基于單片機(jī)的智能電表的硬件設(shè)計案例綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u28696基于單片機(jī)的智能電表的硬件設(shè)計案例綜述 13651.1單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計 2180011.1.1STC89C52的介紹 2134211.1.2芯片管腳介紹 3321151.1.3晶振電路 4192621.1.4電源電路 4323761.1.5復(fù)位電路 524071.1.6程序下載口 6193161.2電壓采集電路 7109241.2.1運放采樣 7294621.3電流采集電路 1094951.1.1電流傳感器ACS712 10299601.1.2電壓跟隨器 11318141.4功率采集電路 12180611.4.1過零比較器 12143711.4.2相位差的換算 13247821.5AD轉(zhuǎn)換模塊 13252071.5.1ADC0809 13201391.6顯示模塊 15189341.6.1TM1650芯片 1577001.7按鍵控制模塊 161.1單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計單片機(jī)最小系統(tǒng)組成了單片機(jī)最小外圍硬件電路，作用是讓單片機(jī)正常工作，根據(jù)設(shè)計的需要將其他模塊與單片機(jī)引腳相連接，從而實現(xiàn)主控芯片和其他模塊的數(shù)據(jù)交換，完成設(shè)計需要。最小系統(tǒng)電路有：MUC芯片、復(fù)位電路、時鐘晶振電路、電源電路、程序下載口。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖1.1所示。圖1.1單片機(jī)最小系統(tǒng)1.1.1STC89C52的介紹根據(jù)設(shè)計題目的要求，本次設(shè)計采用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片這款芯片是學(xué)生們做設(shè)計的常用芯片之一，它是使用閃存存儲技術(shù)，成本降低，它采用高密度非易失性存儲器制造技術(shù)制造，擁有8位多功能CPU，功耗低，具有8k程序存儲空間，512字節(jié)RAM,，兩個16位的定時/計數(shù)器，32個IO口，5個中斷源，寬電壓，可在-40度到85度下使用等等特點，擁有許多功能去滿足設(shè)計人員的需求。程序方面可編程快擦寫，方便開發(fā)和測試，操控靈活，價格廉價，滿足很多嵌入式設(shè)計的需要。另一款單片機(jī)芯片也深受學(xué)生們的喜愛，它就是C51，值得注意的是，雖然C52是它的升級版，但二者也有一點區(qū)別，比如電壓范圍不同、內(nèi)部存儲器不同，定時器數(shù)量也不同等等。1.1.2芯片管腳介紹1.電源VCC引腳接+5V，VSS接GND，即公共參考地。2.XTAL1和XTAL2是時鐘電路引腳，芯片內(nèi)部安裝有反相放大器，其中XTAL1為反相運放輸入端，而XTAL2是內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端的同時也是反向放大器輸出端。兩腳外接石英晶體振蕩，在自激振蕩作用下，晶振起振驅(qū)動內(nèi)部振蕩器，從而產(chǎn)生時鐘信號。1.控制信號引腳(1)RST復(fù)位輸入端，可利用上電復(fù)位或按鍵復(fù)位進(jìn)行實現(xiàn)。(2)ALE∕PROG低8位鎖存使能輸出/編程脈沖輸入端。(3)PSEN外部程序存儲器，一般來說只用片內(nèi)存儲就夠了(4)EA/VPP(5)并行I/O口P0、P1、P2、P3端引腳。①P0口(P0.0~P0.7)是雙向I/O端口，8位漏極開關(guān)類型。在用作I/O口使用時，需要連接上拉電阻。②P1口(P1.0~P1.7)、P2口(P2.0~P2.7)8位準(zhǔn)雙向I/O端口，內(nèi)有上拉電阻。