电机过热保护器设计范文

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第1章绪论

1.1课题来源

沈阳某电机厂研制节能电机，为了用事实证明其电机节能，承诺客户试用该电机一段时间(比如三个月)，客户可将这段时间节省的电费作为购买电机的费用。试用期到期后，电机的所有权归客户。但为了防止某些信用度较差的客户在试用电机节电后，不给电机公司任何报酬且不归还电机，所以有必要实现时间锁定和密码保护功能。试用时间到期后，电机将跳闸，并且显示跳闸的原因（例如定义显示数字1为超过设定时间），同时提供声光报警。如果该客户要继续使用该电机，则必须向电机生产厂家索取密码，此时厂家就可以按合同规定索要自己应得的报酬。如果客户履行合同，那么电机生产厂家可以重新设定到期时间。手动按键复位后，电机可以继续正常使用。

电机制造业的发展历史己有近百年，随着电机制造工业的发展，电机的单机容量不断增大，技术指标要求普遍提高。电机运行时产生的单位体积损耗的增长，引起电机各部分的温度升高，进而直接影响到电机的寿命和运行可靠性。电机各部分的温度成为电机设计和运行中重要的性能指标之一。为了检查电机性能是否合格，保证电机正常运转，必须准确测定电机额定运行时各部分的温度。在新的国家标准中，详细规定了不同绝缘等级的电机绕组对应的不同的绕组温度。超过此规定温度，电机寿命将会受到影响，甚至造成电机烧毁。电机设计中，既要提高电机的各项技术性能指标，又要降低电机的原材料费用、成本，提高加工工艺以减少成本支出，电机温升是否符合国家标准就成为主要矛盾之一。因此，准确的估算并检测电机的温升，不仅可以保证电机的安全运行，而且对提高电机的使用寿命、节约原材料和电能，以及实现自动化设计都有重要的现实意义[1]。所以，该电机生产厂家同时提出了电机温度保护的功能，如果电机温度过高，则实现电机停转，以保护电机，将损失降到最小。

根据用户的要求，我们进行了大量的相关资料的查阅，已经实现了温度采集的功能，但是对于传感器的安放以及设计是否合理，没有理论的根据。由此开展了一系列的工作。进行了相关的资料搜索，发现相关课题有很多学者在研究，也为该课题进一步的研究打下理论基础。

1.2国内外的研究历史与现状

通常电机的容量越大，其工作效率越高，但相应的电机发热量也迅速增加[2]。电机的温升在一定程度上决定了电机的容量。

对于电机发热和冷却问题,可从两方面加以解决:

一、选用耐温较高的绝缘材料；

二、合理使用冷却方式，提高电机的冷却效果，使电机不超过规定的温升极限。当前，Y型异步电机已使用F级绝缘材料，而绝缘等级更高的C级绝缘材料也在研制当中。电机冷却技术业已取得了极大的发展，对中小型电机而言，还是以风扇强迫空气流动以冷却电机；对大型电机，其冷却方式随电机的容量、转速、电压等级等技术条件的不同而不同，它基本上都是由生产实践逐步积累形成的[2]。

近年来，由于新材料、新工艺的使用和电机冷却技术的发展，促进了大型发电机和电动机的单机容量逐渐增大，但同时使电机运行时产生的单位体积损耗增加，引起电机各部分温度升高，这直接影响到电机的安全。因此，准确的温升计算不仅是制造厂家多年来寻求的目标，也是电机运行部门关注的主要问题之一。

1.2.1电机的主要热计算方法

（1）简化公式法

简化公式法是电机制造厂设计时常用的一种方法。首先，计算出各部分的热负载，再通过牛顿散热公式:(为散热系数)得到相应的温升。此法计算简单方便，因此易于被工厂接受，但计算精度较差，只能计算出电机的平均温升，不能满足日益提高的设计工作的需要。

（2）等效热路法

等效热路法是根据传热学和电路理论来形成等效热路，热路图中的热源为绕组的铜损耗(槽部、端部)，铁损耗(齿部、轭部)，这些损耗所在部件在计算时认为是均质的。损耗热量通过各种相应的热阻，由热源向冷却介质传递，形成一个复杂的热网络。采用电路网络中基尔霍夫定律来列出全部热平衡方程，然后用求解线性电路的方法，计算电机各有效部分的平均温升。此方法计算精度比简化公式法高，能够得到电机总体温升和平均温升。如果要提高计算精度，必须增加网络节点和热阻数，但这使工作量大大增加，失去其计算工作量小等优点。

等效热路法有一些基本假设，通过这些假设可以把成熟的电路理论用在等效热路中。这些假设是:所分布的真实热源和热阻被少量的集中热源和等值热阻所代替，并假定后两者不取决于热流的大小。这样，就能将等效热路法用于线性热回路，并采用普通的代替法进行求解。

目前国内外很多文献仍采用热网络计算大型电机温升。早在1955年，美国AIEE即发表Rosenberry采用热路法的一篇有关“铸铝笼型感应电动机的瞬态起动温升”论文。1986年和1987年，电力科学院李德基等人采用该方法分别计算了汽轮发电机绕组间接冷却转子和定子槽部三维温度场[3][4]。1987年日本学者H.Ohishi等人利用具有700个节点的网络模型分析了具有单匝线圈的旋转电机中定子线圈股线中的温度分布[5]。1988年李德基等人研究了绝缘老化对定子温升的影响[5]。1989年湖南大学方日杰等人也利用上述方法计算了两台大型水轮发电机额定运行时的定子三维温度场[7]。1995年北京计算中心的曹国宣分析了采用气隙取气斜流冷却方式的氢内冷汽轮发电机局部风路堵塞时的转子温度场[8]。1998年华中理工大学武卫东等人采用等效热路法计算了一台大型水轮发电机，并利用曲线拟合技术对计算结果进行了可视化处理[9]。

热路法的运用不只是消极地核算所设计的电机的温升、温度分布，更重要的是设计时能够利用这一方法，从温升的角度来寻求最佳的经济效益指标，同时通过改变个别热阻，还可以寻找电机局部温升和总的平均温升的规律。

（3）温度场法

由于电机单机容量的不断增大以及电磁负荷的不断提高，要求对电机各部分的温升进行较精确的计算，尤其需要准确的指出各部分的最高温升及其出现的位置。而电子计算机的广泛应用，为人们从场的角度研究计算电机的温升提供了工具。温度场法就是用现代数值方法来求解热传导方程，也就是将求解区域离散成许多小单元，在每个单元中建立方程，再对总体方程组进行求解。由此可见，温度场法将研究对象从宏观转向微观，从总体转到局部单元上来，求得每一点的温度和温升，于是在整个计算区域中的每个局部单元都能获得可靠的计算数据，从而，更加准确、合理地指导电机的设计工作。这种方法是由E.阿罗尔德率先提出来的，后又经P.李克杰尔和O.波姆进一步研究过。1974年，A.И.鲍里先科等人合作出版了《电机中的空气动力学和热传递》一书，给出了用电子计算机求解温度场的一些方法和实例。求解温度场的常用方法有:有限差分法和有限元法。

①有限差分法

有限差分法就是用差分来近似代替微分，把求解域内的偏微分方程和有关的边界条件，化成适用于区域内部和边界上各个节点处的差分方程组，然后用古典方法或计算机来求解联立的差分方程组。

1989年电力科学研究院的李德基等人采用有限差分法对汽轮发电机转子在过电流和突加额定转子电流下的暂态三维温度场进行了计算[10]；1990年哈尔滨大电机研究所范永达等用有限差分法计算了氢冷情况下大型汽轮发电机转子绕组温度场[11]；1991年上海交大的向隆万等人计算了汽轮发电机氢内冷副槽转子三维温度场，并研究了通风孔道阻塞、换热系数、表面损耗等对温度场的影响[12]。1993年北京计算中心曹国宣用有限差分法计算了水内冷汽轮发电机转子温度场[13]。

但该方法不足之处是，由于采用的是直交网格，因此它较难适应区域形状的任意性，而且区分不出场函数在区域中轻重缓急之差异，对于复杂的二类边界条件及内部介质界面的处理比较困难，宜于求解边界比较规则的电机温度场问题。

②有限元法

有限元法是一种常用的数值计算方法，R.Courant于1943年首先提出，上世纪50年代由航空结构工程师们所发展，随后逐渐波及到土木结构工程，到了上世纪60年代，在一切连续领域，都愈来愈广泛的得到应用。我国冯康教授和西方科学家各自独立奠定了有限元方法的数学基础。它是把求解域剖分成许多个单元，组成离散化模型，再用各个单元节点上的数值解去逼近连续场的真实解，它是一种离散化模型的数值解。它与差分法相比，具有剖分灵活(可以用任意形状的网格分割区域，还可以根据场函数的需要疏密有致地、自如地布置节点)，对于复杂的几何形状，边界条件、不均匀的材料特性、场梯度变化较大的场合，都能灵活地加以考虑，通用性强。故用有限元求解温度场，可以求出场域内各点的温度值，从而更准确地描述整个求解域内温度的分布。

