家用智能插座設(shè)計

1、引言正所謂科技改變生活，隨著科技的進步和生活水平的提高，人們生活當中對智能化技術(shù)的需求也更加普遍；因為城市化的進步，人們的生活也更加節(jié)奏化，對于家居生活用電設(shè)備，未來更是向解放人類的時間方向去發(fā)展，包括對節(jié)能省電，對用電安全，對自動管理用電設(shè)備等的需求也日益凸顯；在日常生活中，我們發(fā)現(xiàn)有這樣一些情況：單一插頭的用電器控制其能耗有些麻煩，如人離開房間卻忘記關(guān)掉電腦電視，像這樣導(dǎo)致其長時間工作耗電，浪費能源，損傷機器；有些情況人無法及時關(guān)閉電源導(dǎo)致浪費，如電瓶車充電、自動溫控飲水機等。能源危機迫使人類設(shè)計更節(jié)能的用電設(shè)備，科技工作者開發(fā)出各種更加先進，更加節(jié)能的用電設(shè)備和電源插座。目前市場上已經(jīng)出

2、現(xiàn)多種有節(jié)能功能的插座，從各種途徑來減少各種電器的待機功耗。但是社會是進步的，人們的需求也是進步的，所以多功能的智能型插座的發(fā)展還有很長的路。1 展開課題研究的背景分析 1.1 智能插座的現(xiàn)狀與發(fā)展因為現(xiàn)代人的生活相對于過去更加的忙碌或者更加的多樣化，所以更加需要更好地管理自己的做事時間，不必把時間花在一些瑣碎的事情上面。好比如對于用電設(shè)備的管理，傳統(tǒng)插座因為功能簡單，有時滿足不了人們需要。比如上班族想在下班回家之后就有煮熟的飯菜在等著自己回來；還有像如今比較多使用的電動車，電車充電一般是8個小時左右，充電時間過長則會對蓄電池有損耗，充電時間不足則電池充不滿；一般是白天使用晚上充電，但是如果總

3、是為了能夠較好的管理充電時間而讓人費時費力晚上從家里去車庫給電車充電，那是很麻煩的，而且有時也會忘記做這件事，導(dǎo)致第二天電車無電可用?；蛘呤羌抑须娖饕蛉穗x開而長時間開著也是浪費電，而沒有人注意去關(guān)掉?；谶@一思想我們提出了本課題，家用智能插座設(shè)計。首先考慮采要能實現(xiàn)插座的定時開關(guān)功能（什么時間自動接通通電，多長時間之后斷開），第二可以監(jiān)控用電設(shè)備的功率和測量用電情況，第三還可以監(jiān)控插座上面用電設(shè)備的狀態(tài)，當某個設(shè)備短路時超過功率設(shè)定上限值則會自動切斷電路而不至于影響其他設(shè)備，當電腦或其他設(shè)備長時間處于待機狀態(tài)無人使用時則自動切斷電路達到節(jié)約電能的目的。智能插座適用于所有的家居電器如手機，電腦，

4、電飯煲，電車等。因此研究智能插座具有很大的實用意義。隨著科技水平的提高，電子器件的制造工藝的提高和價格的走低，使單片機這樣具有高集成度、體積小、可靠性高，控制功能強、低電壓，低功耗等特點的低價微機芯片得到了普及，被廣大群眾所接受，運用到各類電子產(chǎn)品當中。所以本次制作的智能插座就以微機控制系統(tǒng)為控制核心，其具有下列特點：具有定時功能。如今城市化的生活使得人們的生活方式逐漸發(fā)生了改變，人們在外面呆的時間更多，社交活動更多，所以對于做事的效率就更加需要注重，比如對于家中電器的管理等。如我們需要給電瓶車充電，我們現(xiàn)在用智能插座可以定時管理，讓插座在自己設(shè)定的時間自動充電，設(shè)定的時間自動斷開，而不必讓人

5、再跑去車庫操作。有功率測量和電能計量功能。功率測量就是讓用戶能更直觀的看到當前用電設(shè)備的功率，而電能測量則可以清楚用電設(shè)備在使用過程中消耗的電能，好比如我們?yōu)殡娷嚦潆?，充電一晚上之后到底耗了多少?花了多少電費，智能插座都可以給你記錄，配合定時管理功能可以達到節(jié)約電能作用。具有過高過低功耗時自動切斷供電的功能。當用電設(shè)備老化或其它原因發(fā)生短路時有可能會危及人生安全，這時可以通過智能插座設(shè)定功率上限，發(fā)生意外則可以自動切斷電路。具有顯示屏和按鍵輸入功能。精確顯示時間，顯示用電設(shè)備功率和消耗的電能等，按鍵則可以讓人們可以自己設(shè)定需要的數(shù)值，有按鍵有顯示才算是一個基本的用戶交互產(chǎn)品。制作簡單，成本低

