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1、.1绪论1.1选题背景上世纪末,随着大功率晶体管技术发展、大规模集成电路和计算机技术的飞跃发展,交流电机的变频调速技术已日趋完善,并在各行各业中得到了广泛的应用,尤其在暖通空调和加工领域其节能效益显著。随着经济改革的不断深入,市场竞争的不断加剧,节能降耗已经成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一。改善现有设备的运行状况,提高系统安全可靠性和设备利用率,延长设备使用寿命等优点在个应用领域中已充分体现。目前应用的设备中大部分的耗电量很大,而且没有一个有效的监控设施来对其监控,资源的浪费比较严重,因而具有很大的节能潜力。通过对设备的输入输出信号的采集与控制可以分析出设备的运行状况从而可以提示用
2、户如何提高设备的能效比。信号的采集与控制系统正是在这种背景下确定的,最终目的就是设计并研制出一个设备的能效比监测显示系统,以期应用到生产生活领域。1.2选题意义在工业生产和日常生活中,都要通过各种方法获取信息。生活中人们通过各种设备获得自己所需要的信息,工厂及单位需要及时而准确的采集到所需目标的各项数值信息。而实际应用中通过以单片机为核心的模块就可以相对快速且准确的对设备进行数据的采集,进而通过把测量到的数据处理后实现对被测设备性能的控制。测量到的数据是最最基础的资料,也是工业生产的眼睛,是改善设备运行状况、控制设备运作的基础指标。因此,及时而有效的处理好测量到的基础数据,不仅能够提高产品质量
3、,而且还可以提高设备利用率,降低能耗。1.3研究内容基于单片机的信号控制及采集系统主要设计并用于家电设备的能效监测上,如何把测量到的信息转化成标准的性能指标参数从而改善系统运行状况是信号控制及采集系统的主要目的。设计的要求：采用单片机设计最小系统；配备一个彩色显示屏；能测量电流、电压、420mA模拟信号以及水的流量、温度信号,并通过彩色液晶屏显示一段时间内的总功耗、总制冷量、温度值、功率因数等；配备一个电源模块用于供电；配备一个用于报警的三色指示灯；配有420mA输入和输出接口电路；电路可实现过流保护、过压保护、信号流方向保护并可以吸收浪涌电压；所有数据可以保存2年。2系统的硬件设计2.1系统
4、工作原理系统中测量的信号为四路温度信号、一路420mA模拟信号、一路电压信号、一路电流信号以及两路PI控制的420mA输出信号。四路温度信号通过Pt100电阻测量后转化为电信号传到单片机内；一路420mA模拟信号和电压电流信号这三路信号通过电路测量后传到单片机内；两路PI信号由上面测量到的七路信号确定。单片机通过对测量到的七路信号的处理,算出系统的各个指标,并把计算得到的结果与标准值比较产生反馈信息作用于设备,当系统工作状况欠佳时单片机会输出对应的信号来空三色指示灯显示不同颜色以提示用户。用户通过显示屏上显示的结果设置相应的PI参数,从而改善设备运行状况。系统结构框图如图2.1所示。图2.1
5、系统结构框图2.2系统硬件电路方案设计根据本课题的工作原理及硬件系统开发分析,采用模块化设计理念与解决方案,设计出硬件系统平台,硬件系统包括：单片机最小系统模块、Flash存储模块、电源模块、显示模块、信号采集模块、I/V变换模块、A/D转换模块、功率角测量模块、通讯模块、报警模块、420mA控制信号输出模块等。其设计要求是硬件系统稳定、可靠、安全、易于软件开发与功能实现。硬件系统结构框图如图2.1所示。2.3芯片的选择与介绍芯片的选取对与一个系统来说也是一个不容忽视的环节。芯片选取得当不仅可以使硬件电路结构简单、稳定,而且还可以节约开发成本,缩短开发周期。单片机的选型系统中单片机主要用于处理
