電機過熱保護器設計范文

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第1章緒論

1.1課題來源

沈陽某電機廠研制節能電機，為了用事實證明其電機節能，承諾客戶試用該電機一段時間(比如三個月)，客戶可將這段時間節省的電費作為購買電機的費用。試用期到期后，電機的所有權歸客戶。但為了防止某些信用度較差的客戶在試用電機節電后，不給電機公司任何報酬且不歸還電機，所以有必要實現時間鎖定和密碼保護功能。試用時間到期后，電機將跳閘，并且顯示跳閘的原因（例如定義顯示數字1為超過設定時間），同時提供聲光報警。如果該客戶要繼續使用該電機，則必須向電機生產廠家索取密碼，此時廠家就可以按合同規定索要自己應得的報酬。如果客戶履行合同，那么電機生產廠家可以重新設定到期時間。手動按鍵復位后，電機可以繼續正常使用。

電機制造業的發展歷史己有近百年，隨著電機制造工業的發展，電機的單機容量不斷增大，技術指標要求普遍提高。電機運行時產生的單位體積損耗的增長，引起電機各部分的溫度升高，進而直接影響到電機的壽命和運行可靠性。電機各部分的溫度成為電機設計和運行中重要的性能指標之一。為了檢查電機性能是否合格，保證電機正常運轉，必須準確測定電機額定運行時各部分的溫度。在新的國家標準中，詳細規定了不同絕緣等級的電機繞組對應的不同的繞組溫度。超過此規定溫度，電機壽命將會受到影響，甚至造成電機燒毀。電機設計中，既要提高電機的各項技術性能指標，又要降低電機的原材料費用、成本，提高加工工藝以減少成本支出，電機溫升是否符合國家標準就成為主要矛盾之一。因此，準確的估算并檢測電機的溫升，不僅可以保證電機的安全運行，而且對提高電機的使用壽命、節約原材料和電能，以及實現自動化設計都有重要的現實意義[1]。所以，該電機生產廠家同時提出了電機溫度保護的功能，如果電機溫度過高，則實現電機停轉，以保護電機，將損失降到最小。

根據用戶的要求，我們進行了大量的相關資料的查閱，已經實現了溫度采集的功能，但是對于傳感器的安放以及設計是否合理，沒有理論的根據。由此開展了一系列的工作。進行了相關的資料搜索，發現相關課題有很多學者在研究，也為該課題進一步的研究打下理論基礎。

1.2國內外的研究歷史與現狀

通常電機的容量越大，其工作效率越高，但相應的電機發熱量也迅速增加[2]。電機的溫升在一定程度上決定了電機的容量。

對于電機發熱和冷卻問題,可從兩方面加以解決:

一、選用耐溫較高的絕緣材料；

二、合理使用冷卻方式，提高電機的冷卻效果，使電機不超過規定的溫升極限。當前，Y型異步電機已使用F級絕緣材料，而絕緣等級更高的C級絕緣材料也在研制當中。電機冷卻技術業已取得了極大的發展，對中小型電機而言，還是以風扇強迫空氣流動以冷卻電機；對大型電機，其冷卻方式隨電機的容量、轉速、電壓等級等技術條件的不同而不同，它基本上都是由生產實踐逐步積累形成的[2]。

近年來，由于新材料、新工藝的使用和電機冷卻技術的發展，促進了大型發電機和電動機的單機容量逐漸增大，但同時使電機運行時產生的單位體積損耗增加，引起電機各部分溫度升高，這直接影響到電機的安全。因此，準確的溫升計算不僅是制造廠家多年來尋求的目標，也是電機運行部門關注的主要問題之一。

1.2.1電機的主要熱計算方法

（1）簡化公式法

簡化公式法是電機制造廠設計時常用的一種方法。首先，計算出各部分的熱負載，再通過牛頓散熱公式:(為散熱系數)得到相應的溫升。此法計算簡單方便，因此易于被工廠接受，但計算精度較差，只能計算出電機的平均溫升，不能滿足日益提高的設計工作的需要。

（2）等效熱路法

等效熱路法是根據傳熱學和電路理論來形成等效熱路，熱路圖中的熱源為繞組的銅損耗(槽部、端部)，鐵損耗(齒部、軛部)，這些損耗所在部件在計算時認為是均質的。損耗熱量通過各種相應的熱阻，由熱源向冷卻介質傳遞，形成一個復雜的熱網絡。采用電路網絡中基爾霍夫定律來列出全部熱平衡方程，然后用求解線性電路的方法，計算電機各有效部分的平均溫升。此方法計算精度比簡化公式法高，能夠得到電機總體溫升和平均溫升。如果要提高計算精度，必須增加網絡節點和熱阻數，但這使工作量大大增加，失去其計算工作量小等優點。

等效熱路法有一些基本假設，通過這些假設可以把成熟的電路理論用在等效熱路中。這些假設是:所分布的真實熱源和熱阻被少量的集中熱源和等值熱阻所代替，并假定后兩者不取決于熱流的大小。這樣，就能將等效熱路法用于線性熱回路，并采用普通的代替法進行求解。

目前國內外很多文獻仍采用熱網絡計算大型電機溫升。早在1955年，美國AIEE即發表Rosenberry采用熱路法的一篇有關“鑄鋁籠型感應電動機的瞬態起動溫升”論文。1986年和1987年，電力科學院李德基等人采用該方法分別計算了汽輪發電機繞組間接冷卻轉子和定子槽部三維溫度場[3][4]。1987年日本學者H.Ohishi等人利用具有700個節點的網絡模型分析了具有單匝線圈的旋轉電機中定子線圈股線中的溫度分布[5]。1988年李德基等人研究了絕緣老化對定子溫升的影響[5]。1989年湖南大學方日杰等人也利用上述方法計算了兩臺大型水輪發電機額定運行時的定子三維溫度場[7]。1995年北京計算中心的曹國宣分析了采用氣隙取氣斜流冷卻方式的氫內冷汽輪發電機局部風路堵塞時的轉子溫度場[8]。1998年華中理工大學武衛東等人采用等效熱路法計算了一臺大型水輪發電機，并利用曲線擬合技術對計算結果進行了可視化處理[9]。

熱路法的運用不只是消極地核算所設計的電機的溫升、溫度分布，更重要的是設計時能夠利用這一方法，從溫升的角度來尋求最佳的經濟效益指標，同時通過改變個別熱阻，還可以尋找電機局部溫升和總的平均溫升的規律。

（3）溫度場法

由于電機單機容量的不斷增大以及電磁負荷的不斷提高，要求對電機各部分的溫升進行較精確的計算，尤其需要準確的指出各部分的最高溫升及其出現的位置。而電子計算機的廣泛應用，為人們從場的角度研究計算電機的溫升提供了工具。溫度場法就是用現代數值方法來求解熱傳導方程，也就是將求解區域離散成許多小單元，在每個單元中建立方程，再對總體方程組進行求解。由此可見，溫度場法將研究對象從宏觀轉向微觀，從總體轉到局部單元上來，求得每一點的溫度和溫升，于是在整個計算區域中的每個局部單元都能獲得可靠的計算數據，從而，更加準確、合理地指導電機的設計工作。這種方法是由E.阿羅爾德率先提出來的，后又經P.李克杰爾和O.波姆進一步研究過。1974年，A.И.鮑里先科等人合作出版了《電機中的空氣動力學和熱傳遞》一書，給出了用電子計算機求解溫度場的一些方法和實例。求解溫度場的常用方法有: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來近似代替微分，把求解域內的偏微分方程和有關的邊界條件，化成適用于區域內部和邊界上各個節點處的差分方程組，然后用古典方法或計算機來求解聯立的差分方程組。

1989年電力科學研究院的李德基等人采用有限差分法對汽輪發電機轉子在過電流和突加額定轉子電流下的暫態三維溫度場進行了計算[10]；1990年哈爾濱大電機研究所范永達等用有限差分法計算了氫冷情況下大型汽輪發電機轉子繞組溫度場[11]；1991年上海交大的向隆萬等人計算了汽輪發電機氫內冷副槽轉子三維溫度場，并研究了通風孔道阻塞、換熱系數、表面損耗等對溫度場的影響[12]。1993年北京計算中心曹國宣用有限差分法計算了水內冷汽輪發電機轉子溫度場[13]。

但該方法不足之處是，由于采用的是直交網格，因此它較難適應區域形狀的任意性，而且區分不出場函數在區域中輕重緩急之差異，對于復雜的二類邊界條件及內部介質界面的處理比較困難，宜于求解邊界比較規則的電機溫度場問題。

②有限元法

有限元法是一種常用的數值計算方法，R.Courant于1943年首先提出，上世紀50年代由航空結構工程師們所發展，隨后逐漸波及到土木結構工程，到了上世紀60年代，在一切連續領域，都愈來愈廣泛的得到應用。我國馮康教授和西方科學家各自獨立奠定了有限元方法的數學基礎。它是把求解域剖分成許多個單元，組成離散化模型，再用各個單元節點上的數值解去逼近連續場的真實解，它是一種離散化模型的數值解。它與差分法相比，具有剖分靈活(可以用任意形狀的網格分割區域，還可以根據場函數的需要疏密有致地、自如地布置節點)，對于復雜的幾何形狀，邊界條件、不均勻的材料特性、場梯度變化較大的場合，都能靈活地加以考慮，通用性強。故用有限元求解溫度場，可以求出場域內各點的溫度值，從而更準確地描述整個求解域內溫度的分布。

