电气工程及其自动化毕业论文优秀

 毕业设计(论 文)

 GRADUATE DESIGN (THESIS)

基于STCC52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

1. 绪 论    1

无线抄表系统研究的意义    1

无线抄表系统的现状    1

2.设计方案的确定    3

设计功能要求    3

 系统的基本方案    3

3.硬件系统    5

总电源方案概况    5

总电源方案设计    5

 采样电路模块    5

采样电路模块概况    5

采样电路模块方案设计    6

收发模块    9

 CPU模块    10

 C52主要功能    11

管脚说明    12

 振荡器特性    14

 芯片擦除    15

 显示模块    15

4.硬件电路板制作与调试    17

 电路版设计的先期工作    17

利用原理图设计工具绘制原理图    17

手工更改网络表    17

 设置PCB环境    18

 布置零件封装的位置    19

 元器件的锁定    19

布线规则设置    20

安全间距(Routing标签的Clearance Constraint)    20

走线层面和方向（Routing标签的Routing Layers）    20

过孔形状（Routing标签的Routing Via Style）    21

走线线宽（Routing标签的Width Constraint）    21

敷铜连接形状的设置（Manufacturing标签的Polygon Connect Style）    21

 手动布线和布完调整    21

 手动布线    22

对所有焊盘补泪滴    22

 放置覆铜区    22

 打印PCB电路板    23

制作电路板    23

5.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C52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, CS5460

1. 绪 论

无线抄表系统研究的意义

随着经济改革的深入，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。

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

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：；

（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）停电不丢失电能数据；

 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STCC52，STCC52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

总电源模块

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。

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常工作。

 采样电路模块

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。

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=110k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125Ω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（可进行°至+°的相位补偿，步进°），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：

 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4．096 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

RESET      复位输出端

VCC        电源端

VSS       接地端

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，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：

 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。

目前较为常用的51系列单片机主要有2051，C52及S51。

下面为它们之间的特点和区别：

STCC52

 C52主要功能

STCC52主要功能

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。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ATC51的一些特殊功能口，

管脚 备选功能

 RXD（串行输入口）

 TXD（串行输出口）

 /INT0（外部中断0）

 /INT1（外部中断1）

 T0（记时器0外部输入）

 T1（记时器1外部输入）

 /WR（外部数据存储器写选通）

 /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/EA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。

 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。

 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，C52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。

 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~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。

 电路版设计的先期工作

 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。

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。

 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。

 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~8mm 的外径和~ 内径的焊盘对于标准板可从其它板或PCB izard 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。

 布置零件封装的位置 

Protel99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。 

     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。

 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。

布线规则设置

布线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:

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，较空的板子可设为，较密的贴片板子可设为，极少数印板加工厂家的生产能力在，  以下是绝对禁止的。对于手工作板可以尽量增大其参数！

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。

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。

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，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 宽度，对于手工制板，可以增大宽度。

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 4 根导线45 或90 度。

 手动布线和布完调整

 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。

手动改进

需加粗的地线、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。

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。

 放置覆铜区

将设计规则里的安全间距暂时改为 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。

 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）

制作电路板 

将铜板洗净，擦干，将打印好的油酸纸正面铺盖在铜板上，经过高温压板机的压制，把油酸纸上的黑色炭粉压在铜板上，最后水泡，将多余的纸除去，再放入三氯化铁溶液中，将铜板上没有被黑色炭粉敷盖的铜置换出来，水洗，擦干，之后钻孔打洞，经过清洗将最后保留的炭粉用砂布擦去，最后成型所需的电路板，在铜线的地方涂上一层洒精松香溶液，作用是防止铜表面氧化用及较易焊上元器件。再把所有准备好的元器件准确无误的安插在电路板上，最后用电烙铁焊牢。这样一块完整的电路板就做好了。所做的SCH文件，PCB文件图样见附图。

5.结束语

本文在大量检索并阅读有关参考文献的基础上，经过理论课和专业课的学习，毕业时将课本所学知识与实践相结合的一次尝试。整个设计本着对实际问题探索研究的态度进行的，该课题的拟订得益于指导老师马大中老师对我的精心指导，在设计期间同时查阅了成功例子和论文及资料，得到很多启示。我深知要将其应用于现在生活还要通过多次的试验逐步完美。通过这次设计，将我所学知识进行了一次大串联，不但巩固了我的知识，也加强了我的动手能力。本论文是在马大中老师直接指导下完成的，在论文的选题及其设计思路上马老师多次给予我指导，马老师在百忙中挤出时间，常常对我在设计过程中，提出了许多珍贵的修改意见。在本次毕业设计过程中，能得到马老师的指导使我感到非常的荣幸，马老师严谨的治学作风、高尚的学术品质、热情的待人态度给我留下了深刻的影响，在最后完成论文之际，在此向马大中老师表示衷心的感谢。

参考文献

[1]  何立民，编《单片机应用技术选编8》，北京航空航天大学出版社出版。

[2]　赵晶，《电路设计于制版PROTEL高级应用》，人民邮电出版社 ，2000年。

[3]　彭鸿才，《电机原理及拖动》。机械工业出版社，2004 17-23。

[4]　常健生，石要武。《检测与转换技术》，机械工业出版社，2005 187-193。

[5]　李华，《MCS-51 系列单片机实用接口技术》，北京：北京航天航空大学出版社，1993。

[6] 陈润泰，许琨，《检测技术与智能仪表》。[M].长沙：中南工业大学出版社。

[7]  张毅坤，陈善久，裘雪红《单片微型计算机原理及应用》，西安：西安电子科技大学出版社，2003125-143。

[8]  陈伟人， 《单片微型计算机原理及其应用》． 清华大学出版社。

[9]  周德泽，袁南儿，应英，《计算机智能检测控制系统的设计及应用》。[M].北京；清华大学出版社，2002 1-22。

[10] 钱寿宇,《微机通信技术》，电子科技大学出版社。

附录一　电路各原理图

附录二　电路PCB图