柴油发电机组监控系统的设计Word格式.docx
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4.4中断处理
4.5键盘和显示
4.6串行通信的程序设计
4.6.1后台监测软件语言的选择
4.6.2后台监测软件总体设计
4.6.3用户界面设计
4.7软件抗干扰设计
5调试总结
5.1硬件调试总结
5.2软件调试总结
5.3监控设备的测试效果
6结论
6.1本文结论
6.2展望
致谢
参考文献
摘要
柴油发电机组作为备用电源广泛地应用于电力系统中。
柴油发电机组的运行状态直接影响到柴油发电机组发电的电能质量。
因此，监控柴油发电机组的运行，实时、准确地读取各个参量，并能根据需要进行远程监测、本地控制柴油发电机组是非常重要的。
本论文的主要目的是介绍柴油发电机组监控设备的设计情况。
首先介绍了研制背景，指出其重要意义以及柴油发电机组的结构及其工作原理。
其次给出了系统设计的要求。
然后详细地介绍了系统的硬件、软件设计。
最后通过介绍原理样机在模拟系统上的调试，说明设计的可行性。
本课题的设计主要从两个方面进行研究，一方面是硬件设计，另一方面是软件设计。
硬件部分的核心器件采用型号为AT89C55WD的单片
机，它的外围器件选择的都是串行接口方式的芯片，这样可以简化电路，减少制版面积，使费用降低。
本监控设备显示部分采用的是带汉字库的液晶显示，清晰、直观，能够方便地进行人机对话。
软件部分设计由单片机控制软件和后台监测软件两个部分组成，都是采用模块式设计，便于修改，容易满足不同用户的需求。
本文利用C51语言开发单片机的控制软件，对该软件的设计思想进行了详细分析，给出了程序流程图，讨论了编程方法及技巧，开发了中断、键盘显示、采样等功能模块。
利用
VisualBasic语言开发出通信功能模块，主要解决以下两个方面问题:
与监控设备的单片机采集系统的通信即对单片机采集到的数据进行接收;
开发用户界面，要使该界面友好。
在设计过程中，硬件部分和软件部分都运用了抗干扰技术.使设计的监控设各性能稳定，实用效果好。
通过对原理样机在模拟系统上的调试，分析了设备的优缺点，并总结了一些设计经验以及对柴油发电机组监控设备未来的展望。
关键词：
柴油发电机组；
监控设备；
单片机；
数据采集；
Visual
Basic
随着我国通信事业的迅猛发展，通信手段的现代化和技术水平的逐渐提高，各电信局的装机容量不断扩大，各类通信设备都要求提供不间断、高质量、稳定的供电电源。
通信设备运行所需的交流电源，主要由电力部门提供。
但是〕当遇到电力部门正常检修或电网故障停电时，电信局〔站）就必须依靠自各的柴油发电机组发电以保证通信设备所需交流电源的供给。
柴油发电机组是目前应用非常广泛的备用电源。
用作邮电通信部门、财政金融部门、医院、学校、工矿企业及住宅的应急备用电源;
军用及野外作业、车辆及船舶等特殊用途的独立电
源、大电网不能输送到的地区或不适合建立火电厂的地区所需的生产与生活电源设备。
由此可知，柴油发电机组作为应用非常广泛的发电设备是保障通信设备连续可靠、安全运行的重要设备。
工业自动化是进行自动调节、检查、加工和控制机器进行生产作业以代替人工直接操作。
自动化可以增加产品产量、降低成本、提高产品质量、改善劳动条件等。
随着科学技术的发展，尤其是电子、计算机和通信技术的发展，自动化程度越来越高。
在电力系统中，根据电力系统结构庞大、电能不能存储、暂态过程非常迅速等特点，首先要保证电能质量。
甩能质量的优劣主要是以电压、频率等参数来衡量，电压和频率过多地偏离额定值对用户或电力系统本身都会造成不良影响，甚至损坏电力设各。
所以要求设计出能够及时、准确地监测柴油发电机组的运行状态并在需要的时候进行控制的监控设各能够通过信号系统或数据传输系统对电力系统进行近距离或远方的自动监控、协调，保证电力系统安全、经济运行并具有合格的电能质量。
为了实现对柴油发电机组多信息量实时、准确地采集和控制，研制出一个柴油发电机组的监控设备，实现远程监测是非常有必要的。
