單片機畢業(yè)設(shè)計---液晶顯示多功能電測儀表的設(shè)計

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計說明書</b></p><p>　　液晶顯示多功能電測儀表的設(shè)計</p><p>　　系 （部） 電 氣 工 程 系 </p><p>　　專 業(yè) 應(yīng)用電子技術(shù) </p><p>　　班 級

2、 電子3092 班 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　2011 ～

3、 2012 學(xué)年第 一 學(xué)期</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　引 言1</b></p><p>　　第1章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計2</p><p>　　1.1 硬件電路總體設(shè)計思路2</p><p>　　1.2單片機最小

4、系統(tǒng)電路設(shè)計2</p><p>　　1.2.1 AT89C51芯片的硬件結(jié)構(gòu)3</p><p>　　1.2.2 AT89C51的功能介紹3</p><p>　　1.2.3 AT89C51的時鐘電路3</p><p>　　1.2.4 AT89C51的復(fù)位電路4</p><p>　　1.3電量信號采集模塊電路設(shè)

5、計5</p><p>　　1.3.1電壓采樣電路7</p><p>　　1.3.2電流采樣電路8</p><p>　　1.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊9</p><p>　　1.4.1 CS5460A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)9</p><p>　　1.4.2 CS5460A的工作原理10</p><p>　

6、　1.5 LCD顯示11</p><p>　　1.6通訊模塊13</p><p>　　1.7報警電路部分15</p><p>　　1.8功能按鍵部分15</p><p>　　1.9 電源電路16</p><p>　　第2章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計17</p><p>　　2.1 軟件設(shè)計思路

7、17</p><p>　　2.2 主程序的介紹17</p><p>　　2.3 CS5460的操作18</p><p>　　2.3.1系統(tǒng)校準(zhǔn)19</p><p>　　2.3.2數(shù)據(jù)的讀寫19</p><p>　　2.3.3 CS5460A工作流程圖21</p><p>　　2.4

8、 電壓、電流標(biāo)量變換22</p><p>　　2.5 顯示子程序設(shè)計23</p><p><b>　　結(jié)論與展望25</b></p><p><b>　　致 謝26</b></p><p><b>　　參考文獻27</b></p><p>

9、;<b>　　摘 要</b></p><p>　　本設(shè)計課題主要從實際應(yīng)用出發(fā)，擬設(shè)計一個可準(zhǔn)確測量三相四線制供電系統(tǒng)交流電電壓/電流有效值并能實時顯示的電測儀表，這對工業(yè)過程的實時監(jiān)控有著重要的意義。本文中多功能電測儀表的控制系統(tǒng)采用AT89C51單片機，A/D轉(zhuǎn)換器采用CS5460A為主要硬件，其中,著重介紹了該表的硬件電路設(shè)計與軟件設(shè)計。該系統(tǒng)的電路簡單，所用的元件較少，成本低，體積

10、小很便與安裝。另外,其還具有擴展量程測量，測量結(jié)果遠程傳送等功能。考慮到CS5460A在本設(shè)計中的重要地位,本文在一些篇幅中介紹了CS5460A的功能特性以及在電量測量中的應(yīng)用,并給出了典型應(yīng)用電路以及讀寫子程序,介紹了其校準(zhǔn)等功能的操作。</p><p>　　該電測儀表設(shè)計是基于單片機應(yīng)用系統(tǒng)而開發(fā)的，可稱為智能化儀表，其高準(zhǔn)確度、高可靠性、高分辨性、高性價比、操作簡單等優(yōu)良特性將受到人們的青睞。</p&

11、gt;<p>　　關(guān)鍵詞：單片機;多功能;CS5460A;電測儀表 </p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　智能儀器儀表是用以實現(xiàn)信息的獲取、傳輸、變換、存儲、處理與分析,并根據(jù)處理結(jié)果對生產(chǎn)過程進行控制的重要技術(shù)工具。其中包括檢測儀表、分析儀表、執(zhí)行與控制儀表、記錄儀表等幾大類,也有將幾部分功能集成在一起的儀表,是工業(yè)控制

12、領(lǐng)域的基礎(chǔ)。智能儀器儀表日益廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動化領(lǐng)域,隨著生產(chǎn)自動化要求的不斷提高,對智能儀器儀表的設(shè)計提出了更高的要求。</p><p>　　多功能電測儀表是我國電力行業(yè)及工業(yè)企業(yè)廣泛應(yīng)用的智能測量儀表。前幾年對于大多數(shù)這樣的電測儀表都是只有單一的功能如只能測量電壓/電流/功率等，如果需要同時測量這些數(shù)據(jù)需要多個儀表，這不僅浪費資源和操作的不方便，而且也不能實時的顯示。同時測量的精確度，穩(wěn)定度也不高，在一些需

