PRS6300电源系统设计.docx
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PRS6300电源系统设计
毕业设计
题目:
珠江PRS6300电源系统
整流模块中的控制板设计
学生姓名:
学号:
专业班级:
指导教师:
企业导师:
二级学院:
2017年5月
珠江PRS6300电源系统整流模块中的控制板设计
摘要
本文对PRS6300通信电源系统中的机箱温度控制系统进行了设计,温度控制系统采用MCS-51系列单片机和温度传感器DS18B20实现,通过数字温度传感器将信号传递给控制模块,并与PRS6300的控制板模块结合交互,把PRS6300控制在正常工作温度下。
设计采用软硬结合,以硬件为主的理念。
采用模块化的设计思想。
硬件模块分为温度传感模块、时钟模块、主机模块、显示模块。
软件同样采用模块化设计,分为中断模块、温度数据采集模块、时间调整模块。
控制器采用单片机AT89S51,时钟电路采用万年历芯片DS1302,用数码管并行传送数据实现温度、时钟的显示。
软硬结合以实现数字温度控制对温度的显示、测量。
关键词:
温度传感器;AT89S51;PRS6300控制板;DS18B20传感器
DESIGNOFCONTROLBOARDINRECTIFICATIONMODULEOFPOWERSUPPLUSUSTRM
Abstract
ThispaperdesignthePRS6300rectifiermoduleonthecontrolboardofthetemperaturecontrolsystem,thetemperaturecontrolsystemusestheMCS-51SeriesMCUandDS18B20temperaturesensorandthedigitaltemperaturecontrolsignaltothecontrolmodule,andinteractiontogetherwithPRS6300controlpanelmodule,controlthePRS6300workunderthenormaltemperature.Designusinghardwareandsoftwarecombinedwiththeconceptofhardwarebased.Adoptingmodulardesignconcept.Hardwaremoduleisdividedintotemperaturesensormodule,clockmodule,controlmodule,displaymodule.Softwarealsousesthemodulardesign,dividedintointerruptmodule,temperatureconversionmodule,timeadjustmentmodule.AT89S51single-chipcontroller,theclockcircuitusingtheperpetualcalendarchipDS1302,temperaturesensorusingDS18B20,withadigitaltubeparalleldatatransfertoachievetemperatureandclockdisplay.Combinationofhardwareandsoftwaretorealizedigitaltemperaturecontrolfordisplayandmeasurementoftemperature.
Keywords:
Temperaturesensor;AT89S51;PRS6300;DS18B20
1绪论
1.1温度控制的行业背景
随着电子技术的发展,数字电路应用领域越来越广泛。
现今社会,产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势,设备的性能、价格、发展空间等备受人们的关注,尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。
随着单片机技术的不断发展,控制设备也跟着不断变化,对产品的运行环境的要求也越来越严格。
环境温度的高低直接影响产品的电气和机械性能参数,环境温度的准确度对测试温度的方法要求越来越高,而对环境温度的控制更显的重要。
鉴于此,对通信电源系统机柜环境温度是一项重点工作。
1.2温度控制的技术分析
温度检测的传统方法是使用诸如热电偶、热电阻、半导体PN结之类的模拟温度传感器。
