1、華東理工畢業設計（論文） - i - 液晶顯示多功能電測儀表的設計液晶顯示多功能電測儀表的設計 摘摘 要要 本研究課題擬設計一個可準確測量供電系統交流電壓/電流有效值的電測儀表，該 表應具有穩定，可靠，讀數誤差小及顯示直觀、準確測量等特點。 本次設計結合了單片機和高精度的電測芯片 cs5460 以及可視化軟件 vb，cs5460 根據采樣電路輸出的電壓電流算出電能，然后把電壓、電流及功率由三 線雙向串行接口傳送給單片機，單片機根據鍵盤送入的指令顯示測量結果或者通過 485 通信接口把測量結果傳給上位機 vb，實現對電網電壓/電流/電功率的實時顯示。這不 僅對現實生活的電力監測系統具有很大的現實

2、意義，而且在工控領域也具有廣闊的應 用前景。 關鍵字：關鍵字：cs5460a；單片機；電測儀表；上位機 vb xxx：液晶顯示多功能電測儀表的設計 - ii - design for measuring instrument for multi-function electric quantities based on lcd abstract this research project was to design an accurate measurement of ac power supply voltage / current rms electrical measuring inst

3、ruments, the table should have a stable, reliable, intuitive readings and display of error is small, accurate measurement and so on. this design combines the microcontroller and high precision electronic measuring chip cs5460 and visualization software vb, cs5460 sampling circuit according to calcul

4、ated power output of the voltage and current, then the voltage, current and power from the three- wire bidirectional serial interface transmitted to the microcontroller, mcu according to the keyboard command to display the measurement results into the 485 communication interface or by measuring the

5、results to a pc to vb, to realize the power voltage / current / electric power, real-time display, real simulation of the real-life real-time monitoring system of mains voltage. this is not only the power of the real-life monitoring system has great practical significance, but in the industrial area

6、 also has potential applications。 keywords：cs5460a ；single chip；electric quantities；pc vb 華東理工畢業設計（論文） - iii - 目目 錄錄 引引 言言.1 1 第第 1 1 章章 緒論緒論.2 2 1.1 多功能電測儀表的研究的及意義.2 1.2 課題的內容及技術指標 .2 第第 2 2 章章 方案的比較與論證方案的比較與論證.3 3 2.1 單片機的選擇.3 2.2 模數轉換部分.3 第第 3 3 章章 系統硬件電路的設計系統硬件電路的設計.5 5 3.1 系統的總體結構框圖.5 3.2 模數轉換芯

7、片的介紹.5 3.2.1 cs5460a 的特點 .5 3.2.3 芯片管腳的功能 .6 3.3 電量信號采集模塊電路設計 .7 3.3.1 調制電路和互感器部分.7 3.3.2 電量采樣總原理圖.9 3.4 單片機系統電路設計 .11 3.4.1 at89s52 芯片的硬件結構 .11 3.4.2 at89s52 的功能介紹 .11 3.4.3 at89s52 晶振特性 .11 3.4.4 at89s52 的復位電路 .12 3.5 單片機與 cs5460a 接口電路設計.13 3.6 lcd 顯示 .13 3.7 液晶顯示屏與 at89s52 接口的設計 .14 3.8 通訊模塊 .15

8、3.8.1 rs485 標準 .15 3.8.2 rs485 數據傳輸的可靠性 .15 3.9 報警電路部分 .17 3.10 功能按鍵部分 .17 3.11 電源電路 .18 3.12 單片機與 x4050 接口設計 .18 3.12.1 工作原理 .18 3.12.2 x5045 芯片與 51 內核的單片機連接 .19 第第 4 4 章章 系統軟件的設計系統軟件的設計.2020 4.1 軟件設計思路 .20 4.2 主程序的設計 .20 4.3 cs5460 的操作 .21 4.3.1 系統校準 .21 4.3.2 數據的讀寫 .21 4.4 顯示子程序設計.24 總結與展望總結與展望.2

9、626 致謝致謝.2727 xxx：液晶顯示多功能電測儀表的設計 - iv - 參考文獻參考文獻.2828 附錄附錄 a a：總原理圖：總原理圖 .2929 附錄附錄 b b：主要參考文獻體錄及摘要：主要參考文獻體錄及摘要 .3030 附錄附錄 c c：英語引文及翻譯：英語引文及翻譯 .3232 附錄附錄 d d：主要源程序清單：主要源程序清單 .3838 華東理工畢業設計（論文） - v - 插圖清單插圖清單 圖 3-1 系統的總體結構框圖 圖 3-2 cs5460a 內部機構圖 圖 3-3 采集結構圖 圖 3-4 電流采樣原理圖 圖 3-5 電壓采樣原理圖 圖 3-6 電量采樣總原理圖 圖

10、 3-7 內部振蕩電路連接圖 圖 3-8 外部振蕩電路連接圖 圖 3-10 手動復位電路 圖 3-11 上電復位電路 圖 3-12 at89s52 與 cs5460a 的口線連接圖 圖 3-13 lcd 內部結構圖 圖 3-14 液晶顯示與控制電路 圖 3-15 rs485 通信方式 圖 3-16 max485 引腳和結構圖 圖 3-17 通訊模塊 圖 3-18 報警電路 圖 3-19 功能按鍵 圖 3-20 電源電路圖 圖 3-21 x5045 與 at89c52 的硬件接口電 路 圖 4-1 主程序流程圖 圖 4-2 cs5460a 的寫時 序 圖 4-3 cs5460a 的讀時 序 圖

