以太网传输功能的三相低压电参数测量系统的硬件设计_毕业设计(编辑修改稿)

以太网传输功能的三相低压电参数测量系统的硬件设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

结构图西安工程大学本科毕业设计（论文） 18 如图 32 所示。 单 片 机AD转换信 号提 取过 零检 测以 太 网传 输数 码 管显 示按 键 图 32 硬件结构 电压处理模块：将相电压为 220V 的电压处理为 0 到 5V的交流信号一遍进行 A/D 转换。 A/D 转换模块：将 0 到 5V 的交流信号转换为数据信号，这里的 AD 转换器是单片机自带的 10 位的 AD 转换器，已经集成到单片机内部。 过零检测 电路模块：是选定三相电三相中的一相作为 A 相，经过过零检测处理电路送入到单片机中断口，此后电压依次为 0 的相分别为 B 相和 C 相 [4][5]。 两个零之间的时间刚好为三相电的周期（也就是频率）。 数码管模块：对三相电的参数进行显示。 以太网模块：对三相电参数进行传输。 MCU 模块：对三相电参数进行控制。 器件的选择 由于该系统对数据处理速度的要求不是很高，单片机足够用，所以该系统采用的是价格较低的单片机为平台，同时由于以太网控制芯片占用单片机的 I/O 口过多，为了节省 I/O 口，这里采用宏晶公司 推出 的自带 AD 转换的单片机STC90C58AD[7][8]。 STC90C58AD 系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰 /高速 /低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机， 12 时钟 /机器周期和 6 时钟 /西安工程大学本科毕业设计（论文） 19 机器周期可以任意选择。 内部集成 MAX810 专用复位电路，当时钟频率在 6MHz时，该复位电路时可靠的；当时钟频率在 12MHz 时，勉强可用。 在要求不高的情况下，可在复位脚外接电阻电容复位。 8 路 10 位高速 A/D 转换器 (可达 25 万次 /秒 )。 增强型 8051 单片机， 6 时钟 /机器周期和 12 时钟 /机器周期可任意选择，指令代码完全兼容传统 8051； 工作电压： (5V 单片机 )/ (3V 单片机 )； 工作频率范围： 0～ 40MHz，相当于普通 8051 的 0～ 80MHz，实际工作频率可达 48MHz.； 用户应用程序空间： 4K / 8K/ 16K / 32K /40K/ 48K/ 56K/ 61K 字节 ； 片上集成 256+4096 字节 RAM； 通用 I/O 口 (35/39 个 )，复位后为： P1/P2/P3/P4 是准双向口 /弱上拉 (普通8051 传统 I/O 口 )； P0 口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻 ； ISP（在系统可编程） / IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（ RXD/, TXD/）直接下载用户程序，数秒即可完成一片 ； 有 EEPROM 功能。 EEPROM（电可擦写可编程 只读存储器 ）是用户可更改的只读存储器（ ROM），其可通过高于普通 电压 的作用来擦除和重编程（重写）。 不像 EPROM 芯片， EEPROM 不需从 计算机 中取出即可修改。 在一个 EEPROM中，当 计算机 在使用的时候可频繁地反复编程，因此 EEPROM 的寿命是一个很重要的设计考虑参数。 EEPROM 是一种特殊形式的 闪存 ，其应用通常是个人电脑中的 电压 来擦写和重编程； 看门狗。 在由 单片机 构成的 微型计算机系统 中，由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞，而陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统无法继续工作，会造成整个系统的陷入停滞状态，发生不可预料的后果，所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片，俗称 看门狗 (watchdog)； 内部集成 MAX810 专用复位电路，当时钟频率在 6MHz 时该内部简单西安工程大学本科毕业设计（论文） 20 的 MAX810 专用复位电路时可靠的；当时钟频率在 12MHz 时勉强可用。 