住宅公用路灯用电量分配装置的设计

. 精选文档 住宅公用路灯用住宅公用路灯用电电量分配装置的量分配装置的设计设计 目目 录录 项目概况项目概况.1 1 1 课题简介课题简介.1 1.1 单片机的简单介绍.1 1.2 社会需求.2 1.3 立题意义.3 2 2 住宅公用路灯用电量分配装置工作原理与用途住宅公用路灯用电量分配装置工作原理与用途.3 2.1 住宅公用路灯用电量分配装置.3 2.2 用电量的分配原理.3 2.3 系统总体方案的确定.4 3 3 系统电原理图设计系统电原理图设计.5 3.1 主系统设计及其分析.5 3.2 执行分配的继电器电路设计及其分析.5 3.3 系统供电电源电路设计及其分析.6 3.4 住宅公用路灯用电量分配装置的应用示例 .6 4 4 可靠性问题可靠性问题.6 4.1 看门狗电路.6 4.2 长期运行须考虑的安全性问题.11 5 5 软件结构及程序清单软件结构及程序清单 .12 5.1 软件结构及其说.12 5.2 程序设计思想与具体程序清单.14 致致 谢谢.17 参考文献参考文献.18 附录附录.19 附录 1 电用量分配装置原理图.19 附录 2 主系统电原理图.20 附录 3 应用示例.21 . 精选文档 . 精选文档 项目概况项目概况 本课题的设计目标是利用单片机基础知识、汇编语言等技术设计出用电量分配装置能快速 准确的使楼道内的路灯用电的电费能自动的分摊到用户的电表中去，以便解决用户安装路灯后费 用收缴不方便的难题。本设计只有采用智能化才能满足（成本因素、功能因素、性能因素等）功 能要求。为此，本设计选择了 ATMEL 公司的 51 系列单片机 89C2051 作为控制核心，它的掉电运 行模式能满足低功耗的要求。 该系统的设计要点为： 系统时钟为 1MHZ，目的是减少系统功能。因为系统对运行速度要 求很低，外围继电器的动作时间和路灯按键的响应时间，均为 ms 级以上。 环境照度检测电路 采用单电源比较器 LM393 实现。当环境照度变低，使得光敏电阻的阻值大于 100 千欧时, 比较器 LM393 翻转,1 脚输出为低电平送入单片机引脚 P30。单片机根据此引脚电平状态决定是否可以使 用路灯。 路灯点亮按钮电路。当任何一个楼层住户门口的路灯按钮按下时，均会通过光电耦合 器 TL521-2，使得单片机 P32 引脚产生一个负跳变，从而触发外中断 INTO，唤醒单片机，控制继 电器电路动作，点亮路灯。当然，路灯能否点亮首先取决于 P30 的状态。 看门狗及复位电路由 MAX813L 实现。MAX813L 本身具有上电复位、手动复位功能，同时利用内含的看门狗电路，保 证系统能自动从死机状态恢复正常工作。P33 为喂狗信号输出引脚。只要保证能及时喂狗，就能 避免系统复位。 继电器接口电路均采用光电隔离，以提高系统的抗干扰能力，实现强、弱电系 统的隔离。为了降低功耗，采用工作电压为 12V 的小型封装继电器。因为 5V 继电器的驱动电流 大，功耗也会提高。继电器电路动作设计的关键是继电器触点合、断的延时时间，必须考虑继 电器的动作有一定时滞，否则，会出现上个继电器尚未彻底断开，下一个继电器已经动合的现象， 使得系统分配精度出现较大误差，甚至不能正常分配。主系统采用+5V 电源。为了降低成本， 采用“变压器降压整流滤波稳压”的线性电源。这里选用了 78M05 3 端稳压器。变压器尽 管与继电器工作电源所需的变压器为同一变压器，但绕组副边独立，减小相互影响。 继电器工 作电压为+12V，考虑到继电器对电压要求不是很高的特点，这里采用“变压器降压整流”的 方式，没有稳压，同时也没有大容量电容滤波。这是在实际开发过程中，发现如果有大容量电容 滤波，会出现继电器动作失常的现象。原因是：大容量电容储存的电能使得继电器关断时间延长。 虽然已经考虑到继电器动作存在延时的问题，但还导致上个继电器没有关断，下个继电器动合的 现象。 本设计的主要任务是实现单片机对用电量分配装置的智能化控制。要实现电费的自动分摊； 保证系统死机后的自恢复；保证系统长年累月的进行；保证装置本身的安全性。本文针对 以上几方面，对住宅公用路灯用电量分配装置设计了一些可行性方案，并对这些方案进行了分析。 1 1 课题简介课题简介 1.1 单片机的简单介绍 单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称单片机，是指集成在一块芯片上的计算机， 它具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等优点，在许多行业都得到了广泛的 应用。