6、。采用微機控制系統(tǒng)，成本低，體積小，不需要專人指導(dǎo)，用戶可自行安裝使用。1.2 智能插座的開發(fā)意義采用單片機技術(shù)，實現(xiàn)微機控制智能插座，目前市場上同類產(chǎn)品比較少，本設(shè)計針對用戶日常需求來設(shè)計功能，算是頗有針對性。同時因為采用微機控制技術(shù)，成本低，體積小，安裝簡便。具有定時設(shè)定功能能，用電設(shè)備功率和用電量測量，設(shè)定功率上下限以保護線路自動切斷，液晶顯示和用戶按鍵輸入等功能。相信如此功能豐富，價格合理，體積小巧的智能插座會在市場上受到歡迎。2 方案論證與選定2.1 方案一基于單片機的智能插座系統(tǒng)設(shè)計。因為單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU和隨機

7、存儲器 （RAM）、只讀存儲器（ROM）、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能、（可能還包括顯示驅(qū)動電路、和脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等其他電路）集成到一塊硅片上而構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。其特點是：合適實時控制和操作任務(wù)、可預(yù)測的執(zhí)行周期、擅長中斷處理，外部異步事件處理能力強、I/O口控制功能豐富等。因為單片機I/O口控制功能豐富，設(shè)計單片機系統(tǒng)很大程度上都可以采用模塊化開發(fā)的方式來進行，本課題為智能插座，可以以單片機為主控系統(tǒng)，附加復(fù)位電路模塊，顯示電路模塊，按鍵模塊，再加上插座線路開關(guān)模塊，電流、電壓檢測模塊，以及系統(tǒng)電源模塊即可；外圍電路簡單，結(jié)構(gòu)緊湊。再

8、采用C語言進行編程，能夠更高效率的完成系統(tǒng)設(shè)計。2.2 方案二基于PLC的智能插座系統(tǒng)設(shè)計。PLC是英文Programmable Logic Controller的簡稱,翻譯過來就是可編程邏輯控制器。PLC是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制。它采用可以編制程序的存儲器,用來存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等一系列操作的指令，而且還能以數(shù)字或模擬的方式輸入和輸出，控制各類的機械或生產(chǎn)過程。其特點是：第一、系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴展容易，以開關(guān)量控制為其特長；也能進行連續(xù)過程的PID回路控制；并能與上位機構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如DDC和DCS等，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的綜合自動化。第二、

9、使用方便，編程簡單，采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而無需計算機知識，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)試容易。另外，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動硬件。第三、能適應(yīng)各種惡劣的運行環(huán)境，抗干擾能力強，可靠性強，遠高于其他各種機型。對于本課題來說，如采用PLC進行系統(tǒng)設(shè)計，可以做到計時功能，并做到定時管理線路通斷，外接模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進行電壓電流信號的采樣、并將時鐘信息等系統(tǒng)信息通過數(shù)碼管顯示出來，并設(shè)置按鍵供用戶使用。2.3 方案選定對于單片機與PLC可以這樣來看待，PLC是基于單片機來開發(fā)的，但不是單片機的升級，而是提升了單片機輸入輸出口的驅(qū)動能力，PLC更適用于工業(yè)控制和在更

10、惡劣的環(huán)境使用，但是功能拓展沒單片機豐富，應(yīng)用余地有限；另外因為PLC是制定容量生產(chǎn)的，而單片機是空白芯片進行編程，對于少的功能應(yīng)用來說PLC則比單片機更浪費資源。根據(jù)設(shè)計要求和功能需要，決定采用方案一進行智能插座系統(tǒng)設(shè)計，能做到功能更豐富的智能插座系統(tǒng)。本設(shè)計采用AT89S52作為單片機控制芯片；對于單片機控制系統(tǒng)部分，顯示器采用1602液晶模塊；按鍵設(shè)定一個復(fù)位按鍵和四個用戶輸入按鍵，分別接在P2.4口、P2.5口、P2.6口、P2.7口分別作為P4鍵、P5鍵、P6鍵、P7鍵，其具體功能后面有詳細說明；定時器部分采用外部時鐘芯片DS1302，能提供更準確的計時功能；繼電器部分為采用2N39

11、06驅(qū)動5V繼電器開關(guān)；電能測量部分包含電流采樣和電壓采樣，電流采樣采用電流互感器AT17-03檢測用電設(shè)備電流經(jīng)電路轉(zhuǎn)換為電壓信號并用12位AD芯片MAX187進行采樣，電壓信號則采用電阻分壓的方式來將高電壓降為低電壓進行采集；通過公式運算P=U*I就可測量功率，用電量W=P*t，即用電設(shè)備功率乘以使用時間；電源部分采用變壓器先將220V降為12V，再用三端穩(wěn)壓芯片LM7805穩(wěn)壓為5V供給單片機系統(tǒng)使用，另外的插座部分電源依然為220V。整體要求就是布局緊湊合理，使其體積小巧易于安裝，方便使用。3 智能插座硬件設(shè)計3.1 單片機簡介本課題將采用單片機作為主控方案，主要也還是因為本身的特性更

12、適合微型控制系統(tǒng)的開發(fā)。單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU和隨機存儲器 （RAM）、只讀存儲器（ROM）、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能、（可能還包括顯示驅(qū)動電路、和脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等其他電路）集成到一塊硅片上而構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。單片機經(jīng)過1.2.3代的發(fā)展，正朝著多功能、高性能、低電壓、低功耗、低成本、大存儲容量、多功能I/O口以及結(jié)構(gòu)兼容性方向發(fā)展，當前比較成熟的特點及未來發(fā)展趨勢大概如下：（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，實現(xiàn)模塊化單片機把運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設(shè)備等個部分模

