毕业设计论文-基于at89s52单片机的三相电度表研究

毕业设计论文-基于at89s52单片机的三相电度表研究内容摘要：

置，高变比时Imax=250A， CTRN=30。 分流电阻 Rb计算如下： 高变比最大额定电流输入时，分流电阻肋消耗功率助计算为： 根据上述计算参数进行分流电阻的选择。 上述参数确定之后，以小变比计量为例，说明 ADE7758前端模拟电路的电流、电压信号衰减问题。 如图 3— 2所示，在小变比额定电流输入 I=30A时， ADE7758电流通道信号输入为 O． 12V，计算公式如下： 其中 6为电流传感器低变比系数。 电流信号在进入 ADE7758计量芯片前，其衰减倍率记为 f=30／ 0． 12= 10kV的电压信号在经过电压互感器后转换为 100V，再由 500MΩ 和 lkΩ 的电阻网络分压后，其衰减倍率记为 fv=100 500。 3． 1． 3接口电路设计 接口电路用来实现 ADE7758与单片机的数据通信，一方面可以通过 SPI口进行计量芯片 ADE7758的初始化，另一方面 ADE7758把数据处理的结果以脉冲形式或 SPI口送出，供单片机进行计量处理。 ADE7758与单片机接口电路设计如图 3— 3所示。 与接口电路有关的全局变量说明如下：长整型变量， RO,EO、 EE E E P、 V， 以字符型变量， H 11 113。 去耦电容 CC6的作用是滤除芯片电源输入中的尖峰脉冲成分，旁路电容 C29的作用是使 ADE7758电源电压输入保持基本稳定。 在进行 PCB电路设计时，在每一芯片的电源输入端子外接 0． 1心的去耦电容，以提高电路的抗干扰性能。 R R9为限流电阻，对单片机的 I／ O口起到限流保护作用。 ADE7758每产生一个有功或无功脉冲，对应的 LED3或 LED2会闪亮一次。 IRQ为 ADE7758中断输出端子，低电平有效，漏极开路，外接 lOkΩ 的上拉电阻。 当 ADE7758检测到中断发生时， IRQ向低电平跳变，发出 INTl中断申请；单片机通过读取 ADE7758状态复位寄存器内容，判断中断事件的类型。 图 33 ADE7758与单片机的接口电路设计 3． 2单片机外围电路设计与器件选择 3． 2． 1单片机及外围电路设计 AT89252是一款单片封装的微控制器，具有 8k的程序存储和 256个字节的数据存储，可以满足中小规模软件编程需要。 复位采用MAX813L看门狗芯片。 为了避免因外界干扰而导致应用程序“跑飞”或出现死循环， MAX813L的 WDI电平在 1。 6s内应跳变一次，实现对MAX813L内部时钟寄存器清零，防止因“看门狗 溢出而导致单片机复位。 单片机外围电路设计参考图 3— 4所示。 图 3— 4单片机外围电路设计 K K K4为三个功能按键，按键扫描采用中断方式进行。 功能按键有两个作用，一是电量参数及事件记录的查询，二是时钟参数的初值输入调整。 图中“与 门逻辑采用 74LS08芯片实现。 主电源与后备电源之间的电路切换通过两个二极管 D1和 D2实现。 后备电源采用可充电的 3． 6V锂电池 LIR2032。 主电源上电后，二极管 Dl导通， D2截止；主电源通过 10ko的电阻对后备电源充电。 主电源掉电后，二极管 Dl截止，D2导通；后备电源开始对 单片机进行供电，使单片机的 R枷中累加的电量参数不丢失。 掉电后 LIR2032只对单片机和 DSl302时钟芯片供电，以减小能量消耗。 这通过二极管 D1的单相导通作用实现。 3 2． 2显示徽 HCl602 显示采用 16x2字符型液晶 HC1602，与单片机的接口电路如图 3— 5所示。 图 35单片机与 HCl602的接口电 路设 计 图中 c c5为单片机和液晶模块 HCl602的去耦电容。 DBO枷 7为HCl602的数据线，与单片机的 P0． 0～ Po． 7端子相接。 R15为阻值可调的电位器，用来调整液晶显示的对比度；当 VO端子对地电 压为 OV时藏晶显示最为清晰。 A、 K为 HCl602背光灯的电源端子和接地端子，其中电源端子 K通过跳缝 JP2与主电源相接。 正常情况下 JP2断开以减小电度表能耗；在电量查询时闭合 JP2，接通背光灯电源。 显示与按键相结合，用来实现电量参数的查询显示、异常事件记录查询显示以及时钟参数韧值输入调整结果显示。 当没有中断发生时，进行总的有功、无功电量显示；显示数据格式参考附录图 Dl所示。 