單片機數字計時(shí)器的系統設計與型式試驗

摘要：設計了一種以PIC16F887單片機為控制器、LED數碼管動(dòng)態(tài)顯示的數字計時(shí)器。詳細介紹了整個(gè)系統的工作原理、硬件設計、軟件程序設計和型式試驗過(guò)程。軟件程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，便于移植與升級。計時(shí)器體積小巧、精度高、抗干擾能力強。

關(guān)鍵詞：PIC16F887;計時(shí)器;抗干擾

引言

目前市場(chǎng)上計時(shí)器種類(lèi)很多，并且有部分廠(chǎng)家可根據客戶(hù)的要求定制，但有的商家為了節約成本，對生產(chǎn)質(zhì)量沒(méi)有進(jìn)行很好的控制，在芯片的選擇和整個(gè)系統可靠性試驗方面都沒(méi)有很好地把關(guān)，而且目前市場(chǎng)上所采用的數碼管質(zhì)量較差，抗干擾能力差，不能應用于復雜的環(huán)境。單片機數字計時(shí)器體積小巧、精度高、抗干擾能力強，適用于復雜的工作環(huán)境。

1 硬件設計

1.1 系統結構

系統主要由電源模塊、輸入部分、控制部分和顯示部分組成，系統結構框圖如圖1所示。

1.2 單片機最小系統設計

控制部分選用40引腳單片機PIC16F887，該單片機采用了精簡(jiǎn)指令集、哈佛總線(xiàn)結構和二級流水線(xiàn)，價(jià)格低、可靠性高、功耗低、體積小。單片機最小系統如圖2所示。

單片機最小系統由PIC16F887單片機、復位模塊、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4位7段數碼管動(dòng)態(tài)顯示，這樣可以節省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

輸入部分有兩路獨立的啟動(dòng)/停止端和復位端，互不干擾。輸入通道采用光耦TLP521做隔離，信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現了電氣隔離，輸出信號對輸入端無(wú)影響，抗干擾能力強、工作穩定使用壽命長(cháng)、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5 V穩壓隔離電源模塊，輸入電壓范圍寬，工作可靠穩定。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 軟件設計

計時(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)計時(shí)，其具有兩路獨立的啟動(dòng)和停止端口以及與之對應的獨立的復位端口，分別命名為“啟動(dòng)/停止1”、“啟動(dòng)/停止2”、“復位1”和“復位2”。各控制端口采用DC24 V電平觸發(fā)工作方式，兩路控制獨立工作，互不干擾，工作可靠，抗干擾能力強。

2.1 主程序流程圖

當第1路控制端接通DC 24 V電平時(shí)，計時(shí)器開(kāi)始計時(shí)，斷開(kāi)時(shí)，計時(shí)器停止計時(shí)，數碼管閃爍顯示當前計時(shí)提示，直到復位端接通DC 24 V電平時(shí)計時(shí)器復位，計時(shí)清零。兩路控制端是獨立的，第1路控制端啟動(dòng)計時(shí)，只能由第1路的復位控制去復位和清零，當第1路啟動(dòng)計時(shí)且未復位時(shí)，第2路啟動(dòng)計時(shí)和復位操作無(wú)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

顯示模塊選用的數碼管為4位7段動(dòng)態(tài)顯示，根據計時(shí)范圍小數點(diǎn)自動(dòng)移動(dòng)。當計時(shí)數據大于等于0且小于10，顯示個(gè)數位和3位小數位;當計時(shí)數據大于等于 10小于100，顯示兩位整數位和兩位小數位;當計時(shí)數據大于等于100且小于1000時(shí)，顯示3位整數位和1位小數位;當計時(shí)數據大于等于1000且小于10 000時(shí)，顯示四位整數位;當計時(shí)數據大于等于10 000時(shí)，顯示復位從0開(kāi)始，但是系統內部累計計時(shí)，不清零，直到手動(dòng)復位清零.