1976年，Armor等人采用標量位的有限元法計算了大型汽輪發電機定子鐵芯的三維溫度場，對電機內溫度場的計算做出了開創性的工作，但他忽略了定子鐵心與繞組間的熱傳遞。1984年，河北工學院的顏威利和孟慶龍分別用有限元法對起重電磁鐵的溫度場進行了計算[15]；1986年，李德基等人對大型發電機定子繞組槽部溫度場進行了計算。1988年，蘇聯的A.B.帕什科夫斯基用綜合有限元法研究了電機的溫度場[16]。河北工學院的王贊明等人用四面體單元有限元法對起重電磁鐵中的三維溫度場和電磁場進行了計算；1990年，蘇聯的B.N.雅科夫斯基等人研究了水輪發電機定子端部的損耗和發熱，但只是總體的論述，沒有進行具體計算[17]；上海交通大學楊美倫、張景鑄采用四面體單元有限元法對300MW汽輪發電機副槽通風氫內冷轉子槽部溫度場進行了計算[18]；華中理工大學辜承林等人采用有限元法求解了SFS7-20000/110電力變壓器鐵芯溫度場，并對磁密、油流速度、特征尺寸、油溫等影響鐵芯溫升的因素進行了數值模擬研究[19]。1991年，北京重型電機廠的裴遠航用三維有限元法計算了汽輪發電機定子線圈的溫升分布，推導了損耗、通風和表面散熱系數[20]；Rkobacb等人采用有限元法計算了羅古斯克水電站水輪發電機轉子阻尼條和磁極壓板瞬態溫度場[21]。1992年寧波大學的岑理章在Armor所進行的計算的基礎上，考慮了定子鐵心與繞組間的熱交換，用正三棱柱單元有限元法分析計算了QFS-300-2型雙水內冷汽輪發電機定子鐵心三維溫度場[22]。湯蘊珍、張大為用有限元法對水輪發電機定子最熱段的三維溫度場進行了計算[23]；日本的學者S.Doi等人用流體可視化結果對大型汽輪發電機定子鐵心端部進行了三維熱分析，用實驗方式確定了其通風狀況與表面散熱系數[24]。采用有限元法對提高電機設計中的各項性能具有重要意義。1998年東南大學黃學良等人提出了一種新的基于拱形體單元的計算電機溫度場的有限元模型，并利用該模型計算了SF125-96/1560型發電機的鐵芯溫度場，該方法適合于具有圓柱體結構區域的溫度場問題[25]。1997-2000年哈爾濱理工大學的孔祥春、李偉力等人采用直三棱柱單元有限元法對水輪發電機定子最熱段三維溫度場進行了深入的研究，同時采用平面三角元結合流體相似理論對一臺俄羅斯電力問題研究所生產的200MW、2極汽輪發電機徑切兩向空冷系統轉子二維溫度場進行了計算。2000年，哈爾濱電機廠的李廣德等人采用六面體等參元計算了水輪發電機半齒、半槽、半軸向長度的定子三維溫度場[26]；哈爾濱大電機研究所的魯長彬等人利用三維CAD與有限元分析軟件相結合的方法，計算了大型水輪發電機水內冷定子繞組及鐵心的三維溫度分布[27]；哈爾濱理工大學的溫嘉斌等人采用六面體等參元對大型水輪發電機轉子三維溫度場及其通風系統進行了綜合計算研究。近些年來，隨著數值計算方法的發展，一些新的分析方法也被引入到電機溫度場的計算領域，例如邊界元法[26]、小波—伽遼金有限元法[29]等。但這些方法或者由于算法程序不易實現，或者因為計算精度的高低尚缺乏實證，應用還不普遍。目前在電機溫度場計算領域應用最廣的還是有限元法。

通過上述發現，現在對電機的發熱計算已經達到了一個比較完善的程度，但是這些計算都涉及到很多的專業知識，所以我們研究的目的是為一些對電機知識不多的用戶，開發出一種更為簡單的電機測溫方法，實現智能保護的功能，針對此進行了一系列的工作。

1.3本文所做的工作的內容

第一章概述課題的來源及實際意義，以及電機溫度國內外現狀及發展方向，提出研究一種易于實現的簡易可靠的溫度保護器,對電機的溫度進行實時測量。

第二章對電機溫升、溫升限度等概念進行了闡述，對電機的測溫方法進行分析與比較。

第三章進行硬件設計，采用AT89S52單片機進行數據采集、處理、傳輸,定時芯片DS1302進行顯示時間與定時控制，顯示芯片HD7279顯示時間及跳閘原因，選用串行通信總線接口RS-232標準接口，來實現單片機與PC機雙向通信的功能，通過上位機發送定時時間和報警時間。

第四章進行軟件的設計，分別用C語言編程及VB編程，經過調試后，系統可以正常運行，可以對電機使用時間進行限制，能采集電機表面溫度，初步達到預期的目的。

第五章利用所做的硬件進行一系列的實驗，記錄實驗數據。對所得的實驗數據用數據融合技術進行分析，對該保護器存在的前景進行展望。

第2章電動機的硬件設計原理

2.1電機的基本概念

（1）溫升某一點的溫度與參考（或基準）溫度之差稱溫升。也可以稱某一點溫度與參考溫度之差。

（2）電機溫升電機某部件與周圍介質溫度之差，稱電機該部件的溫升。

（3）電機的溫升限度電機在額定負載下長期運行達到熱穩定狀態時，電機各部件溫升的允許極限，稱溫升限度。電機溫升限度，在國家標準GB755-87中作了明確規定。

在電機中一般都采用溫升作為衡量電機發熱標志，因為電機的功率是與一定溫升相對應的。因此，只有確定了溫升限度才能使電機的額定功率獲得確切的意義。

2.2電機溫度的測量[30]

電機的各部分溫度，如機殼溫度，鐵心溫度，軸承溫度，繞組溫度不僅表示電機的發熱狀態，而且與電機的壽命相關。一般認為，繞組溫度每增加8~10ºC，繞組壽命會縮短一半，所以制造廠和用戶都很重視電機溫度的測量。

電機的溫升測量方法根據GB755-87的規定有四種：溫度計法、電阻法、埋置檢溫計法和疊加法（雙橋對電測溫法）。此外，目前國內正在研制的有無線電測溫，紅外線測溫和溫度指示器等等。

(1)溫度計法

溫度計包括膨脹式溫度計（如水銀溫度計，酒精溫度計等）、半導體溫度計以及非埋置的熱電偶或電阻溫度計。

溫度計法測量溫度是將溫度計貼附于電機上可觸及的表面，所測量的是被測點的表面溫度，即其貼附點溫度。在電機中，任何部位的表面與其內部溫度是不同的。因此溫度計法僅在無法用其它方法測量電機內部溫度或平均溫度時才采用。測量時，溫度計的球部或測溫部分應緊貼被測點表面。保證二者有良好的熱傳導。為了減少熱量逸散，溫度計球部中凡不與被測點接觸的部分可用棉絮或者油灰等絕緣材料覆蓋，但覆蓋面不能過大，以免影響正常的通風或繞組散熱。用半導體溫度計時，應特別注意保護測試筆筆尖處的微型電阻，測量時應輕輕接觸被測物體，以免損壞感溫元件。每只溫度計都配有專用測試筆，不能互換。在有交流磁場的部件，不能采用水銀溫度計，因為在水銀中可感應渦流，使水銀發熱，從而使溫度計讀數偏高。

一般溫度計大都按1ºC來刻度，在大多數情況下，對于測量電機表面溫度精度已完全足夠，但在要求特別準確時，可采用刻度為0.1~0.2ºC的溫度計。

對于電機定子鐵心，機殼和軸承座等部位，不能采用電阻法測量，可采用溫度計法進行測量。

對于低電阻的換向極繞組和補償繞組，以及一般屬于低電阻范圍。如旋轉或靜止的單層繞組，特別是接觸電阻在整個電阻中占很大比例的繞組，用電阻法測量有困難或不能準確測量，且埋置溫度計也無法準確測量時,應采用溫度計法。

此外，諸如電機的進風口和出風口的冷卻空氣或冷卻液體如水及潤滑油等，還有其它摩擦零件如換向器，集電環等，也必須用溫度計法測量。

對電機各部位的溫度測量除換向器，集電環應在電機停止轉動后立即用溫度計測量其表面溫度處，其他如定子鐵心，軸承等應在溫升實驗過程中用溫度計或埋置檢溫計進行測量。

(2)電阻法

這個方法是根據繞組的電阻隨其溫度變化而變的關系來確定繞組的溫度。若在冷態的溫度（）時的電阻為,而溫度達到時電阻為，則由下式計算:

（2-1）

經過推導得：

（2-2）

式中為電阻的溫度系數，即溫度每增加1ºC時單位電阻的增加值。它在一個較大的范圍內可認為是常數。由式(2-2)可知電阻的增加與溫度的增加成線性關系，并可畫成如圖2.1所示的關系曲線。

圖2.1電阻與溫度的關系曲線

在該圖中，延長直線與并與橫軸交于K點，則由三角形的比例關系可得:

（2-3）

對于不同的金屬材料,其電阻溫度系數值也不同,這也就改變了圖中直線的斜率和值。

對于銅：取235,在美國標準中,取234.5。

對于鋁：取225。

這樣對于銅繞組，則式（2-3）可改寫成：

（2-4）

由此可得:

（2-5）

在此式中,、兩個相除的數值較為接近，為了提高計算的準確度，則可將式（2-5）轉化成下式：

（2-6）

這樣，銅繞組的溫升將為：

（2-7）

——試驗結束時冷卻介質的溫度（ºC）

電阻法的特點是它給出繞組的平均溫度，電阻法是考核電機繞組溫升的一種主要方法。但是應指出，電阻法無法將繞組中最高或最低溫度值測出來。對于由直流饋電的靜止繞組，如直流電機的電樞繞組,通常在實驗結束停機后才能測量繞組的電阻。由于停機需有一過程,在這段時間內,將引起繞組溫度的變化,在多數情況下,溫度將下降。GB755-87規定:當電機斷電后,測得第一點電阻的時間超過規定期限,需用外推法將測得的繞組溫度加以修正。

如果采用疊加法(又稱雙橋帶電測量法),則測得的溫度即為繞組在運行時的實際溫度,因此不須做任何修正。應當指出，用電阻法測定繞組溫度時，必須用同一儀表，同一量程在繞組的同一相上測量冷態和熱態電阻。用電壓表、電流表測量電阻時還應當使測量電流基本相同，以保證較準確的測量結果。

（3）埋置溫度計法

埋置溫度計法是將熱電偶或電阻溫度計在電機制造過程中安置于制成后達到或預計溫度為最高的部位。此法主要用于測量交流定子繞組，鐵心及結構件的溫度。

采用這種方法要求在電機的繞組層間至少埋置六個檢溫計，且沿著圓周均勻地分布。檢溫元件應盡可能做的尺寸小，在保證安全的前提下（如熱電偶元件要有可靠的絕緣）應盡量放在繞組中最熱部位。有些檢溫計用于運行時測量溫度，有些用于試驗時測量溫度。如果僅用于試驗時測量溫度，那么試驗后，可將這些檢溫元件的引出線切去且進行可靠絕緣。