13、塊都集成到了一塊芯片上，使用的時候可以設(shè)計一套模型最小系統(tǒng)，針對不同的外圍電路去開發(fā)不同的控制系統(tǒng)，憑借其豐富的I/O口功能實現(xiàn)模塊化應(yīng)用。（2）單片機可靠性高，可工作到106 107小時無故障 因為單片機發(fā)展到第三代采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)，等現(xiàn)代工藝，單片機工作可靠性能高，抗干擾性強，基本可以超時間穩(wěn)定工作，不會出現(xiàn)自身故障。（3）處理功能強，速度快 單片機有普遍的8位16位到32位機，芯片主頻也有幾兆赫到幾百兆赫不等，高速的處理主頻為快速處理數(shù)據(jù)提供有力的支持。為了提高執(zhí)行速度和執(zhí)行效率，單片機開始使用RISC、流水線和DSP的設(shè)計技術(shù)，是單片機的性能有了明顯的提高；表現(xiàn)為，單片機的時鐘

14、頻率得到提高，同樣頻率的單片機運行效率也有了很大的提升；集成的的提高，使得單片機的尋址能力，片內(nèi)ROM和RAM的容量都突破了以往的數(shù)量和限制。由于系統(tǒng)復(fù)雜度和系統(tǒng)資源的增加，已經(jīng)逐漸使用高級語言（C語言）來開發(fā)單片機的程序。使用高級語言可以降低開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，提高程序的可讀性和移植性，便于改進和擴充功能。（4）低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品 單片機的嵌入式應(yīng)用決定了其對低電壓和低功耗的需要。由于CMOS等工藝的大量采用，使很多單片機可以在更低的電壓下工作（1.2V或0.9V），功耗以控制降低到uA級。這些特性可以使單片機系統(tǒng)在更小的電源系統(tǒng)下更長時間的工作。(5)控制功能強各類的單

15、片機都會有幾十個I/O可供用戶使用，I/O可接各類外設(shè)應(yīng)用進行拓展，從而實現(xiàn)各種功能的單片機系統(tǒng)，可通過I/O增加用戶按鍵，以達到設(shè)置系統(tǒng)功能；增加顯示器，以便實現(xiàn)系統(tǒng)信息的可視化；增加各類傳感器以便采集數(shù)據(jù)等等，說明單片機的I/O口控制功能是很強大的。（6）價格低單片機應(yīng)用廣泛，使用數(shù)量大，帶來的好處是使成本更低。目前世界各大單片機生產(chǎn)商為了爭奪市場，提高競爭力，在提高單片機性能的同時，也十分注重降低單片機的價格。（7）下面是單片機的一些應(yīng)用主要應(yīng)用領(lǐng)域及其特點：在智能儀表上的應(yīng)用 單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的

16、傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、長度、厚度、角度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，而且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大。在家用電器中的應(yīng)用 可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯煲、洗衣機、電冰箱、彩電、空調(diào)、其他音響視頻器材、再到電子稱量設(shè)備，五花八門，無所不在。在工業(yè)控制中的應(yīng)用 用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制與各種報警系統(tǒng)，計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用 現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與

17、計算機進行數(shù)據(jù)通信，為計算機網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備進行應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件；現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制，從手機，電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機等。單片機在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 單片機在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。在各種大型電器中的模塊化應(yīng)用 某些專用單片機設(shè)計用于實現(xiàn)特定功能，從而在各種電路中進行模塊化應(yīng)用，而不要求使用人員了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。例如音樂集成單片機，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機的原理），就需要相當

18、復(fù)雜的類似于計算機的原理。如：音樂信號以數(shù)字的形式存于存儲器當中（類似于ROM），由微控制器讀出，轉(zhuǎn)化為模擬音樂電信號（類似于聲卡）。 在大型電路中，這種模塊化的應(yīng)用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便于更換。單片機在汽車設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 單片機在汽車電子中的應(yīng)用也非常廣泛，例如汽車中的發(fā)動機控制器，基于CAN總線的汽車發(fā)動機智能電子控制器，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，ABS防抱死系統(tǒng)，和制動系統(tǒng)等等。 此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。首先，出于成本考慮，可優(yōu)先選擇國產(chǎn)單片機。目前，我國生產(chǎn)的單片機有很多型號，在此，我們將采用型號為AT89

19、S52的單片機。3.2 單片機的選擇及性能介紹AT89S52 具有以下標準功能：8k 字節(jié)Flash，256 字節(jié)RAM ，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6 向量2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM 、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護方式下，RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 （1）AT89S52引腳及相關(guān)功能介紹VCC：電源引腳。GND：地。P0

20、 口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。當對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。 當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口。在這種模式下， P0不具有內(nèi)部上拉電阻。 在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)；程序校驗時，需要外部上拉電阻。P1 口：P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個 TTL 邏輯電平。對P1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（I

21、IL）。 此外，P1.0和P1.1分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時器/計數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）。 在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。 引腳號第二功能： P1.0 T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 P1.1 T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制） P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用） P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用） P1.7 SCK（在系統(tǒng)編程用）P2 口：P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。當對P2端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端

22、口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX DPTR）時，P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器中的內(nèi)容。 在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。P3口：P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P3 輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。當對P3端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使