11、4- 1 電量采集子程序流程圖 圖 4-5 顯示主程序流程圖 華東理工畢業設計（論文） - 1 - 引引 言言 電測儀表技術與計算機技術、微電子技術、通信技術、網絡技術將越來越密不可 分。電測儀表象其他所有行業用儀器儀表一樣，其發展將遵循跟著通用計算機走、跟 著通用軟件走和跟著標準網絡走的指導思想。依托于智能化、微機化儀表的日益普及， 還將在現代工業生產等越來越多的領域中大顯身手。依托于新材料、生物工程、微電 子技術和微計算機的最新成果，電測儀表技術將更快地進步。生物芯片和片式系統 soc 將使微機化儀器耗能更少，尺寸更小，功能更強。現代工業企業中各種大型設備 將越來越多且均需定期進行檢測。因

12、此在線檢測方法和相應檢測儀器儀表的研制，無 疑是電測與儀表技術的一個發展方向。為了能有效提高抄表準確性與及時性和杜絕抄 表不到位、估抄、誤抄、漏抄等現象的發生，使得遠程自動抄表將取代人工上門抄表， 這也將是電能測量、用電管理自動化的發展方向。 隨著工業自動化及電能管理現代化的發展，對電測儀表的功能及可靠性、穩定性 要求越來越高。例如可以通過 rs485 總線對電測儀表的信息進行訪問，實時顯示等， 雖然目前市場上也出現了此類的儀表，但不是價格昂貴就性能不穩定，不利于推廣， 針對這一不足，本課題擬在前人的基礎上設計一塊功能滿足一般用戶需要且性價比高 的多功能電測儀表。 因此我們要設計一個單片機數字

13、電壓/電流表，不僅它能對電壓/電流信號的實時檢 測、顯示和遠程監控，也能實現電壓/電流量程自動轉換和手動量程轉換功能，而且在 價格上也不能太貴。 xxx：液晶顯示多功能電測儀表的設計 - 2 - 第第 1 1 章章 緒論緒論 1.11.1 多功能電測儀表的研究的及意義多功能電測儀表的研究的及意義 在電力系統中，能快速并準確的實現對功率、電壓、電流、頻率、功率因數、電 量等重要電氣參數的測量的儀表應用的越來越普遍，所以設計一個穩定，可靠，讀數 誤差小且顯示直觀的電測儀表是非常必要并具有相當的實用價值。 最近幾年很多都是只有單一的功能如只能測量電流/電壓等，如要同時測量數據時 需要多個電測儀表，這

14、樣不僅浪費時間，而且也不能實時的顯示。同時測量的精確度， 穩定度也不高，所以對電測儀表的功能及可靠性、穩定性要求很高。 在我國使用的電測儀表中，多數采用的是模擬的，其性能也不是十分的好。因此 影響了我國的工業儀表的準確度，造成一些數據的錯誤，給工業的發展帶來一定的阻 力。在傳統的模擬信號測量系統中，需要很好的解決模擬指針擺動誤差補償問題，多 點測量切換誤差問題和放大電路零點漂移問題，才能夠達到高的測量精度。為了克服 上面提到的問題，各商家不斷推出各種新型電測量表。基于單片機控制的電測量表， 既可以完成高精度數據的測量傳遞，又可借助單片機的匯編程序做進一步的處理和改 善，還可以直接實現數字化輸出

15、、測試及控制功能強、傳輸距離遠、抗干擾能力強、 微型化、微功耗、可適配各種微控制器（mcu）或微型計算機進行電壓控制，便于擴 展和維護。 隨著電子技術的發展，對電測儀表的功能及可靠性、穩定性要求越來越高。例如 可以通過 rs485 總線對電測儀表的信息進行訪問，實時顯示等，雖然目前市場上也出 現了此類的儀表，但不是價格昂貴就性能不穩定，不利于推廣，針對這一不足，我們 進一步改良了我們的電測儀表，在提高它的準確度、精確度等性能的同時，降低它的 成本。 1.2 課題的內容及技術指標 本研究課題擬設計一個可準確測量供電系統交流電壓/電流有效值的電測儀表，該 表應具有穩定，可靠，讀數誤差小及顯示直觀、

16、準確測量等特點。具體要求如下： （1）測量范圍：0-5a 交流電電流（工頻 50hz）,電壓量程為 100v,可外接電流/電壓互 感器開展量程。 （2）可用于三相四線制的供電系統，條件容許的化，可設計成三相三線/三相四線兩用 型儀表。 （3）帶有一路報警，當電流發生異常時可輸出聲，光報警信號。配備按鍵，可方便用 戶進行電表測量參數設置（如電流/電壓變比，通訊波特率） 。 （4）系統帶有 rs485 通訊接口，能夠與上位機進行數據通信。 華東理工畢業設計（論文） - 3 - 第第 2 2 章章 方案的比較與論證方案的比較與論證 此次設計的多個方案不同之處在于 a/d 轉換器和 51 單片機的選擇

17、上，如果要確保 測量準確度，那就須在交流電信號的采集和轉化精度方面大做文章，即要采用性能好， 精度高的芯片，測量精度雖然上去了，但成本比較高的；相反如果僅考慮經濟方面， 那系統的性能就大打折扣了。我們應該從設計要求出發，在能滿足設計要求的情況下， 盡可能的考慮降低設計成本。以下就從本設計中兩個核心部件選擇出發，介紹下選用 本設計方案的原因。 2.12.1 單片機的選擇單片機的選擇 at89s52 單片機是 atmel 公司新近推出的高檔、增強型產品。它是一個低功耗高 性能 cmos8 位微控制器,片內含通用 8 位中央處理器和 ispflash 存儲單元, 8kbisp(in2systempr