檢溫計的埋置部位要根據每槽的有效元件（線圈）邊數來確定。如每槽有兩個線圈邊，檢溫計應埋置于槽內兩個線圈邊之間。如每槽只有一個線圈邊，檢溫計應埋置于槽楔和繞組絕緣外層預計為最熱處之間，在這種情況下，一般不以埋置檢溫計法的測量數據作為考核溫升的依據。如將檢溫計埋置于槽底，則其讀數便是鐵心溫度。

用埋置檢溫計來測量電機旋轉部件如直流電機電樞的溫度，共有兩種方法。一種是將檢溫計引線固定于旋轉部件的接線板上，待停機后把它迅速接至相應的測量儀表。采用這種方法時，需外推修正至電源切斷瞬間。另一種方法是將檢溫計通過集電環上的電刷移至測量儀表。這種測量方法的最大困難是要確保集電環與電刷可靠接觸，電刷應有穩定的很小電阻。

每個檢溫計在埋入時應注意與被測點的表面緊密接觸，并應有良好的保護措施，以免受到冷卻空氣的影響，否則不能真實地反映被測點的溫度，測量埋入式電阻溫度計的電阻時，應控制測量電流的大小及通電流的時間，使電阻值不因其本身的發熱而有明顯的影響。測量埋入式熱電偶時，熱電偶的熱電勢應用電位差計來測量。

（4）疊加法（雙橋帶電測量法）

本方法是利用雙臂電橋原理，在電機正常運行時，帶電測量交流定子繞組熱態電阻；也可以在電機靜止時不帶電測量繞組的冷態電阻。按電阻法即可獲得被測繞組在切離電源瞬間的溫升，因此不需要外推法進行溫度修正。這種方法分為低壓和高壓電機兩種測量方法。

①低壓電機帶電測溫法

此法適用于頻率50Hz，電壓400以下的0.6~100KW三相異步電動機和三相同步電機；特殊電機如交流換向器電機除外。被測電機的繞組必須具有六個出線端或者具有中性點向外引出的星形接法繞組。

②高壓電機帶電測溫法

此法適用于測量星形接法或雙星形接法電機的定子繞組。試驗時，繞組的中心點應引出機外。測量在運行時的三相繞組的并聯電阻值，將它與實際冷態下的三相并聯電阻相比較，以此確定三相繞組的平均溫升。

（5）無線電測量轉子溫度國內外對利用無線電測量法來測量電機轉子溫度已進行了不少研究。有的已在現場試驗上取得了效果。此法優點可以用非接觸方法連續測定電機轉子某個部件的溫度變化。

無線電測量的工作原理是利用預埋在轉子中電阻測溫元件（一般有鉑熱電阻元件、金屬膜熱敏電阻、半導體熱敏電阻等）的阻值隨著溫度變化的關系得到電壓信號，再經過電壓頻率轉換，使其轉換為頻率，并通過高頻載波后由無線電發射器將高頻波發射出電機外部。以上這些部件都必須安裝在轉子上與轉子一起旋轉。在電機外部裝有無線電接收器及數字顯示裝置，它將接收到的高頻載波信號進行調諧、高頻放大，檢波變為低頻信號，再經過放大、整形，然后輸給計數器進行數字顯示。

由于無線電測量裝置必須安裝在轉子上，且體積較大，故一般僅在大型電機上為研究轉子有關部位時的溫度使用。

（6）紅外測溫

紅外測溫是利用物體表面輻射能對物體的溫度進行測量。它也是一種非接觸式測溫裝置。

對測量300ºC以下的轉子表面溫度，適宜采用部分輻射溫度計。它通過濾光片及傳感元件僅對物體輻射出來的某一波段范圍發出的輻射能量進行測量。這樣對外來光的干擾也限于這一被測波段，所以受干擾的影響比較小。

（7）溫度指示器

溫度指示器不直接測定電機溫度，只能以一定的形式反映出電機某部位表面溫度已經達到了某一數值。電機試驗所采用的溫度指示器有熱敏顏料和易熔材料兩種。

熱敏材料是一種在不同溫度下能顯示不同顏色的材料。它又可以分為兩種：一種是可逆的，在高溫下它顯示出一定顏色，而冷卻后恢復到原來的顏色，另一種是不可逆的。電機溫升實驗再冷卻后，顏料仍停留在溫升實驗時的顏色。電機試驗多采用后者。熱敏顏料一般做成粉筆形狀，涂在轉子表面，用來觀察表面溫度在溫升試驗中是否達到一定值。這種顏料的特點是可靠性差，因為顏色的改變不僅取決于溫度，而且取決于受熱的持續時間，當溫度超過一定限值時，熱敏筆開始變色，但有時溫度還沒達到預定溫度，而由于持續時間較長，熱敏筆同樣也將緩慢地改變顏色，以致造成較大測量誤差。

易熔材料較熱敏顏料的可靠性為高，一般做成鈕扣狀，使用時將它粘附在被測物的表面，當達到預定溫度后，它就熔化脫落。用它測量轉子溫度時，應選用合適的尺寸以保證在被熔化前不會被轉子表面的離心力拋出。易熔材料的熔化溫度隨原材料的配合比例和材料純度而異。

總的說來，以上兩種溫度指示器很少應用于電機的溫度測量上，只是為了粗略估計轉子的表面溫度時才考慮它們的應用。

2.3本章小節

本章對電機的常用的概念進行了闡述，對目前的各種測溫方法進行了比較，為下一步做進行硬件設計原理進行分析，其中限于當前的實驗條件與電機生產廠家的要求，我們采用的是電機表面測溫法。

第3章硬件設計

硬件部分是整個控制系統的基礎，其性能的好壞對于系統的功能是否可以實現至關重要。除了工作性能以外，經濟指標也是工業應用系統在設計過程中要考慮到的一個重要因素，尤其是在我國當前經濟不發達的情況下，能夠長期占據市場的將是那些高性價比的產品。本設計主要是對時間、溫度進行檢測，以此為核心展開工作。單片機構成的控制系統結構簡單,工作穩定,加上采用成熟的集成電路，使系統幾乎免維護,符合作為檢測的工程要求,充分體現了其小型化、智能化的優點。考慮以上優點，本系統以單片機為核心來實現。

3.1硬件設計的原則[32]

單片機應用系統的硬件電路設計包含兩部分內容：

系統擴展，即單片機內部的功能單元，如ROM、RAM、I/O、定時器/計數器、中斷系統等不能滿足應用系統的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當的芯片，設計相應的電路。

系統的配置，即按照系統功能要求配置外圍設備，如鍵盤、顯示器、打印機、A/D、D/A轉換器等，要設計合適的接口電路。

系統的擴展和配置應遵循以下原則：

（1）盡可能選擇典型電路，并符合單片機常規用法。為硬件系統的標準化、模塊化打下良好的基礎。

（2）系統擴展與外圍設備的配置水平應充分滿足應用系統的功能要求，并留有適當余地，以便進行二次開發。

（3）硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。硬件結構與軟件方案會產生相互影響，考慮原則是：軟件能實現的功能盡可能由軟件實現，以簡化硬件結構。但必須注意，由軟件實現的硬件功能，一般響應時間比硬件實現長，且占用CPU時間。

（4）系統中的相關器件要盡可能做到性能匹配。如選用CMOS芯片單片機構成低功耗系統時，系統中所有芯片都應盡可能選擇低功耗產品。

（5）可靠性及抗干擾設計是硬件設計必不可少的一部分，它包括芯片、器件選擇、去耦濾波、印刷電路板布線、通道隔離等。

（6）單片機外圍電路較多時，必須考慮其驅動能力。驅動能力不足時，系統工作不可靠，可通過增設線驅動器增強驅動能力或減少芯片功耗來降低總線負載。

（7）盡量朝“單片”方向設計硬件系統。系統器件越多，器件之間相互干擾也越強，功耗也增大，也不可避免地降低了系統的穩定性。隨著單片機片內集成的功能越來越強，真正的片上系統SoC已經可以實現。

3.2單片機系統設計

3.2.1單片機部分

將CPU、RAM、ROM、定時器/計數器以及輸入/輸出(I/0)接口電路等主要計算機部件集成在一塊的集成電路芯片為單片微型計算機(SingleChipMicrocomputer)，直譯為單片微機或單片機。但現在國際上通用的,更準確地反映單片機本質的叫法應該是微控制器（Microcontrol-MCU)。

關于如何選擇單片機，從以下幾個方面綜合來考慮[31]：

1.單片機的基本參數，例如速度，程序存儲器容量，I/O引腳數量。

2.單片機的增強功能，例如看門狗，雙指針，雙串口，RTC（實時時鐘），EEPROM，擴展RAM，CAN接口，I2C接口，SPI接口，USB接口。

3.Flash和OTP（一次性可編程）相比較，最好是Flash。

4.封裝DIP（雙列直插），PLCC（PLCC有對應插座）還是貼片。DIP封裝在做實驗時會更方便一些。

5.工作溫度范圍，工業級還是商業級。如果設計戶外產品，必須選用工業級。

6.功耗，比如設計并口加密狗，信號線取電只能提供幾個mA,用PIC就是因為低功耗。

7.工作電壓范圍。例如設計電視機遙控器，2節干電池供電，至少應該能在1.8~3.6V電壓范圍內工作。

8.供貨渠道暢通，價格低。

9.燒錄器價格低，如果是ICP（把單片機放在燒錄器上編程）能否利用現有的燒錄器，如果是表貼封裝，買一個轉接座也很貴，至少得一二百元。能否ISP（在系統編程，即把芯片先焊到板子上再通過預留的ISP接口編程），一般ISP編程器比較便宜。

10.仿真器價格。對于FLASH型單片機，仿真器不是必備的。但是對于OTP（一次性可編程）型單片機，必須使用仿真器。

11.單片機編程環境方便好用，如keil。

12.網站速度快，資料豐富。包括芯片手冊，應用指南，設計方案，范例程序。最好有中文，Atmel就非常好。

13.保密性能好。

14.抗干擾性能好。

15.和其他外設芯片放在一起工作的綜合考慮。

將以上的十幾條進行綜合考慮，選定了現在比較流行的AT89S52。AT89S52是美國Atmel公司出品的一款低功耗、高性能的8位CMOS單片機，片內含4kbytes的可系統編程的Flash只讀程序存儲器，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準8051指令系統及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，不再依靠專用的編程工具，改寫單片機存儲器內的程序再也不需要把芯片從電路板上拆下。從引腳上可以看出它的P1.5、P1.6、P1.7比標準的8051多出一樣復用功能，這三個引腳就是用來實現在系統編程(ISP)的SPI接口。Atmel公司的功能強大，低價位的AT89S52單片機可以提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。