在航天航空、地质石油、冶金采矿、机械电子等许多领域单片机都发挥了巨大作用。 单片机又称单片微控制器, 它由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基 本部分组成。还有单片机是把包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入输出口电路、 串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。尽管目前单片机的品种很多， 但其中最具有代表性的当属 INTEL 公司的 MCS-51 系列的单片机，MCS-51 是在 MCS-48 的基础上 于 80 年代初发展起来的，虽然它仍然是 8 位的单片机，但其功能有很大的增强；此外它还具有品 种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点，因此，应用非常广泛，成为继 MCS-48 之后最重要 的单片机品种。直到现在 MCS-51 仍不失为单片机中的主流机型。 MCS-51 单片机的典型芯片是 8031、8051、8751。8051 内部有 4KB ROM，8751 内部有 4KB . 精选文档 EPROM，8031 内部无 ROM；除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。 MCS-51 单片机内部的各个部件分别是中央处理器（CPU） 、内部数据存储器、内部程序存储 器、定时器/计数器、并行 I/O 口、串行口、中断控制系统、时钟电路、位处理器、总线。下面分 别对单片机的内部存储器和程序存储器以及五个中断源地址区做一些介绍： (1) 内部数据存储器。 内部数据存储器的低 128 单元，它包括了寄存器区、位寻址区、用户 RAM 区。 内部数据存储器高 128 单元，这是为专用寄存器提供的，地址范围为 80HFFH。所谓专 用寄存器是区别于通用寄存器而言的，即这些寄存器的功能或用途已作了专门的规定，用于存放 单片机相应部件的控制命令、状态或数据等。 (2)内部程序存储器。 80C51 芯片内有 4K ROM 存储单元，其地址为 0000H0FFFH，这就是我们所说的内部程序 存储器（或简称“内部 ROM” ） 。无论是片内或是片外存储器（对于无片内 ROM 的单片机） ，在 程序存储器中有一组特殊的保留单元 0000H002AH， (3)五个中断源地址区。 五个中断源的中断地址区是：0003H002AH。 0003H000AH 外部中断 0 中断地址区。 000BH0012H 定时器/计数器 0 中断地址区。 0013H001AH 外部中断 1 中断地址区。 001BH0022H 定时器/计数器 1 中断地址区。 0023H002AH 串行中断地址区。 中断响应后，系统能按中断种类，自动转到各中断区的首地址去执行程序。因此在中断地址 区中本应存放中断服务程序。但通常情况下，8 个单元难以存下一个完整的中断服务程序，因此 一般也是从中断地址区首地址开始存放一条无条件转移指令，以便中断响应后，通过中断地址区， 再转到中断服务程序的实际入口地址去。 MCS-51 单片机系统的存储器结构特点。 单片机的存储器结构有两个重要的特点：一是把数据存储器和程序存储器截然分开，二是存 储器有内外之分。总的来说，由芯片内存储器和芯片外扩展存储器构成了单片机应用系统的整个 存储器系统。MCS-51 单片机还有重要的四个物理空间（片内 RAM、片内 ROM、片外 RAM、片 外 ROM），三个独立的逻辑空间（片内 RAM 空间：00HFFH、片内外统一编址的 ROM 空间： 0000HFFFFH、片外 RAM 空间：0000HFFFFH）。 单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算、逻辑运 算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU），随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储 器（ROM），输入输出电路（IO 口），还会包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动 电路（LCD 或 LED 驱动电路），脉宽调制电路（PWM），模拟多路转换器及 AD 转换器等电 路集成到一块单块芯片上构成一个最小而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、 迅速、高校地完成程序设计者事先规定的任务。 