液晶显示多功能电测仪表的设计.doc

华东理工毕业设计（论文） - i - 液晶显示多功能电测仪表的设计液晶显示多功能电测仪表的设计 摘摘 要要 本研究课题拟设计一个可准确测量供电系统交流电压/电流有效值的电测仪表，该 表应具有稳定，可靠，读数误差小及显示直观、准确测量等特点。 本次设计结合了单片机和高精度的电测芯片 cs5460 以及可视化软件 vb，cs5460 根据采样电路输出的电压电流算出电能，然后把电压、电流及功率由三 线双向串行接口传送给单片机，单片机根据键盘送入的指令显示测量结果或者通过 485 通信接口把测量结果传给上位机 vb，实现对电网电压/电流/电功率的实时显示。这不 仅对现实生活的电力监测系统具有很大的现实意义，而且在工控领域也具有广阔的应 用前景。 关键字：关键字：cs5460a；单片机；电测仪表；上位机 vb xxx：液晶显示多功能电测仪表的设计 - 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 instruments, 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 calculated 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 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 also has potential applications。 keywords：cs5460a ；single chip；electric quantities；pc vb 华东理工毕业设计（论文） - iii - 目目 录录 引引 言言1 1 第第 1 1 章章 绪论绪论2 2 1.1 多功能电测仪表的研究的及意义.2 1.2 课题的内容及技术指标 2 第第 2 2 章章 方案的比较与论证方案的比较与论证3 3 2.1 单片机的选择.3 2.2 模数转换部分.3 第第 3 3 章章 系统硬件电路的设计系统硬件电路的设计5 5 3.1 系统的总体结构框图.5 3.2 模数转换芯片的介绍.5 3.2.1 cs5460a 的特点 .5 3.2.3 芯片管脚的功能 .6 3.3 电量信号采集模块电路设计 7 3.3.1 调制电路和互感器部分.7 3.3.2 电量采样总原理图.9 3.4 单片机系统电路设计 .11 3.4.1 at89s52 芯片的硬件结构 11 3.4.2 at89s52 的功能介绍 11 3.4.3 at89s52 晶振特性 11 3.4.4 at89s52 的复位电路 12 3.5 单片机与 cs5460a 接口电路设计13 3.6 lcd 显示 13 3.7 液晶显示屏与 at89s52 接口的设计 .14 3.8 通讯模块 .15 3.8.1 rs485 标准 15 3.8.2 rs485 数据传输的可靠性 15 3.9 报警电路部分 .17 3.10 功能按键部分 17 3.11 电源电路 18 3.12 单片机与 x4050 接口设计 18 3.12.1 工作原理 .18 3.12.2 x5045 芯片与 51 内核的单片机连接 19 第第 4 4 章章 系统软件的设计系统软件的设计2020 4.1 软件设计思路 .20 4.2 主程序的设计 .20 4.3 cs5460 的操作 .21 4.3.1 系统校准 21 4.3.2 数据的读写 21 4.4 显示子程序设计24 总结与展望总结与展望2626 致谢致谢2727 xxx：液晶显示多功能电测仪表的设计 - iv - 参考文献参考文献2828 附录附录 a a：总原理图：总原理图 2929 附录附录 b b：主要参考文献体录及摘要：主要参考文献体录及摘要 3030 附录附录 c c：英语引文及翻译：英语引文及翻译 3232 附录附录 d d：主要源程序清单：主要源程序清单 3838 华东理工毕业设计（论文） - v - 插图清单插图清单 图 3-1 系统的总体结构框图 图 3-2 cs5460a 内部机构图 图 3-3 采集结构图 图 3-4 电流采样原理图 图 3-5 电压采样原理图 图 3-6 电量采样总原理图 图 3-7 内部振荡电路连接图 图 3-8 外部振荡电路连接图 图 3-10 手动复位电路 图 3-11 上电复位电路 图 3-12 at89s52 与 cs5460a 的口线连接图 图 3-13 lcd 内部结构图 图 3-14 液晶显示与控制电路 图 3-15 rs485 通信方式 图 3-16 max485 引脚和结构图 图 3-17 通讯模块 图 3-18 报警电路 图 3-19 功能按键 图 3-20 电源电路图 图 3-21 x5045 与 at89c52 的硬件接口电 路 图 4-1 主程序流程图 图 4-2 cs5460a 的写时 序 图 4-3 cs5460a 的读时 序 图 4- 1 电量采集子程序流程图 图 4-5 显示主程序流程图 华东理工毕业设计（论文） - 1 - 引引 言言 电测仪表技术与计算机技术、微电子技术、通信技术、网络技术将越来越密不可 分。