【正文】 4 行列式鍵盤模塊這種是鍵盤鏈接 適用于按鍵比較多的連接通過行列掃描來判斷是那個鍵按下但程序編寫比較復(fù)雜 由于本設(shè)計(jì)只需要按鍵來調(diào)時間通過設(shè)計(jì)只需要三個按鍵來完成所以本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立是鍵盤模塊 圖 38 獨(dú)立式鍵盤接法 本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立式鍵盤接法如圖 38 所示三個按鍵的一端分別接單片機(jī)的三個管腳另一端接地這樣就使的每當(dāng)按鍵按下就會使單片機(jī)的相應(yīng)管腳個到一個低電平 S1 按鍵按下去表示調(diào)時開始關(guān)閉中斷 S2 按下去表示時鐘加一 S3 按下去表示分鐘加一這樣就完成了調(diào)時功能 顯示模塊 目前常見的電子式電能表顯示器件有三種液晶 LCD 發(fā)光二極管 LED 熒光管FIP 本次設(shè)計(jì)的顯示器選的是 LCD1602 16179。 l0％的電壓值誤差因此選用的電壓值為 U 44463 因此本設(shè)計(jì)中選用的 500V 的壓敏電阻 3 其它方面的防護(hù)178。 VccREF 電源輸入及參考電壓輸入復(fù)用 ADC0832 為 8 位分辨率 AD 轉(zhuǎn)換芯片其最高分辨可達(dá) 256 級可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用使得芯片的模擬電壓輸入在05V之間芯片轉(zhuǎn)換時間僅為 32μ S據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)以減少 數(shù)據(jù)誤差轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)獨(dú)立的芯片使能輸入使多器件掛接和處理器控制變的更加方便通過 DI 數(shù)據(jù)輸入端可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇 正常情況下 ADC0832與單片機(jī)的接口應(yīng)為 4條數(shù)據(jù)線分別是 CSCLKDODI但由于 DO端與 DI端在通信時并未同時有效并與單片機(jī)的接口是雙向的所以電路設(shè)計(jì)時可以將 DO 和 DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用當(dāng) ADC0832 未工作時其 CS 輸入端應(yīng)為高電平此時芯片禁用 CLK 和 DODI 的電平可任意當(dāng)要進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換時須先將 CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作同時由 處理器向芯片時鐘輸入端 CLK輸入時鐘脈沖 DODI端則使用 DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號 作為單通道模擬信號輸入時 ADC0832的輸入電壓是 05V且 8位分辨率時 的電壓精度為 1953mV如果作為由 IN與 IN輸入的輸入時可是將電壓值設(shè)定在某一個較大范圍之內(nèi)從而提高轉(zhuǎn)換的寬度但值得注意的是在進(jìn)行 IN 與 IN的輸入時如果 IN的電壓大于 IN 的電壓則轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果始終為 00H 電壓電流采樣模塊 一方面為了將數(shù)字電能表的計(jì)量芯片與電力線隔離另一方面又要完成電壓電流的采樣．前置模擬電壓和電流取樣電路一般有兩種 一種是通過電阻分壓和分流的方法獲得的另一種是通過電壓互感器和電流互感器的方法獲得考慮成本等因素本設(shè)計(jì)中電壓采樣選用電阻分壓的接法電流取樣選用電流互感器 表 31 電流通道增益選擇表 1 電流通道 線路電流傳感器的輸出電壓接到 AD0832的通道 V1該通道采用完全差動輸入VIP為正輸入端 VIN為負(fù)輸入端通道 1的最大差動峰值電壓應(yīng)小于 470mV 有效值為 330mV 通道 1 有一個 PGA 其增益可選擇為 128 或 16 如表 31 所示這使傳感器接口的設(shè)計(jì)大為簡單 VIP和 VIN引腳上的最大差動電壓為 