野外柴油发电机监控系统设计Word格式.docx

1、目前的自动监控系统结构大多比较复杂，在同一系统中的操作平台以及编程语言也可能有不同的问题，这就要求集成监控系统中的不同平台，实现相互之间的统一，而这些问题采用传统方法是难以解决的。1.3柴油发电机监控系统的前景和展望柴油发电机的自动监控领域经历了一场新的革命，它结合了现代控制技术、单片机技术，数字电路显示技术。其目标是随时随地为生产企业提供无缝的、高质量的、方便的工作监控装置。使其能真正进入企业。发电机监控系统的技术水平也从初期的手动单项监控发展到自动的多项监控。目前发电机监控技术的主流是单片机技术，在控制程序的支持下，合理控制软件结构，使工作人员通过数字显示和报警提示及时做出响应。将来，单片

2、机系统的发展会越来越迅速，越来越成熟，这项新技术迟早必将用于发电机监控系统上，是监控系统未来发展方向之一。单片机监控系统可以使信息实现本地化处理，改善服务器性能，即每一个设备机既可以独立进行服务，又可以整体监控。从而大大提高监控的质量和范围。该监控系统中的应用还渗透到了传感器领域，将单片机接口芯片与智能传感器集成起来。监控技术的发展始终与最新技术的发展息息相关，使用者不断对发电机监控的简便性及实时性提出了更高的要求。因此必须要更好地、更及时地应用最新技术，这样才能使得远程监控不断地发展，不断地满足人们的需求。1.4课题的研究背景和意义随着人们生活水平的提高，相对的对电力的需求和依赖程度也越来越

3、高，所以未来家庭和一般的公司工厂自备应急电源的情况越来越广。而相对于家用家的超静音电源由于以天然气、柴油为主要原料，具有低污染、低成本的特点，以及其高可靠、智能化、操作简单、使用方便等优点，相对来说,市场需求将越来越旺盛。目前柴油发电机组产品风靡欧美市场，其中仅美国年需求量达60万台以上，并保持快速增长。一般的柴油发电机组公司目前的电源技术水平取得了长足的进步，国内的柴油发电机组主要技术指标已经达到或接近国际先进水平。为了使柴油发电机机的使用更加方便快捷，则需对发电机的监控系统进行一定得设计改造，使其能够进行自动监控，提高工作效率。1.5柴油发电机监控系统的研究 该设计主要是针对监控系统的研究

4、，监控系统主要对柴油发电机机的运行状态，工作参数，耗油量，工作温度和电压进行监控。当这些参数发生变化时就会通过传感器经过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号，数字信号通过接口接入单片机通过单片机的程序设计来控制发电机的电压，转速和水箱温度，把这些输出信号接入LED显示屏来反映这些参数。当发电机的电压超过246V，水箱温度90，油箱油位低于下限位时LED显示屏发出闪灯警报，以此来自动控制发电机的工作状态。1.6课题的设计结构为了减少对野外柴油机作业监控时间，本次课题的设计主要是针对发电机的自动监控系统的设计。该设计的主要部件有：传感器，单片机，LED显示屏。（1）通过传感器，经过A/D转换后。L

5、ED显示发电机的发电电压，水箱温度，转速。（2）通过单片机控制水箱最高温度，最大电压，油箱油位的最底下限位。当发电机当电压超过264V，水箱温度90，油箱油位低于下限为时发出警报。第二章 系统器件介绍该监控系统的主要设计模块有传感器，A/D转换器，单片机，报警器和LED显示屏等器件组成。其主要实现功能如下。2.1 传感器传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器

6、、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。按照其用途，传感器可分类为：压力敏和力敏传感器 位置传感器，液面传感器 能耗传感器，速度传感器 热敏传感器，加速度传感器 射线辐射传感器，振动传感器

7、湿敏传感器，磁敏传感器 气敏传感器，真空度传感器，生物传感器等。本文主要讲温度传感器，压力传感器，基于霍尔效应的转速传感器。温度传感器 根据设计的精确度，本设计采用了具有较高精确度的热敏电阻温度传感器。热敏电阻（Thermistor，Thermal Resistor之缩写）是一种高温度系数的电阻体，热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，利用的原理是温度引起电阻变化若电子和空穴的浓度分别为n、p，迁移率分别为n、p，则半导体的电导为：=q（nn+pp）因为n、p、n、p都是依赖温度T的函数，所以电导是温度的函数，因此可由测量电导而推算出温度的高低，并能做出