电测仪表象其他所有行业用仪器仪表一样，其发展将遵循跟着通用计算机走、跟 着通用软件走和跟着标准网络走的指导思想。依托于智能化、微机化仪表的日益普及， 还将在现代工业生产等越来越多的领域中大显身手。依托于新材料、生物工程、微电 子技术和微计算机的最新成果，电测仪表技术将更快地进步。生物芯片和片式系统 soc 将使微机化仪器耗能更少，尺寸更小，功能更强。现代工业企业中各种大型设备 将越来越多且均需定期进行检测。因此在线检测方法和相应检测仪器仪表的研制，无 疑是电测与仪表技术的一个发展方向。为了能有效提高抄表准确性与及时性和杜绝抄 表不到位、估抄、误抄、漏抄等现象的发生，使得远程自动抄表将取代人工上门抄表， 这也将是电能测量、用电管理自动化的发展方向。 随着工业自动化及电能管理现代化的发展，对电测仪表的功能及可靠性、稳定性 要求越来越高。例如可以通过 rs485 总线对电测仪表的信息进行访问，实时显示等， 虽然目前市场上也出现了此类的仪表，但不是价格昂贵就性能不稳定，不利于推广， 针对这一不足，本课题拟在前人的基础上设计一块功能满足一般用户需要且性价比高 的多功能电测仪表。 因此我们要设计一个单片机数字电压/电流表，不仅它能对电压/电流信号的实时检 测、显示和远程监控，也能实现电压/电流量程自动转换和手动量程转换功能，而且在 价格上也不能太贵。 xxx：液晶显示多功能电测仪表的设计 - 2 - 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 多功能电测仪表的研究的及意义多功能电测仪表的研究的及意义 在电力系统中，能快速并准确的实现对功率、电压、电流、频率、功率因数、电 量等重要电气参数的测量的仪表应用的越来越普遍，所以设计一个稳定，可靠，读数 误差小且显示直观的电测仪表是非常必要并具有相当的实用价值。 最近几年很多都是只有单一的功能如只能测量电流/电压等，如要同时测量数据时 需要多个电测仪表，这样不仅浪费时间，而且也不能实时的显示。同时测量的精确度， 稳定度也不高，所以对电测仪表的功能及可靠性、稳定性要求很高。 在我国使用的电测仪表中，多数采用的是模拟的，其性能也不是十分的好。因此 影响了我国的工业仪表的准确度，造成一些数据的错误，给工业的发展带来一定的阻 力。在传统的模拟信号测量系统中，需要很好的解决模拟指针摆动误差补偿问题，多 点测量切换误差问题和放大电路零点漂移问题，才能够达到高的测量精度。为了克服 上面提到的问题，各商家不断推出各种新型电测量表。基于单片机控制的电测量表， 既可以完成高精度数据的测量传递，又可借助单片机的汇编程序做进一步的处理和改 善，还可以直接实现数字化输出、测试及控制功能强、传输距离远、抗干扰能力强、 微型化、微功耗、可适配各种微控制器（mcu）或微型计算机进行电压控制，便于扩 展和维护。 随着电子技术的发展，对电测仪表的功能及可靠性、稳定性要求越来越高。例如 可以通过 rs485 总线对电测仪表的信息进行访问，实时显示等，虽然目前市场上也出 现了此类的仪表，但不是价格昂贵就性能不稳定，不利于推广，针对这一不足，我们 进一步改良了我们的电测仪表，在提高它的准确度、精确度等性能的同时，降低它的 成本。 1.2 课题的内容及技术指标 本研究课题拟设计一个可准确测量供电系统交流电压/电流有效值的电测仪表，该 表应具有稳定，可靠，读数误差小及显示直观、准确测量等特点。具体要求如下： （1）测量范围：0-5a 交流电电流（工频 50hz）,电压量程为 100v,可外接电流/电压互 感器开展量程。 （2）可用于三相四线制的供电系统，条件容许的化，可设计成三相三线/三相四线两用 型仪表。 （3）带有一路报警，当电流发生异常时可输出声，光报警信号。配备按键，可方便用 户进行电表测量参数设置（如电流/电压变比，通讯波特率） 。 （4）系统带有 rs485 通讯接口，能够与上位机进行数据通信。 华东理工毕业设计（论文） - 3 - 第第 2 2 章章 方案的比较与论证方案的比较与论证 此次设计的多个方案不同之处在于 a/d 转换器和 51 单片机的选择上，如果要确保 测量准确度，那就须在交流电信号的采集和转化精度方面大做文章，即要采用性能好， 精度高的芯片，测量精度虽然上去了，但成本比较高的；相反如果仅考虑经济方面， 那系统的性能就大打折扣了。我们应该从设计要求出发，在能满足设计要求的情况下， 尽可能的考虑降低设计成本。以下就从本设计中两个核心部件选择出发，介绍下选用 本设计方案的原因。 2.12.1 单片机的选择单片机的选择 at89s52 单片机是 atmel 公司新近推出的高档、增强型产品。