字符显示是通过 P0口读入该字符的 ASCII码实现，举例如下．字符‘ 1’的 ASCII为 Ox31。 在完成 LCD初始化设置后，把该字荷对应的 ASCH码“ 0x31”通过 P0口写入 LCD的内部寄存器 DDRAM中。 通过控制端子 Rs、 R／ W的状态组合实现指令的写入以及数据的读、写操作，操作说明参考表 3— 2所示。 3． 2． 3数据 存储 AT24C02 存储芯片采用 AT24C02。 该芯片具有 I℃总线接口，具有掉电后数据不丢失特点。 与单片机的接口电路参考图 3— 4所示。 存储主要包括电量参数的存储和异常事件的记录存储．考虑到 AT24C02芯片擦写次数的有限性．能量的累加在单片机的洲存储空间中完成。 采用定时方式进行电量参数的存储。 单片机不断检测时间参数，当存储时间到 ，则启动 12c总线把电量参数存储到 AT24C02中分配的地址单元。 异常事件采用中断方式进行存储。 当 ADE7758检测到过流、过压、断相等事件时，向单片机发出中断申请。 单片机执行中断服务程序，把处理的结果，包括事件的代码、发生次数以及发生的时间，存储到 AT24C02中分配的地址单元。 AT24C02存储单元配置参考表 3— 3所示。 为了保证电量参数存储的可靠性．在软件设计上要有充分的冗余和纠错。 比如考虑到这种情况．在进行电量存储时突然发生掉电事故，新的数据存储尚未完成，而原有数据已经被覆盖，造成数据的丢失。 为了 避免这种情况，对每一个电量参数分配两组存储单元；以朋为例，OxOO,Ox03为一组存储单元． Ox04Ox07为另一组存储单元。 即使一组数据在存储时被损坏，另一组数据则不受影响。 3． 2． 4时钟芯 片 DSl302 时钟芯片采用 DSl302。 该芯片具有 SPI总线接 口【 33】【 34】 ，与单片机接口电路设计参考图 34所示。 时钟芯片有两个作用．一是为定时存储提供时间参数；二是为断相、过流、过压等异常事件记录提供时同参数。 SPI总线时序结构如图 3— 6所示。 DS1302采用双电源供电模式， Vccl为主电源输入． Vc02为备份电源输入。 当 Vcc2Vccl时，由 Vccl向 DSl302供电； Vcc2Vccl+O． 2V时，由Vcc2向 DSl302供电，工作电压范围 2 5～ 5． 5V。 DSl302寄存器数据以BCD码格式存放。 秒寄存器的 CH位控制时钟的运行和停止．当 CH=1时，时钟停止； cH=0时．时钟运行。 小时寄存器的位 7用于定义 DSl302的时钟运行模式，为 0时采用 24小时时钟模式。 在对 DSl302写操作时，WP位首先应设置为 0，写操作允许使能。 DSl302时钟寄存器配置参考表 3— 4所示。 3． 2． 5串行接口芯 片 MAX485 电度表配备通信 RS485接口具有成熟性和性价比高的优势，硬件设计时预留出 RS一 485通信接口，采用毗 ,X485接口芯片。 硬件电路设计参考圈 3— 7所示。 圈中由 DE端子控制 MAX485芯片的发送／接收使能。 DE端子与单片机的 P1． 2口连接。 当 DE为高电平时，单片机向 RS485总线发送数据；DE为低电平时单片机从 RS485总线接收数据。 连接至 A脚的下拉电阻17,3连接至 B脚的上拉电阻 R30用于提高该 RSJ,85网络节点的工作可靠性。 钳位于 6 8V的稳压管 D D D5用来保护 RS485总线，避免在受到外界霄击、浪涌等干扰时产生高压损坏 RS485收发器。 C1C14用于提高电路的 EMI性能。 3． 2． 6选通开关 CD4053 采用 CD4053芯片实现电流传感器高、低变比检测信号的选通。 CD4053有三个控制端子 A、 B、 C。 当 ABC000时， ax、 bx、 cx三个信道选通；当 ABC111时， ay、 by、 cy三个信道选通。 A、 B、 C三个端子同时与单片机的 P1． O口连接。 单片机根据瞬时功率检测结果，通过对 P1． 0端口状态设置，进行高低变比电流检测信号的选通控制。 CD4053外围电路 设计如图 3— 8所示。 图 38 CD4053引脚配置及外围电路设计 二极管 LEDl指示功率分段情况， C2为 O． 1心的去耦电容， R2为限流电阻。 当 P1． O为高电平时， CD4053的 ay端子与 a选通， ADE7758的电流通道小变比检测信号选通，对应小负荷计量模式，此时 LEDl不导通； P1． O为低电平时， ax端子与 a选通，电流通道高变比检测信号选通，对应正常负荷计量模式， LEDl导通发光。 