18、ogrammable)的可反復擦寫 1000 次的 flash 只讀程序存儲器,片上 flash 允許程序存儲器在系統可編程,亦適于常規編程器。器件采用 atmel 公司的高密 度非易失性存儲技術制造,兼容標準 mcs251 指令系統及 80c51 引腳結構,在單芯片上, 擁有靈巧的 8 位 cpu 和在系統可編程 flash,使得 at89s52 與目前市場上主要有的 8 位單片機,stc89c51/52,pic10/12/16/18，p89lpc932 等型號相比，at89s52 更能為嵌 入式控制系統提供高靈活、高性價比的解決方案。 2.22.2 模數轉換部分模數轉換部分 cs5460a

19、 是高度集成的、帶有能量計算引擎的 cmos 芯片。它集成了以下主要模 塊:一個可編程增益放大器(pga) ,一個固定增益放大器,兩個高速數字濾波器,兩個可選 用的高通濾波器,一個功率、能量計算單元,一組串行接口,一個能量/脈沖轉換器,一組寄 存器(24 位) ,一個看門狗定時器,一個電源監視器等。其主要特點如下: (1)分辨率為 24 位二進制碼。 (2)主時鐘頻率最大可為 20mhz。 (3) 能量數據線性度在 1000 1 的動態范圍內為 011 %。 (4)芯片功能為可實現(真實) 能量和 i 3 v , irms ,vrms 計算及能量到脈沖速率轉 換。 (5)具有交流或直流系統校準

20、。 (6) 10 倍和 50 倍的可編程增益放大器。 (7)優化的接口適用于分路(流)式傳感器。 (8)兼容 iec(國際電工委員會) 687/ 1036 標準和 j is(日本工業標準) 。 (9)具有電壓對電流的相位補償及單電源地參考信號。 (10)具有簡單的三線串行接口電路、看門狗電路和電源監視電路。 在以往的交流電壓、電流有效值測量中，往往采用 ad536 等真有效值轉換芯 片得出，或是通過對交流信號進行瞬時值采樣測量，通過有效值公式運算得出。采用 這種有效值轉換芯片，雖然具有使用方法簡單，轉換精度高，不受波形因素影響等特 點，但價格過高；而對瞬時值采樣運算得到的有效值則需要存儲大量的

21、交流信號瞬時 值，同時對 a/d 轉換器的采樣速度與轉換速度、a/d 轉換器與微控制器的通訊速度、 微控制器的運算速度要求較高，實現起來與采用專用真有效值變換芯片比起來成本并 不會有太大的降低，同時還需要有相對復雜的算法支持。對于交流功率的測量則主要 xxx：液晶顯示多功能電測儀表的設計 - 4 - 是利用公式：p=uicos，分別測得三個參量后運算得出，或分別通過對電壓、電 流的瞬時值采樣，再通過相應的算法運算得出。這兩種方法同樣與電壓、電流有效值 測量存在相類似的問題，即需要高成本的硬件與復雜算法支持。為了解決以上問題， 本設計選擇了低成本的 cs5460a 功率、電能專用計量芯片來進行交

22、流電參數的有效值 測量。該芯片是高度集成的 - 型 a/d 轉換器，在惡劣的條件下仍能保持良好的性 能指標和長期的穩定性 第第 3 3 章章 系統硬件電路的設計系統硬件電路的設計 3.13.1 系統的總體結構框圖系統的總體結構框圖 基于單片機數字電壓/電流表的設計主要完成對電壓/電流信號的實時檢測和顯示， 要求能實現電壓/電流量程自動轉換和手動量程轉換功能。本畢業設計擬通過信號采集 模塊把三相四線制的電力系統中的大電流和大電壓信號轉換成 cs5460a 可接受的小電 壓信號，將采集到的小電壓信號送入 cs5460 的信號輸入通道，通過 cs5460a 對其進行 華東理工畢業設計（論文） - 5

23、 - a/d 轉換，將模擬信號轉化為 24 位的數字信號。cs5460a 通過串行方式與單片機進行 數據交換。通過單片機進行數據處理將數字信號轉換后將結果送入 lcd 顯示。 圖 3-3 系統的總體結構框圖 本章的主要內容就是根據以上說明，具體的論述各個部分。 3.23.2 模數轉換芯片的介紹模數轉換芯片的介紹 3.2.1 cs5460a 的特點 (1)轉換精度高,測量功能強自身轉換精度達到 0.1 級,可以實現 0.2 級的測 儀表。可測量瞬時電流、瞬時電壓、瞬時功率、電流有效值、電壓有效值、功率有效 值和電能計量,這在電力系統的測量芯片中是不多見的。 (2)外圍器件少,具有片內看門狗定時器

24、(watchdogtimer)與內部電源監視器該芯片 只用很少的外圍器件即可實現轉換功能,確保了儀表的轉換精度及穩定性。 (3)接口方便器件本身形成雙向串行接口,雙向串行接口與內部寄存器陣列可以方便 地與微處理器相連接,并有功能很強的內部寄存器數組,56 根連線即可方便地與單片機 接口;針對這些特點,選用了 cs5460 芯片,收到了很好的效果。本文著重介紹 cs5460 芯 片的基本功能與運用,根據時序,給出所采用讀寫方法的一些體會以及硬件實現原理圖。 3.2.2 工作原理及內部結構 cs5460a 內部集成了包括偏置寄存器、增益寄存器、脈沖速率寄存器和參數寄存 器等 16 個寄存器，還集成