柴油发电机组监控设各研制的意义在于：
（1）保持柴油发电机组供电的连续性和提高其可靠性监控设备能准确而迅速地将柴油发电机组运行的参数变化，按照预定程序进行相应的控制或调节，以代替工作人员直接参与各种操作，可以防止人为误操作。
当设备出现不正常状况时，监控装置能正确判断和及时处理，并启动发光二极管报等，使设备免遭损坏，预防事故的激化或扩大。
（2）提高电能质量和运行经济性，并使用电设备处于良好的工作状态。
现代用电设备对电能的频率和电压都有较高要求，允许的偏差范围都很小电压虽有各种自动调压器使其保持稳定，但是频率通常要通过自动调节来完成。
（3）缩短控制、操作过程，提高系统的连续性和稳定性。
实现柴油电站自动化后，能及时改变运行工作状况以适应系统要求，机组操作过程按预定的次序不间断地进行，并可不断监视其完成情况，加快控制和操作过程。
（4）减少运行人员，改善劳动条件。
自动装置为少人值班或无人值班创造条件。
带有监控设备的柴油发电机组从20世纪60年代产生到现在只有30多年的发展历史，但目前已形成了一个产业群，在现代生活中发挥着日益重要的作用。
就其控制技术而言，已经经历了继电器控制、晶体管逻辑控制、数字集成逻辑控制，发展到目前的微机控制。
对柴油发电机组的监控是随着计算机技术与现代化通信技术的发展在20世纪90年代投入市场的。
凭借微机控制的逻辑分析能力和计算能力，它应经在自动化控制中占主导地位。
目前，高档次智能化发电机组控制系统亦逐渐采用数字化仪表替代指针式仪表。
电气参量数字测量、显示技术替代指针式测量，显示技术是电气测量技术发展的趋势，也是提高电气测量精度，向智能化仪表接轨的发展方向。
国内外有许多公司广泛采用模块式控制单元组成电站电气控制系统，特别是国外已有许多专业公司开发和生产柴油发电机组控制系统专用控制单元模块。
如英国深海电子有限公司开发的各种单元模块;
美国AMBAC的电调控制器及其它单元模块;
捷克科迈电子公司的电气控制单元模块;
意大利HARSEN的电子参数表。
国内也有部分专业工控公司引进国外先进技术开发研制出符合我国使用要求的柴油发电机组控制功能模块，广州三业科技有限公司开发研制的控制模块系列、桂林光明科技公司研制的DACTS系列控制模块等已在发电机组行业中得到广泛应用。
国内许多生产厂家已利用这些控制单元模块开发研制出许多可靠性高、性能良好的发电机组控制柜系列，并户泛应用于柴油发电机组系统中，极大的提高了柴油发电机组的性能和可靠性，为今后柴油发电机组控制系统的标准化和系列化设计提供了一定的技术基础。
开发研制出柴油发电机组专用电气数显组合仪表，将会对今后柴油发电机组控制柜测试仪表的发展有一定的促进作用。
柴油发电机组控制系统发展的方向应以模块化组合方式为主，即根据用户的不同要求选用不同功能的控制模块组合成为各种不同功能的柴油发电机组控制柜系统。
在了解掌握国外一些先进的具有代表性的各类控制模块其功能和技术的基础上研究开发出符合我国实际使用情况的柴油发电机组控制模块并逐步进行国产化研制。
将有代表性的重要模块进行完全国产化，能够自行开发出满足国内用户需求的柴油发电机组控制模块系列并形成具有产业特点的产品，使我国的柴油发电机组控制系统的技术性能得到提高，参与国际市场的竞争。
液晶〔LCD）显示技术在柴油发电机组控制系统中已有部分应用，但在我国普及程度不高（目前大
部分是数码管LED显示技术），随着科学技术水平的进一步提高，液晶显示板的科技含量越来越高，液晶（LCD）显示技术将替代数码管LED显示技术广泛应用于柴油发电机组控制系统中。
柴油发电机组的广泛应用，使得很多柴油发电机组厂家对与柴油发电机配套的控制柜的需求也越来越多，而且希望能够得到性价比高的控制设备。
鉴于此，本论文详细地介绍了以设计要求为依据的开发、设计柴油发电机组监控设备的整个过程。
首先对监控设备的监控对象柴油发电机组的结构及其原理做了介绍，其次说明了设计的思路以及元器件的选型、电路原理图的设计以及软件程序的编写过程，最后完成了设备的整体调试。
分软件、硬件两个方面进行调试总结，并对柴油机发电机组监控设备的未来提出展望.