由此看来，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智 能化控制功能，这是单片机的最大特征。 1.2 社会需求 漫步在繁华的现代化的大都市的大街上,随时都可以看到街上有很多 ATM 自动柜员机,十字路 口的交通灯.我们的手机,家里的数码电视机、数码音响、遥控器、空调、智能玩具等等。 这些“高科技”看上去如此神秘，它到底是怎样构成的？它是通过怎样的程序和怎样的方式 来完成这一系列指令的呢？其实这些都是用单片机来控制的，单片机在我们的生活中触手可及， 单片机给我们的生活带来了便利。 . 精选文档 诚然，单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从 根本似的行改变了传统的控制方法和设计思想。是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的 导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制 和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自 动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域 的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与 智能化控制的科学家、工程师。科技越发达，智能化的东西就越多，使用的单片机就越多。单片 机的学习是社会发展的需要。 1.3 立题意义 “住宅公用路灯用电量分配装置”是为了解决商品住宅楼内公用路灯的收缴费用问题。此装 置的设计包括系统硬件框图结构，部分主要功能模块（单片机芯片 AT89C2051，复位及看门狗电 路 MAX813L，继电器接口电路等组成）和单元电路，软件编程思想及设计中应考虑和解决的几 个主要问题。采用住宅公用路灯用电量分配装置可将商品住宅楼内公用路灯的电费自动分摊到用 户电表，解决用户的后顾之忧，给生活带来了便利。系统设计中所涉及的硬件多为目前常用的型 号和系列。住宅公用路灯用电量分配装置具有低功耗；具有可靠性；具有安全性；具有低成本等 特点。该电量分配装置具有实用价值。本电量分配器在绝大多数时间里处于待机工作状态 ,只有 在使用路灯或进行点灯时间的调整时通过按键才能被唤醒 ,进入正常工作状态。另外 ,由于看门狗 的作用 ,可在系统死机时自动恢复正常。因此 ,它不仅具有较高的稳定性、可靠性和安全性 ,而且 还具有低成本的特点 ,易于为住户接受。 2 2 住宅公用路灯用电量分配装置工作原理与用途住宅公用路灯用电量分配装置工作原理与用途 2.1 住宅公用路灯用电量分配装置 随着人民生活水平的提高和住房制度的改革的深入，越来越多的居民买了商品房，住进了商 品住宅楼。这些改变提高了广大居民生活的文明程度。随之而来的问题是，原来单位住宅楼是由 单位安装路灯并由单位负责缴费的，楼内居住的单位职工不用担心没路灯和收缴费用的问题；而 商品楼内的住户来自不同的单位，要不要安装路灯？装了路灯后费用如何收取？这就出现了所谓 的路灯问题。为什么呢？ 不安装路灯不便利。 安装路灯后费用收缴不方便。 很多城市已普及了 1 户 1 表，小区的路灯用电从哪里来？目前往往采用以下 2 个办法解决， 为每个楼道路灯接一电表。此法需要根据电表度数人工分摊后，有人上门挨户定期收费， 十分不方便。 路灯接入楼道内某住户电表，大概估算后由各住户协商出资。此法容易引起纠纷。 鉴于以上情况，楼道路灯问题正日益成为住房商品化后的一大问题。住宅公用路灯用电量分 配装置 正是为了彻底解决楼道路灯的费用分摊问题而设计的。采用该装置后，楼道路灯的电费能 自动分摊到住户各自的电表内，解决了住户的后顾之忧，给生活带来了便利。 2.2 用电量的分配原理 住宅公用路灯用电量分装置主要解决电费的自动分摊问题，而电费的分摊是如何实现的呢， 下面讨论电费的分摊（分配）原理。 