【文章內(nèi)容簡介】 4 硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)當(dāng)前 低壓配電網(wǎng)的監(jiān)測需求來分析，終端的硬件模塊有兩個(gè)部分來組成：一是電能參數(shù)采集模塊，它以 STC89C52 型單片機(jī)作為控制核心，連接著電源電路 、數(shù)模轉(zhuǎn)換 電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、 LCD 液晶顯示電路、按鍵電路和串口通訊電路。二是 GPRS 無線通信模塊。 主要 實(shí)現(xiàn) 故障信息的短信發(fā)送 和 GPRS 網(wǎng)絡(luò)無斷線連接 。 完整的電路設(shè)計(jì)圖紙見附錄 2。 電能參數(shù)采集模塊功能需求分析 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集分站的設(shè)計(jì)目標(biāo)是能夠傳送和存儲(chǔ)電流量、電壓量、開關(guān)量和有關(guān)的遙測等信息 ； 是為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集傳輸和遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)的系統(tǒng) ,應(yīng)遵循國際、國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。下面是對(duì)采集分站詳細(xì)的設(shè)計(jì)需求 : （ 1） 采集分站應(yīng)能完成對(duì)配電網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的高精度采集 ,安全可靠的存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)、能按指定的時(shí)間起點(diǎn)、指定的內(nèi) 容向主站傳送信息。 （ 2） 每個(gè)采集分站能實(shí)時(shí)采集配網(wǎng)開關(guān)的三相電氣參數(shù) (電流量和電壓量 ),測量精度能夠達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。 （ 3） 具備同時(shí)與多個(gè)遠(yuǎn)方主站通信的功能 ,通過傳輸通道將信息送主站系統(tǒng) ,但只能定義有一個(gè)端口能遠(yuǎn)誠設(shè)置參數(shù)。 （ 4） 采用 GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)方主站通信。 （ 5） 擁有開關(guān)量監(jiān)測功能 ,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測開關(guān)量狀態(tài) ,當(dāng)發(fā)生事件時(shí)向主站報(bào)警。 （ 6） 運(yùn)行環(huán)境 :工作溫度可達(dá) 20℃ ~+55℃ ,濕度可達(dá) 85%。 由采集分站的功能需求 ,完成采集分站的功能設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集分站包括數(shù)據(jù)采集終端和 GPRS 模塊兩個(gè)部分 ,二者通過 RS232 串行通信 ,數(shù)據(jù)采集終端通過 變壓器和整流濾波電路 以及輔助開關(guān)等將配電網(wǎng)中開關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集 ,并借助 GPRS 模塊將采集信息通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心的監(jiān)控系統(tǒng)中。采集分站同監(jiān)控主站通信需要實(shí)現(xiàn)的功能如下 : （ 1） 參數(shù)設(shè)置： 監(jiān)控主站通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置采集分站中的 GPRS 模塊參數(shù)。 （ 2） 串口設(shè)置 ： 通過設(shè)置串口參數(shù)達(dá)到采集分站與監(jiān)控主站之間串口一致。 （ 3） 異常處理：采集分站不間斷監(jiān)視現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的異常情況 ,一旦發(fā)現(xiàn)立刻保護(hù)現(xiàn)場 (存儲(chǔ)當(dāng)時(shí)的瞬時(shí)數(shù)據(jù)量及時(shí)間 ),同 時(shí)將 異常情況一起傳給監(jiān)控 主站。 電能參數(shù)采集模塊設(shè) 計(jì) 電能參數(shù)采集模塊 處于整個(gè)檢測系統(tǒng)的最前端，采集模塊一般安裝在 需要監(jiān)測的現(xiàn)場，并配以必要的保護(hù)措施，確保模塊安全可靠工作。該模塊可以完全獨(dú)立運(yùn)行，主要負(fù)責(zé)低壓配電網(wǎng)的電能參數(shù)采集，并根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)判斷配電網(wǎng)運(yùn)行情況，保存電壓電流等參數(shù)，當(dāng)這些參數(shù)在規(guī)定的范圍之內(nèi)時(shí)，顯示正常數(shù)據(jù)并定時(shí)發(fā)送給 后臺(tái)監(jiān)測中心。若參數(shù)超出所規(guī)定的范圍時(shí)，立即將報(bào)警信息發(fā)送給手機(jī)和后臺(tái)， 并作相應(yīng)的處理 。模塊框圖如下 41 所示。 圖 41 數(shù)據(jù)采集模塊方框圖 Figure 41 Block diagram of data acquisition module STC89C52 處理器 STC89C52 是一種帶 8K 字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory ）的低電壓，高性能 COMOS8 的微處理器俗稱單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 搞密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 STC89C52 主要功 能如表 41 示。 