【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 置，高變比時(shí)Imax=250A， CTRN=30。分流電阻 Rb計(jì)算如下： 高變比最大額定電流輸入時(shí)，分流電阻肋消耗功率助計(jì)算為： 根據(jù)上述計(jì)算參數(shù)進(jìn)行分流電阻的選擇。上述參數(shù)確定之后，以小變比計(jì)量為例，說(shuō)明 ADE7758前端模擬電路的電流、電壓信號(hào)衰減問(wèn)題。如圖 3— 2所示，在小變比額定電流輸入 I=30A時(shí)， ADE7758電流通道信號(hào)輸入為 O． 12V，計(jì)算公式如下： 其中 6為電流傳感器低變比系數(shù)。電流信號(hào)在進(jìn)入 ADE7758計(jì)量芯片前，其衰減倍率記為 f=30／ 0． 12= 10kV的電壓信號(hào)在經(jīng)過(guò)電壓互感器后轉(zhuǎn)換為 100V，再由 500MΩ 和 lkΩ 的電阻網(wǎng)絡(luò)分壓后，其衰減倍率記為 fv=100 500。 3． 1． 3接口電路設(shè)計(jì) 接口電路用來(lái)實(shí)現(xiàn) ADE7758與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信，一方面可以通過(guò) SPI口進(jìn)行計(jì)量芯片 ADE7758的初始化，另一方面 ADE7758把數(shù)據(jù)處理的結(jié)果以脈沖形式或 SPI口送出，供單片機(jī)進(jìn)行計(jì)量處理。 ADE7758與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)如圖 3— 3所示。 與接口電路有關(guān)的全局變量說(shuō)明如下：長(zhǎng)整型變量， RO,EO、 EE E E P、 V， 以字符型變量， H 11 113。去耦電容 CC6的作用是濾除芯片電源輸入中的尖峰脈沖成分，旁路電容 C29的作用是使 ADE7758電源電壓輸入保持基本穩(wěn)定。在進(jìn)行 PCB電路設(shè)計(jì)時(shí)，在每一芯片的電源輸入端子外接 0． 1心的去耦電容，以提高電路的抗干擾性能。 R R9為限流電阻，對(duì)單片機(jī)的 I／ O口起到限流保護(hù)作用。ADE7758每產(chǎn)生一個(gè)有功或無(wú)功脈沖，對(duì)應(yīng)的 LED3或 LED2會(huì)閃亮一次。IRQ為 ADE7758中斷輸出端子，低電平有效，漏極開(kāi)路，外接 lOkΩ 的上拉電阻。當(dāng) ADE7758檢測(cè)到中斷發(fā)生時(shí)， IRQ向低電平跳變，發(fā)出 INTl中斷申請(qǐng)；單片機(jī)通過(guò)讀取 ADE7758狀態(tài)復(fù)位寄存器內(nèi)容，判斷中斷事件的類(lèi)型。 圖 33 ADE7758與單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì) 3． 2單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)與器件選擇 3． 2． 1單片機(jī)及外圍電路設(shè)計(jì) AT89252是一款單片封裝的微控制器，具有 8k的程序存儲(chǔ)和 256個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可以滿(mǎn)足中小規(guī)模軟件編程需要。復(fù)位采用MAX813L看門(mén)狗芯片。為了避免因外界干擾而導(dǎo)致應(yīng)用程序“跑飛”或出現(xiàn)死循環(huán)， MAX813L的 WDI電平在 1。 6s內(nèi)應(yīng)跳變一次，實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX813L內(nèi)部時(shí)鐘寄存器清零，防止因“看門(mén)狗 溢出而導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位。