1976年，Armor等人采用标量位的有限元法计算了大型汽轮发电机定子铁芯的三维温度场，对电机内温度场的计算做出了开创性的工作，但他忽略了定子铁心与绕组间的热传递。1984年，河北工学院的颜威利和孟庆龙分别用有限元法对起重电磁铁的温度场进行了计算[15]；1986年，李德基等人对大型发电机定子绕组槽部温度场进行了计算。1988年，苏联的A.B.帕什科夫斯基用综合有限元法研究了电机的温度场[16]。河北工学院的王赞明等人用四面体单元有限元法对起重电磁铁中的三维温度场和电磁场进行了计算；1990年，苏联的B.N.雅科夫斯基等人研究了水轮发电机定子端部的损耗和发热，但只是总体的论述，没有进行具体计算[17]；上海交通大学杨美伦、张景铸采用四面体单元有限元法对300MW汽轮发电机副槽通风氢内冷转子槽部温度场进行了计算[18]；华中理工大学辜承林等人采用有限元法求解了SFS7-20000/110电力变压器铁芯温度场，并对磁密、油流速度、特征尺寸、油温等影响铁芯温升的因素进行了数值模拟研究[19]。1991年，北京重型电机厂的裴远航用三维有限元法计算了汽轮发电机定子线圈的温升分布，推导了损耗、通风和表面散热系数[20]；Rkobacb等人采用有限元法计算了罗古斯克水电站水轮发电机转子阻尼条和磁极压板瞬态温度场[21]。1992年宁波大学的岑理章在Armor所进行的计算的基础上，考虑了定子铁心与绕组间的热交换，用正三棱柱单元有限元法分析计算了QFS-300-2型双水内冷汽轮发电机定子铁心三维温度场[22]。汤蕴珍、张大为用有限元法对水轮发电机定子最热段的三维温度场进行了计算[23]；日本的学者S.Doi等人用流体可视化结果对大型汽轮发电机定子铁心端部进行了三维热分析，用实验方式确定了其通风状况与表面散热系数[24]。采用有限元法对提高电机设计中的各项性能具有重要意义。1998年东南大学黄学良等人提出了一种新的基于拱形体单元的计算电机温度场的有限元模型，并利用该模型计算了SF125-96/1560型发电机的铁芯温度场，该方法适合于具有圆柱体结构区域的温度场问题[25]。1997-2000年哈尔滨理工大学的孔祥春、李伟力等人采用直三棱柱单元有限元法对水轮发电机定子最热段三维温度场进行了深入的研究，同时采用平面三角元结合流体相似理论对一台俄罗斯电力问题研究所生产的200MW、2极汽轮发电机径切两向空冷系统转子二维温度场进行了计算。2000年，哈尔滨电机厂的李广德等人采用六面体等参元计算了水轮发电机半齿、半槽、半轴向长度的定子三维温度场[26]；哈尔滨大电机研究所的鲁长彬等人利用三维CAD与有限元分析软件相结合的方法，计算了大型水轮发电机水内冷定子绕组及铁心的三维温度分布[27]；哈尔滨理工大学的温嘉斌等人采用六面体等参元对大型水轮发电机转子三维温度场及其通风系统进行了综合计算研究。近些年来，随着数值计算方法的发展，一些新的分析方法也被引入到电机温度场的计算领域，例如边界元法[26]、小波—伽辽金有限元法[29]等。但这些方法或者由于算法程序不易实现，或者因为计算精度的高低尚缺乏实证，应用还不普遍。目前在电机温度场计算领域应用最广的还是有限元法。

通过上述发现，现在对电机的发热计算已经达到了一个比较完善的程度，但是这些计算都涉及到很多的专业知识，所以我们研究的目的是为一些对电机知识不多的用户，开发出一种更为简单的电机测温方法，实现智能保护的功能，针对此进行了一系列的工作。

1.3本文所做的工作的内容

第一章概述课题的来源及实际意义，以及电机温度国内外现状及发展方向，提出研究一种易于实现的简易可靠的温度保护器,对电机的温度进行实时测量。

第二章对电机温升、温升限度等概念进行了阐述，对电机的测温方法进行分析与比较。

第三章进行硬件设计，采用AT89S52单片机进行数据采集、处理、传输,定时芯片DS1302进行显示时间与定时控制，显示芯片HD7279显示时间及跳闸原因，选用串行通信总线接口RS-232标准接口，来实现单片机与PC机双向通信的功能，通过上位机发送定时时间和报警时间。

第四章进行软件的设计，分别用C语言编程及VB编程，经过调试后，系统可以正常运行，可以对电机使用时间进行限制，能采集电机表面温度，初步达到预期的目的。

第五章利用所做的硬件进行一系列的实验，记录实验数据。对所得的实验数据用数据融合技术进行分析，对该保护器存在的前景进行展望。

第2章电动机的硬件设计原理

2.1电机的基本概念

（1）温升某一点的温度与参考（或基准）温度之差称温升。也可以称某一点温度与参考温度之差。

（2）电机温升电机某部件与周围介质温度之差，称电机该部件的温升。

（3）电机的温升限度电机在额定负载下长期运行达到热稳定状态时，电机各部件温升的允许极限，称温升限度。电机温升限度，在国家标准GB755-87中作了明确规定。

在电机中一般都采用温升作为衡量电机发热标志，因为电机的功率是与一定温升相对应的。因此，只有确定了温升限度才能使电机的额定功率获得确切的意义。

2.2电机温度的测量[30]

电机的各部分温度，如机壳温度，铁心温度，轴承温度，绕组温度不仅表示电机的发热状态，而且与电机的寿命相关。一般认为，绕组温度每增加8~10ºC，绕组寿命会缩短一半，所以制造厂和用户都很重视电机温度的测量。

电机的温升测量方法根据GB755-87的规定有四种：温度计法、电阻法、埋置检温计法和叠加法（双桥对电测温法）。此外，目前国内正在研制的有无线电测温，红外线测温和温度指示器等等。

(1)温度计法

温度计包括膨胀式温度计（如水银温度计，酒精温度计等）、半导体温度计以及非埋置的热电偶或电阻温度计。

温度计法测量温度是将温度计贴附于电机上可触及的表面，所测量的是被测点的表面温度，即其贴附点温度。在电机中，任何部位的表面与其内部温度是不同的。因此温度计法仅在无法用其它方法测量电机内部温度或平均温度时才采用。测量时，温度计的球部或测温部分应紧贴被测点表面。保证二者有良好的热传导。为了减少热量逸散，温度计球部中凡不与被测点接触的部分可用棉絮或者油灰等绝缘材料覆盖，但覆盖面不能过大，以免影响正常的通风或绕组散热。用半导体温度计时，应特别注意保护测试笔笔尖处的微型电阻，测量时应轻轻接触被测物体，以免损坏感温元件。每只温度计都配有专用测试笔，不能互换。在有交流磁场的部件，不能采用水银温度计，因为在水银中可感应涡流，使水银发热，从而使温度计读数偏高。

一般温度计大都按1ºC来刻度，在大多数情况下，对于测量电机表面温度精度已完全足够，但在要求特别准确时，可采用刻度为0.1~0.2ºC的温度计。

对于电机定子铁心，机壳和轴承座等部位，不能采用电阻法测量，可采用温度计法进行测量。

对于低电阻的换向极绕组和补偿绕组，以及一般属于低电阻范围。如旋转或静止的单层绕组，特别是接触电阻在整个电阻中占很大比例的绕组，用电阻法测量有困难或不能准确测量，且埋置温度计也无法准确测量时,应采用温度计法。

此外，诸如电机的进风口和出风口的冷却空气或冷却液体如水及润滑油等，还有其它摩擦零件如换向器，集电环等，也必须用温度计法测量。

对电机各部位的温度测量除换向器，集电环应在电机停止转动后立即用温度计测量其表面温度处，其他如定子铁心，轴承等应在温升实验过程中用温度计或埋置检温计进行测量。

(2)电阻法

这个方法是根据绕组的电阻随其温度变化而变的关系来确定绕组的温度。若在冷态的温度（）时的电阻为,而温度达到时电阻为，则由下式计算:

（2-1）

经过推导得：

（2-2）

式中为电阻的温度系数，即温度每增加1ºC时单位电阻的增加值。它在一个较大的范围内可认为是常数。由式(2-2)可知电阻的增加与温度的增加成线性关系，并可画成如图2.1所示的关系曲线。

图2.1电阻与温度的关系曲线

在该图中，延长直线与并与横轴交于K点，则由三角形的比例关系可得:

（2-3）

对于不同的金属材料,其电阻温度系数值也不同,这也就改变了图中直线的斜率和值。

对于铜：取235,在美国标准中,取234.5。

对于铝：取225。

这样对于铜绕组，则式（2-3）可改写成：

（2-4）

由此可得:

（2-5）

在此式中,、两个相除的数值较为接近，为了提高计算的准确度，则可将式（2-5）转化成下式：

（2-6）

这样，铜绕组的温升将为：

（2-7）

——试验结束时冷却介质的温度（ºC）

电阻法的特点是它给出绕组的平均温度，电阻法是考核电机绕组温升的一种主要方法。但是应指出，电阻法无法将绕组中最高或最低温度值测出来。对于由直流馈电的静止绕组，如直流电机的电枢绕组,通常在实验结束停机后才能测量绕组的电阻。由于停机需有一过程,在这段时间内,将引起绕组温度的变化,在多数情况下,温度将下降。GB755-87规定:当电机断电后,测得第一点电阻的时间超过规定期限,需用外推法将测得的绕组温度加以修正。

如果采用叠加法(又称双桥带电测量法),则测得的温度即为绕组在运行时的实际温度,因此不须做任何修正。应当指出，用电阻法测定绕组温度时，必须用同一仪表，同一量程在绕组的同一相上测量冷态和热态电阻。用电压表、电流表测量电阻时还应当使测量电流基本相同，以保证较准确的测量结果。

