温度主控机电路设计

对于本系统来说,主要包含了以下几个模块,单片机控制电路、数据存储电路、数据接收电路、显示电路、报警电路等等。该系统放置于地面上,采集器采集的温度由485连接传送到主控机上,再由主控机把历史数据发送到上位机以便观测。主控机已设置好电缆接头所能承

       对于本系统来说,主要包含了以下几个模块,单片机控制电路、数据存储电路、数据接收电路、显示电路、报警电路等等。该系统放置于地面上,采集器采集的温度由485连接传送到主控机上,再由主控机把历史数据发送到上位机以便观测。主控机已设置好电缆接头所能承受的最高温度和最低温度,若有工作人员检查电缆接头温度,可通过显示模块观察电缆接头的实时温度,如果接头温度超过所设置的最高温度值系统将会报警并闪灯。

1单片机的选用

方案1:
       拟采用CPLD控制器,该控制器属于高端控制器,它能够实现各 种复杂的逻辑计算,并且计算速度快,而且还可以实现大规模程序的编写,具有较高的使用性能。另外该控制器的稳定性强,并且外设较多,可以实现多功能的设计。但是该控制器的成本较高,对于本系统来讲,没有必要使用这么高端的控制器,所以不适用本方案。
方案2:
       采用的主控制器是STC89C52,该控制器的外设能够满足该系统的各功能设计,并且在速度和成本方面也能满足我们的使用要求。该控制器在使用的过程中,具有设计简单、控制方便等优点。另外对STC89C52的控制,我们可以采用位寻址等方式,内部空间可达8K,能够满足该系统的设计,并且程序编写较为方便。从成本方面来看,该控制器价格低廉,要远远低于CPLD控制器。
所以选择方案二,图片可详见图3.2

2按键电路设计

方案1:
       使用单独按键,控制器的引脚分别控制各个按键。对于本系统来说,需要通过2个按键来设定相应的温度上限极限值,1个按键来进行数据的清零和复位,还需要一个按键进行功能的选择和设定,共计4个按键,即消耗控制器的4个接口。
方案2:
        使用矩阵键盘,常用的矩阵键盘就是4*4的键盘,它能实现的功能较多,但是需要占据控制器的8个IO口,对于本系统来说,暂时用不到这么多功能,所以排除该方案。
根据实际功能要求,选定方案1.
 温度主控机电路设计
图3.10 按键电路
 

3显示电路设计

方案1:
       使用数码管显示,数码管显示主要的优点就是成本低,并且控制操作简单,但是用户的体验性较差。
方案 2:
       采用彩色LCD液晶进行显示。彩色LCD由于其像素高,显示内容清晰丰富、,显示信息量大,使用方便等得到了广泛的应用。但是LCD液晶屏的成本要较数码管高,对于本设计来说,没有必要显示这么复杂的内容,所以不使用该方案。
综上所述我们选择方案1。

4 显示电路设计

       对于本设计来说,选用的4位的数码管,具体的电路图见图3-13所示。从电路图中我们可以看出,通过4个普通的IO口来进行不同数码管的使能,就可以实现该数码管的显示,称之为键位选。对于不同键位选的打开和关断来说,要求中间的间隔不得高于20毫秒,根据人类的视觉效应,就会感觉是同时显示或者同时灭掉的。
数码管显示驱动电路
       该数码管驱动电路是使用的pnp的三极管,具体的型号是8550,该三极管在控制的过程中可以实现低电压大电流的控制方式。不仅简单,而且价格便宜。

5报警电路设计

       现在常用的报警电路一般是通过蜂鸣器来实现的,常用的蜂鸣器是有源蜂鸣器,它在工作状态下需要添加一定的直流电压。现在有源蜂鸣器的使用场合非常广泛,比如说复印机、豆浆机、定时器等等。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”(旧标准用“FM”、“ZZG”、“LB”、“JD”等)表示。
       在该电路中还使用了发光二极管,从视觉上告诉人们该功能是否实现。但外部有信号输入时,三极管Q5会导通,从而使led点亮,并且蜂鸣器也会发出相应的声响,该电路主要实现的报警功能,包括高低温报警和设定温度报警,具体的电路图见图3.14所示。
温度主控机电路设计
图3.14报警原理图
 