在要求不高的情况下，可在复位脚外接电阻电容复位 ； 1 共 3 个 16 位定时器 /计数器，其中定时器 0 还可以当成 2 个 8 位定时器使用 ； 1 外部中断 4 路 ,下降沿中断或低电平触发中断， Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒 ； 1 8 路 10 位 A/D 转换。 相比一般的 8 路 8 位 A/D 转换器来说， 8 路 10 位A/D 转换器具有更高的精度，对数据的采集更精确； 1 通用异步串行口 (UART)，还可用定时器软件实现多个 UART； 1 工作温度范围： 40 ~ +85℃ (工业级 ) / 0 ~ 75℃ (商业级 )； 1 封装： LQFP44， PDIP40， PLCC44， PQFP44。 由于该系统采用的是价格较低的单片机为平台，所以被测量的三相电必须经过转换为低于 5V 的电压信号，同时相序和频率不能改变 ， 这里可以有两个方案，第一，采用电压互感器 /电流互感器，第二 ， 采用电阻分压。 第二个方案考虑的是信号的提取，所以可行，但用到的电阻的功率要高，至少在 3 W 以上。 该设计采用的是第二个方案。 0 到 5V 的三相低压电信号是经过分压处理得来，考虑到稳定性问题，所以，在信号进入 A/D 转换前得用到前卫电路 [9][10]。 以保护单片机。 在系统原理部分已经说明了，在参数的计算时，要用过零检测电路，首先得将电压三相电转换为脉冲信号，即当三相低压电电压非零时，脉冲信号持续高电平，当三相低压电为零时，脉冲信号为零。 这里采用了光耦 TLP521－ 1。 TLP521 是可控制的光电藕合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等 电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。 东芝 TLP521－ 1，－ 2 和－ 4 组成的砷化镓红外发光二极管耦合到光三极管。 该 TLP521－ 2 提供了两个孤立的 光耦 8 引脚塑料封装，而 TLP521－ 4 提供了 4个孤立的光耦中 16 引脚塑料 DIP 封装，集电极 发射极电压： 55V（最小值），经常转移的比例： 50％（最小），隔离电压： 2500 Vrms （最小）。 西安工程大学本科毕业设计（论文） 21 该系统带有显示电路，由于数据不是很复杂，并且显示的位数较少，考虑成本，这里用的是四位一体数码管，用译码器 74HC573 驱动。 以太网部分是该系统的特色部分，但是这部分的软件实现比较难，协议栈的问题是一个工作量很大的任务，同时，数据的传输速率与该部分有很大的关系，综合考虑，该系统采用 Silicon 公司的以太网控制芯片 CP2200， Han Run 公司的HR911105A 为网络变压器。 Silicon Laboratories 公司生产的 CP2200 以太网控制器目前是业界里体积最小的单芯片以太 网控制器。 它包括一个集成了 Ether 的媒体访问控制器 (MAC)， 10BASET 物理层收发器包括接收器、发送器、自适应、回环、极性纠正、 jabber、智能抑制噪声和连接完整性功能 ， 支持自动协商模式和双工模式。 8KB 非易失性 Flash 存储器 ， 片内 Flash 存储器可用于存储用户数据、 WEB 服务器内容或作为通用非易失性存储器 ， Flash 的最后 6 个存储单元已在出厂前被写入了唯一的 48 位 MAC 地址 ， 消除了大多数嵌入式系统的生产过程中必不可少的数列化步奏。 8 位并行主机接口支持 Intel 和 Motorola 总线方式 ， 可以使用复用或非复用方式寻址。 有方式选择引脚 ,用于总线接口方式 ， 在非复用方式下 ， ,数据传输速率可以达到 30Mbps。 具有 14 个中断源 ,CP2200 可以向主机申请中断处理 ， 主机可以在响应中断处理后 ， 通过读 INT0\INT1 的中断状态寄存器来清除中断。 具有 2KB 的发送缓冲区和 4KB 的接收缓冲区。 CP2200 的基本结构如图 33 所示。 