毕业设计（论文）-基于单片机的电压检测记录仪设计

摘 要发电、供电系统、及其管理部门，需要掌握电网的电力情况，以保证整个电网的正常运行。这就需要在各个主要位置安装电压监测系统，不仅要实时监测，多个回路同时监测，还要对电压变化进行实时记录，从而总结规律，找出应对措施。电压监测记录仪，就是为此功能而设计的。它不仅能实时测量显示当前的电压，还能将电压变化情况记录下来，并能记录电压的最高与最低时刻，以及记录何时发生断电，以及断电时间等。并可通过串行总线上传给上位机，进行分析统计。本文介绍了采用AT89C52RC单片机为核心，经过互感器将交流高压转换成低压，并通过RMS转换器将交流转换为直流，经过信号放大后，由模数转换器(AD)转换后，将信息采集传给主控模块。采用模数转换控制技术对电压进行监控并记录。通过预先设定的电压范围进行比较，若超出预设范围，则报警并记录。本论文着重介绍该系统的硬件设计方案，包括主控模块、检测模块、显示模块、存储模块、时钟模块、电源模块；软件设计包括超限报警子程序、液晶显示子程序、信号处理子程序、键盘扫描及按键处理子程序、主程序设计。关键词：单片机 有效值 模数转换 智能控制AbstractPower, power supply system, and their management department, need to master the power information from the grid, to guarantee the normal operation of the power grid. This need to be in all the main position installation voltage monitoring system, not only to real-time monitoring, multiple loop monitoring, but also to record the voltage changes in time, thus summing rules, finds out the countermeasures. Voltage monitoring data recorder, is designed for it. It can not only measures and show the current voltage in real time, but also be able to record the changes voltage, and to record the voltage of the lowest and highest moments, and keeping track of when happen power outage, and the date of the power outage. And through the serial bus upload to upper computer, to make statistical analysis.This article introduces the microcontroller AT89C52RC as the core, through the transformer will exchange high AC voltage switch into low AC voltage, and with the RMS converter will exchange AC to DC, after amplification, with the A/D converter, move the information acquisition to master control module. The voltage detectors take the A/D conversion technology to monitor and record the power. Through the predefined voltage range comparison, if exceed the scope, it will alarm and record.This paper mainly introduced the systems hardware design solutions, including master control module, detection module, display module, storage