13、要精確顯示的場合，這可能關(guān)系到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性等，然而在今天，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，自動化技術(shù)越來越成熟，智能化儀器儀表裝置無處不在，再也不需要多個電表同時工作，多功能電測儀表也隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展逐步走出了單一測量儀表的階段。同時電子技術(shù)的發(fā)展，使得功率/電量采集芯片和微控制器的層出不窮，以及功能的增多，且在精度，穩(wěn)定性上也大大提高，這又一次電測儀表的飛躍和電力系統(tǒng)自動化的發(fā)展。</p><p>　　當(dāng)前電

14、測量表正向著全電子式、多功能、具有標(biāo)準(zhǔn)通訊接口以及遠程抄控功能的方向發(fā)展。本畢業(yè)設(shè)計從實際應(yīng)用出發(fā)，擬設(shè)計一個可準(zhǔn)確測量供電系統(tǒng)交流電電壓/電流有效值并能實時顯示的電測量儀表。</p><p>　　第1章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計</p><p>　　基于單片機的數(shù)字電測量儀表的設(shè)計主要完成對電壓/電流信號的實時檢測和顯示，并要求其能實現(xiàn)量程擴展、實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。本畢業(yè)設(shè)計通過信號采集模塊把

15、三相四線制的電力系統(tǒng)中的大電流和大電壓信號轉(zhuǎn)換成CS5460A 可接受的小電壓信號，將采集到的小電壓信號送入CS5460A的差分信號輸入通道，由CS5460A對其進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)化為24位的數(shù)字信號。CS5460A通過串行方式與單片機進行數(shù)據(jù)交換。通過單片機進行數(shù)據(jù)處理將數(shù)字信號量化分解后送入液晶顯示。當(dāng)電流發(fā)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(shù)設(shè)置(如電流/電壓變比,通訊波特率等)。&

16、lt;/p><p>　　1.1 硬件電路總體設(shè)計思路</p><p>　　圖1-1硬件設(shè)計總體框圖</p><p>　　圖1-1為硬件設(shè)計的總體框圖，由圖可以看出硬件電路的設(shè)計主要由單片機最小系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換電路、按鍵電路、顯示電路、通信電路、報警電路構(gòu)成。</p><p>　　1.2單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計</p><p>

17、;　　1.2.1 AT89C51芯片的硬件結(jié)構(gòu)</p><p>　　在設(shè)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，選用AT89C51單片機。AT89C51是一種低電壓，高性能CMOS 8位單片機，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，可用于許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合，下面就對AT89C51做一下簡單的

18、介紹。</p><p>　　1.2.2 AT89C51的功能介紹</p><p>　　1.與MCS-51 兼容； </p><p>　　2.4K字節(jié)可編程閃爍存儲器；</p><p>　　3.128×8位內(nèi)部RAM；</p><p>　　4.32可編程I/O線；</p><p>　　5

19、.兩個16位定時器/計數(shù)器；</p><p>　　6.低功耗的閑置和掉電模式芯片；</p><p>　　7.片內(nèi)振蕩器和時鐘電路；</p><p><b>　　8.5個中斷源。</b></p><p>　　1.2.3 AT89C51的時鐘電路</p><p>　　AT89C51中，有一個用于構(gòu)成內(nèi)

20、部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XATL1和XATL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。</p><p>　　這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見圖1-2 (a)。</p><p>　　外接石英晶體(或陶瓷諧振器)及電容C1, C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容C1, C2雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩

21、頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，我們推薦電容使用30pF士10pF，而如使用陶瓷諧振器建議選擇40pF士10pF，用戶也可以采用外部時鐘。這種情況下，外部時鐘脈沖接到XATL1端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。如圖1-2 (b) 所示。</p><p>　　由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求

22、，但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。</p><p>　　圖1-2 (a) 內(nèi)部振蕩電路 (b) 外部振蕩電路</p><p>　　1.2.4 AT89C51的復(fù)位電路</p><p>　　AT89C51單片機與其他微處理器一樣，在啟動時都需要復(fù)位，使CPU及系統(tǒng)各部件處于確切的初始狀態(tài)。AT89C51單

23、片機復(fù)位的形式有以下兩種：</p><p><b>　　1、手動復(fù)位</b></p><p>　　手動復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端RST在加入高電平。一般采用的辦法是在RST端和正電源之間接一個按扭。當(dāng)人為按下按鍵時，則的+5V電平就會直接加到RST端。由于人的動作很快也會使按扭接通達數(shù)十毫秒，所以，保證能滿足復(fù)位的時間要求。手動復(fù)位電路如圖2-3所示。</p>

