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传感器作品

综合设计报告

作品名称:

宿舍用电安全监控系统之硬件设计

学    校:

西南林业大学

学院()

计算机与信息学院

专业班级:

电子科学与技术14

学生姓名:

李字华 贾明军

指导教师

徐全元

完成时间:

20161223


作品综合设计报告

1.开发背景

随着越来越多各种用电设备的广泛使用,用电安全问题日益突出,本宿舍用电安全监控系统的设计不仅可以使得用电变得更加安全可靠,能够有效保证人身及财产安全。同时能够极大提高学校管理学生宿舍用电的效率。

2.设计目标

我们设计此宿舍安全用电系统之软件设计,对学生宿舍实时功率、电流、电压进行监测显示;对宿舍发出用电超载、使用高功率电器报警和断电两种级别控制;具有RS485远程通讯程序抄表控制功能。

3. 总体设计方案

本作品由6个部分组成:中央控制模块、电压电流采集模块、电源模块、继电器控制模块、串口通讯模块、液晶显示模块。采集模块将采集到的电气信息做基本处理后送中央控制模块进行统一处理分析,根据程序预设功能控制相应继电器动作,同时将实时信息显示,并且将数据通过串口上传PC机以做进一步处理。

3.1 总体框图

 

3.2 中央控制模块

包含一个STC90C516RD+主控芯片、以CH340G为主的USB转TTL下载部分、晶振+电容震荡电路、RC复位电路。

 


3.3 电压电流采集模块

包含CS5460A功率计芯片、电压采集电路、ZMCT102电流互感器、电流采集电路、FM25L04 4K存储器。

 


3.4 继电器控制模块

包括3个继电器部分,每部分由一个SRD-05VDC 继电器+一个二极管+一个PNP三极管+一个2P接线端子。结构如下图所示:

 


3.5 液晶显示模块

包含一块LCD12864液晶显示屏和1个可调电阻用来调整背光亮度,结构图如下


3.6 串口通讯模块

SP3485及其辅助元器件组成

 

4.硬件设计

硬件结构上采用了独立的模块的设计,使用排针排母座连接,方便调试,方便更换和维护;硬件组装结构采用层次式设计,一目了然,操作方便

 

 

 

 

 

4.1 MCU端口设计

端口

名称

设备

说明

P0.0

DB0

LCD12864

显示屏数据口1

P0.1

DB1

 Ed>

显示屏数据口2

P0.2

DB2

LCD12864

显示屏数据口3

P0.3

DB3

LCD12864

显示屏数据口4

P0.4

DB4

LCD12864

显示屏数据口5

P0.5

DB5

LCD12864

显示屏数据口6

P0.6

DB6

LCD12864

显示屏数据口7

P0.7

DB7

LCD12864

显示屏数据口8

P1.0

Key1

按键

按键1

P1.1

Key2

按键

按键2

P1.2

Key3

按键

按键3

P1.3



NC

P1.4



NC

P1.5



NC

P1.6



NC

P1.7



NC

 

P2.0

-CS

CS5460A

片选

P2.1

-REST

CS5460A

复位

P2.2

SDI

CS5460A

输入

P2.3

SCLK

CS5460A

时钟

P2.4

SDO

CS5460A

输出

P2.5

EN

LCD12864

使能

P2.6

R/W

LCD12864

读写

P2.7

RS

LCD12864


P3.0

RXD

RS485/CH340G

串口数据接收

P3.1

TXD

RS485/CH340G

串口数据发送

P3.2

INT0



P3.3

INT1



P3.4

T0



P3.5

T1



P3.6

WR



P3.7

RD



P4.0




P4.1




P4.2

INT3



P4.3

INT2



P4.4




P4.5




P4.6




P4.7




 

4.3 CS5460A综述

CS5460A 是具有有功功率计算引擎的CMOS 单片功率测量芯片,它包含了两个增益可编程放大器、两个ΔΣ 调制器、两个高速滤波器,具有系统校准和有效值/功率计算功能,以提供瞬时电压/电流/功率数据采样及有功能量、IRMS VRMS的周期计算结果。为适应低价测量应用,CS5460A也能在给定引脚上输出脉冲串,输出的脉冲数与有功能量寄存器的数值成正比。   

CS5460A专为功率测量进行了优化, 它适合与分流器或电流互感器相连来测量电流;与分压电阻或电压互感器相连来测量电压。为适应不同电平的输入电压,电流通道集成有一个增益可编程放大器(PGA  ),使输入电平满量程可选择为±250mVRMS 或±50mVRMS 。电压通道的PGA可适应±250mV 的输入电压范围。 对于VA+VA-两端接单+5V电源的情况, 两个通道的差模输入引脚间所加的共模+信号电压为-0.25V到+5V。另外,设计时可以在某一个通道或两个通道实现双端差模输入,此时输入信号的共电压加在AGND上。 CS5460A 每通道都有一个高速数字滤波器,将两个ΔΣ调制器的输出衰减10倍并积分。滤波器以(MCLK/K /1024的字输出速率(OWR )输出24位数据。 为了方便与外部微控制器通讯,CS5460A 集成有一个简单的三线串行接口,该串口与SPI? 和Microwire? 标准兼容。串口的串行时钟(SCLK)和RESET 引脚内包含一个施密特触发器,允许使用上升速度较慢的信号。

 

 


4.3 CS5460A寄存器读/写命令及读写时序

 

 

 

 

4.4系统基本单元电路设计





(1)STC90C516RD+主控


 

 

 

   

(2)  USBTTL串口电路

 

(3) 继电器电路

 

(3) 电压电流采集电路

 

 

(4) LCD12864液晶显示电路

 

 

(5) 2RS458口电路

 

(6) 按键模块电路

 

 

(7) 5V3.3V稳压直流电源模块电路

电源模块原理图,如下图所示:

 

 

 

4.5 ZMCT102电流互感器模块

 




5. PCB制版图



 







 

 


5. 功能测试














 


 

6.特色与创新

6.1 先进性

1)采用功耗低,速度快,内存大的STC90C516RD+

2)软件采用模块化的结构,硬件可以灵活组装还可以根据需要灵活裁剪;

3)外部数据采集接口统一使用05伏的统一的电压接口,利用软件进行数据的转换,适应单相电场合,满足各种使用要求;

(4) 外部设备有线通信统一使用RS485接口,统一使用485通信协议,方便了与各种PC的连接;

(5) 硬件结构上采用了独立的模块的设计,方便了功能订制,方便调试,方便更换和维护;

(6) 硬件组装结构采用层次性设计,一目了然,操作方便

7.2 实用性

1) 由于采用模块化的设计,方便调试,方便更换和维护

2)  本机采用有线方式的传输方式,可以防止测量环境电磁波干扰

3)  本机可采用USB、直流和交流供电方式,便于携带和移动;

4) 本机的电路和程序都采用高可靠性的设计方案,可以在室内环境可靠工作。


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