柴油发电机组控制柜模块的工作原理

柴油发电机组主操作界面是发电机组的控制装置，可实现对发电机组物理量的检测并显示，发电机的起动、运转、（正常、紧急）停机等控制性操作，供电及负荷测定与切换，发电机组保护，损坏诊测，远程通信遥测、遥控等。主控制面板增强了发电机组运行的可靠性以及人机交流的方便性。本文以众智HGM6320主监控系统为例，详细叙谈该型控制柜模块的工作原理、功用、参数设置以及使用说明。

众智HGM6320主操作系统的详细功用是用于发电机组自动化及监控装置，实现发电机组的自动开机/停机、参数测定、报警保护及“三遥用途”。控制系统采用大屏幕液晶（LCD）显示，中/英文可选定界面操作，使用简单，运行可靠，其性能和特点如下所述。

④ 数据设置用途：允许用户对其数据进行更改设定，同时记忆在内部FLASH存储器内，在机构掉电时也不会丢失。

⑧ 模块化构造设计，可插拔式接线端子，嵌入式装配方式，构造紧凑，装配方便。众智HGM6320 主监控系统的主要技术要求见表1。

主控制屏采用32位单片机作为核心控制器件，并进行适当外围扩展，显示单元采用具有低温作业特征的荧光点阵显示器，显示各种参量的实时数字值，实现了参数论说、消除及控制自动化，并具备遥测、遥信、遥控功能。其硬件框图如图1所示，由CPU、A/D切换电路、DC/DC切换电路、工况购买测定电路、电压测定电路、转速测量电路、输出控制电路、按键接收电路、显示电路和串行接口等部分结构。

① 可靠性高。芯片是按照工业测控环境要求布置的，其抗工业噪声干扰能力优于一般通用的CPU；方式指令、常数、表格固化在芯片内ROM中不易被破坏；许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。

片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多扩展用的总线及并行、串行输入/输出引脚，可方便地构造各种规模的单片机应用装置。

为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令机构有极其丰富的条件分支转移指令、I/O口的逻辑使用及位清除指令。一般说来，单片机的逻辑控制作用及运行转速均高于同一档次的微排除器。

众智HGM6320监控系统的核心消除器类型为ATmega128A（其引脚定义如图2和表2所示），该单片机是基于电压调节器（Automatic Voltage Regu-lation，电压自动调整）、RISC（Re-duced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）结构的8位低功CMOS微排除器。稳压板内核具有丰富的指令集和32个通用作业寄存器。所有寄存器都直接与算术逻辑单元ALU(Arithmetic and Logic Unit) 相连接，使得一条指令可在一个时钟周期内同时访问两个独立寄存器。这种构造大大提升了代码效率，且具有比普通的复杂指令集微解决器高10倍的参数吞吐率。

PEN是SPI（串行外设接口，Serial Peripheral Interface的缩写）串行下载的使能引脚。在上电复位时保持PEN为低电平将使器件进入SPI串行下载模式。在正常工作过程中PEN引脚没有其他作用

端口E为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特征，可以输出和吸收电网流。作为输入操作时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口E为三态。端口E也可以用作其他不同的特殊功能，详见相关专业书籍

端口B为8位双向1/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收电网流。作为输入操作时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口B为三态。端口B也可以用作其他不一样的特殊功用，详见相关专业书籍

端口G为5位双向1/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入操作时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口G为三态。端口G也可以用作其他不同的特殊功能，详见相关专业书籍在ATmega103兼容模式下，端口G只能作为外部存储器的锁存信号以及32kHz振荡器的输入，并且在复位时这些引脚初始化为PGO＝1、PG1＝1以及PG2＝0。PG3和PG4是振荡器引脚

端口D为8位双向1/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特点，可以输出和吸收电网流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口D为三态。端口D也可以用作其他不同的特殊用途，详见相关专业书籍

端口C为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特征，可以输出和吸收市电流。作为输入操作时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出

电流。复位发生时端口C为三态。端口C也可以用作其他不同的特殊用途，详见相关专业书籍。在ATmega103兼容模式下，端口C只能作为输出，而且在复位产生时不是三态

端口A为8位双向1/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收电网流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位产生时端口A为三态。端口A也可以用作其他不一样的特殊用途，详见相关专业书籍

