單片機(jī)數(shù)字計(jì)時(shí)器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與型式試驗(yàn)

摘要：設(shè)計(jì)了一種以PIC16F887單片機(jī)為控制器、LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的數(shù)字計(jì)時(shí)器。詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的工作原理、硬件設(shè)計(jì)、軟件程序設(shè)計(jì)和型式試驗(yàn)過程。軟件程序采用C語言編寫，便于移植與升級(jí)。計(jì)時(shí)器體積小巧、精度高、抗干擾能力強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：PIC16F887;計(jì)時(shí)器;抗干擾

引言

目前市場(chǎng)上計(jì)時(shí)器種類很多，并且有部分廠家可根據(jù)客戶的要求定制，但有的商家為了節(jié)約成本，對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量沒有進(jìn)行很好的控制，在芯片的選擇和整個(gè)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方面都沒有很好地把關(guān)，而且目前市場(chǎng)上所采用的數(shù)碼管質(zhì)量較差，抗干擾能力差，不能應(yīng)用于復(fù)雜的環(huán)境。單片機(jī)數(shù)字計(jì)時(shí)器體積小巧、精度高、抗干擾能力強(qiáng)，適用于復(fù)雜的工作環(huán)境。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由電源模塊、輸入部分、控制部分和顯示部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制部分選用40引腳單片機(jī)PIC16F887，該單片機(jī)采用了精簡指令集、哈佛總線結(jié)構(gòu)和二級(jí)流水線，價(jià)格低、可靠性高、功耗低、體積小。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。

單片機(jī)最小系統(tǒng)由PIC16F887單片機(jī)、復(fù)位模塊、4 MHz外部晶振、排針等組成。其中，7引腳、8引腳、28引腳VDD為電源端，接工作電源DC 5 V。6引腳、30引腳、31引腳VSS為接地端，直接接地;32引腳、33引腳接4 MHz外部晶振，電容取22 pF;VPP復(fù)位端接上拉電阻連接到工作電源。

1.3 顯示部分

顯示部分采用工業(yè)級(jí)4位7段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，這樣可以節(jié)省I/O口，而且功耗低。顯示部分電路圖如圖3所示。

1.4 輸入部分

輸入部分有兩路獨(dú)立的啟動(dòng)/停止端和復(fù)位端，互不干擾。輸入通道采用光耦TLP521做隔離，信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定使用壽命長、傳輸效率高。輸入部分電路如圖4所示。

1.5 電源部分

電源部分為24 V轉(zhuǎn)5 V穩(wěn)壓隔離電源模塊，輸入電壓范圍寬，工作可靠穩(wěn)定。輸入電壓范圍為DC 18～36 V，輸出電壓5 V，輸出功率5 W。電源部分電路圖如圖5所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

計(jì)時(shí)器控制程序采用中斷觸發(fā)方式，選用定時(shí)器1進(jìn)行定時(shí)計(jì)時(shí)，其具有兩路獨(dú)立的啟動(dòng)和停止端口以及與之對(duì)應(yīng)的獨(dú)立的復(fù)位端口，分別命名為“啟動(dòng)/停止1”、“啟動(dòng)/停止2”、“復(fù)位1”和“復(fù)位2”。各控制端口采用DC24 V電平觸發(fā)工作方式，兩路控制獨(dú)立工作，互不干擾，工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)。

2.1 主程序流程圖

當(dāng)?shù)?路控制端接通DC 24 V電平時(shí)，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，斷開時(shí)，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，數(shù)碼管閃爍顯示當(dāng)前計(jì)時(shí)提示，直到復(fù)位端接通DC 24 V電平時(shí)計(jì)時(shí)器復(fù)位，計(jì)時(shí)清零。兩路控制端是獨(dú)立的，第1路控制端啟動(dòng)計(jì)時(shí)，只能由第1路的復(fù)位控制去復(fù)位和清零，當(dāng)?shù)?路啟動(dòng)計(jì)時(shí)且未復(fù)位時(shí)，第2路啟動(dòng)計(jì)時(shí)和復(fù)位操作無效。第2路控制與第1路相同。主程序流程圖如圖6所示。

2.2 顯示模塊

顯示模塊選用的數(shù)碼管為4位7段動(dòng)態(tài)顯示，根據(jù)計(jì)時(shí)范圍小數(shù)點(diǎn)自動(dòng)移動(dòng)。當(dāng)計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)大于等于0且小于10，顯示個(gè)數(shù)位和3位小數(shù)位;當(dāng)計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)大于等于 10小于100，顯示兩位整數(shù)位和兩位小數(shù)位;當(dāng)計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)大于等于100且小于1000時(shí)，顯示3位整數(shù)位和1位小數(shù)位;當(dāng)計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)大于等于1000且小于10 000時(shí)，顯示四位整數(shù)位;當(dāng)計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)大于等于10 000時(shí)，顯示復(fù)位從0開始，但是系統(tǒng)內(nèi)部累計(jì)計(jì)時(shí)，不清零，直到手動(dòng)復(fù)位清零.