25、了串口發送寄存器、串行口接收寄存器和一個命令解釋狀態 機，這些寄存器用來完成對 cs5460a 的設置、采集數據的存儲和串行輸入輸出的控制。 cs5460a 通過與分流器或電流互感器連接測量電流，與分壓電阻或電壓互感器連 接測量電壓。為了和輸入電壓的不同量級匹配，電流通道集成 1 個可編程增益放大器 （pga） 。電壓、電流各有 1 路高速數字濾波器，其中電壓通道的高速濾波器是一個由 短程 fir 補償的固定 sin c2 濾波器；電流通道包括 1 個 sin c4 濾波器，由 1 個短程 fir 濾波器補償。電壓通道和電流通道各有 1 個高通濾波器，可在能量計算前濾波輸入信 號中的直流成分，

26、這些高通濾波器可通過配置寄存器中的某些位激活。如果只想在 1 個通道中使用高通濾波器，補償由高通濾波器所引起的相位延遲。 xxx：液晶顯示多功能電測儀表的設計 - 6 - cs5460a 串行接口的從屬方式使用包括 2 條控制線和 2 條數據線： cs、sdi、sdo 和 sclk. cs:片選（輸入腳） ，允許訪問串口的控制線。cs 為邏輯 1 時，sdi,sdo 和 sclk、輸 出將保持高阻抗。如果 cs 為邏輯 0，sdi,sdo 和 sclk 具有如下特性： sdi：串行數據輸入（輸入腳） ，用于把用戶的數據（如數據/命令/地址等）傳輸到 cs5460a。 sdo:串行數據輸出（輸出

27、腳） ，用于從寄存器讀出數據。 sclk:串行時鐘（輸入腳） ，控制數據移出或移入 a/d 轉換器串行口的傳輸率。為了和 光電耦合器相匹配，sclk 的輸入端集成了一個施密特觸發器，以允許使用上升和下 降時間較慢的光電耦合器直接驅動該引腳。另外，sdo 具有吸收或輸出 5ma 電流的能 力，可以直接驅動光電耦合器的 led。在吸收或輸出 5ma 電流時，sdo 的驅動電壓 損失小于 400ma【17】。 圖 3-4 cs5460a 內部機構圖 3.2.3 芯片管腳的功能 1 腳 xout:晶體振蕩器輸出。 2 腳 cpuclk:cpu 時鐘輸出。cpuclk 片上振蕩器的輸出,可以驅動一個標難

28、的 cmos 負荷。 3 腳 vd+:數字電路電源正極。以 dgnd 為參考,一般為+5v10%。 4 腳 dgnd:數字地。數字接地,與 va-具有相同的電平。 5 腳 sclk:串行時鐘輸入。該腳確定 sdi 和 sdo 引腳的輸入和輸出速率。此輸入 具有一個允許使用邊沿緩慢的信號的施密特觸發器。只有當 cs 低時,sclk 引腳才識別 時鐘。 6 腳 sdo:串行數據輸出。sdo 是串行數據端口的輸出引腳,當 cs 高時,其輸出將處 于高阻抗狀態。 7 腳 cs:片選。當處于低電平時,端口可以識別 sclk。該腳高電平狀態使 sdo 引 腳處于高阻抗狀態。cs 應在 sclk 處于低電平

29、時改變狀態。 8 腳 mode:模式選擇。當處于高電平時 cs5460a 開始執行自導入序列,從外接 華東理工畢業設計（論文） - 7 - e2prom 讀取命令和設置。當處于低電平時 cs5460 運行在常規命令模式。引腳不連 接時下拉為邏輯低電平。 9 腳 vin+:差分電壓正輸入端。 10 腳 vin-:差分電壓負輸入端。vin+,vin-為電壓通道的差分模擬輸入引腳。 11 腳 vrefout:參考電壓輸出。芯片上的參考電壓由該引腳輸出,參考電壓的標稱 值為 2.5v(以 va-引腳為參考)。 12 腳 vrefin:參考電壓輸入。該引腳輸入的電壓給芯片上的調制器提供參考電壓。 13

30、腳 va-:模擬地負極。負模擬電源引腳,必須具有最低的電壓。 14 腳 va+:模擬電源正極。以 va-為參考,通常為+5v10%。 15 腳 hn-:差分電流負輸入端。 16 腳 hn+:差分電流正輸入端。hn-,hn+為電流通道的差分模擬輸入引腳。 17 腳 pfmon:電源掉電監視輸出。pfmon 掉電監視器,用來監視模擬電源,相對于 va-引腳的典型閥值電平為 2.5v,具有50mv 的滯環。如果 pfmon 的電壓低于閥值, 則狀態寄存器的 lsd(低電源檢測)位將被置位。 18 腳 nc:空腳。該引腳保持懸浮態。 19 腳 reset:復位輸入。reset 當復位引腳為低電平時,所

31、有內部寄存器都被設置 為缺省值。 20 腳 int:中斷輸出。當 int 變低時,表明一個允許的事件已發生。可以通過向 cs5460a 寫入適當命令來使 int 清除(邏輯 1)。 21 腳 eout:電能脈沖輸出。eout 電量輸出引腳,輸出一個脈沖寬固定、頻率(可 編程)和電能成比例的脈沖串。 22 腳 edir:能量方向指示輸出。如果測量到的電能是負值,電能方向指示器發出指 示。 23 腳 sdi:串行數據輸入。sdi 是串行數據接口的輸入引腳。數據的輸入速率由 sclk 決定。 24 腳 xin:晶體振蕩器輸入。xout,xin 芯片內的一個門電路與這些引腳相連,可 連接晶體為芯片提供

