這種情況下，外部時(shí)鐘接到XTAL1端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。由于石英晶體和電容構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路具有較高的精度和穩(wěn)

75、定性，本畢業(yè)設(shè)計(jì)中，單片機(jī)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，電容C1、C2選擇30pF。電路圖如下所示 ：</p><p><b>　　圖5.2時(shí)鐘電路</b></p><p>　　5.4看門(mén)狗電路設(shè)計(jì)</p><p>　　隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展和制造工藝的日益成熟, 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬, 但由于單片機(jī)自身的抗干擾能力較差, 尤其是在一些條件比較惡劣, 噪

76、聲大的場(chǎng)合, 常會(huì)出現(xiàn)單片機(jī)因受外界干擾而導(dǎo)致死機(jī)的現(xiàn)象, 造成系統(tǒng)不能正常工作。設(shè)置看門(mén)狗是防止單片機(jī)死機(jī)、提高單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾性的一種重要途徑。本設(shè)計(jì)采用X5045芯片設(shè)計(jì)了一種看門(mén)狗電路，具有體積小、占用I/O口線少和編程方便的特點(diǎn)。</p><p>　　5.4.1 X5045看門(mén)狗電路設(shè)計(jì)</p><p>　　X5045硬件連接圖如圖5.3所示。X5045芯片內(nèi)包含有一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)

77、器，可通過(guò)軟件預(yù)置系統(tǒng)的監(jiān)控時(shí)間。其工作原理如下：</p><p><b>　　1.上電復(fù)位</b></p><p>　　向X5045加電時(shí)會(huì)激活其內(nèi)部的上電復(fù)位電路，從而使RESET引腳有效。該信號(hào)可避免系統(tǒng)微處理器在電壓不足或振蕩器未穩(wěn)定的情況下工作。當(dāng)Vcc超過(guò)器件的Vtrip門(mén)限值時(shí)，電路將在200ms（典型）延時(shí)后釋放RESET以允許系統(tǒng)開(kāi)始工作。</

78、p><p><b>　　2.低電壓監(jiān)視</b></p><p>　　工作時(shí)，X5045對(duì)Vcc電平進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若電源電壓跌落至預(yù)置的最小Vtrip以下時(shí)，系統(tǒng)即確認(rèn)RESET，從而避免微處理品在電源失效或斷開(kāi)的情況下工作。當(dāng)RESTE被確認(rèn)后，該RESET信號(hào)將一直保持有效，直到電壓跌到低于1V。而當(dāng)Vcc返回并超過(guò)Vtrip達(dá)200ms時(shí)，系統(tǒng)重新開(kāi)始工作。</p&

79、gt;<p><b>　　3.看門(mén)狗定時(shí)器</b></p><p>　　看門(mén)狗定時(shí)器的作用是通過(guò)監(jiān)視WD1輸入來(lái)監(jiān)視微處理器是否激活。由于微處理器必須周期性的觸發(fā)/CS/WD1引腳以避免RESET信號(hào)激活而使電路復(fù)位，所以/CS/WD1引腳必須在看門(mén)狗超過(guò)時(shí)間終止之前受到由高至低信號(hào)的觸發(fā)。</p><p>　　4. SPI串行存儲(chǔ)器</p>

80、<p>　　器件存儲(chǔ)器部分是帶塊鎖保護(hù)的CMOS串行EEPROM陣列，陣列的內(nèi)部組織是X8位。X5045主要是通過(guò)一個(gè)8位的指令寄存器來(lái)控制器件的工作，其指令代碼通過(guò)SI輸入端（MSB在前）寫(xiě)入寄存器。</p><p>　　5. 時(shí)鐘和數(shù)據(jù)時(shí)序</p><p>　　當(dāng)/CS變低以后，SI線上的輸入數(shù)據(jù)在SCK的第一個(gè)上升沿時(shí)被鎖存。而SO線上的數(shù)據(jù)則由SCK的下降沿輸出。用戶

81、可以停止時(shí)鐘，然后再啟動(dòng)它，以便在它停止的地方恢復(fù)操作。在整個(gè)工作期間，/CS必須為低。</p><p>　　圖5.3 X5045看門(mén)狗電路硬件連接圖</p><p>　　5.4.2 X5045芯片介紹</p><p>　　X5045是美國(guó)Xicor公司的產(chǎn)品，一種集看門(mén)狗、 電壓監(jiān)控和串行EEPROM三種功能于一身的可編程電路，這種組合設(shè)計(jì)減少了電路對(duì)電路板空間的