6、采集到的各路信号包括流量信号、电流信号、电压信号、温度信号和PI控制信号,通过对各路信号的采集与处理后在触摸液晶显示屏上显示所测设备的流量值、电流值、电压值、温度值、功率因数值、能效比比值以及能效比曲线等信息。由于所测信号比较多而且要处理的信息也比较大,所以系统选用了ATMEL公司的ATmega128单片机作为核心芯片。ATmega系列单片机,它的精简指令集模式在效率、速度及指令格式上都有很大优势,而且部分产品价格甚至低于同类中档AT90系列单片机的价格,其性价比更高。而ATmega128单片机用有128KB Flash、4KB EEPROM、4KB RAM、48个I/O口、34个不同中断源、
7、ISP下载和JTAG仿真等功能,可以很好的完成对信息的处理。液晶屏的的选择考虑到液晶屏上显示的信息量比较多比较大,所以要选择屏幕比较大的显示器,屏上要实时显示系统能效比比值及其曲线、功率值、温度值及其曲线、电流电压值及其曲线等信息,而且屏上还要设置相应的按键来处理不同信息、选择不同功能、设置相应的参数等。因此为了方便编程,选用的带触摸屏的液晶显示器型号为LJD-ZU070TTFT7寸真彩分辨率为800*480。如图2.2所示。图2.2 LJD-ZU070T实物数据存储器的选择 测量到的数据记录时每条包括年、月、日、时、分,每个数据信息占用一个字节共5B,瞬时能效比2B,瞬时功率2B,瞬时制冷量
8、2B。数据全都保存在数据存储器里,保存期限2年,自动覆盖超过2年的数据记录。所以存储的信息量很大,单单用ATmega128的内部存储空间已经不能够满足要求,所以必须外扩一个数据存储器来保存测量到的数据信息。flash闪存是非易失存储器,可以对叫做块block的存储器单元进行擦写和再编程。任何Flash器件的写入操作只能在空的或者已经擦除的单元内进行,所以大多数情况下,在进行写入操作之前必须先执行擦除操作。flash存储器市场上应用较广的有两种类型：NOR 型flash和NAND型flash。NOR 型flash的程序和数据可以存放在同一片芯片上,拥有独立的数据总线和地址总线,能快速随机地读取。
9、它允许系统直接从flash中读取代码执行,而无需先将代码下载至RAM中再执行；而且还可以单字节或单字编程,但不能单字节擦除,必须以块为单位或对整片执行擦除操作。在对存储器进行编程之前必须对块或整片进行预编程和擦除操作。NAND型flash则是以页page为单位进行读写操作,1页为256B或512B；以块为单位进行擦除操作,1块为4KB、8KB或16KB。具有块编程和块擦除的功能。NAND型flash的数据、地址采用同一总线,实现串行读取。但是它的随机读取速度比较慢且不能按字节随机编程。NAND型器件在执行擦除操作时十分简单,而NOR型器件则要求在进行擦除前必须把目标块内所有的位都写为0。由于擦
10、除NOR器件时是以64128KB的块进行,所以执行一个写入/擦除操作的时间为5s；与此相反,擦除NAND器件是以832KB的块进行的,执行相同的操作最多只需要4ms。其性能比较如下：接口差别：NOR flash带有SRAM接口,有足够的地址引脚来寻址,可以很容易地存取其内部的每一个字节。NAND器件使用复杂的I/O口来串行存取数据,共用8位总线各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。NAND读和写操作采用512字节的页和32KB的块为单位,这一点有点像硬盘管理此类操作,很自然地,基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。容量和成本：NAND flash的单
11、元尺寸几乎是NOR器件的一半,NAND flash生产过程比较简单,NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量,因此其价格也就相对比较低,价格大概只有NOR的十分之一。NOR flash占据了容量为116MB闪存市场的大部分,而NAND flash只是用在8128MB的产品当中,这就说明NORflash主要应用在代码存储介质中,NANDflash适合于数据存储。可靠性和耐用性：NANDflash中每个块的最大擦写次数是一百万次,而NORflash的擦写次数是十万次。NANDflash存储器除了具有10比1的块擦除周期优势外,典型的NANDflash的块尺寸要比NORflash的小8倍,每