柴油发电机组是技术密集型产品，它涉及柴油机、电机、自动控制等多个学科领域的技术。
柴油发电机组是以柴油机为动力的发电设备，它与其他的蒸汽轮发电机组、水轮发电机组、燃气涡轮发电机组、原子能发电机组等发电设备相比较，具有结构紧凑、占地面积小、起动迅速、控制灵活以及燃料存储方便等特点。
（1）单机容量等级多。
柴油发电机组的单机有从几千瓦至几万千瓦的多种容量。
采用柴油发电机组作为应急和各用电源时，可采用一台或多台机组，装机容量根据实际需要灵活配置。
（2）配套设备结构、安装地点灵活。
柴油发电机组的配套设备比较简单，辅助设备少、体积小、重量轻、占地面积小。
（3）热效率高，燃油消耗低。
（4）起动迅速、并能很快达到全功率。
柴油机的起动一般只需几秒钟，在应急状态下可在Imin内带动全负荷;
在正常工作状态下约在5-
30min内带动全负荷，柴油机的停机过程也很短，可以频繁起停。
所以柴油发电机组很适合作为应急发电机组或备用发电机组。
（5）维护操作简单，所需操作人员少，在备用期间的保养容易。
（6）柴油发电机组的建设与发电的综合成本低。
柴油发电机组（简称机组）是内燃发电机组的一种，由柴油机、三相交流同步发电机和控制系统三部分组成。
1.柴油机
柴油机是一种将燃料燃烧释放出来的热能转变为机械能的能量转换装置。
柴油机是发电机组的动力部分，一般由曲轴连杆机构与机体组件、配气机构与进排气系统、柴油供给系统、润滑系统、冷却系统、启动与电气系统和柴油机增压系统组成。
（1）柴油供给系统：
当油箱中的燃油低于一定量时，可通过手动为油箱添加柴油。
（2）冷却系统：
柴油机工作时，与高温燃气接触的零件受热强烈，如不采取适当的冷却措施，将会使这些零件及柴油机过热。
柴油机过热，会导致充气系数降低，燃烧不正常，功率下降，油耗增加等。
如柴油机过冷，会使混合气形成不良，造成柴油机工作粗暴，散热损失大，使柴油机功率下降，油耗增加，机油粘度大，摩擦损失大。
对于水冷式柴油机，缸壁水套中适宜的温度为80℃-85℃。
（3）润滑系统：
其作用主要有减磨、冷却、清洁、密封、防锈。
整个润滑系统中，油底壳作为机油存储和收集的容器，用两只机油泵来实现机油的循环。
油底壳侧面装有油尺，尺上标有“满”和“加油”标记。
柴油机运转时应将油面保持在“满”和“加油”之间。
（4）起动和电气系统:
柴油机起动系统的工作性能主要是指能否迅速、方便和可靠的起动，起动后能否快速过渡到正常运行。
功率小于
15kW的小型柴油机常用人力起动;
现代大、中、小型高速柴油机上广泛采用蓄电池供电的串激低压直流电动机作为起动机。
其优点是结构紧凑、操作方便、并能远距离控制。
起动电机的功率一般为0.6kW-l
OkW，电压一般为12V或24V，电流一般为150A以上，只能短时工作，每次连接时间不得超过15秒。