表 41 STC89C52 主要功能 主要功能特性 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 8K 可反復(fù)擦寫 Flash ROM 32 個(gè)雙向 I/O 口 256x8bit 內(nèi)部 RAM 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器中斷 時(shí)鐘頻率 024MHz 配電網(wǎng) STC89C52 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路 數(shù)據(jù)顯示電路 串口 無線通信模塊 鍵盤控制電路 電源供電電路 2 個(gè)串行中斷 可編程 UART 串行通道 2 個(gè)外部中斷源 共 6 個(gè)中斷源 2 個(gè)讀寫中斷口線 3 級(jí)加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 STC89C52RC+系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 42 所示。 STC89C52RC+單片機(jī)中包含中央處理器（ CPU）、程 序存儲(chǔ)器（ Flash）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ SRAM）、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 UART串口、 I/O 接口、 EEPROM、看門狗等模塊。 STC89C52RC+系列單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個(gè)片上系統(tǒng)。 圖 42 STC89C52片內(nèi)結(jié)構(gòu) Figure 42 Structure of STC89C52 為了更好地管理 STC90C58AD 型單片機(jī)的 I/0 口 ,必須按需求先對(duì)其進(jìn)行合理的分配 ,如表 42 所示 ， MCU各引腳的功能配置有 :ADC0809 引腳 、 實(shí)時(shí)時(shí)鐘引腳 、 LCD 引腳 、 串口通訊引腳 、矩陣鍵盤 引腳 、 晶振引腳 。 完成引腳的規(guī)劃 ,是進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備工作 ,對(duì)于系統(tǒng)開發(fā)有著非常重要的作用 。 RAM 地址寄存器 RAM256字節(jié) AUXRAM1024 字節(jié) B 寄存器 ACC 雙數(shù)據(jù)指針 堆棧指針 TMP2 TMP1 ALU EEPROM PSW WDT 定時(shí)器 0/1 定時(shí)器 2 串口 程序存儲(chǔ)器 ISP/IAP 地址生成器 程序計(jì)數(shù)器 Control Unit Port 0,1,2,3,4 鎖存器 表 42 STC89C52 芯片引腳分配 引腳功能 單片機(jī)端引腳名 數(shù)據(jù)方向 備注 晶振 XTAL1 I 連接時(shí)鐘電路 XTAL2 O 復(fù)位 RST I 連接復(fù)位電路 LCD12864 顯示 O 使能控制 O 讀寫控制 O 數(shù)據(jù) /指令控制 I/O 三態(tài)數(shù)據(jù)線 I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O 時(shí)鐘日歷電路 I 時(shí)鐘信號(hào)輸入控制 I/O 數(shù)據(jù)讀寫控制 鍵盤掃描電路 I/O 數(shù)據(jù)線 I/O I/O I/O I/O I/O 串口通訊 I 接收串口數(shù)據(jù) O 發(fā)送串口數(shù)據(jù) 復(fù)位電路 STC89C52 的上電復(fù)位電路如圖 43 所示，只要在 RST 復(fù)位輸入引腳上接一電容至Vc 端，下接一個(gè) 電阻 到地即可。上電復(fù)位的工作過程是在加電時(shí)，復(fù)位電路通過電容加給 RST 端一個(gè)短暫的高電平信號(hào)，此高電平信號(hào)隨著 Vc 對(duì)電容的充電過程而逐漸回落，即 RST 端的高電平持續(xù)時(shí)間取決于電容的充電時(shí)間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位， RST端的高電平信號(hào)必須維持足夠長的時(shí)間。上電時(shí)， Vc 的上升時(shí)間約為 10ms，而振蕩 器的起振時(shí)間取決于振蕩頻率，如 晶振 頻率為 10MHz，起振時(shí)間為 1ms；晶振頻率為 1MHz，起振時(shí)間則為 10ms。在圖 43 的復(fù)位電路中，當(dāng) Vc 掉電時(shí)，必然會(huì)使 RST 端電壓迅速下降到 0V 以下，但是，由于內(nèi)部電路的限制作用，這個(gè)負(fù)電壓將不會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生損害。另外，在復(fù)位期間，端口引腳處于隨機(jī)狀態(tài)，復(fù)位后，系統(tǒng)將端口置為全 “ l” 態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時(shí)得不到有效的復(fù)位，則程序計(jì)數(shù)器 PC 將得不到一個(gè)合適的初值，因此， CPU可能會(huì)從一個(gè)未被定義的位置開始執(zhí)行程序。 10KR110uFC6VCCRESET 圖 43 復(fù)位電路 Figure 43 Reset Circuit 時(shí)鐘 電路 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生 CPU執(zhí)行指令所需的脈沖信號(hào) ,確保程序按節(jié)拍運(yùn)行，該電路的基本要求是能快速起振，自我恢復(fù)平衡，它一般有兩種電路模式 :內(nèi)部電路自己產(chǎn)生時(shí)鐘和外部電路輸入時(shí)鐘。本文采用 外部 時(shí)鐘模式 。 電容的選擇關(guān)乎著振蕩電路的頻率及其穩(wěn)定性 ,通常 C1 和 C2 電容為 30PF， 值得注意的是 ,頻率較高的晶振通常為有源晶振 ,時(shí)鐘電路也會(huì)產(chǎn)生較高的脈沖信號(hào) ,系統(tǒng)的運(yùn)行速度也會(huì)大 ， 但也對(duì)電路板的 PCB 設(shè)計(jì)提出了較高的要求 。 