24、;<p>　　如圖1-3 手動復(fù)位電路</p><p>　　在圖2-3的復(fù)位電路中，當(dāng)?shù)綦姇r，必然會使RST端電壓迅速下降到0V以下，但是，由于內(nèi)部電路的限制作用，這個負(fù)電壓將不會對器件產(chǎn)生傷害。另外，在復(fù)位期間，端口引腳處于隨機狀態(tài)，復(fù)位后，系統(tǒng)端口為全“1”態(tài)。</p><p><b>　　2、上電復(fù)位</b></p><p>

25、;　　AT89C51的上電復(fù)位電路如圖1-4所示，只要在RST復(fù)位輸入引腳上接一個電容至端，下接一個電阻到地即可。對與CMOS型單片機，由于在RST端內(nèi)部有一個下拉電阻，故可將外部電阻去掉，而將接外電容減至1uF。</p><p>　　上電復(fù)位的過程是在加電時，復(fù)位電路通過電容加給RST端一個短暫的高電平信號，此高電平信號隨著對電容的充電過程而逐漸回落，即RST端的高電平持續(xù)時間。上電時，的上升時間大約為10ms

26、，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。</p><p>　　圖1-4 上電復(fù)位電路</p><p>　　1.3電量信號采集模塊電路設(shè)計</p><p>　　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(shù)據(jù)的重要環(huán)節(jié)。不管采用哪種器件，首先器件的精度要高、穩(wěn)定，所采集的信號

27、才能正確反映電流、電壓的真實大小及正確的相位關(guān)系。CS5460A是單相的功率測量芯片，它具有很強的實時計算功能，通過三相串口輸出有符號的功率、電能、電流瞬時值和電壓瞬時值。由于每片CS5460只可以測量一路電壓、電流，可采用三片CS5460A來實現(xiàn)設(shè)計任務(wù)所要求的三相電測量,為了節(jié)約單片機口線，可以將三片CS5460的讀寫控制線并聯(lián)后接至單片機的相應(yīng)接口，單片機通過對CS5460A片選端的控制完成對它們各自數(shù)據(jù)的采集。電量采集模塊原理圖

28、如圖1-5所示。</p><p>　　圖1-5 電量采集模塊原理圖</p><p>　　1.3.1電壓采樣電路</p><p>　　在電壓采樣電路中由于考慮到成本問題，故采用電阻分壓的方法對電網(wǎng)電壓進行采樣，此外還有過壓保護及去抖電容。為了保證精度，全部采用高穩(wěn)定度的精密電阻，其溫度系數(shù)為5ⅹ10 - 6/℃,比差及角差可達2ⅹ10 – 5。因本次為實驗產(chǎn)品，未加載

29、PT,實際產(chǎn)品中最好加上這樣會跟可靠。在電壓采樣電路中，過壓保護是通過壓敏電阻來實現(xiàn)的，所謂壓敏電阻，即在一定電流電壓范圍內(nèi)電阻值隨電壓而變，或者是說電阻值對電壓敏感的電阻器。壓敏電阻在休息時，相對受保護的電子元件而言，具有很高的阻抗系數(shù)（兆歐姆），但當(dāng)瞬間突破電壓出現(xiàn)，壓敏電阻阻抗會變低（僅幾歐姆而已），并造成原線路短路。本設(shè)計采用的是10K471型壓敏電阻，當(dāng)電源為220V時壓敏電阻的阻值是無窮大，當(dāng)峰值電壓超過470V時（220V

30、電壓峰值是311V）壓敏電阻立即擊穿短路，保險絲也會熔斷，高電壓就進不去設(shè)備端，從而有效保護電子電路的安全。</p><p>　　考慮到任務(wù)書的要求，即電壓的量程在0～100V，而CS5460A的輸入的電壓范圍是0～250mV,因此不能將CS5460A直接接在電網(wǎng)上，需要將電網(wǎng)的大電壓信號轉(zhuǎn)換到小電壓信號再與CS5460A連接，可以有兩種方法，其一：用電壓互感器實現(xiàn)；其二有分壓電阻實現(xiàn)；在本課題中選用的是電阻分壓

31、的方式。</p><p>　　有以上介紹知，電壓分比為： （公式2-1）</p><p>　　又因為CS5460A采集的電壓是經(jīng)過分壓后的小電壓，并不是電網(wǎng)中的實際電壓，所以在程序?qū)崿F(xiàn)時應(yīng)該乘以相應(yīng)的系數(shù)才是實際的電壓。</p><p>　　假設(shè)單片機從CS5460中讀的電壓測量結(jié)果為D（16位二進制數(shù)），實際電壓值為Z