柴油机起动时，要求蓄电池在短时间内向起动电机供给低压大电流（200A一600A）。
柴油发电机组工作后，发电机可向用电设备供电，并同时向蓄电池供电。
柴油机在低速或停车
时，发电机输出电压不足或停止工作，蓄电池又可向柴油发电机的电气设备供给所需电流。
主要的电气系统除了蓄电池、起动电机、硅整流发电机和硅整流发电机调节器等。
2.发电机
发电机以三相交流同步发电机为主，主要由定子、转子、端盖等组成。
通常三相交流同步发电机的电枢绕组与三相电网连接，励磁绕组则与直流电源连接。
大中型同步发电机为了便于引入或引出电枢电流，一般采用旋转磁极式结构。
3.控制系统
柴油发电机组的控制系统是机组的配套设备，是柴油发电机组的重要组成部分，是决定柴油发电机组性能及使用技术的核心所在。
主要负责机组的检测、控制、调压、配电等。
般由主回路开关柜（一次回
路）和控制柜（二次回路）组成。
主回路开关柜主要完成系统的电力传输、负载分配、开关输出等强电控制功能，由输出电缆、开关设备、电流
互感器、输出接口等组成，其设备的选用及确定由发电机组的输出功率及负载分配技术要求来决定:
而控制柜主要完成系统的各种控制、检测和保护等功能。
由控制电路、检测仪表、操作组件和通讯电路等组成，其元器件和电路的选用由柴油发电机组的控制功能和控制要求来决定。
柴油发电机组监控设备的硬件设计
监控设备系统设计的要求
从2.2节的介绍可以看出，要求设计的柴油发电机组监控设备应该是安装在控制柜内，接收的信号是主回路开关柜的信号。
要求它实现的功能和达到的技术指标以及设备的工作环境等如下所示：
l.监控设备需要实现的功能:
（1）在市电正常时，监控设备可以控制柴油发电机组进入试机状
态。
（2）在市电失电的情况下，能及时启动柴油发电机组向负载供电。
（3）当市电恢复、稳定后监控设备可以控制ATS转换电源使柴油发电机组分闸、停机并恢复市电供电。
（4）在柴油发电机组运行过程中如果出现异常，要能够及时发出报警信号并在必要的时候紧急停机。
（5）当柴油发电机组的发电频率超出额定范围时要能自动调节转速使频率稳定。
（6）通过RS232通信方式与上位机进行通信。
（7）通过液晶实时显示电气参量的数据;
（8）能够通过键盘进行参数设置，在线查询运行状态;
（9）在线检测蓄电池电压;
（10）能够监测16路开关量的输入，控制16路开关量的输出;
（11）能够监测市电相电压、发电机相电压、发电机相电流、蓄电池电压电量模拟量和油位、油压、油温、水温非电量模拟量。
2.监控设备要求达到的技术指标:
（1）测量精度要求达到-<
0.5%;
（2）电压分辨率为0.2V;
（3）电流分辨率为O.OlAx变比;
（4）频率分辩率为O.1Hz;
（5）电池电压分辨率为OAV.