（3）埋置温度计法

埋置温度计法是将热电偶或电阻温度计在电机制造过程中安置于制成后达到或预计温度为最高的部位。此法主要用于测量交流定子绕组，铁心及结构件的温度。

采用这种方法要求在电机的绕组层间至少埋置六个检温计，且沿着圆周均匀地分布。检温元件应尽可能做的尺寸小，在保证安全的前提下（如热电偶元件要有可靠的绝缘）应尽量放在绕组中最热部位。有些检温计用于运行时测量温度，有些用于试验时测量温度。如果仅用于试验时测量温度，那么试验后，可将这些检温元件的引出线切去且进行可靠绝缘。

检温计的埋置部位要根据每槽的有效元件（线圈）边数来确定。如每槽有两个线圈边，检温计应埋置于槽内两个线圈边之间。如每槽只有一个线圈边，检温计应埋置于槽楔和绕组绝缘外层预计为最热处之间，在这种情况下，一般不以埋置检温计法的测量数据作为考核温升的依据。如将检温计埋置于槽底，则其读数便是铁心温度。

用埋置检温计来测量电机旋转部件如直流电机电枢的温度，共有两种方法。一种是将检温计引线固定于旋转部件的接线板上，待停机后把它迅速接至相应的测量仪表。采用这种方法时，需外推修正至电源切断瞬间。另一种方法是将检温计通过集电环上的电刷移至测量仪表。这种测量方法的最大困难是要确保集电环与电刷可靠接触，电刷应有稳定的很小电阻。

每个检温计在埋入时应注意与被测点的表面紧密接触，并应有良好的保护措施，以免受到冷却空气的影响，否则不能真实地反映被测点的温度，测量埋入式电阻温度计的电阻时，应控制测量电流的大小及通电流的时间，使电阻值不因其本身的发热而有明显的影响。测量埋入式热电偶时，热电偶的热电势应用电位差计来测量。

（4）叠加法（双桥带电测量法）

本方法是利用双臂电桥原理，在电机正常运行时，带电测量交流定子绕组热态电阻；也可以在电机静止时不带电测量绕组的冷态电阻。按电阻法即可获得被测绕组在切离电源瞬间的温升，因此不需要外推法进行温度修正。这种方法分为低压和高压电机两种测量方法。

①低压电机带电测温法

此法适用于频率50Hz，电压400以下的0.6~100KW三相异步电动机和三相同步电机；特殊电机如交流换向器电机除外。被测电机的绕组必须具有六个出线端或者具有中性点向外引出的星形接法绕组。

②高压电机带电测温法

此法适用于测量星形接法或双星形接法电机的定子绕组。试验时，绕组的中心点应引出机外。测量在运行时的三相绕组的并联电阻值，将它与实际冷态下的三相并联电阻相比较，以此确定三相绕组的平均温升。

（5）无线电测量转子温度国内外对利用无线电测量法来测量电机转子温度已进行了不少研究。有的已在现场试验上取得了效果。此法优点可以用非接触方法连续测定电机转子某个部件的温度变化。

无线电测量的工作原理是利用预埋在转子中电阻测温元件（一般有铂热电阻元件、金属膜热敏电阻、半导体热敏电阻等）的阻值随着温度变化的关系得到电压信号，再经过电压频率转换，使其转换为频率，并通过高频载波后由无线电发射器将高频波发射出电机外部。以上这些部件都必须安装在转子上与转子一起旋转。在电机外部装有无线电接收器及数字显示装置，它将接收到的高频载波信号进行调谐、高频放大，检波变为低频信号，再经过放大、整形，然后输给计数器进行数字显示。

由于无线电测量装置必须安装在转子上，且体积较大，故一般仅在大型电机上为研究转子有关部位时的温度使用。

（6）红外测温

红外测温是利用物体表面辐射能对物体的温度进行测量。它也是一种非接触式测温装置。

对测量300ºC以下的转子表面温度，适宜采用部分辐射温度计。它通过滤光片及传感元件仅对物体辐射出来的某一波段范围发出的辐射能量进行测量。这样对外来光的干扰也限于这一被测波段，所以受干扰的影响比较小。

（7）温度指示器

温度指示器不直接测定电机温度，只能以一定的形式反映出电机某部位表面温度已经达到了某一数值。电机试验所采用的温度指示器有热敏颜料和易熔材料两种。

热敏材料是一种在不同温度下能显示不同颜色的材料。它又可以分为两种：一种是可逆的，在高温下它显示出一定颜色，而冷却后恢复到原来的颜色，另一种是不可逆的。电机温升实验再冷却后，颜料仍停留在温升实验时的颜色。电机试验多采用后者。热敏颜料一般做成粉笔形状，涂在转子表面，用来观察表面温度在温升试验中是否达到一定值。这种颜料的特点是可靠性差，因为颜色的改变不仅取决于温度，而且取决于受热的持续时间，当温度超过一定限值时，热敏笔开始变色，但有时温度还没达到预定温度，而由于持续时间较长，热敏笔同样也将缓慢地改变颜色，以致造成较大测量误差。

易熔材料较热敏颜料的可靠性为高，一般做成钮扣状，使用时将它粘附在被测物的表面，当达到预定温度后，它就熔化脱落。用它测量转子温度时，应选用合适的尺寸以保证在被熔化前不会被转子表面的离心力抛出。易熔材料的熔化温度随原材料的配合比例和材料纯度而异。

总的说来，以上两种温度指示器很少应用于电机的温度测量上，只是为了粗略估计转子的表面温度时才考虑它们的应用。

2.3本章小节

本章对电机的常用的概念进行了阐述，对目前的各种测温方法进行了比较，为下一步做进行硬件设计原理进行分析，其中限于当前的实验条件与电机生产厂家的要求，我们采用的是电机表面测温法。

第3章硬件设计

硬件部分是整个控制系统的基础，其性能的好坏对于系统的功能是否可以实现至关重要。除了工作性能以外，经济指标也是工业应用系统在设计过程中要考虑到的一个重要因素，尤其是在我国当前经济不发达的情况下，能够长期占据市场的将是那些高性价比的产品。本设计主要是对时间、温度进行检测，以此为核心展开工作。单片机构成的控制系统结构简单,工作稳定,加上采用成熟的集成电路，使系统几乎免维护,符合作为检测的工程要求,充分体现了其小型化、智能化的优点。考虑以上优点，本系统以单片机为核心来实现。

3.1硬件设计的原则[32]

单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：

系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。

系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。

系统的扩展和配置应遵循以下原则：

（1）尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。

（2）系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。

（3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。

（4）系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。

（5）可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。

（6）单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。

（7）尽量朝“单片”方向设计硬件系统。系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性。随着单片机片内集成的功能越来越强，真正的片上系统SoC已经可以实现。

3.2单片机系统设计

3.2.1单片机部分

将CPU、RAM、ROM、定时器/计数器以及输入/输出(I/0)接口电路等主要计算机部件集成在一块的集成电路芯片为单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)，直译为单片微机或单片机。但现在国际上通用的,更准确地反映单片机本质的叫法应该是微控制器（Microcontrol-MCU)。

关于如何选择单片机，从以下几个方面综合来考虑[31]：

1.单片机的基本参数，例如速度，程序存储器容量，I/O引脚数量。

2.单片机的增强功能，例如看门狗，双指针，双串口，RTC（实时时钟），EEPROM，扩展RAM，CAN接口，I2C接口，SPI接口，USB接口。

3.Flash和OTP（一次性可编程）相比较，最好是Flash。

4.封装DIP（双列直插），PLCC（PLCC有对应插座）还是贴片。DIP封装在做实验时会更方便一些。

5.工作温度范围，工业级还是商业级。如果设计户外产品，必须选用工业级。

6.功耗，比如设计并口加密狗，信号线取电只能提供几个mA,用PIC就是因为低功耗。

7.工作电压范围。例如设计电视机遥控器，2节干电池供电，至少应该能在1.8~3.6V电压范围内工作。

8.供货渠道畅通，价格低。

9.烧录器价格低，如果是ICP（把单片机放在烧录器上编程）能否利用现有的烧录器，如果是表贴封装，买一个转接座也很贵，至少得一二百元。能否ISP（在系统编程，即把芯片先焊到板子上再通过预留的ISP接口编程），一般ISP编程器比较便宜。

10.仿真器价格。对于FLASH型单片机，仿真器不是必备的。但是对于OTP（一次性可编程）型单片机，必须使用仿真器。

11.单片机编程环境方便好用，如keil。

12.网站速度快，资料丰富。包括芯片手册，应用指南，设计方案，范例程序。最好有中文，Atmel就非常好。

13.保密性能好。

14.抗干扰性能好。

15.和其他外设芯片放在一起工作的综合考虑。

将以上的十几条进行综合考虑，选定了现在比较流行的AT89S52。AT89S52是美国Atmel公司出品的一款低功耗、高性能的8位CMOS单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，不再依靠专用的编程工具，改写单片机存储器内的程序再也不需要把芯片从电路板上拆下。从引脚上可以看出它的P1.5、P1.6、P1.7比标准的8051多出一样复用功能，这三个引脚就是用来实现在系统编程(ISP)的SPI接口。Atmel公司的功能强大，低价位的AT89S52单片机可以提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

