【正文】 工業(yè)現(xiàn)場的大功率電氣設(shè)備在啟動或停止時，會造成幾百伏、。 (2) 電網(wǎng)干擾 本系統(tǒng)采用交流供電，電網(wǎng)質(zhì)量的好壞，直接影響到系統(tǒng)能否正常工作。輕者會產(chǎn)生干擾，重者可將有用的信號完全淹沒掉，導(dǎo)致測量無法進行，甚至損壞測試系統(tǒng)。 V c c 1V c c 2X 1X 2G N DS C L KI / OR S T3 電能 質(zhì)量檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計 21 V C C 21X12X23G N D4R S T5I /O6S C L K7V C C 18D6D S 1302Y232. 768K H ZC86pFC 126pFX1X2X1X2+5C90. 1ufB T 13. 6V6910 圖 時鐘電路接線圖 4 電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計 22 4 電能質(zhì)量檢測 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計 干擾的成因及危害 造成系統(tǒng)干擾的原因大致有以下四種： (1) 傳輸線干擾 傳輸線干擾是在輸入、輸出口線上形成的干擾，也稱通道干擾。數(shù)據(jù)在時鐘 (SCLK 接 I/O 口 10)的上升沿串行輸入，前 8 位指定訪問地址，命令字裝入移位寄存器后，在之后的時鐘周期，讀操作時輸出數(shù)據(jù)，寫操作時輸入數(shù)據(jù)。 DS1302 工作時功耗很低，保持數(shù)據(jù)和時鐘信息時，功耗小于 1mw。 DS1302 與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信，僅需三根 I/O 線：復(fù)位 (RST)、 I/O 數(shù)據(jù)線、 串行時鐘 (SCLK)。 3 電能 質(zhì)量檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計 20 時鐘電路設(shè)計 芯片介紹 DS1302 是 DALLAS 公司推出的時鐘芯片，內(nèi)含一個實時時鐘 /日歷和 31 字節(jié)靜態(tài)RAM，可以通過串行接口與單片機進行通信。 RB0、 RB RB RB RB7 與液晶顯示器 MCGl2864A8— 3 的 CSA， +5R71 0 K Ω38394015161718232425261234567891011121314151617181920J1M C G 1 2 8 6 4 A 8 3G N DG N DG N DR 1 21 0 ΩV C C3334 圖 LCD 接口電路連接 CSB， D/I， RW， E 引腳相連，控制數(shù)據(jù)交換的性質(zhì)和方向 。 MCGl2864A8— 3 模塊共有 20 個引腳，其定義如表 2 所示： 表 2 MCGl2864A8— 3 模塊引腳定義 序號 符號 狀態(tài) 功能說明 1 CSA 輸入 片選 1 2 CSB 輸入 片選 2 3 VSS — 數(shù)字地 4 VDD — 邏輯電源＋ 5V 3 電能 質(zhì)量檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計 19 5 V0(POFF) — 對比度調(diào)節(jié) 6 D/I 輸入 指令 /數(shù)據(jù)通道 7 R/W 輸入 讀 /寫選擇 8 E 輸入 使能信號，數(shù)據(jù)在下降沿寫入 LCM；在高電平時被讀出 LCM 9~16 DB0~DB7 三態(tài) 數(shù)據(jù)線 17 LED＋ — LED 背光正電源端 18 LED－ — LED 接地端 19 LED－ — LED 接地端 20 LED＋ — LED 背光正電源端 (2) 液晶與 PICl8F458 的接口設(shè)計 如圖 為液晶顯示模塊與 PICl8F458 的接口電路。 該液晶顯示模塊是使用 KS0108B 及其兼容控制驅(qū)動器 (例如 HD61202)作為列驅(qū)動器，同時使用 KS0107B 及其兼容驅(qū)動器 (例如 HD61203)作為行驅(qū)動器的液晶模塊。為此，本設(shè)計采用了 LCD 顯示電路來實現(xiàn)這些功能。這樣就得到了按鍵 S2 的掃描碼 1010。 管腳 19 置為輸入， 管腳 2 21 輸出上一步的值，即 10，讀取管腳 19 的值，3 電能 質(zhì)量檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計 18 由于管腳 21 輸出 0，且 S2 按下，則管腳 20 為 1，管腳 19 和 21 導(dǎo)通使管腳 19 為 0。 管腳 19 輸出 0，管腳 2 21 置為輸入，當無鍵按下時，管腳 2 21 被上拉電阻拉高輸入值為 11，若 S2 按下，則管腳 21 為 0，管腳 22 為 1。