众所周知，电费是按照用电度数每度单位电费计算的，因此，在某种意义上说，电费即用 电量（度数） ，而用电量即电能=功率小时数（即时间） ，所以在电器功率一定的前提下，电费 的分配就是时间的分配问题，也就是说，每户承担一定时间的路灯供电任务。住宅公用路灯用电 量分配装置的电费分配就是用电量的分配，其原理如图 2-1（见附录 1）所示。只要分时依次控制 开关 S1、S2Sn 接通，即可实现所有路灯用电量的分摊。这里关键是各开关的控制问题，要求 . 精选文档 每次上个开关断开后，下个开关接通，并且在任何时刻只允许有一个开关 处于接通状态。 假设电费用 F 表示，电价用 J 表示，用电度数用 W 表示，路灯功率用 P 表示（KW） 点灯总时间用 t 表示（h）, 则各物理量之间的关系为： F=WJ， W=Pt 如有 N 住户分摊电费，则每户所承担的电费 Fi =Fn=WJn=PTJN=P（tn）J 2.3 系统总体方案的确定 按照用电量分配原理和分配装置的用途，在确定系统方案时至少要考虑以下一些因素。 （1）成本因素 普通电表或各种电子计算电表的价格相对较低，每个楼道必须安装一个此分配装置，因此， 必须考虑住户的心理接受倾向，生产成本不能太高，最好与普通电表接近。这样才能为住户所认 可，也才有市场推广价值。 （2）功能因素 显然，本分装置的主要功能是楼道路灯用电量的自动分摊，但同时也必须考虑其他一些附加 功能，例如，为了节约用电，必须具有根据环境照度控制路灯使用的功能。 （3）性能因素 性能因素至少有这样一些方面， 可靠性。必须能可靠实现用电量的分配，同时必须确保不会因为外界干扰引起误动作等。 安全性。主要是指装置本身的安全运行和路灯使用者的安全 2 方面，即装置本身不会出现过 热烧毁等问题以及使用者不会触电等。 低功耗。因为该装置接在公用电网中，作为一个电子装置本身一定要耗能，但功耗过高，则 电力部门每年承担的电力损失就会非常大，也会影响产品应用。 基于上述原因，确立以下方案， 2.3.1 智能化设计 显然，只有采用智能化设计才能满足功能要求。为此，选择了 ATMEL 公司的 51 系列单片机 89C2051 做为控制核心它的掉电运行模式能满足低功耗的要求。ATMEL 公司生产的此型号单片机 是一种低功耗、高性能的 8 位 CMOS 微处理器芯片。片内带有 2KB 的闪烁可编程及可擦除只读存 储器，与工业标准的 80C51 指令集相兼容，DIP20 封装。片上的 EPROM 允许在线对程序存储器 重新编程，也可用常规的非易挥发存储芯片编程器编程。 AT89C2051 是一带有 2KB FLASH 可编程、可擦除只读存储器（EEPROM）的低电压、高性 能 8 位 CMOS 微型计算机，引脚如上图。它的特点可归纳为： 与 MCS-51 产品兼容，低功耗的闲置与掉电模式； 2KB 的在线可重复编程闪烁存储器寿命：1000 次写/擦除周期，数据保存期：10 年； 宽工作电压范围：Vcc=2.76V； 全静态工作方式：024MHz； 2 级程序存储器锁定； 1288 位内部 RAM； 15 条可编程 IO 口线； 2 个 16 位定时计数器； 5 个两级中断源； 可编程串行中断； 在 AT89 系列的单片机中，除了并行 IO 断口数较少之外，其他部件结构基本与 AT89C51 类似，被称为低档是因为其引脚只有 20 条，比标准型的 40 条引脚少得多。典型的低档型单片机 有 AT89C1051 和 AT89C2051 两种型号。 . 精选文档 AT89C2051 的 FLASH 存储器只有 2KB；RAM 只有 128 字节；保密锁定位有 2 位。正因为他 们的功能比标准型 AT89C51 要弱，所以他们处于低档位置。 2.3.2 低功耗设计 用电量分配装置只有在使用路灯时，才处于正常工作状态，此外绝大多数时间，处于待机状 态，因此，必须采用掉电模式睡眠待机、通过按键唤醒投入正常工作的运行模式。 数据的掉电模式 外部扩展 RAM 单元采用 CMOS 工艺的 6264 芯片，目的是配合系统功耗要求，适应电池供电 的需要；而且，该芯片也充分考虑了掉电保护的需要，具有双片选结构。此系统的掉电保护比较 特殊，当采样周期开关打在“9”挡时，则表示不采样数据，系统转入掉电保护状态。 （1）数据掉电保护的实质 所谓数据掉电保护，指的是单片机应用系统存储 RAM 中的数据在系统主电源失效或撤消的情 况下，能有效地保存下来，以便主电源恢复后使用的一种措施。