12、个NANDflash存储器中的块在给定的时间内的删除次数要少一些。软件支持：在NORflash器件上运行代码时不需要任何的软件支持,而在NANDflash器件上进行同样的操作时,通常需要驱动程序。经过多方面考虑,最后选用了型号为K9F1208U0C-P的flash存储芯片。它是一款NAND型flash芯片。以页为单位进行读写操作1页为528B,以块为单位进行擦除操作1块为16KB即32页。具有块编程和块擦除的功能,数据线、地址线采用同一总线,实现串行读取。它的优点是芯片尺寸小、引脚少、是位成本bit cost最低的固态存储器芯片。缺点是随机读取速度比较慢且不能按字节随机编程、存储位错误率较高。
13、编程时推荐使用 ECC校验。芯片中包含有冗余块,数目大概占1%,当某个存储块发生错误后可以进行标注,并以冗余块代替。其结构如图2.3所示：图2.3K9F1208U0C-P存储芯片内部结构芯片的选型 模拟量输入信号分辨率为1/4096,约为0.025%；精度不低于0.5%,为了保证该指标,A/D芯片型号选用TLV2548CDW。它是TI公司推出的一款新型高性能8通道12位低功耗、高速CMOS串行A/D转换芯片。采集到的信号由于很小单片机无法对其处理,所以采集到的信号要通过运算放大器放大后再接入TLV2548中进行模数转换。运算放大器选用常用的AD620A芯片。它具有精确度高、使用简单、低噪声、高
14、输入阻抗10G|2pF、高共模抑制比CMR：100dB、低输入偏移电流1.0mA、低功耗电流1.3mA、具有过电压保护等特点。模数转换后的信号经单片机处理后保存到数据存储器K9F1208U0C-P芯片中。经处理后的信息一部分在触摸屏上显示出来,一部分作为控制信号输出。输出的这部分信号要经D/A转换变成420mA信号后再输出,D/A芯片型号选用AD420AR-32。它是ADI公司生产的高精度、低功耗输出转换器。它的输出信号可以是电流信号,也可以是电压信号。其中电流信号的输出范围为420mA,020mA或024mA,具体可通过引脚RANGE SELECTl,RANGE SELECT2执行配置。当须
15、要输出电压信号时,它也可以从一个隔离引脚提供电压输出,这时需外接一个缓冲放大器,可输出05V,010V,5V或10V电压。为了防止输出的420mA信号在控制电机过程中出现信号倒流,单片机与D/A之间要经过光耦隔离,光耦选用单通道的高速光耦合器6N137,它具有温度、电流和电压补偿功能,高的输入输出隔离,LSTTL/TTL兼容,高速,5mA的极小输入电流等特点。因为选用的彩色触摸屏显示器的为异步串口通讯,所以在单片机与显示器之间要接一个异步串口芯片,其型号为MAX3232ESE+,是一款常用的通信接口芯片。它具有低功耗、高数据速率、增强型ESD保护等特性。因为单片机只能处理电压信号,所以要对测量
16、到的电流信号进行I/V变换,系统中选用LM393-91M芯片作为I/V变换模块的转换芯片。要进行能效比的测量,必须计算设备运行时的有功功率值,之就要求功率因数,因此必须测量功率角。功率角由互感器对母线上电压和电流的测量所得信号经与非门后得到。与非门选用型号为TC7S00FU。因为以上所选的芯片电压等级各不相同,所以要提供+3.3V 、+5V、+12V电源。所处理的信号有数字量也有模拟量,因此要有数字地、模拟地、信号地等。考虑以上情况,用所制作的电源板来达到以上电源的要求。电源板是把接入的220V电转化为所需的各种电压等级。电压转换模块的型号分别为：HAD10-5-W输入85265VAC,输出+5V和-5VDC、SR5S12/10
