（微电子学与固体电子学专业论文）充电设备的综合功能检测研究与系统设计.pdf

摘要 摘要 啪f i | | f i l | i j i i j f i j f f f i i f | i j j l j i f | | l i i f f | | 舢 y 2 0 6 6 8 13 充电设备的安全功能检测可以保障人身和财产安全，也是判断设备实用性和 可靠性的重要因素之一，其检测目的在日常生活中有着重要的意义。本文首先从 充电设备的安全功能概念和主要检测方法出发，着重叙述了充电设备的过流检测、 漏电检测和连接状态检测原理，并确定了系统设计难点：对于互感器采集的信号 进行放大处理和各采集模块的误差分析。然后简要介绍了基于单片机的嵌入式系 统设计方法及流程。通过对不同电路设计方案的分析和比较，结合嵌入式系统设 计理念，最终提出了一种以p i c 单片机为核心的数字式充电设备安全功能检测系 统。 硬件方面，文中依据功能划分详细论述了组成安全功能检测系统的各个模块， 特别是过流检测和漏电检测这两个关键部分。软件方面，给出了系统软件流程图， 结合硬件开发了各功能模块驱动代码，重点讨论了a d 检测和p w m 产生的代码 编写。最后，设计了印制电路板并装配成整机，对设计的检测系统进行了分模块 调试和整机测试，并提出了系统改进意见。结果表明，该系统大大提高了数据处 理能力和测试精度、操作简便、测试周期短、效率高、稳定性好、具有较高的实 用价值和推广前景。 关键词：过流漏电嵌入式系统 a b s t r a c t i i i a b s t r a c t t h es a f e t yf u n c t i o nt e s to fc h a r g i n ge q u i p m e n tc a l lg u a r a n t e ep e r s o n a la n d p r o p e r t ys e c u r i t y , i sa l s oo n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r st oj u d g et h ep r a c t i c a l i t ya n d s a f e t yo fe q u i p m e n t ，t h et e s th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei nd a i l yl i f e t h i sp a p e rb e g i n s 谢t l lt h ec h a r g i n ge q u i p m e n ts a f e t yc o n c e p ta n dt h em a i nf u n c t i o no ft h et e s tm e t h o d ， p u t sf o r w a r dt h ec h a r g i n gd e v i c e sc o n n e c t e dd e t e c t i o n ，f l o wa n dl e a k a g ed e t e c t i o n p r i n c i p l e ，a n da n a l y s i st oi d e n t i f yaf e wd i f f i c u l t i e s ：f o rt h ea c q u i s i t i o no ft h es i g n a l p r o c e s s i n gb ym u t u a li n d u c t o ra n dt h ea c q u i s i t i o nm o d u l ea m p l i f i c a t i o no fe r r o r a n a l y s i s a n dt h e nb r i e f l yi n t r o d u c e dt h ee m b e d d e ds y s t e mb a s e do ns i n g l ec h i pd e s i g n m e t h o da n dp r o c e s s t h r o u g hd i f f e r e n tc i r c u i ta n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h es c h e m e ， c o m b i n e d 谢t i lt h ee m b e d d e ds y s t e md e s i g nc o n c e p t ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dak i n do f t h ep i cm i c r o c o n t r o l l e ra st h ec o r ed i g i t a ls e c u r i t yf u n c t i o nd e t e c t i o ns y s t e mc h a r g i n g d e v i c e s h a r d w a r e ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ef u n c t i o no