module, clock module and power supply module. The software design including overrun alarm subroutine, liquid crystal display subroutines, signal processing subroutine, keyboard scan and key processing subroutine, the main program design.Keywords: SCM RMS Modulus conversion Intelligent control 目 录第一章 引言1第二章 总体方案设计22.1 AT89C52单片机22.1.1 AT89C52单片机引脚介绍22.1.2 AT89C52单片机主要性能参数42.2 RMS转换器42.2.1工作原理及管脚功能52.2.2典型应用电路62.3 OP07C放大器72.4 A/D转换器82.4.1TLC2543的控制字的格式102.4.2转换过程112.5 键盘122.6 报警控制132.7液晶显示132.7.1 芯片资源简介142.7.2LCD显示原理152.8时钟172.9存储19第三章 硬件设计213.1 时钟电路的设计213.2 电压信号RMS转换放大电路213.3 A/D转换电路223.4 显示电路的设计233.6存储电路的设计243.6.1 读取仪器内部的记录数据243.6.2 按月统计记录243.6.3读取仪器内部数据253.7看门狗电路设计263.7.1看门狗引脚263.7.2 X5045功能及操作指令263.8稳压电路设计29第四章 控制器软件部分设计314.1系统软件的设计314.2程序的设计314.2.1系统资源的分配314.2.2主程序的设计324.2.3显示子程序设计334.2.存储子程序设计344.2.5 A/D转换子程序设计354.2.6 时钟子程序364.2.7标度变换程序设计364.2.8按键判别程序和按键处理程序设计37第五章 用户使用说明385.1 控制面板及功能介绍385.2 系统看干扰设计395.2注意问题395.3系统评价40总 结40谢 辞42参考文献43附录 软件程序44大连交通大学2012届本科生毕业设计（论文）第一章 引言随着社会经济的迅速发展,对电力运行的安全性和可靠性提出了更高的要求。统计资料表明,电网中经常出现的内部过电压与外部过电压是引发各种事故的首要原因。过电压出现的时间虽然短暂,但由于其峰值高、波形陡,对电器设备威胁很大。偶尔一次过电压可能不至于将电器设备即刻损坏,却已使设备绝缘受到不可逆的损害,多次过电压的积累作用使设备的绝缘耐受能力逐步下降,以至于最后一次并不大的电压波动就会将绝缘击穿。因此,对电网过电压有效地实施监测研究,是保证电气设备安全运行的一项重要工作,对于保证电网安全运行具有十分重要的意义。传统的电压监测手段要求管理员亲临现场，进行手工抄表，对记录的电压数据进行统计处理。随着现代电力系统的发展，电压监测点（尤其是用户端也随之增加，监测点分散，范围更大。倘若仍采用目前的监测手段，需要增加人力定期到各监测点收集监测数据，由此会造成误抄率高、数据失电丢失、故障处理率低等现象，大大影响监测数据的参考价值对电压质量管理十分不利。过电压监测技术有以下几个关键:分压器的线性动态范围和频率响应;系统的抗干扰技术;多路同步触发技术;内外过电压采集矛盾的解决;大容量数据存储技术;过电压分析软件。单片机是电压检测仪的主体，对于小型仪表来说，单片机内部的存储器已经足够；大型仪表要进行复杂的数据处理，或者要完成复杂的控制功能，其监控程序较大，测量数据较多，这是就需要在单片机外部扩展片外存储器。被测量的模拟信号经过RMS转换、A/D转换之后，通过输入通道进入单片机内部；单片机根据由键盘置入的各种命令，经过A/D转换后成为能够完成某种控制功能的模拟电压。力传感器测量压力，并将测量的信号输入放大器，然后送至A/D转换器，A/D转换器将输入的模拟信号转换为数字信号送至单片机。单片机根据已编制好的程序，对电压非线性测量数据进行处理。同时该系统兼具有键盘输入，液晶显示与过电压报警功能。总之，本设计以AT89C52单片机为核心的控制板可实现毕业设计任务书的基本要求，再附加由RMS组成的检测模块、12864液晶显示模块、按键模块、存储模块、报警模块、数据传输模块、时钟模块、电源模块完善整个设计。第二章 总体方案设计根据设计任务要求，电压监测记录仪主要由十个部分构成，互感器、RMS转换器、放大器、A/D转换器、时钟模块、键盘模块、单片机、报警模块、液晶显示模块、存储模块，框图如下图2-1所示。