8、电阻-温度特性曲线这就是半导体热敏电阻的工作原理就其电阻系数之大小而言，乃属于半导体；而依其电阻值随温度变化的情形，主要可将其分为负温度系数（NTC, Negative Temperature Coefficient）热敏电阻及负温度系数（PTC, Positive Temperature Coefficient）热敏电阻两种。 电阻-温度特性：NTC（负温度系数）的电阻值可以随温度的上升而下降，由于其温度系数非常大，所以可以检知微小的温度变化，因此被广泛应用在温度的量测、电路软启动，控制与补偿。常规的热敏电阻温度传感器都是由NTC热敏电阻制成。PTC（正温度系数）的电阻值可以随温度的上升而增

9、大，由于其温度系数非常大，主要用在消磁电路、加热器、电路保护、电机启动、暖风机，风速测量，温度控制与补偿。其特性图见图2-1（a）图2-1（a）电阻-温度特性电流-电压特性：当通入的电流小，几乎不使元件本身发热时，电阻值是一定值。当电流增加，NTC热敏电阻产生的焦耳热使元件本身的温度上（self-heating），并与环境进行热交换。此电流-电压特性的典型应用为液位感测器，其基本原理是利用NTC热敏电阻在液体和空气中的热散失差异；如前所述，NTC热敏电阻通以电流后产生焦耳热而升温，其热量传导至周围介质，平衡温度将随介质种类而不同。利用此现象可检知NTC热敏电阻在液体中或空气中，以适时启动警示灯

10、。电流-时间特性：NTC热敏电阻的另一个重要参数是时间，亦即使NTC热敏电阻从某一电阻值改变到另一电阻值所需的时间。当开始加电压于NTC热敏电阻时是定电阻、定电流的状态，而在自热区域（self-heating）则电阻下降、电流增加。而其改变速率则和加于NTC热敏电阻上的功率和元件本身的Thermal Mass、形状/结构及环境状况等因素有关。此一电流-时间特性可用于抑制突波电流，又不至于对电路的总电流造成太大的影响。因此被广泛应用于OA机器的交换式电源供应器中，以抑制电源开启时，引发的突波电流，如此可以防止熔丝的熔断与保护电子线路及其他电子元件，以提高OA机器的可靠度.热敏电阻的非线性特性：热

11、敏电阻由于物理结构所造成的，所以非线性较大，因此在使用时要进行线性化处理。线性化处理虽然能够改善热敏电阻的特性曲线，但是比较复杂。为此，在要求不高的一般应用中，常做出在一定的温度范围内温度与阻值成线性关系的假定，以简化计算。使用热敏电阻是为了感知温度，给热敏电阻通以恒定的电流，电阻两端就可测到一个电压，然后通过公式下面的公式可求得温度：T=T0-KVTT为被测温度; T0为与热敏电阻特性有关的温度参数; K为与热敏电阻特性有关的系数;虚拟化技术,VT为热敏电阻两端的电压。根据这一公式，如果能测得热敏电阻两端的电压，再知道参数T0和K，则可以计算出热敏电阻的环境温度，也就是被测的温度，这样就把电

12、阻随温度的变化关系转化为电压随温度变化的关系了.热敏电阻的阻值定义：测量一只良好的热敏电阻，须在环境温度25下测量，得出的电阻值就是这个热敏电阻的标称阻值。B值是指电阻值/温度的特性用公式计算基础的数值，用在数字表达中，表示与绝对温度相对应的电阻，当B值本身随温度变化时，不适合在宽的温度范围变化，fenwal使用00和500来计算B值。B值与温度的变化曲线如图21（b）图21（b）基于霍尔效应的转速传感器该转速传感器主要为发电机电控单元提供转速信号，通过对霍尔转速传感器信号进行滤波和整形，使处理后的信号转换成标准的方波信号，霍尔转速传感器是利用霍尔效应原理工作：一个金属或半导体薄片置于磁场中，

13、磁场垂直于薄片，当薄片通以电流J 时，在薄片的两侧面上就会产生一个微量的霍尔电压UH，如果改变磁场的强度，霍尔电压的大小亦随之改变，当磁场消失时，霍尔电压变为零。霍尔效应式转速传感器输出的信号是矩形脉冲信号，很合于数字控制系统，抗干扰能力强。传感器输出电压信号稳定，只要存在磁场，霍尔元件总是产生相同的电压，并且输出信号电压的大小与转速无关，即使是在发动机起动的低转速状态下，仍能够获得较高的检测准确度。对该传感器做简单介绍（1）转速信号盘该盘上共有6个齿，其中有一个40。的宽齿（作为喷油正时基准信号），5个20。度的窄齿；围绕盘中心有4个均部（相隔90。）的孔，2个大孔为O21，另2个小孔为O1