470mV在這兩個引腳上的差 動信號必須以一個共模端作為參考點(diǎn)如 AGND 最大共模信號為 100mV 本設(shè)計(jì)選擇電流互感器 CT 作為電流傳感器如圖 35所示通道 l的共模電壓是 AGND它是通過負(fù)載電阻的中間抽頭接至 UAGND 上的對 VIP 和 VIN 上的模擬電壓起到互補(bǔ)作用 CT 的變比和負(fù)載電阻 Rb 的大小根據(jù)差動峰值電壓而定 圖 35 電流采樣模塊原理圖 2 電壓通道 電壓通道采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)獲得采樣電壓 電源模塊 直流穩(wěn)壓電源 [13]分為三種 1 固定電壓輸出電路這種電路是最長用的直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)制作簡單成本比較低應(yīng)用十分方便 2 可調(diào)輸 出電壓電路這種電路可根據(jù)自身的需要調(diào)節(jié)輸出電壓可調(diào)范圍也比較大 3 多路輸出電壓電路這種電路可同時滿足不同芯片對于不同電壓的需要但電路時機(jī)比較復(fù)雜 由于本設(shè)計(jì)單片機(jī)芯片 STC89C52RCADC0832LCD1602 的 Vcc 管腳所加的電源都在 5V 左右且第二第三種電路的成本要高所以本設(shè)計(jì)只需采用固定電壓輸出電路又因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)不需要數(shù)字電源故本設(shè)計(jì)也不需要數(shù)字電源電路 由于電能表屬于不問斷工作的電力計(jì)量產(chǎn)品因而其電源電路是其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分電源電路負(fù)責(zé)給各個硬件模塊供電以保證整個電能表的正常運(yùn)行 需要供電的硬件 模塊有 1 芯片 ADC0832 的 5V 的直流電源 2 用于單片機(jī)等數(shù)據(jù)處理單元電路的 5V 直流電源 當(dāng)電網(wǎng)停電時作為后備電源給實(shí)時時鐘供電以保證時鐘的連續(xù)性的備用電源 36V 的鋰電池 電源轉(zhuǎn)換電路均采用交流變壓器直接降壓整流再經(jīng)過線性穩(wěn)壓獲得 5V 直流電壓 電源端的干擾防護(hù) 由于電能表可能工作在比較惡劣的環(huán)境中因此必須對電能表采取必要的抗干擾措施 1 過壓保護(hù) 本設(shè)計(jì)在系統(tǒng)電源輸入采用串聯(lián)熱敏電阻保護(hù)措施當(dāng)系統(tǒng)電壓過高時由于電流會相應(yīng)增高導(dǎo)致熱敏電阻發(fā)熱熱敏電阻的阻值會相應(yīng)升高根據(jù)分壓原理在熱敏電阻上分壓保護(hù) 使整個電能表工作在可靠的電壓范圍內(nèi)從而起到保護(hù)作用 2 雷擊保護(hù) 本設(shè)計(jì)采取在電源輸入并聯(lián)壓敏電阻的辦法當(dāng)遇到雷擊時由于系統(tǒng)電壓會急劇升高此時靠熱敏電阻已經(jīng)不能防護(hù)必須在輸入端口再并聯(lián)壓敏電阻壓敏電阻是一種能對過電壓可靠保護(hù)的器件平時不導(dǎo)通當(dāng)加在其上的電壓超過其導(dǎo)通電壓時將其擊穿電流急劇增加使系統(tǒng)電壓限制在可靠的范圍壓敏電阻的種類有很多本設(shè)計(jì)中選用的是氧化鋅壓敏電阻 20K50020 是其導(dǎo)通直徑單位為毫米直徑越大擊穿時可以導(dǎo)通的電流越大吸收的能量越大保護(hù)越可靠 500A 是其直流擊穿電壓本設(shè)計(jì)考慮到系統(tǒng)電壓為 220V 允許177。 DO 數(shù)據(jù)信號輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出 178。 GND 芯片參考 0 電位地 178。 CH0 模擬輸入通道 0 或作為 IN使用 178。 C 圖 34 ADC0832 芯片接口 說明 178。 C 工業(yè)級芯片溫寬為 40176。 商用級芯片溫寬為 0176。 一般功耗僅為 15mW 178。 5V 電源供電時輸入電壓在 05V 之間 178。 雙通道 AD 轉(zhuǎn)換 178。 