柴油发电机测试系统的研究与实现.docx
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柴油发电机测试系统的研究与实现
第一章绪论
1.1课题研究的背景意义
柴油发电机广泛应用于野外作业、抗洪救灾及军事等领域，它是一种小型发电设备，系指以柴油等为燃料，以柴油机带动发电机的转子做切割磁力线运动而产生发电。
整套机组一般由柴油机、发电机、控制箱、燃油箱、起动和控制用蓄电瓶、保护装置、应急柜等部件组成。
整体可以固定在基础上，定位使用，亦可装在拖车上，供移动使用。
尽管柴油发电机组的功率较低，但由于其体积小、灵活、轻便、配套齐全，便于操作和维护，所以广泛应用于矿山、铁路、野外工地、道路交通维护、以及工厂、企业、医院等部门，作为备用电源或临时电源。
柴油机的转速由油控系统控制，当油控系统增加喷油量时，柴油机转速变快；反之，当油控系统减少喷油量时，柴油机转速变慢，进而决定了输出电压的高低。
为了使柴油机输出的电压稳定，就要给发电机组配置一套测控系统。
该测控系统的功能就包括检测柴油机的输出电压，通过一定的算法处理得到喷油控制量，并把喷油控制量传送到油控系统以控制柴油机的转速，进而控制输出电压。
用发电机测试系统进行测试，是一种全面的性能试验、能够较确切地得到被测电机的有关性能参数的试验。
其目的是为了确定发电机的输出性能是否能全面达到技术要求，各种型式的发电机均需要通过测试、试验后才能投产或继续生产。
国际标准和英、苏、德等国家都把型式试验当作一种性能试验，用来检查发电机的特性和参数。
这种试验一般只对各种型式电机中的第一台或首批的几台样机进行，所以称为型式试验。
根据需要，试验可包括标准中规定的所有项目，也可以是其中的一部分项目。
以前的电机型式试验系统主要由模拟设备和机械式测量仪表构成，试验人员工作繁重，数据统计工作复杂，且由于人为因素，数据测量不准确。
基于上述原因，在中国市场上目前对具有自主知识产权的柴油发电机智能检测系统的需求十分迫切，该设备对于实时检测柴油发电机的输出参数，提高产品竞争力，提高市场消费需求具有巨大的实际作用和意义。
本课题的研究对提高柴油发电机测试系统生产品质、效率具有极高的实用价值。
另一方面，随着计算机技术和嵌入式技术发展，出现了计算机检测技术在现代工业制造业对机电输出参数测量的高精度、高效率要求的驱动下，自动测试系统以经济实效、快速、非接触、精确以及自动化程度高等特点赢得了广泛的关注，本课题利用单片技术对柴油发电机测试系统进行了深入地探讨与研究具有重大意义，同时可以推广到其它相关领域。
1.2国内外发展概况及发展趋势
回顾国内柴油发电机测控系统的发展，大概可以划分为四个阶段：
1、以时间继电器和中间继电器为主构成的自动化控制系统，这种模式当时在同行业中非常普遍，而且也以相当的批量投向市场，突出的弱点是功能简单、结构复杂、维护调试困难、可靠性差，最终没有得到用户的认可。
2、用分离电子元器件组成延时电路和逻辑判断电路来实现的自动化系统，这种模式相对于第一种模式，有了很大的进步，如果精心设计，提高工艺水平，应该能取得很好的效果。
但是，在那个企业大而全的年代，每个企业各自为战，造成批量小、工艺落后、质量无法保证，所以这个阶段延续时间也较短。
3、随着改革开放，国外各种新鲜器件纷纷出现在国人面前，PLC（可编程序控制器）以性能稳定、方便灵活的优势迅速成为机组自动化控制领域的主力，时至今日仍有企业在应用。
这种模式的优点相对于前两种较为明显，但也逐步显露出一些缺陷，如：
外围电路复杂，需配置转速、电压等判断电路及供电电源、端口扩展继电器等器件；造价相对较高（带AD转换的PLC动辄上万元）。
PLC是很可靠的，但它毕竟不是专门为我们这个行业而设计的，所以以PLC为核心构成的柴油发电机组自动化控制系统注定是一个匆匆的过客，随着技术的飞速发展很快失去了优势。