32、，則有以下關(guān)系式：</p><p>　　（為采樣電壓值） （公式2-2）</p><p>　　推出： Z=2.21×D（比例系數(shù)為2.21）</p><p>　　根據(jù)以上兩式，采用一個510K歐的電阻和一個880歐姆的電阻并聯(lián)可以實現(xiàn)的任務(wù)書的要求。電壓采樣電路原理圖如圖2-6所示：因為880歐的電阻不好找，故這里采用了200歐和680歐搭配起來使用

33、。</p><p>　　圖1-6電壓采樣電路原理圖</p><p>　　1.3.2電流采樣電路</p><p>　　電流采樣電路由電流互感器、電阻網(wǎng)絡(luò)、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匝數(shù)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于近似短路狀態(tài)，經(jīng)過I/V變換后的電壓信號就反映了電

34、流的幅值和相位。其組成如圖1-7所示。</p><p>　　電流互感器工作原理大致與變壓器相同，不同的是變壓器鐵心內(nèi)的交變主磁通是由一次線圈兩端交流電壓所產(chǎn)生，而電流互感器鐵心內(nèi)的交流主磁通是由一次線圈內(nèi)電流所產(chǎn)生，一次主磁通在二次線圈中感應(yīng)出二次電勢而產(chǎn)生二次電流。 </p><p>　　圖1-7電流采集結(jié)構(gòu)圖</p><

35、;p>　　在電流采樣電路中，是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，實際上進入CS5460A中的還是電壓信號，與電壓采樣端的設(shè)計相同，在程序中也應(yīng)該乘以相應(yīng)的電流系數(shù)，才能保證輸出結(jié)果與實際值對應(yīng)相同。</p><p>　　在本課題中采用的是5/2.5mA的電流互感器，經(jīng)過計算精明電阻采用56歐姆，應(yīng)為采用56歐姆電阻時，能使采集的電流最大值可以達到6.3A。<

36、/p><p>　　假設(shè)單片機從CS5460中讀的電流測量結(jié)果為D，實際電壓值為Z，則有以下關(guān)系式：</p><p><b>　?。ü?-3）</b></p><p>　　推出： Z=0.136×D（比例系數(shù)為0.136）</p><p>　　電流采樣電路原理圖如圖1-8所示：</p><p&

37、gt;　　圖1-8電流采樣電路原理圖</p><p>　　1.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊</p><p>　　1.4.1 CS5460A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　電壓計量單元的核心是CS5460A是美國CRYSTAL公司最新推出的帶有串行接口的單相功率/電能計量集成電路芯片,現(xiàn)主要應(yīng)用在單相電子式電能表和三相電子式電能表中。該芯片的性能優(yōu)于其它計量芯片,主要表現(xiàn)在:&

38、lt;/p><p>　　·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；</p><p>　　·具有片內(nèi)看門狗定時器(Watch Dog Timer)與內(nèi)部電源監(jiān)視器；</p><p>　　·串行接口與內(nèi)部寄存器陣列可以方便地與微處理器相連接；</p><p>　　·具有

39、機械計度器/步進馬達驅(qū)動器；</p><p>　　·片內(nèi)2.5V參考電壓；</p><p>　　·外部時鐘最高頻率可達20MHz；</p><p>　　·具有功率方向輸出指示；</p><p>　　·提供了外部復(fù)位引腳。</p><p>　　CS5460A是一個包含兩個△-Σ模-

40、數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、一個串行接口的具有高速電能計量功能的高度集成△-Σ模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。CS5460A具有與微控制器通訊的串口和與能量成正比的頻率可編程的脈沖輸出。CS5460A具有方便的片上AC/DC系統(tǒng)校準(zhǔn)功能。CS5460A能獨自工作,在系統(tǒng)上電后自動初始化。</p><p>　　1.4.2 CS5460A的工作原理</p><p>　　CS5460A初始化后，經(jīng)過互感器將電壓信號全部轉(zhuǎn)

41、化為小信號的電壓/電流信號，電壓/電流通道的信號被片內(nèi)放大器放大后，通過同時采樣的△-Σ模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過高通濾波器消除信號中的直流成分，得到的瞬時電壓/電流，又經(jīng)過時間累計、平均。經(jīng)過計算后得到的電壓/電流有效值、瞬時電壓/電流分別存入對應(yīng)的內(nèi)部寄存器中，等待微處理器讀取。</p><p>　　CS5460A的串行口包括4條控制線:/CS、SDI、SDO、SCLK，極易與微處理器連接。對其操作是

42、通過傳輸命令字來實現(xiàn)的，CS5460A的命令字包括寄存器讀寫、校準(zhǔn)等在內(nèi)的7個命令字。具體來說，一個數(shù)據(jù)的傳輸總是從向串行接口的SDI發(fā)送8位命令字開始的，當(dāng)命令中包括一個寫入操作時，在其后有24個行數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)出一個讀取命令字時，串口將根據(jù)發(fā)出的命令，在其后的8、16、24個SCLK周期從SDO引腳上串行輸出寄存器內(nèi)容。圖2-9給出了CS5460A的一個典型應(yīng)用圖與圖1-10給出了AT89C51與CS5460的口線連接圖。</p&