它是一个低功耗高 性能 cmos8 位微控制器,片内含通用 8 位中央处理器和 ispflash 存储单元, 8kbisp(in2systemprogrammable)的可反复擦写 1000 次的 flash 只读程序存储器,片上 flash 允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。器件采用 atmel 公司的高密 度非易失性存储技术制造,兼容标准 mcs251 指令系统及 80c51 引脚结构,在单芯片上, 拥有灵巧的 8 位 cpu 和在系统可编程 flash,使得 at89s52 与目前市场上主要有的 8 位单片机,stc89c51/52,pic10/12/16/18，p89lpc932 等型号相比，at89s52 更能为嵌 入式控制系统提供高灵活、高性价比的解决方案。 2.22.2 模数转换部分模数转换部分 cs5460a 是高度集成的、带有能量计算引擎的 cmos 芯片。它集成了以下主要模 块:一个可编程增益放大器(pga) ,一个固定增益放大器,两个高速数字滤波器,两个可选 用的高通滤波器,一个功率、能量计算单元,一组串行接口,一个能量/脉冲转换器,一组寄 存器(24 位) ,一个看门狗定时器,一个电源监视器等。其主要特点如下: (1)分辨率为 24 位二进制码。 (2)主时钟频率最大可为 20mhz。 (3) 能量数据线性度在 1000 1 的动态范围内为 011 %。 (4)芯片功能为可实现(真实) 能量和 i 3 v , irms ,vrms 计算及能量到脉冲速率转 换。 (5)具有交流或直流系统校准。 (6) 10 倍和 50 倍的可编程增益放大器。 (7)优化的接口适用于分路(流)式传感器。 (8)兼容 iec(国际电工委员会) 687/ 1036 标准和 j is(日本工业标准) 。 (9)具有电压对电流的相位补偿及单电源地参考信号。 (10)具有简单的三线串行接口电路、看门狗电路和电源监视电路。 在以往的交流电压、电流有效值测量中，往往采用 ad536 等真有效值转换芯 片得出，或是通过对交流信号进行瞬时值采样测量，通过有效值公式运算得出。采用 这种有效值转换芯片，虽然具有使用方法简单，转换精度高，不受波形因素影响等特 点，但价格过高；而对瞬时值采样运算得到的有效值则需要存储大量的交流信号瞬时 值，同时对 a/d 转换器的采样速度与转换速度、a/d 转换器与微控制器的通讯速度、 微控制器的运算速度要求较高，实现起来与采用专用真有效值变换芯片比起来成本并 不会有太大的降低，同时还需要有相对复杂的算法支持。对于交流功率的测量则主要 xxx：液晶显示多功能电测仪表的设计 - 4 - 是利用公式：p=uicos，分别测得三个参量后运算得出，或分别通过对电压、电 流的瞬时值采样，再通过相应的算法运算得出。这两种方法同样与电压、电流有效值 测量存在相类似的问题，即需要高成本的硬件与复杂算法支持。为了解决以上问题， 本设计选择了低成本的 cs5460a 功率、电能专用计量芯片来进行交流电参数的有效值 测量。该芯片是高度集成的 - 型 a/d 转换器，在恶劣的条件下仍能保持良好的性 能指标和长期的稳定性 第第 3 3 章章 系统硬件电路的设计系统硬件电路的设计 3.13.1 系统的总体结构框图系统的总体结构框图 基于单片机数字电压/电流表的设计主要完成对电压/电流信号的实时检测和显示， 要求能实现电压/电流量程自动转换和手动量程转换功能。本毕业设计拟通过信号采集 模块把三相四线制的电力系统中的大电流和大电压信号转换成 cs5460a 可接受的小电 压信号，将采集到的小电压信号送入 cs5460 的信号输入通道，通过 cs5460a 对其进行 华东理工毕业设计（论文） - 5 - a/d 转换，将模拟信号转化为 24 位的数字信号。cs5460a 通过串行方式与单片机进行 数据交换。通过单片机进行数据处理将数字信号转换后将结果送入 lcd 显示。 图 3-3 系统的总体结构框图 本章的主要内容就是根据以上说明，具体的论述各个部分。 3.23.2 模数转换芯片的介绍模数转换芯片的介绍 3.2.1 cs5460a 的特点 (1)转换精度高,测量功能强自身转换精度达到 0.1 级,可以实现 0.2 级的测 仪表。可测量瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电流有效值、电压有效值、功率有效 值和电能计量,这在电力系统的测量芯片中是不多见的。 (2)外围器件少,具有片内看门狗定时器(watchdogtimer)与内部电源监视器该芯片 只用很少的外围器件即可实现转换功能,确保了仪表的转换精度及稳定性。 (3)接口方便器件本身形成双向串行接口,双向串行接口与内部寄存器阵列可以方便 地与微处理器相连接,并有功能很强的内部寄存器数组,56 根连线即可方便地与单片机 接口;针对这些特点,选用了 cs5460 芯片,收到了很好的效果。