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

在實(shí)現功能的基礎上，分別對該設備進(jìn)行了功能試驗、電磁兼容試驗和環(huán)境試驗。

3.1 功能試驗

在功能試驗中，設備運行良好，能夠很好地實(shí)現所設計的各項功能。計時(shí)器計時(shí)范圍為0.000～9 999 s，當計時(shí)達到9 999 s后，計時(shí)器從0.000重新開(kāi)始計時(shí)，且運行30 000 s后誤差不大于1 s。

3.2 電磁兼容試驗

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

3. 2.1 靜電放電抗擾度試驗

當在電源端口接線(xiàn)端子加空氣放電8 kV干擾時(shí)，計時(shí)器出現錯誤復位情況，經(jīng)分析應該是接線(xiàn)端子質(zhì)量問(wèn)題，更換為臺灣町洋的接線(xiàn)端子后，計時(shí)器工作正常，沒(méi)有再出現在空氣放電干擾下的復位情況，設備工作正常。設備通過(guò)了靜電放電抗擾度試驗3級A類(lèi)。

3.2.2 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗

當給電源線(xiàn)加+2 kV/5 kHz和-2 kV/5 kHz干擾時(shí)，計時(shí)器顯示閃爍，不能正常計時(shí)，據觀(guān)察顯示是300 ms復位一次。電快速瞬變脈沖群是由間隔為300 ms的連續脈沖串構成，經(jīng)分析是由于電源沒(méi)有加防護電路而使干擾直接影響到正常計數。經(jīng)過(guò)多次試驗和改進(jìn)，選擇在電源口增加如圖7所示的濾波電路，使設備順利通過(guò)電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗3級A類(lèi)。在試驗中和試驗結束后，設備工作正常。

3. 2.3 浪涌(沖擊)抗擾度試驗

當給電源端加沖擊時(shí)，擊穿了電源端的CBB電容和二極管，說(shuō)明防護電路還不夠完善，還需改進(jìn)。經(jīng)過(guò)多次試驗和改進(jìn)，在電源端口并聯(lián)了一個(gè)TVS管和壓敏電阻，使設備通過(guò)了浪涌(沖擊)抗擾度試驗3級A類(lèi)。選擇的濾波電路如圖8所示。在試驗中和試驗結束后，設備工作正常。

此外，計時(shí)器順利通過(guò)3級A類(lèi)工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗和脈沖磁場(chǎng)抗擾度試驗，干擾試驗中和實(shí)驗結束后，受試設備均能正常工作。

3.3 高溫試驗

在+70℃下2 h升溫和保溫過(guò)程中，計時(shí)器能正常工作，試驗后從試驗箱內取出試品，在常溫下放置2 h后，計時(shí)器能正常工作。

3.4 低溫試驗

在-40℃下2 h降溫和保溫過(guò)程中，計時(shí)器能正常工作，試驗后從試驗箱內取出試品，在常溫下放置2 h后，計時(shí)器能正常工作。

3.5 交變濕熱

設備在經(jīng)過(guò)循環(huán)次數為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束前2 h在試驗箱內測試;

②絕緣耐壓：試驗結束后，試品從試驗箱內取出在常溫下放置恢復2 h，進(jìn)行絕緣耐壓試驗，復試時(shí)的電壓值為原實(shí)驗值的75%，歷時(shí)1 min，試驗期間無(wú)擊穿或閃絡(luò )現象。

結語(yǔ)

數字計時(shí)器選用PIC16F887單片機，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4位7段數碼管動(dòng)態(tài)顯示，顯示穩定;輸入通道采用光耦 TLP521做隔離，信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現了電氣隔離隔離，抗干擾能力強，傳輸效率高，使用壽命長(cháng);電源模塊選用穩壓隔離電源模塊，輸入電壓范圍寬，工作可靠穩定;計時(shí)器體積小巧，計時(shí)準確，精度高。該計時(shí)器通過(guò)了電磁兼容試驗和環(huán)境試驗，能夠應用于復雜環(huán)境條件，工作可靠穩定，抗干擾能力強。