信号经取样、放大后通过模数转换,再交由单片机处理。
被测温度信号从温敏元件到单片机,经过众多器件,易受干扰、不易控制且精度不高。
为了准确的测试与控制环境温度,因此,本系统采用一种新型的可编程温度传感器DS18B20,它能代替模拟温度传感器和信号处理电路,直接与单片机沟通,完成温度采集和数据处理。
DS18B20与AT89S52结合实现最简温度检测系统,该系统结构简单,抗干扰能力强,适合于恶劣环境下进行现场温度测量,有广泛的应用前景,包括运用于PRS6300温度控制系统。
1.3PRS6300的温度控制系统的设计背景及目的
经过对PRS6300电源系统的跟踪调查,发现整流模块存在的问题主要是:
在高强度长时间连续工作状态下,系统容易出现排热不通畅,导致PRS6300控制板内部或者整流模块相关硬件不正常工作。
本课题解决PRS6300内部运行环境控制的问题,为此将引入由NS18B20作为温度传感器,利用设计数字温度控制系统,实时监测整流模块内部温度,通过控制排风机风速,使整个系统在正常的温度下工作。
2PRS6300电源系统的介绍
2.1选题的背景
2.1.1PRS6300系列电源简介
PRS6300系列电源是珠江电信集多年设计、制造及网上运行经验,又密切结合中国国情,专门为交换中心、大中型枢纽局等关键通信场合使用而研制成的高稳定全智能控制型大容量通信电源产品。
PRS6300系列电源系统采用分立式机架结构,一般由若干SMPS6300整流屏、PRD400AC-6/PRD630AC-6交流屏、PRD2000DCL-6/PRD2500DCL-6直流屏、CU6300控制模块、BCM-1电池检测模块及整流机架等组成。
该系列电源系统配置容量的弹性范围宽,适合并机使用,可配置最多225个同型号的模块,可配置容量范围为100~22500A。
产品如下图所示:
直流配电屏
CU6300
整流模块(20个)
整流机架
交流配电屏
指示灯
图2-11PRS6300产品图
2.1.2PRS6300主要功能模块介绍
(1)SMPS6300整流模块
SMPS6300整流模块采用三相输入型设计,不存在中线电流;内置软启动电路,支持模块的热插拔操作,操作简单,维护安全;具有高效率、高功率密度、电流总谐波失真小等特点。
主要技术参数如下:
输入:
额定电压:
三相380Vac
电压范围:
260~535Vac
电流:
≤13A每相
频率:
45~66Hz
功率因数:
≥0.99(@50%~100%额定负载)
输出:
标称电压:
48Vdc(43~59.5Vdc可调)
额定电流:
100A
并机均流:
≤5%
稳压精度:
≤0.6%
保护:
输出过压、过流/短路保护和过热保护
其它数据:
效率:
≥91%(@50%~100%额定负载)
(2)CU6300控制模块
CU6300控制模块是一种与SMPS6300整流模块相配套的高频开关电源智能型监控单元,专门设计作为并联运行的SMPS6300模块电源的管理核心。
通过主从数据总线和系统接口,CU6300控制模块统一管理和控制着系统内的所有整流模块和电池组;CU6300控制模块还具有集中监控功能,主要通过远程通信接口及通信协议与CU6300控制模块配套的PC机监控软件——PM6300或其它监控软件对系统进行实时监控。
直流供电,输入电压范围宽,从18~70Vdc均能正常工作;
直流电源设置有高熔断能力熔丝,并具有反极性保护;采用主从模式控制整流模块,信息交换效率高,可同时管理225个SMPS6300整流模块;有源电流均分控制回路精度高,可令系统获得优越的均分度,确保了电源系统的可靠性;最多可同时管理4组电池组,具有浮充、均充、温度补偿、充电限流、在线放电测试等电池管理功能;功能可扩展,提供电池单体电压检测、交流检测和现场监控等功能模块;支持本地和远程监控功能,提供多种可选的集中监控接入接口:
RS-232、RS-485、10BASE-T等;内置100组告警事件记录的存储空间,非易失性存储器;采用密码安全保护机制,防止非法的参数修改;支持软件在线升级。
尺寸:
200mm(宽)×55mm(深)×260mm(高)
重量:
<2.8kg
(3)ACM-II交流检测模块
工作电源:
直流输入(20-60V)
模拟输入:
可检测2路3相市电输入电压和1路3相输出电流.
数字输入:
可检测24路分路开关状态.
数字输出:
4路可配置信号输出,1路事故照明信号
通信:
配备一个RS232和一个RS485接口,支持CSCP集中监控协议.