k 處的響應(yīng)值因此可以直接控制濾波器的響應(yīng)此外只要濾波器的 N 階數(shù)相同對于任何頻率響應(yīng)形狀其梳 狀濾波器部分的結(jié)構(gòu)完全相同只是各支路的增益 H k 不同因此頻率采樣型結(jié)構(gòu)便于標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化 硬件設(shè)計(jì) 數(shù)字電能表的工作原理 采用乘法器實(shí)現(xiàn)對電功率的測量其工作原理框圖如圖 31 所示被測量的高電壓 u大電流 i經(jīng)電壓變換器和電流變換器轉(zhuǎn)換后送至乘法器 M乘法器 M完成電壓和電流瞬時值相乘輸出一個與一段時間內(nèi)的平均功率成正比的直流電壓 U 然后再利用電壓／頻率轉(zhuǎn)換器 U被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖頻率 f將該頻率分頻并通過一段時間內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)顯示出相應(yīng)的電能 圖 31 數(shù)字電能表工作原理框圖 數(shù)字電度表總體設(shè)計(jì)方案框圖 數(shù)字電能表的總體設(shè)計(jì)方案如圖 32 所示各種硬件模塊構(gòu)成了整個數(shù)字電能表每個硬件模塊都有著不同的功能在整個電表硬件系統(tǒng)中都承擔(dān)著一定的作用模塊與模塊之間又通過 MCU[7]統(tǒng)一地聯(lián)系在一起共同地形成了功能強(qiáng)大的智能電表系統(tǒng)各個硬件模塊具體如下 1 STC89C52RC 單片機(jī)是整個電子式電能表硬件的核心部分它是電能表的大腦外圍所有的硬件模塊都是在它的控制協(xié)調(diào)下進(jìn)行工作的單片機(jī)通過燒制在其中的各種程序 [8]控制著其它硬件模塊的工作狀態(tài) 2 ADC0832 是雙通道 AD 轉(zhuǎn)換芯片在整個硬件電路中發(fā)揮著重要作用主 要完成將模擬電能信息轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以讀取并且操作的數(shù)字電能信息 3 電能采樣模塊是將電能表硬件系統(tǒng)與主電網(wǎng)進(jìn)行隔離使強(qiáng)電和弱電分開將主網(wǎng)中的大電壓大電流轉(zhuǎn)化為小電壓小電流以便提供給計(jì)量芯片進(jìn)行信號處理 4 電源模塊為整個電能表硬件系統(tǒng)正常工作供電它通過電能變換將主電網(wǎng)中的 220V交流降壓整流為 5V的直流在掉電情況下為了保證時鐘的連續(xù)性和準(zhǔn)確性還有專用的電池供電 5 實(shí)時時鐘為復(fù)費(fèi)率電能表提供準(zhǔn)確的時間信息以便于實(shí)現(xiàn)不同費(fèi)率下電能的計(jì)量 6 按鍵模塊采用獨(dú)立是鍵盤模塊本設(shè)計(jì)只需要按鍵來調(diào)時間通過設(shè)計(jì)只需要三個 按鍵來完成 7 顯示模塊目前常見的電子式電能表顯示器件有三種液晶 LCD 發(fā)光二極管LED熒光管 FIP從成本和優(yōu)缺點(diǎn)方面考慮我們選用液晶顯示器 LCD達(dá)到節(jié)約用電和安全用電的效果 圖 32 硬件系統(tǒng)框圖 控制芯片 STC89C52RC 本課程設(shè)計(jì)單片機(jī)采用 STC89C52RC 單片機(jī) STC89C51RCRD 系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾高速低功耗的單片機(jī)指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī) 12 時鐘機(jī)器周期和 6時鐘機(jī)器周期可任意選擇最新的 D版本內(nèi)部集成 810 專用復(fù)位電路 1 增強(qiáng)型 6 時鐘機(jī)器周期 12時鐘機(jī) 器周期 8051CPU2 工作電壓 55V34V5V片機(jī) 38V20V3V單片機(jī) 3 工作頻率范圍 040MHz相當(dāng)于普通 8051的 0～ 80MHz實(shí)際工作頻率可達(dá) 48MHz4 用戶應(yīng)用程序空間 4K8K13K16K20K32K64K字節(jié) 5 片上集成 1280字節(jié) 512字節(jié) RAM6 通用 IO口 3236個復(fù)位后為 P1P2P3P4是準(zhǔn)雙向口弱上拉普通 8051 傳統(tǒng) IO 口 P0 口是開漏輸出作為總線擴(kuò)展用時不用加上拉電阻作為 IO 口用時需加上拉電阻 7 ISP 在系統(tǒng)可編程 