如果不作为ADC的模拟输入，端口F可以作为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特征，可以输出和吸收电网流。作为输入操作时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位产生时端口F为三态。如果使能了JTAG（Joint Test Action Group，联合测试行动小组，是一种国际标准测试协议，IEEE1149.1兼容）接口，则复位产生时引脚PF7（TDI）、PF5（TMS）和PF4（TCK）的上拉电阻使能。端口F也可以作为JTAG接口。在ATmega103兼容模式下，端口F只能作为输入引脚

AVCC为端口F以及ADC转换器的电源，需要与VCC相连接，即使没有使用ADC也该当如此。使用ADC时应该通过一个低通滤波器与VCC连接

ATmega 128A单片机总共有6个8位并行I/O端口，分别记作PA0～PA7、PB0～PB7、PCO～PC7、PD0～PD7、PEO～PE7、PF0～PF7和1个5位并行I/O端口PG0～PG4。每个端口为准双向口，都具有读-修改-写的功用，每一条I/O线都能够独立地用作输入或输出。单片机I/O端口的电路规划非常巧妙，知晓I/O端口逻辑电路，不但有利于准确合理地使用端口，而且会对布置单片机外围逻辑电路有所启发。

单片机每个端口除了一般的数字I/O用途之外，大多数端口引脚都具有第二作用。如端口PORTA的第二用途为扩展三总线位；端口PORTB的第二用途主要有SPI串行监控系统接口、定时/计数器的比较输出和PWM输出接口；端口PC的第366二功用为地址总线位；端口PORTD的第二功用为串行通信接口、外中断申请信号输入接口和定期/计数器时钟输入接口等。

众智HGM6320控制模块应用单片机输入输出端口的场合有：开关量输入测量，如紧急停机、油压低停机报警信号、水温高停机报警信号；开关量输出控制，如8个继电器的控制。

模数转换器ADC是模拟信号源和计算机之间联系的桥梁，其任务是将连续变化的模拟信号切换为离散的数字信号，以便计算机进行运算、存储、控制和显示等。因为运用场合和要求不同，因而需要采用不同工作机理的A/D转换器，主要有逐次逼近式、双斜积分式、电压-频率式、并行式等几种。ATmega128A有一个10位的逐次逼近型模数切换器ADC。ADC与一个8通道的模拟多路开关连接，能对来自PORTF的8路单端输入电压进行采样。

逐次逼近式A/D切换器也称为持续比较式A/D转换器。这是一种采用对分搜索机理来实现A/D切换的器件，逻辑框图如图3所示。它具体由比较器、N位寄存器、D/A转换器、时序与控制逻辑电路以及输出缓冲器（锁存器）等五部分组成。

其作业机理为：起动信号用途后，时钟信号在时序与控制逻辑电路功能下，首先使寄存器的较高位输出D

＝1，其余位为“0”，N位寄存器的数字量一方面作为输出用，另一方面经D/A切换器转换成模拟量VH后送到比较器输入端，在比较器中与被转换的模拟量Vx进行比较，时序与控制逻辑电路根据比较器的输出进行判定。若V

N-2进行比较，使DN-2＝1，与上一位DN-1位一起送入D/A转换器，切换后再进入比较器，与VX比较，······，如此一位一位地继续下去，直到最后一位D0比较完毕为止。此时，DONE发出信号表示转换结束。这样经过N次比较后，N位寄存器的数字量即为VX所对应的数字量。众智HGM6320控制器运用单片机的模数切换器，将电网/发电电压/电流、水温感应器和油压传感器等电压信号转换成数字量。③ 定时/计数器ATmega128A单片机的内部有2个具有独立的预分频器和比较器功用的8位定期/计数器和2个具有预分频器、比较功能和捕捉用途的16位定时/计数器，它们都有定时和事件计数功能，可用于定时控制、延时、对外部事件计数和测量、PWM信号发生等场合。众智HGM6320控制系统运用单片机的定时/计数器测量速度探头的脉冲频率，计算出发电机的转速。④ 串行通信接口