單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)參考圖 3— 4所示。 圖 3— 4單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) K K K4為三個(gè)功能按鍵，按鍵掃描采用中斷方式進(jìn)行。功能按鍵有兩個(gè)作用，一是電量參數(shù)及事件記錄的查詢(xún)，二是時(shí)鐘參數(shù)的初值輸入調(diào)整。圖中“與 門(mén)邏輯采用 74LS08芯片實(shí)現(xiàn)。主電源與后備電源之間的電路切換通過(guò)兩個(gè)二極管 D1和 D2實(shí)現(xiàn)。后備電源采用可充電的 3． 6V鋰電池 LIR2032。主電源上電后，二極管 Dl導(dǎo)通， D2截止；主電源通過(guò) 10ko的電阻對(duì)后備電源充電。主電源掉電后，二極管 Dl截止，D2導(dǎo)通；后備電源開(kāi)始對(duì) 單片機(jī)進(jìn)行供電，使單片機(jī)的 R枷中累加的電量參數(shù)不丟失。掉電后 LIR2032只對(duì)單片機(jī)和 DSl302時(shí)鐘芯片供電，以減小能量消耗。這通過(guò)二極管 D1的單相導(dǎo)通作用實(shí)現(xiàn)。 3 2． 2顯示徽 HCl602 顯示采用 16x2字符型液晶 HC1602，與單片機(jī)的接口電路如圖 3— 5所示。 圖 35單片機(jī)與 HCl602的接口電 路設(shè) 計(jì) 圖中 c c5為單片機(jī)和液晶模塊 HCl602的去耦電容。 DBO枷 7為HCl602的數(shù)據(jù)線(xiàn)，與單片機(jī)的 P0． 0～ Po． 7端子相接。 R15為阻值可調(diào)的電位器，用來(lái)調(diào)整液晶顯示的對(duì)比度；當(dāng) VO端子對(duì)地電 壓為 OV時(shí)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(guò)跳縫 JP2與主電源相接。正常情況下 JP2斷開(kāi)以減小電度表能耗；在電量查詢(xún)時(shí)閉合 JP2，接通背光燈電源。 顯示與按鍵相結(jié)合，用來(lái)實(shí)現(xiàn)電量參數(shù)的查詢(xún)顯示、異常事件記錄查詢(xún)顯示以及時(shí)鐘參數(shù)韌值輸入調(diào)整結(jié)果顯示。當(dāng)沒(méi)有中斷發(fā)生時(shí)，進(jìn)行總的有功、無(wú)功電量顯示；顯示數(shù)據(jù)格式參考附錄圖 Dl所示。字符顯示是通過(guò) P0口讀入該字符的 ASCII碼實(shí)現(xiàn)，舉例如下．字符‘ 1’的 ASCII為 Ox31。在完成 LCD初始化設(shè)置后，把該字荷對(duì)應(yīng)的 ASCH碼“ 0x31”通過(guò) P0口寫(xiě)入 LCD的內(nèi)部寄存器 DDRAM中。通過(guò)控制端子 Rs、 R／ W的狀態(tài)組合實(shí)現(xiàn)指令的寫(xiě)入以及數(shù)據(jù)的讀、寫(xiě)操作，操作說(shuō)明參考表 3— 2所示。 3． 2． 3數(shù)據(jù) 存儲(chǔ) AT24C02 存儲(chǔ)芯片采用 AT24C02。該芯片具有 I℃總線(xiàn)接口，具有掉電后數(shù)據(jù)不丟失特點(diǎn)。與單片機(jī)的接口電路參考圖 3— 4所示。存儲(chǔ)主要包括電量參數(shù)的存儲(chǔ)和異常事件的記錄存儲(chǔ)．考慮到 AT24C02芯片擦寫(xiě)次數(shù)的有限性．能量的累加在單片機(jī)的洲存儲(chǔ)空間中完成。采用定時(shí)方式進(jìn)行電量參數(shù)的存儲(chǔ)。單片機(jī)不斷檢測(cè)時(shí)間參數(shù)，當(dāng)存儲(chǔ)時(shí)間到 ，則啟動(dòng) 12c總線(xiàn)把電量參數(shù)存儲(chǔ)到 AT24C02中分配的地址單元。