獨立式鍵盤中，每個鍵占用一根 I/O 線，適用于按鍵數(shù)量較少的場合；行列式鍵盤又稱矩陣式鍵盤，設(shè)計 M 行 N 列16 個鍵，只占用 M+N 根 I、 O 口線，故鍵數(shù)目較多時，可節(jié)省 I/O 口線。編碼鍵盤采用硬件線路來實現(xiàn)鍵盤編碼，鍵數(shù)較多，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜， PC 機所使用的鍵盤就是這種；非編碼鍵盤僅提供按鍵開關(guān)工作狀態(tài)，其他工作由軟件完成，這種鍵盤鍵數(shù)較少，硬件簡單，一般在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用。 T X D1G N D2V C C3R X D4V re f5C A N L6C A N H7Rs8B T 2P C A 8 2 C 2 5 0 TR 2 01 2 0 Ω162738495J2C A N 接頭L10 . 1 m HG N D3635G N DNC1V D D2IN3NC4G N D5VO6VE7V C C8J46 N 1 3 7NC1V D D2IN3NC4G N D5VO6VE7V C C8J56 N 1 3 7R 2 23 6 0 ΩV C CR 2 43 9 0 ΩV C CR 2 33 6 0 ΩV C CR X DT X DR X DR 2 53 9 0 ΩT X D 圖 PICl8F458 與 CAN 驅(qū)動接口電路 人機交換部分電路設(shè)計 鍵盤接口設(shè)計 在許多應(yīng)用中，一般都需要用鍵盤來輸入數(shù)據(jù)或?qū)Τ绦虻倪M程進行管理，因此在單片機的設(shè)計和調(diào)試實驗中，鍵盤是一個不可缺少的部分。為實現(xiàn)總線上節(jié)點之間的電氣隔離 CAN 驅(qū)動器通過高速光藕 6N137 與 PIC18F458 進行相連。 總線與 PIC 單片機的接口設(shè)計 本設(shè)計通 信方式是 CANBUS 總線， PIC18F458 與 CAN 驅(qū)動芯片 PCA82C250T 的接口電路如圖 所示。使用PIC18F458 單片機的嵌入式系統(tǒng)，可以很方便的利用 CAN 總線與外界進行數(shù)據(jù)交換。美國微芯公司的 PIC18F458 單片機集成了 CAN 通信接口，執(zhí)行 Bosch 公司的 議。 CAN 具有獨特的設(shè)計思想，良好的功能特征和極高的可靠性， 現(xiàn)場抗干擾能力強。 3 電能 質(zhì)量檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計 16 A R 1O P 0 7A R 2L M 3 9 3 AR31 0 k ΩR41 0 k ΩR65 . 1 K ΩD z 1D z 2+55+55V IN 0 27R51 0 0 k Ω 圖 測頻電路接線圖 通信轉(zhuǎn)換電路 為了更好的對測量數(shù)據(jù)進行處理和保存測量結(jié)果，我們設(shè)計了通信接口，以便對測量數(shù)據(jù)做后續(xù)處理。具體電路如圖 。 在使用 PICl8F458 開發(fā)交流采樣系統(tǒng)時，巧妙利用 PIC 的定時器、捕獲器實現(xiàn)跟蹤頻率的交流采樣。 在交流采樣系統(tǒng)中，通常是一個周期采樣 N 點的電量值，然后對這些數(shù)據(jù)進行處理。 表 1 A/D 轉(zhuǎn)換模擬輸入通道分配情況 A/D 模擬輸入通道 采樣模擬信號 ANO 電網(wǎng)三相電壓信號 AN2 AN3 AN1 電網(wǎng)三相電流信號 AN4 AN5 測頻電路 在周期性電參量的測量中，進行同步采樣是準確測量實時信號的關(guān)鍵。 6) 使用 VREF+和 VREF，根據(jù) VREF=VREF+－ VREF，就可以得到不同的差動 VREF電壓。 5) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時間有 OSC 引腳的晶振頻率決定。 4) ADRESL 寄存器提供的是 16 位的數(shù)據(jù)寬度，而 ADC 輸出數(shù)據(jù)只有 10 位，因此其中3 電能 質(zhì)量檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計 15 的六位是未使用的。 2) 引腳 PORTA 的 RA0～ RA7 是用作 8 位模擬通道的。模塊有 ADCON0 與 ADCONI 寄存器保存數(shù)據(jù)，這種模塊精度與微芯公司的中等轉(zhuǎn)換位數(shù)的 A/D 模塊相同。 R 164. 19K ΩR 174. 72K ΩR 104. 19K ΩC60. 01μ FC 100. 047μ FU4M C P 604V C CV I N 02＋ 1V 圖 數(shù)據(jù)采集的功能是通過 PIC18F458 單片機內(nèi)部自帶 A/D 來實現(xiàn)的，極大簡化了外部硬件電路設(shè)計。