14、06，盘中心还有一个052的中心孔。把宽齿齿边与盘中心连线对应的大孔作为特殊孔，这几个孔在发动机上主要用于定位。用双速电机代替发动机，信号盘与电机安装在一起，随电机转动，传感器固定在支架上，垂直于转速盘，与其相对的位置安装一块永久磁铁，当转速盘旋转时，霍尔传感器就输出矩形脉冲信号，输出6个脉冲，对应发动机一个工作循环每个信号对应一个缸，其中的2个宽脉冲信号配合上止点信号精确确定上止点的位置。（2）信号处理电路经传感器转换和放大器放大的电信号，由于测试环境的电磁干扰、传感器和放大器自身的影响，往往会含有多种频率成分的噪音信号。严重时，这种噪音信号会淹没待提取的输入信号，造成测试系统无法获取被测信

15、号。在这种情况下，需要采取滤波措施，抑制不需要的杂散信号，使系统的信噪比增加，在此选用了有源滤波器中的低通滤波器。根据低通滤波器幅频特性，确定有限增益低通滤波器的线路图。（3）转速测量原理发动机的转速传感器信号盘安装在曲轴上，工作时传感器输出信号经整形后可得到相应的方波脉冲信号。利用M68HC11单片机的输入捕捉功能，可得到相邻的两个上升沿的时间差，即可算出当前转速 为3J= j200000060（iT）= 1.210 （IT）（rmin），其中 i为转速信号盘每转输出信号数； 为信号盘转1圈发动机转的圈数（信号盘安装在曲轴上时= 1，装在凸轮轴上则 =2）；T为单片机输入捕捉所计算出的相邻两

16、个上升沿之间的时间差值。压力传感器将压力转换为电信号输出的传感器。通常把压力测量仪表中的电测式仪表称为压力 传感器。压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件（或应变计）组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。有时把这两种元件的功能集于一体。压力传感器广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。本设计主要介绍气体压力传感器。压力是一种非电量的物理量，它可以用指针式气体压力表来测量，也可以用压力传感器把压强转换成电量，

17、用数字电压表测量和监控。其原理图如图2-3（a）图2-3（a）气压直接影响到弹簧的形变及弹簧对底座的压力，这是一个惯性值。 如果把压敏电阻装到弹簧和底座之间，那么电阻就会针对弹簧的形变弹力改变电阻，而弹簧的弹力又受气压压强影响。所以压敏电阻的大小就是气压的比值。2.2A/D转换器在A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的而输出的数字信号是离散的，所以转换只能在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样植转换成输出的输出量。因此，A/D转换的过程是首先对输入的模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这段时间内将取样的电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。然后

18、，再开始下一次取样。模数转换器（A/D） 模块有多达8 个模拟输入通道。A/D 转换器能将一个模拟输入信号转换成相应的8 位数字信号。采样保持输出是转换器的输入，A/D 转换器采用逐次逼近法产生转换结果。通过软件设置，模拟参考电压可以选择为器件的正向电源电压（VDD） 或VREF 引脚上的电平。A/D 转换器具备可在休眠状态下工作的独特特性。本设计主要采用的是0804模数转换器现在以程序查询为例，说明ADC0804在数据采集系统中的应用。采集数据时，首先微处理器执行一条传送指令，在该指令执行过程中，微处理器在控制总线的同时产生C 低电平信号，启动A/D转换器工作，ADC0804经100 后将输

19、入模拟信号转换为数字信号存于输出锁存器，并INTR端产生低电平表示转换结束，并通知微处理器可来取数。当微处理器通过总线查询到INTR为低电平时。立即执行输入指令，以产生CS， 低电平信号到ADC0804相应引脚，将数据取出并存入存储器中。整个数据采集过程中，由微处理器有序的执行若干指令完成。（1）ADC0804的规格存取时间: 135US 输入电压范围为05V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为 5V分辨率：8位 转换时间：100US 总误差：正负 1LSB 工作温度：ADC0804LCN-070度 （2）ADC0804的引脚图及说明见图2-2（a）图2-2（a）ADC0804引脚图ADC0