異常事件采用中斷方式進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng) ADE7758檢測(cè)到過(guò)流、過(guò)壓、斷相等事件時(shí)，向單片機(jī)發(fā)出中斷申請(qǐng)。單片機(jī)執(zhí)行中斷服務(wù)程序，把處理的結(jié)果，包括事件的代碼、發(fā)生次數(shù)以及發(fā)生的時(shí)間，存儲(chǔ)到 AT24C02中分配的地址單元。 AT24C02存儲(chǔ)單元配置參考表 3— 3所示。 為了保證電量參數(shù)存儲(chǔ)的可靠性．在軟件設(shè)計(jì)上要有充分的冗余和糾錯(cuò)。比如考慮到這種情況．在進(jìn)行電量存儲(chǔ)時(shí)突然發(fā)生掉電事故，新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)尚未完成，而原有數(shù)據(jù)已經(jīng)被覆蓋，造成數(shù)據(jù)的丟失。為了 避免這種情況，對(duì)每一個(gè)電量參數(shù)分配兩組存儲(chǔ)單元；以朋為例，OxOO,Ox03為一組存儲(chǔ)單元． Ox04Ox07為另一組存儲(chǔ)單元。即使一組數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)時(shí)被損壞，另一組數(shù)據(jù)則不受影響。 3． 2． 4時(shí)鐘芯 片 DSl302 時(shí)鐘芯片采用 DSl302。該芯片具有 SPI總線(xiàn)接 口【 33】【 34】 ，與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)參考圖 34所示 。 時(shí)鐘芯片有兩個(gè)作用．一是為定時(shí)存儲(chǔ)提供時(shí)間參數(shù)；二是為斷相、過(guò)流、過(guò)壓等異常事件記錄提供時(shí)同參數(shù)。 SPI總線(xiàn)時(shí)序結(jié)構(gòu)如圖 3— 6所示 。 DS1302采用雙電源供電模式， Vccl為主電源輸入． Vc02為備份電源輸入。當(dāng) Vcc2Vccl時(shí)，由 Vccl向 DSl302供電； Vcc2Vccl+O． 2V時(shí)，由Vcc2向 DSl302供電，工作電壓范圍 2 5～ 5． 5V。 DSl302寄存器數(shù)據(jù)以BCD碼格式存放。秒寄存器的 CH位控制時(shí)鐘的運(yùn)行和停止．當(dāng) CH=1時(shí)，時(shí)鐘停止； cH=0時(shí)．時(shí)鐘運(yùn)行。小時(shí)寄存器的位 7用于定義 DSl302的時(shí)鐘運(yùn)行模式，為 0時(shí)采用 24小時(shí)時(shí)鐘模式。在對(duì) DSl302寫(xiě)操作時(shí)，WP位首先應(yīng)設(shè)置為 0，寫(xiě)操作允許使能。 DSl302時(shí)鐘寄存器配置參考表 3— 4所示 。 3． 2． 5串行接口芯 片 MAX485 電度表配備通信 RS485接口具有成熟性和性?xún)r(jià)比高的優(yōu)勢(shì)，硬件設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留出 RS一 485通信接口，采用毗 ,X485接口芯片。硬件電路設(shè)計(jì)參考圈 3— 7所示。 圈中由 DE端子控制 MAX485芯片的發(fā)送／接收使能。 DE端子與單片機(jī)的 P1． 2口連接。當(dāng) DE為高電平時(shí)，單片機(jī)向 RS485總線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)；DE為低電平時(shí)單片機(jī)從 RS485總線(xiàn)接收數(shù)據(jù)。連接至 A腳的下拉電阻17,3連接至 B腳的上拉電阻 R30用于提高該 RSJ,85網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作可靠性。鉗位于 6 8V的穩(wěn)壓管 D D D5用來(lái)保護(hù) RS485總線(xiàn)，避免在受到外界霄擊、浪涌等干擾時(shí)產(chǎn)生高壓損壞 RS485收發(fā)器。 