6 外扩存储器设计

       通过放置的采集器将每天所采得的各个时间段内电缆接头的温度数据,再发送到主控机上存储,电力巡检人员因众多因素,不能够随时的检测当前的状态,对于过去状态就无法充分了解。所以想要实现历史数据的掌控,就需要添加相应的存储器,将历史数据存入其中。其中的数据存储情况会极大的影响到巡检的频率。在实际工作情况下,电缆接头的故障频率使很低的,通过是几个月,因此不需要频繁的进行采集。对于存储器来说,主要的参数就是存储量了,对于本系统来说,如果选用的存储器容量偏小的话,一段时间以后就会存满,在之后就不能了解监测状态,如果选择的偏大,就会造成存储空间的冗余,增加成本。综合上述考虑,本文选择了AT24C256作为数据存储单元的核心芯片。该芯片在实际工作过程中,具有功耗低,存储空间大的优点。对于本系统来说,如果每小时采集一次,将采集的时间和内容均存入到芯片中,可以实现数月的存储。综上所述,选用AT24C256作为其中一片数据存储。
(1)

 
 
 
 
 
 
 
AT24C256
温度主控机电路设计的基本特点
可在低电压下工作,电压范围可选择一。
该芯片的内部设有施密特触发电路和相应的滤波器,能够大大降低系统的噪声。
传输速率可达到1M(5V),400K(2.7V,2.5V),100K(2.8V)
可以实现数据的写保护,包括硬件和软件两方面。
存储器的存储模式为页只字节只比特,支持对页整体写操作。
可刷写次数高达数百万次,并且数据的存储时间高达40年。
宽温度工作范围,-55度到125度

 
温度主控机电路设计(2)低功耗特性
该芯片可以工作在待机状态,该状态下可以大大降低系统的功耗。当存储芯片接收数据完成之后,并且所有的操作也完成之后,就会自动转成等待模式,其工作电压自动变成1.8伏,待机电流仅为0.2μA,VCC为3.6V时为为0.2μA。频率为400K的前提下VCC为5.0V时,读操作电流值仅1.0mA,写操作为2.0mA。
(3)引脚功能说明图
 

引脚名称 功能
A1、A0 地址选择引脚
SDA 串行数据端口
SCL 串行时钟端口
WP 写保护端口
NC 无连接空引脚
GND 接地端

       A1和A0两个引脚主要是用来进行地址的选择和区分,当挂有多个该芯片时,需要对这两个引脚进行相应的设置,如果只用一个芯片时,这两个引脚都接“0”就可以了。
       WP引脚是用来进行写保护的,它属于低电平选通,即输入低电平(接地)时,可以进行读写操作;如果接高电平(接电源)时,可以读数据,但是禁止写操作。
       NC引脚不接东西。
(4)接口电路设计
       SDA、SDL以及写保护端口WP分别于一P2.5~P2.7I/O口连接,并都带有上拉电阻。Stc89c52通过端口P2.7来控制的写保护开关。如果说    P2.7设定为输入IO时,WP引脚会因为上拉电阻的存在,而为高电平,从而进行写入。当需要写入的时候,将P2.7端口设置为输出状态,输出低电平,使WP引脚电位变成“0'',消耗电流约为0.3mA,写入结束后,P2.7重新变为输入状态,对AT24C256进行写保护。