AT89S52提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作，直到下一个硬件复位。

AT89S52集成51的内核，编写程序、开发周期较快，市场价格约为6.5元,便宜且能满足我们功能要求。其原理图如下：

图3.1AT89S52原理图

3.2.2显示部分

在现代的一些电子产品和一些开发系统中,为了进行人机交流,一般都有一个显示信息的系统。本系统中，需要显示当前时间、温度、故障原因（例如定义“1”为时间到期、“2”为温度越限等）。本系统显示的信息量很小，所以采用发光二极管（LED，lightemittingdiode）做成的数码管做显示器。它的使用方法简单，价格低廉。

3.2.2.1数码管的分类

对于数码管来说一般分为两种，共阴极与共阳极，但是两者的使用方法基本是相同的。根据不同的方面，可将数码管进行分类[32]：

（1）根据LED的显示译码方式,可以分为硬件译码和软件译码两种；(即我们系统处理的数据一般都是BCD码或者是十六进制数,要显示的话必须变成数码管自身的段码,这种变换可以用软件的方法来直接实现,常用就是列一个段码的表,作为一个数组,用寻址等方法将数据变成段码,直接送给数码管。还可以用硬件来实现码的转换,一般都是将BCD码变成段码。)

（2）根据LED显示驱动连接方式,可以分为静态显示驱动和动态显示驱动两种。(静态显示就是每一个数码管都由一组数据线控制,所有的数码管都同时亮,而动态显示就是所有要显示的数码管依次循环逐个显示,只要频率足够高,肉眼就看不出闪烁,好像所有的同时显示一样。)

（3）根据数据输入接口方式,可以分为并行输入和串行输入两种。(数码管要显示必须要并行数据(一般为8位),控制系统可以直接输出8位并行的数据,也可以利用串行输出,再利用外部移位寄存器来实现串行变并行,最终将8位的数据输出给数码管。)

3.2.2.2芯片的选择

为了合理地选择芯片，我们将常用的芯片的异同点进行比较[33]，如表3.1所示

表3.1常用芯片异同点的比较

芯片名称功能描述数据输入方式可带数码管个数能否串接锁存功能驱动功能备注

CD4558BBCD-7段并行4位1个否无无

MC14558BCD-7段并行4位1个否无无

MC14495二进制-7段并行4位1个否有有能输出A-F

CD4495二进制-7段并行4位1个否有有能输出A-F

MC14499BCD-7段并行4位有有

74LS48BCD-7段并行4位1个否有无

CD4511BCD-7段并行4位1个否有有

CD4513BCD-7段并行4位1个否有有增加消隐功能

CD4547BCD-7段并行4位1个否无有

CD4543BCD-7段并行4位1个否有无

CD4544BCD-7段并行4位1个否有无

74LS164无译码功能串行1个能有有

CD4094无译码功能串行1个能有有

MC14489无译码功能串行5个否有有

8279无译码功能并行8位16/32个否是有带键盘,可编程

7279无译码功能串行16/32个否是有带键盘,可编程

7219无译码功能串行8个否是有可编程

ZLG7289无译码功能串行8个否是有带键盘,可编程

经过比较，选择HD7279A芯片。该芯片具有串行接口,可以同时驱动8位共阴极数码管和连接64键的键盘矩阵,单片机可以完成数码显示和键盘接口的全部功能,而且该芯片自带RC电路,无需外接时钟,与单片机的接口电路简单,只需四条I/O线。图3.1为HD7279的引脚图,各个引脚的说明见下表3.2

表3.2HD7279引脚说明

引脚名说明

CS片选输入端

CLK同步时钟输入端，上升沿有效

DATA串行数据输入/输出端

KEY按键有效输出端，电平有效

SG~SA段g~段a驱动输出

Dp小数点驱动输出

DIG0~7数码管0~7驱动输出

CLKO振荡输出

RCRC振荡器连接端

图3.2HD7279引脚图

本设计主要应用HD7279显示功能，选择8位数码管，其中4位显示故障的类型，另4位显示时钟芯片当前的时间或者是当前的温度，这需要根据是否有按键按下来进行显示。即上电的时候显示当前的温度，如果按下小键盘，则进行切换，显示当前的时间，再按下小键盘则显示当前温度。其原理图如下：

图3.3HD7279的原理图

3.2.3时间部分

该电机公司要求对电机的使用进行定时,到试用时间后自动跳闸,并显示跳闸的原因。可以根据系统的性能要求，从接口方式、功耗、精度和功能几方面入手选择时钟芯片。

接口方式

串行接口的实时时钟芯片一般尺寸较小、成本较低，但通信速率也较低，实时性要求不是很高的情况下可以选用此类芯片。本设计对时间的显示实时性要求不高，所以选用串行接口方式。这类芯片通常包括1-Wire（1线）接口、2线、3线、4线、I2C或SPI接口。

并行接口可实现存储器的快速访问并有较大的存储容量，这类时钟芯片适合于那些对成本和尺寸要求不是很苛刻的系统。

（2）功耗要求

电子产品对功耗的要求非常苛刻，尤其是电池供电的设备。为有效延长电池的使用寿命，实时时钟芯片追求更低的功耗，工作电流的典型值大都低于0.5μA，最低至0.15μA，最低计时工作电压普遍在1.4V以下。

（3）芯片尺寸

除了SOP、TSSOP等封装形式，一些芯片采用更小的封装，以节省电路板空间。

（4）时钟精度

为RTC电路提供时钟基准的一般是低成本的石英晶体。由于石英晶体具有机电敏感性和热敏感性，其输出频率并不稳定，在极端条件下会导致系统时钟每年走快或走慢长达100分钟。在许多对精度要求苛刻的应用中，通常需要优于±10分钟/年（或者±20ppm）的精度。为此，很多实时时钟芯片都内置有时钟调整功能，可以在很宽的范围内矫正石英的频率偏差。

（5）丰富的集成功能

可以参考系统所需的集成功能，例如闰年自动运算功能、万年历功能、内置时钟调整功能和稳压电路等对芯片进行选择。如果RTC芯片集成了丰富的功能，将有效简化电路设计，降低成本。

（6）软件

虽然硬件电路不是很复杂，但不同的实时时钟芯片在软件方面各不相同，选择时应该给予足够的重视。

定时模块在本次设计中很重要，从芯片的选择，到定时电路的设计，查阅了很多资料，以求达到定时准确，芯片低功耗，上位机控制方便。

DS1302定时芯片是美国Dallas公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片；是一个综合性能较好且价格便宜的串行接口实时时钟芯片，它包含一个实时时钟/日历和31字节的静态RAM，它和单片机通信经由一个简单的串行接口。实时时钟/日历提供秒、分、时、日、周、月、年信息，月末日期自动调整，包括闰年的修正。时钟可工作在24小时格式或12小时（AM/PM）格式，单片机与DS1302接口使用同步串行通信，仅需三根线连接。（1）复位，（2）I/O串行通讯，（3）SCLK串行时钟。数据传送从单片机到实时时钟/RAM或实时时钟/RAM到单片机，可以每次1字节或每次31字节，它可以工作在很低的耗电状态以保存时钟信息和数据，功耗小于1微瓦。

3.2.3.1DS1302的特征

DS1302的特征如下：

（1）31字节带后备电池的RAM用于数据存储；

（2）串行I/O口，引脚数量少；

（3）宽范围工作电压：2.0~5.5V；

（4）工作电压2.0V时，电流小于300nA；

（5）读/写时钟或RAM数据时有两种传送方式：单字节传送和突发模式传送；

（6）8脚DIP封装或其它可选封装；

（7）简单的3线接口；

（8）与TTL兼容（VCC=5V）；

（9）可选工业级温度范围：-40ºC~+85ºC。

DS1302具有一个可编程的涓流充电器，主电源和备用电源的双电源引脚，7个附加字节的暂存寄存器，包括移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟和RAM。原理图如下：

图3.4DS1302原理图

3.2.4测温部分

一般温度传感器有热敏电阻、RTD(电阻温度检测器)、热电偶等。热敏电阻长期受欢迎是因为它具有非常小的形状因数、低成本和高灵敏度。其不足之处是有限的温度范围以及缺乏业界标准，使得置换困难。热敏电阻也需要补偿电路来克服非线性度。RTD通常用于精度和稳定度要求高的场合，但成本是决定因素。热电偶用于监控极值温度是理想的，但精度和稳定度较差，而且必须非常精确地在控制条件下测试[34]。

由于IC技术的发展，设计人员可用数字温度传感器替代分立温度传感器。数字温度传感器具有价格低、高精度、适用微型封装、能工作在宽温度范围内等优点。在很多应用中，数字温度传感器正开始替代前面所述的传感器。几种温度传感器的性能比较见表

3.5所示。

表3.5几种主要温度传感器的比较

名称

特性RTD热敏电阻热电偶IC传感器

常用材料铂金属氧化物陶瓷两种不同的金属硅

变化参量电阻电阻电压电压

成本（相对）中等-低中等-低低低

系统成本（相对）中等-低中等-低高低

附加电路引线补偿线性化参考端无

温度范围-200ºC~850ºC-100ºC~500ºC-270ºC~1800ºC-55ºC~150ºC

交换能力0.06%~0.1%

0.3ºC~0.2ºC10%，2ºC

（典型值）0.5%，2ºC1%，3ºC

稳定度良好中等差中等

灵敏度0.39%/ºC-4%/ºC40V/ºC10mV/ºC

相对灵敏度中最高低中等

线性度良好对数性/差中等中等

斜率正负正正

噪声灵敏度低低高低

相对于模拟传感器，数字温度检测器完全是自己独立完成工作，不需要另外的电路用于信号调理或线性化。数字温度检测器可以直接连接到微控制器，节省了设计时间、PCB面积和成本。它们可以灵活地降低电流消耗，这对于电池供电的应用特别有用。用户也可以编程温度限制值(THIGH和TLOW)，以供报警需求。若超过编程限值，可产生中断，使微控制器进行操作。很多IC设计系统为了节省板大小和降低成本，把ADC和DAC集成在单芯片中。