32、系統時鐘。另外,也可以有外部時鐘(與 cmos 時鐘兼容)驅動引腳 xin,為芯片提供系統時鐘。 3.33.3 電量信號采集模塊電路設計電量信號采集模塊電路設計 電量采集部分是保證該計量裝置精度、提供修改綜合誤差所需的測量數據的重要環 節。不管采用哪種器件，首先器件的精度要高、穩定，所采集的信號才能正確反映電 流、電壓的真實大小及正確的相位關系。 3.3.1 調制電路和互感器部分 電流采樣電路由電電流互感器、精密電阻網絡、過壓保護及去抖電容組成。本課 題選用 2000：1 的電流互感器為電流通道采樣器件，為降低激磁誤差采用安匝數高的 電流互感器，由精密電阻組成的電流電壓變換電路使電流互感器工作

33、于近似短路狀態， 經過 i/v 變換后的電壓信號就反映了電流的副位和相位。如圖 3-3 所示。 xxx：液晶顯示多功能電測儀表的設計 - 8 - 圖 3-3 采集結構圖 cs5460a 的電壓通道和電流通道可與電阻分流器或互感器接口。其電流通道的可編 程增益放大器(pga)的增益可設為 10 db 和 50 db，分別對應于最大有效值為 250 mv 和 50 mv 的交流信號輸入；電壓通道的最大有效值輸入為 250 mv。由于 cs5460a 的- 型模數轉換器采用過采樣原理，對高頻噪聲有較強的抑制，因而對輸入信號無需 進行復雜的濾波器處理，引入阻容濾波電路反而容易引起相移。 圖 3-5 和

34、圖 3-4 是電壓和電流的采樣電路。在圖 3-4 中，pt 是變比為 2:1 的電壓 互感器，ct 為變比 2000:1 的電流互感器。取樣電阻 r2，r3，r4，r5 的阻值由被測信 號的最大值決定。電阻為電壓、電流模擬通道的輸入保護電阻。原理圖中 r2=r3，r4=r5。經變換后的小信號以差模電壓的形式接到 cs5460a 的模擬信號輸入端， 減小輸入阻抗。由于互感器的使用引入可能造成輸入信號的相移，使功率測量的誤差 增大。而 cs5460a 具有相位補償功能(可進行-24+25的相位補償)，可以大 大減小互感器相移所帶來的誤差的影響。 (1)根據任務書的要求：電壓的量程在 0100v，而

35、 cs5460a 的輸入的電壓范圍是 0250mv,所以不能將 cs5460a 直接接在電網上，需要將電網的大電壓信號轉換到小 電壓信號再與 cs5460a 連接，用電阻分壓的方式來減小電壓。 所以知，電壓分比為： 400 m250 100 v v 注意：cs5460a 采集的電壓是經過分壓后的小電壓，并不是電網中的實際電壓，因此 在程序實現時應該乘以相應的系數才是實際的電壓。 (2) 根據任務書的要求：電流的測量范圍為 05a,而 cs5460a 的輸入電流范圍很 小，所以在電流采樣電路中，要通過電流互感器把大電流信號變成小電流信號，再通 過精密電阻把此信號變成電壓信號，實際上 cs5460

36、a 采集的還是電壓信號，由此可見 cs5460a 采集的信號不是實際的電流信號，因此需要計算出其中的比例關系，以便在 程序中乘以相應的系數。 本設計中采用的是 5a/2.5ma 的電流互感器，在本設計中采用 56 歐姆的精密電阻來 實現電流到電壓的轉換，此時可以測量的電流范圍達到能 06.3a。 設單片機從 cs5460 中讀的電流測量結果為 d，實際電壓值為 z，則有以下關系式： 565 . 2 5 250ma z mv ffff d 得到： z=0.136d（0.136 為比例系數） 。 電 流 互 感 器 精 密 電 阻 網 絡 過 流 保 護 去 抖 電 容 輸 入 輸 出 華東理工畢

37、業設計（論文） - 9 - 圖 3-4 電流采樣原理圖 圖 3-5 電壓采樣原理圖 3.3.2 電量采樣總原理圖 如下圖 3-6 所示： xxx：液晶顯示多功能電測儀表的設計 - 10 - 圖 3-6 電量采樣總原理圖 華東理工畢業設計（論文） - 11 - 3.43.4 單片機系統電路設計單片機系統電路設計 3.4.1 at89s52 芯片的硬件結構 在設計中，要選用一個單片機作為電測量儀表的 cpu，由前面的介紹可知，該單 片機是公司新近推出的高檔、增強型產品。它是一個低功耗、高性能位微控制器,片內 含通用 8 位中央處理器和 isp flash 存儲單元,8k bytes isp 一跳的

38、可反復擦寫 1000 次的 只讀程序存儲器,片上 flash 允許程序存儲器在系統可編程,亦適于常規編程器。器件采 用 atmel 公司的高密度、非易失性存儲技術制造,兼容標準 mcs-52 指令系統及 80s52 引腳結構,在單芯片上,擁有靈巧的 8 位 cpu 和在系統可編程 flash,使得 at89s52 為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活!高性價比的解決方案。 3.4.2 at89s52 的功能介紹 兼容 mcs-51 指令系統 8k 字節在系統可編程 flash 存儲器 32 個雙向可編程 i/o 口線 4.5-5.5v 工作電壓 3 個 16 位可編程定時計數器式 時鐘頻率 0-