③P3口(P1.0~P1.7)8位多功能雙向I/O端口，內(nèi)有上拉電阻。1.1.3晶振電路晶振俗即石英晶體振蕩器，它由二氧化硅結(jié)晶體薄片涂上銀層制作而成，它的特點是高精度和有著非常穩(wěn)定的固有頻率，當(dāng)它連接在外電路時，可產(chǎn)生頻率穩(wěn)定且峰值穩(wěn)定的正弦波。晶振時鐘電路接18、19號引腳，通常使用石英晶體采引起內(nèi)部自激振蕩，也可以選擇外部時鐘電路進(jìn)行振蕩，2個IO口分別在晶振的兩端接電容到地，這兩個電容取值在10~30P之間即可，電容對高頻來說具有很低的容抗，高頻信號和一些高頻雜波會通過電容過濾掉，從而增加晶振的穩(wěn)定性，有些系類的單片機(jī)會內(nèi)置晶振，有些卻需要外接，但內(nèi)部晶振和外部晶振相比，存在一些誤差，內(nèi)部比外部誤差大3%左右，二者的電路連接方式也不同，內(nèi)部是串聯(lián)共振，外部是并聯(lián)共振，如果說只是為了讓晶振起振、或者說使用頻率不高，內(nèi)部自帶的情況下以足夠使用了，外接晶振的作用是讓單片機(jī)更加穩(wěn)定，減小時鐘的誤差。晶振電路如下圖1.1.3所示。圖1.1.3晶振電路1.1.4電源電路電子元器件里，單片機(jī)是需要供電的，不同的單片機(jī)供電范圍不一樣，需要查看相關(guān)的手冊資料才能知曉供電范圍，51單片機(jī)系類，一般供電電壓為5V。電源方面，采用5vVPP的供電能滿足本設(shè)計中所有的芯片。為了獲取5v的能源支撐，我設(shè)計了兩種方法：1.220v交流電通過變壓器，整流，濾波后，后采用穩(wěn)壓芯片7805，得到5v的直流電。2.采用USB供電的方式。經(jīng)過分析，方法1需要更多的元器件，增加了開發(fā)成本，穩(wěn)壓芯片7805發(fā)熱比較嚴(yán)重，相比于方法2，USB直接供電的方式簡單直接，減少了設(shè)計pcb的復(fù)雜度好開發(fā)成本，單片機(jī)中內(nèi)部有電源轉(zhuǎn)換模塊，USB供電能讓電路正常工作。USB接口如圖2.1.4所示。圖2.1.4電源電路1.1.5復(fù)位電路STC89c52單片機(jī)復(fù)位引腳RST第9腳，高電平有效。該引腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期（根據(jù)單片機(jī)振蕩周期為12MHZ，機(jī)器周期=12*時鐘周期，T時=1/f，則1個機(jī)器周期為1us）即24個時鐘周期高電平持續(xù)2us就進(jìn)行復(fù)位功能。復(fù)位時，單片機(jī)程序會重新初始化。當(dāng)程序或電路出現(xiàn)異常問題時，可進(jìn)行復(fù)位。在復(fù)位時MCU會使系統(tǒng)中的各個模塊都回到初始狀態(tài)，并從確定的狀態(tài)開始重新運行。例如：當(dāng)單片機(jī)剛開始上電時、斷電后、程序跑飛、有故障出現(xiàn)后，都要進(jìn)行復(fù)位，當(dāng)復(fù)位后，P0-P3輸出都為1（高電平）。上述提到，單片機(jī)的復(fù)位方式2種，本次設(shè)計采用上電復(fù)位。在下圖1.1.5中，復(fù)位模塊中的電容容值是10uf，電阻大小是10k，電源電壓為5V,計算出電容充電到電源電壓的0.7倍，當(dāng)充到1.5V時用到的時間τ見下式：τ=RC(8)根據(jù)公式計算出結(jié)果是0.1s。因串聯(lián)電路中電壓總和等于各處電壓之和，電容兩端的電壓不能越變的特點，二者聯(lián)立得出結(jié)果：電路在啟動的0.1s內(nèi),電容兩端的電壓初始值為0,而后從0-1.5V內(nèi)增加,電阻兩端的電壓從5-1.5V減小，而RST腳的電壓也是5-1.5v。在單片機(jī)中認(rèn)為1.5V以下電壓信號為低電平，1.5V以上為高電平信號。因此在電路通電后0.1s內(nèi)，單片機(jī)將自動復(fù)位。電路見圖1.1.5所示。圖1.1.5復(fù)位電路1.1.6程序下載口單片機(jī)下載程序的接口是：P1.0口RXD串行輸入端、P1.1口TXD串行輸出端。下載時連接USB轉(zhuǎn)TTL線與stc-isp串口程序下載軟件配合使用。下載口電路如下圖1.1.6所示。圖1.1.6下載口1.2電壓采集電路電壓的采樣可以用電阻采樣和運放采樣，電阻采樣的方式是利用電阻并聯(lián)在互感器的輸出端上，很多的采樣都采用電阻進(jìn)行設(shè)計，這種方式不僅簡單，而且成本低，但是也存在弊端，它的只能用于輸出電壓一定范圍內(nèi)，輸出有限，精度方面也存在誤差，受到負(fù)載電阻的影響。采樣電路后級連接的電路也比較多，進(jìn)行分析后決定采用第二種方法，即差分運放采樣法，進(jìn)行采集處理電壓，差分運放采樣法常用于采樣處理母線電壓和交流電壓。1.2.1運放采樣用差分運放采樣的基本思路：普通家用交流電，變化周期50HZ,電壓為220v，輸入端分別接火線和零線輸入，通過差分運放電路輸出0-5V電壓，采樣出來的信號進(jìn)行濾波后輸入到A/D模塊。這個方法精度會比較高減少誤差，運放的輸出電阻小，帶負(fù)載能力強，也可以在運放上添加器件對后級電路相位補償。相比與電阻采樣電路的負(fù)載能力，可靠性和誤差性更好。下圖1.2為運放電壓采樣電路。圖1.2電壓采樣電路差分運放是一種用來放大差模信號，抑制共模信號對信號進(jìn)行數(shù)學(xué)運算的放大電路，兩輸入端同時輸入信號，因而得到廣泛應(yīng)用。LM358是本次設(shè)計使用的運算放大器,一個集成的LM358，含有2個運放，它的特點是電源供電范圍廣，接受范圍在3-30v，可單電源也可雙電源供電，直流電壓增益高，內(nèi)部含補償頻率，功率消耗低，價格便宜，本次設(shè)計只要2個LM358即可。它常出現(xiàn)在傳感放大器、直流增益電路、單電源供電的運算電路中，所以LM358是電子工程師使用最多的運放芯片之一。上圖中火線接運放的同向端，零線接反向端，為了得到適合的運放處理電壓，將輸入的220v高壓進(jìn)行分壓處理，如圖中的R2、R3、R4、R5，最終得到合適的運放輸入電壓，并在運放的同向端加上2.5v的偏置電壓，由5vUSB供電進(jìn)行分壓得到。220V的輸入，輸出0-5V，實現(xiàn)的是電壓-電壓的變化，屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋，反饋取自與電壓，穩(wěn)定電壓。利用集成的運放作為放大電路，引入了負(fù)反饋，在分析電路時，通常都將其性能指標(biāo)理想化。設(shè)其運放的同相輸入為uP，反向輸入的電壓uN，電流為ip和iN，由理想運算放大器的“虛短”可知uP=uN，“虛短”可知iP=iN=0，所以有U(9)Ii為輸入電流，Rf為反饋電阻，v（10）這里的公式保證R2=R3輸出電壓在0-5V之間。在經(jīng)過運放后，R41.3電流采集電路電流檢測方式大致有三種。第一種采集電阻+運放，它的特點是體積小、成本低、誤差小、溫度影響大、由無隔離效果；第二種電流互感器，它結(jié)構(gòu)簡單、價格低，但是精度較低；第三種方式是采樣霍爾電流傳感器，它的特點是外圍電路簡單、精度高、優(yōu)點多，所以本次設(shè)計采樣霍爾電流傳感器進(jìn)行電流的采集，其電路如圖1.3所示。圖1.3電流采樣電路1.1.1電流傳感器ACS712ACS712是一種全集成的，由霍爾效應(yīng)制作成的線性電流傳感器，具備了2.1KVRMS電壓隔離和低阻抗電流導(dǎo)體。它的特點和優(yōu)點是：低噪聲模擬信號通路；可測交直流電流；80KHZ帶寬；輸出誤差小在1.5%左右；內(nèi)阻小大概1mΩ；絕緣電壓大；5V單電壓工作；磁滯幾乎為0；電壓成比例輸出等。它常用于電機(jī)控制器，負(fù)載檢測和管理，開關(guān)電源，過流保護(hù)的電路中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖1.1.1所示。圖1.1.1ACS712內(nèi)部結(jié)構(gòu)ACS712檢測的電流可以是AC或者DC,輸入電流后，通過感應(yīng)電流大小，進(jìn)行動態(tài)的調(diào)節(jié)、探測、信號的恢復(fù)、濾波、斬波，再經(jīng)過放大器進(jìn)行輸出。傳感器檢測的是模擬量電流信號，經(jīng)過ACS712后輸出的是模擬量的電壓信號，值得注意的是很多傳感器輸出為數(shù)字信號，而本器件輸出模擬信號。當(dāng)檢測到的電流越大，輸出的電壓就越大，兩者成線性關(guān)系，設(shè)計選用的是ACS712-05B型號，比例因子k為185mV/A,但它內(nèi)部具有斬波電路，所有輸出應(yīng)加載0.5Vcc。輸出的模擬電壓和輸入的模擬電流的關(guān)系式Vout1.1.2電壓跟隨器在ACS712的輸出連接電壓跟隨器。電壓跟隨器是在同相比例運算電路中，將輸出電壓引入到了反向端輸入，它的放大倍數(shù)小于并接近1，理想的運放開環(huán)差模增益放大倍數(shù)AOD=∞，因而電壓跟隨器具有比源極輸出器和射極輸出器其更好的跟隨特性。在實際電路中常用電壓跟隨器作為緩沖及前后電路的隔離，它的特性是輸入電阻大，輸出電阻小。控制采樣電路要求輸出的數(shù)據(jù)誤差盡量小，所以在AD轉(zhuǎn)換電路和采樣電路中加上跟隨器進(jìn)行隔離，理想中的運放輸出電阻要盡可能的小，但在實際情況下，輸出電阻缺不小，又因位下一級電路的輸入阻抗小，如此下來，輸出的信號會在前級輸出中產(chǎn)生損耗，影響大的話會引起信號的失真，加上跟電壓隨器后，輸出電阻大而是輸入電阻低，前端的電路可以視為斷路，后端電路輸出電阻小，提高了電路帶負(fù)載能力。電流采樣信號經(jīng)過傳感器、電壓跟隨器、濾波后，輸出電壓調(diào)整為合適的電壓范圍，進(jìn)入AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。1.4功率采集電路功率采集的實質(zhì)就是測量功率因素即比較出電壓和電流之間的相位差，在實際電路中，通過對電壓和電流信號的過零比較，采集出電壓和電流之間過零點的時間差，換算出它們之間的相位差。在電壓采集和電流采集輸出的信號，經(jīng)過濾波之后，將信號輸入到過零比較器中，經(jīng)過比較之后變?yōu)榉讲ㄐ盘?，在進(jìn)行異或后轉(zhuǎn)換為相移對應(yīng)的脈寬信號，之后輸入到單片機(jī)中計算采集電壓、電流間的時間差轉(zhuǎn)換為相位差，通過相位差可得出功率因素。功率采集模塊如下圖1.4所示。圖1.4功率采樣模塊1.4.1過零比較器過零比較器是電壓比較器中的一種，它的功能就是進(jìn)行輸入信號的比較和把任何輸入信號轉(zhuǎn)換成正弦信號，過零比較器的實質(zhì)是開環(huán)狀態(tài)工作的誤差放大器，以一個閾值為界限，輸入小于閾值輸出一個邏輯，反之輸入大于閾值則輸入相反邏輯，邏輯為高低電平，達(dá)到區(qū)分比較的目的。下圖1.4.1為輸入正弦波后輸出的方波信號。圖1.4.1比較器輸入、輸出波形1.4.2相位差的換算通過功率采集電路我們知道電壓和電流過零時間，在單片機(jī)中可以得出電壓電流過零點之間的時間差t，電路的周期T（電路中的頻率為50HZ）,根據(jù)已知條件，將時間差換算成相位差，φ為電壓和電流兩者間的相位差，其換算公式如下。φ=(11)求得相位差后，在根據(jù)查表便可求出功率因數(shù)cosφ。在實際情況下，檢測的相位差值和實際值是存在誤差的，該誤差是電路原因造成的。1.5AD轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)題目的要求，本模塊要用ADC0809芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，電壓采集和電流采集到的模擬信號輸入到ADC0809中，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字信號，再傳到單片機(jī)中。模塊電路如下圖1.5所示。圖1.5比較器輸入、輸出波形1.5.1ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器分有多種類型，本次設(shè)計選用的ADC0809是CMOS單片型逐次逼近型，采樣頻率為8位即最高分辨率256級，8路8位AD轉(zhuǎn)換器。芯片模擬電壓輸出范圍0V-5V，符合輸入需要。轉(zhuǎn)換時間短，在100us左右，速度快，穩(wěn)定性強且低功耗。下表1.5.1為ADC0809通道選擇表表1.5.1ADC0809通道選擇表ADDCADDBADDA選擇的通道000INO001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ADC0809的引腳功能如下表1.5.2所示：表1.5.2ADC0809引腳功能表引腳功能描述IN0～I(xiàn)N7模擬信號輸入端，有8個端口ADDA、ADDB、ADDC模擬通道地址線。用于對8路模擬通道的選擇，從A到C，低位到高位地址ALE地址鎖存允許信號。ALE經(jīng)上升沿時，A、B、C地址狀態(tài)輸入到地址鎖存器里START轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。當(dāng)它在上升沿到來時，會把ADC0809復(fù)位初始化；它在下降沿時，會將芯片啟動，這時開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在這時間段里，START的狀態(tài)應(yīng)是“0”的狀態(tài)。D0～D7數(shù)據(jù)輸出線，與單片機(jī)的IO口相連。DO到D7,低位到高位OE輸出允許信號。作用是控制三態(tài)輸出鎖存器并對單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0（為低電平），輸出數(shù)據(jù)線呈高阻態(tài)；OE=1（高電平），將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。CLK時鐘信號輸入端。芯片的內(nèi)部無時鐘電路，時鐘信號需要外接，一般時鐘信號的頻率是500KHZEOC模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。EOC=0（低電平）,進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換；EOC=1（高電平）,數(shù)模轉(zhuǎn)換結(jié)束VCC連接電源5VvppGND接地端VREF參考電壓端1.6顯示模塊根據(jù)題目需要本次顯示模塊設(shè)計采用四位8段LED共陰數(shù)碼管，它具有顯示清晰直觀、使用簡單、價格低廉、亮度高的特點。它的工作原理是對不同管腳的輸入一定的電流會讓發(fā)亮，最終顯示出數(shù)字。數(shù)碼管段數(shù)的不同分有八段數(shù)碼管和七段數(shù)碼管，兩個數(shù)碼管的原理和使用是一樣的，唯一的不同在于八段數(shù)碼管多了一個二極發(fā)光管，用來顯示小數(shù)點。對于普通IO口來說，芯片的驅(qū)動能力有限，因而驅(qū)動方面采用TM1650芯片，顯示模塊電路如圖1.6所示。圖1.6顯示模塊電路在數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)的同時，用按鍵進(jìn)行控制顯示的電壓、電流、功率，旁邊的LED發(fā)光二極管也會一一對應(yīng)的發(fā)亮。1.6.1TM1650芯片TM1650是LED驅(qū)動控制電路芯片，它具有按鍵掃描接口并集成有MCU輸入輸出控制數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器，鍵盤掃描、LED驅(qū)動、亮度調(diào)節(jié)等，具有穩(wěn)定性高、抗干擾能力強的