23、用時，那些被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。 端口引腳 第二功能： P3.0 RXD(串行輸入口) P3.1 TXD(串行輸出口) P3.2 INTO(外中斷0) P3.3 INT1(外中斷1) P3.4 TO(定時/計數(shù)器0) P3.5 T1(定時/計數(shù)器1) P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通) 此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗的控制信號。 RST：復(fù)位輸入口。當振蕩器工作時，RST引腳

24、出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。 ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖被用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時作用。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位進行置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無

25、效。 PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89S52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。 EA/VPP：外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平狀態(tài)（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。FLASH存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。 X

26、TAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。3.3 單片機硬件系統(tǒng)設(shè)計圖3-1 硬件系統(tǒng)框圖本設(shè)計采用AT89S52為控制芯片；同時選用DS1302作為時鐘芯片，在外部提供穩(wěn)定精確的計時信息；電流采樣部分是采用TA17-03電流互感器來檢測用電設(shè)備的實時電流，通過MAX187進行數(shù)據(jù)采樣，并通過軟件編程算出功率以及消耗的電能；電源采用220V直供插座使用，另外一路再通過變壓器降壓至12V并用LM7805穩(wěn)壓至5V供單片機使用；繼電器開關(guān)部分采用2N3906驅(qū)動5V繼電器進行使用；顯示模塊采用1602可以顯示更多的信息，提高人機交互效果；再加上按

27、鍵模塊，復(fù)位電路，晶振電路等即構(gòu)成了智能插座硬件系統(tǒng)。并協(xié)作軟件編程來實現(xiàn)課題所要求的功能。3.3.1 單片機復(fù)位電路設(shè)計單片機與其他微處理器一樣，啟動時都需要復(fù)位，使CPU及其系統(tǒng)各部件重新置回初始化狀態(tài)，并從初始化狀態(tài)開始工作。89系列單片機的復(fù)位信號是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)部。當系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)時，并且振蕩器穩(wěn)定后，如RST引腳上有一個高電平并維持兩個時鐘周期及以上（由于一個周期包含6個狀態(tài)，每個狀態(tài)就是2個周期，也就是包含了24個周期），則CPU可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。只要這個管腳一直保持高電平，則單片機就循環(huán)復(fù)位，P1-P3口均置1，管腳表現(xiàn)為高電平，程序計數(shù)器和特殊功能寄存器S

28、FR均清零，當復(fù)位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，芯片為ROM的00H處開始運行程序。 假如使用12MHz的晶振，則復(fù)位時間大約是12 S。復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提高復(fù)位信號，直到系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。為保障起見，直到電源穩(wěn)定一定延時后再撤銷復(fù)位信號，以防電源插頭或電源開關(guān)分和過程中引起的抖動而影響復(fù)位。如圖3-2所示的復(fù)位電路即可實現(xiàn)上述的復(fù)位功能，AT89S52單片機復(fù)位信號高電平有效。圖3-2 復(fù)位電路3.3.2 單片機晶振電路設(shè)計AT89S52中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的反向放大器，XTAL1引腳和XTAL2引腳分別是該放大器的輸入和輸出端。這個放大器與片外反饋元件石英晶體或

29、陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。外接石英晶振或陶瓷諧振器及電容C2、C3接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對于外接電容C2、C3雖然沒有嚴格要求，但電容容量的大小會稍微影響振蕩頻率的高低，振蕩器工作的穩(wěn)定性，起振難易程度及工作溫度的穩(wěn)定性。所以在選擇此系統(tǒng)的晶體振蕩器的值為12MHZ時，電容盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為30pf。在焊接電路元件時，晶體振蕩器和電容盡可能安裝得與單片機芯片相靠近，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠的工作。如圖3-3為單片機晶振電路圖。 圖3-3 晶振電路3.3.3 用戶按鍵設(shè)計因為在本課題中設(shè)置的按鍵數(shù)目不多所以直接采用獨立按鍵方式來設(shè)計。其工作原

30、理是，用I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路，每個獨立按鍵單獨占有一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他I/O口線的工作狀態(tài)，就是說每個按鍵對應(yīng)著一個端口輸入每一個按鍵都有一個按鍵電路來判斷。當按下一個鍵時無論其他鍵是否按下，信號線由1變?yōu)?；單松開此鍵時，無論其他鍵是否被按下，信號線由0變?yōu)?。在此我設(shè)置了4個功能按鍵，P2.4、P2.5、P2.6、P2.7，比如在默認顯示界面下分別作為“選擇菜單鍵”、“選擇菜單子項鍵”、“加數(shù)設(shè)定鍵”、“強制接通電路鍵”，為了簡便下面就簡稱為P4、P5、P6、P7。當從默認狀態(tài)按P4鍵首先進入時間日期設(shè)置界面，此項功能是設(shè)置時間日期信息，在這項