43、gt;<p>　　圖1-9 CS5460A的一個典型應(yīng)用圖</p><p>　　圖1-10 AT89C51與CS5460的口線連接圖</p><p>　　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。 </p><p><b>　　1.5 LCD顯示</b></p>

44、;<p>　　本課題選用金鵬電子有限公司出品的0CM12864-2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(biāo)注數(shù)據(jù)總線、6條控制線及電源線。采用KS0108B, KS0107B列、行控制IC。</p><p>　　1.5.1 12864的讀寫工作時序</p><p><b>　　1、寫操作時序</b></p>&l

45、t;p>　　圖1-11 寫操作時序</p><p><b>　　2、讀操作時序</b></p><p>　　圖1-12 讀操作時序</p><p><b>　　3、時序參數(shù)表</b></p><p>　　表1-1 12864時序參數(shù)表</p><p>　　其管腳說明如表

46、1-2所示：</p><p>　　表2-2 12864管腳說明</p><p>　　根據(jù)上表所示，設(shè)計的電路連接方式如圖1-13所示：</p><p>　　圖1-13 單片機與LCD12864連接電路</p><p><b>　　1.6通訊模塊</b></p><p>　　在現(xiàn)實生活中我們用的較

47、多的串行通信接口主要是RS232與RS485。RS-232C是最早的串行通信接口的電氣標(biāo)準(zhǔn)，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。但它采用單端驅(qū)動非差分接收電路，因而存在傳輸距離不太遠（最大傳輸距離15m）和傳輸速率不太高（最大位速率為20kpbs）的問題。RS－485是美國電氣工業(yè)聯(lián)合會(EIA)制定的利用平衡雙絞線作傳輸線的多點通訊標(biāo)準(zhǔn)。它采用差分信號進行傳輸；最大傳輸距離可以達到1.2 km；最大可連接32個驅(qū)動器和收發(fā)器；接收器最小靈敏

48、度可達±200 mV；最大傳輸速率可達2.5 Mb/s。由此可見，RS－485協(xié)議正是針對遠距離、高靈敏度、多點通訊制定的標(biāo)準(zhǔn)。由于本次設(shè)計的測量儀表實際安裝距離上位機較遠，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常傳輸，在系統(tǒng)中加入了RS485通訊模塊。</p><p>　　普通的上位機通常不帶RS485接口，通常都是RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，因此要使用RS232/RS485轉(zhuǎn)換器。又由于單片機的串口采用TTL電平，所以我們要在串

49、行通信中使用MAX485芯片，可以實現(xiàn)TTL電平和RS485接口電平間的轉(zhuǎn)換。在89C51內(nèi)部已集成通信接口URT，只需擴展一片MAX485芯片將輸出信號轉(zhuǎn)換成RS-232協(xié)議規(guī)定的電平標(biāo)準(zhǔn)。 </p><p>　　MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS－485芯片。采用單一電源+5 V工作，額定電流為300 μA，采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS－485電平的功能。其引腳結(jié)構(gòu)圖

50、如圖1所示。從圖中可以看出,MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡單,內(nèi)部含有一個驅(qū)動器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)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(fā)送的使能端，當(dāng)/RE為邏輯0時，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，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(fā)送的差分信號端,當(dāng)A引

51、腳的電平高于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機連接時接線非常簡單。只需要一個信號控制MAX485的接收和發(fā)送即可。同時將A和B端之間加匹配電阻，一般可選100Ω的電阻?？梢源锌谌‰姡梢则?qū)動max232與max485實現(xiàn)通信。沒加負(fù)載時電壓有5.16V，加負(fù)載后降制3V左右。如圖1-14所示：</p><p>　　圖2-14 MAX485引腳和結(jié)構(gòu)圖</p>

52、;<p>　　根據(jù)以上的要求，設(shè)計的電路如2-15圖所示：通過單片機P1.7口決定是傳送還是接受數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖1-15 通訊模塊</p><p><b>　　1.7報警電路部分</b></p><p>　　當(dāng)電流發(fā)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(shù)設(shè)置(如電流/電壓變比,通訊

53、波特率等)。本次設(shè)計主要采用的是蜂鳴器與發(fā)光二極管，如圖2-16所示：通過控制P1.5口輸出低電平來實現(xiàn)聲光報警。</p><p>　　圖1-16 報警電路</p><p><b>　　1.8功能按鍵部分</b></p><p>　　在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中為了控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以及向系統(tǒng)中輸入數(shù)據(jù)，應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有按鍵。鍵盤是人機界面的主要部件，它

