畢業論文--基于單片機的多費率電表設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 斷源，共 8 個中斷源； 2 個讀寫中斷口線， 3 級加密位； 低功耗空閑和掉電模式，設置睡眠和喚醒功能； 1有 PDIP、 PQFP、 TQFP 及 PLCC 等幾種封裝形式，以適應不同產品的需求。 顯示采用 ]6x2 字符型液晶 HC1602，與單片機的接口電路如圖 44 所示。 圖中 c4， c5 為單片機和液晶模塊 HCl602 的去耦電容。 DB0DB7 為 HCl602的數 據線，與單片機的 ～ 端子相接。 R15 為阻值可調的電位器，用來調整液晶顯示的對比度；當 VO 端子對地電壓為 OV 時藏晶顯示最為清晰。 A、 K為 HCl602 背光燈的電源端子和接地端子，其中電源端子 K 通過跳縫 JP2 與主電源相接。正常情況下 JP2 斷開以減小電能表能耗；在電量查詢時閉合 JP2，接通背光燈電源。 圖 44 單片機與 HC1602 的接口電路設計 顯示與按鍵相結合，用來實現電量參數的查詢顯示、異常事件記錄查詢顯示以及時鐘參數韌值輸入調整結果顯示。當沒有中斷發生時，進行總的有功、無功電量顯示；顯示數據格式參考附錄圖 Dl 所示。字符顯示是通過 P0 口讀入該字符的 ASCII 碼實現，舉例如下．字符‘ 1’的 ASCII 為 Ox31。在完 成 LCD 初始化設置后，把該字荷對應的 ASCH 碼“ Ox31”通過 P0 口寫入 LCD 的內部寄存器 DDRAM中。通過控制端子 Rs、 R/W 的狀態組合實現指令的寫入以及數據的讀、寫操作，操作說明參考表 32 所示。 表 41 HC1602 操作說明 RS R/W 操作說明 0 0 把指令寫入寄存器初始化 LCD 0 1 讀 LCD“忙”狀態標志 1 0 把數據寫入寄存器，顯示 儲AT24C02 存儲芯片采用 AT24C02。該芯片具有 1℃總線接口，具有掉電后數據不丟失特點。 AT24C02 結構圖如圖 45 所示 圖 45AT24C02 結構圖 存儲主要包括電量參數的存儲和異常事件的記錄存儲。考慮到 AT24C02 芯片擦寫次數的有限性．能量的累加在單片機的洲存儲空間中完成。采用定時方式進行電量參數的存儲。單片機不斷檢測時間參數，當存儲時間到，則啟動 12c 總線把電量參數存儲到 AT24C02 中分配的地址單元。異常事件采用中斷方式進行存儲。當 ADE7758 檢測到過流、過壓、斷相等事件時，向單片機發出中斷申請。單片機執行中斷服務程序，把處理的結果，包括事件的代碼、發生次數以及發生的時間，存儲到 AT24C02 中分配的地址單元。 AT24C02 存 儲單元配置參考表 42 所示。 表 42 AT24C02 存儲器單元地址配置 變量名稱 變量類型 存儲單元地址分配 物理意義 E0 Long int 0x00x07 總的有功電量 R0 Long int 0x080x0f 總的無功電量 E1 Long int 0x100x17 00:0012:00 時段內有功電量 E2 Long int 0x180x1f 12:0000:00 時段內有功電量 E3 Long int 0x200x27 低負荷時的有功電量 E4 Long int 0x280x2f 正常負荷時的有功電量 H1 Char 0x300x36 電能表斷相次數及時間記錄 H2 Char 0x400x46 單相過流次數及時間記錄 H3 Char 0x500x56 單相過壓次數及時間記錄 為了保證電量參數存儲的可靠性．在軟件設計上要有充分的冗余和糾錯。比如考慮到這種情況．在進行電量存儲時突然發生掉電事故，新的數據存儲尚未完成，而原有數據已經被覆蓋，造成數據的丟失。