宿舍大功率用電限制裝置

李昊博

單片機是本次設計的電路的核心，單片機的性能決定的電路整體的運行效果和穩定性。單片機通過讀取ADC輸出的數字信號來獲取ADC轉換的結果，通過軟件程序對ADC的數據進行濾波，得到有效的測量值，經過計算得到被測電流值。單片機讀取數據與處理數據的速度顯示了系統的響應速度，單片機讀取讀取和處理數據的速度越快頻率越高，系統的實時性越好，響應速度越快，但同時功耗也提高，因此設計時要兼顧二者。

一、硬件電路設計

1、最小系統電路

主控制電路采用單片機。它包括復位電路和時鐘電路，復位電路可以由單穩態電路實現，也可以使用專用的復位芯片，這里我們選擇簡單穩定的RC充電電路來實現STC89C52單片機的上電復位功能，電容C1和電阻R1串聯組成RC串聯電路，當+5V電源上電時電容C1兩端電壓不能突變為正5V，單片機第9pin為高電平，隨著時間的推移5V電壓經過電阻R1向C1充電，當C1充滿電后單片機第9pin變為低電平，完成復位。

2、按鍵電路設計

按鍵電路的功能是通過按鍵向單片機輸入信號，單片機通過識別按鍵按下狀態來執行按鍵命令。本次設計的基于單片機的超大電流檢測系統有4個按鍵功能分是設置電流限值增加、設置電流限值減小、數據保持、恢復正常。用戶在使用時需要經常操作按鍵，因此按鍵要設置在易于操作的位置，采用非自鎖的微動開關，按下按鍵時按鍵導通，松開按鍵后按鍵斷開，這樣的按鍵便于連續多次按下。微動開關在操作時按下開關的動作有較強的操作感，使用者可以根據按鍵觸感情況感受到按鍵已經按下，是一種很人性化的機械按鍵。且單片機有多余的I/O口，為了提高響應速度，簡化電路和編程以達到最佳的穩定性，因此使用獨立按鍵。4個按鍵S1、S2、S3、S4分別連接到單片機的P1.1、P1.3、P1.5、P1.7端口。P1口和P3口內有上拉電阻，因此外部不需要再加上拉電阻。

3、電流檢測電路設計

這里選擇150A/5A的電流互感器，單匝穿芯時的初級側電流最大值是150A，互感器的最大容量是5VA，因此次級側選擇的電阻值是0.1歐姆，這樣互感器在最大量程下的功率是5*5*0.1=2.5VA，滿足互感器的設計容量。U3A是通用運算放大器LM358，由LM358構成反相放大器，互感器次級的電流信號在電阻R2上產生壓降，變成電壓信號，這個電壓信號輸入至運算放大器的反相輸入端，D6將電流互感器次級的正弦波信號負半周全反饋至輸入端，正半周信號經過R1、R3、R4、R6構成的電阻比例分壓網絡反饋至運算放大器反相輸入端，調整R4可以調整運算放大器的放大倍數。C3和C8是輸出濾波電容，使運算放大器輸出的信號變得平滑更接近直流電壓的波形，R7和R12構成電阻分壓網絡，對輸出信進行分壓，將輸出信號調整至ADC的量程范圍，使電路的測量精度更高。

4、報警電路設計

采用PNP型三極管S8550作為驅動器件，S8550的集電極電流是1A，滿足蜂鳴器的工作電流要求。將三極管的基極連接至單片機的P2.0引腳，根據PNP三極管的工作原理和導通特性，當單片機的P2.0輸出低電平時，三極管Q1導通，蜂鳴器得電發聲；當單片機的P2.0引腳輸出高電平時，三極管Q1截止，蜂鳴器失電不發聲，因此單片機在程序中控制P2.0引腳的電平狀態就可以控制蜂鳴器是否發聲。