本文着重介绍 cs5460 芯 片的基本功能与运用,根据时序,给出所采用读写方法的一些体会以及硬件实现原理图。 3.2.2 工作原理及内部结构 cs5460a 内部集成了包括偏置寄存器、增益寄存器、脉冲速率寄存器和参数寄存 器等 16 个寄存器，还集成了串口发送寄存器、串行口接收寄存器和一个命令解释状态 机，这些寄存器用来完成对 cs5460a 的设置、采集数据的存储和串行输入输出的控制。 cs5460a 通过与分流器或电流互感器连接测量电流，与分压电阻或电压互感器连 接测量电压。为了和输入电压的不同量级匹配，电流通道集成 1 个可编程增益放大器 （pga） 。电压、电流各有 1 路高速数字滤波器，其中电压通道的高速滤波器是一个由 短程 fir 补偿的固定 sin c2 滤波器；电流通道包括 1 个 sin c4 滤波器，由 1 个短程 fir 滤波器补偿。电压通道和电流通道各有 1 个高通滤波器，可在能量计算前滤波输入信 号中的直流成分，这些高通滤波器可通过配置寄存器中的某些位激活。如果只想在 1 个通道中使用高通滤波器，补偿由高通滤波器所引起的相位延迟。 xxx：液晶显示多功能电测仪表的设计 - 6 - cs5460a 串行接口的从属方式使用包括 2 条控制线和 2 条数据线： cs、sdi、sdo 和 sclk. cs:片选（输入脚） ，允许访问串口的控制线。cs 为逻辑 1 时，sdi,sdo 和 sclk、输 出将保持高阻抗。如果 cs 为逻辑 0，sdi,sdo 和 sclk 具有如下特性： sdi：串行数据输入（输入脚） ，用于把用户的数据（如数据/命令/地址等）传输到 cs5460a。 sdo:串行数据输出（输出脚） ，用于从寄存器读出数据。 sclk:串行时钟（输入脚） ，控制数据移出或移入 a/d 转换器串行口的传输率。为了和 光电耦合器相匹配，sclk 的输入端集成了一个施密特触发器，以允许使用上升和下 降时间较慢的光电耦合器直接驱动该引脚。另外，sdo 具有吸收或输出 5ma 电流的能 力，可以直接驱动光电耦合器的 led。在吸收或输出 5ma 电流时，sdo 的驱动电压 损失小于 400ma【17】。 图 3-4 cs5460a 内部机构图 3.2.3 芯片管脚的功能 1 脚 xout:晶体振荡器输出。 2 脚 cpuclk:cpu 时钟输出。cpuclk 片上振荡器的输出,可以驱动一个标难的 cmos 负荷。 3 脚 vd+:数字电路电源正极。以 dgnd 为参考,一般为+5v10%。 4 脚 dgnd:数字地。数字接地,与 va-具有相同的电平。 5 脚 sclk:串行时钟输入。该脚确定 sdi 和 sdo 引脚的输入和输出速率。此输入 具有一个允许使用边沿缓慢的信号的施密特触发器。只有当 cs 低时,sclk 引脚才识别 时钟。 6 脚 sdo:串行数据输出。sdo 是串行数据端口的输出引脚,当 cs 高时,其输出将处 于高阻抗状态。 7 脚 cs:片选。当处于低电平时,端口可以识别 sclk。该脚高电平状态使 sdo 引 脚处于高阻抗状态。cs 应在 sclk 处于低电平时改变状态。 8 脚 mode:模式选择。当处于高电平时 cs5460a 开始执行自导入序列,从外接 华东理工毕业设计（论文） - 7 - e2prom 读取命令和设置。当处于低电平时 cs5460 运行在常规命令模式。引脚不连 接时下拉为逻辑低电平。 9 脚 vin+:差分电压正输入端。 10 脚 vin-:差分电压负输入端。vin+,vin-为电压通道的差分模拟输入引脚。 11 脚 vrefout:参考电压输出。芯片上的参考电压由该引脚输出,参考电压的标称 值为 2.5v(以 va-引脚为参考)。 12 脚 vrefin:参考电压输入。该引脚输入的电压给芯片上的调制器提供参考电压。 13 脚 va-:模拟地负极。负模拟电源引脚,必须具有最低的电压。 14 脚 va+:模拟电源正极。以 va-为参考,通常为+5v10%。 15 脚 hn-:差分电流负输入端。 16 脚 hn+:差分电流正输入端。hn-,hn+为电流通道的差分模拟输入引脚。 17 脚 pfmon:电源掉电监视输出。pfmon 掉电监视器,用来监视模拟电源,相对于 va-引脚的典型阀值电平为 2.5v,具有50mv 的滞环。如果 pfmon 的电压低于阀值, 则状态寄存器的 lsd(低电源检测)位将被置位。 18 脚 nc:空脚。该引脚保持悬浮态。 19 脚 reset:复位输入。reset 当复位引脚为低电平时,所有内部寄存器都被设置 为缺省值。 20 脚 int:中断输出。当 int 变低时,表明一个允许的事件已发生。可以通过向 cs5460a 写入适当命令来使 int 清除(逻辑 1)。 21 脚 eout:电能脉冲输出。