显示:
中文显示,采用液晶显示器显示各相市电电压电流及频率等系统工作参数及各类告警信息。
3PRS6300温度控制系统的设计内容及功能要求
3.1设计内容
本控制系统是通过温度传感器实现实时温度检测,然后通过单片机计算出温度,并且显示出来;根据不同的温度值,按照一定的算法,控制排风机的转速。
以此达到控制PRS6300整流模块工作温度的目的。
当温度偏离最高温度过多时,排风机以最大的速度给系统降温,同时蜂鸣器工作。
工作过程如下图所示:
图3-1整流模块温度控制流程
3.2功能要求
本次设计的数字温度显示与控制,需满足以下设计要求:
(1)温度控制范围:
0-50°C;控制点可键盘设定;
(2)控制精度:
±0.5;
(3)温度传感器:
DS18B20;
(4)传感器测量温度范围:
-30—80°C;
(5)执行机构:
排风机;
(6)温度显示方式:
采用四位共阳LED数码管显示;
(7)超过温度报警方式:
蜂鸣器;
(8)供电电压:
+5V;
4PRS6300温度控制系统整体概述
4.1数字温度控制系统概述
数字温度控制采用温度敏感元件也就是温度传感器,将温度的变化转换成电信号的变化,如电压和电流的变化,温度变化和电信号的变化有一定的关系,如线性关系,一定的曲线关系等,这个电信号可以使用模数转换的电路即AD转换电路将模拟信号转换为数字信号,数字信号再送给处理单元,完成电路逻辑的交互。
基本测温功能:
经过内部的电路程序计算将这个数字信号和温度联系起来,成为可以显示出来的温度数值,然后通过显示单元如数码管显示出来。
控制温度功能:
在内部单片机内设定指定的温度参数,在PRS6300工作的过过程中通过收集温度传感器转换过来的温度,两者不断地作比较。
根据不同的温度值,改变排风机的转速。
在PRS6300整流模块偏离正常的工作温度时,停止整流模块控制板的变压工作,同时以最高档位给系统降温,并使蜂鸣器报警。
数字温度控制根据使用的传感器的不同,AD转换电路,及处理单元的不同,它的精度,稳定性,测温范围等都有区别,这就要根据实际情况选择符合规格的数字温度控制。
4.2设计思路
大多数单片机接口输入的是数字信号,或带有A/D转换的高端单片机也可以输入模拟信号,由单片机获取非电信号的温度信息,必须通过温度传感器。
传统的温度测量多以热敏电阻作为温度传感器。
但是,热敏电阻的可靠性较差,测量精度低,而且还需经过A/D转换成数字信号才能由单片机进行处理。
因此,使用数字温度控制可简化硬件设计、方便单片机读取数据、节约成本。
设计单片机数字温度控制,需考虑以下三个方面:
(1)温度传感器芯片的选择;
(2)单片机和温度传感器的接口电路设计;
(3)控制温度传感器实现信息采集以及数据传输软件。
在选定数字式温度传感器之后,可以方便的将温度采集进入单片机。
利用软件算法,控制调速电路中可控硅的导通角。
进一步控制排风机的转速,达到控温的目的。
5温度控制系统电路及器件选择
5.1电路的选择及设计
方案一:
采用热电偶温差电路测温,温度检测部分可以使用低温热偶,热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成(如下图),热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。
通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压,便可推断出检测结点的温度。
数据采集部分则使用带有A/D通道的单片机,在将随被测温度变化的电压或电流采集过来,进行A/D转换后,就可以用单片机进行数据的处理,在显示电路上,就可以将被测温度显示出来。
热电偶的优点是工作温度范围非常宽,且体积小,但是它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点,并且这种设计需要用到A/D转换电路,感温电路比较麻烦。
图1热电偶电路图
方案二:
采用数字温度芯片DS18B20测量温度,输出信号全数字化。
便于单片机处理及控制,省去传统的测温方法的很多外围电路。
且该芯片的物理化学性很稳定,它能用做工业测温元件,此元件线形较好。
在0—100摄氏度时,最大线形偏差小于1摄氏度。
DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输,由数字温度控制DS18B20和微控制器AT89S51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。
这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大。
采用51单片机控制,软件编程的自由度大,可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制,而且体积小,硬件实现简单,安装方便。
既可以单独对多DS18B20控制工作,还可以与PC机通信上传数据,另外AT89S51在工业控制上也有着广泛的应用,编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。
该系统利用AT89S51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示,能够实现快速测量环境温度,并可以根据需要设定上下限报警温度。
该系统扩展性非常强,它可以在设计中加入时钟芯片DS1302以获取时间数据,在数据处理同时显示时间,并可以利用AT24C16芯片作为存储器件,以此来对某些时间点的温度数据进行存储,利用键盘来进行调时和温度查询,获得的数据可以通过MAX232芯片与计算机的RS232接口进行串口通信,方便的采集和整理时间温度数据。
系统框图如图4-1所示
图5-1DS18B20温度测温系统框图
从以上两种方案,容易看出方案一的测温装置可测温度范围宽、体积小,但是线性误差较大。
方案二的测温装置电路简单、精确度较高、实现方便、软件设计也比较简单,因此采用方案二。
5.2显示模块的选择及设计
方案1:
用数码管进行显示。
数码管由于显示速度快,使用简单,显示效果简洁明了而得到了广泛应用。
方案2:
用LCD液晶进行显示。
LCD由于其显示清晰,显示内容丰富、清晰,显示信息量大,使用方便,显示快速而得到了广泛的应用。
单对于此系统我们不需要显示丰富的内容,而且LCD液晶价格贵。
综上所述我们选择方案1
5.3单片机的选择
对于单片机的选择,可以考虑使用8031与8051系列,由于8031没有内部RAM,系统又需要大量内存存储数据,因而不适用。
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kbytes的可编程的Flash只读程序存储器,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,所以低价位AT89S51单片机可为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,对于简单的测温系统已经足够。
单片机AT89S51具有低电压供电和体积小等特点,四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要,很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。
主要特性如下
●与MCS-51兼容
●4K字节可编程闪烁存储器
●寿命:
1000写/擦循环
●数据保留时间:
10年
●全静态工作:
0Hz-24Hz
●三级程序存储器锁定
●128*8位内部RAM图5-3AT89S51单片机引脚图
●32可编程I/O线
●两个16位定时器/计数器
●5个中断源
●可编程串行通道
●低功耗的闲置和掉电模式
●片内振荡器和时钟电路
89S51引脚功能介绍