IAP 在應(yīng)用可編程無需專用編程器仿真器可通過串口 P30P31直接下載用戶程序 8K程序 3秒即可完成一片 8 EEPROM 功能 9 看門狗 10 內(nèi)部集成 810 專用復(fù)位電路 D 版本才有外部晶體 20M 以下時可省外部復(fù)位電路單片機(jī)包含中央處理器數(shù)據(jù)存儲器 RAM 定時計(jì)數(shù)器并行接口串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線地址總線和控制總線等三大總線 3 所示 圖 33 STC89C52RC 芯片圖 引腳的功能主電源引腳 Vss 20 腳 地線 Vcc 40 腳 5V 電源外接晶振或外部振蕩器引腳 XTAL1 19 腳 當(dāng)采用芯片內(nèi)部時鐘信號時接外部晶振的一個引腳當(dāng)采用外部時鐘信號時此 腳應(yīng)接地 XTAL1 18 腳 當(dāng)采用芯片內(nèi)部時鐘信號時接外部晶振的一個引腳當(dāng)采用外部時鐘信號時外部信號由此腳輸入控制選通或電源復(fù)用引腳 RSTVp0 9 腳 復(fù)位信號輸入 Vcc 掉電后此腳可接上備用電源在低功耗條件下保持內(nèi)部 RAM 中的數(shù)據(jù) ALEPROG 30 腳 ALE 即允許地址鎖存信號輸出當(dāng)單片機(jī)訪問外部存儲器時該腳的輸出信號用于鎖存 P0 的低 8 位地址其輸出的頻率為時鐘振蕩頻率的 16PROG為編程脈沖輸入端當(dāng)選用 8751單片機(jī)時由此腳輸入編程脈沖 29 腳 訪問外部程序存儲器選通信號低電平有效用于實(shí)現(xiàn)外部程序存 儲器的讀操作 Vpp 31腳 EA為訪問內(nèi)部或外部程序存儲器選擇信號 EA 0 單片機(jī)只訪問外部程序存儲器故對 8031 此腳只能接地 EA＝ 1 單片機(jī)訪問內(nèi)部程序存儲器固對 8051和 8751此腳應(yīng)接高電平但若程序指針 PC值超過 4KB OFFFH 范圍單片機(jī)將自動訪問外部程序存儲器多功能 IO 引腳 P0 口 32～ 39 腳 P0 數(shù)據(jù)地址復(fù)用總線端口 P1 口 1～ 8 腳 P1 靜態(tài)通用端口 P2 口 21～ 28 腳 P2 動態(tài)端口 P3 口 10～ 17 腳 P3 雙功能靜態(tài)端口除作 IO 端口外它還提供特殊的第二功能其具體含義為 P30 10 腳 RXD 串行數(shù)據(jù)接收端 P31 11腳 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送端P32 12 腳 INT0 外部中斷 0 請求端低電平有效 P33 13 腳 INT1 外部中斷 1 請求端低電平有效 P34 14 腳 T0 定時器計(jì)數(shù)器 0 計(jì)數(shù)輸入端 P35 15腳 T1 定時器計(jì)數(shù)器 1計(jì)數(shù)輸入端 P36 16腳 WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通低電平有效 P37 17腳 RD 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通低電平有效 ADC0832 芯片 ADC0832 芯片如圖 34[12]是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種 8 位分辨率雙通道 AD 轉(zhuǎn)換芯片由于它體積小兼容性強(qiáng)性價比高而深受單片機(jī) 愛好者及企業(yè)歡迎其目前已經(jīng)有很高的普及率學(xué)習(xí)并使用 ADC0832 可是使我們了解 AD 轉(zhuǎn)換器的原理有助于我們單片機(jī)技術(shù)水平的提高 ADC0832 具有以下特點(diǎn) 178。 假定量化誤差序列 en 符合白噪 聲分布即 e n 是一平穩(wěn)的隨機(jī)序列 e n 本身的任意兩值之間不相關(guān)且與信號 x n 不相關(guān) e n 具有均勻等概率分布它具有與信號的相加性可以按數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析量化誤差其模型如圖 21 所示 圖 21 量化誤差分析模型 e n 可用兩個最重要的統(tǒng)計(jì)參數(shù) me和方差來表征 me代表噪聲的直流分量代表除去直流分量的量化噪聲的平均功率因?yàn)? me 0 27 ／ 12 ／