82、需求。其引腳功能如下：</p><p>　　圖5.4 X5045引腳功能</p><p>　　CS：電路選擇端，低電平有效；</p><p>　　SO：串行數(shù)據(jù)輸出；</p><p>　　SI：串行數(shù)據(jù)輸入；</p><p>　　SCK：串行時(shí)鐘輸入，上升沿將數(shù)據(jù)或命令寫(xiě)入，下降沿將數(shù)據(jù)輸出；</p>&

83、lt;p>　　WP：寫(xiě)保護(hù)輸入。當(dāng)它低電平時(shí)，寫(xiě)操作被禁止；</p><p><b>　　Vss：地；</b></p><p><b>　　Vcc：電源電壓；</b></p><p>　　RESET：復(fù)位輸出。</p><p>　　X5045在讀寫(xiě)操作前，需先向它發(fā)出指令，指令名及指令格式如表

84、5.5所示:</p><p>　　表5.5 X5045指令及其含義</p><p>　　看門(mén)狗定時(shí)器的預(yù)置時(shí)間是通過(guò)X5045的狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位來(lái)設(shè)定的。如表5.6所示，X5045的狀態(tài)寄存器共有6位有含義，其中WD1、WD0和看門(mén)狗電路有關(guān)，其余為和EEPROM的工作設(shè)置有關(guān)。</p><p>　　表5.6 X5045狀態(tài)寄存器</p><p

85、>　　WD1=0,WD0=0,預(yù)置時(shí)間為1.4s。</p><p>　　WD1=0,WD0=1,預(yù)置時(shí)間為0.6s。</p><p>　　WD1=1,WD0=0,預(yù)置時(shí)間為0.2s。</p><p>　　WD1=1,WD0=1,禁止看門(mén)狗工作。</p><p>　　看門(mén)狗電路的定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短可由具體應(yīng)用程序的循環(huán)周期決定，通常比系統(tǒng)正常工

86、作時(shí)最大循環(huán)周期的時(shí)間略長(zhǎng)即可。編程時(shí)，可在軟件的合適地方加一條喂狗指令，使看門(mén)狗的定時(shí)時(shí)間永遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)置時(shí)間，系統(tǒng)就不會(huì)復(fù)位而正常工作。當(dāng)系統(tǒng)跑飛，用軟件陷阱等別的方法無(wú)法捕捉回程序時(shí)，則看門(mén)狗定時(shí)時(shí)間很快增長(zhǎng)到預(yù)置時(shí)間，迫使系統(tǒng)復(fù)位。</p><p>　　5.5電源模塊的設(shè)計(jì)</p><p>　　電源是各種電子設(shè)備必不可缺少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全

87、可靠地工作。而且供電系統(tǒng)會(huì)給單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)帶來(lái)種種電源干擾，危害十分嚴(yán)重。這類干擾通常有過(guò)壓、欠壓、浪涌、下陷和降出、尖峰和射頻干擾等。供電系統(tǒng)地過(guò)壓和欠壓是一種緩慢的變化電壓，但幅度超過(guò)±30%的過(guò)壓和欠壓會(huì)使系統(tǒng)不能正常工作，甚至燒毀部件或主機(jī)；浪涌和下陷是電壓的快速變化，但變化幅度過(guò)大也會(huì)燒毀系統(tǒng)。由于開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部關(guān)鍵元器件工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，本身消耗的能量很低，開(kāi)關(guān)電源效率可達(dá)80％～90％，具有功耗小，效率高，體積小

88、，重量輕的優(yōu)點(diǎn)，目前已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。。</p><p>　　本電源模塊采用分散式供電策略，市電交流220V輸入時(shí)，經(jīng)過(guò)DAS20-12V-N模塊和LM2575T模塊后，能提供直流+5v和+12v 輸出，分別供采集器系統(tǒng)各模塊+5v要求和各傳感器+12v供電要求。而且本電源模塊還使用自恢復(fù)保險(xiǎn)絲GBX135N和壓敏電阻431KD20，防止過(guò)電壓過(guò)電流對(duì)整個(gè)電源模塊的損害，提供安全保障。</p>