3.2.4.1DS18B20简介

DS18B20是DALLAS半导体公司设计生产的单总线数字温度传感器，体积很小，而且电压适用范围在3~5.5V，封装形式除有SO/uSO的8PIN贴片式，还有更方便的三极管形式的TO－92封装。测量温度范围为-55°C~+125°C，其A/D转换的分辨率可用程序控制分别为9位、10位、11位和12位，最高分别率可以高达0.0625°C，但在-10~+85°C范围内其精度为±0.5°C。每个DS18B20出厂时都有一个唯一的序列编号，就是说在同一个单总线系统中可以控制多个DS18B20。

3.2.4.2DS18B20硬件组成

(1)64位激光ROM。64位激光ROM从高位到低位依次由8位CRC、48位列号和8位家族代码(28H)组成。

(2)温度灵敏元件。

(3)非易失性温度报警触发器TH与TL。可通过软件写入用户报警上下限值。

(4)配置寄存器。配置寄存器为中间结果暂存器中的字节4。配置寄存器可以设置DS18B20温度转换的精度。可以设置成精度为9位、10位、11位、12位。上电缺省的分辨率为12位精度。用户可根据需要改写配置寄存器以获得合适的分辨率。DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个中间结果暂存器和一个非易失性的电可擦除EEPROM，后者存放高温度报警TH、低温度报警TL和配置寄存器的值。暂存器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的数字温度数值，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL，第五个字节是配置寄存器，这三个字节的值可以保存在电可擦除的只读存取器(EEPROM)中，掉电后数据不丢失，上电复位时数据从EEPROM载入中间结果暂存器。第

六、

七、八个字节内部保留。第九个字节是循环冗余检验CRC字节。

3.2.4.2DS18B20的供电方式

DS18B20的电源供电方式有两种：外部供电方式和寄生电源方式。工作于寄生电源方式时，VDD和GND均接地，它在需要远程温度探测和空间受限的场合特别有用，原理是当1-Wire总线的信号线DQ为高电平时，窃取信号能量给DS18B20供电，同时一部分能量给内部电容充电，当DQ为低电平时释放能量为DS18B20供电。但寄生电源方式需要强上拉电路，软件控制变得复杂(特别是在完成温度转换和拷贝数据到EEPROM)，同时芯片的性能也有所降低。因此，在条件允许的场合，尽量采用外供电方式。DS18B20与单片机连接的原理图：

图3.5DS18B20与单片机连接的原理图

3.2.5通讯部分

3.2.5.1电平转换

为保证数据可靠传送，RS-232C标准规定发送数据线TXD和接收数据线RXD均采用EIA电平，即传送数字“0”时，传输线上的电平在-3~-15V之间；传送数字“1”时，传输线上的电平在+3~+15V之间。但单片机串行口采用正逻辑的TTL电平，这样就存在TTL电平与EIA电平之间的转换问题，例如当单片机与PC机进行串行通信时，PC机COM1或COM2口发送引脚TXD信号是EIA电平，不能直接与单片机串行口接收端RXD引脚相连；同样单片机串行口发送端TXD引脚输出信号采用正逻辑的TTL电平，也不能直接与PC机串行口COM1或COM2的RXD端相连。

RS-232C与TTL之间电平转换芯片主要有传输线发送器MC1488(把TTL电平转成EIA电平)、传输线接收器MC1489(把EIA电平转成TTL电平)以及MAX232系列RS232电平转换专用芯片。

其中传输线发送器MC1488含有4个门电路发送器，TTL电平输入，EIA电平输出；而传输线接收器MC1489也含有4个接收器，EIA电平输入，TTL电平输出，但由MC1488和MC1489构成的EIA与TTL电平转换器需要±12V双电源，而单片机应用系统中一般只有+5V电源，如果仅为了实现电平转换增加±12V电源，体积大、成本高。而MAX232系列芯片集成度高，单+5V电源(内置了电压倍增电路及负电源电路)工作，只需外接5个容量为0.1~1μF的小电容即可完成两路RS-232与TTL电平之间转换，是单片机应用系统中最常用的RS-232电平转换芯片。

系统通过上位机实现对单片机系统、定时芯片的控制，MAX232通讯模块实现了这一功能。上位机通过VB界面以及VB中CommControl6.0控件组成上位机控制界面，与单片机系统中MAX232模块一起完成总体通讯、控制功能。

3.2.5.2MAX232芯片介绍

MAX232产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含2个驱动器、2个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。

该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5VTTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。图3.6MAX232引脚图

RS-232C串行接口标准主信道重要信号含义：

TXD：串行数据发送引脚，输出。

RXD：串行数据接收引脚，输入。

DSR：数据设备(DCE)准备就绪信号，输入，主要用于接收联络。当DSR信号有效时，表明本地的数据设备(DCE)处于就绪状态。

DTR：数据终端(DTE)就绪信号，输出。用于DTE向DCE发送联络，当DTR有效时，表示DTE可以接收来自DCE的数据。

RTS:发送请求，输出。当DTE需要向DCE发送数据时，向接收方(DCE)输出RTS信号。

CTS：发送允许或清除发送，输入。作为“清除发送”信号使用时，由DCE输出，当CTS有效时，DTE将终止发送(如DCE忙或有重要数据要回送DTE)；而作为“允许发送”信号使用时，情况刚好相反：当接收方接收到RTS信号后进入接收状态，就绪后向请求发送方回送CTS信号，发送方检测到CTS有效后，启动发送过程。

图3.7通讯原理图

3.2.6报警部分

执行机构为继电器，继电器带固态继电器，设计时考虑单片机使用的5V电源,所以，继电器我们也用5V控制比较方便，固态继电器的控制线圈100mA便可以驱动，在设计时选择5v、100mA的继电器。固态继电器选择380VAC、150A电流输出。这样就可以有效的切断主回路的电流。同时，我们可以提供采用蜂鸣器和二极管实现声光报警，如果该系统出现故障，进行相应的动作。原理图如下：

图3.8报警原理图

3.2.7电源部分[35]

目前市场上各式各样的模块电源、开关电源产品很多，可根据以下原则对电源模块进行选择。

1.掌握所需电源的一般性参数，在设计过程中，电压、电流以及必要的一些辅助功能。电压、电流是最基本的两个参数，例如电源是给主板CPU供电，需要5伏电压，电流需要根据系统功耗计算得知，如5A，那么我们在实际购买中是不是就选择5V/5A的电源呢？我们在设计时都会有一定的降额设计，一般我们选择略微比实际使用功率高20%，这样电源工作效果比较好,可靠稳定,系统轻微的过载也无关紧要。即：在选择功率时一般要比实际使用功率大于20%即可。

2.外形尺寸，根据设备的空间来选择合适的电源，一般我们要求越小越好，但是体积小、价格高，而且发热大，所以不要盲目追求小体积。

3.温度，确定电源使用的环境温度，选择适合的电源模块。模块电源厂家一般给出的温度是电源模块的壳温，如-25ºC~+85ºC，那么85ºC表示电源外壳温度最高可以达到85ºC，如果超过85ºC，电源就可能进入保护状态或损坏。在选择电源时一定要考虑自身的环境温度和电源的工作效率，效率高温升就低，反之效率低温升就高。

4.安装方式，模块电源有两种封装形式，一种是引针式，一种是端子式。引针式可以直接焊在PCB印制线路板上，选择这种电源时应尽量选择标准产品（即各厂家的引针方式都一样，便于更换厂家），这种形式电源如需散热，可配装散热器（一般厂家有配套产品）。端子式是用接线端子连接电源输出和用电设备，电源可直接固定于设备的外壳上，并借助外壳散热。

5.电压精度，也就是电压的稳定度。一般厂家所给出的电压精度为1%上下，是表示单路输出的情况，如果有两路或三路输出，只表示主路的电压精度，副路电压精度要低，我公司生产的多路产品副路的电压精度一般为3%范围。如果多路输出电压中，每路电压精度都要求比较高，那不能选择这样的电源，而需要选择每路独立稳压的电源，各路电压精度都比较高（相当于把多个电源做在一块板子上）。

6.可靠性，可靠性的指标用平均无故障时间MTBF来表示。

7.输入电压的范围。

综合以上，我选择了捷力达电源模块JME%-A2S05，可以将220V交流电转换为5V直流电，但体积较大。市场价格在四十元左右，代替了传统的变压器，可以装到PCB板上。220V交流电可以由三相电中的任一相与地线相连来提供。本实验中所使用的电源模块的原理图：

图3.9电源原理图

3.2.8ISP下载线

AT89S52单片机增加了在线编程功能，其硬件实现也非常简单。DB25针接头，一片74HC373。6个插针分别接ISP电源、单片机P1.5、P1.6、P1.7、ISPRST、ISP地线。在单片机系统中留出上述6个插头，制作好下载线可以随时修改程序，当然也可以在线编辑程序，在没有仿真器的情况下，大大提高了我们的工作效率，为我们编写调试程序提供了很大的方便。ISP下载线的原理图如下：