31、菜單中P5為加數(shù)設(shè)置，P6為減數(shù)設(shè)置，P7為確認退出鍵。繼續(xù)按P4鍵進入功率上下限設(shè)定菜單，此項功能是設(shè)定用電設(shè)備的功率范圍，超出上限和低于下限值都會自動切斷插座電源，此時P5鍵為切換個、十、百、千位的切換鍵，P6則為加數(shù)設(shè)置鍵，P7不設(shè)功能。繼續(xù)P4鍵則進入定時管理菜單界面，此項功能是設(shè)定具體時間讓繼電器自動切斷或接通插座電源，在此項菜單中P5是切換時、分、秒子項和切換ON,OFF狀態(tài)的按鍵，P6為加數(shù)設(shè)置鍵，P7為減數(shù)設(shè)置鍵。繼續(xù)按P4則退出設(shè)置界面。在正常使用狀態(tài)下，若因插座超出功率上下限或者因為定時設(shè)置導(dǎo)致繼電器切斷插座電源時，按住P7鍵可以強制接通插座電源，一則可以檢驗智能插座是否已

32、損壞，也可檢測是否是用電設(shè)備損壞。上述即為用戶按鍵使用說明，電路圖如圖3-4所示。圖3-4按鍵電路3.3.4 顯示電路設(shè)計本課題中，智能插座系統(tǒng)的顯示模塊采用了1602液晶模塊，1602液晶也叫1602字符型液晶它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊它有若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。管腳功能1602采用標準的16腳接口，其中： 第1腳：VSS為電源地 第2腳：VDD接5V電源正極 第3腳：VEE為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會 產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比

33、度）。 第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。 第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作。 第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端。 第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。 第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負極。在本設(shè)計中，液晶模塊的第7-14腳數(shù)據(jù)口接在單片機P0口以供傳輸數(shù)據(jù)使用，寄存器選擇RS腳、讀寫信號線RW腳及使能端EN腳分別接在單片機的P1.0、P1.1、P1.2 上；在液晶對比度調(diào)整端VEE腳上外接一個10K精調(diào)電位器，以供調(diào)節(jié)液晶對比度；液晶電源及背光電源均供5V電源使用

34、。在本設(shè)計中，液晶顯示的設(shè)計是，默認使用界面時，首頁顯示的是年、月、日和時、分、秒的信息,還有當前使用電器的功率，以及通過智能插座所消耗的電能。當進入設(shè)置界面，第一頁依然是默認界面，翻到第二頁則為最高和最低功率界限設(shè)置界面，再到下一頁則為定時切斷和接通插座電源的設(shè)置界面，顯示有設(shè)定的時間信息和ON或OFF狀態(tài)信息，繼續(xù)調(diào)整設(shè)置按鍵P4則回到默認界面。如圖3-5所示即為液晶模塊電路。 圖3-5 液晶模塊電路3.4 繼電器開關(guān)電路設(shè)計繼電器也是一種電門，但與一般開關(guān)不同，繼電器并不是以一般的開關(guān)方式控制，而是以一種電磁力來控制切換方向的電門。當線圈上電后，會使中間的軟鐵核心產(chǎn)生磁性，即電磁力，將橫

35、向的擺臂吸下，而臂的右側(cè)則迫使電門接觸點相接，使接點形成通路。繼電器是一種電控制器件。它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動關(guān)系。通常應(yīng)用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。單片機作為一種弱電器件，一般情況下它們都工作在5V甚至更低的電壓。驅(qū)動電流在mA級以下。而要想把它直接運用到大功率場合顯然是不行的。所以就要有一個環(huán)節(jié)來銜接，這個環(huán)節(jié)就是所謂的“功率驅(qū)動”，繼電器驅(qū)動就是一個典型的，簡單的功率驅(qū)動環(huán)節(jié)。在此，繼電器驅(qū)動有兩方面的內(nèi)容：一是對繼電器進行驅(qū)動，因為繼電器本身對

36、于單片機來說就是一個功率器件；還有就是繼電器去驅(qū)動其他負載，比如繼電器可以驅(qū)動中間繼電器，可以直接驅(qū)動接觸器。所以說，繼電器就是單片機和其他大功率器件的負載接口。首先，在里面重要的器件是三極管，而且三極管是電子電路里很重要的一個元件。簡單來說三極管有兩個作用，一個是放大作用，一個是開關(guān)作用。（嚴格上來說三極管的開關(guān)作用是放大作用的極限情況，不過沒關(guān)系，把兩者分開能更好地理解它的工作原理）。在此，我們僅去了解和本電路相關(guān)的開關(guān)作用。圖 3-6 繼電器開關(guān)電路對于此部分的繼電器電路，首先，起重要作用的是三極管，正如上面所說的，三極管有兩個作用。一個是放大作用，一個是開關(guān)作用；在此我們就針對本電路來

37、說。首先把三極管想象成一個水龍頭，上面的+5V就是水池，繼電器就是水輪機，GND就是比水池低的任何一地方。正如剛剛所說，三極管是水龍頭則它的把手就是那個帶有電阻的引腳?，F(xiàn)在，單片機的某一個需要控制繼電器電路的輸出引腳就是一只“手”，當單片機的引腳輸出低電平的時候就“手”去打開了三極管這個水龍頭，水就從上往下流，繼電器這個“水輪機”就開始轉(zhuǎn)起來了。反之，如果是輸出高電平，“手”就開始關(guān)“水龍頭”，繼電器“水輪機”就因為沒有水流而停止轉(zhuǎn)動。這就是三極管的開關(guān)作用。簡單的理解就是，三極管是一個開關(guān)器件，我們可以把它當做一個開關(guān)去用，在電路中就是用電壓（電流）去控制它的開關(guān)狀態(tài)。因此，有時候三極管也被