為了避免這種情況，對每一個電量參數分配兩組存儲單元；以朋為例， OxOOOx03 為一組存儲單元。 Ox04Ox07 為另一組存儲單元。即使一組數據在存儲時被損壞，另一組數據則不受影響。 口芯片 485 電能表配備通信 RS485 接口具有成熟性和性價比高的優勢，硬件設計時預留出 RS485 通信接口，采用 485 接口芯片。硬件電路設計參考圖 46 所示。 圈中由 DE 端子控制 485 芯片的發送 /接收使能。 DE 端子與單片機的 口連接。當 DE 為高電平時，單片機向 RS485 總線發送數據； DE 為低電平時單片機從 RS485 總線接收數據。連接至 A 腳的下拉電阻 R3連接至 B 腳的上拉電阻 R30 用于提高該 RS485 網絡節點的工作可靠性。 鉗位于 的穩壓管 DD D5 用來保護 RS485 總線，避免在受到外界雷擊、浪涌等干擾時產生高壓損壞 RS485 收發器。 C1 C14 用于提高電路的 EMI 性能。 圖 46 RS485 通信接口電路設計 關 CD4053 采用 CD4053 芯片實現電流傳感器高、低變比檢測信號的選通。 CD4053 有三個控制端子 A、 B、 C。當 ABC 000 時， ax、 bx、 cx 三個信道選通；當 ABC 111時， ay、 by、 cy 三個信道選通。 A、 B、 C 三個端子同時與單片機的 口連接。單片機根據瞬時功率檢測結果，通過對 端口狀態設置，進行高低變比電流檢測信號的選通控制。 二極管 LEDl 指示功率分段情況， C2 為 心的去耦電容， R2 為限流電阻。當 為高電平時， CD4053 的 ay 端子與 a 選通， ADE7758 的電流通道小變比檢測信號選通，對應小負荷計量模式，此時 LEDl 不導通； 為低電平時， ax端子與 a 選通，電流通道高變比檢測信號選通，對應正常負荷計量模式， LEDl導通發光。 CONl 為 PCB 設計時對應的插接端子，作為 ADE7758 電流、電壓信號的輸入連接部分，其第一個引腳記為 CONl1。 CD4053 真值關系參考表 43 所示。 表 43 CD4053 真值表 控制端子 信道選擇 INH C B A 0 0 0 0 cx,bx,ax 0 1 1 1 cy,by,ay 塊控制 系統電源模塊由主電源和后備電源兩部分組成。主電源模塊由變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四部分組成硎，其中整流電路采用 DBl07 集成模塊，穩壓電路采用 780 LM7905 集成電路模塊；后備電源采用可充電的 LIR2032 鋰電池，電源模塊設計如圖 47 所示。 7805 的 +5V 輸出通過 JP5 跳線與系統的 +5V 網絡連接。當 JP5 閉合時，系統處于上電工作狀態，此時二極管 LED4 導通發光。 CON3 為兩路 9V 正弦交流信號輸入接口，中間為接地端子。 C3 C3 C3 C40 為有極性的旁路電容．作用是使 780 LM7905 的輸入、輸出電壓保持基本穩定； C1 C1 C1 C18 為 的去耦電容，作用是濾除 780 LM7905 輸入、輸出信號中的尖峰脈沖成分。 圖 47 主電源模塊設計 5 系統硬件調試與功能函數定義 應用 ME300B 對模塊電路進行在線仿真調試。硬件調試基于 PCB 電路板進行，首先進行模塊電路的分級調試，使組 成系統的各個模塊電路正常工作；然后進行系統總體調試，使其達到預定的技術要求。在調試過程中發現設計中存在的問題，判斷問題的原因、位置并提出改進措施。在對硬件電路調試的同時進行功能函數的設計與測試。