图3.10ISP下载线的原理图

3.3本章小节

本章中，通过对资料的详细了解，根据相关的原则对硬件进行了选择。本系统的完整硬件如下：以AT89S52单片机进行数据采集、处理、传输，结合定时芯片DS1302进行定时控制，显示芯片HD7279显示当前时间，当前温度及跳闸原因等,选用串行通信总线接口RS-232标准接口，来实现单片机与PC机双向通信的功能，通过上位机发送定时时间和报警时间。

第4章软件设计

4.1软件设计的原则

通常软件设计先画程序流程图，然后根据流程图编写程序。常用的设计技术有三种：

一、模块法(BlockProgramming)：把一个长的程序分成若干较小程序模块进行设计和调试，然后再把各个模块连接起来。此方法便于编程、纠错、调试。

二、自顶向下法（Top-downProgramming）：概括的说，就是从整体到局部，最后到细节。

三、结构化程序设计（StructuredProgramming）:各程序模块可分别设计，一个模块只有一个入口，一个出口，然后用最小接口组合起来。结构化程序设计的程序其执行速度较慢，占用存储器较多。

4.2主程序流程

本系统中主程序中，电机测温是完成其功能的核心。首先进行初始化，完成自检后进入数据采集过程，进行温度采集与设定值相比较，若达到设定值则单片机输出结果并跳闸显示，否则进入下一轮采样。显示功能应该实时进行，利用扫描的方式写。而那些出现频率不高的程序，如上位机通讯，应该利用中断方式编写。另外系统参数设置等应该运行一次,不能写入循环程序。具体的流程如图4.1所示：

图4.1主程序流程

4.3下位机软件设计

本系统在设计中采用模块化进行软件设计。主要有键盘显示模块、报警模块、温度模块、通信模块，采用模块法编写的程序易读易懂，结构清晰，模块法能更有利于程序的设计和调试。下位机程序主要完成以下几个任务:键盘显示、越限报警、温度显示、上位机通信等，采用C语言编程。

KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

使用KeilC51编辑以及调试程序非常简便，与WINDOWS下的应用软件一样。KeilC51可直接生成.HEX文件，可直接通过ISP下载线烧写到单片机内。

4.3.1键盘程序

键盘子程序主要完成当前时间、温度及故障类型的显示。系统正常工作时，LED循环显示当前的时间和当前的温度。按任意键可以实现温度与时间的切换。当故障出现时，LED显示出故障类型。

本系统的键盘显示部分摒弃了传统的串行移位寄存器驱动方式，采用专用的集成芯片HD7279a，它是一片具有串行接口的可同时驱动8位共阴式数码管(或64只独立LED)的智能显示驱动芯片,该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵,单片即可完成LED显示键盘接口的全部功能。

（1）时序图分析

HD7279芯片输入输出方式为串行，编程时数据的写入读出按照其时序图编写，在片选使能后，在CLK管脚的下降沿写入读出数据，具体的时序图如图4.2所示：

图4.2HD7279纯指令时序图

HD7279芯片有两种写入指令，即纯指令、带数据的指令。纯指令占一个字节，数据也是占一个字节，带数据指令可以分开两次写入，先写指令，再写数据，这样只要写好一个字节的发送时序，多个字节的发送只要调用单字节发送字函数就可以了。如图4.3所示：

图4.3HD7279带指令时序图

读键盘时序如图4.4所示：

图4.4读键盘指令时序图

（2）键盘显示子程序流程

由于HD7279芯片内部有自动扫描功能，因此不需要单片机提供扫描，只是在要改写显示的时候才重写入一次；HD7279内部自带键盘去抖程序，也不需要软件去抖，当有稳定的按键按下后，在KEY管脚处出现低电平，硬件上将KEY管脚接在了外部中断上，因此利用中断方式处理键盘就可以了。流程图如图4.5所示：

图4.5键盘显示流程

4.3.2时钟程序

时钟芯片选用的是DS1302，该芯片配合外部专用晶振就可以运行，该芯片有两个电源管脚，工作电源和备用电源，该芯片为低功耗芯片，根据客户的需要,只使用纽扣电池供电，只要可以提供三个月的使用即可。纽扣电池的一般容量为140~150mAH,而DS1302在电压为2.0V时,电流仅为300nA,所以足够满足用户的需要。电动机保护器断电时可以进行掉电保护。由于内部寄存器具有掉电保护功能，因此编写程序时,利用7个字节来保存设定的到期时间的数据，再利用另外的RAM保存温度的门限值和密码。这样当保护器掉电时DS1302芯片由纽扣电池供电，保存数据,当电机和电机保护器断电时,设定的数据不会丢失，保证了本系统的安全性。本设计中时间寄存器和内部寄存器的修改用串行通讯,利用VB界面来实现。

(1)时钟芯片的时序分析

DS1302芯片接口方式为同步串行，读写时应该把片选管脚拉高，在时钟CLK管脚的下降延读出或写入数据。该芯片的数据传输方式有时钟单字节数据传输方式、时钟多字节数据传输方式、寄存器单字节传输方式、寄存器多字节传输方式。而这些传输方式都可以分解为单字节传送方式，因此只要底层的单字节输入输出子函数按照图4.5的时序图写好后，其它的函数调用此函数就可以实现。

图4.6DS1302数据传输时序图

(2)时钟芯片控制指令

读出或写入DS1302芯片数据时，首先要向数据口发送1个字节的命令字，该命令字的格式如表4.1所示，最高位为引导位，应该写入1，第6位为选择时钟寄存器还是内部寄存器的选择位，1是内部寄存器，0是时钟寄存器，A5-A0是寄存器的地址位，第0位控制操作为读或写。

表4.1DS1302命令字格式

76543210

1RAMA4A3A2A1A0RD

(3)时钟芯片子程序流程

时钟寄存器为多字节寄存器，各个寄存器地址按照顺序排列，因此应该采用循环的方式编写。每写入或读出一位寄存器时，首先写入地址，然后写入或读出该地址的数据，每接收或发送一个字节调用一次接收或发送子程序。这样多个连续地址的寄存器便可以被连续的操作。该流程图如图4.7所示：

图4.7时钟多字节操作流程

4.3.2测温程序

4.3.2.1DS18B20的操作顺序

为了保证数据可靠地传输，任一时刻1-Wire总线上只能有一个控制信号或数据。进行数据通信时应符合1-Wire总线协议，访问DS18B20的操作顺序遵循以下三步:

第一步：初始化

第二步：ROM命令

第三步：DS18B20功能命令

(1)初始化

基于1-Wire总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，主机发出复位脉冲，从机响应应答脉冲。应答脉冲使主机知道，总线上有从机设备，且准备就绪。

(2)ROM命令

在主机检测到应答脉冲后，就可以发出ROM命令。这些命令与各个从机设备的唯一64位ROM代码相关，允许主机在1-Wire总线上连接多个从机设备时，指定操作某个从机设备。这些命令还允许主机能够检测到总线上有多少个从机设备以及其设备类型，或者有没有设备处于报警状态。共有5种ROM命令，它们分别是：读ROM、搜索ROM、匹配ROM、跳过ROM、报警搜索。对于只有一个温度传感器的单点系统，跳过ROM(SKIPROM)命令特别有用，AT89S52不必发送64比特序列号，从而节约了大量时间。对于1-Wire总线的多点系统，通常先把每一个温度传感器DS18B20的64比特序列号测出，要访问某一个从属节点时，发送匹配ROM命令(MATCHROM)，然后发送64比特序列号，这时可以对指定的从属节点进行操作。

(3)DS18B20功能命令

在主机发出ROM命令，以访问某个指定的DS18B20后，接着就可以发出DS18B20支持的某个功能命令。这些命令允许主机写入或读出DS18B20暂存器、启动温度转换以及判断从机的供电方式。DS18B20的功能命令有：温度转换、写暂存器(WRITESCRACHPAD)、读暂存器(READSCRACHPAD)、拷贝暂存器(COPYSCRACHPAD)、恢复EEPROM(RECALLE2)、读取电源供电方式(READPOWERSUPPLY)。AT89S52发出温度转换命令后，DS18B20采集温度并进行A/D转换，结果保存在暂存器的字节0和字节1。写暂存器(WRITESCRACHPAD)命令，AT89S52把三个字节的数据按照从LSB到MSB的顺序写入到暂存器的TH、TL和配置寄存器中。拷贝暂存器(COPYSCRACHPAD)命令将暂存器中TH、TL和配置寄存器的值保存到E2PROM中。读暂存器(READSCRACHPAD)命令将读取暂存器中9个字节的数值，其中最后一个字节是循环冗余图4.8初始化时序图

校验CRC，用于检验读取数据的有效性。

4.3.2.21-Wire总线信号时序

所有的1-Wire总线器件要求采用严格的信号时序，以保证数据的完整性。DS18B20共有6种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1。所有这些信号，除了应答脉冲以外，都由主机发出同步信号。并且发送所有的命令和数据都是字节的低位在前。

(1)复位脉冲和应答脉冲

1-Wire总线上的所有通信都是以初始化序列开始。AT89S52输出低电平，保持低电平时间至少480s，以产生复位脉冲。接着，AT89S52释放总线，4.7K上拉电阻将1-Wire总线拉高，延时15~60s，并进入接收模式(Rx)。接着DS18B20拉低总线60~240s，以产生低电平应答脉冲，若为低电平，再延时480s。

(2)写时隙

写时隙包括写0时隙和写1时隙。所有写时隙至少需要60s，且在两次独立的写时隙之间至少需要1s的恢复时间，两种写时隙均起始于AT89S52拉低总线。写1时隙：AT89S52输出低电平，延时2s，然后释放总线，延时60s。写0时隙：AT89S52输出低电平，延时60s，然后图4.9写时序