RAM 介质数据掉电保护的实质是， 在主电源失效的全过程中和失效期间使数据不被改写并维持下来。具体地说有以下 2 个方面： 封锁失效过程和失效期间的写操作； 维持系统主电源失效后 RAM 介质的电源，以保存数据不被挥发。 （2）数据掉电保护的几种实现方式 目前单片机应用系统的数据掉电保护经常采用的方法有： 采用 EEPROM 介质或 FLASH 介质等新型介质，作为数据的存储介质，代替单片机应用系统 原来采用的传统的 RAM 介质。 仍然采用传统 RAM 介质，但采用新型的掉电保护电路，实现数据的掉电保护。一般来说，常 采用电源监视芯片来实现，如 MAXIM 公司的 MAX813L 或 IMP 公司的 IMP805L 等。 直接采用封装的不挥发掉电保护芯片代替“RAM+掉电保护电路” 。 本系统采用了第二种方法。看门狗电路选用了 MAX813L,这种电源监视器件的功耗很低,其主 要功能后面章节有所叙述。 3 3 系统电原理图设计系统电原理图设计 3.1 主系统设计及其分析 按照上述方案设计的主系统电路原理图如图 3-1 所示。 （见附录 2） 现对该系统的设计要点做简单分析。 系统时钟为 1MHZ，目的是减少系统功能。因为系统对运行速度要求很低，外围继电器的 动作时间和路灯按键的响应时间，均为 ms 级以上。 环境照度检测电路采用单电源比较器 LM393 实现。图 3-1 中的 R6 为光敏电阻，当环境照 度变低，使得该电阻的阻值大于 100 千欧时, 比较器 LM393 翻转,1 脚输出为低电平送入单片机引 脚 P30。单片机根据此引脚电平状态决定是否可以使用路灯。 路灯点亮按钮电路。图 3-1 中的 S1Sn 为分布于各楼层住户门口的路灯按钮。当任何一个 按下时，均会通过光电耦合器 TL521-2，使得单片机 P32 引脚产生一个负跳变，从而触发外中断 INTO，唤醒单片机，控制继电器电路动作，点亮路灯。当然，路灯能否点亮首先取决于 P30 的状 态（即环境照度） 。 看门狗及复位电路由 MAX813L 实现。MAX813L 本身具有上电复位、手动复位功能，同时 利用内含的看门狗电路，保证系统能自动从死机状态恢复正常工作。P33 为喂狗信号输出引脚。 只要保证能及时喂狗，就能避免系统复位。 继电器接口电路均采用光电隔离，以提高系统的抗干扰能力，实现强、弱电系统的隔离。 为了降低功耗，采用工作电压为 12V 的小型封装继电器。因为 5V 继电器的驱动电流大，功耗也 会提高。 . 精选文档 3.2 执行分配的继电器电路设计及其分析 本装置设计的楼道住户为 12 户，符合国内大多数住宅楼每个楼道 12 户（62）的要求，因 此，分别由 12 路继电器担当各住户分时供电的切换功能。继电器线圈分别由 US1US2 驱动，继 电器动合触点的一端接每个住户的用户侧相线 L1L12，另一侧并接作为路灯的相线 LINE。设计 的电原理图如图 3-2 所示。 继电器电路动作设计的关键是继电器触点合、断的延时时间，必须考虑继电器的动作有一定 时滞，否则，会出现上个继电器尚未彻底断开，下一个继电器已经动合的现象，使得系统分配精 度出现较大误差，甚至不能正常分配。 D12 J12 D11 J11 D9 J9 D10 J10 D8 J8 D7 J7 D5 J5 D6 J6 D4 J4 D3 J3 D1 J1 D2 J2 US11 L11 US9 L9 US7 L7 US12 L12 US10 L10 US8 L8 US6 L6 US5 L5 US3 L3 US4 L4 US2 L2 US1 L1 Vss 图 3-2 执行分配的继电器电路图 3.3 系统供电电源电路设计及其分析 系统电源电原理图参见图 3-3。 （1）主系统电源电路 主系统采用+5V 电源。为了降低成本，采用“变压器降压整流滤波稳压”的线性电源。 这里选用了 78M05 3 端稳压器。变压器尽管与继电器工作电源所需的变压器为同一变压器，但绕 组副边独立，减小相互影响。 （2）继电器工作电源 继电器工作电压为+12V，考虑到继电器对电压要求不是很高的特点，这里采用“变压器降 压整流”的方式，没有稳压，同时也没有大容量电容滤波。这是在实际开发过程中，发现如果 有大容量电容滤波，会出现继电器动作失常的现象。原因是：大容量电容储存的电能使得继电器 关断时间延长。虽然已经考虑到继电器动作存在延时的问题，但还导致上个继电器没有关断，下 个继电器动合的现象。 