串行通信接口，其全称为通用同步或异步串行接收/发送器（US-ART，Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter），是一个全双工串行通信接口，即能同时进行串行发送和接收。它可作通用异步接收和发送器用，也可作同步移位寄存器用。应用串行接口可实现单片机机构之间点对点的单机通信、多机通信和单片机与系统机（如PC机等）的单机或多机通信。在串行通信规划中，要保证通信双方的通信波特率和工作方法要一致。一般通信波特率可选为300bps、600bps、1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps和57600bps，而作业步骤的选择需要确定参数位数发电机组厂家、停止位数和奇偶校验位等。

人-机界面是使用人员与控制模块进行信息交互的渠道，详细由信息输出显示和指令输入两部分。人-机接口电路主要由液晶显示器、发光二极管和按键输入电路组成。

发电机组主控制系统实时测量发电机组的许多模拟量，包括水温、油压、直流电压、交流电流和交流电压等，下面分别推荐各种模拟量的检测接口电路和机理。

水温感应器和压力传感器均可采用电阻型传感器，即探头内置一个随着温度和压力变化而阻值变化的电阻，其测定接口电路和检测机理是相同的。接口电路的作用是将变化的电阻转换成0～3.3V的直流电压，如图4所示。 

1OPS经RC滤波后送入单片机内部的模数转换器的输入接口OPL1，经过AD转换后，得到对应的数字量。下式是上拉电阻和温变电阻分压后的电压计算公式： .......................................(公式1) 

②直流电压整形电路 直流电压整形电路是将电池电压或充电机电压进行降压和滤波后，转换成0～3.3V的直流电压，送入单片机的模拟输入端口进行模数转换。电路机理图如图5所示，R1

2进行滤波，稳压二极管VD1可吸收高于5V的电压尖峰，对单片机的模拟输入端口进行防过压保护发电机型号规格及功率。单片机测定的直流电压公式如下所示：

发电机组主监控系统需要实时测量电网电压、发电机输出电压、负载电流，并计算出负荷的有功功率、无功容量、视在功率、容量因数和累计电能等。对负荷电流的切换是通过两组互感器实现的，通过电流互感器将发电机组输出电流转换成0～5A的交流电信号，该电流送入发电机组主监控系统的三个精密电流互感器，三相电流分别从IA、IB、IC流入三个精密电流互感器，进入公共端ICOM（如图6所示）。在每个精密电流互感器的输出端，感应出0～5mA电流，分别通过电阻R

开关量输入接口电路可以将发电机组中传感器的开关状态和电平变化状态整理为0或5V的规则电压，送入单片机的输入端口。图6-17是开关量输入接口电路机理图，当开关K断开时，二极管VD1截止，SW1的信号由R1和R2连接到VCC，电压为5V；当开关K闭合时，二极管VD1导通，SW1的信号由R

、VD1和K连接到GND，电压为0V左右。在电路中增加二极管VD1，是为了保护输入单片机端口的电压不能偏高，当开关K断开时，引脚1OPL可能会引入高电压，如静电或意外接入高电平，若没有二极管，高电压会通过R

引入单片机端口，烧毁单片机；加入二极管后，当1OPL电压高于VCC时，二极管VD1反向截止，高电压就不可能通过VD1窜入单片机端口。

图8是测定电平信号变化的接口电路，当外部电压STOP低于4.2V时，经R1和R2串联分压后，三极管Q1基极电压低于0.7V，Q1截止，STOPIN经R3

1和R2分压后，Q1基极电压高于0.7V，Q1导通，STOPIN经Q1连接到GND，输出为OV。当STOP输入反向电压时，电流经二极管VD1和R1形成回路，保护Q1基极和发射极不被反向击穿。

主控制屏对执行器的控制，主要是通过继电器实现的，图9是继电器输出电路机理图。继电器由线圈和触点构造，线圈的工作电源由VREL提供（9V）；触点由公共触点COM、常开触点NO和常闭触点NC构成，在继电器不动作时，公共触点COM与常闭触点NC连通，继电器动作时，公共触点COM与常开触点NO连通。当单片机输出端口RELO输出高电平常，三极管Q1导通，继电器线圈发生较强磁场，吸合触点动作，COM与NO连通；当单片机端口RELO输出低电日常，三极管Q1截止，继电器线圈失电，触点在弹簧功能下恢复，COM与常闭触点NC连通。