释放总线，延时2s。

(5)读时隙

1-Wire总线器件仅在主机发出读时隙时，才向主机传输数据。所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时隙，以便从机能够传输数据。所有读时隙至少需要60s，且在两次独立的读时隙之间至少需要1s的恢复时间。每个读时隙都由主机发起，至少拉低总线1s。主机在读图4.10读时序

时隙期间必须释放总线，并且在时隙起始后的15s

之内采样总线状态。典型的读时隙过程为：AT89S52输出低电平延时2s，然后AT89S52转入输入模式延时12s，然后读取1-Wire总线当前的电平，然后延时50s。

智能保护器的测温流程如图4.11所示：

图4.11测温流程图

4.3.3串行通讯程序

MCS51单片机的串口是一个全双工接收缓冲式的串行通讯接口，可以同时发送和接收数据，它可以作UART(通用异步接收和发送器)用，也可以作同步移位寄存器用。串行口缓冲器SBUF是可直接寻址的特殊功能寄存器。在物理上，数据接收寄存器和数据发送寄存器的地址都是99H，这两个寄存器都用符号SBUF来表示。实现串行通讯首先要初始化串口波特率，设置串口的工作方式。

(1)工作时序分析

单片机的串口有四种工作方式，在本系统中利用发送和接收8位2进制数据，选择串行口的工作方式1，即8位异步通讯接口方式，一帧信息由10位组成。方式1的波特率可变，由定时器/计数器T1的溢出波特率以及SMOD决定，且发送波特率可以不同。该工作模式为异步传输，异步传输的特点是数据在线路上的传输不连续。传送时，数据是以一个字节为单位进行传送的。它用一个起始位表示字符的开始，用停止位表示字符的结束。根据异步串口的特性，本系统采用中断的方式编写串行通讯子程序。其工作的时序图如图4.12所示：

图4.12串行通讯时序图

(2)串行通讯控制命令

异步串行口的工作方式由SCON寄存器控制，配置SM0、SM1为10，则串口工作于方式1。本系统的通讯部分在主程序中是以中断的方式编写的，因此使能IE中断控制寄存器中的ES位。异步串口需要有一个时钟作为串行通讯的时钟，即波特率。在本设计中以定时器1作为波特率发生器，配置TMOD控制寄存器，设置定时器1工作于方式2，即自动重装方式，而且定时器溢出不产生中断，这样再配合波特率倍增PCON寄存器，就可以连续的为串口提供稳定的波特率。

表4.2串口程序相关的控制寄存器

SCONSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI

PCONSMOD------GF1GF0PDIDL

TMODGATEC/TM1M0GATEC/TM1M0

TCONTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IE1

IEEA--ET2ESETEX1ET0EX0

(3)串行通讯流程图

在本系统中，主要利用和上位机的串行通讯来实现对门限温度、时钟参数的设置，上位机发的数据格式为8位的2进制数，因此在编程时，每次传输都以一个字节为最小单位。接收到的第一个字节作为命令字，这时根据此命令字所定义的功能来判断以下工作。如果命令是修改时间寄存器，则连续接收7个字节的数据，调用修改时间寄存器函数；如果命令是修改定时的内部寄存器，也连续接收7个字节的数据，调用修改DS1302内部寄存器的功能函数；如果是修改门限温度，则接收一个字节的数据，修改门限对应的寄存器。在传输过程中上位机的数据格式要与下位机配合使用，这样才能实现通讯。

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图4.13串行通讯流程图

4.4上位机软件设计

4.4.1VB界面的设计

上位机采用普通PC机为监控主机，通信软件在中文WindowXP环境下用专业版软件VisualBasic6.0上开发。Windows是大多数PC机用户所选择的图形用户界面(GUI)，而VisualBasic的“可视性”及“面向事件”的特征使得基于Windows环境的通信软件的开发更加简单。温度上限与定时时间是通过VB界面设定。

VB软件为可视化的面向对象编程，本设计中只操作了串口控件，利用VisualBasic与单片机通讯时，本设计所使用的波特率是9600bps。不进行奇偶校验，数据是8位,停止位是1位。MSComm控件的Setting属性的设置为“9600，n，8，1”。当单片机向上位机发送数据时，接收时，VisualBasic可以将MSComm的InputMode属性设置为ComInputMode为Binary方式（以二进制接收数据）。当利用VisualBasic向单片机发送数据时，如果是一组十六进制的数据，可以将这组数据设置为Byte型数据。这样在单片机一方接收的数据就是一组十六进制的数据，不然，单片机接收到的是一组ASCII码，而且当发送的数据大于128位时，单片机就会接收到错误的数据。

在设计过程中引用了MicrosoftCommControl6.0控件，该控件的属性介绍如下：

4.4.2通讯控件属性分析

(1)CommPort属性

CommPort属性用于设置或返回通信连接端口号码。程序必须指定所要使用的串行端口的号码，Windows系统会通过所设置的通信端口与外界通信

(2)Setting属性

Setting属性用于设置初始化参数。以字符串的形式设置或返回联机速率、奇偶校验、数据位、停止位等四个参数。其格式为：“BBBB,P,D,S”其中BBBB表示联机速率，P表示奇偶校验位检查方式，D表示数据位，S表示停止位。默认值是“9600，N，8，1”，它表示所使用的通信端口是以每秒9600位的速率进行传输，不进行奇偶校验位的检查，每个数据位是8个位，而停止位是1个位。而这四项必须是按照顺序，不可前后对调；其中的字母可以是大写或小写。联机的速率为110bps,300bps,600bps,1200bps,2400bsp,9600bps等。Setting设置完成以后，所传输及接收的字符串便以此设置为准，通信双方，Setting设置必须完全一样，彼此才能顺利的通信，否则双方将无法正确的接收到彼此所传输的信号。

(3)PortOVIpen属性

PortOpen属性用于设置或返回连接端口的状态。使用串行端口之前必须先将要使用的端口打开，而在使用完毕之后，也必须执行关闭操作。串行通信端口各项功能都是在PortOpen的True与False之间完成。

(4)Input属性

Input属性用于从输入缓冲区返回并删除字符。程序靠这个命令将对方传到输入缓冲区中的数据读进程序中，并清除缓冲区中以被读取的数据。

(5)Output属性

Output属性用于将要发送的数据输入传输缓冲区。当程序需要传输字符串到对方时，可以将字符串使用此命令输入输出缓冲区中，一般的数据均是在送达输出缓冲区后随即被送出，当MSComm控件设置有发送阀值属性时，则就会生成事件。

(6)InputLen属性

InputLen属性用于指定由串行端口读入的字符串长度或字节数。VisualBasic程序可使用Input命令将存放在输入缓冲区的字符读入，但要指定读入的字符长度则需要设置本属性。若指定读取的单位是字节，则是读入字节的个数。

(7)HandShaking属性

HandShaking属性用于指定通信双方的握手协议。所谓“握手协议”也就是就是流量管制。握手协议只有在缓冲区没有超速的情况下，才能保证数据不被遗失。而缓冲区超速是指数据到达端口的速度太快，以至于通信装置来不及将数据移到接收缓冲区。握手协议所要进行的是数据传输速度的控制，因此也被称为“流量控制”；简单的说，当双方传输数据时，如果一方送出的数据的速度快于另一方所能处理的速度时，接收的一方要求发送的一方暂停送出数据，待接收的一方处理完数据之后，再通知发送方继续发送未传完的数据。

(8)InBufferCount属性

InBufferCount属性用于返回在接收缓冲区的字符数。该属性在设计阶段无法使用InBufferCount是指已接收的，并在缓冲区中等待读取的字符数。

(9)InputMode属性

InputMode属性用于设置或返回Input属性取回的数据类型。

最后，VB运行的界面如下:

图4.14VB运行界面

4.5程序烧写软件

Easy51ProV2.0软件可以方便的对单片机进行操作，可以实现程序的烧写工作。

4.5.1V2.0的特性

支持.HEX文件；

用户自己可以扩充器件；

重载的文件对话框，方便查找文件；

热键支持，调试程序效率高；

灵活的程序设计，可以让整套软件在其它编程器硬件上运行；

支持多种下载线，有更多的选择；

设计了串行通讯超时程序，减少掉线现象。

4.5.2V2.0的使用

点击下载软件Easy51Pro.EXE，进入下载程序的界面，按顺序检测通信、检测器件，如果无错误提示，表示下载系统硬件连接正常。

图4.15下载程序界面

下载系统硬件连接正常后，可以进行程序下载。首先点击“打开文件”选项，打开需要下载的文件；其次点击“擦除器件”选项，将AT89S52芯片清空；然后点击“写器件”，将程序写入AT89S52芯片；最后点击“校验数据”选项，如果系统如图4.16提示“0个单元不对”则表示下载正常，下载工作完成。

可以使用上面的过程完成程序下载工作，也可以使用“自动完成”选项，“自动完成”选项可以一次性对芯片进行“擦除器件”、“写器件”“校验数据”。

图4.16程序下载完成界面

4.6本章小结

在所做的硬件基础上，进行软件编写调试，是一个比较麻烦的过程，通过keilc进行编程，用VB作为上位机界面，用Easy51ProV2.0对程序进行烧写，大大加快了进程。

