高压开关柜测温系统设计

1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，20032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.....................................................................................................6四、原理图..................................................................................................................................43一、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uSOP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3～5.5V；（2）温度数字量转换时间200ms（典型值）；（3）测温范围-55℃～+125℃（-67～257°F），适合高压开关柜测温；（4）测量结果以9～12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DS18B20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4作，本系统的主控单元电路如图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。5图3：DS18B20接线图2.3无线通信模块设计本系统采用的nRF24L01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nRF24L01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0dBm，当误码率为0.1%，1Mbps速率传输数据时，最大接收灵敏度为-85dBm，下面计算该电路在自由空间传播无线信号的距离。6本文选用SiGe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22.5dBm，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，nRF24L01的功率放大引脚VDD_PA根据发送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nRF24L01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，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，nRF24L01接收无线信号。7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D