AT89S52提供以下標準功能：4k字節Flash閃速存儲器，128字節內部RAM，32個I/O口線，看門狗（WDT），兩個數據指針，兩個16位定時/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89S52可降至0Hz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作，直到下一個硬件復位。

AT89S52集成51的內核，編寫程序、開發周期較快，市場價格約為6.5元,便宜且能滿足我們功能要求。其原理圖如下：

圖3.1AT89S52原理圖

3.2.2顯示部分

在現代的一些電子產品和一些開發系統中,為了進行人機交流,一般都有一個顯示信息的系統。本系統中，需要顯示當前時間、溫度、故障原因（例如定義“1”為時間到期、“2”為溫度越限等）。本系統顯示的信息量很小，所以采用發光二極管（LED，lightemittingdiode）做成的數碼管做顯示器。它的使用方法簡單，價格低廉。

3.2.2.1數碼管的分類

對于數碼管來說一般分為兩種，共陰極與共陽極，但是兩者的使用方法基本是相同的。根據不同的方面，可將數碼管進行分類[32]：

（1）根據LED的顯示譯碼方式,可以分為硬件譯碼和軟件譯碼兩種；(即我們系統處理的數據一般都是BCD碼或者是十六進制數,要顯示的話必須變成數碼管自身的段碼,這種變換可以用軟件的方法來直接實現,常用就是列一個段碼的表,作為一個數組,用尋址等方法將數據變成段碼,直接送給數碼管。還可以用硬件來實現碼的轉換,一般都是將BCD碼變成段碼。)

（2）根據LED顯示驅動連接方式,可以分為靜態顯示驅動和動態顯示驅動兩種。(靜態顯示就是每一個數碼管都由一組數據線控制,所有的數碼管都同時亮,而動態顯示就是所有要顯示的數碼管依次循環逐個顯示,只要頻率足夠高,肉眼就看不出閃爍,好像所有的同時顯示一樣。)

（3）根據數據輸入接口方式,可以分為并行輸入和串行輸入兩種。(數碼管要顯示必須要并行數據(一般為8位),控制系統可以直接輸出8位并行的數據,也可以利用串行輸出,再利用外部移位寄存器來實現串行變并行,最終將8位的數據輸出給數碼管。)

3.2.2.2芯片的選擇

為了合理地選擇芯片，我們將常用的芯片的異同點進行比較[33]，如表3.1所示

表3.1常用芯片異同點的比較

芯片名稱功能描述數據輸入方式可帶數碼管個數能否串接鎖存功能驅動功能備注

CD4558BBCD-7段并行4位1個否無無

MC14558BCD-7段并行4位1個否無無

MC14495二進制-7段并行4位1個否有有能輸出A-F

CD4495二進制-7段并行4位1個否有有能輸出A-F

MC14499BCD-7段并行4位有有

74LS48BCD-7段并行4位1個否有無

CD4511BCD-7段并行4位1個否有有

CD4513BCD-7段并行4位1個否有有增加消隱功能

CD4547BCD-7段并行4位1個否無有

CD4543BCD-7段并行4位1個否有無

CD4544BCD-7段并行4位1個否有無

74LS164無譯碼功能串行1個能有有

CD4094無譯碼功能串行1個能有有

MC14489無譯碼功能串行5個否有有

8279無譯碼功能并行8位16/32個否是有帶鍵盤,可編程

7279無譯碼功能串行16/32個否是有帶鍵盤,可編程

7219無譯碼功能串行8個否是有可編程

ZLG7289無譯碼功能串行8個否是有帶鍵盤,可編程

經過比較，選擇HD7279A芯片。該芯片具有串行接口,可以同時驅動8位共陰極數碼管和連接64鍵的鍵盤矩陣,單片機可以完成數碼顯示和鍵盤接口的全部功能,而且該芯片自帶RC電路,無需外接時鐘,與單片機的接口電路簡單,只需四條I/O線。圖3.1為HD7279的引腳圖,各個引腳的說明見下表3.2

表3.2HD7279引腳說明

引腳名說明

CS片選輸入端

CLK同步時鐘輸入端，上升沿有效

DATA串行數據輸入/輸出端

KEY按鍵有效輸出端，電平有效

SG~SA段g~段a驅動輸出

Dp小數點驅動輸出

DIG0~7數碼管0~7驅動輸出

CLKO振蕩輸出

RCRC振蕩器連接端

圖3.2HD7279引腳圖

本設計主要應用HD7279顯示功能，選擇8位數碼管，其中4位顯示故障的類型，另4位顯示時鐘芯片當前的時間或者是當前的溫度，這需要根據是否有按鍵按下來進行顯示。即上電的時候顯示當前的溫度，如果按下小鍵盤，則進行切換，顯示當前的時間，再按下小鍵盤則顯示當前溫度。其原理圖如下：

圖3.3HD7279的原理圖

3.2.3時間部分

該電機公司要求對電機的使用進行定時,到試用時間后自動跳閘,并顯示跳閘的原因。可以根據系統的性能要求，從接口方式、功耗、精度和功能幾方面入手選擇時鐘芯片。

接口方式

串行接口的實時時鐘芯片一般尺寸較小、成本較低，但通信速率也較低，實時性要求不是很高的情況下可以選用此類芯片。本設計對時間的顯示實時性要求不高，所以選用串行接口方式。這類芯片通常包括1-Wire（1線）接口、2線、3線、4線、I2C或SPI接口。

并行接口可實現存儲器的快速訪問并有較大的存儲容量，這類時鐘芯片適合于那些對成本和尺寸要求不是很苛刻的系統。

（2）功耗要求

電子產品對功耗的要求非常苛刻，尤其是電池供電的設備。為有效延長電池的使用壽命，實時時鐘芯片追求更低的功耗，工作電流的典型值大都低于0.5μA，最低至0.15μA，最低計時工作電壓普遍在1.4V以下。

（3）芯片尺寸

除了SOP、TSSOP等封裝形式，一些芯片采用更小的封裝，以節省電路板空間。

（4）時鐘精度

為RTC電路提供時鐘基準的一般是低成本的石英晶體。由于石英晶體具有機電敏感性和熱敏感性，其輸出頻率并不穩定，在極端條件下會導致系統時鐘每年走快或走慢長達100分鐘。在許多對精度要求苛刻的應用中，通常需要優于±10分鐘/年（或者±20ppm）的精度。為此，很多實時時鐘芯片都內置有時鐘調整功能，可以在很寬的范圍內矯正石英的頻率偏差。

（5）豐富的集成功能

可以參考系統所需的集成功能，例如閏年自動運算功能、萬年歷功能、內置時鐘調整功能和穩壓電路等對芯片進行選擇。如果RTC芯片集成了豐富的功能，將有效簡化電路設計，降低成本。

（6）軟件

雖然硬件電路不是很復雜，但不同的實時時鐘芯片在軟件方面各不相同，選擇時應該給予足夠的重視。

定時模塊在本次設計中很重要，從芯片的選擇，到定時電路的設計，查閱了很多資料，以求達到定時準確，芯片低功耗，上位機控制方便。

DS1302定時芯片是美國Dallas公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片；是一個綜合性能較好且價格便宜的串行接口實時時鐘芯片，它包含一個實時時鐘/日歷和31字節的靜態RAM，它和單片機通信經由一個簡單的串行接口。實時時鐘/日歷提供秒、分、時、日、周、月、年信息，月末日期自動調整，包括閏年的修正。時鐘可工作在24小時格式或12小時（AM/PM）格式，單片機與DS1302接口使用同步串行通信，僅需三根線連接。（1）復位，（2）I/O串行通訊，（3）SCLK串行時鐘。數據傳送從單片機到實時時鐘/RAM或實時時鐘/RAM到單片機，可以每次1字節或每次31字節，它可以工作在很低的耗電狀態以保存時鐘信息和數據，功耗小于1微瓦。

3.2.3.1DS1302的特征

DS1302的特征如下：

（1）31字節帶后備電池的RAM用于數據存儲；

（2）串行I/O口，引腳數量少；

（3）寬范圍工作電壓：2.0~5.5V；

（4）工作電壓2.0V時，電流小于300nA；

（5）讀/寫時鐘或RAM數據時有兩種傳送方式：單字節傳送和突發模式傳送；

（6）8腳DIP封裝或其它可選封裝；

（7）簡單的3線接口；

（8）與TTL兼容（VCC=5V）；

（9）可選工業級溫度范圍：-40ºC~+85ºC。

DS1302具有一個可編程的涓流充電器，主電源和備用電源的雙電源引腳，7個附加字節的暫存寄存器，包括移位寄存器、控制邏輯、振蕩器、實時時鐘和RAM。原理圖如下：

圖3.4DS1302原理圖

3.2.4測溫部分

一般溫度傳感器有熱敏電阻、RTD(電阻溫度檢測器)、熱電偶等。熱敏電阻長期受歡迎是因為它具有非常小的形狀因數、低成本和高靈敏度。其不足之處是有限的溫度范圍以及缺乏業界標準，使得置換困難。熱敏電阻也需要補償電路來克服非線性度。RTD通常用于精度和穩定度要求高的場合，但成本是決定因素。熱電偶用于監控極值溫度是理想的，但精度和穩定度較差，而且必須非常精確地在控制條件下測試[34]。

由于IC技術的發展，設計人員可用數字溫度傳感器替代分立溫度傳感器。數字溫度傳感器具有價格低、高精度、適用微型封裝、能工作在寬溫度范圍內等優點。在很多應用中，數字溫度傳感器正開始替代前面所述的傳感器。幾種溫度傳感器的性能比較見表

