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完整的技术规格、安装配置和操作指南

📋 技术规格 🔧 安装配置 📖 操作指南 🛠️ 故障排除

📚 文档目录

1. 系统概述

1.1 系统简介

电脑控制双电源切换系统是一个专为实验环境设计的智能电源管理解决方案。系统通过电脑控制实现17V低压电源和高压电源之间的精确时序切换，确保实验过程的安全性和可重复性。

1.2 主要特性

⚡ 精确时序控制

  • 毫秒级时序精度
  • 可编程时序参数
  • 实时状态监控

🛡️ 多重安全保护

  • 硬件互锁机制
  • 软件安全校验
  • 过流保护电路

📊 数据记录分析

  • 实时数据采集
  • 实验数据存储
  • 结果可视化分析

🔧 易于操作维护

  • 图形化操作界面
  • 模块化设计
  • 远程监控支持

2. 技术规格

2.1 电气参数

参数 规格 备注
低压电源 17V DC 稳压电源，纹波 < 1%
高压电源 用户定义 根据实验需求配置
切换精度 ±0.1ms 时序控制精度
最大电流 10A 过流保护阈值
工作温度 -10°C ~ +60°C 环境工作温度
存储温度 -20°C ~ +70°C 非工作状态

2.2 通信参数

参数 规格 备注
通信接口 USB转TTL 标准USB接口
波特率 9600 bps 可配置
数据位 8 标准配置
停止位 1 标准配置
校验位 无 标准配置
通信距离 < 5m 建议距离

3. 硬件设计

3.1 系统架构

graph TB subgraph "控制层" PC[电脑控制端] USB[USB转TTL接口] MCU[微控制器] end subgraph "执行层" LVR[低压继电器] HVR[高压继电器] SENSOR[状态传感器] end subgraph "电源层" LV[17V低压电源] HV[高压电源] PROTECT[保护电路] end subgraph "负载层" LOAD[实验负载] MONITOR[监控设备] end PC --> USB USB --> MCU MCU --> LVR MCU --> HVR MCU --> SENSOR LV --> LVR HV --> HVR LVR --> PROTECT HVR --> PROTECT PROTECT --> LOAD LOAD --> MONITOR SENSOR --> MCU style PC fill:#e1f5fe style MCU fill:#f3e5f5 style LVR fill:#e8f5e8 style HVR fill:#e8f5e8 style LV fill:#fff3e0 style HV fill:#fff3e0 style LOAD fill:#fce4ec

3.2 保护电路设计

🔒 安全保护机制

  • 过流保护: 电流传感器监控，保护阈值10A，响应时间<10ms
  • 过温保护: NTC热敏电阻监控，保护阈值80°C，响应时间<1s
  • 互锁保护: 硬件和软件双重互锁，确保不会同时接通两个电源
  • 绝缘保护: 所有高压部分采用双重绝缘设计

4. 软件架构

4.1 软件模块结构

graph TB subgraph "主控制模块" PC[PowerSwitchController] PC --> CONFIG[ExperimentConfig] PC --> STATUS[SystemStatus] end subgraph "通信模块" SERIAL[串口通信管理] PROTOCOL[通信协议处理] COMMANDS[命令解析] end subgraph "状态管理" STATE[状态机管理] MONITOR[实时监控] SAFETY[安全检查] end subgraph "数据管理" RECORD[数据记录] STORAGE[数据存储] EXPORT[数据导出] end PC --> SERIAL PC --> STATE PC --> RECORD SERIAL --> PROTOCOL PROTOCOL --> COMMANDS STATE --> MONITOR STATE --> SAFETY RECORD --> STORAGE STORAGE --> EXPORT style PC fill:#e1f5fe style SERIAL fill:#f3e5f5 style STATE fill:#e8f5e8 style RECORD fill:#fff3e0

4.2 状态机设计

stateDiagram-v2 [*] --> 待机状态 待机状态 --> 初始化: 启动系统 初始化 --> 安全检查: 系统自检 安全检查 --> 就绪状态: 检查通过 安全检查 --> 故障状态: 检查失败 就绪状态 --> 实验运行: 开始实验 实验运行 --> 低压供电: 接通低压 低压供电 --> 安全间隔1: 低压完成 安全间隔1 --> 高压供电: 间隔结束 高压供电 --> 安全间隔2: 高压完成 安全间隔2 --> 低压供电: 间隔结束 低压供电 --> 实验完成: 实验结束 实验完成 --> 数据记录: 保存结果 数据记录 --> 就绪状态: 记录完成 故障状态 --> 待机状态: 故障清除 实验运行 --> 紧急停止: 异常情况 紧急停止 --> 故障状态: 系统保护