39、24mhz 2 個全雙工 uart 串行中斷通道 256x8bit 內部 ram 2 個外部中斷源 低功耗空閑和掉電模式 中斷喚醒掉電模式 三級加密程序存儲器 看門狗定時器電路 軟件設置空閑和省電功能模式 靈活的字節和分頁編程 電源關閉標識 3.4.3 at89s52 晶振特性 at89s52 單片機有一個用于構成內部振蕩器的反相放大器。xtal1 和 xtal2 分 別是放大器的輸入、輸出端。石英晶體和陶瓷諧振器都可以用來一起構成自激振蕩器., 見圖 3-7、3-8。從時鐘源驅動器件的話,xtal2 可以不接,而從 xtal1 接入。由于外部 時鐘信號經過二分頻觸發后作為外部時鐘電路輸入的,

40、-所以對外部時鐘信號的占空比沒 有其它要求,最長低電平持續時間和最少高電平持續時間等還是要符合要求的。 xxx：液晶顯示多功能電測儀表的設計 - 12 - 圖 3-7 內部振蕩電路連接圖 圖 3-8 外部振蕩電路連接圖 3.4.4 at89s52 的復位電路 at89s52 單片機與其他微處理器一樣，在啟動時都需要復位，使 cpu 及系統各部 件處于確切的初始狀態。at89s52 單片機復位的形式有以下兩種： 1、手動復位 手動復位需要人為在復位輸入端 rst 在加入高電平。一般采用的辦法是在 rst 端 和正電源 vcc 之間接一個按扭。當人為按下按鍵時，則 vcc 的+5v 電平就會直接加

41、 到 rst 端。由于人的動作很快也會使按扭接通達數十毫秒，所以，保證能滿足復位的 時間要求。手動復位電路如圖 3-10 所示： 圖 3-9 手動復位電路 在圖 2-10 的復位電路中，當 vcc 掉電時，必然會使 rst 端電壓迅速下降到 0v 以下，但是，由于內部電路的限制作用，這個負電壓將不會對器件產生傷害。另外， 在復位期間，端口引腳處于隨機狀態，復位后，系統端口為全“1”態。 2、上電復位 at89c51 的上電復位電路如圖 3-11 所示，只要在 rst 復位輸入引腳上接一個電 容至 vcc 端，下接一個電阻到地即可。對與 cmos 型單片機，由于在 rst 端內部有 一個下拉電阻

42、，故可將外部電阻去掉，而將接外電容減至 1uf。 上電復位的過程是在加電時，復位電路通過電容加給 rst 端一個短暫的高電平信 號，此高電平信號隨著 vcc 對電容的充電過程而逐漸回落，即 rst 端的高電平持續 時間。上電時，vcc 的上升時間大約為 10ms，而振蕩器的起振時間取決于振蕩頻率， 如晶振頻率為 10mhz，起振時間為 1ms；晶振頻率為 1mhz，起振時間為 10ms。 華東理工畢業設計（論文） - 13 - 圖 3-10 上電復位電路 3.53.5 單片機與單片機與 cs5460acs5460a 接口電路設計接口電路設計 cs5460a 有四條串行接口線：/cs、sdi、s

43、do 和 sclk。/cs 為片選控制線，低電平 有效；sdi 為串行數據輸入線；sdo 為串行數據輸出線；sclk 為串行時鐘，用于控制 cs5460a 與微控制器之間數據傳輸同步。針對三相電表的特性，采用三塊 cs5460a，并 通過轉化的 spi 口輸出 clk、sdi、sdo、和 rst，前三串口高速復用，因此通過三個高 速隔離送往單片機 at89s52 的三串口；cs 片選和 rst 復位通過六個低速隔離（無法復 用）用單片機 at89s52 進行片選和復位。 如圖 3-11 所示： rst cs sdi sdo sclk at89s52 cs5460a p1.0 p1.1 p1.2

44、 p1.3 p1.4 圖 3-11 at89s52 與 cs5460a 的口線連接圖 注：三片 cs5460 的 rst,sdi,sdo,slck 共用單片機的四根口線，但各片的片選線 是不共用的。 3.63.6 lcdlcd 顯示顯示 此次設計選用 dmc20261 型液晶顯示模塊，可顯示各種字符及圖形，可與 cpu 直接接口，具有 8 位標注數據總線、6 條控制線及電源線。dmc20261 型液晶顯 示模塊內部由 3 部份組成:lcd 控制器、驅動器、顯示器。如圖 3-12 所示 目前大部分 lcd 液晶顯示器的控制器都有采用型號為 hd44780 的集成控制器。 xxx：液晶顯示多功能電

45、測儀表的設計 - 14 - hd44780 是集控制器、驅動器于一體,專用于字符顯示控制驅動集成電路。hd44780 是 字符型液晶顯示控制器的代表電路其主要特點是:hd44780 不僅作為控制器而且具有 驅動 401 點陣液晶像素的能力,且驅動能力可通過外接驅動器擴展 360 列驅動;顯示緩 沖區及用戶自定義的字符發生器 cgram 全部內藏在芯片內;具有適用于 m6800 系列 mpu 的接口,并且接口數據傳輸可為 8 位數據和 4 位數據傳輸 2 種方式;具有簡單而功 能較強的指令集,可實現字符移動,閃爍等顯示功能;由于 hd44780 的 ddram 容量所限, hd44780 可控制

