智能多通道電功率分配的硬件設(shè)計(jì)

蘇欣

摘 要：隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，電力已成為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研、城市建設(shè)、市政交通和人民生活不可缺少的二次能源。在使用電力過程中，不注意安全，會造成人身傷亡事故和國家財(cái)產(chǎn)的巨大損失。因此，隨著電力事業(yè)的發(fā)展，用電設(shè)備和耗電量的增加，用電安全的重要性日益突出。文章設(shè)計(jì)的智能多通道電功率分配的硬件設(shè)計(jì)是一種具有實(shí)現(xiàn)家庭電路過功率保護(hù)，在家庭電路短路和過負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)自動斷電保護(hù)的智能家用用電保護(hù)裝置。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；用電保護(hù)；智能

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)家庭過功率保護(hù)，在家庭電路過功率的情況下能夠自動斷電并在功率恢復(fù)后自動啟動的智能多通道電功率分配系統(tǒng)。該系統(tǒng)還能通過按鍵直接設(shè)置上限功率，同時(shí)該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r(shí)顯示干路電流和功率，還能實(shí)時(shí)顯示電路工作狀態(tài)和危險(xiǎn)信號，并做出有效反應(yīng)。具有價(jià)格便宜、使用方便、性能可靠、功率可控等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 系統(tǒng)總體功能

通過電流互感器SCD211FK、峰值檢測電路實(shí)時(shí)檢測入戶線上的電流、電壓，將檢測到的值通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路ADC0809輸入單片機(jī)AT89S52，AT89S52將電流、電壓值反映到LCD液晶顯示屏上。通過按鍵電路給系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)功率上限值，當(dāng)家用電器的功率超過給定值時(shí)，單片機(jī)AT89S52給繼電器信號，促使其發(fā)生保護(hù)動作，切斷電源，并在LCD液晶顯示屏上顯示。當(dāng)家用電器的功率低于功率上限時(shí)，單片機(jī)AT89S52給繼電器信號，使其恢復(fù)給家用電器供電。

1.3 工作原理

系統(tǒng)是基于單片機(jī)AT89S52控制系統(tǒng)，包括顯示模塊、傳感器模塊、峰值檢測模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、放大模塊等。干路大電流通過電流互感器STC211FK能夠轉(zhuǎn)換成小電流輸出，再經(jīng)過精密運(yùn)放OP07轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后通過檢波電路進(jìn)行峰值檢測，再有AD0809采樣輸出穩(wěn)定值，進(jìn)過軟件計(jì)算可得到精確地功率，從而實(shí)現(xiàn)過功率保護(hù)。

2 單元電路設(shè)計(jì)

2.1 電流互感器放大電路

電流互感器放大電路中使用SCT211FK電流互感器。SCT211FK是一款高精密的電流互感器，輸入額定電流為2mA，額定輸出電流為2mA。其線圈扎數(shù)比為1：2000，可耐控沖擊電流為100A*1秒。

2.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

ADC模塊中主要是逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC0809芯片，ADC0809芯片內(nèi)部具有鎖存功能的8通道模擬多路開關(guān)，可對8通道0～5的輸入模擬電壓分式的進(jìn)行轉(zhuǎn)換，芯片內(nèi)具有多路開關(guān)地址譯碼器和比較器、鎖存電路、256R電阻T型網(wǎng)絡(luò)、逐次逼近型寄存器、SAR樹狀電子開關(guān)、控制和時(shí)序電路等。ADC0809芯片輸出具有TTL三臺鎖存功能的緩沖器，可以與單片機(jī)總線直接連接。

2.3 峰值檢測電路

由運(yùn)放LF353和二極管、電容構(gòu)成的檢波電路，用于檢測入戶電壓峰值。LF353是JFET型標(biāo)準(zhǔn)線性運(yùn)算放大器，用電壓跟隨器不僅能作為緩沖器，而且和很好的隔離作用，并且能提高直流特性。該電路利用二極管的單向?qū)芰碗娙莩浞烹娞匦裕玫奖容^準(zhǔn)確的峰值。

2.4 基于單片機(jī)AT89S52的單片機(jī)最小硬件系統(tǒng)

單片機(jī)運(yùn)行工作起來，所必需的最基本電路組成。最基本電路構(gòu)成有電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路。

2.4.1 復(fù)位電路。由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成，由“電容電壓不能突變”的性質(zhì)可知，當(dāng)系統(tǒng)一上電，RST腳將會出現(xiàn)高電平，并且這個(gè)電高平持續(xù)的時(shí)間由電路的RC值來決定。典型的52單片機(jī)當(dāng)RST腳的高電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上就將復(fù)位，所以，適當(dāng)組合RC的取值就可以保證可靠的復(fù)位。本設(shè)計(jì)中C取10μ，R取8.2K。原則要讓RC組合可以在RST腳上產(chǎn)生不少于2個(gè)機(jī)器周期的高電平。

2.4.2 時(shí)鐘電路。當(dāng)單片機(jī)在工作時(shí)，從取指令到譯碼再進(jìn)行微操作，必須在時(shí)鐘信號控制下才能夠有序的進(jìn)行，時(shí)鐘電路就是為單片機(jī)工作提供基本時(shí)鐘的。單片機(jī)的時(shí)鐘信號通常有兩種產(chǎn)生方式：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。在單片機(jī)XTALL1和XTALL2引腳上跨接上一個(gè)晶振和兩個(gè)穩(wěn)頻電容，可以與單片機(jī)片內(nèi)的電路構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。晶振的取值范圍一般為0～24MHz，常用的晶振頻率有6MHz、12MHz、11.0592MHz、24MHz等。

2.4.3 電源電路。AT89S51單片機(jī)的工作電壓范圍：4.0V～5.5V，所以通常給單片機(jī)外接5V直流電源。該電路輸入家用220V交流電，經(jīng)過全橋整流，穩(wěn)壓后輸出穩(wěn)定的5V直流電。方便實(shí)用，輸出電壓穩(wěn)定，最大輸出電流為1A，電路能帶動一定的負(fù)載。

2.4.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路。單片機(jī)最小系統(tǒng)復(fù)位電路的極性電容C1的大小直接影響單片機(jī)的復(fù)位時(shí)間，一般采用10～30uF，51單片機(jī)最小系統(tǒng)電容值越大需要的復(fù)位時(shí)間越短。系統(tǒng)晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情況下可以采用更高頻率的晶振，51單片機(jī)最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機(jī)的處理速度，頻率越大處理速度越快。系統(tǒng)中的起振電容C2、C3一般采用15～30pF，并且電容離晶振越近越好，晶振離單片機(jī)越近越好。由于檢測一個(gè)從1到0的下降沿需要2個(gè)機(jī)器周期，因此要求被采樣的電平至少要維持一個(gè)機(jī)器周期。當(dāng)晶振頻率為12MHz時(shí)，最高計(jì)數(shù)頻率不超過1/2MHz，即計(jì)數(shù)脈沖的周期要大于2ms。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)基于單片機(jī)AT89S52設(shè)計(jì)，適用于當(dāng)家庭電路發(fā)生過功率時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動斷電保護(hù)?？梢酝ㄟ^按鍵直接設(shè)置上限功率，超過上限功率系統(tǒng)將對家用電器實(shí)現(xiàn)自動斷電。通過LCD液晶能夠?qū)崟r(shí)顯示干路電流和功率，并且能實(shí)時(shí)顯示電路工作狀態(tài)和危險(xiǎn)信號，以此來做出有效反應(yīng)。

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