3.工作环境:
（1）电源范围:
18V～36V直流;
（2）温度:
0℃—40℃
（3）湿度:
10%，90%;
（4）气压:
一个大气压;
（5）运输和存储条件:
-20℃～60℃
4.极限输入值:
（1）电压:
500V;
（2）电流:
5A;
（3）油位传感器的最大阻抗:
200Ω
（4）油压传感器的最大阻抗:
（5）温度传感器的最大阻抗:
1800Ω
设计的监控设各不仅要能满足以上的设计要求而且在设计电路时尽量选用常用的元器件、简化电路。
具有通用性，即一种功能形式可以涵盖所有功率段的柴油发电机组控制系统，对于不同功率段的柴油发电机组，只需改变程控参数即可;
对于不同用户的不同控制需求只需
修改软件就可以达到要求。
操作人员还可以通过设备上的按键设置所需要的参数告普门限值和查询机组的运行状态。
随着单片机技术的进步与发展，单片机在工业控制领域应用越来越广泛。
许多智能设备的控制部分，都采用单片机。
其实，PLC、总线式工业控制计算机以及其它一些智能模块，很多都采用单片机技术。
与前面的相比较，单片机的应用开发环境比较成熟，价格便宜，用户可以根据自己的需要开发设计出符合自己需要的设备控制系统。
单片机的芯片内部集成了计算机的基本功能部件，具备了很强的功能。
以往的以单片机为核心的监控模块其外围都采用的是并行接口芯片。
但是，在复杂的系统中，采用传统的并行方式接口芯片时，单片机的1/O接口远远不够用，需要完成地址存储，译码，总线驱动等外围扩展，这就使系统接线复杂，降低了抗干扰能力。
串行接口芯片近几年来发展非常迅速。
几乎任何功能的芯片都有串行工作方式，串行工作方式的芯片引脚数少，占用的1/O接口资源少，接线简单。
因此越来越受到单片机开发者的青睐。
本课题设计的柴油发电机组监控设备的核心单片机的外围器件全部采用串行接口芯片。
依据系统设计要求，根据硬件配置确立了硬件设计的方案。
监控设备硬件设计的组成框图如图3-1所示，主要是以单片机为核心，对采集进来的数据进行处理并能根据需要发出相应的控制命令实现功能。
在本硬件设计中主要有模拟量输入、十六路开关量输入/输出、键盘显示以及报警等模块组成。
3.4.1监控设备的CPU
监控设备的CPU部分负责柴油发电机组控制系统的协调、组织及运
行等任务，是柴油发电机组控制系统的中心环节。
目前，国内外控制系统模块大多采用高性能微处理器系统研制而成。
如英国深海电子公司的DeepSea500系列，用户只需通过人机对话方式修改部分控制参数即可满足柴油发电机组的不同控制要求。
在本设计中采用了AT89C55WD单片机作为监控设备的CPU。
它是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含20KBytes的可反复擦写的只读程序存储器和256Bytes的随机存取数据存储器，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MCS-51指令系统，
引脚兼容工业标准89C51和89C52芯片，采用通用编程方式。
AT89C55WD有40个引脚，32个外部双向输入喻出（YO）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时/计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，片内时钟电路，内置看门狗定时器。
串行接口方式的芯片占用的UO接口资源少，因此用AT89C55WD的4个8位的1/O口就完成了多个通道的数据采集、控制、键盘、显示和报警等功能，不必扩展其它UO接口，使系统接线简化。
特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89C55WD单片机中有一个功能较强的定时器所数器T2，它是一个
16位的、具有自动重装载和捕获功能的定时器/计数器。
在定时器叶数器T2的内部，除两个8位计数器TL2.TH2和控制寄存器T2CON及T2MOD之外，还设置有捕获寄存器RCAP2L（低字节）和RCAP2H（高字节）。
P1.0.