2.3 控制模塊

控制程序采用終端電平中斷觸發(fā)方式，控制定時(shí)器的啟動(dòng)和停止。

2.4 延時(shí)模塊

3 型式試驗(yàn)

在實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上，分別對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了功能試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)。

3.1 功能試驗(yàn)

在功能試驗(yàn)中，設(shè)備運(yùn)行良好，能夠很好地實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能。計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)范圍為0.000～9 999 s，當(dāng)計(jì)時(shí)達(dá)到9 999 s后，計(jì)時(shí)器從0.000重新開始計(jì)時(shí)，且運(yùn)行30 000 s后誤差不大于1 s。

3.2 電磁兼容試驗(yàn)

按照TB3073—2003的規(guī)定，在電磁兼容實(shí)驗(yàn)中做了以下試驗(yàn)：靜電放電抗擾度試驗(yàn)、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)、浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)、工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)和脈沖磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，遇到了一些問題并及時(shí)進(jìn)行了改進(jìn)。

3. 2.1 靜電放電抗擾度試驗(yàn)

當(dāng)在電源端口接線端子加空氣放電8 kV干擾時(shí)，計(jì)時(shí)器出現(xiàn)錯(cuò)誤復(fù)位情況，經(jīng)分析應(yīng)該是接線端子質(zhì)量問題，更換為臺(tái)灣町洋的接線端子后，計(jì)時(shí)器工作正常，沒有再出現(xiàn)在空氣放電干擾下的復(fù)位情況，設(shè)備工作正常。設(shè)備通過了靜電放電抗擾度試驗(yàn)3級(jí)A類。

3.2.2 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)

當(dāng)給電源線加+2 kV/5 kHz和-2 kV/5 kHz干擾時(shí)，計(jì)時(shí)器顯示閃爍，不能正常計(jì)時(shí)，據(jù)觀察顯示是300 ms復(fù)位一次。電快速瞬變脈沖群是由間隔為300 ms的連續(xù)脈沖串構(gòu)成，經(jīng)分析是由于電源沒有加防護(hù)電路而使干擾直接影響到正常計(jì)數(shù)。經(jīng)過多次試驗(yàn)和改進(jìn)，選擇在電源口增加如圖7所示的濾波電路，使設(shè)備順利通過電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)3級(jí)A類。在試驗(yàn)中和試驗(yàn)結(jié)束后，設(shè)備工作正常。

3. 2.3 浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)

當(dāng)給電源端加沖擊時(shí)，擊穿了電源端的CBB電容和二極管，說明防護(hù)電路還不夠完善，還需改進(jìn)。經(jīng)過多次試驗(yàn)和改進(jìn)，在電源端口并聯(lián)了一個(gè)TVS管和壓敏電阻，使設(shè)備通過了浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)3級(jí)A類。選擇的濾波電路如圖8所示。在試驗(yàn)中和試驗(yàn)結(jié)束后，設(shè)備工作正常。

此外，計(jì)時(shí)器順利通過3級(jí)A類工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)和脈沖磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)，干擾試驗(yàn)中和實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，受試設(shè)備均能正常工作。

3.3 高溫試驗(yàn)

在+70℃下2 h升溫和保溫過程中，計(jì)時(shí)器能正常工作，試驗(yàn)后從試驗(yàn)箱內(nèi)取出試品，在常溫下放置2 h后，計(jì)時(shí)器能正常工作。

3.4 低溫試驗(yàn)

在-40℃下2 h降溫和保溫過程中，計(jì)時(shí)器能正常工作，試驗(yàn)后從試驗(yàn)箱內(nèi)取出試品，在常溫下放置2 h后，計(jì)時(shí)器能正常工作。

3.5 交變濕熱

設(shè)備在經(jīng)過循環(huán)次數(shù)為12周期的交變濕熱(高溫40℃)后，潮濕絕緣電阻不小于1.5 mΩ。

①潮濕絕緣電阻：在交變濕熱最后一周期結(jié)束前2 h在試驗(yàn)箱內(nèi)測(cè)試;

②絕緣耐壓：試驗(yàn)結(jié)束后，試品從試驗(yàn)箱內(nèi)取出在常溫下放置恢復(fù)2 h，進(jìn)行絕緣耐壓試驗(yàn)，復(fù)試時(shí)的電壓值為原實(shí)驗(yàn)值的75%，歷時(shí)1 min，試驗(yàn)期間無擊穿或閃絡(luò)現(xiàn)象。

結(jié)語

數(shù)字計(jì)時(shí)器選用PIC16F887單片機(jī)，價(jià)格低、可靠性高、功耗低、體積小;顯示部分選用了工業(yè)級(jí)4位7段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，顯示穩(wěn)定;輸入通道采用光耦 TLP521做隔離，信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離隔離，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸效率高，使用壽命長;電源模塊選用穩(wěn)壓隔離電源模塊，輸入電壓范圍寬，工作可靠穩(wěn)定;計(jì)時(shí)器體積小巧，計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，精度高。該計(jì)時(shí)器通過了電磁兼容試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)，能夠應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境條件，工作可靠穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。