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利用SLH89F5162和XRP7664可实时监测功耗的智能电表直流供电设计(一)——原理和硬件设计

2018-01-11 14:03更新
  • 干货下载
  • XRP7664降压芯片
  • TTL电平转换RS232信号
  • SLH89F5162最小系统

本次分享的是利用SLH89F5162可功耗实时监测的智能电表直流供电设计,从设计背景、原理概述、硬件模块等方面介绍。


设计背景?

随着科技的发展,数码、电子类型的产品遍布每个角落,而这些数码产品都需要有一个直流供电电源,传统的电源一般由220V转成直流,然后就直接供给设备使用,大部分并没经过保护措施,如过流或者过压、短路的保护,并且也不清楚该设备的实际功耗,并不清楚耗电情况。并且也不能定时自动开启该设备,往往只需要在一天的某个时间段运行,但由于忘记关电或者不方便关电往往也浪费了不必要的电。

设计智能直流供电及功耗表,正是为了解决上面描述的种种情况,解决诸多的供电保护问题及定时开关问题等。为设备提供了多一重的保护,多一点的智能,更能让你实时了解设备的耗电情况,以知道其在那种情况下是耗电最大或者最小的。


原理概述?

微信图片_20180111090109

智能直流供电及功耗表是由输入的电源作为源头,经过开关控制电路,再到输出采集电路,最后到输出端口,形成完整的供电及检测和保护链路,为设备提供有保障的直流电源。在该输入输出的链路中,开关控制电路可控制3种类型的电源输出,足够使用于低压或者需要稳压的供电场所;采集电路里分为电压和电流的采集,到SLH89F5162的ADC接口进行处理,运算得到相应的电压、电流值;在输出的一头,除了有软件实时检测过压过流情况外,硬件上也有自恢复保护管对供电进行硬件上的短路及过流保护,保障了设备的安全正常使用。所有采集的数据,以及配置信息,均显示在一个带中文的12864液晶屏上,实时让使用者看到数据,并且可对电压、电流的值进行限制,配置过压过流值,同时也可以在液晶上配置定时开启和关闭的时间。除了液晶的显示,还具有蜂鸣器、LED的醒目提示功能,能够直观快速的判断当前运行情况。


功能特点?

  • 外设可3路供电配置:自定、5V、3.3V;
  • 电压、电流、功耗可视:0.5秒采集一次,液晶上显示实时及平均值;
  • 2A硬件保护:带自恢复保险丝,在软件不起效果时,硬件限制过流;
  • 过压、过流保护:时刻监控设备电压电流值;
  • 定时开启和关闭设备:可定时到秒,每天准时开启和关闭;
  • 记录保存:告警和开关的时间记录在系统里,可随时查看;
  • 静电、浪涌保护,电源端均设有TVS管作为保护;
  • 液晶显示:时刻显示运行状态及电压电流值;
  • 串口数据输出:可制作上位机,将采集的数据在软件端画出曲线图,分析设备的用电情况。


模块介绍?

1.SLH89F5162最小系统

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SLH89F5162最小系统由11.0592MHz晶振、复位电路、电源构成,是整个系统的指挥中心,负责整个系统的数据处理和计算。在该系统中,使用了SLH89F5162 的ADC、UART、SPI、定时器、内部EEPROM等内部集成功能,充分发挥了该芯片的功能。智能直流供电及功耗表是基于SLH89F5162来开发的,SLH89F5162是一种高速高效率8051兼容单片机。在同样振荡频率下,较之传统的8051芯片它具有运行更快速,性能更优越的特性。保留了标准8051芯片的大部分特性,这些特性包括内置256字节RAM和2个16位定时器/计数器,1个UART和外部中断INT0和INT1。此外,还集成外置1024字节RAM,可兼容8052芯片的16位定时器/计数器Timer2。该单片机还包括适合于程序和数据的62K字节Flash存储器不仅集成了如EUART,SPI等标准通讯模块,此外还集成了具有内建比较功能的ADC,PWM定时器以及模拟比较器(CMP)等模块。


2.DC-DC电源转换

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该部分由XRP7664作为DC-DC降压芯片,输出2路直流电源(5.0V和3.3V),这两路电路带输入保护,输入限制在18V,输出有TVS管,限制在5V;其中5V电源是为本系统及外部供电使用,单路最大为2A电流。


3.电压采集电路

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电路使用了LM224构成跟随器,连接到MCU的ADC接口,采集到其电压值。在前端采用电阻分压的方式将电压降到MCU芯片能够采集的范围(0~5V),进而来采集电压数据。MCU的电压采集为10位ADC,所以其分辨率可以达到千分之一。


4.RTC时钟电路

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实时时钟使用了DS1307芯片,该芯片使用IIC协议进行通信,电路上也有后备电池进行供电。时钟部分为整个系统的定时开启和关闭提供了准确的时间,保障系统能够按时执行任务。


5.串口电路

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MCU芯片的TTL电平转换为RS232信号,使用了SP3232芯片可以连接到电脑端,上位机的扩展及电压电流数据传输可保存到电脑端使用。


6.电流采集电路

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电流的采集也是使用了LM224作为运放。该部分电路采用了2级运放来实现,第一级是将采样电阻50mR 1%采集的微小电压信号,向上移动2.5V(以2.5V为基准线)来到第二级运放。在第二级运放中,又使用了2个不同放大倍数的运放,分别为了采集小电流及大电流使用的,采集小电流时,使用402倍的放大倍数,可以采集最大100mA的电流;使用20倍的放大倍数时,可以采集最大2A电流,两种放大倍数共同使用更能提高测量的精准度。


7.其他电路

(1)电源输出控制:电源输出的控制采用大功率的MOS管作为开关使用,AO3401最大可承受4.2A的电流,所以应用在2A的电路十分充足。三路MOS均使用三极管作为驱动,保障输出电流可以达到标准。

(2)LCD液晶电路:LCD使用了JLX12864模组,该液晶内带字库芯片,可以显示汉字及图形。背光使用三极管驱动,可控制开启和关闭,已经可以调整背光的亮度。

(3)用户指示及操作电路:用户指示的有蜂鸣器及2个LED灯,指示系统的运行情况。配置系统参数时,使用轻触按键继续调整。

(4)315MHz无线模块扩展:系统预留了315MHz模块的接口,接上模块后,可是有遥控器来开启外接设备,做到真正的无需人手干预,真正的全智能化。


:可功耗实时监测的智能电表直流供电设计,软件和测试部分会陆续更帖!


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