上述电源中所用的电源变压器功率为 10W。必须选用空载功耗小的变压器；否则，功耗大大 增加，而且变压器自身发热严重，根本无法适合长期运行。 3.4 住宅公用路灯用电量分配装置的应用示例 该装置的应用示例如图 3-4 所示。 （附录 3） . 精选文档 4 4 可靠性问题可靠性问题 作为小电子产品，用在长期连续工作状态下，因此必须十分重视系统的可靠性问题。在本装 置的设计中，主要考虑了这些方面： 系统死机后的自恢复问题； 系统能不能保证长年累月的运行。 为了解决这些问题，设计中是通过系统的监视定时器（即看门狗电路“WDT” ）以及元器件 的合理选用等方面来实现的。 4.1 看门狗电路 看门狗电路选用了 MAX813L，也可选用 IMP813L。这 2 种电源监视器件的功耗都很低，主要 功能有 3 个：复位；电源电压监视；看门狗定时器。其特性如下： 1 2 3 4 B2 1 2 3 4 B1 T1 C1 1000uf C4 0.1UF 13 2 Vin Vout GND 78M05 V1 C2 1000ufC3 VCC 图 3-3 系统电源电路图 加电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出，复位脉冲宽度典型值为 200ms; 独立的看门狗输出，看门狗输入为 1.6S； 1.25V 门限值检测器，用于电源故障报警、电池低电压检测或+5V 以外的电源监控内未被触 发，其输出将变为高电平； 低电平有效的手动复位输入； 8 引脚 DIP 封装。 4.1.1MAX813L 芯片及其工作原理 （1）芯片特点 生活中的干扰大多是以窄脉冲的形式出现，而最终造成微机系统故障的多数现象为“死机”。 究其原因是 CPU 在执行某条指令时，受干扰的冲击，使它的操作码或地址码发生改变，致使该条 指令出错。这时，CPU 执行随机拼写的指令，甚至将操作数作为操作码执行，导致程序“跑飞” 或进入“死循环”。为使这种“跑飞”或进入“死循环”的程序自动恢复，重新正常工作，一种 有效的办法是采用硬件“看门狗”技术。用看门狗监视程序的运行。若程序发生“死机”，则看 门狗产生复位信号，引导单片机程序重新进入正常运行。加电、掉电以及供电电压下降情况下的 复位输出，复位脉冲宽度典型值为 200 ms。 . 精选文档 （2）MAX813L 的引脚及功能 MAX813L 芯片引脚排列见图 4-1 各引脚功能及工作原理如下： 手动复位输入端（/MR）：当该端输入低电平保持 140 ms 以上，MAX813L 就输出复位信 号.该输入端的最小输入脉宽要求可以有效地消除开关的抖动。/MR 与 TTL/CMOS 兼容。 工作电源端（VCC）：接+5V 电源。 电源接地端（GND）：接 0 V 参考电平。 电源故障输入端（PFI）：当该端输入电压低于 125 V 时，5 号引脚输出端的信号由高电 平变为低电平。 电源故障输出端（/PFO）：电源正常时，保持高电平，电源电压变低或掉电时，输出由高 电平变为低电平。 VCC GND PFI WDI MAX813L PFO WDOMR 8 RST7 6 54 3 2 1 图 41 MAX813L 芯片 看门狗信号输入端（WDI）：程序正常运行时，必须在小于 16 s 的时间间隔内向该输入 端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器。若超过 16 s 该输入端收不到脉冲信号， 则内部定时器溢出，8 号引脚由高电平变为低电平。 复位信号输出端（RST）：上电时，自动产生 200 ms 的复位脉冲；手动复位端输入低电平 时，该端也产生复位信号输出。 看门狗信号输出端（/WDO）：正常工作时输出保持高电平，看门狗输出时，该端输出信 号由高电平变为低电平。 （3）电路设计 基本工作原理 PD XTAL1XTAL1 图 42 单片机掉电方式控制电路 当电源电压降低或掉电时，会造成重要的数据丢失，系统不能正常运行。若设法在电源电压 振荡器 时钟发生器 中断串行口 定时器 . 精选文档 降至一定的限值之前，单片机快速地保存重要数据，将会最大限度地减少损失。 单片机的掉电工作方式电路原理图如图 42 所示：当 PD 设置为 1 时，激活掉电方式，此时 /PD0，与非门输出为低电平，时钟发生器停止工作，单片机内所有运行状态均被停止，只有片 内 RAM 和 SFR 中的数据被保存起来。