7无线传输电路设计

外部的温度传感器将采集到的数据通过相应的传输方式传到STC89C52中,它会对数据进行简单的处理,然后传至主控单片机,根据主控单片机的操作,会进行相应的数据存储和数据显示,最后通过相应的无线模块传到上位机。因为电缆分布广泛,而我们工作人员所工作的机房会与电缆相距较远,所以无线传输模块的选择尤为重要。需要传输距离远且精度高的无线传输模块,因此选用APC230无线传输模块。
本文的无线传输模块采用APC230-43模块,APC230模块拥有传输距离长,可达1800米,体积小,使用方便,传输效率高等优点。在不用编写任何复杂设置与传输程序的前提下,可任意传输大小不同的数据,因此可广泛应用于不同领域
 
 

 
 
特点
 
 
 
 
 
 
特点
 
 
 
温度主控机电路设计 
 
 


应用
1800米传输距离(9600bps)
支持频率433MHz, 470MHz
最大100mW发射功率(可设置)
接收灵敏度-121dBm@1Kbps
调制方式GFSK
射频芯片ANALOG DEVICE ADF7020-1 RFIC
采用UART/TTL接口, RS232, RS485可选
可以设置多个频道,并且具有256字节的缓冲区
工作电压3.4 -5.5V
电流消耗 32mA(接收), 95mA(发射), 5.0uA(待机)
内置看门狗
尺寸 39.5*18.3*7.0(mm)
各种替代有线RS485, RS232的应用场合
远传智能电表无线抄表
工业自动化控制、遥控、遥测、数据采集
矿山、石油设备无线控制
工业自动化控制、数据采集
电气监控、补偿系统等
温度监控、环境监控、气象监控、节能监测

  

8 多串口扩展器设计

       本系统中主控机需要与采集器通过RS485通信,也需要与上位机通过无线传输模块APC230-43通信,而我们在主控机部分所选用的单片机STC89C52只有一组RXD和TXD,所以本文需要安装一个多串口扩展器,对于本设计来说,采用的芯片是SP2338DP。
       SP2338DP芯片具有低功耗的优点,并且可是扩展成3个相应的串口,满足系统的需要。该器件的主要特性如下:
       1.可将1个UART串口扩展为3个UART串口。
       2.工作方式是全双工异步。
       3.传输速率高,一般情况下传输速率范围为1200b/s到9600b/s,并且我们可以使用不同的晶振,从而得出不同的波特率。
       4.操作简单,尤其是波特率的设定,人工修改即可。
       5.波特率准确,误差不高于0.25%。
       6.传输数据准确,误码率低。
       7.功耗低。
       8.每个串口之间都能够自唤醒。
      9.每个串口的波特率范围都比较宽。
      10.宽工作电源电压:2.4-5.5V
 
 
温度主控机电路设计
图3.17 SP2338DP引脚排列图
 
 
引脚功能介绍
 

表1 SP2338 DIP引脚功能  
 
名称 编号 类型 描述  
ADRI0 18 I 串口3接收数据报址线0  
ADRI1 17 I 串口3接收数据报址线1  
ADRIO0 1 O 串口3接收数据报址线0  
ADRIO1 2 O 串口3接收数据报址线1  
RX0 8 I 串口0数据接收  
TX0 9 O 串口0数据发送  
RX1 11 I 串口1数据接收  
TX1 10 O 串口1数据发送  
RX2 13 I 串口2数据接收  
TX2 12 O 串口2数据发送  
RX3 6 I 串口3数据接收  
温度主控机电路设计RX3 7 O 串口3数据发送  
OSC1 16 I 时钟输入  
OSC0 15 O 时钟输出  
VCC 3.4.14   正电源  
GND 5    

 

上位机单元设计

       对于本系统来说,主要是通过相应的传感器的采集,并且上传至控制器中,然后通过无线传输上传至上位机。上位机无线模块接收端接收数据后,通过 MAX232 芯片完成与主机的相接。MAX232 芯片将接收到的数据送至主机进行数据存储,并用界面显示,方便工作人员随时观察电缆接头温度是否异常。

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