89、<p>　　工作原理：220V/50Hz的市電進(jìn)入電源模塊后，首先經(jīng)過(guò)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲GBX135N，后通過(guò)AC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊DAS20-12V-N，將市電220v/50Hz轉(zhuǎn)換成直流+12v。直流+12v一方面作為各種傳感器供電電源，另一方面再經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓集成模塊LM2575T-5.0v后，將+12v直流電轉(zhuǎn)換成直流+5v，供采集器系統(tǒng)各模塊使用。而且電源模塊在直流+12v和+5v兩端各自加了220uF的電容器，可以濾除

90、高頻干擾。其硬件電路圖如下：</p><p>　　圖5.7 電源模塊硬件圖</p><p>　　5.6 A/D轉(zhuǎn)換器 </p><p>　　5.6.1 ADC0809芯片簡(jiǎn)介</p><p>　　ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖5.8所示，包括一個(gè)八位的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個(gè)八道多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和與微控制器兼容的的控制邏輯。八通道轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)具有鎖存功能，

91、可對(duì)八路0～5V的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。八位的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器由地址譯碼和鎖存電路、比較器、256R電阻T型網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)狀電子開(kāi)關(guān)、逐次逼近比較器SAR、控制和時(shí)序電路組成，其輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線上[3]。</p><p>　　圖5.8 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　ADC0809的功能特點(diǎn) ：</p><p>&

92、lt;b>　　●分辨率為八位</b></p><p>　　●最大不可調(diào)誤差小于±1LSB；</p><p>　　●單一±5V供電，模擬輸入范圍為0～5V；</p><p>　　●具有鎖存輸入的八路模擬開(kāi)關(guān)；</p><p>　　●可鎖存三態(tài)輸出，與TTL兼容；</p><p>&l

93、t;b>　　●功耗為15mW；</b></p><p>　　●轉(zhuǎn)換速度決定于芯片的時(shí)鐘頻率；</p><p>　　●時(shí)鐘頻率范圍為10kHz～1280kHz。 </p><p><b>　　其引腳功能如下：</b></p><p>　　●IN0～I(xiàn)N7：八路輸入通道的模擬量輸入端口；</p>

94、;<p>　　●2-1～2-8：八位數(shù)字量輸出端口；</p><p>　　●START、ALE：START為啟動(dòng)控制端輸入端口，ALE為地址鎖存控制信號(hào)端口；</p><p>　　●EOC、OE：EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)脈沖輸出端口，OE為輸出允許控制端口。OE端的電平由低變高，打開(kāi)三態(tài)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸入到數(shù)據(jù)總線上；</p><p>　　

95、●REF+、REF-、Vcc、GND：REF+和REF-為參考電壓輸入端，Vcc為主電源輸入端，GND為接地端。一般REF+與Vcc連接在一起，REF-與GND連接在一起；</p><p>　　●CLK：時(shí)鐘輸入端；</p><p>　　●ADD-A、ADD-B、ADD-C：八路模擬開(kāi)關(guān)的三位地址選通輸入端，用以選擇對(duì)應(yīng)的輸入通道。</p><p>　　5.7 CA

96、N通信模塊的設(shè)計(jì)</p><p>　　5.7.1 CAN總線概述</p><p>　　CAN 是Controller Area Network 的縮寫(xiě)（以下稱為CAN），是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在當(dāng)前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對(duì)安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)了出來(lái)。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對(duì)可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況

97、很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”、“通過(guò)多個(gè)LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986 年德國(guó)電氣商博世公司開(kāi)發(fā)出面向汽車的CAN 通信協(xié)議。此后，CAN 通過(guò)ISO11898 及ISO11519 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。 </p><p>　　現(xiàn)在，CAN 的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化

98、領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一,被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。</p><p>　　CAN總線有如下基本特點(diǎn)[2]: </p><p>　　廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，可以多主方式工作； </p><p>　　采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先

99、級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突； </p><p>　　采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時(shí)間短； </p><p>　　每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕m于在高干擾環(huán)境下使用； </p><p>　　節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自

100、動(dòng)關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其他操作不受影響； </p><p>　　可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一對(duì)多及廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)。 </p><p>　　CAN總線的優(yōu)點(diǎn)[2]: </p><p>　　具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)；</p><p>　　采用雙線串行通信方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境

101、中工作；</p><p>　　具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個(gè)控制模塊通過(guò)CAN 控制器掛到</p><p>　　CAN-BUS 上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)； </p><p>　　可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文； </p><p>　　可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制； </p><p>　　發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)；

102、</p><p>　　節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能； </p><p>　　報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來(lái)指示功能信息、優(yōu)先級(jí)信息。</p><p>　　5.7.2 CAN通信模塊的基本構(gòu)成及工作原理</p><p>　　CAN總線通信模塊主要由微處理器、CAN總線通信控制器SJA1000、CAN總線收發(fā)器PCA82

