电气工程及其自动化毕业论文96171

1、东北大学继续教育学院毕业设计（论文）东北大学毕业设计（论文） 东北大学继续教育学院教务处 毕业设计(论 文) GRADUATE DESIGN (THESIS)基于STC89C52的无线抄表系统硬件系统设计学 生 学习中心 奥鹏学习中心专 业 电气工程及其自动化指导教师 2015年 9 月 1 日目录1. 绪 论11.1无线抄表系统研究的意义11.2无线抄表系统的现状12.设计方案的确定32.1设计功能要求32.2 系统的基本方案33.硬件系统53.1.1总电源方案概况53.1.2总电源方案设计53.2 采样电路模块53.2.1采样电路模块概况53.2.2采样电路模块方案设计63.3收发模块93

2、.4 CPU模块103.4.1 89C52主要功能113.4.2管脚说明123.4.3 振荡器特性143.4.4 芯片擦除153.5 显示模块154.硬件电路板制作与调试174.1 电路版设计的先期工作174.1.1利用原理图设计工具绘制原理图174.1.2手工更改网络表174.3 设置PCB环境184.4 布置零件封装的位置194.5 元器件的锁定194.6布线规则设置204.6.1安全间距(Routing标签的Clearance Constraint)204.6.2走线层面和方向（Routing标签的Routing Layers）204.6.3过孔形状（Routing标签的Routing

3、Via Style）214.6.4走线线宽（Routing标签的Width Constraint）214.6.5敷铜连接形状的设置（Manufacturing标签的Polygon Connect Style）214.7 手动布线和布完调整214.7.1 手动布线224.7.3对所有焊盘补泪滴224.8 放置覆铜区224.9 打印PCB电路板234.10制作电路板235.结束语24参考文献25附录一电路各原理图26附录二电路PCB图28摘 要如今公共事业收费自动化和小区物业管理智能化等领域的技术开发和应用越来越受到人们的重视,本文研究旨在提供一种利用低压电力供电网络,低成本高可靠地实现公共事业收

4、费自动化和小区物业管理智能化的技术应用。 在本文介绍了一种基于89C52单片机的复费率单相电能表的主电路及通信接口电路,给出了其具体电路,采用CS5460作为专用电量测量芯片以保证测量脉冲数的准确性,硬件日历时钟及参数存储采用总线器件以减少电路连线。综合设计使电能表的工作可靠性得到大大提高。同时对系统的软件设计和可靠性设计也作了介绍。关键词：单片机, 远程抄表, CS5460IV1. 绪 论1.1无线抄表系统研究的意义随着经济体制改革的深入，电能计量、电费核算及收缴的及时性和准确性已成为用电企业的重要课题；而目前我国电能数据的采集基本上为手工抄表，需要抄表人员走家串户，每月或每两月抄一次，再通

5、过微机或手工制作的电费单催缴用户电缆，存在着错抄、漏抄、估抄等问题。自动抄表系统的研制与应用是解决上述问题的有效途径之一，而无线抄表系统则是自动抄表系统中 种较优的方式。该系统的实现是迈向配电自动化的第一步，并有助于提高电力系统用电管理的水平。1.2无线抄表系统的现状传感器、自动化仪表以及集成电路技术的进步，使得无论是机电脉冲式还是全电子式电度表已能够较好地满足现今自动抄表技术的需要。对于机电脉冲式电度表，只需在表内安装光电转换模块和相应的接口，即可实现反映用电量的电信号输出。这类模块和接口具备成本低廉、小巧且易于拆装等特点，因此列目前仍在大量使用的感应系电度表的改装是可行且易于实现的。对于全

6、电子式电度表，可直接读取其电脉冲输出。有的新型全电子式电度表本身安装有多种接口；适用于模拟、数字等各种通信模式。今后相当一段时间内，自动抄表系统的终端采集装置将以上述两种仪表为主。2.设计方案的确定2.1设计功能要求设计制作一只交流电能表表，设计的主要要求如下：（1）该交流电能表能实现对单相交流电能的测量；（2）电表参数：额定电压220V,额定电流5A,最大电流10A，最大计度容量：99999.99Kw.h；（4）能测量并显示当前的功率、电压和电流的有效值；（5）显示当前日期和时间，具有分时计量功能；（6）可以与PC机进行串行通信，并可用键盘控制，便于操作；（7）电量脉冲输出；（8）停电不丢失