54、在單片機的設(shè)計中起著至關(guān)重要的作用。通過按鍵可以實現(xiàn)設(shè)計者想要的功能。</p><p>　　A/D分壓式按鍵是以I/O口判斷外部分壓來判斷鍵值。I/O口接一下拉電阻到地，每個按鍵各串一個電阻，一端接到端口，一端接到VDD上，端口利用按下不同的按鍵來判斷不同電壓。這種接法可以在端口不夠的情況下使用，可以節(jié)省成本。</p><p>　　本次的設(shè)計采用的是A/D分壓式按鍵，根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)有4個

55、按鍵。每個按鍵都對應(yīng)其相應(yīng)功能：</p><p>　　S1：翻轉(zhuǎn)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。</p><p>　　S2：參數(shù)設(shè)置鍵，可以用于設(shè)置電壓/電流變比(以對消外面擴展互感器縮小比例)，以及當(dāng)與上位機通信時，可用于設(shè)置波特率。</p><p><b>　　S3：返回鍵。<

56、/b></p><p><b>　　S4：加1鍵</b></p><p>　　具體的電路如圖1-17所示：</p><p>　　圖1-17功能按鍵圖</p><p><b>　　1.9 電源電路</b></p><p>　　在電子電路中，一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電。本

57、次設(shè)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(zhuǎn)換為幅值穩(wěn)定、輸出電流為幾百毫安以下的直流電源。本次設(shè)計的大體思路就是單相交流電經(jīng)過變壓器，橋式整流，大電容濾波電路和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的直流電源。電源電路如圖1-18所示：</p><p>　　圖2-18 電源電路圖</p><p>　　第2章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計</p><p>　　

58、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。</p><p>　　2.1 軟件設(shè)計思路</p><p>　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要涉及: 主程序的設(shè)計、CS5460A的操作、電壓/電流的標(biāo)量變換、LCD顯示等，以下將分節(jié)介紹各部分的設(shè)計。</p><p>　　2.2 主程序的介紹</p><p>　　系

59、統(tǒng)上電復(fù)位后，電壓互感器和電流互感器將電壓、電流信號送入CS5460A，芯片通過內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器完成采樣與A/D轉(zhuǎn)換，并對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的計算、處理，然后發(fā)測量命令，單片機通過SPI接口將處理后的數(shù)據(jù)讀入，數(shù)據(jù)可以通過顯示器在線顯示或者通過通信上傳給上位機。</p><p>　　利用CS5460A進行電測量的主程序流程圖如圖2-1所示：</p><p>　　圖2-1 主程序流程圖</

60、p><p><b>　　. </b></p><p>　　2.3 CS5460的操作</p><p>　　CS5460A的操作主要是通過SPI口寫命令，讀寫不同的寄存器，執(zhí)行不同的操作；CS5460A的寄存器主要狀態(tài)寄存器、配置寄存器、控制寄存器、各種校準(zhǔn)寄存器、數(shù)據(jù)寄存器等。在進行測量前，要恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置寄存器，以便得到正確的結(jié)果。</p>

61、;<p><b>　　2.3.1系統(tǒng)校準(zhǔn)</b></p><p>　　CS5460A提供數(shù)字校準(zhǔn)功能，通過寫指定的值到校準(zhǔn)命令寄存器即可實現(xiàn)系統(tǒng)偏置校準(zhǔn)和系統(tǒng)增益校準(zhǔn)等。當(dāng)執(zhí)行校準(zhǔn)時，必須把相應(yīng)的校準(zhǔn)信號到電壓電流通道。CS5460A具有一系列的校準(zhǔn)寄存器，執(zhí)行某一個校準(zhǔn)命令后，相應(yīng)的寄存器就會保留校準(zhǔn)產(chǎn)生的修正值，這些值可以讀出；若將其保存在外部非易失存儲器，在系統(tǒng)復(fù)位后把值

62、寫入相應(yīng)的寄存器，不必重新校準(zhǔn)。校準(zhǔn)寄存器包括直流電壓電流偏置寄存器，電壓、電流增益寄存器，交流電壓、電流偏置寄存器。校準(zhǔn)之前必須使用CS5460A處于活動狀態(tài)，同時使其準(zhǔn)備接收有效命令，并清除狀態(tài)寄存器的DRDY位，因為DRDY用于判斷校準(zhǔn)是否完成。在執(zhí)行偏置校準(zhǔn)時，應(yīng)該輸入零信號；在執(zhí)行增益校準(zhǔn)時，應(yīng)該輸入滿刻度信號。校準(zhǔn)完成后，就可以進行測量了。</p><p>　　2.3.2數(shù)據(jù)的讀寫</p>