eout 电量输出引脚,输出一个脉冲宽固定、频率(可 编程)和电能成比例的脉冲串。 22 脚 edir:能量方向指示输出。如果测量到的电能是负值,电能方向指示器发出指 示。 23 脚 sdi:串行数据输入。sdi 是串行数据接口的输入引脚。数据的输入速率由 sclk 决定。 24 脚 xin:晶体振荡器输入。xout,xin 芯片内的一个门电路与这些引脚相连,可 连接晶体为芯片提供系统时钟。另外,也可以有外部时钟(与 cmos 时钟兼容)驱动引脚 xin,为芯片提供系统时钟。 3.33.3 电量信号采集模块电路设计电量信号采集模块电路设计 电量采集部分是保证该计量装置精度、提供修改综合误差所需的测量数据的重要环 节。不管采用哪种器件，首先器件的精度要高、稳定，所采集的信号才能正确反映电 流、电压的真实大小及正确的相位关系。 3.3.1 调制电路和互感器部分 电流采样电路由电电流互感器、精密电阻网络、过压保护及去抖电容组成。本课 题选用 2000：1 的电流互感器为电流通道采样器件，为降低激磁误差采用安匝数高的 电流互感器，由精密电阻组成的电流电压变换电路使电流互感器工作于近似短路状态， 经过 i/v 变换后的电压信号就反映了电流的副位和相位。如图 3-3 所示。 xxx：液晶显示多功能电测仪表的设计 - 8 - 图 3-3 采集结构图 cs5460a 的电压通道和电流通道可与电阻分流器或互感器接口。其电流通道的可编 程增益放大器(pga)的增益可设为 10 db 和 50 db，分别对应于最大有效值为 250 mv 和 50 mv 的交流信号输入；电压通道的最大有效值输入为 250 mv。由于 cs5460a 的- 型模数转换器采用过采样原理，对高频噪声有较强的抑制，因而对输入信号无需 进行复杂的滤波器处理，引入阻容滤波电路反而容易引起相移。 图 3-5 和图 3-4 是电压和电流的采样电路。在图 3-4 中，pt 是变比为 2:1 的电压 互感器，ct 为变比 2000:1 的电流互感器。取样电阻 r2，r3，r4，r5 的阻值由被测信 号的最大值决定。电阻为电压、电流模拟通道的输入保护电阻。原理图中 r2=r3，r4=r5。经变换后的小信号以差模电压的形式接到 cs5460a 的模拟信号输入端， 减小输入阻抗。由于互感器的使用引入可能造成输入信号的相移，使功率测量的误差 增大。而 cs5460a 具有相位补偿功能(可进行-24+25的相位补偿)，可以大 大减小互感器相移所带来的误差的影响。 (1)根据任务书的要求：电压的量程在 0100v，而 cs5460a 的输入的电压范围是 0250mv,所以不能将 cs5460a 直接接在电网上，需要将电网的大电压信号转换到小 电压信号再与 cs5460a 连接，用电阻分压的方式来减小电压。 所以知，电压分比为： 400 m250 100 v v 注意：cs5460a 采集的电压是经过分压后的小电压，并不是电网中的实际电压，因此 在程序实现时应该乘以相应的系数才是实际的电压。 (2) 根据任务书的要求：电流的测量范围为 05a,而 cs5460a 的输入电流范围很 小，所以在电流采样电路中，要通过电流互感器把大电流信号变成小电流信号，再通 过精密电阻把此信号变成电压信号，实际上 cs5460a 采集的还是电压信号，由此可见 cs5460a 采集的信号不是实际的电流信号，因此需要计算出其中的比例关系，以便在 程序中乘以相应的系数。 本设计中采用的是 5a/2.5ma 的电流互感器，在本设计中采用 56 欧姆的精密电阻来 实现电流到电压的转换，此时可以测量的电流范围达到能 06.3a。 设单片机从 cs5460 中读的电流测量结果为 d，实际电压值为 z，则有以下关系式： 565 . 2 5 250ma z mv ffff d 得到： z=0.136d（0.136 为比例系数） 。 电 流 互 感 器 精 密 电 阻 网 络 过 流 保 护 去 抖 电 容 输 入 输 出 华东理工毕业设计（论文） - 9 - 图 3-4 电流采样原理图 图 3-5 电压采样原理图 3.3.2 电量采样总原理图 如下图 3-6 所示： xxx：液晶显示多功能电测仪表的设计 - 10 - 图 3-6 电量采样总原理图 华东理工毕业设计（论文） - 11 - 3.43.4 单片机系统电路设计单片机系统电路设计 3.4.1 at89s52 芯片的硬件结构 在设计中，要选用一个单片机作为电测量仪表的 cpu，由前面的介绍可知，该单 片机是公司新近推出的高档、增强型产品。它是一个低功耗、高性能位微控制器,片内 含通用 8 位中央处理器和 isp flash 存储单元,8k bytes isp 一跳的可反复擦写 1000 次的 只读程序存储器,片上 flash 允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。