20、804的两模拟信号输出端，用以接受单极性、双极性和差摸输入信号。A/D转换器数据输出端，该输出端具有三态特性，能与微机总线相接。AGND：模拟信号地。DGND：数字信号地。CLKIN/R：外电路提供时钟脉冲输入端。时钟输入或接振荡无件（R，C）频率约限制在 100KHZ1460KHZ，如果使用 RC 电路则其振荡频率为 1/（1.1RC）。CLKR：内部时钟发生器外接电阻端，与CLKIN端配合可由芯片自身产生时钟脉冲，其频率为1/（1.1RC）。CS：片选信号输入端，低电平有效，一旦CS有效，表明A/D转换器被选中，可启动工作。WR：写信号输入，接受微机系统或其它数字系统控制芯片的启动输入端，

21、低电平有效，当CS、WR同时为低电平时，启动转换。RD：读信号输入，低电平有效，当CS、RD同时为低电平时， RD 为 HI 时，DB0DB7 处理高阻抗： RD 为 LO 时，数字数据才会输出，可读取转换输出数据。INTR转换结束输出信号，低电平有效。输出低电平表示本次转换已完成。该信号常作为向微机系统发出的中断请求信号。用来启动转换的控制输入，相当于 ADC 的转换开始（CS=0 时），当WR 由 HI变为 LO时，转换器被清除：当WR 回到 HI 时，转换正式开始。INTR:中断请求信号输出,低地平动作。VIN（+） 、VIN（-） :差动模拟电压输入.输入单端正电压时, VIN（-）接

22、地:而差动输入时, 直接加入 VIN（+） VIN（-）。AGND、 DGND:模拟信号以及数字信号的接地。VREF:辅助参考电压。DB0DB7:8 位的数字输出。VCC: 电源供应以及作为电路的参考电压5。ADC0804 原理图如图2-2（a）图2-2（a）ADC0804 原理图（3 ）A/D0804的转换原理ADC0804是属于连续渐进式（Successive Approximation Method）的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，好有价格便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。以输出8位的ADC0804动作来说明“连续渐进式的A/D

23、转换器”的原理，动作步骤如表2-2（a）所示（原则上先从左侧最高位寻找起）：第一次寻找结果：10000000（若假设值输入值，则寻找位=假设位=1）第二次寻找结果：11000000（若假设值输入值，则寻找位=假设位=1）第三次寻找结果： 11000000（若假设值输入值，则寻找位=假设位=0）第四次寻找结果：11010000（若假设值输入值，则寻找位=假设位=1）第五次寻找结果： 11010000（若假设值输入值，则寻找位=假设位=0）第六次寻找结果：第七次寻找结果：11010110（若假设值输入值，则寻找位=假设位=1）第八次寻找结果： 11010110（若假设值输入值，则寻找位=假设位=0

24、）表2-2（a）二分法寻找这样使用二分法的寻找方式，8位的A/D转换器只要寻找8次，12位的A/D转换器只要12次寻找，就能完成转换的动作。例:VIN=3V,由表2.2可知 2. 880+0.120=3V 为 10010110=96H。功能说明：ADC0804 将输入模拟值转换成数字值输出到 P0,使相对应的 LED 亮.如输入 3V,ADC0804 的输出应为96H=10010110,此数字信号送入 8051 的 P1,再由 P1 存入 8051 的累加器,然后累加器再到 P0,使相应的 LED亮。十六进制 二进制码 与满刻度的比率 相对电应值VREF=2.560伏 高四位字节 低四位节 高

25、四位电压 低四位电压 F111115/1615/2564.8000.300E111014/1614/2564.4800.280D110113/1613/2564.1600.260C110012/1612/2563.8400.240B101111/1611/2563.5200.220A101010/1610/2563.2000.200910019/169/2562.8800.180810008/168/2562.5600.160701117/167/2562.2400.140601106/166/2561.9200.120501015/165/2561.6000.100401004/164/25

26、61.2800.080300113/163/2560.9600.060200102/162/2560.6400.040100011/161/2560.3200.02000000 表2.2 ADC0804电压输入与数字输出关系表先将 ADC0804 的参考电压 VREF 调整为 2.56V。（在腾龙套件中主要演示原理，未作此精确调整电压，用 2个 1K 电阻分压，约 2.5V）。调整 ADC0804 的 VIN可变电阻器。由 0V 调到 5V 根据其关系观察 P1的 LED 变化情形。2.3 单片机单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，