H o s ti n t e r f a c e8 K Bf l a s h2 K BT x B u f f e r4 K BR x F I F OE t h e r n e tM A CC l o c kL E Dc o n t r o lE t h e r n e tP H YR X + / R X T X + / T X 2 0 M H zX T A L并 行 接 口R J 4 5 接 口L E D控 制C P 2 2 0 0 图 33 CP2200 的基本结构 西安工程大学本科毕业设计（论文） 22 系统硬件的详细设计 本节主要介绍了系统硬件的功能、系统硬件的总体设计、硬件的详细设计，其中系统硬件的详细设计包括系统的各个模块的设计理论、计算过程、单片机的概述、器件选择的原因等。 本系统硬件的核心是单片机和以太网传输的设计与实现 ， 本系统的硬件设计可分三步进行。 第一步对系统的实现平台的选择，是应用单片机 ， ARM还是 FPGA等；第二步是以太网传输方案的确定 ， 是选用串行通信还是选用 I/O 口传输；第三步是对外设电路的设计，比如电压处理电路（信号提取电路） ， 单片机最小系统电路，显示电路，过零检测电路，前卫电路等。 其中第一步是该系统的关键，第一步要考虑到数据的处理速度，精确度，成本等问题。 而要实现三相电参数测量的功能，要对三相电的相关知识有一定的了解。 三相电的电压有两种说法，一是线电压，即三相电的每两条线之间的电压，另一种是相电压，即三相电一条线与零相 N 之间的电压 [12][13]。 三相电的相位是每相相差 120176。 ，依次为 A、 B、 C相。 三相电的频率是固定的，即为 50Hz。 信号提取的设计 由于考虑到从三相电中提取信号供给单片机，所以可也采用电阻分压 的法案来处理，如果要考虑隔离传输等问题，就必须的使用电压互感器或者电流互感器来处理，本系统采用的是电阻分压的方法。 其电路如图 34 所示。 图 34 信号提取电路 西安工程大学本科毕业设计（论文） 23 由分压公式有： 用此方案依次将 A,B 和 C 相进行处理，得到 0 到 5V 的三相低压电信号，供给单片机控制处理。 过零检测电路的设计 过零检测电路的最终目标是实现当交流电压通过零点时取出其脉冲。 其工作过程为：当通过正半周较高电压时，光电管 D1， T1 导通 Vo 为低电平，当正半周电压反向接近零点时 D1 达不到导通电压的值而截止，从而使 T1 截止 Vo 为高电平。 同样当通过负半周较高电压时，光电管 D2， T2 导通 Vo 为低电平，当负半周电压正向接近零点时 D2 达不到导通电压的值而截止，从而使 T2 截止 Vo 为高电平。 通过这个正负交越零点时的正脉冲信号向单片机 STC90C58AD 发出外部中断 INT0，单片机根据该信号，经过一定的延时后控制可控硅导通 [11]。 其电路如图 35 所示。 西安工程大学本科毕业设计（论文） 24 图 35 正负半轴过零检测电路 但是由于该系统的考虑的三相四线制三相电，参考零点位选地线，所以电压的范围为 0 到 5V，没有负半轴，于是只采用一个 TLP5211 即可。 其电路如图36 所示。 图 36 过零检测电路 基于 CP2200 的嵌入式以太网模块设计 近年来 ， 计算机技术 ,通信技术的飞速发展 ， 使得我们在考虑通过计算机进西安工程大学本科毕业设计（论文） 25 行网络互联的同时 ， 也要考虑许多领域的嵌入式设备如智能仪表 、 工业控制 、 数据采集 、 数控机床 、 安防监控等也要接入网络的需求。 伴随着信息家电的出现 ,嵌入式设备的网络化必将拥有更加广阔的发展前景。 本文以 Silicon 公司的CP2200 以太网控制器为基础 ,着重介绍了嵌入式系统网络接口的软硬件设计。 当前 ， 嵌入式设计人员在为嵌入式设备提供以太网接入时 ， 使用的以太网控制器(RTL8019,CS8900A 等 )都是专为个人计算机系统设计的 ， 这些器件不仅接口电路复杂 ， 体积较大 ， 而且比较昂贵。 CP2200 是 Silicon Laboratories 公司推出的一款 48 引脚的以太网控制器 ， 它符合 协议 ， 支持 10M 以太网接入 ，而且外围接口电路简单 ， 成本较低 ， 能够满足嵌入式设备接入以太网的要求。 其硬件设计电路如图 37 所示 [12] 图 37 基于 CP2200 的嵌入式以太网设计 基于 STC90C58AD 单片机的按键电路 由于 STC90C58AD 单片机自带 A/D 转换 ， 并且为了节省单片机的 I/O 口 [13]，所以其按键电路可以做如图 38 设计。 西安工程大学本科毕业设计（论文） 26 图 38 按键电路 由于 VCC 是 5V。