在单片机系统中可借助于一定的外部附加电路监测电源电 压，并在电源发生故障时及时通知单片机（如通过引发/INTO 中断来实现）快速保存重要数据， 且断开外围设备用电电源，使整个应用系统的功耗降到最少。当电源恢复正常时，取消掉电工作 方式，通过复位单片机，使系统重新正常工作。 硬件实现电路图 图 43 给出了 MAX813L 在单片机系统中的典型应用线路图。此电路可以实现上电、瞬时掉 电以及程序运行出现“死机”时的自动复位和随时的手动复位；并且可以实时地监视电源故障， 以便及时地保存数据。 本电路巧妙地利用了 MAX813L 的手动复位输入端。只要程序一旦跑飞引起程序“死机” ， /WDO 端电平由高到低，当 /WDO 变低超过 140 ms，将引起 MAX813L 产生一个 200 ms 的复位 脉冲。同时使看门狗定时器清 0 和使 /WDO 引脚变成高电平。也可以随时使用手动复位按钮使 MAX813L 产生复位脉冲，由于为产生复位脉冲/MR 端要求低电平至少保持 140ms 以上，故可以 有效地消除开关抖动。该电路可以实时地监视电源故障（掉电、电压降低等）。图 43 中 R1 的 一端接未经稳压的直流电源。电源正常时，确保 R2 上的电压高于 126 V，即保证 MAX813L 的 PFI 输入端电平高于 1.26 V。当电源发生故障，PFI 输入端的电平低于 125 V 时，电源故障输出 端 /PFO 电平由高变低，引起单片机 /INTO 中断，CPU 响应中断，执行相应的中断服务程序， 保护数据，断开外部用电电路等。 RST 7 WDI 6 PFO 5 MR 1 WDO 8 PFI 4 MAX813L RESET P1.7 INTO 80C5174HC08 R3 200K R2 1K +12V VCC R1 10K C1 22uF 图 43 MAX813L 在 80C51 单片机系统中的应用连接电路图 4.1.2 抗干扰程序设计 （1）程序运行“死机”及相应对策 程序正常运行时，由主程序在小于 16 s 的时间间隔内周期性地从 P17 端向 MAX813L 的 WDI 输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器。实现指令为： RSTPRG：SETB P17 NOP CLR P17 若超过 16 s 该输入端收不到脉冲信号，则内部看门狗定时器溢出，8 号引脚由高电平变为 . 精选文档 低电平。引起 MAX813L 产生一个 200 ms 的复位脉冲。同时使看门狗定时器清 0 和使 /WDO 引脚 变成高电平。 需要引起注意的是，整个单片机系统完成复位后，在 PC 指针的指引下整个程序将从 0000H 地址处重新开始初始化运行，而这在很多情况下是不允许的（如连续的工艺流程），为此必须采 取相应的措施。首先在对单片机系统完成复位后，程序应该先判断是开机运行（冷启动）还是运 行过程中“死机”之后的重新加载运行（热启动）。 因为一般情况下在这两种启动方式下，系统程序在进入主流程前所要做的工作往往不同。如 冷启动后，系统程序在初始化程序中往往要进行系统资源的自检以及将各外围设备设置为相应的 待机状态等。而热启动后往往不再对系统的资源自检，同时应尽量避免对各外围设备修改设置， 只是对单片机系统本身的一些资源进行必要的设置工作。其次，在大多数情况下，我们总可以把 一个连续的过程分解开来，把它变成一个个独立的子过程（状态）组成的连续过程。 在主程序运行过程中，适时保存相应状态和该状态下的相关参数。这样当程序运行出现“死 机”，在 MAX813L 作用下系统复位和初始化后，将首先查询事先保存的状态参数，然后根据此 参数决定程序的流向。同时把该状态下事先保存的参数取出，对系统外围设备进行必要的恢复设 置工作和引导程序继续运行。根据这一思想设计的系统程序流程图如图 44 所示。 （2）电源故障及相应对策 当电源发生故障时，引起单片机 /INTO 中断，CPU 响应中断，执行相应的中断服务程序， 保护数据，断开外部用电电路等。为了做到这一点，必须把 /INTO 中断优先级（PX0）设为最高， 特别是系统中还有其它中断时，更应如此。中断优先级的设置可通过中断优先寄存器 IP 实现，此 外还要设置中断允许寄存器 IE 的总允许位（EA）及外部中断 0 中断允许位（EX0）。实现指令为： SETB IP.0 ；设置 PX01 SETB IE.7 ；设置 EA1 SETB IE.0 ；设置 EX01 结束 进入主流程 Y N N N Y Y Y 开始 系统初始化 系统自检 冷启动吗？ 