图2-1 总体框图这种方案能实现对电压的状态进行实时检测控制，控制灵活、可靠，精度高。下面介绍各个主要组成部分及采用的方案。2.1 AT89C52单片机 主控模块采用AT89C52单片机，选用该单片机的理由：降低成本，提升性能，原有程序直接使用，硬件无需改动。2.2 RMS转换器交流电压的真有效值是通过电路对输入交流电压进行“平方求平均值开平方”的运算而得到的。真有效值仪表的最大优点是能够精确测量各种电压波形的有效值，而不必考虑被测波形的参数以及失真。随着集成电路的迅速发展，近年来出现了各种真有效值 AC/DC转换器。美国 AD公司的 AD736是其中非常典型的一种。AD736是经过激光修正的单片精密真有效值 AC/DC转换器。其主要特点是准确度高、灵敏性好（满量程为 200mVRMS）、测量速率快、频率特性好（工作频率范围可达 0460kHz）、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低最大的电源工作电流为 200A。用它来测量正弦波电压的综合误差不超过3%。2.2.1工作原理及管脚功能AD736的内部框图如图2-2所示。它主要由输入放大器、全波整流器、有效值单元（又称有效值芯子RMS CORE）、偏置电路、输出放大器等组成。芯片的2脚为被测信号VIN输入端，工作时，被测信号电压加到输入放大器的同相输入端，而输出电压经全波整流后送到 RMS单元并将其转换成代表真有效值的直流电压，然后再通过输出放大器的Vo端输出。偏置电路的作用是为芯片内部各单元电路提供合适的偏置电压。图2-2 AD736内部框图图2-3 AD736管脚图 其引脚图如图2-3，引脚功能如下：+Vs：正电源端，电压范围为2.816.5V；-Vs：负电源端，电压范围为-3.2-16.5V；Cc：低阻抗输入端，用于外接低阻抗的输入电压（200mV），通常被测电压需经耦合电容Cc与此端相连，通常Cc的取值范围为1020F.当此端作为输入端时，第2脚VIN应接到COM；VIN：高阻抗输入端，适合于接高阻抗输入电 压，一般以分压器作为输入级，分压器的总输入电阻可选10M，以减少对被测电压的分流。该端有两种工作方式可选择：第一种为输出AC+DC方式。该方式 将1脚（Cc）与8脚（COM）短接，其输出电压为效流真有效值与直流分量之和；第二种方式为AC方式。该方式是将1脚经隔直电容Cc接至8脚，这种方式 的输出电压为真有效值，它不包含直流分量。COM：公共端；VO：输出端；CF：输出端滤波电容，一般取10F；CAV：平均电容。它是AD736的关键外围元件，用于进行平均值运算。其大小将直接响应到有效值的测量精度，尤其在低频时更为重要。多数情况下可选33F。2.2.2典型应用电路AD736 有多种应用电路形式。双电源供电时的典型应用电路应用最为广泛，该电路中的+Vs与COM、-Vs与COM之间均应并联一只0.1F的电容以便滤掉该电路中的高频干扰。Cc起隔直作用。若按图中虚线方向将1脚与8脚短接而使Cc失效，则所选择的就是AC+DC方式；去掉短路线，即为AC方式。R为限流电阻， D1、D2为双向限幅二极管，超过压保护作用，可选IN4148高速开关二极管。2.3 OP07C放大器在本设计中，需要测量的RMS转换后送出的微弱信号，采用OP07C放大器来放大信号。OP07C芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。所以，确定选择OP07C型放大器。图2-4所示为OP07C放大器的外围引脚图。其中2、6脚需跨接电阻R1比上2脚与地连的电阻R2的值加1既为放大倍数，第6脚接0.1uf的电容起到滤波的作用。 图2-4 AD620引脚示意图2.4 A/D转换器我选用TLC2543 A/D转换器。它与MAX186在功能上基本相同，但价格比MAX186低得多，因此TLC2543在便携式数据记录仪、医用仪器、电力检测仪表中具有广泛的应用。它是12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程，由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O 资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。其特点如下所述： A/D转换器有12位分辨率；在工作温度范围内转换时间为10us；有11个模拟输入通道；采用 3路内置自测试方式；有转换结束(EOC)输出；具有单、双极性输出；有可编程的MSB或 LSB前导；输出数据长度可以编程设定为8位、12位或16位。