3.5所示。

表3.5幾種主要溫度傳感器的比較

名稱

特性RTD熱敏電阻熱電偶IC傳感器

常用材料鉑金屬氧化物陶瓷兩種不同的金屬硅

變化參量電阻電阻電壓電壓

成本（相對）中等-低中等-低低低

系統成本（相對）中等-低中等-低高低

附加電路引線補償線性化參考端無

溫度范圍-200ºC~850ºC-100ºC~500ºC-270ºC~1800ºC-55ºC~150ºC

交換能力0.06%~0.1%

0.3ºC~0.2ºC10%，2ºC

（典型值）0.5%，2ºC1%，3ºC

穩定度良好中等差中等

靈敏度0.39%/ºC-4%/ºC40V/ºC10mV/ºC

相對靈敏度中最高低中等

線性度良好對數性/差中等中等

斜率正負正正

噪聲靈敏度低低高低

相對于模擬傳感器，數字溫度檢測器完全是自己獨立完成工作，不需要另外的電路用于信號調理或線性化。數字溫度檢測器可以直接連接到微控制器，節省了設計時間、PCB面積和成本。它們可以靈活地降低電流消耗，這對于電池供電的應用特別有用。用戶也可以編程溫度限制值(THIGH和TLOW)，以供報警需求。若超過編程限值，可產生中斷，使微控制器進行操作。很多IC設計系統為了節省板大小和降低成本，把ADC和DAC集成在單芯片中。

3.2.4.1DS18B20簡介

DS18B20是DALLAS半導體公司設計生產的單總線數字溫度傳感器，體積很小，而且電壓適用范圍在3~5.5V，封裝形式除有SO/uSO的8PIN貼片式，還有更方便的三極管形式的TO－92封裝。測量溫度范圍為-55°C~+125°C，其A/D轉換的分辨率可用程序控制分別為9位、10位、11位和12位，最高分別率可以高達0.0625°C，但在-10~+85°C范圍內其精度為±0.5°C。每個DS18B20出廠時都有一個唯一的序列編號，就是說在同一個單總線系統中可以控制多個DS18B20。

3.2.4.2DS18B20硬件組成

(1)64位激光ROM。64位激光ROM從高位到低位依次由8位CRC、48位列號和8位家族代碼(28H)組成。

(2)溫度靈敏元件。

(3)非易失性溫度報警觸發器TH與TL。可通過軟件寫入用戶報警上下限值。

(4)配置寄存器。配置寄存器為中間結果暫存器中的字節4。配置寄存器可以設置DS18B20溫度轉換的精度。可以設置成精度為9位、10位、11位、12位。上電缺省的分辨率為12位精度。用戶可根據需要改寫配置寄存器以獲得合適的分辨率。DS18B20溫度傳感器的內部存儲器包括一個中間結果暫存器和一個非易失性的電可擦除EEPROM，后者存放高溫度報警TH、低溫度報警TL和配置寄存器的值。暫存器包含了8個連續字節，前兩個字節是測得的數字溫度數值，第一個字節的內容是溫度的低八位，第二個字節是溫度的高八位。第三個和第四個字節是TH、TL，第五個字節是配置寄存器，這三個字節的值可以保存在電可擦除的只讀存取器(EEPROM)中，掉電后數據不丟失，上電復位時數據從EEPROM載入中間結果暫存器。第

六、

七、八個字節內部保留。第九個字節是循環冗余檢驗CRC字節。

3.2.4.2DS18B20的供電方式

DS18B20的電源供電方式有兩種：外部供電方式和寄生電源方式。工作于寄生電源方式時，VDD和GND均接地，它在需要遠程溫度探測和空間受限的場合特別有用，原理是當1-Wire總線的信號線DQ為高電平時，竊取信號能量給DS18B20供電，同時一部分能量給內部電容充電，當DQ為低電平時釋放能量為DS18B20供電。但寄生電源方式需要強上拉電路，軟件控制變得復雜(特別是在完成溫度轉換和拷貝數據到EEPROM)，同時芯片的性能也有所降低。因此，在條件允許的場合，盡量采用外供電方式。DS18B20與單片機連接的原理圖：

圖3.5DS18B20與單片機連接的原理圖

3.2.5通訊部分

3.2.5.1電平轉換

為保證數據可靠傳送，RS-232C標準規定發送數據線TXD和接收數據線RXD均采用EIA電平，即傳送數字“0”時，傳輸線上的電平在-3~-15V之間；傳送數字“1”時，傳輸線上的電平在+3~+15V之間。但單片機串行口采用正邏輯的TTL電平，這樣就存在TTL電平與EIA電平之間的轉換問題，例如當單片機與PC機進行串行通信時，PC機COM1或COM2口發送引腳TXD信號是EIA電平，不能直接與單片機串行口接收端RXD引腳相連；同樣單片機串行口發送端TXD引腳輸出信號采用正邏輯的TTL電平，也不能直接與PC機串行口COM1或COM2的RXD端相連。

RS-232C與TTL之間電平轉換芯片主要有傳輸線發送器MC1488(把TTL電平轉成EIA電平)、傳輸線接收器MC1489(把EIA電平轉成TTL電平)以及MAX232系列RS232電平轉換專用芯片。

其中傳輸線發送器MC1488含有4個門電路發送器，TTL電平輸入，EIA電平輸出；而傳輸線接收器MC1489也含有4個接收器，EIA電平輸入，TTL電平輸出，但由MC1488和MC1489構成的EIA與TTL電平轉換器需要±12V雙電源，而單片機應用系統中一般只有+5V電源，如果僅為了實現電平轉換增加±12V電源，體積大、成本高。而MAX232系列芯片集成度高，單+5V電源(內置了電壓倍增電路及負電源電路)工作，只需外接5個容量為0.1~1μF的小電容即可完成兩路RS-232與TTL電平之間轉換，是單片機應用系統中最常用的RS-232電平轉換芯片。

系統通過上位機實現對單片機系統、定時芯片的控制，MAX232通訊模塊實現了這一功能。上位機通過VB界面以及VB中CommControl6.0控件組成上位機控制界面，與單片機系統中MAX232模塊一起完成總體通訊、控制功能。

3.2.5.2MAX232芯片介紹

MAX232產品是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標準的芯片。該器件包含2個驅動器、2個接收器和一個電壓發生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。

該器件符合TIA/EIA-232-F標準，每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉換成5VTTL/CMOS電平。每一個發送器將TTL/CMOS電平轉換成TIA/EIA-232-F電平。圖3.6MAX232引腳圖

RS-232C串行接口標準主信道重要信號含義：

TXD：串行數據發送引腳，輸出。

RXD：串行數據接收引腳，輸入。

DSR：數據設備(DCE)準備就緒信號，輸入，主要用于接收聯絡。當DSR信號有效時，表明本地的數據設備(DCE)處于就緒狀態。

DTR：數據終端(DTE)就緒信號，輸出。用于DTE向DCE發送聯絡，當DTR有效時，表示DTE可以接收來自DCE的數據。

RTS:發送請求，輸出。當DTE需要向DCE發送數據時，向接收方(DCE)輸出RTS信號。

CTS：發送允許或清除發送，輸入。作為“清除發送”信號使用時，由DCE輸出，當CTS有效時，DTE將終止發送(如DCE忙或有重要數據要回送DTE)；而作為“允許發送”信號使用時，情況剛好相反：當接收方接收到RTS信號后進入接收狀態，就緒后向請求發送方回送CTS信號，發送方檢測到CTS有效后，啟動發送過程。

圖3.7通訊原理圖

3.2.6報警部分

執行機構為繼電器，繼電器帶固態繼電器，設計時考慮單片機使用的5V電源,所以，繼電器我們也用5V控制比較方便，固態繼電器的控制線圈100mA便可以驅動，在設計時選擇5v、100mA的繼電器。固態繼電器選擇380VAC、150A電流輸出。這樣就可以有效的切斷主回路的電流。同時，我們可以提供采用蜂鳴器和二極管實現聲光報警，如果該系統出現故障，進行相應的動作。原理圖如下：

圖3.8報警原理圖

3.2.7電源部分[35]

目前市場上各式各樣的模塊電源、開關電源產品很多，可根據以下原則對電源模塊進行選擇。

1.掌握所需電源的一般性參數，在設計過程中，電壓、電流以及必要的一些輔助功能。電壓、電流是最基本的兩個參數，例如電源是給主板CPU供電，需要5伏電壓，電流需要根據系統功耗計算得知，如5A，那么我們在實際購買中是不是就選擇5V/5A的電源呢？我們在設計時都會有一定的降額設計，一般我們選擇略微比實際使用功率高20%，這樣電源工作效果比較好,可靠穩定,系統輕微的過載也無關緊要。即：在選擇功率時一般要比實際使用功率大于20%即可。

2.外形尺寸，根據設備的空間來選擇合適的電源，一般我們要求越小越好，但是體積小、價格高，而且發熱大，所以不要盲目追求小體積。

3.溫度，確定電源使用的環境溫度，選擇適合的電源模塊。模塊電源廠家一般給出的溫度是電源模塊的殼溫，如-25ºC~+85ºC，那么85ºC表示電源外殼溫度最高可以達到85ºC，如果超過85ºC，電源就可能進入保護狀態或損壞。在選擇電源時一定要考慮自身的環境溫度和電源的工作效率，效率高溫升就低，反之效率低溫升就高。

4.安裝方式，模塊電源有兩種封裝形式，一種是引針式，一種是端子式。引針式可以直接焊在PCB印制線路板上，選擇這種電源時應盡量選擇標準產品（即各廠家的引針方式都一樣，便于更換廠家），這種形式電源如需散熱，可配裝散熱器（一般廠家有配套產品）。端子式是用接線端子連接電源輸出和用電設備，電源可直接固定于設備的外殼上，并借助外殼散熱。

5.電壓精度，也就是電壓的穩定度。一般廠家所給出的電壓精度為1%上下，是表示單路輸出的情況，如果有兩路或三路輸出，只表示主路的電壓精度，副路電壓精度要低，我公司生產的多路產品副路的電壓精度一般為3%范圍。如果多路輸出電壓中，每路電壓精度都要求比較高，那不能選擇這樣的電源，而需要選擇每路獨立穩壓的電源，各路電壓精度都比較高（相當于把多個電源做在一塊板子上）。

6.可靠性，可靠性的指標用平均無故障時間MTBF來表示。

7.輸入電壓的范圍。

綜合以上，我選擇了捷力達電源模塊JME%-A2S05，可以將220V交流電轉換為5V直流電，但體積較大。市場價格在四十元左右，代替了傳統的變壓器，可以裝到PCB板上。220V交流電可以由三相電中的任一相與地線相連來提供。本實驗中所使用的電源模塊的原理圖：