63、<p>　　在進行數(shù)據(jù)的讀寫前，應(yīng)該進行串口的初始化。因為開始串口與SCLK可能不同步，任何輸入CS5460A的有效指令或者不會產(chǎn)生動作或者產(chǎn)生錯誤動作，此時需要重新初始化串口。當(dāng)命令包含寫操作時，串口將在下面24個SCLK周期對SDI引腳的數(shù)據(jù)（從高位開始）記錄。寄存器寫指令后必須跟24位的數(shù)據(jù)。比如，寫配置寄存器，應(yīng)先寫命令字（0X40）啟動寫操作，然后，隨著24個連續(xù)的串行時鐘脈沖，CS5460A將從串行輸入引腳SD

64、I接收串行輸入數(shù)據(jù)，一旦收到數(shù)據(jù)，狀態(tài)機便將數(shù)據(jù)寫入配置寄存器，然后等待下一個命令。當(dāng)啟動了讀命令，串口將在下8個、16個或24個SCLK周期啟動SDO腳上的寄存器內(nèi)容的專業(yè)（從高位開始）。寄存器讀指令可以終止在8位的邊界上（例如，讀出時可只讀8，16或24位）。同樣，數(shù)據(jù)寄存器讀出允許采用“命令鏈”。因此讀寄存器時，微控制器可同時發(fā)送新指令，新指令將被立即執(zhí)行，并可能終止讀操作。例如，命令字送入狀態(tài)機讀取某一輸出寄存器，進行了16個連

65、續(xù)的讀數(shù)據(jù)被傳送到SDO引腳。又如，用戶僅需從讀操作中獲取16位有效位時，可在SDO讀出8位數(shù)據(jù)后從SDI輸入第2個讀命令。主要：在讀周期，當(dāng)SD</p><p>　　圖2-2 CS5460A數(shù)據(jù)輸入、輸出時序圖</p><p>　　2.3.3 CS5460A工作流程圖</p><p>　　CS5460A與微控制器通過SPI接口連接，可實現(xiàn)其內(nèi)部多個寄存器的讀寫.

66、系統(tǒng)上電、啟動芯片后， CS5460A自動執(zhí)行全部測量、計算功能，然后通過中斷申請信號通知CPU.CPU直接通過SPI接口從CS5460A中讀取測量結(jié)果。顯然，此過程中CPU勿需進行大量的計算，從而減輕了CPU的工作負(fù)擔(dān)，而且CS5460A的外圍電路十分簡單，無須運算放大器等，再加上CS5460A價格低廉，從而有效地降低了成本。CS5460A工作流程圖如圖3-3所示。</p><p>　　圖2-3　CS5460A

67、工作流程圖</p><p>　　2.4 電壓、電流標(biāo)量變換</p><p>　　由于電量測量芯片CS5460A的輸入端只能接受最大值在250mA的電壓信號，所以輸入端分別接一個電流互感器和電壓互感器，降低所測電壓、電流的大小，再通過轉(zhuǎn)換電路將該互感器輸出的電壓、電流信號變換為CS5460A能接受的小電壓信號。</p><p>　　CS5460A發(fā)給單片機的數(shù)據(jù)必須先

68、進行數(shù)值轉(zhuǎn)化后才能送去顯示，數(shù)值轉(zhuǎn)換的過程實際上就是把從CS5460A輸出寄存器中的讀得的16位二進制數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電流/電壓值的過程。本次的設(shè)計的電壓、電流標(biāo)量變換是將從CS5460中讀得的測量結(jié)果乘與相應(yīng)的系數(shù)(如0.138,2.21)轉(zhuǎn)化為實際值,再把實際值分解送到顯示單元，電壓、電流標(biāo)量變換流程圖如圖2-4所示。 </p><p>　　圖2-4 電壓、電流標(biāo)量變換子程序流程圖</p><

69、p>　　2.5 顯示子程序設(shè)計</p><p>　　本課題顯示部分采用的是12864液晶，需要注意的是在向LCD寫任何命令時都要判別控制器的狀態(tài),狀態(tài)為忙時不能繼續(xù)下面的程序指令。這種情況在實際應(yīng)用中會經(jīng)常出現(xiàn),所以程序中要加入判斷指令,當(dāng)在規(guī)定的時間內(nèi)控制器狀態(tài)不改變時給出錯誤信息,并返回主程序。另外需要特別注意的是:數(shù)據(jù)口、控制端口都設(shè)置為開漏。所以在每次執(zhí)行讀寫命令時都要恢復(fù)數(shù)據(jù)口高電平狀態(tài)(釋放數(shù)