5、電源供應電路設計

為了得到穩定的電源供應采用變壓器降壓的方法產生低壓直流電。交流220V電壓經過變壓器轉換為低壓交流電，使用四個整流二極管構成橋式整流電路，將交流電轉換為直流電，此時的直流電是脈動直流電，在波形中有很多脈動的峰值電壓，采用大容量的鋁電解電容對脈動直流電進一步濾波形成平滑的直流電。C9是主濾波電容，可以將脈動直流電轉換為平滑直流電供低壓系統使用。U1是三端穩壓器，U1的功能是穩壓，為電路提供一個穩定的5V電壓輸出，確保芯片穩定工作。

6、顯示電路設計

本次設計的液晶顯示程序是向液晶屏寫入要顯示的字符，不需要讀液晶屏，因此RW引腳保持接地狀態。EN信號是液晶屏的使能信號，RS是命令與數據控制信號，這兩個信號連接至單片機的P2.6和P2.7引腳，通過軟件程序控制這兩個信號的電平狀態，實現數據顯示功能。

二、軟件程序設計

1、A/D轉換器程序設計

由溫度、煙霧傳感器采集的數據，送至A/D轉換器，在CS為低電平時，啟動A/D轉換器，經過四個時鐘脈沖后，由DO開始一位一位的讀取并由函數存儲數據返回，送至單片機。讀完8位數據后，CS為高電平，此時關閉A/D轉換器，將經過處理的數據返回，送至單片機。

2、數字濾波程序設計

本次設計的電路采用運算放大器和電解電容將互感器次級側的電流信號轉換為直流電壓信號，在程序中采用多次采集取平均值的方法進行數字濾波。

本次設計的超大電流檢測系統對系統響應速度要求不高，因此按常規選擇采樣10次求平均值的方法。在程序中設置一個變量Value_result用來存儲AD轉換的直接結果，設置num作為轉換次數計數變量，每次轉換的結果進行累加，當num等于10時，將累加值除以10得到平均值。由平均值計算出ADC的輸入電壓值Ux=（Value_result*5）/255，得到ADC輸入端電壓值再乘以系數就可能得到被測電流值。

3、按鍵程序設計

本次電路中使用4個按鍵，每個按鍵的程序是相同的。因受按鍵機械特性影響和人按下按鍵時的動作狀態影響，按鍵在按下瞬間會發生抖動。理想狀態下按鍵按下后向單片機輸入一個平滑穩定的低電平信號，受按鍵抖動影響，實際機械按鍵在按下瞬間輸出一段高低電平波動的信號，這個信號容易使單片機造成誤動作，因此在設計軟件程序時要對按鍵進行消抖動處理。

按鍵消抖動的方法是使用延時語句，當按鍵按下后延時10ms再次檢測按鍵，如果按鍵仍然處于按下狀態說明按鍵確認按下，可以執行按鍵功能。對于本次所使用的點動式按鍵不但要檢測按鍵按下，還要檢測按鍵松開，按鍵松開時也會有抖動，因此在檢測按鍵松開時也要使用延時語句消抖動。單片機通過按鍵識別程序識別按鍵被按下的情況，當檢測到某個按鍵被按下時，執行相應的按鍵功能。

4、顯示程序設計

顯示程序的功能是驅動液晶屏顯示電流檢測結果以及設定的電流限值等信息。顯示程序通過模擬液晶屏的動作時序將要顯示的字符轉換為ASIIC碼值發送給液晶屏。在LCD1602初次上電時要對其進行初始化，初始化的步驟是先設置顯示模式，再設置光標位置，最后關閉光標顯示。光標位置提示了使用者字符出現的位置，一般情況下建議設置完成光標位置后關閉光標顯示，因為LCD1602自身顯示面積很小，打開光標會占用一定的顯示空間，且閃爍的光標使液晶屏的觀感變差。每次刷新顯示之前要對顯示進行清屏，這樣可以起到更新顯示的作用。根據顯示內容的需要，先寫入顯示地址，再寫入顯示數據，依次將要顯示的電流值和設定的電流限值以字符形式輸出至液晶屏。