第5章实验及数据分析

电机的硬件与软件协调成功后，现在已经能正常读取温度数与显示时间，而且在设定时间到时后，继电器可以动作，实现时间保护功能。现在进行试验，对电机进行测温。

5.1电机表面温度的测试

本实验所选取电机的规格为：

型号：JO3-029-4额定：连续

功率：1.1KW接法：Y

电压：220/380V绝缘等级：E级

电流：0.28A温升：75ºC

转速：1370转/分重量：17KG

周率：50Hz

温度计的放置如下图所示：

图5.1电机温度计放置示意图

实验中应该注意的事项：

实际上电机只要在一个小时内其温升变化不超过1ºC时，即可以认为是稳定的温升状态。此时对电机进行温度数据进行记录采集。连续定额的电机，试验如果从冷态开始，升温时间比较长。小型、高速、防护式电机至少要1.5~3个小时，大型、低速或封闭式电机则更长，甚至5小时以上。所以如果为了缩短实验时间，开始可让电机1.05~1.15倍额定负载下过载运行一段时间（约30分钟），或有意减少冷却空气量，直到绕组温升接近预计稳定温升75%止。

试验中有时要观察电机通风情况，用羽毛试探气流方向，估计吹到各发热部分的风量是否合理。我在本次实验中，用长的碎纸片来试探气流方向，也能充分说明问题。

5.2数据分析——数据融合技术[37]

5.2.1数据融合技术简介

多传感器信息融合技术是近年来形成和发展起来的一种自动化信息综合处理技术,它充分利用多源数据的互补性和计算机的高速运算来提高结果信息的质量[40]。经过融合的多传感器系统能完善、精确地反映检测对象特性,消除信息的不确定性,提高传感器的可靠性。为反映电机的真实温度,电机表面各温区的温度进行综合考虑。由于是在线测量控制,温度测量的影响因素较多、误差较大。为了对数据进行比较精确的采集，本文采用一种基于多传感器参数估计数据融合的温度测量方法,不需要关于数字化温度采集系统中对温度测量的统计资料,仅通过分布图法在有限只温度传感器测量结果中消除疏失误差,将可靠的测量数据进行融合值计算,就可以获得比有限个测量数据的算术平均值更有效的测量结果。

多传感器数据融合的关键技术之一是多源数据关联问题,它是多传感器数据融合的核心部分。所谓数据关联,就是把来自一个或多个传感器的观测或点迹与已知或已经确认的事件归并到一起,使它们分别属于已知事件的集合。对电机表面温度测量数据融合的目的是依据有限的传感器资源,消除测量中的不确定性,获得比有限个传感器测量信息的算术平均值更准确、更可靠的测量结果。由于采用数据融合处理,当系统中的某些传感器失效时,系统可以依靠其他非失效传感器提供的信息,通过数据融合获得电机表面的较准确温度。

5.2.2分布图法剔除疏失误差

在对电机表面温度的测试中由于各种环境等干扰因素的存在,常常会引起疏失误差,疏失误差又称过失误差,是指显然与事实不符的误差。它通常是由于操作者失误、系统内部器件受损或接线松动、脱落、外界突发冲击引起的。疏失误差的存在严重影响测量结果,必须剔除。在此采用分布图法,它是一种新型数据处理算法。用分布图法来获得一致性测量数据的方法不受数据分布的限制,能够增强数据处理对不确定因素的适应性,即具有鲁棒性[38]。

分布图法的算法如下:

电机表面温度测量的分布图中反映数据分布结构的参数,主要由中位数、上四分位数、下四分位数和四分位数离散度组成。假设电机表面的个温度传感器同时独立地进行温度测量，得到个测量数据并将这些温度值从小到大进行排序：，，……。（其中为下极限，为上极限）

中位值为：

上四分位数为区间为[，]的中位数，下四分位数为区间[，]的中位数。四分位离度为：。认定与中位数的距离大于的数据为离异数据，设为到中的任一数据，得无效数据的判断区间为>。在此式中，为常数，其大小视系统的测量误差要求而定,通常取1、2等值。

设判断区间为[，]，，。利用区间[，]内的测量数据是有效的一致性测量数据这一结论，可以排除离异值干扰。而且中位值和四分位离散度的选择与极值点的大小无关，仅取决于数据的分布，有效区间的获得与需要排除的可疑值关系不大。

5.2.3数据融合的方法

因为等准确度传感器的测量结果具有正态分布特性,所以系统的数据融合采用算术平均值与分批估计相结合的算法。具体算法如下：先由电机表面的8路数据经过分布图法剔除误差后得出一致性测量数据,再按传感器空间位置不相邻的准则将其分成两组,求出两组测量数据的算术平均值,将两组数据的算术平均值再采用分批估计算法,估计出接近温度真实值的融合值，从而消除测量过程的不确定性，得到电机表面温度的测量结果。设被测温度的真值为，则温度测量方程可表示为

（5-1）

第一组一致性测量数据序号为：，，……；（<5），第二组序号为：，，……；（<5）。这就是分得的两组数据。其中，分别为第一，二组中的传感器数,两组测量数据的算术平均值分别为

（5-2）

（5-3）

其中，分别为第

一、二组中的传感器序号，相对应的标准误差分别为

（5-4）

（5-5）

据分批估计的理论，分批估计后得到的温度融合值的标准误差为(5-6)

式中,这是因为在此之前没有温度测量的统计资料,也就是说在此之前测量结果的方差,故得；H为测量方程的系数矩阵，R为测量噪声的协方差，且

；

；（5-7）

式中、分别为、的测量噪声,即剩余误差。同时考虑第

一、第二组的测量结果，

(5-8)

分批估计导出的温度数据融合值为

(5-9)

将式(5-7)、（5-8）代入式（5-9）得到基于多传感器与分批估计数据融合的温度值为

（5-10）

理论分析与实践检验证明，分得的两组数据之间误差越大，式（5-10）的数据融合值对误差的改善效果越显著；两组数据误差越小，数据融合相对于算术平均值的优越性也越小。

5.2.4温度测量数据融合试验

用8个温度传感器在同一时间对电机表面单独测量,测量结果如表5.1所示

表5.1温度传感器测量结果单位：ºC

传感器

S1S2S3S4S5S6S7S8

40.744.748.145.88544.547.945.4

采用传统的算术平均值滤波的方法计算结果为ºC。根据分布图法判定40.7,44.7,48.1,45.8,44.5,47.9,45.4为剔除疏失误差后的测量结果。此时,算术平均值为：ºC。再将传感器按空间不相邻的原则分为两组,第一组为:S1,S2,S3,S4；第二组为S6,S7,S8。

由式(5-2)和式(5-3)求得两组的算术平均值为:ºC；ºC。

由式(4)和式(5)求得两组的标准误差为：；。

由式（5-10）计算出这7个测量数据的温度融合值为ºC，得到温度融合值为45.65ºC。其实5号传感器的85ºC是由于传感器已经损坏所测出的数据。由此得出,数据融合得到的测量结果比算术平均值测量结果更接近被测量真值。

5.3本章小结

温度测量数据融合试验的程序界面以及代码可以使用VB和C编写的。在编程实现基于算术平均值与分批估计的数据融合算法时,该算法不需要复杂的数据结构,同时还具有运算量小,计算机编程容易等优点,不仅可以用于校准测试数据的后期处理,还可以将其应用于测量的实时数据处理和控制中。

结论

本文所阐述的数据融合技术算法是数据融合技术中最为简单的一种方法，实时性比较强,适用于数字化温度采集系统的特点，计算量小。如果系统中，测量的结果具有正态分布的特性,如果数据足够多的情况下，算术平均值是测量结果的理想表示方法。但是本系统中，只安放八个传感器，属于有限次测量,算术平均值虽然能够提高测量精度,但不是其最好的表示方法。所以,估计算法可以获得更好的测量结果。但估计算法建立在比较可靠的测量初值基础上,许多测量系统由于不能实时获得测量初值,而不能有效地利用估计算法。利用分布图法剔除疏失误差,并根据算术平均值与分批估计相结合的方法对数据进行融合,在可用传感器数量一定的情况下,可实时获得可靠的测量初值,消除测量中的不确定性,提高测量结果的准确性和重复性,获得更可靠的实时测量结果。

本实验得出的结论是：该智能保护器能与比普通温度计测量方法的效果有相同作用，但是实现了微机控制，提高了自动化程序，为进一步开发电机智能保护器的其它功能打下基础。

然而本试验存在很多的不足，有待于进一步提高。电机表面温度测量并不能完全反映内部温度情况，所以现在的电机很多不要求测表面温度。只有少数电机对此有要求，如家用电器，用于棉纺的电机等。所以说，目前本智能保护器仍处于试用阶段。应该对电机内部温度场进行分析，并得出内部温度场与电机表面温度的关系。确定能否通过电机表面的温度准确及时地反映出电机的故障，能否准确跳闸对电机进行保护。

电机内热交换是一个复杂的过程，它涉及电机的电磁理论、电机结构学，还涉及到流体力学、传热学、弹性力学等学科的理论。目前，国际上也出现了许多研究成果，科技人员正在努力将这些运算方法应用到计算机上，进行计算机仿真模拟，以达到简化和实现电机设计最优化的目的。所以目前建议用该保护器对电机的温度进行实时监测，先在小型电机中做实验，获得足够的数据后，对电机的表面温度进行仿真研究，然后应用于大型电机。使本次设计应用领域扩大。

本次设计是一个将测温系统与单片机结合的试验,我们希望能进一步完善该系统。通过对电机内部的温度场进行分析，得出一个外部表面温度与内部发热的一个联系，使该智能保护器能够做到准确地对电机进行保护。

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