5. 通信协议

5.1 支持的命令列表

命令 功能 响应 备注
TEST 连接测试 OK/ERROR 测试通信连接
CONNECT_LOW_VOLTAGE 接通低压 OK/ERROR 接通17V电源
DISCONNECT_LOW_VOLTAGE 断开低压 OK/ERROR 断开17V电源
CONNECT_HIGH_VOLTAGE 接通高压 OK/ERROR 接通高压电源
DISCONNECT_HIGH_VOLTAGE 断开高压 OK/ERROR 断开高压电源
DISCONNECT_ALL 断开所有 OK/ERROR 断开所有继电器
READ_SENSORS 读取传感器 SENSOR_DATA:... 读取传感器数据
GET_STATUS 获取状态 STATUS:... 获取系统状态

5.2 数据格式

📊 数据格式说明

  • 传感器数据: SENSOR_DATA:<temperature>,<current>,<voltage>
  • 状态数据: STATUS:<state>,<low_relay>,<high_relay>,<error_code>
  • 实验数据: JSON格式，包含时间戳、阶段、传感器数据等

6. 安全机制

6.1 硬件安全

⚠️ 安全注意事项

  • 电气安全: 所有高压部分采用双重绝缘，系统外壳可靠接地
  • 机械安全: 高压部分设置防护罩，保持足够的电气安全距离
  • 过流保护: 熔断器和断路器双重保护，过流阈值10A
  • 过压保护: 压敏电阻和TVS管保护，防止过压损坏

6.2 软件安全

🔍 输入验证

  • 参数范围检查
  • 数据类型验证
  • 边界检查
  • 异常处理

📊 状态监控

  • 实时监控
  • 异常检测
  • 自动保护
  • 日志记录

7. 安装配置

7.1 硬件安装

🔧 安装步骤

  1. 环境检查: 确认工作环境符合要求，检查电源供应和接地系统
  2. 机箱安装: 选择合适的安装位置，固定机箱到安装支架
  3. 电源连接: 连接17V低压电源和高压电源，检查电源极性
  4. 继电器安装: 安装低压和高压继电器，连接控制线和负载线
  5. 传感器安装: 安装温度传感器和电流传感器，连接信号线

7.2 软件配置

⚙️ 配置示例 
# 串口配置
PORT = 'COM3'  # Windows
# PORT = '/dev/ttyUSB0'  # Linux

BAUDRATE = 9600
TIMEOUT = 1

# 实验参数配置
LOW_VOLTAGE_DURATION = 5.0    # 低压持续时间
HIGH_VOLTAGE_DURATION = 0.12  # 高压持续时间
SAFETY_INTERVAL = 0.1         # 安全间隔

# 安全参数配置
MAX_TEMPERATURE = 80.0        # 最大温度
MAX_CURRENT = 10.0           # 最大电流

8. 操作指南

8.1 系统启动

sequenceDiagram participant User as 用户 participant Software as 控制软件 participant Hardware as 硬件系统 User->>Software: 启动软件 Software->>Hardware: 检测硬件连接 Hardware-->>Software: 返回连接状态 Software->>Hardware: 执行系统自检 Hardware-->>Software: 返回自检结果 Software->>User: 显示系统状态 User->>Software: 确认开始实验 Software->>Hardware: 执行实验流程

8.2 实验操作流程

📋 操作步骤

  1. 启动系统: 打开总电源开关，启动控制软件
  2. 安全检查: 执行系统安全检查，确认所有继电器断开
  3. 参数设置: 设置实验持续时间、安全参数等
  4. 开始实验: 点击"开始实验"按钮，系统自动执行
  5. 监控过程: 实时监控温度、电流、电压变化
  6. 实验完成: 系统自动完成实验，保存数据

9. 故障排除

9.1 常见故障及解决方法

故障现象 可能原因 解决方法
串口连接失败 端口被占用或驱动问题 检查端口占用，重新安装驱动
通信超时 波特率不匹配 检查波特率设置
继电器不动作 控制信号异常 检查控制信号和驱动电路
温度读数异常 传感器损坏 更换温度传感器
电流读数异常 传感器校准错误 重新校准传感器
系统过热 散热不良或负载过大 检查散热，减少负载

9.2 诊断工具

🔧 软件诊断

  • 内置诊断程序
  • 系统状态检查
  • 通信测试
  • 传感器校准

📊 硬件诊断

  • 万用表测量
  • 示波器观察
  • 逻辑分析仪
  • 信号发生器

10. 维护保养

10.1 日常维护

📅 维护计划

  • 每日检查: 外观检查、功能检查、指示灯状态
  • 每周维护: 清洁保养、性能检查、通风孔清理
  • 月度维护: 全面检查、数据备份、软件更新
  • 年度维护: 深度检查、校准标定、备件更换

10.2 备件管理

备件名称 规格型号 数量 更换周期
低压继电器 17V/10A 2个 2年
高压继电器 用户定义 2个 2年
温度传感器 NTC 10K 1个 3年
电流传感器 霍尔型 1个 3年
保险丝 10A 5个 1年

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