宿舍大功率用电限制装置

李昊博

单片机是本次设计的电路的核心，单片机的性能决定的电路整体的运行效果和稳定性。单片机通过读取ADC输出的数字信号来获取ADC转换的结果，通过软件程序对ADC的数据进行滤波，得到有效的测量值，经过计算得到被测电流值。单片机读取数据与处理数据的速度显示了系统的响应速度，单片机读取读取和处理数据的速度越快频率越高，系统的实时性越好，响应速度越快，但同时功耗也提高，因此设计时要兼顾二者。

一、硬件电路设计

1、最小系统电路

主控制电路采用单片机。它包括复位电路和时钟电路，复位电路可以由单稳态电路实现，也可以使用专用的复位芯片，这里我们选择简单稳定的RC充电电路来实现STC89C52单片机的上电复位功能，电容C1和电阻R1串联组成RC串联电路，当+5V电源上电时电容C1两端电压不能突变为正5V，单片机第9pin为高电平，随着时间的推移5V电压经过电阻R1向C1充电，当C1充满电后单片机第9pin变为低电平，完成复位。

2、按键电路设计

按键电路的功能是通过按键向单片机输入信号，单片机通过识别按键按下状态来执行按键命令。本次设计的基于单片机的超大电流检测系统有4个按键功能分是设置电流限值增加、设置电流限值减小、数据保持、恢复正常。用户在使用时需要经常操作按键，因此按键要设置在易于操作的位置，采用非自锁的微动开关，按下按键时按键导通，松开按键后按键断开，这样的按键便于连续多次按下。微动开关在操作时按下开关的动作有较强的操作感，使用者可以根据按键触感情况感受到按键已经按下，是一种很人性化的机械按键。且单片机有多余的I/O口，为了提高响应速度，简化电路和编程以达到最佳的稳定性，因此使用独立按键。4个按键S1、S2、S3、S4分别连接到单片机的P1.1、P1.3、P1.5、P1.7端口。P1口和P3口内有上拉电阻，因此外部不需要再加上拉电阻。

3、电流检测电路设计

这里选择150A/5A的电流互感器，单匝穿芯时的初级侧电流最大值是150A，互感器的最大容量是5VA，因此次级侧选择的电阻值是0.1欧姆，这样互感器在最大量程下的功率是5*5*0.1=2.5VA，满足互感器的设计容量。U3A是通用运算放大器LM358，由LM358构成反相放大器，互感器次级的电流信号在电阻R2上产生压降，变成电压信号，这个电压信号输入至运算放大器的反相输入端，D6将电流互感器次级的正弦波信号负半周全反馈至输入端，正半周信号经过R1、R3、R4、R6构成的电阻比例分压网络反馈至运算放大器反相输入端，调整R4可以调整运算放大器的放大倍数。C3和C8是输出滤波电容，使运算放大器输出的信号变得平滑更接近直流電压的波形，R7和R12构成电阻分压网络，对输出信进行分压，将输出信号调整至ADC的量程范围，使电路的测量精度更高。

4、报警电路设计

采用PNP型三极管S8550作为驱动器件，S8550的集电极电流是1A，满足蜂鸣器的工作电流要求。将三极管的基极连接至单片机的P2.0引脚，根据PNP三极管的工作原理和导通特性，当单片机的P2.0输出低电平时，三极管Q1导通，蜂鸣器得电发声；当单片机的P2.0引脚输出高电平时，三极管Q1截止，蜂鸣器失电不发声，因此单片机在程序中控制P2.0引脚的电平状态就可以控制蜂鸣器是否发声。

5、电源供应电路设计

为了得到稳定的电源供应采用变压器降压的方法产生低压直流电。交流220V电压经过变压器转换为低压交流电，使用四个整流二极管构成桥式整流电路，将交流电转换为直流电，此时的直流电是脉动直流电，在波形中有很多脉动的峰值电压，采用大容量的铝电解电容对脉动直流电进一步滤波形成平滑的直流电。C9是主滤波电容，可以将脉动直流电转换为平滑直流电供低压系统使用。U1是三端稳压器，U1的功能是稳压，为电路提供一个稳定的5V电压输出，确保芯片稳定工作。

6、显示电路设计

本次设计的液晶显示程序是向液晶屏写入要显示的字符，不需要读液晶屏，因此RW引脚保持接地状态。EN信号是液晶屏的使能信号，RS是命令与数据控制信号，这两个信号连接至单片机的P2.6和P2.7引脚，通过软件程序控制这两个信号的电平状态，实现数据显示功能。

二、软件程序设计

1、A/D转换器程序设计

由温度、烟雾传感器采集的数据，送至A/D转换器，在CS为低电平时，启动A/D转换器，经过四个时钟脉冲后，由DO开始一位一位的读取并由函数存储数据返回，送至单片机。读完8位数据后，CS为高电平，此时关闭A/D转换器，将经过处理的数据返回，送至单片机。

2、数字滤波程序设计

本次设计的电路采用运算放大器和电解电容将互感器次级侧的电流信号转换为直流电压信号，在程序中采用多次采集取平均值的方法进行数字滤波。

本次设计的超大电流检测系统对系统响应速度要求不高，因此按常规选择采样10次求平均值的方法。在程序中设置一个变量Value_result用来存储AD转换的直接结果，设置num作为转换次数计数变量，每次转换的结果进行累加，当num等于10时，将累加值除以10得到平均值。由平均值计算出ADC的输入电压值Ux=（Value_result*5）/255，得到ADC输入端电压值再乘以系数就可能得到被测电流值。

3、按键程序设计

本次电路中使用4个按键，每个按键的程序是相同的。因受按键机械特性影响和人按下按键时的动作状态影响，按键在按下瞬间会发生抖动。理想状态下按键按下后向单片机输入一个平滑稳定的低电平信号，受按键抖动影响，实际机械按键在按下瞬间输出一段高低电平波动的信号，这个信号容易使单片机造成误动作，因此在设计软件程序时要对按键进行消抖动处理。

按键消抖动的方法是使用延时语句，当按键按下后延时10ms再次检测按键，如果按键仍然处于按下状态说明按键确认按下，可以执行按键功能。对于本次所使用的点动式按键不但要检测按键按下，还要检测按键松开，按键松开时也会有抖动，因此在检测按键松开时也要使用延时语句消抖动。单片机通过按键识别程序识别按键被按下的情况，当检测到某个按键被按下时，执行相应的按键功能。

4、显示程序设计

显示程序的功能是驱动液晶屏显示电流检测结果以及设定的电流限值等信息。显示程序通过模拟液晶屏的动作时序将要显示的字符转换为ASIIC码值发送给液晶屏。在LCD1602初次上电时要对其进行初始化，初始化的步骤是先设置显示模式，再设置光标位置，最后关闭光标显示。光标位置提示了使用者字符出现的位置，一般情况下建议设置完成光标位置后关闭光标显示，因为LCD1602自身显示面积很小，打开光标会占用一定的显示空间，且闪烁的光标使液晶屏的观感变差。每次刷新显示之前要对显示进行清屏，这样可以起到更新显示的作用。根据显示内容的需要，先写入显示地址，再写入显示数据，依次将要显示的电流值和设定的电流限值以字符形式输出至液晶屏。