如果適當調(diào)整 +1V處引腳輸入的電壓，則使直流分量為2V； 如果輸入 2V的交流正弦信號，則輸出范圍為 +0V～ +4V 的正弦形單極性信號，從而達到了提升的效果，使一般的雙極性交流信號轉(zhuǎn)換為 單片機處理的單極性信號。調(diào)理電路見圖 。電網(wǎng)標準頻率為 50Hz，那么要求系統(tǒng)的信號頻率范圍是 0~2500Hz，則采樣頻率 應(yīng)該大于 5000Hz，所需模擬抗混疊濾波器為 0~2500Hz 的低通濾波器。根據(jù)電網(wǎng)質(zhì)量的國家標準： “測量的諧波一般為 2 到 19 次 ”， “A 級儀器頻率測量范圍為 0~2500Hz”。產(chǎn)生頻率混疊是因為采樣頻率不滿足采樣定理。 電壓傳感器 CHV— 100 的工作原理與電流傳感器相似，也是磁平 衡 方式工作。根據(jù)用戶所測電壓的大小，須將被測電壓串接 一 只電阻 R 后再接到傳感器原邊端子。其中兩只為原邊端子：被測電壓輸入端 ＋ ；被測電壓輸入端 － 。接線方法如圖 。其中， Np為原邊匝數(shù)， Ip 為原邊電流， Is 為次級補償電流。被測電流的任何變化都會破壞這一平衡，一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有信號輸出，經(jīng)放大后，立即有相應(yīng)的電流流過次級繞組，對失衡的磁場進行補償。這一電流通過多匝繞組產(chǎn)生的磁場與被測電流產(chǎn)生的磁場正好相反，因而補償了原來的磁場，使霍爾器件的輸出逐漸減小，當 Ip 與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場與 Is 與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場相等時， Is 不再增加，霍爾器件起到指示零磁通的作用。 (1) 電流傳感器 CHB— 300S 電流傳感器 CHB— 300S 是磁補償式電流傳感器，輸出信號為電流方式，若需要取電壓輸出方式，用戶需在在 M 端與電源地之間根據(jù)所取電壓大小外接取樣電阻。霍爾電流電壓傳感器模塊有優(yōu)越的電 性能，是一種先進的能隔離主電流回路與電子控制電路的電檢測元件，它綜合了互感器和分流器的所有優(yōu)點，克服了互感器和分流器的不足（如：互感器只適用于 50Hz 工頻測量；分流器無法進行隔離檢測。隨前微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，交流采樣必將以其優(yōu)異的性能價格比，逐步取代傳統(tǒng)的直流采樣方法。其中，采樣就是盡可能的獲取反映模擬量的實時信息，轉(zhuǎn)換則是將該模擬信息轉(zhuǎn)化為可供微處理器處理的數(shù)字信息。 (4) 報警電路 報警電路接單片機 28 管腳，當監(jiān)測的某一個電能參數(shù)異常時則報警，此時發(fā)光二極管燈亮且蜂鳴器報警。芯片工作時如果 S1 按下，此時芯片的 1 腳變?yōu)榈碗娖剑酒瑥?fù)位，當 S1 釋放時，芯片繼續(xù)正常工作。 (1) 電源電路 H7805 為 3 端正穩(wěn)壓電路，在芯片管腳 1 端輸入 8 到 12V左右的直流電源，經(jīng)過芯片轉(zhuǎn)換輸出 5V電壓。 單片機管腳 1 接復(fù)位電路，低電平時復(fù)位，管腳 3 屬于 A/D 轉(zhuǎn)換通道的兩路，接的是電壓、電流傳感器經(jīng)信號調(diào)理電路后的信號，管腳 10 接的是時鐘芯片的三個管腳， VCC 接的是經(jīng) H7805 電壓轉(zhuǎn)換后的 5V電源， 1 14 管腳接晶振電路，管腳 11 1 1 2 2 2 26 是 C 口 ，其 接的是 LCD 顯示的數(shù)據(jù)線， 3 3 40 管 腳接LCD 顯示的 D/I（指令 /數(shù)據(jù)通道）、 R/W（讀 /寫選擇）、 E（使能信號）， 3 34 管腳接 LCD的片選信號，管腳 1 2 22 接鍵盤， 27 管腳接測頻電路， 28 管腳接報警電路， 336 管腳接 CAN 總線的 PCA82C250T 的串口接收和發(fā)送端（ RXD、 TXD）。它的 I/O 端口驅(qū)動負載的能力較強，每個輸出引腳可以驅(qū)動多達 20~25 mA 的負載，既能夠用高電平也可以用低電平來直接驅(qū)動發(fā)光二極管 LED、光電耦合器和小型繼電器等，這樣可大大簡化控制電路。 特殊的單片機特性 ? 上電復(fù)位電路 (POR)、上電延時定時器 (PWRT)和振蕩器起振定時器 (OST)； 3 電能 質(zhì)量檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計 11 ? 帶 有片內(nèi) RC 振蕩器的監(jiān)視定時器 (WDT)； ? 可編程代碼保護； ? 休眠 (SLEEP)省電方式； ? 可選擇不同的振蕩器工作方式，包括： — 4 鎖相環(huán) (主振蕩器 )； — 2 路振蕩器 (32kHz)時鐘輸入； ? 通過 2 個