38、稱為電子開關(guān)。電路中繼電器線圈兩端還加了一個二極管，其作用是起到吸收反向電動勢的作用,保護相應(yīng)的驅(qū)動三極管，只要使用三極管驅(qū)動繼電器的場合都有它的存在。需要注意的是它的接法：并聯(lián)在繼電器兩端，陰極一定是Vcc。這里繼電器由相應(yīng)的2N3906三極管來驅(qū)動，開機啟動時，單片機初始化后的P3.2口為低電平，+5V電源通過電阻使三極管導(dǎo)通，所以開機后繼電器始終處于吸合狀態(tài)，如果單片機P3.2引腳狀態(tài)為SWICH=1高電平狀態(tài)，則三極管基極會被拉低到0V左右，使相應(yīng)的三極管截止，繼電器就會斷電釋放，每個繼電器都有一個常開轉(zhuǎn)常閉的接點便于在其他電路中使用。如圖3-6所示，P3.2為單片機的I/O口，R8為

39、與單片機I/O口相連接的限流電阻，GND為接地端，和+5V組成電源電路為繼電器的兩個斷點供電，二極管、三極管以及電阻構(gòu)成繼電器線圈的控制電路。當P3.2端口為高電平時三極管截止，繼電器線圈失電觸點分離，則智能插座的插座電路不通電；當P3.2端口為低電平時三極管導(dǎo)通，繼電器線圈得電觸點閉合，則智能插座的插座電路通電。根據(jù)電路需要和實際情況選擇，本次選擇了型號為RD-05VDC-SL-C的繼電器，基本參數(shù)為：一次線圈電壓為DC5V，密封型高敏度（0.36瓦），1c接點（單刀雙擲），開關(guān)容量10A。3.5 實時時鐘電路設(shè)計（1）時鐘芯片DS1302簡介實時時鐘電路DS1302是美國DALLAS公司推

40、出的具有涓細電流充電能力的低功耗實時時鐘電路。其主要特點是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。主要采用普通的32.768KHz晶振。（2）時鐘芯片DS1302的結(jié)構(gòu)及工作原理 DS1302是美國DALLAS公司推出的具有涓細電流充電能力的低功耗實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周、日、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償?shù)榷喾N功能。工作電壓為2.5V至5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。在DS1302內(nèi)部有一個31x8的可用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品

41、，與DS1202兼容，但增加了主電源/后備電源雙電源引腳，同時提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力。如圖3-7為DS1302的引腳排列,其中Vcc1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當Vcc2大于Vcc1+0.2V時，Vcc2給DS1302供電。當Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其

42、次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在Vcc2.0V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，后面有詳細說明。SCLK為時鐘輸入端。 圖3-7 DS1302引腳圖 （3）管腳描述：X1 X2 ： 32.768KHz 晶振管腳GND ：地RST ：復(fù)位腳I/O ；數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳SCLK ：串行時鐘Vcc1,Vcc2 ：電源供電管腳（4）與DS1302

43、相關(guān)的幾組寄存器：DS1302有12個寄存器，其中有7個寄存器（讀時81H-8DH,寫時80H-8CH）與日歷、時鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式,其日歷、時間寄存器及其控制字 如表3-1所示。其中一些補充說明：小時寄存器（85h、84h）的位7用于定義DS1302是運行于12小時模式還是24小時模式。當為高時，選擇12小時。低時為24小時模式。秒寄存器（81h、80h）的位7定義為時鐘暫停標志（CH）。當該為置為1時，時鐘振蕩器停止，DS1302處于低功耗狀態(tài)；當該為置為0時，時鐘開始運行?？刂萍拇嫫鳎?Fh、8Eh）的位7是寫保護位（WP），其它7位均置為0。在任何的對時鐘和RAM寫操作

44、之前，WP位必須置為0。當WP位為1時，寫保護位防止對任一寄存器的寫操作。表3-1 寄存器控制字（5）DS1302有關(guān)RAM的地址DS1302中附加31字節(jié)靜態(tài)RAM的地址如表3-2所示。表3-2 靜態(tài)RAM地址讀地址寫地址數(shù)據(jù)范圍C1hC0h00-FFhC3hC2h00-FFhC5hC4h00-FFh.FDhFCh00-FFh （6）DS1302的工作模式寄存器所謂突發(fā)模式是指一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號和RAM數(shù)據(jù)。突發(fā)模式寄存器如表3-3所示。表3-3 寄存器工作模式工作模式寄存器讀寄存器寫寄存器時鐘突發(fā)模式寄存器CLOCK BURSTBFhBEhRAM突發(fā)模式寄存器RAM BURSTFF

45、hFEh此外DS1302還有充電寄存器等。（7）讀寫時序說明DS1302是SPI總線驅(qū)動方式。它不僅要向寄存器寫入控制字，還需要讀取相應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)。要想與DS1302通信，首先要先了解DS1302的控制字。DS1302的控制字如表3-4所示。表3-4 DS1302控制字 控制字的最高有效位（位7）必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數(shù)據(jù)寫入到DS1302中。位6：如果為0，則表示存取日歷時鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù)；位5至位1（A4A0）：指示操作單元的地址；位0（最低有效位）：如為0，表示要進行寫操作，為1表示進行讀操作。控制字總是從最低位開始輸出。在控制字指令輸入后的下一個SCLK時鐘