本文采用 的無源晶振為系統(tǒng)提供時(shí)鐘 ,數(shù)據(jù)采集模塊的串口波特率可以準(zhǔn)確地被設(shè)置 9600bps,方便與 GPRS 無線模塊通信 。如圖 44 所示。 30pFC530pFC412XT1XT2 圖 44 時(shí)鐘電路 Figure 44 Clock Circuit 時(shí)鐘日歷電路 DS1302 是 美國 DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗、帶 RAM 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年 補(bǔ)償功能，工作電壓為 ～。采用三線接口與 CPU 進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的 時(shí)鐘信號(hào) 或 RAM 數(shù)據(jù)。 DS1302 內(nèi)部有一個(gè) 318 的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的 RAM 寄存器。 DS1302是 DS1202 的升級(jí)產(chǎn)品，與 DS1202 兼容，但增加了主電源 /后備電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。 DS1302 的引腳排列 ,其中 Vcc1 為后備電 源，Vcc2 為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。 DS1302 由 Vcc1 或Vcc2 兩者中的較大者供電。當(dāng) Vcc2 大于 Vcc1+， Vcc2 給 DS1302 供電。當(dāng) Vcc2小于 Vcc1 時(shí)， DS1302 由 Vcc1 供電。 X1 和 X2 是振蕩源，外接 晶振。 RST 是復(fù)位 /片選線 ，通過把 RST 輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。 RST 輸入有兩種功能：首先， RST 接通控制邏輯，允許地址 /命令序列送入移位寄存器；其次， RST 提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳送的方法。當(dāng) RST 為高電平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對(duì) DS1302 進(jìn)行操作。如果在傳送過程中 RST 置為低電平，則會(huì)終止此次數(shù)據(jù)傳送 ， I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時(shí)，在 Vcc1， RST 必須保持低電平。只有在 SCLK為低電平時(shí)，才能將 RST 置為高電平。 I/O 為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端 (雙向 )。 SCLK 為時(shí)鐘輸入端。 連接電路如圖 45 所示。 12Y3Vcc1SCLKRSTI/OVcc2X1X2GNDU3DS1302100pFC75VSCLKIO 圖 45 時(shí)鐘日歷電路 Figure 45 Calendar Clock Circuit LCD 顯示電路 帶中文字庫的 12864 是一種具有 4 位 /8 位并行、 2 線或 3 線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 12864, 內(nèi)置 8192 個(gè) 16*16 點(diǎn)漢字，和 128 個(gè) 16*8 點(diǎn) ASCII 字符集 .利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示 84 行 1616 點(diǎn)陣的漢字 。 也可完成圖形顯示 ， 低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方 案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶 顯示模塊相比 ， 不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。 如圖 46 所 示。 RSTRXD/TXD/INT0/INT1/T0/T1/WR/RD/XTAL2XTAL1GND PSEN/ALE/EA/VCCU1STC89C52VSSVCCVORSR/WENDB0PSBNCRSTVOUTAKDB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7U2LCD128645V10KR?5V5VP2_0P2_1P2_2P2_3P2_4P2_5P2_6P2_7P2_0P2_1P2_2P2_3P2_4P2_5P2_6P2_7ENRWRS 圖 46 LCD12864 顯示電路 Figure 46 LCD12864 display circuit ADC0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 CMOS， 8 位逐次逼近式 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè) 8 通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼信號(hào)，通 8 路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 ADC0809 是 CMOS 單片型逐次逼 近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，它由 8 路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、 8 位開關(guān)樹型 A/D 轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時(shí)電路組成。 其 作過程 為 首先輸入 3 位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較器。 START 上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到 A/D 轉(zhuǎn)換完成，EOC 變?yōu)楦唠娖剑?