7、电能数据；2.2 系统的基本方案该系统主要由显示模块、通讯模块、键盘控制模块、电能表芯片CS5460A模块、存储器模块和前端电路调理模块部分组成。前端电路调理模块采用变比1：1 的电流型电压互感器，电流模块采用变比2000：1 的电流互感器，利用取样电阻采样信号，经变换后的信号以差模电压的形式接到由CIRRUS LOGIC 公司生产的电能表芯片CS5460A，取样电阻的阻值由被测信号的最大值决定，然后经CS5460A转换后将电压、电流、功率、电能等信号传给单片机STC89C52，STC89C52组成的MCU模块控制所有芯片的工作、截止及计算和模块的显示，显示模块采用LCD5110液晶模块，液晶

8、正常显示当前测量的电能值、电压、电流有效值、功率等；并接受PC上位机同步控制并与其通信，该系统可以实现对电能等电参量测量、显示及采集处理的目的。2.3 毕业设计的硬件结构框图如下：3.硬件系统3.1总电源模块3.1.1总电源方案概况本设计中涉及了多种等级电源（蓄电池12 V， 5V直流供CPU工作），为了在实际应用中及成本核算中能够尽量合理，只采用一种等级电源，即由12V电源统一供电。3.1.2总电源方案设计自做的电源相对来说比较简单，主要由变压器，整流桥，电容，稳压块组成，原理简单且适用，电路图如下：稳压块78L12两端的大电容作用是低频虑波，小电容作用是高频虑波。发光二极管是用来指示电源正

9、常工作。3.2 采样电路模块3.2.1采样电路模块概况该设计通过电压互感器和电流互感器来对回路的电压、电流信号进行采样，并将得到的电压、电流信号输入到芯片CS5460A的电压电流信号输入端，两路信号在芯片内部实现转换，并通过内部运算将电流、电压等各种数据的结果存人指定的寄存器中。以等待单片机STC51通过芯片CS5460A的串行接口读取，最后将其结果通过LCD5110显示出来。3.2.2采样电路模块方案设计CS5460A的电压通道对于系统的前端电压调理部分，我们采用变比为2mA/2mA的电流互感器和高精度电阻作为输入电路部分电路如图所示。系统设计采用220V的市电电压输入，首先外接Rx=110

10、k电阻得到2mA的电流，然后通过变比为2mA/2mA的互感器，然后在二次侧连接1个125的定值电阻得到所需的输入电压，可以为CS5460A提供电压信号，不超出芯片的测量范围。当然电阻R2值可以根据不同的电压来调整。并加入RC滤波网络对信号初步滤波，并加入放抖动电容保护芯片。电流调理部分采用变比2000：1 的电流互感器，然后经一精密电阻将电流信号转变成电压信号。并加入RC滤波网络对信号初步滤波，并加入放抖动电容保护芯片。经变换后的补测信号以差模电压的形式接到CS5460A的模拟信号输入端。由于互感器角差的影响，可能造成输入信号的相移，使功率测量的误差增大。而CS5460A 具有相位补偿功能（可

11、进行-2.4°至+2.5°的相位补偿，步进0.34°），可以大大减小互感器角差的影响。 其模拟信号输入接口电路如图所示：3.2.3 引脚介绍CS5460的管脚排列如图所示：它共有24个引脚，各引脚的功能如下：IIN (+/-) CS5460A的电流检测管脚VA+/VD+ CS5460A的分别为模拟、数字+5 v电源VIN(+/-) 电压检测的两输入脚VA- 接模拟地DGND 接数字地XOUT，XIN 两脚接4096 MHz的晶振SDO 输出数据CS 电路选择端，低电平有效SO 串行数据输出端SI 串行数据输入端SCK 串行时钟输入端WP 写保护输入端，低电平有效R

12、ESET 复位输出端VCC 电源端VSS 接地端3.3收发模块方案一：有线收发。在接收与发送2个模块之间采用数据线连接，可以方便2个模块的传送，并且会比较稳定。但是考虑到距离等问题，觉得有线的会比较麻烦。方案二：无线收发。无线收发模块能实现接收和发送2个模块之间数据的传送，且无线比较不受距离及连线的影响。综合考虑，决定采用NRF24L01无线模块来实现数据的传输。 NRF24L01集成了所有与RF协议相关的告诉信号处理，可以支持六路通道的数据接收，工作电压为1.9V-3.6V，速率为2Mbps，在空中传输时间很短降低了无线传输中的碰撞，内部含有自动重发数据包和自动产生应答信号，其接口的SPI接