46、的上升沿時，數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從最低位（0位）開始。同樣，在緊跟8位的控制字指令后的下一個SCLK脈沖的下降沿，讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出的數(shù)據(jù)也是從最低位到最高位。數(shù)據(jù)讀寫時序如圖3-8所示。單字節(jié)讀 單字節(jié)寫圖3-8 數(shù)據(jù)讀寫時序（8）電路原理圖電路原理圖如圖3-9所示，DS1302與單片機的連接也僅需要3條線：CE引腳、SCLK串行時鐘引腳、I/O串行數(shù)據(jù)引腳，Vcc2為備用電源，外接32.768kHz晶振，為芯片提供計時脈沖。在本設(shè)計中因為顯示模塊采用了1602液晶模塊，所以時鐘電路所產(chǎn)生的時間數(shù)據(jù)均可以完整的顯示在液晶模塊上，方便直觀。圖3-9 DS1302電路圖3.

47、6 電力測量電路設(shè)計本課題的主題是智能插座，其關(guān)鍵是能夠去檢測用電設(shè)備的功率，去計量用電設(shè)備所消耗的電能，然后再依據(jù)人性化的需求去設(shè)計。所以檢測功率或者計量電能是實現(xiàn)智能管理插座的前提。對于電力測量方面有幾種方案可選擇，分析如下。第一種是直接用CS5460專業(yè)電力測量芯片，這種方案精度高，功能強大，但是價格高，開發(fā)難度高。其基本資料及性能指標如下：CS5460是Cirrus Logic公司的單相功率/電能計量芯片，帶有串行接口。CS5460集成度很高，里面包含了兩個 ADC、高/低通數(shù)字濾波器、能量計算單元、串行接口和數(shù)字-頻率轉(zhuǎn)換器等。CS5460將它測得和計算出的結(jié)果分別保存在它的各個寄存

48、器中，而能量值則通過脈沖輸出給CPU，還可以驅(qū)動計度器。與目前在電子式電度表應(yīng)用中廣泛使用的 AD7750和AD7755相比較，CS5460增加了以下功能：具有片內(nèi)看門狗定時器（Watch Dog Timer）與內(nèi)部電源監(jiān)視器；具有瞬時電流、瞬時電壓、瞬時功率、電流有效值、電壓有效值、功率有效值測 量及電能計量功能；提供了外部復(fù)位引腳；雙向串行接口與內(nèi)部寄存器陣列可以方便地與微處理器相連接；外部時鐘最高頻率可達20MHz；具有功率方向輸出指示。這些增加的功能更加便于與微處理器（MPU）接口，并能方便地實現(xiàn)電壓、電流、功率的測量和用電量累積等功能。主要技術(shù)指標差分電壓輸入范圍：150mV；溫度系

49、數(shù)：60ppm/功率消耗：10mW；電能計量精度：在300動態(tài)范圍以上每秒讀取0.1;電壓測量精度：讀數(shù)的0.1;電流測量精度：讀數(shù)的0.1;瞬時功率測量精度：讀數(shù)的0.1。第二就是采用模擬電子技術(shù)的方法去測量電功率，這種方法，需要采集兩組數(shù)據(jù)，即電流和電壓數(shù)據(jù)，采集電流以電流互感器來檢測負載線路上的電流，并通過A/D芯片采樣；采集電壓則是采用電阻分壓的方式來將高電壓降為低電壓進行采集；再以單片機系統(tǒng)來處理數(shù)據(jù)，通過軟件算法來求出需要的電流，電壓，電功率，電量等數(shù)據(jù)。此方案此方案成本低開發(fā)難度小。在此，對于課題的考慮，為了在易于開發(fā)和實現(xiàn)的同時提高檢測精度，再綜合考慮成本等因素，決定采用第二種

50、方案。因為所測量的電壓對象為220V高壓，對于人體來說已經(jīng)屬于非安全電壓，所以采用模擬電子技術(shù)的方法去檢測時，也要考慮到安全因素。所以確定方案時決定采用以電流互感器檢測電路電流量，再通過A/D采樣傳送數(shù)據(jù)到單片機，經(jīng)過編程算法P=U*I來實現(xiàn)電功率的測量。電能計量則是電功率的時間累計值。 (1)電流采樣部分：電流采樣電路是采用電流互感器來檢測負載線路上的電流信號，并通過MAX187模塊芯片進行采樣，再傳送到單片機I/O口。具體電路如圖3-10所示。圖3-10 電流互感器及A/D采樣電路（2）電流互感器的選擇 互感器(instrument transformer)是按比例變換電壓或電流的設(shè)備。其

51、功能主要是將高電壓或大電流按比例變換成標準低電壓（100V）或標準小電流（5A或1A，均指額定值），以便實現(xiàn)測量儀表、保護設(shè)備及自動控制設(shè)備的標準化、小型化。同時互感器還可用來隔開高電壓系統(tǒng)，以保證人身和設(shè)備的安全。按比例變換電壓或電流的設(shè)備。工作原理在供電用電的線路中電流電壓大大小小相差懸殊從幾安到幾萬安圖3-11 互感器原理圖都有。為便于二次儀表的測量需要轉(zhuǎn)換為比較統(tǒng)一的電流，另外線路上的電壓都比較高如直接測量是非常危險的。電流互感器就起到變流和電氣隔離作用。顯示儀表大部分都是指針式的電流電壓表，所以電流互感器的二次電流大多數(shù)是安培級的（如5A等）。隨著時代發(fā)展，電量測量大多已經(jīng)達到數(shù)字化