fs a f e t yi n s p e c t i o ns y s t e mm o d u l e s b yf u n c t i o n a ld i v i s i o n ，e s p e c i a l l yt h ef l o wt e s t i n ga n dl e a k a g ed e t e c t i o n s o f t w a r e ， g i v e st h es y s t e ms 0 1 a r ef l o wc h a r t ，c o m b i n e d 埘t hh a r d w a r e ，d e t a i l so f t h ef u n c t i o n m o d u l ed r i v e rw r i t e r sw e r ed i s c u s s e d ，a n dt h ea dd e t e c t i o na n dp r o d u c e dp w mc o d e d i s c u s s e di np a r t i c u l a r f i n a l l y , d e s i g nt h ep r i n t e dc i r c u i tb o a r da n da s s e m b l yi n t ot h e m a c h i n e ，d e b u gt h ed e t e c t i o ns y s t e mi nm o d u l ea n di na l l ，a n dp u tf o r w a r ds u g g e s t i o n s t oi m p r o v et h es y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi m p r o v e st h ed a t ap r o c e s s i n g a n dt e s t i n gp r e c i s i o ng r e a t l y , s i m p l eo p e r a t i o n ，t e s tc y c l ei ss h o r t ，h i g he f f i c i e n c y , g o o d s t a b i l i t y , h i g hp r a c t i c a lv a l u ea n dp r o m o t i o np r o s p e c t s f l o w l e a k a g e e m b e d d e ds y s t e m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 电器设备的设计规范与人身财产安全息息相关，特别对于本课题设计的一个 充电检测产品来说，充电过程中相关的安全功能检测就显得尤为重要。为了保证 人身安全、财产安全，需在充电设备的使用过程中对漏电和过流等相关险象进行 实时检测。 国内的充电设备安全检测标准在民用中基本处于空缺状态，g b 里面没有相 对明确的标准，而在欧洲、北美和日本都有比较明确的标准，例如：c e 、u l 1 - 2 】 和i e c t 引。本产品在开发的过程中主要参考c e 和u l 相关标准，指导硬件设计和 软件编写，使产品基本符合民用标准。 对于本文开发的产品主要应用于充电过程，输入a c 2 2 0 v ，输出a c 2 2 0 v 供 给外部充电设备 4 1 。充电过程中主要检测此产品是否与外部充电设备连接良好、 漏电自检、闭合继电器后系统过流和漏电实时检测，涉及的安全功能任一环节出 现问题都会导致险象发生，所以在设计硬件电路和开发软件的过程中严格服从标 准，设计出一款安全实用的产品，确保人身和财产安全。 本文设计的检测方法是电气行业中普遍采用的一种方法，该方法原理简单、 数据处理简便，为科研及生产单位广泛采用。传统的检测方法，由于采用过多的 模拟器件，就会导致精度低、可靠性和稳定性差，同时处理效率也就显得低下。 随着嵌入式技术的目趋完善和推广，测试系统集成化和数字化已经成为各类仪器、 仪表的发展方向。因此，对传统的检测装置的数字化研究和改进具有非常重要的 意义和实际开发价值。 1 2 电器设备安全检测国内外研究现状 漏电保护是保障用电者人身安全行之有效的一项技术措施。近几年来，许多 地方都在推广使用漏电保护装置【5 i 。 1 8 7 0 年发明了旋转电机以后，欧美一些国家开始以电作为能源，出现了触电 致死记录。1 8 7 9 年，在法国里昂市发生了第一起触电事故，美国在1 8 8 8 年前5 年内，约有2 0 0 人触电死亡，从此引起有关方面对触电保护的关注，并开始进行 深入研究。 漏电保护器的开发应用，始于以联邦德国为先导的欧洲。1 9 2 8 年，西欧国家 采用了电压动作型漏电保护器，作为防止电机绝缘损坏后发生触电危险的安全装 2 充电设备的安全功能检测研究与系统设计 置。1 9 世纪5 0 年代起，国外陆续出现了电流动作型漏电保护器，在产品性能与 使用要求上不断改进。联邦德国在1 9 5 0 年前后开始批量生产电流动作型产品。法 国在1 9 5 7 年制成额定漏电动作电流为5 0 0 毫安的电流动作型产品。两国在1 9 6 5 年先后制成额定漏电动作电流为3 0 毫安的产品。1 9 6 2 年，美国制成漏电动作电 流为5 毫安的产品。1 9 6 0 年，日本制成电压工作型产品，1 9 6 8 年制成电流动作型 产品。英国于1 9 6 9 年制成额定漏电动作电流为3 0 毫安、动作时间为3 0 毫秒的高 灵敏快速型产品。 国外重视漏电保护器产品的发展和使用，还表现在研制产品的同时，制定有 关的标准和规程。1 9 6 3 年，联邦德国制定出电流动作型漏电保护器产品标准，不 久又发表了安装标准。德、美、日、英、苏等国家，以及国际电工委员会( i e c ) 等组织，在产品从电压动作型往电流动作型的发展中，都不断地考虑有关标准和 规程，并开展安全认证工作。 漏电保护器在国外应用十分广泛，工业、农业、水产业和服务业等用电场所， 以及医院和家庭都安装使用。欧洲的重点放在触电的预防上，美国、日本的重点 放在防止由于接地而导致的火灾上。 自上世纪7 0 年代以来，国外研制漏电保护器的重点，由主要保护设备安全转 移到保护人身安全，同时考虑到防火，出现电流动作型漏电保护器取代电压动作 型漏电保护器的趋势。工业发达国家不断向多品种、多功能发展。尤其是日本， 在产量品种和安装数量等方面发展较快，最早开发并批量生产的是富士电机株式 会社，于1 9 6 7 年开发s g 系列电磁式漏电断路器，7 0 年代末期大批量供应市场， 8 0 年代初作局部改进。此外，日本松下电器与三菱电机开发的漏电保护器产品也 有较快的发展。 这项产品由于应用高导磁率软磁合金( 坡莫合金和非晶态) 以及专用集成电 路等新材料和新技术，使性能和品种有了较快的发展。 1 3 本文研究的主要内容和章节安排 本文主要研究的内容包括： ( 1 ) 充电设备相关安全功能检测方法研究。 ( 2 ) 基于p i c 单片机充电检测系统的软硬件设计与性能仿真。 ( 3 ) 功能模块验证与系统整体测试，误差分析。 本文的章节安排如下： 第一章概括课题的背景和意义，了解国内外技术发展状况，明确研究内容和 各章节安排。 第二章介绍过流和漏电的基本概念，对过流和漏电的检测方法进行简要的说 第一章绪论 3 明。 第三章叙述嵌入式系统的定义和特点，说明以单片机为核心的嵌入式系统的 结构与开发流程，并简单介绍p i c 系列单片机。 第四章具体讨论检测系统的硬件构成。首先给出硬件总体规划，然后分功能 模块进行分析与论述，最后给出p c b 布局布线的建议。 第五章介绍系统软件规划。首先给出系统总体程序框架，然后详细介绍了 a d 采集模块和p w m 波产生模块的程序设计。 第六章对设计的测试系统进行调试与测量，并对误差进行分析，给出改进方 法和意见。 第七章对本文内容进行了简要回顾，总结了本文的主要工作，并指出不足与 下一步研究方向。 1 4 本章小结 本章主要阐述了选题背景，然后对国内外最新进展进行了简单叙述，最后给 出了本文研究的主要内容及章节安排。 第二章电器设备相关安全功能检测原理 第二章充电设备相关安全功能检测原理 2 1 充电设备安全功能的基本概念 充电设备的安全功能主要包括三个方面：过流、漏电和设备的连接状态。 2 1 1 过流 过流即为电流通路中的电流超过了充电设备或电缆所承受的额定电流或预置 电流，一般发生过流险象时环路中的电流会瞬间突变过大，较为常见的过流的险 象有：内部短路。 2 1 2 漏电 漏电即为电流环路中有一部分电流经过外部导电设备流经大地或其他设备， 导致电流环路中的电流减小，较为常见的漏电的险象有：设备外壳漏电导致外部 人身触电。 2 1 3 设备的连接状态 检测系统的插头是否完全插入充电设备的插座，其内部附有一按键，用于切 换当前设备所处的连接状态，决定是否开始充电。共有以下四种连接状态如表2 1 所示： 表2 1 设备四种连接状态 状态系统操作 a 继电器断开，切断外部电源，不允许向充电设备供电 b 继电器断开，切断外部电源，不允许向充电设备供电，等待按键操作 c 继电器闭合，接通外部电源，允许向充电设备供电，按键被按下 d 继电器断开，切断外部电源，不允许向充电设备供电 表2 1 所述的四种连接状态在后续章节会详细说明。 2 2 充电设备安全功能的检测方法 本文设计的安全功能检测方法是通过单片机采集外部模拟信号进行处理。 6 充电设备的安全功能检测研究与系统设计 2 2 1 漏电检测方法 本课题设计的漏电检测方法主要通过漏电互感器感应环路的电流信号，一般 为u a 数量级，之后转换成电压信号，经过几级集成运算放大电路，输入给m c u a d 处理。转换后的十位二进制数与程序内部设置的预置值进行比较，大于说明 漏电险象发生，小于或等于说明系统工作正常。漏电检测原理如图2 1 所示： ii 漏 雌 l 漏电信号z 啊 图2 1 漏电检测原理图 根据霍尔磁式原理检测漏电状态，如图2 1 所示。在实际应用中，把火线与 中线同时穿过一个环形磁芯，作为漏电互感器的初级线圈，次级线圈输出漏电信 号。从电源火线端流出的电流i + ，流经支路全部负载后，返回电源中线端的支路 电流为i ，当该支路没有接地电流时，i + - l ，穿过环形磁芯的电流大小相等，次 级线圈无漏电信号输出，即电源输入线中的火线电流与中线电流完全平衡，次级 漏电信号为零。而当系统发生故障时，假设系统出现的接地漏电电流为i r ，则 i + = i - + i r ，火线电流与中线电流将失去平衡，其合成电流就是漏电电流，次级漏电 信号的大小和漏电程度成正比。 2 2 2 过流检测方法 本课题设计的过流检测方法同漏电检测方法的后续信号处理电路设计类似， 使用过流互感器 6 1 。把火线或中线穿过一个环形磁芯，作为过流互感器的初级线 圈，次级线圈输出电流信号，经过电阻转换成电压信号，通过运放，将放大后的 信号由单片机进行处理。 2 2 3 连接状态检测方法 充电设备的连接状态检测通过单片机产生的p w m 波输入n # i - 部充电设备， 单片机的a d 检测引脚处理反馈回来的p w m 波，通过p w m 波的幅值变化判断 第二章电器设备相关安全功能检测原理 7 当前设备的连接状态。 2 3 本章小结 本章主要简要介绍了充电设备相关安全功能的检测原理和方法，叙述了过流、 漏电和设备的连接状态的基本概念。 第三章单片机嵌入式系统设计基础 9 第三章单片机嵌入式系统设计基础 嵌入式系统是指用于实现独立功能的专用计算机系统 7 1 。它由包括微处理器、 定时器、传感器等一系列微电子芯片与器件，以及嵌入在存储器中的微型操作系 统或控制系统软件组成，完成诸如实时控制、监测管理、移动计算、数据处理等 各种自动化处理任务。单片机嵌入式系统是以单片机为控制核心的嵌入式系统， 其结构和开发应用流程与通用计算机系统相比有着独有的特点。 3 1 嵌入式系统简介 近年来，随着信息技术和计算机技术的迅速发展，以及计算机技术和产品对 其他领域的渗透，使以应用为依据的分类方法更加切合实际。具体来说，就是按 计算机的是否嵌入式应用将其分为通用计算机系统和嵌入式计算机系统。通用计 算机的典型代表就是办公室和家庭中大量使用的p c 机，而嵌入式计算机则以嵌 入式系统的形式隐藏在各种仪器、装置、产品和系统中。 3 1 1 嵌入式系统的定义 将面向工控领域对象，嵌入到各种控制应用系统、电子系统和电子产品中， 实现嵌入式应用的计算机系统称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。 3 1 2 嵌入式系统的特点 ( 1 ) 面向控制对象。面对非电物理量传感器变换的信号输入；面对人机交互 的操作控制；面对对象的伺服驱动和控制。 ( 2 ) 嵌入到应用系统。体积小，低功耗，价格低廉，可方便的嵌入到应用系 统和电子产品中。 ( 3 ) 优良的控制功能。对外部的各种激励能够迅速捕捉和响应，对不同的控 制对象能够灵活的实时控制。 ( 4 ) 能在工业现场等复杂恶劣环境中可靠运行。 3 1 3 嵌入式系统的主要类型 根据嵌入式系统的核心控制部分不同，可以分为以下几种不同类型： ( 1 ) 各种类型的工控机； ( 2 ) 可编程逻辑控制器p l c ； l o 充电设备的安全功能检测研究与系统设计 ( 3 ) 以通用微处理器或数字信号处理器( d s p ) 构成的嵌入式系统； ( 4 ) 单片机嵌入式系统。 3 2 单片机嵌入式系统的结构及开发流程 以单片机为核心的嵌入式系统大部分应用于专业性极强的工业控制系统和仪 器仪表中【羽。由于单片机从体系结构到指令系统都是按照嵌入式系统的应用特点 专门设计的，能最好的满足面向控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行和 优良的控制功能要求。单片机嵌入式应用是发展快、品种多、数量大，有着广阔 的发展前景。 3 2 1 单片机嵌入式系统的结构 单片机与一些外围芯片、器件和控制电路连接在一起，共同构成一个实际的 单片机系统，进而再嵌入到应用对象的环境体系中，作为其中的核心智能化控制 单元而构成典型的嵌入式应用系统。其结构如图3 1 所示： 系统硬件电路 图3 1 单片机嵌入式系统结构 单片机是嵌入式系统的核心控制芯片，由它实现对控制对象的测控、系统运 行管理控制数据运算处理等功能。系统硬件电路是根据系统所采用单片机的特性 及嵌入式对象要实现的功能而配备的全部硬件电路。系统应用软件的核心就是下 载到单片机中的系统运行程序。整个系统全部硬件的相互协调工作、智能管理和 控制都由系统运行程序决定，它可认为是单片机嵌入式系统的核心。 第三章单片机嵌入式系统设计基础 3 2 2 单片机嵌入式系统的开发流程 单片机应用系统的开发工作应包括四部分内容：系统硬件设计、系统软件设 计、系统仿真调试及脱机验证。单片机应用系统开发流程如图3 2 所示： 软件结构设计 底层硬件测试l 驱动程序编写l 离层程序 i编写 底层软硬件联凋 l 是弋二一 模块化软硬件联含调试 磊氯品沁 至 联合调试合格? _ = 一 程序固化 功能性能检测 磊磊 至检测合格? 。= ，一一 文档整理 图3 2 单片机应用系统开发流程图 硬件设计主要包括：根据需求进行系统总体结构设计、器件选型、内存配置 设计、芯片硬件资源安排、接口设计、p c b 设计等。软件设计主要包括：软件结 构设计、选择开发平台( 语言) 、具体程序的编写、软件编译和仿真测试。单片机 嵌入式系统的硬件设计和软件设计两者之间关系十分紧密，相互依赖和制约。进 行单片机嵌入式系统设计时，应该硬件设计与软件设计相互配合，做到协调统一。 磊耋 1 2充电设备的安全功能检测研究与系统设计 3 3p i c 系列单片机介绍 从1 9 7 1 年美国i n t e l 公司推出4 位单片机4 0 0 4 以来，单片机技术迅猛发展。 随着微电子技术的进步，单片机的集成度越来越高，已经可以在一片芯片上同时 集成c p u 、存储器、定时器计数器、并行串行接口、看门狗、前置放大器、a d d a 转换器等电路，形成所谓片上系统( s o c ) 。同时，单片机体系架构也经历了一个 c i s c 到r i s c ，从4 位、8 位、1 6 位到3 2 位的过程，运行频率也在不断提高。近 年来，单片机市场百花齐放，各具特色。主要的单片机厂商及代表产品见表3 1 ： 表3 1 部分主要单片机厂商及其代表产品 公司单片机产品系列 a r m e la t 8 9 x 5 1 、a v r m i c r o c h i p p i c t im s p 4 3 0 、c 2 0 0 0 、l m 3 s f r e e s c a l e 6 8 h c 脚l p c s ts t m 3 2 8 s i l i c o n l a b sc 8 0 5 1 p i c 单片机由美国m i c r o c h i p 公司开发，在同类单片机性能中优势明显， 主要体现在 9 1 ： ( 1 ) p i c 单片机最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视 产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用需求，就实际而言， 不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的。p i c 系列从低到高有几十个 型号，可以满足各种需求。 ( 2 ) 精简指令使其执行效率大为提高。p i c 系列8 位c m o s 单片机具有独 特的r i s c 结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线( h a r v a r d ) 结构，使指令 具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8 位的数据位数，这与传统的采 用c i s c 结构的8 位单片机相比，可以达到2 ：1 的代码压缩，速度提高4 倍。 ( 3 ) 产品上市零等待( z e r ot i m et om a r k e t ) 。采用p i c 的低价o t p 型芯片， 可使单片机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市。 ( 4 ) p i c 有优越的开发环境。o t p 单片机开发系统的实时性是一个很重要的 指标，像普通5 1 单片机的开发系统大都采用的、高档型号方针低档型号，其实时 性不尽理想。p i c 在推出一款新型号的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系 统由专用的仿真芯片支持，实时性非常好。 ( 5 ) 其引脚具有防瞬态的能力，通过限流电阻可以接至2 2 0 v 交流电源，可 第三章单片机嵌入式系统设计基础 直接与继电器控制电路相连，无须光电耦合隔离，给应用带来极大方便。 ( 6 ) 彻底的保密性。p i c 以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔 丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。目前，p i c 采用熔丝深埋工艺，恢复熔 丝的可能性极小。 ( 7 ) 自带看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性。 ( 8 ) 睡眠和低功耗模式。虽然p i c 在这方面已不能与新型的t i m s p 4 3 0 相 比，但在大多数应用场合还是能满足需要的。 3 4 本章小结 本章首先介绍了嵌入式系统的基本概念和应用特点，然后阐述了单片机嵌入 式系统的结构和一般开发流程，最后，简单总结了p i c 系列单片机与其他单片机 相比体现出来的优势。 第四章系统硬件设计与研究 第四章系统硬件设计与研究 智能化和数字化是现代仪器仪表、测量和检测装置的主流发展方向。在深入 理解充电设备安全功能检测的相关原理后，结合嵌入式系统设计理念，以p i c 单 片机为核心设计了一种充电过程中安全功能检测系统。 4 1 系统硬件总体规划 充电设备安全功能检测系统将检测原理和单片机嵌入式系统相结合，系统硬 件总体框图如图4 1 所示： 图4 1 系统硬件总体框图 检测系统由单片机m c u 、p w m 波检测、继电器控制、看门狗和电压保护、 l e d 警示、过流检测、漏电检测和电源模块构成。它们的作用和组成分别是： 1 单片机最小系统：构成单片机运行所需的基本环境。包括晶体振荡器、上 电和手动复位电路、i c s p 下载接口等。 2 p w m 波检测：m c u 产生占空比为5 0 、频率为1 k h z 、幅值为3 3 v 的方 波，输入n j b 部充电设备，反馈回来的p w m 波输入到m c u 的a d 管脚，通过 检测反馈回来的p w m 波幅值判断设备的连接状态，允许继电器闭合开始给外部 充电设备供电。 3 继电器控制：通过检测反馈回来的p w m 波的幅值大小，m c u 决定继电器 是否闭合。 4 看门狗和电压保护：防止电路工作时，遇到特殊情况( 外部温度、湿度和 气压) 或内部设计引入的缺陷导致程序跑飞；同时防止上电和欠压时电路复位， 保证电路正常工作。 1 6 充电设备的安全功能检测研究与系统设计 5 l e d 警示：安全功能的检测情况可以通过l e d 的发光颜色或闪烁反映出 来，可用于人机交互，直接反馈电路的工作情况。 6 过流检测：检测系统中是否发生过流险象，控制继电器闭合或关断，给外 部充电设备供电。 7 漏电检测：检测系统中是否发生漏电险象，控制继电器闭合或关断，给外 部充电设备供电。 8 电源模块：用于给系统提供稳定工作所需的d c + 3 3 v 直流电源。 4 2 各功能模块方案分析 单片机嵌入式系统的各个组成模块之间相互联系，又相对独立，共同构成一 个完整的硬件系统。下面就按功能划分分别对各个模块进行分析和研究，并对不 同的实现方案进行比较和讨论。 4 2 1m c u 最小系统 系统中m c u 主要应用于控制，如继电器控制和l e d 警示等。此外，还会考 虑到内部a d 和p w m 功能，m c u 总体上来说任务量比较小，采用8 位单片机就 可以完成m c u 的控制过程。本课题选用的p i c 单片机p i c l 8 f 2 3 k 2 0 作为系统的 控制核心，其主要资源见表4 1 所剥1 0 】： 表4 1m c u 集成的主要资源 功能f l a s h e e p r o m s r a m快速寄存器i 0 数目中断数目 p i c l 8 f 2 3 i ( 2 08 k b 2 5 6 b y t e 5 l k b 3 22 5 2 0 功能外部中断口s p iu s a r t t 、 硬件乘法器p w m 通道 p i c l 8 f 2 3 k 2 0 2 yy ny2 功能8 位定时器1 6 位定时器 实时时钟 l o 位a ，d 模拟比较器 掉电监测 p i c l 8 f 2 3 k 2 0l3yl lyy 功能看门狗片内时钟 a gi c s p 自编程s p m系统时钟 p i c l 8 f 2 3 k 2 0yynyy0 1 6 毗z m c u 最小系统就是指单片机能够正常工作所需要的最小环境，严格来说， p i c l 8 f 2 3 k 2 0 只需要简单的外部电源即可工作，因为m c u 内部已经集成了r c 振荡器及内部复位电路，但是考虑到系统联调的需要，外加了系统可编程i c s p 电路和外部的手动复位电路【1 ，具体如图4 2 所示： 第四章系统硬件设计与研究 4 2 2p w m 波检测 图4 2m c u 最小系统电路图 m c u 用于产生占空比为5 0 、频率为1 k h z 、幅值为+ 3 3 v 的p w m 波，通 过外部的斩波和滞回比较器，转换幅值为+ 1 2 w 1 2 v 的p w m 波，输入给外部的 充电设备，通过内部的电阻分压电路，将幅值衰减后的p w m 波反馈给m c u 的 a d 管脚，通过1 0 位a d 转换，分析衰减后的幅值，判断外部充电设备当前的连 接状态，从而决定是否开始给设备供电。m c u 产生p w m 波可以采取以下两种方 案t ( 1 ) 通过m c u 内置的p w m 模块产生。 ( 2 ) 通过m c u 内置的定时器溢出翻转引脚输出电平产生。 以上两种方案，通过反复调试仿真，最后选择第二种方案。方案一通过m c u 内置的p w m 模块产生方波，抗干扰性更好，输出更稳定，但是由于采集反馈回 来的p w m 波幅值不确定是否是所需的，对后续的软件运行造成了不可预期的结 果，同时也给系统联调也带来诸多不便。然而方案二就不会出现这个情况，目标 较为明确。例如：需要在高电平的时候采集反馈回来的p w m 波幅值，只需通过 微小的延时即可实现，但此方案产生的p w m 波会受到毛刺和抖动的影响，同时 高低电平跳变也有较大的延时( u s 级) ，鉴于实用性和开发的难易程度最后选择 方案二。 电路设计具体如图4 3 所示： 1 8充电设备的安全功能检测研究与系统设计 图4 3p w m 波幅值变换电路 图4 3 由m c u 产生的p w m 波由“p w mo u t ”输出，频率为l k h z ，占空比 为5 0 ，幅值为+ 3 3 v ，经过第一级集成运算放大电路【1 3 1 ，幅值放大倍数为 ( r 3 矿r 2 9 ) 瓜2 9 = 4 ，p w m 波的幅值变化为1 2 v 。电路的另一端通过电压跟随器提供 9 v 的基准电压，通过滞回比较器，输出频率为l k h z ，占空比为5 0 ，幅值为 1 2 v 的p w m 波。将此输入到连接的外部充电设备，通过检测反馈回来的p w m 幅值变化来确定后续的系统操作。 方案一和方案二只限于m c u 内部的代码不一样，外部的硬件设计无异。 p w m 波反馈检测模块电路设计如图4 4 所示： r l 1 0 9 , 图4 4p w m 波反馈检测电路 图4 4 即p w m 波的反馈检测模块，利用二极管d 1 的单向导通性，隔离反馈 回来的p w m 波负幅值，然后通过电压跟随器，输出稳定的p w m 波，通过两电 阻串联的分压作用，输入至m c u 的p w ma d 检测引脚，转换成十位二进制数后 和程序内部设计的预置值进行比较，判断外部充电设备所处的连接状态，共四种 连接状态可以进行选择，系统后续操作会在程序设计模块详细说明。 第四章系统硬件设计与研究 1 9 4 2 3 继电器控制 在工业控制及许多场合中，嵌入式系统要驱动一些继电器和电磁开关【l 训，用 于控制电机与阀门的开启和断开等。继电器在此系统中主要负责连通和切断外部 电源，主要在以下三种情况下采取动作： ( 1 ) 外部充电设备是否连接良好，良好则连通，无则切断。 ( 2 ) 充电设备正常充电时，发生漏电险象，继电器切断外部电源。 ( 3 ) 充电设备正常充电时，发生过流险象，继电器切断外部电源。 电路设计具体如图4 5 所示1 1 5 j ： 图4 5 继电器控制电路 具体工作原理如下： 继电器需要功率驱动，驱动电流往往需要几百毫安，超出了p i c 单片机本身 i o 的驱动能力，因此在外围硬件电路中要考虑使用功率驱动电路。 当i o 引脚输出“l ”时，三极管导通，继电器闭合；当i o 引脚输出“0 ” 时，三极管截止，继电器断开。图4 5 中三极管q 4 采用的是中功率三极管，导通 电流大于3 0 0 m a 。电阻的作用是限制从i o 流出的电流不能太大，以保护i o 口，成为限流电阻。注意：三极管集电极的负载继电器吸合线圈在三极管截止时 会产生一个很高的反峰电压，因此，在吸合线圈两端应并接一个二极管d 1 3 ，其 用途是释放反峰电压，保护三极管和i o 口不会被反峰电压击穿，提高系统的可 靠性。吸合线圈两端并接的电容c 1 8 ，能对继电器动作时产生的尖峰电压变化进 行有效的过滤，其作用也是为了系统的稳定性。在设计p c b 板时，二极管d 1 3 和 电容c 1 8 应该紧靠在继电器的附近。 充电设备的安全功能检测研究与系统设计 4 2 4 看门狗和电压保护 看门狗主要负责在系统程序跑飞的情况下强制m c u 复位，使程序从首地址 开始运行，保证系统运行的稳定性【1 6 】。而电压保护主要负责在系统掉电或供电电 压不稳( 欠压) 情况下，强制m c u 复位，防止m c u 反复动作，寿命减少，维 护代价升高。 看门狗的使用有以下两种方案： ( 1 ) 使用m c u 内置看门狗模块。 ( 2 ) 外接独立的看门狗芯片【1 7 9 1 。 考虑到程序开发的难度和系统的开发成本，虽内置的看门狗的可靠性较差， 但综合考虑选取方案一。 电压保护电路设计具体如图4 6 所示 2 0 1 ： 图4 6 电压保护电路 采用m a x s 0 3 作为电压保护芯片，m c u 的外部复位引脚m c l r 为低电平有 效。此模块在系统中主要有以下两个方面的作用： ( 1 ) 外部复位：按键s 2 按下时，m c u 外部的m c l r 引脚电平被拉至为低 电平，m c u 复位。此功能主要应用在系统出现故障，m c u 程序跑飞而内置看门 狗无法正常复位的情况下，保证系统能够从故障中恢复正常。 ( 2 ) 外部电压出现异常：此系统外部的供电电压为3 3 v ，故复位门限电压 可设为2 9 3 v ，采用外部电压保护芯片m a x 8 0 3 s ，当此芯片v c c 引脚的输入电 平小于复位电压门限( 2 9 3 v ) 时，r e s e t 引脚输出低电平至m c u 的m c l r 引 脚，使m c u 处于复位状态。当v c c 引脚升高至大于复位门限电压时，r e s e t 引脚低电平将至少保持1 4 0 m s 后升至高电平，m c u 正常运行。 第四章系统硬件设计与研究 2 1 4 2 5l e d 警示 l e d 发光二极管是一种经常使用的外围器件，用于显示系统的工作状态，报 警提示等。外部的l e d 可以成为比较良好的人机界面，让使用者能够比较直观的 知道系统当前所处的工作状态，便于进行后续的操作。 此系统的l e d 警示模块主要负责以下三个方面的警示： ( 1 ) 系统电源指示灯d 1 4 发绿光显示正常，不亮或闪烁显示系统供电不正常。 ( 2 ) d l l 作为系统正常工作指示灯，为发绿光和红色的双色l e d 。发绿光显 示外部充电设备连接良好，无漏电和过流险象发生；发红光显示外部充电设备没 有连接好、漏电或过流险象至少发生了一种。 ( 3 ) d 1 2 作为正常充电指示灯，外部充电设备正常充电发绿光显示，充电不 正常发红光显示。 l e d 警示电路设计如图4 7 所示： 3 图4 7 l e d 警不电路设计 电路设计原理分析： 发光二极管一般为砷化镓半导体二极管，当电阻和l e d 两端的电压大于1 8 v 时，二极管就能够导通发光。当导通电流大于5 m a 时，人的眼睛就可以明显地观 察n - 极管的发光，导通电流越大，亮度越高。一般导通电流不要超过1 0 m a ； 否则将导致二极管的烧毁或i o 引脚的烧毁。因此在设计硬件电路时，要在l e d 二极管电路中串接一个限流电阻，阻值在3 0 0 f l - l k q 之间，调节阻值的大小可以 控制发光二极管的发光亮度。导通电流与限流电阻之间的关系由下面的计算公式 确定。 i - ( 3 3 - u l 动瓜式( 4 6 ) 式中：u i c d 为l e d 的导通电压。 充电设备的安全功能检测研究与系统设计 4 2 6 过流检测 过流为充电设备的一大险象，特别对于充电检测设备来说，过流对于人身和 财产安全都是一个很大的危险因素。此系统对于过流的检测，主要是通过过流互 感器，利用m c u 的a d 检测电流通路( l 或n 的电流通路) ，比较a d 转换后的 十位二进制数是否大于程序内部设计的预置值，大于说明系统有过流险象发生， 没有变化说明系统工作正常【z 。 