状态 1 吗？ 状态 N 吗？ 状态 2 吗？ 执行任务 1 执行任务 2 执行任务 N . 精选文档 图 44 系统监控程序流程图 至于中断源的触发方式。如果选择电平触发，则中断擦除时必须外加辅助电路，否则中断不 能正常执行；如果选择跳变触发，当 /INTO 端出现负跳变时，CPU 内部硬件自动置位中断标志 IE0，CPU 响应中断，通过向量地址转入中断服务程序时 IE0被硬件清 0。所以基于上述分析，必 须选用跳变触发方式。触发方式由定时器控制寄存器 TCON 中的 IT0位决定。实现指令为： SETB TCON0 设计好中断服务程序对于系统的连续可靠运行具有重要意义。在中断服务程序中，先保存重 要数据到片内 RAM（掉电时由备用电源供电，相应实现电路未画出）。发出控制信号断开外围设 备，最后把电源控制寄存器 PCON 的 PD 位置 1，激活掉电工作方式，中断返回。中断服务程序 实现如下（其中 R0 代表保存的数据在内存中的缓冲区首址，DPTR 代表要保存的数据在外部 RAM 中的缓冲区首址，R1 代表要保存的数据字节量）： INT0：MOVX A，DPTR ；保存数据 MOV R0，A INC R0 ；内存缓冲区指针加 1 INC DPTR ；外存缓冲区指针加 1 DJNZ R1，INT0 ；保存完？没完，继续保存 SETB PCON1 ；激活掉电方式 RET1 几乎所有的单片机都需要复位电路，对复位电路的基本要求是：在单片机上电时能可靠复位， 在下电时能防止程序乱飞导致 EEPROM 中的数据被修改；另外，单片机系统在工作时，由于干扰 等各种因素的影响，有可能出现死机现象导致单片机系统无法正常工作，为了克服这一现象，除 了充分利用单片机本身的看门狗定时器（有些单片机无看门狗定时器）外，还需 外加个看门狗 电路；除此以外，有些单片机系统还要求在掉电瞬间单片机能将重要数据保存下来，因掉电的发 生往往是很随机的，因而此类单片机系统需要电源监控电路，在掉电刚发生时能告知单片机。 MAXIM 公司推出的 MAX813L 刚好能满足这些要求。 本系统巧妙地利用 MAX813L 芯片，实现了单片机系统的看门狗电路、电源故障监视电路和 手动、自动复位电路，电路结构紧凑，设计合理。结合本文给出的程序抗干扰设计方案，可有效 地解决程序运行中出现的“死机”现象和电源故障带来的不利影响。在我们设计用电量分配装置 系统中实际运行表明：该方案设计合理，运行可靠，抗干扰能力强，达到了满意的使用效果，并 且可推广应用到其它的单片机控制系统中去。 程序正常运行时，必须在小于 1.6S 的时间间隔内向 WDI 输入端发送一个脉冲信号，以清除芯 片内部的看门狗定时器；若超过 1.6S 该输入端收不到脉冲信号，则内部定时器溢出，8 号引脚由 高电平变为低电平。 为了实现上述看门狗信号要求，在关键的延时子程序模块的适当地方加入了“喂狗”指令， 以免干扰程序正常运行。实现指令为： CLR P3.3 . 精选文档 NOP NOP SETB P3.3 4.2 长期运行须考虑的安全性问题 由于该装置的长期运行工况，因此必须考虑装置本身的安全性问题和装置安全性引发的其他 诸如人身安全性、住宅楼安全性等问题。这里的关键是要保证装置本身的安全性。以下从几个方 面进行简要阐述。 （1）功耗和散热问题 装置的功耗和散热问题是连在一起的。只有降低功耗，才能减少装置的发热，也才能从根本 上解决散热问题。 关于功耗问题，前面已经作了专门讨论，这里只说明一点。3 端稳压器和变压器均紧贴在装 置的金属外壳上，以金属外壳作为一个大散热体。由于此装置一般安装在配 电箱内，而配 电箱 一般又是金属外壳，这样又可促进散热，从外界解决了散热问题。 （2）装置故障引起的过流问题 由于装置本身的元器件失效导致系统过流，引发电力火灾等，这个问题比较容易解决。只要 在装置的电源进线的相线上串接快速熔断器，就足以保证避免此类现象的发生。 5 5 软件结构及程序清单软件结构及程序清单 5.1 软件结构及其说 软件设计的关键是继电器电路的切换。为了降低功耗，继电器组的切换是由外中断 INTO 唤 醒 CPU 实现的，切换的前提条件是环境光的照度。图 51、图 52 是该分配装置的软件结构图。 需要说明的是，按照本文设计的分配装置的路灯点亮时间是固定的，如需能自由调节，则由 于 2051 单片机的口线已用完，设置调节时间所需的电路无法接口，因此