4、控制系统功能模块化思路的出现，彻底解决了困扰发电机组控制领域的难题，这即是以专用控制器为核心构成的自动化系统，这些专用控制器为发电机组量身打造，集多种功能于一身，甩掉了复杂的外围电路，使自动化控制系统一下子变得简单了。
这些专用控制器大多采用了先进的微处理器及控制技术，可靠性和环境适应能力较PLC大大提高，同时，很多参数可以根据实际情况而设定，使用起来非常灵活。
目前，我们已经处在第四个阶段十余年了，这种模式的生命力，随着技术的发展显示了越来越强大的生命力，可以说这种控制系统功能模块化就是柴油发电机组自动化测控的现状。
1.3本课题的研究意义
目前，随着我国工业的高速发展，大量的发电机在冶金、能源、化工、制造业、交通等行业得到了极为广泛的应用。
但相应地发电机测试的工作量也不断增加，尤其对于一些80年代建设的大型国有企业，随着设备的才华，各类型的发电机的检修测试需要更是与日俱增。
结合国家十五计划中提出其的“以信息化带动工业化”的战略决策，开发一种采用先进的信息技术的发电机自动测试系统势在必行，设计可靠，安全，便捷柴油发电机测试系统具有极大地现实必要性。
为此，本论文进行了柴油发电机测试系统的研究与实现。
本论文的柴油发电机测试系统有很多现实意义：
1、系统硬件组成灵活方便，易于功能扩展；
2、实现程序控制，监视测试过程；
3、自动存储、整理并分析测试结果，即将测得的数据进行分析处理，最后以数字显示；
4、有一定的经济效益。
1.4论文结构
论文主要包括以下七个部分：
第一章，概括讲述了柴油发电机测试系统研究的背景意义，发展状况，课题研究的目的、意义及背景；第二章，介绍了柴油发电机的硬件设计、详细的说明了柴油发电机测试系统的系统组成结构及分析；第三章，；第四章，叙述了本系统软件整体结构的设计，详细说明了各功能模块的设计；第五章，进行个人总结。
第二章系统组成结构与分析
2.1系统组成框图
本系统采用STC12C54系列单片机为主的微控制处理器作为柴油发电机测试系统的控制核模块，能够对输出电压，电流频率进行测量；能通过3位LED交替显示测量的电压、电流、频率，且能通过键盘锁定以上3个被测量单独显示；具有报警功能，通过不同标识显示报警内容；能通过键盘设置各种参数，包括门限电压、电流、频率、功率。
在保证测试系统可靠运行的前提下，电路的设计尽可能的简洁紧凑，减轻系统负载，同时坚持充分发挥创新原则，以简洁但功能完美为出发点，并以稳定性为首要前提，实现测试的快速运行。
系统总设计方案如图所示：
图2-1系统框图
2.2微处理器的选择
根据技术指标要求，系统采用内带A/D，D/A接口的STC12C5410AD单片机作为主控CPU。
和传统的8051单片机相比，STC12C5410AD具有如下优点：
（1）内带一个12位的A/D转换器，且可以通过内部模拟开头外接8个A/D转换输入端。
（2）指令完全兼容传统8051，但速度快10-12倍，针对电机控制，强干扰场合。
（3）内部集成专用复位电路，4路PWM，有6个16位的计数器。
2.2输入模拟信号处理
本系统要求采样并计算发电机组输出电压、电流的大小。
根据指标要求，拟选用的传感器分别为精度为0。
1%的电压互感器、精度为0。
1%的电流互感器，采用CPU内部的12位A/D作为模数转换器。
根据输入信号的特点，系统采用交流采样的方式测量电压、电流值。
交流采样的原理是三个周期内对输入信号进行等间隔的N个点采样，并同这些采样值计算信号的有效值。
设这N个点的采样值分别是X1，X2，……，Xi,……，Xn,则该周期信号的有效值Y为：
为测量信号的周期，系统需提供一个测频电路，把周期性的交流信号转变为方波信号。
2.3人机接口设计
系统的键盘与显示面板如图2-2所示。
图中LED1~LED3代表电压、电流、频率显示标识。
当LED1亮时，数码管显示测量的电压值；当LED2亮时，数码管显示测量的电流值；当LED3亮时，数码管显示测量的频率值。
一般情况下，电压、电流、频率交替显示。
当需要单独显示某一测量值时，可通过按键功能进行切换，同时LED1对应电压独立显示，LED2对应电流独立显示，LED3对应频率独立显示。