圖3.9電源原理圖

3.2.8ISP下載線

AT89S52單片機增加了在線編程功能，其硬件實現也非常簡單。DB25針接頭，一片74HC373。6個插針分別接ISP電源、單片機P1.5、P1.6、P1.7、ISPRST、ISP地線。在單片機系統中留出上述6個插頭，制作好下載線可以隨時修改程序，當然也可以在線編輯程序，在沒有仿真器的情況下，大大提高了我們的工作效率，為我們編寫調試程序提供了很大的方便。ISP下載線的原理圖如下：

圖3.10ISP下載線的原理圖

3.3本章小節

本章中，通過對資料的詳細了解，根據相關的原則對硬件進行了選擇。本系統的完整硬件如下：以AT89S52單片機進行數據采集、處理、傳輸，結合定時芯片DS1302進行定時控制，顯示芯片HD7279顯示當前時間，當前溫度及跳閘原因等,選用串行通信總線接口RS-232標準接口，來實現單片機與PC機雙向通信的功能，通過上位機發送定時時間和報警時間。

第4章軟件設計

4.1軟件設計的原則

通常軟件設計先畫程序流程圖，然后根據流程圖編寫程序。常用的設計技術有三種：

一、模塊法(BlockProgramming)：把一個長的程序分成若干較小程序模塊進行設計和調試，然后再把各個模塊連接起來。此方法便于編程、糾錯、調試。

二、自頂向下法（Top-downProgramming）：概括的說，就是從整體到局部，最后到細節。

三、結構化程序設計（StructuredProgramming）:各程序模塊可分別設計，一個模塊只有一個入口，一個出口，然后用最小接口組合起來。結構化程序設計的程序其執行速度較慢，占用存儲器較多。

4.2主程序流程

本系統中主程序中，電機測溫是完成其功能的核心。首先進行初始化，完成自檢后進入數據采集過程，進行溫度采集與設定值相比較，若達到設定值則單片機輸出結果并跳閘顯示，否則進入下一輪采樣。顯示功能應該實時進行，利用掃描的方式寫。而那些出現頻率不高的程序，如上位機通訊，應該利用中斷方式編寫。另外系統參數設置等應該運行一次,不能寫入循環程序。具體的流程如圖4.1所示：

圖4.1主程序流程

4.3下位機軟件設計

本系統在設計中采用模塊化進行軟件設計。主要有鍵盤顯示模塊、報警模塊、溫度模塊、通信模塊，采用模塊法編寫的程序易讀易懂，結構清晰，模塊法能更有利于程序的設計和調試。下位機程序主要完成以下幾個任務:鍵盤顯示、越限報警、溫度顯示、上位機通信等，采用C語言編程。

KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。

KeilC51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，全Windows界面。只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到KeilC51生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢。

使用KeilC51編輯以及調試程序非常簡便，與WINDOWS下的應用軟件一樣。KeilC51可直接生成.HEX文件，可直接通過ISP下載線燒寫到單片機內。

4.3.1鍵盤程序

鍵盤子程序主要完成當前時間、溫度及故障類型的顯示。系統正常工作時，LED循環顯示當前的時間和當前的溫度。按任意鍵可以實現溫度與時間的切換。當故障出現時，LED顯示出故障類型。

本系統的鍵盤顯示部分摒棄了傳統的串行移位寄存器驅動方式，采用專用的集成芯片HD7279a，它是一片具有串行接口的可同時驅動8位共陰式數碼管(或64只獨立LED)的智能顯示驅動芯片,該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣,單片即可完成LED顯示鍵盤接口的全部功能。

（1）時序圖分析

HD7279芯片輸入輸出方式為串行，編程時數據的寫入讀出按照其時序圖編寫，在片選使能后，在CLK管腳的下降沿寫入讀出數據，具體的時序圖如圖4.2所示：

圖4.2HD7279純指令時序圖

HD7279芯片有兩種寫入指令，即純指令、帶數據的指令。純指令占一個字節，數據也是占一個字節，帶數據指令可以分開兩次寫入，先寫指令，再寫數據，這樣只要寫好一個字節的發送時序，多個字節的發送只要調用單字節發送字函數就可以了。如圖4.3所示：

圖4.3HD7279帶指令時序圖

讀鍵盤時序如圖4.4所示：

圖4.4讀鍵盤指令時序圖

（2）鍵盤顯示子程序流程

由于HD7279芯片內部有自動掃描功能，因此不需要單片機提供掃描，只是在要改寫顯示的時候才重寫入一次；HD7279內部自帶鍵盤去抖程序，也不需要軟件去抖，當有穩定的按鍵按下后，在KEY管腳處出現低電平，硬件上將KEY管腳接在了外部中斷上，因此利用中斷方式處理鍵盤就可以了。流程圖如圖4.5所示：

圖4.5鍵盤顯示流程

4.3.2時鐘程序

時鐘芯片選用的是DS1302，該芯片配合外部專用晶振就可以運行，該芯片有兩個電源管腳，工作電源和備用電源，該芯片為低功耗芯片，根據客戶的需要,只使用紐扣電池供電，只要可以提供三個月的使用即可。紐扣電池的一般容量為140~150mAH,而DS1302在電壓為2.0V時,電流僅為300nA,所以足夠滿足用戶的需要。電動機保護器斷電時可以進行掉電保護。由于內部寄存器具有掉電保護功能，因此編寫程序時,利用7個字節來保存設定的到期時間的數據，再利用另外的RAM保存溫度的門限值和密碼。這樣當保護器掉電時DS1302芯片由紐扣電池供電，保存數據,當電機和電機保護器斷電時,設定的數據不會丟失，保證了本系統的安全性。本設計中時間寄存器和內部寄存器的修改用串行通訊,利用VB界面來實現。

(1)時鐘芯片的時序分析

DS1302芯片接口方式為同步串行，讀寫時應該把片選管腳拉高，在時鐘CLK管腳的下降延讀出或寫入數據。該芯片的數據傳輸方式有時鐘單字節數據傳輸方式、時鐘多字節數據傳輸方式、寄存器單字節傳輸方式、寄存器多字節傳輸方式。而這些傳輸方式都可以分解為單字節傳送方式，因此只要底層的單字節輸入輸出子函數按照圖4.5的時序圖寫好后，其它的函數調用此函數就可以實現。

圖4.6DS1302數據傳輸時序圖

(2)時鐘芯片控制指令

讀出或寫入DS1302芯片數據時，首先要向數據口發送1個字節的命令字，該命令字的格式如表4.1所示，最高位為引導位，應該寫入1，第6位為選擇時鐘寄存器還是內部寄存器的選擇位，1是內部寄存器，0是時鐘寄存器，A5-A0是寄存器的地址位，第0位控制操作為讀或寫。

表4.1DS1302命令字格式

76543210

1RAMA4A3A2A1A0RD

(3)時鐘芯片子程序流程

時鐘寄存器為多字節寄存器，各個寄存器地址按照順序排列，因此應該采用循環的方式編寫。每寫入或讀出一位寄存器時，首先寫入地址，然后寫入或讀出該地址的數據，每接收或發送一個字節調用一次接收或發送子程序。這樣多個連續地址的寄存器便可以被連續的操作。該流程圖如圖4.7所示：

圖4.7時鐘多字節操作流程

4.3.2測溫程序

4.3.2.1DS18B20的操作順序

為了保證數據可靠地傳輸，任一時刻1-Wire總線上只能有一個控制信號或數據。進行數據通信時應符合1-Wire總線協議，訪問DS18B20的操作順序遵循以下三步:

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總線上的所有傳輸過程都是以初始化開始的，主機發出復位脈沖，從機響應應答脈沖。應答脈沖使主機知道，總線上有從機設備，且準備就緒。

(2)ROM命令

在主機檢測到應答脈沖后，就可以發出ROM命令。這些命令與各個從機設備的唯一64位ROM代碼相關，允許主機在1-Wire總線上連接多個從機設備時，指定操作某個從機設備。這些命令還允許主機能夠檢測到總線上有多少個從機設備以及其設備類型，或者有沒有設備處于報警狀態。共有5種ROM命令，它們分別是：讀ROM、搜索ROM、匹配ROM、跳過ROM、報警搜索。對于只有一個溫度傳感器的單點系統，跳過ROM(SKIPROM)命令特別有用，AT89S52不必發送64比特序列號，從而節約了大量時間。對于1-Wire總線的多點系統，通常先把每一個溫度傳感器DS18B20的64比特序列號測出，要訪問某一個從屬節點時，發送匹配ROM命令(MATCHROM)，然后發送64比特序列號，這時可以對指定的從屬節點進行操作。

(3)DS18B20功能命令

在主機發出ROM命令，以訪問某個指定的DS18B20后，接著就可以發出DS18B20支持的某個功能命令。這些命令允許主機寫入或讀出DS18B20暫存器、啟動溫度轉換以及判斷從機的供電方式。DS18B20的功能命令有：溫度轉換、寫暫存器(WRITESCRACHPAD)、讀暫存器(READSCRACHPAD)、拷貝暫存器(COPYSCRACHPAD)、恢復EEPROM(RECALLE2)、讀取電源供電方式(READPOWERSUPPLY)。AT89S52發出溫度轉換命令后，DS18B20采集溫度并進行A/D轉換，結果保存在暫存器的字節0和字節1。寫暫存器(WRITESCRACHPAD)命令，AT89S52把三個字節的數據按照從LSB到MSB的順序寫入到暫存器的TH、TL和配置寄存器中。拷貝暫存器(COPYSCRACHPAD)命令將暫存器中TH、TL和配置寄存器的值保存到E2PROM中。讀暫存器(READSCRACHPAD)命令將讀取暫存器中9個字節的數值，其中最后一個字節是循環冗余圖4.8初始化時序圖

校驗CRC，用于檢驗讀取數據的有效性。

4.3.2.21-Wire總線信號時序

所有的1-Wire總線器件要求采用嚴格的信號時序，以保證數據的完整性。DS18B20共有6種信號類型：復位脈沖、應答脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1。所有這些信號，除了應答脈沖以外，都由主機發出同步信號。并且發送所有的命令和數據都是字節的低位在前。