在本系统中采用的输出长度设 定为12位。另外TLC2543与外围电路的连线简单,它有三个控制输入端为CS（片选）、输入/ 输出时钟（I/O CLOCK）以及串行数据输人端（DATA INPUT）；模拟量输入端AIN0AIN10（19脚、1112脚），11路输入信号由内部多路器选通，对于本系统，选用了AIN0 模拟输入端；系统时钟由片内产生并由I/O CLOCK同步；正、负基准电压（REF+ ，REF-）由外部提供, 通常为VCC和地, 两者差值决定输人范围。在本系统中，输入模拟信号为05V的模拟量。由于液晶的工作温度为0C +55C，因此我们选用TLC2543C即可。Tlc2543管脚如图2-5。表2-1 温度范围TLC2543C0C 70C TLC2543I40C 85CTLC2543M55C 125C图2-5 TLC2543引脚图各引脚功能请见表2-2。表2-2 TLC2543引脚功能引脚号名称I/O说明19,11,12AIN0AIN10I模拟量输入端15I片选端17DATAINPUTO串行数据输入端16DATA OUTOA/D转换结果的三态串行输出端19EOCI转换结束端10GND地。GND是内部电路的地回路端。18I/O CLOCKI输入/输出时钟端14REF+I正基准电压端13REF-I负基准电压端20Vcc电源可以用四种传输方法使TLC2543得到全12位分辩率，每次转换和数据传递可以使用12或16个时钟周期。一个片选（）脉冲要插到每次转换的开始处，或是在转换时序的开始处变化一次后保持 为低，直到时序结束。图2-6显示每次转换和数据传递使用12个时钟周期，当输入信号等于或高于REF+时，数字输出为满度；当输入信号等于或低于REF-时，数字输出为零。图2-6 时钟传送时序图（使用，MSB在前）2.4.1 TLC2543的控制字的格式控制字为从DATAINPUT端串行输入的8位数据，它规定了TLC2543要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度、输出数据的格式。其中高4位(D7D4)决定通道号，对于0通道至10通道，该4位分别为00001010H，当为10111101时，用于对TLC2543的自检，分别测试(VREFVREF)/2、VREF、VREF的值，当为1110时，TLC2543进入休眠状态。低4位决定输出数据长度及格式，其中D3、D2决定输出数据长度，01表示输出数据长度为8位，11表示输出数据长度为16位，其他为12位。D1决定输出数据是高位先送出，还是低位先送出，为0表示高位先送出。D0决定输出数据是单极性(二进制)还是双极性(2的补码)，若为单极性，该位为0，反之为1。如表2-3。表2-3 TLC2543控制字格式功能控制字地址L1L2LSBFBIPD7D6D5D4D3D2D1D0AIN00000AIN10001AIN20010AIN30011AIN40100AIN50101AIN60110AIN70111AIN81000AIN91001AIN101010AIN111011(VREF+VREF-)/21100VREF+1101VREF-1110软件断电模式11118 bits0112 bitsX116 bits11高位在前0地位在前1无极性输出0有极性输出12.4.2转换过程上电后，片选CS必须从高到低，才能开始一次工作周期，此时EOC为高，输入数据寄存器被置为0，输出数据寄存器的内容是随机的。开始时，CS片选为高，I/O CLOCK、DATA INPUT被禁止，DATA OUT 呈高阻状，EOC为高。使CS变低，I/OCLOCK、DATAINPUT使能，DATAOUT脱离高阻状态。12个时钟信号从I/OCLOCK端依次加入，随着时钟信号的加入，控制字从DATAINPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543(高位先送入)，同时上一周期转换的A/D数据，即输出数据寄存器中的数据从DATAOUT一位一位地移出。TLC2543收到第4个时钟信号后，通道号也已收到，此时TLC2543开始对选定通道的模拟量进行采样，并保持到第12个时钟的下降沿。在第12个时钟下降沿，EOC变低，开始对本次采样的模拟量进行A/D转换，转换时间约需10s，转换完成后EOC变高，转换的数据在输出数据寄存器中，待下一个工作周期输出。此后，可以进行新的工作周期。