器件采 用 atmel 公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准 mcs-52 指令系统及 80s52 引脚结构,在单芯片上,拥有灵巧的 8 位 cpu 和在系统可编程 flash,使得 at89s52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活!高性价比的解决方案。 3.4.2 at89s52 的功能介绍 兼容 mcs-51 指令系统 8k 字节在系统可编程 flash 存储器 32 个双向可编程 i/o 口线 4.5-5.5v 工作电压 3 个 16 位可编程定时计数器式 时钟频率 0-24mhz 2 个全双工 uart 串行中断通道 256x8bit 内部 ram 2 个外部中断源 低功耗空闲和掉电模式 中断唤醒掉电模式 三级加密程序存储器 看门狗定时器电路 软件设置空闲和省电功能模式 灵活的字节和分页编程 电源关闭标识 3.4.3 at89s52 晶振特性 at89s52 单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器。xtal1 和 xtal2 分 别是放大器的输入、输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器., 见图 3-7、3-8。从时钟源驱动器件的话,xtal2 可以不接,而从 xtal1 接入。由于外部 时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的,-所以对外部时钟信号的占空比没 有其它要求,最长低电平持续时间和最少高电平持续时间等还是要符合要求的。 xxx：液晶显示多功能电测仪表的设计 - 12 - 图 3-7 内部振荡电路连接图 图 3-8 外部振荡电路连接图 3.4.4 at89s52 的复位电路 at89s52 单片机与其他微处理器一样，在启动时都需要复位，使 cpu 及系统各部 件处于确切的初始状态。at89s52 单片机复位的形式有以下两种： 1、手动复位 手动复位需要人为在复位输入端 rst 在加入高电平。一般采用的办法是在 rst 端 和正电源 vcc 之间接一个按扭。当人为按下按键时，则 vcc 的+5v 电平就会直接加 到 rst 端。由于人的动作很快也会使按扭接通达数十毫秒，所以，保证能满足复位的 时间要求。手动复位电路如图 3-10 所示： 图 3-9 手动复位电路 在图 2-10 的复位电路中，当 vcc 掉电时，必然会使 rst 端电压迅速下降到 0v 以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生伤害。另外， 在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统端口为全“1”态。 2、上电复位 at89c51 的上电复位电路如图 3-11 所示，只要在 rst 复位输入引脚上接一个电 容至 vcc 端，下接一个电阻到地即可。对与 cmos 型单片机，由于在 rst 端内部有 一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将接外电容减至 1uf。 上电复位的过程是在加电时，复位电路通过电容加给 rst 端一个短暂的高电平信 号，此高电平信号随着 vcc 对电容的充电过程而逐渐回落，即 rst 端的高电平持续 时间。上电时，vcc 的上升时间大约为 10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率， 如晶振频率为 10mhz，起振时间为 1ms；晶振频率为 1mhz，起振时间为 10ms。 华东理工毕业设计（论文） - 13 - 图 3-10 上电复位电路 3.53.5 单片机与单片机与 cs5460acs5460a 接口电路设计接口电路设计 cs5460a 有四条串行接口线：/cs、sdi、sdo 和 sclk。/cs 为片选控制线，低电平 有效；sdi 为串行数据输入线；sdo 为串行数据输出线；sclk 为串行时钟，用于控制 cs5460a 与微控制器之间数据传输同步。针对三相电表的特性，采用三块 cs5460a，并 通过转化的 spi 口输出 clk、sdi、sdo、和 rst，前三串口高速复用，因此通过三个高 速隔离送往单片机 at89s52 的三串口；cs 片选和 rst 复位通过六个低速隔离（无法复 用）用单片机 at89s52 进行片选和复位。 如图 3-11 所示： rst cs sdi sdo sclk at89s52 cs5460a p1.0 p1.1 p1.2 p1.3 p1.4 图 3-11 at89s52 与 cs5460a 的口线连接图 注：三片 cs5460 的 rst,sdi,sdo,slck 共用单片机的四根口线，但各片的片选线 是不共用的。 