(1)復位脈沖和應答脈沖

1-Wire總線上的所有通信都是以初始化序列開始。AT89S52輸出低電平，保持低電平時間至少480s，以產生復位脈沖。接著，AT89S52釋放總線，4.7K上拉電阻將1-Wire總線拉高，延時15~60s，并進入接收模式(Rx)。接著DS18B20拉低總線60~240s，以產生低電平應答脈沖，若為低電平，再延時480s。

(2)寫時隙

寫時隙包括寫0時隙和寫1時隙。所有寫時隙至少需要60s，且在兩次獨立的寫時隙之間至少需要1s的恢復時間，兩種寫時隙均起始于AT89S52拉低總線。寫1時隙：AT89S52輸出低電平，延時2s，然后釋放總線，延時60s。寫0時隙：AT89S52輸出低電平，延時60s，然后圖4.9寫時序

釋放總線，延時2s。

(5)讀時隙

1-Wire總線器件僅在主機發出讀時隙時，才向主機傳輸數據。所以，在主機發出讀數據命令后，必須馬上產生讀時隙，以便從機能夠傳輸數據。所有讀時隙至少需要60s，且在兩次獨立的讀時隙之間至少需要1s的恢復時間。每個讀時隙都由主機發起，至少拉低總線1s。主機在讀圖4.10讀時序

時隙期間必須釋放總線，并且在時隙起始后的15s

之內采樣總線狀態。典型的讀時隙過程為：AT89S52輸出低電平延時2s，然后AT89S52轉入輸入模式延時12s，然后讀取1-Wire總線當前的電平，然后延時50s。

智能保護器的測溫流程如圖4.11所示：

圖4.11測溫流程圖

4.3.3串行通訊程序

MCS51單片機的串口是一個全雙工接收緩沖式的串行通訊接口，可以同時發送和接收數據，它可以作UART(通用異步接收和發送器)用，也可以作同步移位寄存器用。串行口緩沖器SBUF是可直接尋址的特殊功能寄存器。在物理上，數據接收寄存器和數據發送寄存器的地址都是99H，這兩個寄存器都用符號SBUF來表示。實現串行通訊首先要初始化串口波特率，設置串口的工作方式。

(1)工作時序分析

單片機的串口有四種工作方式，在本系統中利用發送和接收8位2進制數據，選擇串行口的工作方式1，即8位異步通訊接口方式，一幀信息由10位組成。方式1的波特率可變，由定時器/計數器T1的溢出波特率以及SMOD決定，且發送波特率可以不同。該工作模式為異步傳輸，異步傳輸的特點是數據在線路上的傳輸不連續。傳送時，數據是以一個字節為單位進行傳送的。它用一個起始位表示字符的開始，用停止位表示字符的結束。根據異步串口的特性，本系統采用中斷的方式編寫串行通訊子程序。其工作的時序圖如圖4.12所示：

圖4.12串行通訊時序圖

(2)串行通訊控制命令

異步串行口的工作方式由SCON寄存器控制，配置SM0、SM1為10，則串口工作于方式1。本系統的通訊部分在主程序中是以中斷的方式編寫的，因此使能IE中斷控制寄存器中的ES位。異步串口需要有一個時鐘作為串行通訊的時鐘，即波特率。在本設計中以定時器1作為波特率發生器，配置TMOD控制寄存器，設置定時器1工作于方式2，即自動重裝方式，而且定時器溢出不產生中斷，這樣再配合波特率倍增PCON寄存器，就可以連續的為串口提供穩定的波特率。

表4.2串口程序相關的控制寄存器

SCONSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI

PCONSMOD------GF1GF0PDIDL

TMODGATEC/TM1M0GATEC/TM1M0

TCONTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IE1

IEEA--ET2ESETEX1ET0EX0

(3)串行通訊流程圖

在本系統中，主要利用和上位機的串行通訊來實現對門限溫度、時鐘參數的設置，上位機發的數據格式為8位的2進制數，因此在編程時，每次傳輸都以一個字節為最小單位。接收到的第一個字節作為命令字，這時根據此命令字所定義的功能來判斷以下工作。如果命令是修改時間寄存器，則連續接收7個字節的數據，調用修改時間寄存器函數；如果命令是修改定時的內部寄存器，也連續接收7個字節的數據，調用修改DS1302內部寄存器的功能函數；如果是修改門限溫度，則接收一個字節的數據，修改門限對應的寄存器。在傳輸過程中上位機的數據格式要與下位機配合使用，這樣才能實現通訊。

串行接收流程傳送發送流程轉載請注明來源:畢業論文需要其他論文可去論文范文查找。查看本站未公布的論文

圖4.13串行通訊流程圖

4.4上位機軟件設計

4.4.1VB界面的設計

上位機采用普通PC機為監控主機，通信軟件在中文WindowXP環境下用專業版軟件VisualBasic6.0上開發。Windows是大多數PC機用戶所選擇的圖形用戶界面(GUI)，而VisualBasic的“可視性”及“面向事件”的特征使得基于Windows環境的通信軟件的開發更加簡單。溫度上限與定時時間是通過VB界面設定。

VB軟件為可視化的面向對象編程，本設計中只操作了串口控件，利用VisualBasic與單片機通訊時，本設計所使用的波特率是9600bps。不進行奇偶校驗，數據是8位,停止位是1位。MSComm控件的Setting屬性的設置為“9600，n，8，1”。當單片機向上位機發送數據時，接收時，VisualBasic可以將MSComm的InputMode屬性設置為ComInputMode為Binary方式（以二進制接收數據）。當利用VisualBasic向單片機發送數據時，如果是一組十六進制的數據，可以將這組數據設置為Byte型數據。這樣在單片機一方接收的數據就是一組十六進制的數據，不然，單片機接收到的是一組ASCII碼，而且當發送的數據大于128位時，單片機就會接收到錯誤的數據。

在設計過程中引用了MicrosoftCommControl6.0控件，該控件的屬性介紹如下：

4.4.2通訊控件屬性分析

(1)CommPort屬性

CommPort屬性用于設置或返回通信連接端口號碼。程序必須指定所要使用的串行端口的號碼，Windows系統會通過所設置的通信端口與外界通信

(2)Setting屬性

Setting屬性用于設置初始化參數。以字符串的形式設置或返回聯機速率、奇偶校驗、數據位、停止位等四個參數。其格式為：“BBBB,P,D,S”其中BBBB表示聯機速率，P表示奇偶校驗位檢查方式，D表示數據位，S表示停止位。默認值是“9600，N，8，1”，它表示所使用的通信端口是以每秒9600位的速率進行傳輸，不進行奇偶校驗位的檢查，每個數據位是8個位，而停止位是1個位。而這四項必須是按照順序，不可前后對調；其中的字母可以是大寫或小寫。聯機的速率為110bps,300bps,600bps,1200bps,2400bsp,9600bps等。Setting設置完成以后，所傳輸及接收的字符串便以此設置為準，通信雙方，Setting設置必須完全一樣，彼此才能順利的通信，否則雙方將無法正確的接收到彼此所傳輸的信號。

(3)PortOVIpen屬性

PortOpen屬性用于設置或返回連接端口的狀態。使用串行端口之前必須先將要使用的端口打開，而在使用完畢之后，也必須執行關閉操作。串行通信端口各項功能都是在PortOpen的True與False之間完成。

(4)Input屬性

Input屬性用于從輸入緩沖區返回并刪除字符。程序靠這個命令將對方傳到輸入緩沖區中的數據讀進程序中，并清除緩沖區中以被讀取的數據。

(5)Output屬性

Output屬性用于將要發送的數據輸入傳輸緩沖區。當程序需要傳輸字符串到對方時，可以將字符串使用此命令輸入輸出緩沖區中，一般的數據均是在送達輸出緩沖區后隨即被送出，當MSComm控件設置有發送閥值屬性時，則就會生成事件。

(6)InputLen屬性

InputLen屬性用于指定由串行端口讀入的字符串長度或字節數。VisualBasic程序可使用Input命令將存放在輸入緩沖區的字符讀入，但要指定讀入的字符長度則需要設置本屬性。若指定讀取的單位是字節，則是讀入字節的個數。

(7)HandShaking屬性

HandShaking屬性用于指定通信雙方的握手協議。所謂“握手協議”也就是就是流量管制。握手協議只有在緩沖區沒有超速的情況下，才能保證數據不被遺失。而緩沖區超速是指數據到達端口的速度太快，以至于通信裝置來不及將數據移到接收緩沖區。握手協議所要進行的是數據傳輸速度的控制，因此也被稱為“流量控制”；簡單的說，當雙方傳輸數據時，如果一方送出的數據的速度快于另一方所能處理的速度時，接收的一方要求發送的一方暫停送出數據，待接收的一方處理完數據之后，再通知發送方繼續發送未傳完的數據。

(8)InBufferCount屬性

InBufferCount屬性用于返回在接收緩沖區的字符數。該屬性在設計階段無法使用InBufferCount是指已接收的，并在緩沖區中等待讀取的字符數。

(9)InputMode屬性

InputMode屬性用于設置或返回Input屬性取回的數據類型。

最后，VB運行的界面如下:

圖4.14VB運行界面

4.5程序燒寫軟件

Easy51ProV2.0軟件可以方便的對單片機進行操作，可以實現程序的燒寫工作。

4.5.1V2.0的特性

支持.HEX文件；

用戶自己可以擴充器件；

重載的文件對話框，方便查找文件；

熱鍵支持，調試程序效率高；

靈活的程序設計，可以讓整套軟件在其它編程器硬件上運行；

支持多種下載線，有更多的選擇；

設計了串行通訊超時程序，減少掉線現象。

4.5.2V2.0的使用

點擊下載軟件Easy51Pro.EXE，進入下載程序的界面，按順序檢測通信、檢測器件，如果無錯誤提示，表示下載系統硬件連接正常。

圖4.15下載程序界面

下載系統硬件連接正常后，可以進行程序下載。首先點擊“打開文件”選項，打開需要下載的文件；其次點擊“擦除器件”選項，將AT89S52芯片清空；然后點擊“寫器件”，將程序寫入AT89S52芯片；最后點擊“校驗數據”選項，如果系統如圖4.16提示“0個單元不對”則表示下載正常，下載工作完成。

可以使用上面的過程完成程序下載工作，也可以使用“自動完成”選項，“自動完成”選項可以一次性對芯片進行“擦除器件”、“寫器件”“校驗數據”。

圖4.16程序下載完成界面

4.6本章小結

在所做的硬件基礎上，進行軟件編寫調試，是一個比較麻煩的過程，通過keilc進行編程，用VB作為上位機界面，用Easy51ProV2.0對程序進行燒寫，大大加快了進程。