2.5 键盘单片机应用系统中除了复位按键有专门的复位电路,以及专一的复位功能外,其4个按键为多功能键，不同界面下具有不同功能。如果只有一个被测通道，则有关巡回显示、通道切换的操作均无效。参见表2-4。通过按键操作，定位显示某一路，如果5分钟无按键操作，会自动返回开机时默认的巡回显示界面。但如果选择了3通道同时显示界面，则可一直保持下去。 当有音响报警时，按任意键即可暂停音响报警。如果5分钟无按键操作，则会恢复报警。表2-4 按键功能按键界面ESC - + SET工作界面切换:巡回显示/3路同时显示切换显示上一个通道，并定位显示切换显示下一个通道，并定位显示进入设置界面菜单列表返回上一级菜单选择上一个菜单选择下一个菜单进入子菜单参数显示返回上一级菜单选择上一个参数选择下一个参数进入参数修改界面（参数左侧出现闪烁的“=”号）参数修改退出参数修改界面参数减1（按住后自动快速减1）参数加1（按住后自动快速加1）将修改的参数写入系统，并退出参数修改界面附注长按 ESC 键可直接退出设置界面薄膜式按键，四个按键分别接到单片机AT89C52的P2口低四位。见图2-7。图2-7 按键与AT89C52的接口电路2.6 报警控制若电压在设定的范围内，无指示，若电压超出设定的范围，蜂鸣器发出警报。此时按任意键即可解除警报。图2-8 报警系统示意图2.7液晶显示 在设定电压范围初值时，要用到液晶显示其相应的数值，我采用12864（ST7920）来实现显示功能。12864（ST7920）引脚图如下图29所示：图2-9 12864(ST7920)引脚图LCD12864各引脚的功能如表2-4。引脚号引脚名称方向功能说明1VSS-模块的电源地2VDD-模块的电源正端3V0-LCD驱动电压输入端4RS(CS)H/L并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号5R/W(SID)H/L并行的读写选择信号；串行的数据口6S(CLK)H/L并行的使能信号；串行的同步时钟7DB0H/L数据08DB1H/L数据19DB2H/L数据210DB3H/L数据311DB4H/L数据412DB5H/L数据513DB6H/L数据614DB7H/L数据715PSBH/L并/串行接口选择：H-并行；L-串行16NC空脚17RSTH/L复位 低电平有效18NC空脚19LED_A-背光源正极（LED+5V）20LED_K-背光源负极（LED-OV）表2-4 12864(ST7920)功能表2.7.1 芯片资源简介1.ST7920 内部固化了8192 个1616 点阵的中文字型在CGROM里。2.固化有126个168 点阵的西文字符在HCGROM里。3.提供4个1616点阵自造字符的存储空间CGRAM。4.提供12864的点阵绘图共1024个字节的存储空间GDRAM。5.提供1个1615点阵图标的存储空间IRAM（ICON RAM）。逻辑工作电压(VDD)：4.55.5V电源地(GND)：0V工作温度(Ta)：055(常温) / -2060（宽温）2.7.2 LCD显示原理作为字符显示，在控制器内有个供写入字符代码的缓存器DDRAM ，你只要将要显示的中文字符代码或西文字符代码写入DDRAM，硬件将依照编码自动从CGROM 中选择将要显示的字型显示再屏幕上。至于是显示西文字符还是中文字符，它会自动辨别的，这和我们PC上是一样的，字符代码也完全一样。与单片机连接方式有串行和并行两种，这里我们为了减少单片机IO口的占用，选用串行方式。如何去把它们显示在LCD上呢。1、作为字符显示，在控制器内有个供写入字符代码的缓存器DDRAM ，你只要将要显示的中文字符代码或西文字符代码写入DDRAM，硬件将依照编码自动从CGROM 中选择将要显示的字型显示再屏幕上。至于是显示西文字符还是中文字符，它会自动辨别的，这和我们PC上是一样的，字符代码也完全一样。2、图形方式就是用指令直接将表示点阵信息的字节数据写入相应位置的GDRAM内，具体的规则：1、字符显示时，DDRAM地址与液晶屏的位置关系见下图2-10图2-10 字符显示DDRAM地址与字符显示位置关系这个图上可以看出，它的地址编排很怪，第一行到87H完了以后就跳到了第三行接着88H了，每二行也是一样的，很明显，有下面两行接在上面两行后面的迹像。