功能函數主要圍繞長整型以及字符型數據的顯示與存儲展開，最后對功能函數仿真調試中遇到的問題進行分析說明。 電路板規格與焊接操作 電路板設計為普通雙面板，尺寸大小 。在板的兩面采用大面積覆銅接地，不區分數字地和模擬地 。在布線時，電源線、接地線等走線寬度設置為 40～ 60mil，推薦線寬 60mil；信號線設置為 10mil～ 20mil，推薦線寬 15mil，其中 40mil≈ lmm。不同網絡之間的安全間距設置為 12mil；采用自動布線方式，覆銅放在最后進行。電路板設計規則一般包括電路板的布線規則、制作規則、有關高頻的設計規則以及其他設計規則等幾個方面。可以按照文獻 [26]的有關制版介紹，在電腦上運行 Protel 軟件，從繪制簡單的 PCB 電路開始，逐步熟悉設計過程。在進行 PCB 電路設計時，在每一芯片的電源端子和地之間接入 p F的去耦電容；電源線、地線和芯片的接地線應盡可能加寬。進行電路板設計時，在芯片的電源引腳和接地引腳之間接入一個 的去耦電容。該電容去耦了來自電源的噪聲，保證芯片有持續、穩定的電壓源。在對時鐘芯片 DSl302 進行仿真調試時，并沒有認識到去耦電容的重要性，芯片電源引腳沒有外接 的去耦電容，沒有達到預期的仿真結果，原因就出在去耦電容上。在進行印制電路板設計時，為了利用 ME300B 的仿真頭對 PCB 電路板進行在線仿真調試，單片機AT89S52 沒有采用 PCB 庫元件中的封裝形式，而是自制一個 40 針的插接座 封裝，單片機通過插接座接入 PCB 電路。載入封裝后的 PCB 電路板參考附錄 B2 所示。其他 DIP 封裝的芯片也是通過插座接入電路板。這樣，當芯片損壞時，可以方便進行芯片的替換。 貼片式封裝 ADE7758 焊接特點。 ADE7758 為貼片式封裝，引腳排列較密。焊接前應在電路板的焊接區域均勻涂上一層焊錫膏，然后用帶有焊錫的烙鐵頭輕輕觸及焊接區域上的金屬焊接點，則焊接點上均勻的結晶一層焊錫。然后把ADE7758 芯片引腳對準焊接位置，用燒熱的烙鐵頭 不帶焊錫 在 ADE7758 的引腳和焊接點連接處預熱片刻，可以觀察到一股細小的 錫流沿著焊接線展開。結束后擦去多余的焊錫膏。這種焊接方式不容易損壞芯片，焊接成功率高，且沒有毛刺。 系統硬件電路測試 塊測試 首先進行系統短路測試。短路測試用來分析 PCB 電路各芯片電源端子與接地端子之間有無短路問題。由于載入元器件封裝時通過手工焊接，引線和元器件較多，會由于經驗不足而可能導致電源端于和接地端子接成短路。短路會造成芯片的燒壞，導致 PCB 系統不可用。因此，應避免短路，在確保系統安全的前提下進行功能模塊的仿真測試。采用 ME300B 單片機開發系統進行功能模塊的短路測試。ME300B 是由深圳偉納 公司推出的單片機學習開發系統，可以對片內資源和片外資源進行在線仿真調試。當仿真對象有短路故障刊，開發板上紅色的 LED 燈會不停的閃爍。可以利用這特點判斷仿真對象是否存在短路故障。把 ME300B 的仿真頭連接到 PCB 板對應的單片機插座上，打開 ME300B 主機電源，觀察到開發板上的 LED 燈沒有閃爍，表明系統沒有短路故障。同時用萬用表測得 DSl30 48AT24C02 等芯片的電源端子對地電壓 。 電源模塊電壓輸出測試。參考圖 39 主電源模塊設計，閉合跳線 JP5；在兩路 50Hz 正弦交流 9v 信號輸入下，用萬用 表測量 780 7905 輸出電壓分別為 +5V和 5V；在單路 50Hz 交流輸入時，實際測得 7805 輸出在 4v 左右，而 7905 輸出保持為 5V。這就表明， 7805 驅動負載過多會導致電源輸出電壓下降。為使系統正常工作，電源模塊需采用兩路交流信號輸入。 RS485 通信模塊測試 R8485 通信