C1C14用于提高電路的 EMI性能。 3． 2． 6選通開(kāi)關(guān) CD4053 采用 CD4053芯片實(shí)現(xiàn)電流傳感器高、低變比檢測(cè)信號(hào)的選通。CD4053有三個(gè)控制端子 A、 B、 C。當(dāng) ABC000時(shí)， ax、 bx、 cx三個(gè)信道選通；當(dāng) ABC111時(shí)， ay、 by、 cy三個(gè)信道選通。 A、 B、 C三個(gè)端子同時(shí)與單片機(jī)的 P1． O口連接。單片機(jī)根據(jù)瞬時(shí)功率檢測(cè)結(jié)果，通過(guò)對(duì) P1． 0端口狀態(tài)設(shè)置，進(jìn)行高低變比電流檢測(cè)信號(hào)的選通控制。CD4053外圍電路 設(shè)計(jì)如圖 3— 8所示。 圖 38 CD4053引腳配置及外圍電路設(shè)計(jì) 二極管 LEDl指示功率分段情況， C2為 O． 1心的去耦電容， R2為限流電阻。當(dāng) P1． O為高電平時(shí)， CD4053的 ay端子與 a選通， ADE7758的電流通道小變比檢測(cè)信號(hào)選通，對(duì)應(yīng)小負(fù)荷計(jì)量模式，此時(shí) LEDl不導(dǎo)通； P1． O為低電平時(shí)， ax端子與 a選通，電流通道高變比檢測(cè)信號(hào)選通，對(duì)應(yīng)正常負(fù)荷計(jì)量模式， LEDl導(dǎo)通發(fā)光。 CONl為 PCB設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)應(yīng)的插接端子，作為 ADE7758電流、電壓信號(hào)的輸入連接部分，其第一個(gè)引腳記為 CONl— 1。 CD4053在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用參考圖 32設(shè)計(jì)，真值關(guān)系參考表 3— 5所示。 3． 2 7電源模塊設(shè)計(jì) 系統(tǒng)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(wěn)壓電路四部分組成硎，其中整流電路采用 DBl07集成模塊，穩(wěn)壓電路采用 780 LM7905集成電路模塊；后備電源采用可充電的 LIP2032鋰電池，主電源和后備電源的電路切換參考圖 3— 4單片機(jī)外圍電路。電源模塊設(shè)計(jì)如圖 39所示。 7805的 +5v輸出通過(guò) JP5跳線(xiàn)與系統(tǒng)的 +5V網(wǎng)絡(luò)連接。當(dāng) JP5閉合時(shí)，系統(tǒng)處于上電工作狀態(tài)，此時(shí)二極 管 LED4導(dǎo)通發(fā)光。 CON3為兩路9V正弦交流信號(hào)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(wěn)定； C1 C1 C1 C18為 F的去耦電容，作用是濾除 780LM7905輸入、輸出信號(hào)中的尖峰脈沖成分。 第四章系統(tǒng)硬件調(diào)試與功能函數(shù)定義 應(yīng)用 ME300B對(duì)模塊電路進(jìn)行在線(xiàn)仿真調(diào)試。硬件調(diào)試基于 PCB電路板進(jìn)行，首先進(jìn)行模塊電路的分級(jí)調(diào)試，使組成系統(tǒng)的各個(gè)模塊電路正常工作；然后進(jìn)行系統(tǒng)總體調(diào)試，使其達(dá) 到預(yù)定的技術(shù)要求。在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，判斷問(wèn)題的原因、位置并提出改進(jìn)措施。在對(duì)硬件電路調(diào)試的同時(shí)進(jìn)行功能函數(shù)的設(shè)計(jì)與測(cè)試。功能函數(shù)主要圍繞長(zhǎng)整型以及字符型數(shù)據(jù)的顯示與存儲(chǔ)展開(kāi)，最后對(duì)功能函數(shù)仿真調(diào)試中遇到的問(wèn)題進(jìn)行分析說(shuō)明。 