表2-5 基本指令集（RE=0）指令指令码说明执行时间（540KHZ）RSRWDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0清除显示0000000001将DDRAM填满“20H”，并且设定DDRAM的地址计数器（AC）到“00H”4.6ms地址归位000000001X设定DDRAM的地址计数器（AC）到“00H”，并且将游标移到开头原点位置；这个指令并不改变DDRAM的内容4.6ms进入点设定00000001I/DS指定在资料的读取与写入时，设定游标移动方向及指定显示的移位72us显示状态开/关0000001DCBD=1：整体显示ONC=1：游标ONB=1：游标位置ON72us游标或显示移位控制000001S/CR/LXX设定游标的移动与显示的移位控制位元；这个指令并不改变DDRAM的内容72us功能设定00001DLX0REXXDL=1 （必须设为1）RE=1： 扩充指令集动作RE=0： 基本指令集动作72us设定CGRAM地址0001AC5AC4AC3AC2AC1AC0设定CGRAM地址到地址计数器（AC）72us设定DDRAM地址001AC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0设定DDRAM地址到地址计数器（AC）72us读取忙碌标志（BF）和地址01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0读取忙碌标志（BF）可以确认内部动作是否完成，同时可以读出地址计数器（AC）的值0us写资料到RAM10D7D6D5D4D3D2D1D0写入资料到内部的RAM（DDRAM/CGRAM/IRAM/GDRAM）72us读出RAM的值11D7D6D5D4D3D2D1D0从内部RAM读取资料（DDRAM/CGRAM/IRAM/GDRAM）72us图2-11 串行连接时序图由图2-11可以看出，单片机与液晶模块之间传送1字节的数据共需24个时钟脉冲。首先，单片机要给出数据传输起始位，这里是以5个连续的“1”作数据起始位，如模块接收到连续的5个“1”，则内部传输被重置并且串行传输将被同步。紧接着，“RW”位用于选择数据的传输方向（读或写），“RS”位用于选择内部数据寄存器或指令寄存器，最后的第8位固定为“0”。在接收到起始位及“RW”和“RS”的第1个字节后，下一个字节的数据或指令将被分为2个字节来串行传送或接收。数据或指令的高4位，被放在第2个字节串行数据的高4位，其低4位则置为“0”；数据或指令的低4位被放在第3个字节的高4位，其低4位也置为“0”，如此完成一个字节指令或数据的传送。需要注意的是，当有多个数据或指令要传送时，必须要等到一个指令完成执行完毕后再传送下一个指令或数据，否则，会造成指令或数据的丢失。这是因为液晶模块内部没有发送/接收缓冲区。2.8时钟由于电路中要实时的记录电压的变化情况，所以需要一个比较精确的时钟芯片，常用的时钟芯片有DS1302,DS12C887等。我们用到的芯片能够提供秒分时日日期.月年的信息即可。相对比之下，DS1302的成本更低，因此我们选着DS1302芯片。DS1302 是 DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片内含有一个实时时钟 / 日历和 31 字节静态 RAM可通过简单的串行接口与单片机进行通信可提供 :- 秒、分、时、日、日期、月、年的信息- 每月的天数和闰年的天数可自动调整- 可通过 AM/PM 指示决定采用 24 或 12 小时格式- 保持数据和时钟信息时功率小于1Mw 图2-12 DS1302引脚图如上图2-12，各引脚的功能为：Vcc1 ： 主电源 ；Vcc2 ： 备份电源 。 当 Vcc2Vcc1+0.2V时 ， 由 Vcc2 向 DS1302供电，当 Vcc2 Vcc1 时，由 Vcc1 向 DS1302供电。SCLK：串行时钟，输入，控制数据的输入与输出；I/O ：三线接口时的双向数据线；CE ： 输入信号 ， 在读 、 写数据期间 ， 必须为高 。 该引脚有两个功能 ：第一， CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。图2-13 DS1302单字节读、写时序如图2-13，所示CE 输入驱动高启动所有的数据传输。CE输入有两个功能。首先 ，CE打开控制逻辑，允许访问的移位寄存器的地址/命令序列。其次， CE提供了一个终止单字节或多字节数据传输方法。一个时钟周期是由一个下降沿之后的上升沿序列。对于数据 传输而言 ，数据必须在有效的时钟的 上升沿输入 ，在时钟的下降沿输出 。 如果 CE 为低，所有的 I/O引脚变为高阻抗状态，数据传输终止。对于数据输入:开始的 8个SCLK 周期，输入写命令字节，数据字节在后 8个SCLK周期的上升沿输入。