46、的字符高達每行 80 個字,也就是 580=400 點,內藏有 16 路行驅動器和 40 路列驅動器,所以 hd44780 本身就具驅動有 1640 點陣 lcd 能力(即單行 16 個字符 2 行 8 個字符);內藏的字符發生存儲器(cgrom)已經存儲了 160 個不同的點陣字符圖形,比 如數字/10 的代碼是 00110001b(31h),又如大寫的英文字母/a0 的代碼是 01000001b(41h)。 圖 3-12 lcd 內部結構圖 3.73.7 液晶顯示屏與液晶顯示屏與 at89s52at89s52 接口的設計接口的設計 在實際應用中,液晶模塊與單片機的連接方式很多。從占用 i/

47、o 口線的多少來分有 串行方式和并行方式,其中串行方式速度較慢、占用的 i/o 口少,并行方式分為 4 線和 8 線、速度較快、占用的 i/o 口多,實際應用中以并行方式居多。目前 51 系列單片機是國 內外應用最廣泛的一類,下面介紹筆者設計成功的接口電路供大家參考。 單片機的 p0 口和 p3 口的部份引腳與 dmc2026 型液晶顯示連接電路如圖 3-13 所 示。 lcd 控 制 器 lcd 驅 動 器 lcd 顯 示 器 db0-db7 e r/w vee rs vcc dgnd 華東理工畢業設計（論文） - 15 - 圖 3-13 液晶顯示與控制電路 3.83.8 通訊模塊通訊模塊

48、在進行嵌入式系統開發時 , 微處理器要與不同的設備實現互連 , 這就需要建立 統一的通信總線標準。通信總線可分為并行總線和串行總線 1 ,并行通信速度快、實 時性好 , 但占用的口線多 ,不宜于小型化產品的開發; 串行通信速率雖低 ,但在數據通 信吞吐量不是很大的微處理電路中顯得更加簡易、方便、靈活。串行通信總線的種類 繁多 , 文中就當前嵌入式系統開發中最常用的 rs485 總線的通信可靠性做分析 , 3.8.1 rs485 標準 rs485 是串行數據接口標準,由電子工業協會(eia)制訂并發布的,它是 rs - 422 基礎 上制定的標準, rs - 485 標準采用平衡式發送,差分式接

49、收的數據收發器來驅動總線,具 體規格要求:接收器的輸入電阻 rin12k; 驅動器能輸出7 的共模電壓; 輸入端的電 容50pf; 在節點數為 32 個,配置了 120 的終端電阻的情況下,驅動器至少還能輸出 電壓 115v(終端電阻的大小與所用雙絞線的參數有關);接收器的輸入靈敏度為 200 mv (即(v+) - (v-)012 v, 表示信號“0”; (v + ) - (v - )- 012 v,表示信號“1”)因為 rs - 485 的遠距離、多節點 ( 32 個 )以及傳輸線成本低的特性,使得 eiars - 485 成為工業 應用中數據傳輸的首選標準。 3.8.2 rs485 數據

50、傳輸的可靠性 （1）rs485 總線屬于外部總線,外部總線用于與外部設備進行信息和數據交換, 是 設備級的。rs - 485 標準所具有的噪聲抑制能力、數據傳輸速率、電纜長度及可靠性 是其他標準無法比擬的。然而在實際應用中,往往分散控制單元數量較多、分布較遠、 現場存在各種干擾,使得通信的可靠性不高。為了提高 rs - 485 總線在實際應用中的可 靠性,應注意以下幾個問題。 （2） 阻抗匹配 xxx：液晶顯示多功能電測儀表的設計 - 16 - rs - 485 的信號線應考慮阻抗匹配問題, 所謂阻抗匹配即信號線的負載應與信號線 的特性阻抗相等。特性阻抗與信號線的寬度、與地線層的距離以及板材的

51、介電常數等 物理因素有關,是信號線的固有特性阻抗不匹配將引起傳輸信號的反射,使數字波形產生 振蕩,造成邏輯混亂由于通信載體是雙絞線,它的特性阻抗為 120 左右,所以線路設計時,在 rs - 485 網絡傳輸線的始端和末端各應接 1 只 120 的匹配電阻,如圖 3-14 所示,以減 少線路上傳輸信號的反射。 圖 3-14 rs485 通信方式 max485 接口芯片是 maxim 公司的一種 rs485 芯片。采用單一電源+5 v 工作，額定電 流為 300 a，采用半雙工通訊方式。它完成將 ttl 電平轉換為 rs485 電平的功能。 其引腳結構圖如圖 1 所示。從圖中可以看出,max48

52、5 芯片的結構和引腳都非常簡單,內 部含有一個驅動器和接收器。ro 和 di 端分別為接收器的輸出和驅動器的輸入端，與單 片機連接時只需分別與單片機的 rxd 和 txd 相連即可；/re 和 de 端分別為接收和發送 的使能端，當/re 為邏輯 0 時，器件處于接收狀態；當 de 為邏輯 1 時，器件處于發送 狀態，因為 max485 工作在半雙工狀態，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳 即可；a 端和 b 端分別為接收和發送的差分信號端,當 a 引腳的電平高于 b 時，代表發 送的數據為 1；當 a 的電平低于 b 端時，代表發送的數據為 0。在與單片機連接時接線 非常簡單。只需要一

53、個信號控制 max485 的接收和發送即可。同時將 a 和 b 端之間加匹 配電阻，一般可選 100 的電阻。可以串行口取電，可以驅動 max232 與 max485 實現 通信。沒加負載時電壓有 5.16v，加負載后降制 3v 左右。如圖 3-15 所示： 圖 3-15 max485 引腳和結構圖 根據以上的要求，設計的電路如 3-16 圖所示：通過單片機 p1.7 口決定是傳送還是接 受數據。 華東理工畢業設計（論文） - 17 - 圖 3-16 通訊模塊 3.93.9 報警電路部分報警電路部分 當電流發生異常時，報警電路可輸出聲光報警信號。用戶可以通過功能按鍵進行 電表測量參數設置(如電