103、C250、74LS138譯碼器和高速光電耦合器6N137組成。其硬件電路圖如5.9所示：</p><p>　　圖5.9 CAN總線通信模塊硬件電路圖</p><p><b>　　工作原理：</b></p><p>　　微處理器89C51負(fù)責(zé)SJA1000的初始化，通過(guò)控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。SJA1000的AD0～AD

104、7接到89C51的P0口，/CS鏈接到138譯碼器的Y2。當(dāng)Y2為0時(shí)CPU片外存儲(chǔ)器地址可選SJA1000,CPU通過(guò)這些地址可對(duì)SJA1000執(zhí)行相應(yīng)的讀/寫(xiě)操作。SJA1000的/RD、/WR、ALE分別與89C51的對(duì)應(yīng)引腳相連，/INT與89C51的/INT1相連，89C51也可通過(guò)中斷方式訪問(wèn)SJA1000。</p><p>　　為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0并不是

105、直接與82C250相連，這樣就很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。不過(guò)，應(yīng)該說(shuō)明的一點(diǎn)是，光耦部分電路所采用的兩個(gè)電源Vcc和Vdd必須完全隔離，否則采取光耦就失去了意義。電源的隔離可采用小功率電源隔離模塊或帶多5V隔離輸出的開(kāi)關(guān)電源模塊實(shí)現(xiàn)。這些部分雖然增加了接口電路的復(fù)雜性，但是卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。</p><p>　　82C250與CAN總線的接口部分也采用了一定的安全和抗干擾措施。82C

106、250的CANH和CANL引腳各自通過(guò)一個(gè)5歐的電阻與CAN總線相連，電阻可起一定的限流作用，保護(hù)82C250免受過(guò)電流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30pF的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。另外，在兩根CAN總線輸入端與地之間分別接了一個(gè)防雷擊管，當(dāng)兩輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時(shí)，通過(guò)防雷擊管的放電可起到一定的保護(hù)作用。82C250的Rs腳上接有一個(gè)斜率電阻，電阻大小可根據(jù)通信速度適當(dāng)調(diào)整，

107、一般在16～140K歐之間。</p><p>　　5.7.3芯片SJA1000介紹</p><p>　　SJA1000是一種獨(dú)立的CAN控制器，主要用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。它是Philips半導(dǎo)體公司PCA82C200CAN的替代產(chǎn)品，而且它增加了一種新的操作模式—PeliCAN，這種模式具有很多新特性的CAN2.0B協(xié)議[2]。</p><p>

108、;<b>　　1.基本特性:</b></p><p>　　和PCA82C200 獨(dú)立CAN 控制器引腳兼容</p><p>　　和PCA82C200 獨(dú)立CAN 控制器電氣兼容</p><p>　　PCA82C200 模式即默認(rèn)的BasicCAN 模式</p><p>　　擴(kuò)展的接收緩沖器64 字節(jié)先進(jìn)先出FIFO<

109、;/p><p>　　和CAN2.0B 協(xié)議兼容PCA82C200 兼容模式中的無(wú)源擴(kuò)展幀</p><p>　　同時(shí)支持11 位和29 位識(shí)別碼</p><p>　　位速率可達(dá)1Mbits/s</p><p>　　PeliCAN 模式擴(kuò)展功能</p><p>　　--可讀/寫(xiě)訪問(wèn)的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器</p><p

110、>　　--可編程的錯(cuò)誤報(bào)警限制</p><p>　　--最近一次錯(cuò)誤代碼寄存器</p><p>　　--對(duì)每一個(gè)CAN 總線錯(cuò)誤的中斷</p><p>　　--具體控制位控制的仲裁丟失中斷</p><p><b>　　--單次發(fā)送無(wú)重發(fā)</b></p><p>　　--只聽(tīng)模式無(wú)確認(rèn)無(wú)活動(dòng)的

111、出錯(cuò)標(biāo)志</p><p>　　--支持熱插拔軟件位速率檢測(cè)</p><p>　　--驗(yàn)收濾波器擴(kuò)展4 字節(jié)代碼4 字節(jié)屏蔽</p><p>　　--自身信息接收自接收請(qǐng)求</p><p>　　24MHz 時(shí)鐘頻率</p><p>　　對(duì)不同微處理器的接口</p><p>　　可編程的CAN 輸出