图2-2人机接口面板
2.4硬件系统的结构
综上所述，基于单片机的测控系统的系统结构如图2.3所示：
图2-3硬件系统结构图
2.5数据和状态显示
根据指标要求，系统要求除了显示电压、电流、频率测量值外，还要显示各种报警值信息。
表2—1是各种报警信息显示内容。
表2-1报警信息显示码含义
显示信息
含义
显示信息
含义
U—H
输出电压过高
I—H
输出电流过高
U—L
输出电压过低
F—E
频率超限
P—H
输出功率过高
2.6键盘功能划分
本系统键盘要实现的功能有报警门限值设置。
系统键盘个数共有KEY1、KEY2、KEY3共3个，每个键盘都具有多种功能。
图2-4按“倒数”结构罗列了系统键盘功能。
由于键盘个数较少，因此采用二级下拉式菜单方式编写键盘程序。
系统按功能不同把键盘划7页（Page0—Page6）。
每页允许按键个数和各键功能各不相同。
如第1页可按2个键，而第1页可按3个键。
第0页为第1级，其它为第2级。
第2级的第1页利用4个按键完成过压门限值的设置。
KEY1的功能是在设置数值时，实现数字按0~9顺序徨切换；KEY2的功能是实现设置数值位数循环向前移动；KEY3的功能是设置确认，并使菜单回到第1级（Page=0）。
表2-2列出了各页功能。
图2-4系统键盘结构图
表2-2各页及按键功能
页号
功能说明
页号
功能说明
0
主界面
KEY1页号加1；KEY3页号确认按下该键进入相应页面菜单
4
超频门限值设置
KEY1~KEY3功能同上
1
过压门限值设置
KEY1数字加1；KEY2数字位前移；KEY3按下后保存过压门限值并返回初始页面
5
功率超限值设置
KEY1~KEY3功能同上
2
欠压门限值设置
KEY1~KEY3功能同上
6
主显示页面
KEY1按下只显示电压、再按下只显示电流、再按只显示频率，以此循环；KEY3返回初始界面
3
过流门限值设置
KEY1~KEY3功能同上
2.7软件功能划分
系统软件主要功能有键盘处理、数据采集、数据处理、数据或状态显示等。
根据模块化编程思想，软件系统可以分为系统初始化模块、键盘处理模块、显示处理模块、数据采集模块、数据处理模块、检测报警模块。
系统初始化模块主要完成显示缓冲、串行行接口、特殊功能寄存器、数据缓冲区及变量的初始化、使系统复位后进入安全、确定的状态。
键盘处理模块主要完成键盘扫描、各按键功能的处理等功能。
显示处理模块主要完成显示器硬件驱动、按键显示、报警显示和采样电压、电流、频率的显示等功能。
数据采集模块主要完成电压、电流采样和频率的测量等功能。
数据处理模块主要是实现电压、电流有效值的计算，通过PID控制算法计算出控制量并通过D/A输出，实现输出电压的稳定。
检测报警模块主要是检测输出电压、电流、频率等是否超限，当出现超限时，通过数码管显示报警信息，同时关闭油机。
第三章系统的硬件设计
硬件是整个系统正常工作的基础。
通过上文的介绍，由系统的组成框图可知，本系统硬件电路主要由单片机最小系统、人机接口电路、电源电路、模拟输入模块电路组成以及关油门电路，其各部分详细设计如下。
3.1单片机最小系统
单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对STC12系列单片机来说,最小系统一般应该包括:
单片机、晶振电路、复位电路、程序下载电路.STC12C5410AD是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。
用STC12C5410AD单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可。
由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
其应用特点：
（1）有
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