CONl为 PCB设计时对应的插接端子，作为 ADE7758电流、电压信号的输入连接部分，其第一个引脚记为 CONl— 1。 CD4053在电路设计中的应用参考图 32设计，真值关系参考表 3— 5所示。 3． 2 7电源模块设计 系统电源模块由主电源和后备电源两部分组成。 主电源模块由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成硎，其中整流电路采用 DBl07集成模块，稳压电路采用 780 LM7905集成电路模块；后备电源采用可充电的 LIP2032锂电池，主电源和后备电源的电路切换参考图 3— 4单片机外围电路。 电源模块设计如图 39所示。 7805的 +5v输出通过 JP5跳线与系统的 +5V网络连接。 当 JP5闭合时，系统处于上电工作状态，此时二极 管 LED4导通发光。 CON3为两路9V正弦交流信号输入接口，中间为接地端子。 C3 C3 C3 C40为有极性的旁路电容．作用是使 780 LM7905的输入、输出电压保持基本稳定； C1 C1 C1 C18为 F的去耦电容，作用是滤除 780LM7905输入、输出信号中的尖峰脉冲成分。 第四章系统硬件调试与功能函数定义 应用 ME300B对模块电路进行在线仿真调试。 硬件调试基于 PCB电路板进行，首先进行模块电路的分级调试，使组成系统的各个模块电路正常工作；然后进行系统总体调试，使其达 到预定的技术要求。 在调试过程中发现设计中存在的问题，判断问题的原因、位置并提出改进措施。 在对硬件电路调试的同时进行功能函数的设计与测试。 功能函数主要围绕长整型以及字符型数据的显示与存储展开，最后对功能函数仿真调试中遇到的问题进行分析说明。 4． 1电路板规格与焊接操作 电路板设计为普通双面板，尺寸大小 168mmx91． 4mm。 在板的两面采用大面积覆铜接地，不区分数字地和模拟地。 在布线时，电源线、接地线等走线宽度设置为 40～ 60mil，推荐线宽 60mil；信号线设置为10mil～ 20mil，推荐线宽 15mil，其中 40mil≈ lmm。 不同网络之间的安全间距设置为 12mil；采用自动布线方式，覆铜放在最后进行。 电路板设计规则一般包括电路板的布线规则、制作规则、有关高频的设计规则以及其他设计规则等几个方面。 可以按照文献 [36]的有关制版介绍，在电脑上运行 Protel软件，从绘制简单的 PCB电路开始，逐步熟悉设计过程。 在进行 PCB电路设计时，在每一芯片的电源端子和地之间接入 0． 1 p F的去耦电容；电源线、地线和芯片的接地线应尽可能加宽。 进行电路板设计时，在芯片的电源引脚和接地引脚之间接入一个 O． 1心的去耦电容。 该电容去耦了来自电源的噪声，保证芯片有持续、稳定的电压源 [37][38]。 在对时钟芯片 DSl302进行仿真调试时，并没有认识到去耦电容的重要性，芯片电源引脚没有外接 O． 19F的去耦电容，没有达到预期的仿真结果，原因就出在去耦电容上。 在进行印制电路板设计时，为了利用 ME300B的仿真头对 PCB电路板进行在线仿真调试，单片机 AT89S52没有采用 PCB库元件中的封装形式，而是自制一个 40针的插接座封装，单片机通过插接座接入 PCB电路。 载入封装后的 PCB电路板参考附录 B一 2所示。 其他 DIP封装的芯片也是通过插座 接入电路板。 这样，当芯片损坏时，可以方便进行芯片的替换。 贴片式封装 ADE7758焊接特点。 ADE7758为贴片式封装，引脚排列较密。 焊接前应在电路板的焊接区域均匀涂上一层焊锡膏，然后用带有焊锡的烙铁头轻轻触及焊接区域上的金属焊接点，则焊接点上均匀的结晶一层焊锡。 然后把 ADE7758芯片引脚对准焊接位置，用烧热的烙铁头 (不带焊锡 )在 ADE7758的引脚和焊接点连接处预热片刻，可以观察到一股细小的锡流沿着焊接线展开。 结束后擦去多余的焊锡膏。 这种焊接方式不容易损坏芯片，焊接成功率高，且没有毛刺。 载入元器 件封装前后 PCB电路板设计参考附录 B所示。 4． 2系统硬件电路测试 4． 2． 1电源模块测试 首先进行系统短路测试。 短路测试用来分析 PCB电路各芯片电源端子与接地端子之间有无短路问题。 由于载入元器件封装时通过手工焊接，引线和元器件较多，会由于经验不足而可能导致电源端于。