P1.1口可以作为T2定时器来使用，输入引脚T2（PLO）是外部计数脉冲输入端:
输入引脚T2EX（PIA）是外部控制信号输入端。
捕获方式:
捕获方式是
指在一定条件下，自动将计数器TH2和TL2的数据读入RCAP2H和
RCAP2L，亦即TH2和TL2内容的捕获是通过捕获寄存器RCAP2H和RCAP2L来实现的。
自动重装载方式:
自动重装载方式是指在一定条件下，自动地将RCAP2H和RCAP2L的数据装入计数器TH2和TL2中。
一般说来，
RCAP2H和RCAP2L在这里起预置计数初值的功能。
发电机本身带有各种传感器，可以把需要监控的模拟量转换成电量信号。
我的工作是以现有的传感器信号，利用模数转换芯片将这些模拟量转换成数字量。
由于传感器输出的信号幅度，以及存在发电机本身对它们的干扰，所以在信号转换之前，必须对传感器信号进行调理。
首先要把传感器输出信号的幅度调整到模数转换器的输入范围之内。
由于这些模拟量均为低频信号，因此还要对这些信号进行低通滤波。
在本设计中需要检测、采集的模拟量包括电量模拟量和非电量模
拟量两个部分。
其中电量模拟量信号包括:
市电相电压、发电机相电压、发电机相电流、蓄电池电压:
非电量模拟量信号包括:
水温、油温、油
位、油压。
通过柴油发电机组监控设备对上述各量的采集分析，可以判断被
监控的柴油发电机组的各个环节工作是否正常。
通过RS232通信方式将检测的参数数据传输到上位机，使工作人员及时了解柴油发电机的运行情况。
在柴油发电机运行不正常的情况卜，监控设备通过发光二极管报警，并能在上位机通信界面上通过仿发光二极管的按钮变为红色来显示。
下面对数据采集过程中涉及到的信号调理和模数转换芯片的选择两个部分进行详细介绍。
3.4.2.1信号调理
信号调理是通过电子线路来实现模拟信号处理，一般包括整流、放大、滤波、整形等功能环节。
信号调理的目的是对传感器输出的电量信号进行必要的处理以满足信号处理后继环节的需要，使其输出信号适应A/D转换等环节的工作。
信号调理可以改善信号质量，还可以补偿传感器的非线性，提高信噪比，增强信号的环境抗干扰能力等。
柴油发电机组监控设备输入通道中的整流电路把传感器输出的正负极性交变的交流信号转换成单极性的直流信号形式，然后通过滤波电路使波形更平滑。
整流、滤波的原理接线图如图3-2所示。
在本设计中是采用运放进行精密整流的电路设计。
一般的电源电路采用两个二极管或四个二极管整流，优点是接法很简单，缺点是要损失0.7或1.4伏的二极管压降。
但当你想把一个要测量的信号由交流变为直流，那么这压降会使你的测量变为毫无意义。
或者当想把一个要测量的小信号（小于
0.3伏）由交流变为直流，即使使用锗二极管，也将得不到信号。
这时候，就可以采用运放电路进行精密整流。
滤波电路我采用的是二阶有源低通滤波电路，以适应很低频率的工作情况。
2.TLC2543芯片的工作过程。
在初始状态下，片选L'
S为高，CLK和DIN被禁止，DOUT为高阻抗状态。
L'
S变低，开始转换过程，CLK和DIN使能，并使DOUT脱离高阻抗状态。
输入数据是一个8位数据流，它包括一个4位模拟通道地址（D7-D4）、一个2位数据长度选择（D3-132）、一个输出MSB或LSB在前选择位（Dl）以及一个单极性或双极性输出的选择位（DO）。
这个数据流是从DIN端输入，在CLK的上升沿存入输入寄存器。
在传送这个数据流的同时，输入瀚
出时钟的下降沿也将前一次转换的结果从输出数据寄存器移到DOUT端。
CLK端接收的时钟长度取决于输入数据寄存器中的数据长度择位，MSB
在前12位时钟传送的时序图如图3-3所示。
3.TLC254〕芯片与单片机接口
目前使用的AT89C55WD单片机没有SPI（SignalProcessing
Interface）接口能力，为了与TLC2543接口，可以利用软件合成SPI操
作，完成A/D数据的采集。
本系统中TLC2543与单片机之间只用4根线，转换结束端EOF未接入单片机，这是由于两个工作周期之间的指令时间一般都大于lols，转换已经完成，不必判断EOF;
另外也可以通过试验或计算指令执行时间的方法确定转换是否结束，这样可以省去一根接线.
4.在利用TLC2543芯片设计时要注意如下三个问题:
（1）电源去祸
当使用T
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