52、，而計算機的采樣的信號一般為毫安級（0-5V、4-20mA等）。微型電流互感器二次電流為毫安級，主要起大互感器與采樣之間的橋梁作用。微型電流互感器稱之為“儀用電流互感器”。（“儀用電流互感器”有一層含義是在實驗室使用的多電流比精密電流互感器，一般是用于擴大儀表量程。） 電流互感器原理線路圖，微型電流互感器與變壓器類似也是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作，只不過變壓器變換的是電壓而微型電流互感器變換的是電流罷了。繞組N1接被測電流，稱為一次繞組（或原邊繞組、初級繞組）；繞組N2接測量儀表，稱為二次繞組（或副邊繞組、次級繞組）。 微型電流互感器一次繞組電流I1與二次繞組I2的電流比，叫實際電流比K。微型電流互

53、感器在額定工作電流下工作時的電流比叫電流互感器額定電流比，用Kn表示。Kn=I1n/I2n 結(jié)構(gòu)原理普通電流互感器結(jié)構(gòu)原理：電流互感器的結(jié)構(gòu)較為簡單，由相互絕緣的一次繞組、二次繞組、鐵心以及構(gòu)架、殼體、接線端子等組成。其工作原理與變壓器基本相同，一次繞組的匝數(shù)(N1)較少，直接串聯(lián)于電源線路中，一次負荷電流通過一次繞組時，產(chǎn)生的交變磁通感應(yīng)產(chǎn)生按比例減小的二次電流；二次繞組的匝數(shù)(N2)較多，與儀表、繼電器、變送器等電流線圈的二次負荷(Z)串聯(lián)形成閉合回路，由于一次繞組與二次繞組有相等的安培匝數(shù)，即I1N1=I2N2，電流互感器額定電流比電流互感器實際運行中負荷阻抗很小，二次繞組接近于短路狀態(tài)

54、，相當于一個短路運行的變壓器。 穿心式電流互感器其本身結(jié)構(gòu)不設(shè)一次繞組，載流(負荷電流)導(dǎo)線由L1至L2穿過由硅鋼片搟卷制成的圓形(或其他形狀)鐵心起一次繞組作用。二次繞組直接均勻地纏繞在圓形鐵心上，與儀表、繼電器、變送器等電流線圈的二次負荷串聯(lián)形成閉合回路，由于穿心式電流互感器不設(shè)一次繞組，其變比根據(jù)一次繞組穿過互感器鐵心中的匝數(shù)確定，穿心匝數(shù)越多，變比越小；反之，穿心匝數(shù)越少，變比越大，額定電流比：式中I1穿心一匝時一次額定電流；n穿心匝數(shù)。 多抽頭電流互感器。這種型號的電流互感器，一次繞組不變，在繞制二次繞組時，增加幾個抽頭，以獲得多個不同變比。它具有一個鐵心和一個匝數(shù)固定的一次繞組，其

55、二次繞組用絕緣銅線繞在套裝于鐵心上的絕緣筒上，將不同變比的二次繞組抽頭引出，接在接線端子座上，每個抽頭設(shè)置各自的接線端子，這樣就形成了多個變比，此種電流互感器的優(yōu)點是可以根據(jù)負荷電流變比，調(diào)換二次接線端子的接線來改變變比，而不需要更換電流互感器，給使用提供了方便。在本次設(shè)計中我們選用了型號為TA17-03的電流互感器，此型號的電流互感器是穿心式電流互感器，不設(shè)一次繞組，因此接線時只用到兩根引腳，即輸出腳。具體電路如圖3-12所示。原理是采用電流互感器檢測負載線路電流，通過二次繞組輸出交流電流，并經(jīng)過整流橋2w10將交流電流變?yōu)橹绷鳎俳?jīng)過C9的濾波和R9的卡位電壓即可得到需要的直流電壓信號，再

56、傳到后面的AD輸入口，作為電壓采樣數(shù)據(jù)，因為TA17-03的變比為1000:1，所以所采樣的數(shù)值為真實值的1/1000.TA17-03基本參數(shù)：變比：1000:1輸入電流：0A-10A輸出電流：0mA-10mA取樣電阻：150歐姆取樣電壓：1.5V工作頻率：20Hz-20KHz相移：25非線性度：0.2%抗電強度：6000V AC/1min圖3-12 電流互感器電路(3) 電壓采樣部分：電壓采樣是采用電阻分壓的原理，電網(wǎng)電壓220V經(jīng)電阻R10和R11分壓變?yōu)?-5V的電壓信號，經(jīng)二極管半波整流，再經(jīng)RC低通濾波，截止頻率f=1/（2RC），最后將直流電壓V（t）送至MAX187信號輸入腳端。具體電路如圖3-13所示。 圖3-13 電壓采樣電路(4）A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇MAX187