供水泵智能控制器设计.doc

此文档收集于网络，如有侵权请联系网站删除目 录1.研究背景22.国内外研究现状33.供水泵运行基本原理43.1泵站供水系统的组成43.2供水泵自动化运行的实现方法44.供水泵智能控制器总体设计方案54.1供水泵控制器设计应遵循的原则54.2供水泵控制器的功能需求54.2.1参数显示功能54.2.2智能控制功能64.2.3电机保护功能64.3系统方案设计64.4单片机的选型65.供水泵智能控制器硬件电路设计85.1核心处理模块硬件电路设计85.1.1电源输入85.1.2复位电路85.1.3时钟电路95.1.4存储电路95.1.5UART接口电路105.2 CPU板硬件电路设计135.2.1 CPU板总体框架设计135.2.2电源模块135.2.3电量采集模块145.2.4时钟芯片电路155.2.5LCD接口电路165.2.6键盘管理电路175.3系统可靠性设计185.3.1 PCB防干扰185.3.2接地防干扰185.3.3稳压电源及去藕电容195.4 本章小结19附录201.研究背景水泵作为水利输送设备，在工业、农业、商业和民用建筑中有着极其广泛的应用，其消耗的电能也占到总能耗的 10%-20%。目前全球水泵的总电能消耗约为 5500亿千瓦时，据权威部门预测，到 2020 年将会上升到 8550 亿千瓦时。随着自动控制技术不断发展，各种新型水泵控制器的出现，将会对节能起到巨大的推动作用。当今嵌入式世界已经进入大融合的时代，尤其是以 ARM 系列 32 位嵌入式处理器为代表的嵌入式技术，在移动消费类产品上得到了广泛的应用。全世界大约有 40 家半导体公司购买了 ARM Core IP 核。嵌入式系统(Embedded Systems)是以应用为中心，以计算技术为基础，软件硬件可剪裁的适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合性要求的专用计算机系统。它是一个技术密集，资金密集，高度分散，不断创新的基于硅片的知识集成系统。今天的嵌入式系统已普遍应用于国防电子、数字家庭、工业自动化、汽车电子、医学科技、消费电子、无线通讯、电力系统等国民经济的主要行业。随着嵌入式技术的发展，嵌入式系统将更广泛地应用于人类生活的方方面面。因此，嵌入式技术和水泵控制系统的结合成为了水泵控制的必然趋势，嵌入式技术为水泵控制系统的运行、监视、控制提供了新的手段，同时也对生产和经营管理提出了更高的要求。现代化生产和经营管理不仅要求对大量信息迅速进行科学处理，而且还要求对复杂的管理问题进行最佳决策，传统的手工管理方式已经远不能适应这种需求，必须建立以计算机为核心的智能水泵监测系。从实际应用上讲，水泵监测系统是一个对电力信号信息进行采集、传送、加工、监测和管理的系统。从实现方式上讲，水泵监测系统是一个以数据库技术、计算机网络技术为基础，以 B/S 结构为支撑的一组有机联系的应用程序。在目前全球气候变暖以及能源匮乏的背景下，可以预见水泵控制系统的需求和应用将会越来越多。因此，本文以水泵数据信号采集、数据通信以及水泵状态监测的研究为主题，设计出一种智能水泵监测系统，对水泵运行状况实现实时动态的在线监控。2.国内外研究现状随着科学技术的迅猛发展，不断涌现的新型水泵控制器承担起水泵监控、自动调节、实现最大能源利用、提高安全性与可靠性等重要任务，单纯的依靠人工手动操作已经远远无法满足现代化的监控要求。自从上个世纪70年代以来，国外便率先开展了供水系统自动监控的研究与应用工作。80年代以后，随着电子与计算机技术等科技的迅猛发展，供水系统的自动监控技术产生质的飞跃。同时，由于国外发达国家拥有雄厚的经济与技术实力，使其供水系统的自动监控技术被广泛应用，泵站运行与管理方面的自动化程度不断提高、监控系统得到不断完善。不但提高了泵站运行的安全性、可靠性与经济性，而且节约了人力资源，为工程的后期维护打下良好的基础。特别是在欧美、日本等发达国家，基本上实现了泵站的全自动监控。其中荷兰泵站采用的自动化仪表多为智能型，这种仪表很先进，如功率表、水位表、水位计等能长期进行自动记录。能够对泵站运行的各种指标进行长期跟踪、监测、记录与报警，随时解决发现的问题。同时，记录下来的数据也为水泵和水泵控制器的开发与性能完善提供了良好的数据支撑。由于自动化程度的提高，极大的减少了事故的发生，也减少了泵站的管理工作人员，泵站一般雇用懂专业、有经验的管理人员。运行、管理人员普遍具有较高的专业技能，在泵站运行中，可以及时发现问题，并能正确地处理突发事件。这种高度的自动化运行取得了良好的经济效益。目前，我国已建成各类型固定泵站50多万座，并且进一步加大集中式供水泵站的建设力度，具有数量大、范围广、类型多、发展速度快的特点。但大多数泵站建于上个世纪，它们虽然发挥了巨大的社会经济效益，但在技术水平、工程质量、工程管理以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。大多数泵站仍采用现场手动操作、人工抄表、电话报数等方式运行，采集信息数量少、处理速度慢、劳动强度大、效率低，这类监控方式比较落后，很难适应现代化的要求。随着经济的发展与政策的落实，我国集中式供水泵站的数量在未来几年将会越来越庞大，资源消耗比越来越重，急需一种立足于国情、综合自动化程度高、具有极高性价比的水泵控制器，以改变目前仍大量依靠人工监控水泵的现状，并且这一需求将在未来几年内不断攀升。同时，随着计算机技术、网络通信技术、自动控制技术、检测传感技术的不断发展和应用，水泵控制器也朝着分布化、智能化、自动化、集成化、可视化、扩展性高的方向发展。3.供水泵运行基本原理3.1泵站供水系统的组成供水系统分为机械和电气两个部分。机械部分主要包括离心泵、闸阀、手动阀门、逆止阀、底阀、压力表、管路及管路附件等，电气部分主要包括电动机、高低压开关柜、磁力启动器、电抗器等。3.2供水泵自动化运行的实现方法泵站自动运行是在人工操作基础上的改进，基本上可以摆脱人工的干预，其运行原理上与人工操作流程类似。本文以控制理论为依托，结合各种仪器和设备，全面分析了泵站运行中需要实现自动检测和自动控制的环节。通过软硬件功能的结合取代传统的人工判断和操作。通过分析，为了实现泵站自动运行，需要实现以下五个自动控制环节： 水池水位的自动监测：水位监测环节的任务是，根据水池水位的变化自动准确地向控制系统反馈当前水位，特别是高低报警限位。水位监测环节的可靠性和准确性将直接影响到整个控制系统的可靠性。 自动灌水与排气：离心泵只有在泵体内充满水的情况下，依靠叶轮的旋转带动水的旋转，从而形成正常供水所必须的真空度。若真空度不够，泵内存在的空气会造成上水不成功，此时的“干烧”与气蚀作用将严重损害水泵。因此，此环节是供水成功与否的关键。 出水闸阀自动控制：为减小启动功率和提供足够的扬程，水泵操作规程规定离心式水泵一定要在出水闸阀完全关闭的情况下启动，当压力足够后再缓慢打开出水闸阀。而当停止水泵时，为避免“水锤”对水泵的伤害，也必须先关闭出水闸阀，缓慢减小流速，最后断电停车。 水泵电机的自动启停：同时不能影响紧急状态下的手动干预性控制。 故障自动保护：如果检测到异常状况，需要立即停止水泵的运行，并及通知泵站维护管理人员到现场排除故障。4.供水泵智能控制器总体设计方案4.1供水泵控制器设计应遵循的原则虽然目前还没有一个统一的泵站自动化控制的设计与技术规范，但根据已有的工程经验和设计经验，一般需要遵守以下几项设计原则： 开放性：设计应采用开放的技术、结构、组件及接口，有利于维护、扩展、升级，降低二次投资。 灵活性：采用模块化结构设计，实现灵活配置，具有可增长性和强壮性。 安全可靠性：所选取的每个元件和设备的MTBF必须满足工业级运行要求；信息采集及控制输出，要考虑多重软件硬件闭锁；设备应具有自检、自诊断、报警功能。 实时性：各个功能模块必须在允许的单位时间内完成数据采集、计算与处理，控制器需要在单位时间内对数据进行判断后作出相应动作。 经济性：合理设计控制方案，最大程度的保持原有设备与功能，并尽量减少泵房改造与额外设备的购买，提高性价比。4.2供水泵控制器的功能需求4.2.1参数显示功能该水泵控制系统能够根据水泵的电参数测量结果和用户设置参数，自动控制水泵的启动/停止，主要功能可分为如下几部分。在水泵控制器上能够显示如下参数： 1、三相电压：UA、UB、UC(V)2、三相电流：IA、IB、IC(A) 3、供水量的瞬时流量：Flow(m3/min)4、水压：Water Pressure(MPa)； 5、三相电的有功功率：PA、PB、PC、PT(KW)； 6、三相电的无功功率：QA、QB、QC、QT(KW)； 7、三相电的功率因数：PFA、PFB、PFC、PFD； 4.2.2智能控制功能在HMI中可以本地手动控制水泵的启动和停止，当工作方式为本地时，在操作菜单中按键则可手动控制水泵的通断，如果工作方式为远程，则本地不可控制水泵。通过 RS-485 总线及上位机在遵守通信协议的情况下可以进行远程控制，使水泵启泵或停泵。 4.2.3电机保护功能应具有如下电机保护功能：启动电流门限；卡泵电流门限；短路电流门限； 流量下限门限；电压告警门限(电压上限和电压下限)； 4.3系统方案设计整体架构中，以控制器为监控核心，负责对各项参数进行监测，并对水泵及其配套球阀进行控制。控制器基于模块化设计，每个模块都由独立的PIC进行控制，这样可以实现各个检测与控制功能的并列运行。控制器具有如下特点： 每个模块都一块可插拔的由PIC控制的核心处理模块，此模块通用于所有功能模块，便于软硬件设计。 各个模块之间通过通信协议建立联系，每个模块有独立的通信地址，每种模块的数量根据需求确定。 CPU 板作为主机从各个从机模块获得数据，同时又作为从机与上位机进行通信。 每个模块完成独立的任务：数字量输出由 DO 板完成、数字量输入由 DI板完成；模拟量输入由 AI 板完成；电力采集由智能电力检测仪完成；CPU 板则完成数据处理、控制策略、键盘输入、液晶显示、数据存储等任务。4.4单片机的选型单片机（Single Chip Microcomputer）是指在一个集成芯片中，集成有微处理器（CPU）、存储器（RAM 和 ROM）、基本的 I/O 接口以及定时/计数器等部件，即在一个芯片上实现一台计算机的基本功能。如果是简单控制对象，只需利用这样的单片机作为控制核心，不需增加额外的外部设备和扩展某些外部 I/O 接口就能实现。单片机极强的应用与 I/O 接口扩展能力也能够满足较为复杂的系统设计。随着单片机技术的飞跃发展，在工业测控的许多方面都离不开它的参与。单片机具有性能高、速度快、可靠性好、功能强、体积小、价格低廉、开发简便等优点，非常符合现代设备向小型化、智能化发展的趋势。目前开发单片机的公司很多，在基本功能上大体相同，选择的重点在于可靠性与实用性。通过对不同公司的单片机进行对比，本控制器采用性价比较好的Microchip（微芯）公司开发的低功耗 MCU 系列 PIC18F6722。Microchip 产品具有自己独有的技术和成本优势，该 MCU 采用精简指令集架构 RISC（Reduced Instruction Set Computing），具有多级堆栈和多种内部与外部中断源。由于采用了哈佛总线结构，使得 8 位数据总线与 16 位指令总线完全分离，两级流水线操作使得除了跳转指令外的其余指令都是在一个周期内执行，便于实现全部指令的单字节化、单周期化，从而有利于提高执行指令的速度。PIC18F6722 支持 2.05.5V 的宽电压供电，并内置有 128K 字节的可 Flash 程序存储器、3936 字节片内 RAM、1024 个字节的 EEROM、54 个双向可寻址 I/O 口、12 个 10 位 A/D 转换通道、多个高低优先级的嵌套中断结构、2 个全双工增强型UART 串行接口、4 个 16 位的定时/计数器等资源。其 64 个引脚排列及其全功能如图 4.1 所示。图4.1 PIC18F6722全功能引脚图5.供水泵智能控制器硬件电路设计5.1核心处理模块硬件电路设计5.1.1电源输入由于核心模块是嵌入于各个功能模块中的，它由各个模块的电源系统提供5VDC，因此在设计时就不单独为其考虑电源电路。在图中 5.1 中，C8、C9、C10是去耦电容，起滤波作用，提高电源质量。图5.1 电源模块5.1.2复位电路控制器对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和可靠性等方面有比较高的要求。因此，复位电路使用了周立功公司开发的专用微处理器电源监控芯片 CAT706VI-G，以提高系统的可靠性，电路如图 5.2所示。图5.2 复位电路该监控芯片以 5VDC 供电，复位输出信号引脚 7 串联一个限流电阻后连接到单片机的 VPP（RG5）引脚（MCLR），该引脚接收复位信号。该芯片提供处理器复位、手动复位和看门狗定时器复位三种功能。处理器复位功能用于检测电源电压 VCC 是否低于指定的跳闸电压 4.40V，如果VCC 的值低于跳闸电压时，复位输出信号被拉至有效；当连接到 WDI 的 RD0 引脚输入在 1.02 秒内没有出现“低到高”或“高到低”的跳变时，看门狗定时器会将复位输出信号强制变为有效；如果手动按下按键 S1，会将手动复位输入拉低，这个输入被已经被内部消抖和延时，这样将会产生至少 140ms 的复位信号。5.1.3时钟电路PIC18F6722 可以使用外部晶体振荡器电路，内部 PLL 四倍频电路可调整系统时钟，使系统运行速度更快，最高可达 40MHz。本系统考虑到软硬件的可移植性以及调试的需要，因此选用外部 4MHz 进口晶振。用 1M 欧电阻 R6 并接到晶振两端，使系统更容易起振。两个电容 C6 与 C7 保证振荡的稳定性。电路如图 5.3 所示。图5.3 时钟电路5.1.4存储电路系统要求对用户的设置信息、采集的电能信息以及报警信息进行存储，以防止掉电丢失数据。因此在核心模块中设计了存储单元。本控制器采用两片AT24C1024 存储芯片，可支持 2.7V5.5V 的宽电压供电。提供 1048567 位的串行可电擦除和可编程只读存储器（EEPROM），它的每 8 位组成一个字节，共 131072个字节，支持 256 字节的页写模式。通过级联功能，可实现共享一条 2 线总线。SDA 是数据/地址串口，SCL 为时钟脚，WP 为写保护，A1 引脚则是设备的输入地址，将两块芯片的该引脚分别拉高与拉低来区分。电路如图 5.4 所示。图5.4 存储电路5.1.5UART接口电路UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是一种通用串行数据总线，总线双向异步通信，可以实现全双工传输和接收。UART是一个将并行输入转成串行输出的芯片功能模块。因为计算机内部采用并行数据，不能直接把数据发到外部设备，必须经过UART整理才能进行异步传输。其工作流程为：MCU先把准备写入串行设备的数据放到UART的寄存器（临时内存块）中，再通过FIFO先入先出堆栈传送到串行设备。通过串行接口，数据发送方将并行数据转换成具有一定格式的、按二进制数据位排列的数据，并顺序地按位将它们送到传输线上。数据接收方的串行接口按位串行接收数据，再将它们转换成并行数据传送给计算机或外设。PIC18F6722 具有两个 UART（通用异步收发器），内置波特率发射器，具有16 字节的收发 FIFO。考虑到与外界通信的接口兼容性，本控制器设计了两种通信电路，同时可以通过拨码开关选择直接输出 TTL 电平信号。（1）RS232接口电路RS232 是一种很常用的串行数据传输总线标准，在本控制器中，RS232 接口用来与调试运行的计算机进行通信，可通过上位机软件或者串口调试助手等工具观察内部数据。同时由于 RS232 接口通用于大部分的通信设备，因此考虑此功能也是为了便于接口的扩展。核心模块是 5VDC 供电系统，然而 RS232 标准定义逻辑“0”信号相对于地为315V，逻辑“1”相对于地为-3-15V。当一个 MCU 与外部的通信接口进行交互时，它需要一个 RS232 驱动器来转换电平，在本电路中采用 MAXIM 公司的MAX232ESE 芯片来实现该转化电路。MAX232ESE 具有15KV 的 ESD 保护、1A、3.0V5.5V 的输入电压、250Kbps 的速率。图 5.5 为 RS232 接口电路，串口 2 的 TX2 与 RX2 引脚可以连接到 232 芯片的T1IN 与 R1OUT 引脚上，实现电平的转换。图5.5 RS232接口电路（2）RS485接口电路考虑到通信接口的可选择性和远程传输性，并结合泵房现场的较为恶劣的工作环境情况，在核心模块上设计了 RS485 接口电路。RS485 采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好，灵敏度可以达到200mV，在 100kb/s 速度下，最大的通信距离可达 1500M 以上，最大传输速率为10Mb/s。RS485 总线上允许带多个驱动器和接收器，有些收发器可以带 128 个节点，这样可以用于构建多点通讯网络，而且由于 RS485 总线具有设备简单，价格低廉，能长距离通讯等优点，广泛运用于工业控制、仪器仪表、多媒体、机体一体化产品等多个领域。本控制器采用周立功公司开发的 RSM485CT 系列隔离收发器模块，它集电源隔离、电气隔离、RS485 接口芯片和总线保护器件于一身，方便嵌入用户设备。该系列模块采用灌封工艺，具有很好的隔离特性，具有 ESD 总线保护功能，隔离电压高达 2500VDC，最大波特率为 9600bps，内置 4.7K 上下拉电阻，双绞线输出，电磁辐射 EME 极低，电磁抗干扰 EMI 性极高，同一个网络至少可连接 32 个节点。RS485 通信接口电路的功能是将 MCU 串口 1 发送的 TTL 电平通过发送器转换成 RS485 总线上的差分信号；同样也将 RS485 总线上的差分信号通过接收器转换成被 MCU 接收的 TTL 电平信号。任一时刻，RS485 收发器只能够处于接收状态或者发送状态。因此，必须为 RS485 接口电路设计一个状态控制电路。图 5.6为本核心模块采用的 RS485 电路，将 MCU 的串行口 1 的发送引脚 TX1与接收引脚 RX1 可以连接 RSM485CT 芯片的引脚 3 和引脚 4，不是直接相连。图5.6 RS485接口电路由 MCU 输出的状态控制引脚直接控制 RSM485CT 芯片的发送器/接收器使能引脚 5。控制信号为高电平，则 RSM485CT 芯片的接收器有效，发送器禁止，此时 MCU 可以接收来自 RS485 总线的数据字节；当控制信号为低电平时，则RSM485CT 芯片的发送器有效，接收器禁止，此时 MCU 可以向 RS485 总线发送数据字节。在引脚 A 与 B 之间连接一个 LED 灯，用于直观判断 485 线路上是否存在数据通信。虽然 RSM485CT 芯片本身已经集成了有效的 ESD 保护电路，但是由于泵房工作环境的恶劣性，为了确保系统通信的稳定性与安全性，在核心板的设计时在RS485 芯片外围增加了额外的保护电路。电路图中，钳位于 6.8V 的瞬变电压抑制二极管 D1 与 D2 并接到大地上，用于避免 RS485 总线由于外界干扰（比如雷击或者浪涌等）产生的高压损坏 RS485 芯片。5.2 CPU板硬件电路设计5.2.1 CPU板总体框架设计CPU 板以核心处理单元为中心，拓展应用接口，以实现控制器的数据收集、数据发布、人机交互等功能，其框架结构如图 5.7 所示。图5.7 CPU板框架图5.2.2电源模块整个控制器由一个 24VDC 电源供电，提供最大 1.5A 电流。CPU 板需要为核心处理单元模块提供 5VDC 电源，同时需要给液晶、指示灯和 DTU 提供 24V 电源，因此需要考虑好足够的硬件接口。此电源模块同时被应用到各个功能模块，体现了硬件的模块化设计思想。电源部分的电路如图5.8所示。图5.8 电源模块电路图本电源模块选用的是 LT1375 降压开关稳压器，开关频率恒定为 500kHz，输入电压可高达 35V，输出 5V 电压，电流最高可达 1.5A。输入端前端首先放置一块FSMD150 自恢复保险丝，最大工作电流为 1.50A，最大工作电压为 33VDC；整流二极管 IN4007 正向电流为 1A；输入电容 CP1 与 CP2 用于滤波，为 LT1375 电源芯片提供良好的低阻抗源，提升瞬态电流。同时在输出端也放置同样大小的输出电容 CP6 与 CP5，可改善瞬态响应和稳定性，它们在 PCB 设计时需尽可能的靠近LT1375。输出端用一个红色 LED 灯串联限流电阻来指示是否有 5V 电源输出。LP1 电感具有滤波的作用，提高电源质量。LT1375 的反馈（FB）引脚是用于设置输出电压，也提供过载保护功能。通过选择最常见电阻的阻值使 RP2 与 RP3 通过分压得到最接近 2.42V 的监控电压。同步引脚与关断引脚都不使用，悬空处理。5.2.3电量采集模块电量采集计量模块的设计是以电能计量芯片 ATT7022B 为核心，ATT7022B封装为 44 脚 QFP 形式，外部硬件电路主要包括电压及电流模拟量输入、脉冲输出、电源及 SPI 通讯接口等电路的设计。ATT7022B 是一个半导体集成芯片，因此不能将高电压或大电流信号直接输入芯片进行测量。为了便于测量外部的电力参数，必须先将电力信号经过隔离转换之后再输入 ATT7022B 进行测量。本设计中 ATT7022B 的电压模拟输入电路设计原理图如图 5.9 所示，电流模拟输入采用电流采样单端输入模式，电路设计原理图如图 5.10 所示。该部分电路主要由电流互感器、抗混叠滤波器和参考电压输入电路组成。从互感器出来的信号，经过滤波处理后，消除了干扰信号，再叠加上一个参考电压信号，即可送入 ATT7022B 的 AD 转换器进行采样。这样，就完成了输入信号的采集工作。如图5.9和图5.10所示。图5.9 电压模拟输入电路图图5.10 电流模拟输入电路图电压互感器(PT)和电流互感器(CT)是电力系统中用于测量、保护和控制的重要设备。电测仪表一般都是低压系统，不能直接对高电压、大电流进行测量。因此，电流须先经过电流互感器(CT)进行电流变换，电压须先经过电压互感器(PT)进行电压变换，将高电压大电流的信号转化为低电压小电流的信号之后，再进行安全的测量。PT 的主要作用是将输入的高电压变换成适合于测量仪表等工作的低电压，CT是电力系统中广泛采用的电流传感及变送设备，它将高电压系统的电流或低电压系统的大电流变成低电压的标准电流信号，传送给一次设备进行测量、控制和保护。电力互感器在电力系统中具有广泛的应用，无论是生产电能、变换电能还是传输电能的设备，也无论是低压小功率设备还是高压大功率动力系统，电力互感器都是不可缺少的一部分，它使测量仪表与高压装置在电气方面很好地的隔离，保证工作人员和设备的安全；当电力系统发生短路故障时，可使仪表和继电器的电流线圈不受冲击电流的影响而损坏。ATT7022 的电压输入范围 0V-1V，电流输入范围为 2mV-1V，因此本设计选用规格为 1.5A/5nA 的电流互感器和 220V/0.5V的电压互感器，将电网的高电压大电流信号转换为低电压小电流的信号，再送入ATT7022B 进行 AD 采样，满足系统的要求。5.2.4时钟芯片电路控制器需要一个比较精确的时间值，以用于对比、记录、显示等功能。因此在 CPU 板上采用一块 DS1307 时钟芯片，它是一款低功耗，具有 56 字节非失性RAM 的全 BCD 码时钟日历实时时钟芯片，可提供秒、分、小时、天数、日期、月份、年份等信息。 它通过与 CPU 进行数据传输。可连接多个具有总线接口的器件，每类器件都有唯一确定的地址号，以便在器件间进行数据传送。总线是同步串行数据传输总线，其内部为双向传输电路，端口输出为开漏结构，故总线上必须有上拉电阻，通常可取 5l0K 欧。 芯片有一个内置的电源感应电路，具有掉电检测和电池切换功能。当 VCC 低于 VBAT 时，芯片就会切换到电池备份模式；当 VCC 恢复到大于 VBAT+0.2V 时，芯片就会由 VCC 供电；当 VCC 大于 1.25 倍 VBAT 时，存取就可以正常进行。X1、X2 引脚接标准 32.768kHz 石英晶振。频率方波输出引脚悬空处理。SDA 串行数据引脚与 SCL 串行时钟上拉 10K 电阻，保证通信的稳定与可靠性。电路如图5.11所示。图5.11 时钟芯片电路图5.2.5LCD接口电路目前市场上有三种最常见的显示模块：液晶（LCD）、发光二极管（LED）和场致发光（EL）三种。其中液晶（LCD）显示模块具有功耗低、对比度可调、像素高、尺寸大等优点，符合本控制器在显示方面的要求。同时，LCD 在选择的时候，有纯粹的 LCD 液晶屏，也有集成了驱动电路的智能显示终端。综合考虑到成本与开发因素，本控制器采用北京精锐力航公司开发的 JC70HD 型智能液晶显示终端，它支持 RS232 与 RS485 通信接口，7 寸液晶屏幕、800*480 图形点阵、65536色、通过串口可下载调用图片多达千张、内部集成各种大小字库、还可以用户自己制作字库、可以显示文字、整数和小数。支持 530V 宽电压供电。对液晶的操作完全通过液晶通信协议，无需编写底层点阵驱动程序，极大的降低了开发难度与周期。该液晶模块的引脚定义如表5.1所示：表5.1 液晶模块的接口定义5.2.6键盘管理电路（南非城市）键盘输入电路用于接收按键输入并通知微处理器完成按键功能，支持多按键同时操作。MCU 的 IO 口数量有限，因此有必要对 IO 进行扩展，本设计使用了 8 位移位寄存器 SN74HC165D(并行输入，串行输出)来读取按键状态，对按键进行管理。由于按键较多，系统使用了两片 SN74HC165D 来读取按键状态。两个 SN74HC165D的 16 个并行载入管脚平时被 4K7 的电阻上拉到高电平，如果有相应的按键按下，则对应的管脚被置低，把 16 位数据串行读入到微处理器，根据不同的数值判断按键的情况。CPU 每 10ms 读取一次按键值，并且根据相应的键值做出处理。SN74HC165D 通过管脚 K-SO 与微处理器通信，当移位/置入控制端(SH/LD)管脚为低电平时，并行数据(A-H)被置入寄存器，而时钟(CLK，CLK INH)及串行数据(SER)均无关。当 SH/LD 为高电平时，并行置数功能被禁止。CLK 和 CLK INK 在功能上是等价的，可以交换使用。当 CLK和 CLK INK 有一个为低电平并且 SH/LD 为高电平时，另一个时钟可以输入。当CLK 和 CLK INK 有一个为高电平时，另一个时钟被禁止。只有在 CLK 为高电平时 CLK INK 才可变为高电平。单个按键的电路如图5.12所示。bandage n. 绷图5.12 键盘管理电路图5.3系统可靠性设计Obon n. （日本）盂兰盆节5.3.1 PCB防干扰before long 不久以后首先采用模块化布局，尽可能降低传输通道之间的干扰与耦合。将相互关联的元器件放置在一起；将数字电路与模拟电路、外部电源与内部电源、高速与低速器件分开；将容易产生电磁干扰的元器件或者电流大的元器件和逻辑电路放置得远点。 regulation n. 规则；规章；法规在 PCB 设