3.63.6 lcdlcd 显示显示 此次设计选用 dmc20261 型液晶显示模块，可显示各种字符及图形，可与 cpu 直接接口，具有 8 位标注数据总线、6 条控制线及电源线。dmc20261 型液晶显 示模块内部由 3 部份组成:lcd 控制器、驱动器、显示器。如图 3-12 所示“ 目前大部分 lcd 液晶显示器的控制器都有采用型号为 hd44780 的集成控制器。 xxx：液晶显示多功能电测仪表的设计 - 14 - hd44780 是集控制器、驱动器于一体,专用于字符显示控制驱动集成电路。hd44780 是 字符型液晶显示控制器的代表电路“其主要特点是:hd44780 不仅作为控制器而且具有 驱动 401 点阵液晶像素的能力,且驱动能力可通过外接驱动器扩展 360 列驱动;显示缓 冲区及用户自定义的字符发生器 cgram 全部内藏在芯片内;具有适用于 m6800 系列 mpu 的接口,并且接口数据传输可为 8 位数据和 4 位数据传输 2 种方式;具有简单而功 能较强的指令集,可实现字符移动,闪烁等显示功能;由于 hd44780 的 ddram 容量所限, hd44780 可控制的字符高达每行 80 个字,也就是 580=400 点,内藏有 16 路行驱动器和 40 路列驱动器,所以 hd44780 本身就具驱动有 1640 点阵 lcd 能力(即单行 16 个字符 2 行 8 个字符);内藏的字符发生存储器(cgrom)已经存储了 160 个不同的点阵字符图形,比 如数字/10 的代码是 00110001b(31h),又如大写的英文字母/a0 的代码是 01000001b(41h)。 图 3-12 lcd 内部结构图 3.73.7 液晶显示屏与液晶显示屏与 at89s52at89s52 接口的设计接口的设计 在实际应用中,液晶模块与单片机的连接方式很多。从占用 i/o 口线的多少来分有 串行方式和并行方式,其中串行方式速度较慢、占用的 i/o 口少,并行方式分为 4 线和 8 线、速度较快、占用的 i/o 口多,实际应用中以并行方式居多。目前 51 系列单片机是国 内外应用最广泛的一类,下面介绍笔者设计成功的接口电路供大家参考。 单片机的 p0 口和 p3 口的部份引脚与 dmc2026 型液晶显示连接电路如图 3-13 所 示。 lcd 控 制 器 lcd 驱 动 器 lcd 显 示 器 db0-db7 e r/w vee rs vcc dgnd 华东理工毕业设计（论文） - 15 - 图 3-13 液晶显示与控制电路 3.83.8 通讯模块通讯模块 在进行嵌入式系统开发时 , 微处理器要与不同的设备实现互连 , 这就需要建立 统一的通信总线标准。通信总线可分为并行总线和串行总线 1 ,并行通信速度快、实 时性好 , 但占用的口线多 ,不宜于小型化产品的开发; 串行通信速率虽低 ,但在数据通 信吞吐量不是很大的微处理电路中显得更加简易、方便、灵活。串行通信总线的种类 繁多 , 文中就当前嵌入式系统开发中最常用的 rs485 总线的通信可靠性做分析 , 3.8.1 rs485 标准 rs485 是串行数据接口标准,由电子工业协会(eia)制订并发布的,它是 rs - 422 基础 上制定的标准, rs - 485 标准采用平衡式发送,差分式接收的数据收发器来驱动总线,具 体规格要求:接收器的输入电阻 rin12k; 驱动器能输出7 的共模电压; 输入端的电 容50pf; 在节点数为 32 个,配置了 120 的终端电阻的情况下,驱动器至少还能输出 电压 115v(终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关);接收器的输入灵敏度为 200 mv (即(v+) - (v-)012 v, 表示信号“0”; (v + ) - (v - )- 012 v,表示信号“1”)因为 rs - 485 的远距离、多节点 ( 32 个 )以及传输线成本低的特性,使得 eiars - 485 成为工业 应用中数据传输的首选标准。 3.8.2 rs485 数据传输的可靠性 （1）rs485 总线属于外部总线,外部总线用于与外部设备进行信息和数据交换, 是 设备级的。rs - 485 标准所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性 是其他标准无法比拟的。然而在实际应用中,往往分散控制单元数量较多、分布较远、 现场存在各种干扰,使得通信的可靠性不高。为了提高 rs - 485 总线在实际应用中的可 靠性,应注意以下几个问题。 （2） 阻抗匹配 xxx：液晶显示多功能电测仪表的设计 - 16 - rs - 485 的信号线应考虑阻抗匹配问题, 所谓阻抗匹配即信号线的负载应与信号线 的特性阻抗相等。