70、據(jù)線),否則讀到的信息可能是根本不存在的。</p><p>　　顯示子程序流程圖如圖2-5所示：</p><p>　　圖2-5 顯示子程序流程圖</p><p>　　12864的顯示控制程序是嚴(yán)格按照其時序要求進行的，按照前面給出的時序，編寫12864的讀、寫子程序如下（單片機系統(tǒng)所用的晶振頻率為11.0592MHZ）。</p><p>　　

71、WR_INT:LCALLBUSYNOT;寫指令</p><p><b>　　CLRRS</b></p><p><b>　　CLRRW</b></p><p><b>　　MOVP0,A</b></p><p><b>　　NOP</b><

72、;/p><p><b>　　SETBE</b></p><p><b>　　NOP</b></p><p><b>　　NOP</b></p><p><b>　　CLRE</b></p><p><b>　　RET<

73、;/b></p><p>　　WR_DATA: LCALLBUSYNOT;寫數(shù)據(jù)</p><p><b>　　SETBRS</b></p><p><b>　　CLRRW</b></p><p><b>　　MOVP0,A</b></p><

74、;p><b>　　NOP</b></p><p><b>　　SETBE</b></p><p><b>　　NOP</b></p><p><b>　　NOP</b></p><p><b>　　CLR E</b>&

75、lt;/p><p><b>　　RET</b></p><p>　　BUSYNOT: CLRRS;檢查是否忙??</p><p><b>　　SETBRW</b></p><p>　　ANLP0,#0B0H</p><p>　　ORLP0,#80H</p>

76、;<p><b>　　CLR E</b></p><p><b>　　NOP</b></p><p><b>　　NOP</b></p><p><b>　　SETBE</b></p><p><b>　　JBP0.7,$&l

77、t;/b></p><p><b>　　RET</b></p><p><b>　　結(jié)論與展望</b></p><p>　　為期近一個月的畢業(yè)設(shè)計即將結(jié)束，在整個設(shè)計過程中我學(xué)到了很多東西：1）了解了單片機的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展的前景；2）初步掌握了設(shè)計一個單片機系統(tǒng)的一般思路；3）對軟件的編程思想也有了一定的認(rèn)識。同時

78、，我也深刻感受到自身知識的貧乏，需要不斷的用心學(xué)習(xí)。本課題的軟件設(shè)計采用匯編語言來編寫的，其移植性不高、編程比較復(fù)雜。</p><p>　　本次設(shè)計的電測量儀表可以實現(xiàn)如下功能：可用于三相四線制的供電系統(tǒng),條件容許的話,可設(shè)計成三相三線\三相四線兩用型儀表。帶有一路報警,當(dāng)電流發(fā)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(shù)設(shè)置(如電流/電壓變比,通訊波特率等)。另外,該系統(tǒng)帶有RS485通訊

79、接口，能夠與上位機進行數(shù)據(jù)通信?，F(xiàn)今的工業(yè)環(huán)境一般比較惡劣，存在很多的干擾，這就要求測量儀表不僅測量要準(zhǔn)確，還要具備很強的抗干擾能力。本次設(shè)計的液晶顯示多功能電測儀表的設(shè)計是基于現(xiàn)實工業(yè)的要求研制開發(fā)的，適用于三相四線制，可準(zhǔn)確測量電壓、電流、功率、功率因數(shù)等參數(shù)，并且具有很強的抗干擾能力，很適合在工業(yè)現(xiàn)場使用。</p><p>　　由于作者水平有限，加之時間比較緊迫，所以在設(shè)計時難免會有很多漏洞和不足之處，同時

80、也有部分功能模塊不夠完善，比如單片機與上位機通信的上位機軟件編寫、單片機對采集測量的數(shù)據(jù)存儲，此外還可以設(shè)計此表帶有防竊電報警功能等，由于時間有限，還沒能完成,在以后的日子里會盡力完善,希望各位指導(dǎo)老師給予寶貴的意見和建議。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)順利完成了，在設(shè)計的整個過程中，有很多人給予了我很大的</p

81、><p>　　幫助，在這里我要向他們表達我真摯的感謝。首先要感謝的是我的指導(dǎo)老師，他在我近期的畢業(yè)設(shè)計和以前的學(xué)習(xí)中給了我很多支持和鼓勵，在我遇到困難向他求助時，他總能旁擊側(cè)引帶你去主動的思考，而不是直接給你答案，這種授人以漁的教學(xué)方式讓我受益匪淺。xx老師嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的治學(xué)態(tài)度和對項目的把握能力以及尋求性價比最優(yōu)的設(shè)計理念，給了我很大的啟示，也必將更好的指導(dǎo)我今后的學(xué)習(xí)、工作和生活。在此，我致以最誠摯的謝意。</

82、p><p><b>　　簽名：</b></p><p><b>　　年 月 日</b></p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1] 尚春陽,張 剛,徐 愷,安英武.電壓電流電量測量芯片CS5460A及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2003,

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