AT89S51单片机为40引脚双列直插式封装。
其引脚排列和逻辑符号如图4.3所示。
各引脚功能简单介绍如下:
●VCC:
供电电压
●GND:
接地
●P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每个管脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚写“1”时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FLASH编程时,P0口作为原码输入口,当FLASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部电位必须被拉高。
●P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入“1”后,电位被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
●P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚电位被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
作为输入时,P2口的管脚电位被外部拉低,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉的优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
●P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入时,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL),也是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口:
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2INT0(外部中断0)
P3.3INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6WR(外部数据存储器写选通)
P3.7RD(外部数据存储器读选通)
同时P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
●RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
●ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令时ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
●PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取址期间,每个机器周期PSEN两次有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的PSEN信号将不出现。
●EA/VPP:
当EA保持低电平时,访问外部ROM;注意加密方式1时,EA将内部锁定为RESET;当EA端保持高电平时,访问内部ROM。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
●XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
●XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
5.4温度传感器的介绍
由于传统的热敏电阻等测温元件测出的一般都是电压,再转换成对应的温度,需要比较多的外部元件支持,且硬件电路复杂,制作成本相对较高。
这里采用DALLAS公司的数字温度传感器DS18B20作为测温元件。
(1)DS18B20简单介绍:
DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件”,其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。
DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
温度测量范围为-55~+125摄氏度,可编程为9位~12位转换精度,测温分辨率可达0.0625摄氏度,分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中,掉电后依然保存。
被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可以在远端引入,也可以采用寄生电源方式产生;多个DS18B20可以并联到3根或2根线上,CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。
因此用它来组成一个测温系统,具有线路简单,在一根通信线,可以挂很多这样的数字温度控制,十分方便。
DS18B20的性能特点如下:
独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯
DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现组网多点测温
DS18B20在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内
适应电压范围更宽,电压范围:
3.0~5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电
温范围-55℃~+125℃,在-10~+85℃时精度为±0.5℃
零待机功耗
可编程的分辨率为9~12位,对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃,可实现高精度测温
在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字,12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字,速度更快。
用户可定义报警设置。
报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件。
测量结果直接输出数字温度信号,以"一线总线"串行传送给CPU,同时可传送CRC校验码,具有极强的抗干扰纠错能力。
负电压特性,电源极性接反时,温度控制不会因发热而烧毁,但不能正常工作
以上特点使DS18B20非常适用与多点、远距离温度检测系统。
DS18B20内部结构主要由四部分组成:
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的管脚排列、各种封装形式如图4.4所示,DQ为数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下,也可以向器件提供电源;GND为地信号;VDD为可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时,此引脚必须接地。
如下图:
图5-4外部封装形式
5.5显示电路
显示电路采用四位共阳LED数码管,从P3口RXD,TXD串口输出段码。
LED数码管在仿真软件中如图4-5
图4-5
5.6键盘输入模块的设计
手动设置整流模块最高允许的工作温度,另外可以使风扇根据环境温度的变化进行自动无极调速,当温度升高到一定程度,能自动启动风
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