数据输入位 0 开始。对于数据输出：开始的8个SCLK周期，输入一个读命令字节，数据字节在后8个SCLK周期的下降沿输出。注意,第一个数据字节的第一个下降沿发生后，命令字的最,后一位被写入，命令字节的最后一位被写入。当CE仍为 高 时。如果还有额外的SCLK周期，DS1302将重新发送数据字节，这使 DS1302具有连续突发读取的能力。2.9存储由于AT89C52单片机自带的Flash Memory只有8K，远远不够存储空间，所以要外扩ROM，这里我们选择的是一个64K的E2PROM。AT24C512是Atmel公司生产的64KB串行电可擦的可编程存储器，内部有512页，每一页为128字节，任一单元的地址为16位，地址范围为00000FFFFH。它采用8引脚封装，具有结构紧凑、存储容量大等特点，可以在2线总线上并接4片芯片，特别适用于具有大容量数据存储要求的数据采集系统，因此在测控系统中被大量采用。 图2-14 AT24C512引脚AT24C512的封装如图2-14所示，各引脚的功能如下： A0、A1地址选择输入端。在串行总线结构中，如需连接4个AT24C512芯片，则可用A0、A1来区分各芯片。A0、A1悬空时为0。 SDA双向串行数据输入输出口。用于存储器与单片机之间的数据交换。 SCL串行时钟输入。通常在其上升沿将SDA上的数据写入存储器，而在下降沿从存储器读出数据并送往SDA。 WP写保护输入。此引脚与地相连时，允许写操作；与VCC相连时，所有的写存储器操作被禁止。如果不连，该脚将在芯片内部下拉到地。 VCC电源。 GND接地。NC悬空。AT24C512芯片的控制： 由于AT24C512沿袭了AT24C系列的接口特性，因此与单片机的连接也可沿袭传统方法。一般A0、A1、WP接VCC或 GND，SCL、SDA接地单片机的P1口，即可实现单片机对AT24C512的操作。 （1）设备选址 在对AT24C512开始操作前，需要先发一个8位的地址字来选择芯片以进行读写。设备地址字格式如图2所示。其中“10100”为固定的5位二进制；A0、A1用于对多个AT24C512加以区分；R/W为读写操作位，为 1时表示读操作，为0时表示写操作。 （2）写操作 AT24C512的写操作有写字节和写页两种方式。写字节时通常在向AT24C512发送设备地址字并接到应答信号后，还需要发送2个8位地址来选择要写数据的地址。AT24C512接收到这个地址后会应答一个零信号，然后接收8位数据进来，并再返回一个零应答信号。 在写页方式时，AT24C512可以一次性写入一页128字节。其初始化过程与写字节的方法基本相同。不同的是：当写入一个数据字节后，单片机不发停止状态，而是在应答信号后接着输入127个字节；每一个字节接收完毕后，AT24C512则照样输出一个零应答信号。（3）读操作 读操作有当前地址读、随机读、读串三种方式。其初始化过程基本与写操作相同，只是在设备选择字中的最低位要改成读而已。在当前地址读操作方式时，内部数据的地址将保持在最后的读写操作地址加1上，直到读到最后字节后又回到最开始的位置。而随机读操作之前先要向AT24C512写入一个字节地址，然后才能读串操作既可以是当前地址读，也可以是随机地址读。当单片机接收到一个数据字后，会回应一个应答信号。AT24C512在接收到应答信号后会将地址加1，接着输出下一个字节。当单片机接收到数据但不送应答信号时，读过程结束。第三章 硬件设计3.1 时钟电路的设计图3-1 时钟电路硬件原理图3.2 电压信号RMS转换放大电路电压信号检测原理：将被测电压(380V，220V,110V AC)通过互感器转换为（200mV AC）以内的电压，再通过RMS转换器，将AC转换为DC，最后在经过放大器将信号放大便于模数转换。PT01C2/2是一款毫安级精密电压互感器（电流型电压互感器），输入额定电流为2mA，额定输出电流为2mA。非线性度 0.1%，相移RL=0（补偿后）5，线性范围 010mA 。输入端串联一个两个并联一起的510K（2W）电阻，是电压降到2mA以内，输出端连个91欧的电阻，使输出电压在0200mV AC范围内，串联的20K电阻起到限流的作用。输出的200mV AC范围内的电压信号，通过RMS转换器后将交流转换为直流,串联一个20K电阻（限流电阻），输出电压为200mV 范围内的直流电压,连接到OP07C放大器，放大倍数为（72K/3K+1）即25倍，将信号放大为5V范围内的直流电压，便于输入到AD转换器。其原理如图3-2。