第5章實驗及數據分析

電機的硬件與軟件協調成功后，現在已經能正常讀取溫度數與顯示時間，而且在設定時間到時后，繼電器可以動作，實現時間保護功能。現在進行試驗，對電機進行測溫。

5.1電機表面溫度的測試

本實驗所選取電機的規格為：

型號：JO3-029-4額定：連續

功率：1.1KW接法：Y

電壓：220/380V絕緣等級：E級

電流：0.28A溫升：75ºC

轉速：1370轉/分重量：17KG

周率：50Hz

溫度計的放置如下圖所示：

圖5.1電機溫度計放置示意圖

實驗中應該注意的事項：

實際上電機只要在一個小時內其溫升變化不超過1ºC時，即可以認為是穩定的溫升狀態。此時對電機進行溫度數據進行記錄采集。連續定額的電機，試驗如果從冷態開始，升溫時間比較長。小型、高速、防護式電機至少要1.5~3個小時，大型、低速或封閉式電機則更長，甚至5小時以上。所以如果為了縮短實驗時間，開始可讓電機1.05~1.15倍額定負載下過載運行一段時間（約30分鐘），或有意減少冷卻空氣量，直到繞組溫升接近預計穩定溫升75%止。

試驗中有時要觀察電機通風情況，用羽毛試探氣流方向，估計吹到各發熱部分的風量是否合理。我在本次實驗中，用長的碎紙片來試探氣流方向，也能充分說明問題。

5.2數據分析——數據融合技術[37]

5.2.1數據融合技術簡介

多傳感器信息融合技術是近年來形成和發展起來的一種自動化信息綜合處理技術,它充分利用多源數據的互補性和計算機的高速運算來提高結果信息的質量[40]。經過融合的多傳感器系統能完善、精確地反映檢測對象特性,消除信息的不確定性,提高傳感器的可靠性。為反映電機的真實溫度,電機表面各溫區的溫度進行綜合考慮。由于是在線測量控制,溫度測量的影響因素較多、誤差較大。為了對數據進行比較精確的采集，本文采用一種基于多傳感器參數估計數據融合的溫度測量方法,不需要關于數字化溫度采集系統中對溫度測量的統計資料,僅通過分布圖法在有限只溫度傳感器測量結果中消除疏失誤差,將可靠的測量數據進行融合值計算,就可以獲得比有限個測量數據的算術平均值更有效的測量結果。

多傳感器數據融合的關鍵技術之一是多源數據關聯問題,它是多傳感器數據融合的核心部分。所謂數據關聯,就是把來自一個或多個傳感器的觀測或點跡與已知或已經確認的事件歸并到一起,使它們分別屬于已知事件的集合。對電機表面溫度測量數據融合的目的是依據有限的傳感器資源,消除測量中的不確定性,獲得比有限個傳感器測量信息的算術平均值更準確、更可靠的測量結果。由于采用數據融合處理,當系統中的某些傳感器失效時,系統可以依靠其他非失效傳感器提供的信息,通過數據融合獲得電機表面的較準確溫度。

5.2.2分布圖法剔除疏失誤差

在對電機表面溫度的測試中由于各種環境等干擾因素的存在,常常會引起疏失誤差,疏失誤差又稱過失誤差,是指顯然與事實不符的誤差。它通常是由于操作者失誤、系統內部器件受損或接線松動、脫落、外界突發沖擊引起的。疏失誤差的存在嚴重影響測量結果,必須剔除。在此采用分布圖法,它是一種新型數據處理算法。用分布圖法來獲得一致性測量數據的方法不受數據分布的限制,能夠增強數據處理對不確定因素的適應性,即具有魯棒性[38]。

分布圖法的算法如下:

電機表面溫度測量的分布圖中反映數據分布結構的參數,主要由中位數、上四分位數、下四分位數和四分位數離散度組成。假設電機表面的個溫度傳感器同時獨立地進行溫度測量，得到個測量數據并將這些溫度值從小到大進行排序：，，……。（其中為下極限，為上極限）

中位值為：

上四分位數為區間為[，]的中位數，下四分位數為區間[，]的中位數。四分位離度為：。認定與中位數的距離大于的數據為離異數據，設為到中的任一數據，得無效數據的判斷區間為>。在此式中，為常數，其大小視系統的測量誤差要求而定,通常取1、2等值。

設判斷區間為[，]，，。利用區間[，]內的測量數據是有效的一致性測量數據這一結論，可以排除離異值干擾。而且中位值和四分位離散度的選擇與極值點的大小無關，僅取決于數據的分布，有效區間的獲得與需要排除的可疑值關系不大。

5.2.3數據融合的方法

因為等準確度傳感器的測量結果具有正態分布特性,所以系統的數據融合采用算術平均值與分批估計相結合的算法。具體算法如下：先由電機表面的8路數據經過分布圖法剔除誤差后得出一致性測量數據,再按傳感器空間位置不相鄰的準則將其分成兩組,求出兩組測量數據的算術平均值,將兩組數據的算術平均值再采用分批估計算法,估計出接近溫度真實值的融合值，從而消除測量過程的不確定性，得到電機表面溫度的測量結果。設被測溫度的真值為，則溫度測量方程可表示為

（5-1）

第一組一致性測量數據序號為：，，……；（<5），第二組序號為：，，……；（<5）。這就是分得的兩組數據。其中，分別為第一，二組中的傳感器數,兩組測量數據的算術平均值分別為

（5-2）

（5-3）

其中，分別為第

一、二組中的傳感器序號，相對應的標準誤差分別為

（5-4）

（5-5）

據分批估計的理論，分批估計后得到的溫度融合值的標準誤差為(5-6)

式中,這是因為在此之前沒有溫度測量的統計資料,也就是說在此之前測量結果的方差,故得；H為測量方程的系數矩陣，R為測量噪聲的協方差，且

；

；（5-7）

式中、分別為、的測量噪聲,即剩余誤差。同時考慮第

一、第二組的測量結果，

(5-8)

分批估計導出的溫度數據融合值為

(5-9)

將式(5-7)、（5-8）代入式（5-9）得到基于多傳感器與分批估計數據融合的溫度值為

（5-10）

理論分析與實踐檢驗證明，分得的兩組數據之間誤差越大，式（5-10）的數據融合值對誤差的改善效果越顯著；兩組數據誤差越小，數據融合相對于算術平均值的優越性也越小。

5.2.4溫度測量數據融合試驗

用8個溫度傳感器在同一時間對電機表面單獨測量,測量結果如表5.1所示

表5.1溫度傳感器測量結果單位：ºC

傳感器

S1S2S3S4S5S6S7S8

40.744.748.145.88544.547.945.4

采用傳統的算術平均值濾波的方法計算結果為ºC。根據分布圖法判定40.7,44.7,48.1,45.8,44.5,47.9,45.4為剔除疏失誤差后的測量結果。此時,算術平均值為：ºC。再將傳感器按空間不相鄰的原則分為兩組,第一組為:S1,S2,S3,S4；第二組為S6,S7,S8。

由式(5-2)和式(5-3)求得兩組的算術平均值為:ºC；ºC。

由式(4)和式(5)求得兩組的標準誤差為：；。

由式（5-10）計算出這7個測量數據的溫度融合值為ºC，得到溫度融合值為45.65ºC。其實5號傳感器的85ºC是由于傳感器已經損壞所測出的數據。由此得出,數據融合得到的測量結果比算術平均值測量結果更接近被測量真值。

5.3本章小結

溫度測量數據融合試驗的程序界面以及代碼可以使用VB和C編寫的。在編程實現基于算術平均值與分批估計的數據融合算法時,該算法不需要復雜的數據結構,同時還具有運算量小,計算機編程容易等優點,不僅可以用于校準測試數據的后期處理,還可以將其應用于測量的實時數據處理和控制中。

結論

本文所闡述的數據融合技術算法是數據融合技術中最為簡單的一種方法，實時性比較強,適用于數字化溫度采集系統的特點，計算量小。如果系統中，測量的結果具有正態分布的特性,如果數據足夠多的情況下，算術平均值是測量結果的理想表示方法。但是本系統中，只安放八個傳感器，屬于有限次測量,算術平均值雖然能夠提高測量精度,但不是其最好的表示方法。所以,估計算法可以獲得更好的測量結果。但估計算法建立在比較可靠的測量初值基礎上,許多測量系統由于不能實時獲得測量初值,而不能有效地利用估計算法。利用分布圖法剔除疏失誤差,并根據算術平均值與分批估計相結合的方法對數據進行融合,在可用傳感器數量一定的情況下,可實時獲得可靠的測量初值,消除測量中的不確定性,提高測量結果的準確性和重復性,獲得更可靠的實時測量結果。

本實驗得出的結論是：該智能保護器能與比普通溫度計測量方法的效果有相同作用，但是實現了微機控制，提高了自動化程序，為進一步開發電機智能保護器的其它功能打下基礎。

然而本試驗存在很多的不足，有待于進一步提高。電機表面溫度測量并不能完全反映內部溫度情況，所以現在的電機很多不要求測表面溫度。只有少數電機對此有要求，如家用電器，用于棉紡的電機等。所以說，目前本智能保護器仍處于試用階段。應該對電機內部溫度場進行分析，并得出內部溫度場與電機表面溫度的關系。確定能否通過電機表面的溫度準確及時地反映出電機的故障，能否準確跳閘對電機進行保護。

電機內熱交換是一個復雜的過程，它涉及電機的電磁理論、電機結構學，還涉及到流體力學、傳熱學、彈性力學等學科的理論。目前，國際上也出現了許多研究成果，科技人員正在努力將這些運算方法應用到計算機上，進行計算機仿真模擬，以達到簡化和實現電機設計最優化的目的。所以目前建議用該保護器對電機的溫度進行實時監測，先在小型電機中做實驗，獲得足夠的數據后，對電機的表面溫度進行仿真研究，然后應用于大型電機。使本次設計應用領域擴大。

本次設計是一個將測溫系統與單片機結合的試驗,我們希望能進一步完善該系統。通過對電機內部的溫度場進行分析，得出一個外部表面溫度與內部發熱的一個聯系，使該智能保護器能夠做到準確地對電機進行保護。

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