系统设计的过流检测涉及到地理区域或外部负载的不同，故包含了1 0 a 1 6 a 的额定电流检测，通过m c u 的外部开关选择，m c uv o 引脚电平发生变化，判 断当前选择的额定电流的大小。 过流检测电路如图4 8 所示田j ： 图4 8 过流检测电路 电路原理分析： c t l 作为过流互感器，在环内通过l 线或n 线，得到的电流信号通过l 和4 引脚输出，经过桥式整流和电阻，将会得到比较平滑的电压信号，经过c 7 滤除纹 波和集成运放的电压放大作用，将最终的电压信号输入到m c u 的a d 引脚。 集成运放的放大倍数分析：利用集成运放正常工作时的“虚短和虚断的概 念，同相端和反相端的电压值相等，即卿。 利用基尔霍夫电流定律，可以分析： u - r s = ( i o u r u ) r 2 7 式( 4 7 ) 4 2 7 漏电检测 漏电是充电设备的另一大险象，特别对于充电检测设备来说，漏电对于人身 和财产安全也是一个很大的危险因素f 2 3 1 ，因此对于一个应用于充电场合的电器检 测设备来说，漏电自检就显得尤为重要了。漏电自检在外部电源还未接通时，就 对整个系统有无漏电进行检测，可使漏电险象发生的几率降低，人身和财产安全 第四章系统硬件设计与研究 都可以得到强有力的保证。此系统对于漏电的检测，不管是外部电源接通前的漏 电自检还是外部电源接通后的漏电检测，其检测原理主要都是通过漏电互感器的 次级线圈输出的信号经过处理后，交给m c u 的a d 引脚进行检测分析，然后比 较a d 转换后的十进制数是否大于程序内部设置的预置值，大于说明系统有漏电 险象发生，小于或等于说明系统工作正常，只是漏电自检需要m c u 产生一个类 似漏电发生时的尖刺，模拟漏电发生时的情景，判断系统是否能够检测成功。 漏电检测主要通过以下两个方面进行检测i ( 1 ) a d 检测，将a d 转换后的十位二进制数和预置值进行比较，判断有无 发生漏电险象。 ( 2 ) m c u 引脚电平边沿触发检测，触发即为漏电发生，无触发说明系统工 作正常。 漏电自检恒流源电路如图4 9 所示【2 4 】： 图4 9 漏电自检恒流源电路 此模块应用于漏电自检时，给漏电互感器提供稳定的一个脉冲，占空比可以 小于1 0 ，经过漏电互感器和相应的电路模块处理后，通过a d 检测和m c u 引 脚的电平边沿跳变检测，判断漏电自检功能能否正常工作。只有系统的漏电自检 功能正常，系统才可以进行后续的操作，保证人身和财产的安全。 漏电检测电路如图4 1 0 所示【2 5 - 2 9 ： 充电设备的安全功能检测研究与系统设计 图4 1 0 漏电检测电路 此模块应用于漏电自检和正常供电后的漏电检测，其工作原理如下：漏电互 感器感应的电流信号经过电阻变成电压信号，经过三级放大和两次反向后，一路 反馈到m c u 的a d 引脚，经过a d 转换后与预置值进行比较，大于预置值说明 系统有漏电险象发生，本系统设计的时候考虑到外界的干扰和系统不稳定运行的 因素，特设定连续检测五次，如果每次经过a d 检测后都会发生大于预置值的情 况，应立即通知m c u 有漏电险象发生，关断继电器，切断外部电源，保障人身 和财产安全。另外一路反馈到一个比较器，即图4 1 0 右下的模块，和阈值电压3 v 进行比较，如果反相端输入的瞬间电压值大于3 v ，输出的电平值将发生翻转，反 馈给m c u 的电平边沿触发引脚，同a d 检测一样，电平边沿触发引脚检测也检 测五次，如果连续五次都检测到有电平边沿跳变，即可判定为系统有漏电险象发 生，进行和a d 检测相同的后续操作。 考虑到a d 检测和电平边沿跳变检测同时进行的不可预测性，特要求这两种 检测中断优先级不同，本课题设计的即为漏电检测中的a d 处理为高优先级，引 脚电平边沿跳变为低优先级，具体方案后续章节会具体说明。 第四章系统硬件设计与研究 4 2 8 电源模块 本系统使用到的电源模块主要有a c 2 2 0 v 、d c + 1 2 v 、d c 1 2 v 、d c + 3 3 v 。 a c 2 2 0 v 主要为外部输入电源，用于给外部充电设备供电和经过a c d c 变换为 1 2 v 。d c 1 2 v 主要为硬件电路中的集成运放供电，同时d c + 1 2 v 经过d c d c 变换为d c + 3 3 v ，用于给m c u 和其他模块供电。 a c 2 2 0 v 转d c + 1 2 v 采用艾默生公司设计的电源模块，具体设计说明本课题 不涉及。 d c + 1 2 v 转d c + 3 3 v 的详细设计如图4 1 1 所示： 6 鲁d 图4 1 1 电源转换电路 本模块的核心为电压转换芯片a p l 5 3 0 p o l ，设计理念主要参考a p l 5 3 0 的官方 设计，芯片左边的电容滤除纹波，电阻为限流作用，保护芯片引脚不被烧坏；二 极管d 2 为稳压二极管，电感和电容的作用都是滤除纹波，使输出信号更加平滑。 4 3 系统器件构成 硬件系统由大量的元器件构成，主要元器件如表4 2 所示： 表4 2 系统主要元器件构成 器件名功能规格( 封装类型) p i cl8 f 2 3 k 2 0 系统的控制中心 2 8 引脚s s o p m a x 8 0 3 系统复位( 电压保护) 3 引脚s o t 2