13、口可以利用单片机的硬件SPI扣连接或用单片机I/O口，内部有FIFO可以与各种高低速微处理器接口，便于使用低成本的单片机。链路层完全集成在模块上，方便开发。自动应答功能，在收到有效数据后，模块自动发送应答信号，无须另外编程。含有载波检测，内置CRC检错和点对多点通信地址控制。电路图如下：3.4 CPU模块在整个控制系统的最核心器件中，CPU的选择是很重的，作为一个最基本的平台，CPU可以用51系列的，PIC系列，AVR系列，ARM系列等等，但作为市场上应用最普遍，技术最成熟且其外围元器件好买的51系列单片机再结合自己课堂上所学的51系列指令，本系统选定51系列的单片机作为CPU控制器。目前较为

14、常用的51系列单片机主要有2051，89C52及89S51。下面为它们之间的特点和区别：STC89C523.4.1 89C52主要功能STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能3.4.2管脚说明CC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被

15、定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入

16、。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口作为AT89C51的一些特殊功能口，

17、管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉

18、冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA / VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/E

19、A端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.4.3 振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.4.4 芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电

20、平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，89C52设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.5 显示模块方案一：采用LCD1602，LCD1602是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块。由于此设计要显示电压，电流和功率， 2行不够显示，所以不考虑该方案。 方案二：诺基亚5110是一块低

21、功耗LCD控制驱动器，设计为驱动48行84列的图形显示，所有必需的显示功能集成在一块芯片上，包括LCD电压及偏置电压发生器，包括168个通信盘和4个虚设盘。端口含有SDIN串行数据接口；SCLK串行时钟接口，输入时钟信号为0.04.0Mbits/s；选择命令/地址或输入数据口D/C；使能引脚充许输入数据，低电平信号SCE；当使用芯片内置振荡器时，引脚必须接到VDD。使用外部振荡器时则连接到些引脚。如果OSC 引脚连接到VSS，则禁止内部振荡器及外部振荡器，显示不计时并停留在直流状态。为避免这种情况，在停止时钟之前使芯片进入关闭模式。综合考虑决定采用该方案，即LCD5110。 4.硬件电路板制作

22、与调试此毕业设计利用PROTEL 99SE和altium designer软件来绘制及打印印刷电路板。4.1 电路版设计的先期工作4.1.1利用原理图设计工具绘制原理图 做好封装并且生成对应的网络表。有些特殊情况下，如电路版比较简单，已经有了网络表等情况下也可以不进行原理图的设计，直接进入PCB设计系统，在PCB设计系统中，可以直接取用零件封装，人工生成网络表。但为了毕业设计稳当考虑，还是经过原理图，网络表，PCB传统路径。4.1.2手工更改网络表 将一些元件的固定用脚等原理图上没有的焊盘定义到与它相通的网络上，没任何物理连接的可定义到地或保护地等。将一些原理图和PCB封装库中引脚名称不一致的

23、器件引脚名称改成和PCB封装库中的一致，特别是电阻电容等。4.2 画出自己定义的非标准器件的封装库将自己所画的器件都放入一个自己建立的PCB 库专用设计文件。本次设计主要是画出cs5460和电压，电流互感器这3个元件。4.3 设置PCB环境（1）进入PCB系统后的第一步就是设置PCB设计环境，包括设置格点大小和类型，光标类型，版层参数，布线参数等等。大多数参数都可以用系统默认值（2）规划电路版，主要是确定电路版的边框，包括电路版的尺寸大小等等。在需要放置固定孔的地方放上适当大小的焊盘。对于3mm 的螺丝可用6.58mm 的外径和3.23.5mm 内径的焊盘对于标准板可从其它板或PCB izar

24、d 中调入。（由于是手工布板，可以考虑适当加大焊盘，及增宽走线的宽度）（3）在绘制电路版地边框前，一定要将当前层设置成KeepOut层，即禁止布线层。打开所有要用到的PCB 库文件后，调入网络表文件和修改零件封装。这一步是非常重要的一个环节，网络表是PCB自动布线的灵魂，也是原理图设计与印象电路版设计的接口，只有将网络表装入后，才能进行电路版的布线。在原理图设计的过程中，ERC检查不会涉及到零件的封装问题。因此，原理图设计时，零件的封装可能被遗忘，在引进网络表时可以根据设计情况来修改或补充零件的封装。当然，也可以直接在PCB内人工生成网络表，并且指定零件封装。4.4 布置零件封装的位置 Pro

25、tel99可以进行自动布局,也可以进行手动布局。如果进行自动布局，运行"Tools"下面的"Auto Place",用这个命令，需要有足够的耐心。布线的关键是布局，多数情况一采用手动布局的形式。用鼠标选中一个元件，空格键改变元件方向，按住鼠标左键不放，拖住这个元件到达目的地，放开左键，将该元件固定。Protel99在布局方面新增加了一些技巧。新的交互式布局选项包含自动选择和自动对齐。使用自动选择方式可以很快地收集相似封装的元件，然后旋转、展开和整理成组，就可以移动到板上所需位置上了。当简易的布局完成后，使用自动对齐方式整齐地展开或缩紧一组封装相似的元件。

26、 注意：零件布局，应当从机械结构散热、电磁干扰、将来布线的方便性等方面综合考虑。先布置与机械尺寸有关的器件，并锁定这些器件，然后是大的占位置的器件和电路的核心元件，再是外围的小元件。4.5 元器件的锁定根据情况再作适当调整然后将全部器件锁定。 假如板上空间允许则可在板上放上一些类似于实验板的布线区。对于大板子，应在中间多加固定螺丝孔。板上有重的器件或较大的接插件等受力器件边上也应加固定螺丝孔，有需要的话可在适当位置放上一些测试用焊盘，最好在原理图中就加上。将过小的焊盘过孔改大，将所有固定螺丝孔焊盘的网络定义到地或保护地等。放好后用VIEW3D 功能察看一下实际效果，存盘。4.6布线规则设置布线

27、规则是设置布线的各个规范（象使用层面、各组线宽、过孔间距、布线的拓朴结构等部分规则，可通过Design-Rules 的Menu 处从其它板导出后，再导入这块板）选Design-Rules 一般需要重新设置以下几点:4.6.1安全间距(Routing标签的Clearance Constraint) 它规定了板上不同网络的走线焊盘过孔等之间必须保持的距离。一般板子可设为0.254mm，较空的板子可设为0.3mm，较密的贴片板子可设为0.2-0.22mm，极少数印板加工厂家的生产能力在0.1-0.15mm， 0.1mm 以下是绝对禁止的。对于手工作板可以尽量增大其参数！对， 99SEGO。4.6.2

28、走线层面和方向（Routing标签的Routing Layers）此处可设置使用的走线层和每层的主要走线方向。贴片的单面板只用顶层，直插型的单面板只用底层。4.6.3过孔形状（Routing标签的Routing Via Style）它规定了手工和自动布线时自动产生的过孔的内、外径，均分为最小、最大和首选值，其中首选值是最重要的，下同。4.6.4走线线宽（Routing标签的Width Constraint）它规定了手工和自动布线时走线的宽度。整个板范围的首选项一般取0.2-0.6mm，另添加一些网络或网络组（Net Class）的线宽设置，如地线、+5 伏电源线、交流电源输入线、功率输出线和电

29、源组等。网络组可以事先在Design-Netlist Manager中定义好，地线一般可选1mm 宽度，各种电源线一般可选0.5-1mm 宽度，对于手工制板，可以增大宽度。4.6.5敷铜连接形状的设置（Manufacturing标签的Polygon Connect Style）建议用Relief Connect 方式导线宽度Conductor Width 取0.3-0.5mm 4 根导线45 或90 度。4.7 手动布线和布完调整4.7.1 手动布线手动顺着连线进行布线，尽量走直线，线间减少直角。可以再元器件下面布线，减少元件重叠,尽量在内部绕线，有较远的就从外围绕过去。4.7.2手动改进需加

30、粗的地线、电源线、功率输出线等加粗，某几根绕得太多的线重布一下，消除部分不必要的过孔，再次用VIEW3D 功能察看实际效果。手工调整中可选Tools-Density Map 查看布线密度，红色为最密，黄色次之，绿色为较松，看完后可按键盘上的End 键刷新屏幕。红色部分一般应将走线调整得松一些，直到变成黄色或绿色。4.7.3对所有焊盘补泪滴补泪滴可增加它们的牢度，但会使板上的线变得较难看。顺序按下键盘的S 和A键（全选），再选择Tools-Teardrops，选中General 栏的前三个，并选Add 和Track 模式，如果不需要把最终文件转为PROTEL 的DOS 版格式文件的话也可用其它模式，后按OK 钮。完成后顺序按下键盘的X 和A 键（全部不选中）。对于贴片和单面板一定要加。4.8 放置覆铜区将设计规则里的安全间距暂时改为0.5-1mm 并清除错误标记，选Place-Polygon Plane 在各布线层放置地线网络的覆铜设置完成后，再按OK 扭，画出需覆铜区域的边框，最后一条边可不画，直接按鼠标右键就可开始覆铜。4.9 打印PCB电路板点击菜单栏中的打印按钮，选择要打印的层板，如bottomlayer及multilayer,再将SHOW HOLE及BLACK选中，把multilayer上移到最顶上。最后开始打印。（注：选用激光打印机和油酸纸）4.