图3-2 电压信号RMS转换放大电路原理图3.3 A/D转换电路目前使用的51系列单片机没有SPI接口，为了与TLC2543接口，可以用软件功能来实现SPI的功能，其硬件接口如图3-3所示。本示例采用延时进行采集，故省去了EOC引脚的接口。此芯片的功能为将放大器输出的模拟信号经TLC2543 A/D转换器转换成数字信号使单片机能够识别，并对电压信号进行分析处理。图3-3 模数转换电路原理图3.4 显示电路的设计本设计选用128X64（ST7920）带中文字库的蓝色背光显示屏，由于单片机的IO口有限，所以为了减少IO口的占用，选用串行方式传输，程序的设计略显复杂。图3-4 128x64显示电路原理图1、LCD 驱动电压即对比度调节电路ST7920 内带倍压电路，生成2 倍于 VCC 的电压。倍压通过Vout 脚引出，引脚叫VEE，通过电位器调节后，从V0 引回模块用来驱动LCD。直接驱动LCD 的是V0，V0 电压越高，对比度越深。通过调节电位器来调节V0 值以改变对比度。某些模块没有 Vout 脚。Vout 电压直接通过降压处理供给V0。对比度已经锁定。如果一定要调节对比度，可以通过V0 对地接一可调电阻，拉低V0 值。2、PSB 电路PSB 接高时选择为并口方式操作，接低时选择串口方式进行操作，因此在这里我们将PSB接地。3、RST电路复位电路是低电位有效，在正常操作时应为高电位，因此我们将它用10K电阻接至电源正极，并接一个0.1uF瓷片电容接至地，这是最典型的复位电路接法。4、RS在作并口使用时RS的作用是选择进行数据操作还是命令操作，高电位为数据，低电位为命令。在当串行工作时是做片选CS使用的，高电位可接受数据，低电位锁存。因为我们只用一个LCD，所以将它接电源正，一直选通。3.6存储电路的设计AT24C512有八个引脚。A 0、A1 ：地址选择输入端在串行总线结构中， 如需连接 4个AT24C512芯片，则可用 A0、Al来区分各个芯片； SCL： 串行时钟输入 。在其上升沿将 SDA上的数据写入存储器 ，而在下降沿 从存储器读出数据并送往 SDA；SDA：双向串行数据输入输出口。用于存储器与单片机之间的数据交换 ；WP：写保护输入。此引脚与地相连时，允许写操作；与 VCC相连时，所有的写存储器操作被禁止。如果不连 ，该引脚将在芯片内部下拉到地 。通常电路如图3-5所示。3.6.1 读取仪器内部的记录数据历史记录数据保存在外置的EEPROM中，记录容量为64KB。64K均分为3个记录区，分别记录3个通道的统计数据。1通道的记录地址范围为：021843。2通道的记录地址，再增加21844；3通道的记录地址，再增加21844。为了叙述简单，以下仅以1通道记录为例，进行说明。仪器内记录数据介绍如下：3.6.2 按月统计记录按月统计记录，是将一个月内每一天的按天统计记录进行归纳总结得到的。仪器可记录保存一年12个月的记录数据，按固定位置对应时间，循环记录。即：记完一年12个月的数据，再在同一位置记录下一年的数据。如果查询本月之前的记录，即为是今年的记录。如果查询本月之后的记录，就是去年的同月记录（如果有的话）。仪器每10分钟进行一次统计处理，是为了保证EEPROM的使用寿命。按此频度改写EEPROM数据，可保证EEPROM的使用寿命为20年以上。按月统计数据记录，总起始地址记为addrmon(=240)。每月的统计数据有34个字节，内容如下：0、1：年、月 2字节2、3：合格率，4、5：合格分钟 4字节6、7：超上限率，8、9：超上限时长：分 4字节10、11：超下限率，12、13：超下限时长：分 4字节 14、15：最大电压值， 2字节16、17、18、19：最大电压发生时刻：月、日、时、分 4字节20、21：最小电压值， 2字节22、23、24、25：最小电压发生时刻：月、日、时、分 4字节26、27：平均电压，28、29：运行总时间：分 4字节30、31：停电次数，32、33：停电时长：分 4字节12个月数据总共占用字节数：34*12=408。m(m=112)月数据的起始地址为：34*(m-1)+240。m(m=112)月数据的寄存器起始地址为：17*(m-1)+120。另外，本仪器第1次通电的时刻：年、月、日、时、分，分别存在addrmon之前的5个字节内，年在前。图3-5 AT24C512原理图3.6.3读取仪器内部数据主机发送数据格式：1字节：仪器地址。1字节：功能码03H。2字节：数据起始地址（固定为：00H 60H）。2字节：读取寄存器的数量（相对固定为：00 07），最小1，最大7。2字节：报文的CRC-16校验码。仪器应答数据格式： 1字节：仪器地址。1字节：功能码03H