特性阻抗与信号线的宽度、与地线层的距离以及板材的介电常数等 物理因素有关,是信号线的固有特性阻抗不匹配将引起传输信号的反射,使数字波形产生 振荡,造成逻辑混乱由于通信载体是双绞线,它的特性阻抗为 120 左右,所以线路设计时,在 rs - 485 网络传输线的始端和末端各应接 1 只 120 的匹配电阻,如图 3-14 所示,以减 少线路上传输信号的反射。 图 3-14 rs485 通信方式 max485 接口芯片是 maxim 公司的一种 rs485 芯片。采用单一电源+5 v 工作，额定电 流为 300 a，采用半双工通讯方式。它完成将 ttl 电平转换为 rs485 电平的功能。 其引脚结构图如图 1 所示。从图中可以看出,max485 芯片的结构和引脚都非常简单,内 部含有一个驱动器和接收器。ro 和 di 端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单 片机连接时只需分别与单片机的 rxd 和 txd 相连即可；/re 和 de 端分别为接收和发送 的使能端，当/re 为逻辑 0 时，器件处于接收状态；当 de 为逻辑 1 时，器件处于发送 状态，因为 max485 工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚 即可；a 端和 b 端分别为接收和发送的差分信号端,当 a 引脚的电平高于 b 时，代表发 送的数据为 1；当 a 的电平低于 b 端时，代表发送的数据为 0。在与单片机连接时接线 非常简单。只需要一个信号控制 max485 的接收和发送即可。同时将 a 和 b 端之间加匹 配电阻，一般可选 100 的电阻。可以串行口取电，可以驱动 max232 与 max485 实现 通信。没加负载时电压有 5.16v，加负载后降制 3v 左右。如图 3-15 所示： 图 3-15 max485 引脚和结构图 根据以上的要求，设计的电路如 3-16 图所示：通过单片机 p1.7 口决定是传送还是接 受数据。 华东理工毕业设计（论文） - 17 - 图 3-16 通讯模块 3.93.9 报警电路部分报警电路部分 当电流发生异常时，报警电路可输出声光报警信号。用户可以通过功能按键进行 电表测量参数设置(如电流/电压变比,通讯波特率等)。本次设计主要采用的是蜂鸣器 与发光二极管，如图 3-17 所示：通过控制 p1.5 口输出低电平来实现声光报警。 1k pn p 分分分 分分分 vc c 分分分 p1.5 图 3-17 报警电路 3.103.10 功能按键部分功能按键部分 在单片机应用系统中为了控制系统的工作状态，以及向系统中输入数据，应用系 统应设有按键。键盘是人机界面的主要部件，它在单片机的设计中起着至关重要的作 用。通过按键可以实现设计者想要的功能。 由于用户无需输入数字量，所有功能选择及参数设定均通过按键来完成，所以只 需 4 个按键就实现了全部功能的操作，并提供了简洁的操作模式。所有按键均直接连 接到单片机引脚上，无键按下时单片机引脚处于高电平状态，当某个键按下时单片机 将接收到一个低电平信号，从而执行具体的操作。在本课题中的四个键分别赋予一下 功能： s1:翻转功能，由于单片机从 cs5460a 读取电量信息时，只能一个一个的读，所以 通过此按键，可以选择读取哪一个。 s2：参数设置键，可以用于设置电压/电流变比(以对消外面扩展互感器缩小比例)， 以及当与上位机通信时，可用于设置波特率。 s3:返回键。 s4：加 1 键 xxx：液晶显示多功能电测仪表的设计 - 18 - 具体的电路如图 3-18 所示： 图 3-18 功能按键图 3.11 电源电路 在电子电路中，一般都需要稳定的直流电源供电。本次设计的直流电源为单相小 功率电源，它将频率为 50hz、有效值为 220v 的单相交流电转换为幅值稳定、输出电流 为几百毫安以下的直流电源。本次设计的大体思路就是单相交流电经过变压器，桥式 整流，大电容滤波电路和稳压电路转化成稳定的直流电源。电源电路如图 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 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 图 3-19 电源电路图 3.12 单片机与 x4050 接口设计 x5045 是在单片机系统中广泛应用的一种看门狗芯片,他把上电复位、看门狗定时 器、电压监控和 e2prom 四种常用功能组合在单个芯片里,以降低系统成本!节约电路板 空间。其看门狗定时器和电源电压监控功能可对系统起到保护作用;5128 位的 e2prom 可用来存储单片机系统的重要数据“将其运用在温度控制系统,取得了令人满意的结果。 华东理工毕业设计（论文） - 19