4． 1電路板規(guī)格與焊接操作 電路板設(shè)計(jì)為普通雙面板，尺寸大小 168mmx91． 4mm。在板的兩面采用大面積覆銅接地，不區(qū)分?jǐn)?shù)字地和模擬地。在布線(xiàn)時(shí)，電源線(xiàn)、接地線(xiàn)等走線(xiàn)寬度設(shè)置為 40～ 60mil，推薦線(xiàn)寬 60mil；信號(hào)線(xiàn)設(shè)置為10mil～ 20mil，推薦線(xiàn)寬 15mil，其中 40mil≈ lmm。不同網(wǎng)絡(luò)之間的安全間距設(shè)置為 12mil；采用自動(dòng)布線(xiàn)方式，覆銅放在最后進(jìn)行。電路板設(shè)計(jì)規(guī)則一般包括電路板的布線(xiàn)規(guī)則、制作規(guī)則、有關(guān)高頻的設(shè)計(jì)規(guī)則以及其他設(shè)計(jì)規(guī)則等幾個(gè)方面?？梢园凑瘴墨I(xiàn) [36]的有關(guān)制版介紹，在電腦上運(yùn)行 Protel軟件，從繪制簡(jiǎn)單的 PCB電路開(kāi)始，逐步熟悉設(shè)計(jì)過(guò)程。在進(jìn)行 PCB電路設(shè)計(jì)時(shí)，在每一芯片的電源端子和地之間接入 0． 1 p F的去耦電容；電源線(xiàn)、地線(xiàn)和芯片的接地線(xiàn)應(yīng)盡可能加寬。進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)時(shí)，在芯片的電源引腳和接地引腳之間接入一個(gè) O． 1心的去耦電容 。該電容去耦了來(lái)自電源的噪聲，保證芯片有持續(xù)、穩(wěn)定的電壓源 [37][38]。在對(duì)時(shí)鐘芯片 DSl302進(jìn)行仿真調(diào)試時(shí)，并沒(méi)有認(rèn)識(shí)到去耦電容的重要性，芯片電源引腳沒(méi)有外接 O． 19F的去耦電容，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的仿真結(jié)果，原因就出在去耦電容上。在進(jìn)行印制電路板設(shè)計(jì)時(shí)，為了利用 ME300B的仿真頭對(duì) PCB電路板進(jìn)行在線(xiàn)仿真調(diào)試，單片機(jī) AT89S52沒(méi)有采用 PCB庫(kù)元件中的封裝形式，而是自制一個(gè) 40針的插接座封裝，單片機(jī)通過(guò)插接座接入 PCB電路。載入封裝后的 PCB電路板參考附錄 B一 2所示。其他 DIP封裝的芯片也是通過(guò)插座 接入電路板。這樣，當(dāng)芯片損壞時(shí)，可以方便進(jìn)行芯片的替換。 貼片式封裝 ADE7758焊接特點(diǎn)。 ADE7758為貼片式封裝，引腳排列較密。焊接前應(yīng)在電路板的焊接區(qū)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(qū)域上的金屬焊接點(diǎn)，則焊接點(diǎn)上均勻的結(jié)晶一層焊錫。然后把 ADE7758芯片引腳對(duì)準(zhǔn)焊接位置，用燒熱的烙鐵頭 (不帶焊錫 )在 ADE7758的引腳和焊接點(diǎn)連接處預(yù)熱片刻，可以觀(guān)察到一股細(xì)小的錫流沿著焊接線(xiàn)展開(kāi)。結(jié)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(méi)有毛刺。載入元器 件封裝前后 PCB電路板設(shè)計(jì)參考附錄 B所示。 4． 2系統(tǒng)硬件電路測(cè)試 4． 2． 1電源模塊測(cè)試 首先進(jìn)行系統(tǒng)短路測(cè)試。短路測(cè)試用來(lái)分析 PCB電路各芯片電源端子與接地端子之間有無(wú)短路問(wèn)題。由于載入元器件封裝時(shí)通過(guò)手工焊接，引線(xiàn)和元器件較多，會(huì)由于經(jīng)驗(yàn)不足而可能導(dǎo)致電源端于