54、流/電壓變比,通訊波特率等)。本次設計主要采用的是蜂鳴器 與發光二極管，如圖 3-17 所示：通過控制 p1.5 口輸出低電平來實現聲光報警。 1k pn p 分分分 分分分 vc c 分分分 p1.5 圖 3-17 報警電路 3.103.10 功能按鍵部分功能按鍵部分 在單片機應用系統中為了控制系統的工作狀態，以及向系統中輸入數據，應用系 統應設有按鍵。鍵盤是人機界面的主要部件，它在單片機的設計中起著至關重要的作 用。通過按鍵可以實現設計者想要的功能。 由于用戶無需輸入數字量，所有功能選擇及參數設定均通過按鍵來完成，所以只 需 4 個按鍵就實現了全部功能的操作，并提供了簡潔的操作模式。所有按

55、鍵均直接連 接到單片機引腳上，無鍵按下時單片機引腳處于高電平狀態，當某個鍵按下時單片機 將接收到一個低電平信號，從而執行具體的操作。在本課題中的四個鍵分別賦予一下 功能： s1:翻轉功能，由于單片機從 cs5460a 讀取電量信息時，只能一個一個的讀，所以 通過此按鍵，可以選擇讀取哪一個。 s2：參數設置鍵，可以用于設置電壓/電流變比(以對消外面擴展互感器縮小比例)， 以及當與上位機通信時，可用于設置波特率。 s3:返回鍵。 s4：加 1 鍵 xxx：液晶顯示多功能電測儀表的設計 - 18 - 具體的電路如圖 3-18 所示： 圖 3-18 功能按鍵圖 3.11 電源電路 在電子電路中，一般都

56、需要穩定的直流電源供電。本次設計的直流電源為單相小 功率電源，它將頻率為 50hz、有效值為 220v 的單相交流電轉換為幅值穩定、輸出電流 為幾百毫安以下的直流電源。本次設計的大體思路就是單相交流電經過變壓器，橋式 整流，大電容濾波電路和穩壓電路轉化成穩定的直流電源。電源電路如圖 3-19 所示： ac 1 ac 2 v+ 3 v- 4 v in+5v vc c 220v 220vac-11vdc tr e 1 d 2 dp 3 c 4 g 5 com4 6 b 7 com3 8 com2 9 f 10 a 11 com1 12 分 分 分 分 分 分 e 1 d 2 dp 3 c 4 g

57、5 com4 6 b 7 com3 8 com2 9 f 10 a 11 com1 12 分 分 分 分 分 分 a 1 b 2 vc c 14 q0 3 q1 4 q2 5 q3 6 q4 10 q5 11 q6 12 q7 13 cl k 8 cr 9 gn d 7 74l s164 a 1 b 2 vc c 14 q0 3 q1 4 q2 5 q3 6 q4 10 q5 11 q6 12 q7 13 cl k 8 cr 9 gn d 7 74l s164 p00 p01 p02 p03 p04 p05 p06 p07 p24 p25 p26 p27 vc c vc c 圖 3-19 電源

58、電路圖 3.12 單片機與 x4050 接口設計 x5045 是在單片機系統中廣泛應用的一種看門狗芯片,他把上電復位、看門狗定時 器、電壓監控和 e2prom 四種常用功能組合在單個芯片里,以降低系統成本!節約電路板 空間。其看門狗定時器和電源電壓監控功能可對系統起到保護作用;5128 位的 e2prom 可用來存儲單片機系統的重要數據將其運用在溫度控制系統,取得了令人滿意的結果。 華東理工畢業設計（論文） - 19 - 3.12.1 工作原理 x5045 除了作為看門狗芯片使用外,另外一個基本的功能就是作為 e2prom 數據存 儲器使用,內部包含 512*8 的串行 e2prom,以保證系

59、統在掉電后仍可維持重要數據不變。 x5045 與 mcu 采用流行的 spi 總線接口方式,可以和任意一款單片機的 i/o 口直接連接。 芯片內部含有一個位指令移位寄存器,該寄存器可以通過 si 來訪問。數據在 sck 的上 升沿由時鐘同步輸入,在整個工作期內,cs 必須是低電平且 wp 必須是高電平。如果在 看門狗定時器預置的溢出時間內沒有總線活動通常指 cs 引腳電平變化,那么 x5045 將 提供復位信號輸出以保證系統的可靠運行。x5045 內部有一個/寫使能 0 鎖存器,在執行 寫操作之前該鎖存器必須被置位,在寫周期完成之后,該鎖存器自動復位。 3.12.2 x5045 芯片與 51

60、內核的單片機連接 at89s52 單片機和 x5045 的接口如圖 3-20 所示進行接線。雖然接口電路簡單,但 他為 at89s52 單片機擴展了上電復位!看門狗定時器、電源電壓監控,4kb 串行 e2prom 等功能,并且 e2prom 內部數據最小保存期為 100 年,可擦寫 100 萬次以上。 圖 3-20 x5045 與 at89c52 的硬件接口電路 xxx：液晶顯示多功能電測儀表的設計 - 20 - 第第 4 4 章章 系統軟件的設計系統軟件的設計 軟件的編寫可以用匯編或高級語言(如 c51)，從我的自身情況來說，我選擇的是用 匯編語言。 4.1 軟件設計思路 本系統的軟件設計主