基于單片機的數(shù)字電壓表設計畢業(yè)設計論文

1、本科畢業(yè)設計（論文）基于單片機的數(shù)字電壓表設計畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版

2、本；學校有權(quán)保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文

3、的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項1.設計（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關鍵詞4）外文摘要、關鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數(shù)要求：理工類設

4、計（論文）正文字數(shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用a4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設計（論文）2）附件：按照任務書、開

5、題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂3）其它摘 要 主要介紹了美國crystal 公司生產(chǎn)的芯片cs5460a的特性、原理和應用。針對傳統(tǒng)的電量采集處理系統(tǒng)抗干擾能力差，功能單一的缺陷，提出了一種采用電能計量芯片cs5460a進行電量采集，stc89c52單片機做數(shù)據(jù)處理，通過serial peripheral interface(spi)端口傳送電壓，電流功率等參數(shù)的實時測量值的新型測量儀表系統(tǒng)。通過硬件系統(tǒng)的設計，給出了系統(tǒng)的的電路原理圖，通過軟件系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)了測量交流電壓的功能要求。實驗表明這種設計有效地提高了儀表的測量的精度和抗干擾能力。關鍵詞 cs5460a，測量，電參數(shù)

6、，單片機abstract this paper introduces the features, principles and applications of the american crystal companys chip cs5460a.the traditional electricity acquisition and processing system anti-interference ability is poor, single function, and other issues.we think you can use the energy measurement ch

7、ip cs5460a as a power collection atc89c52 micro controller unit as a data processing through the serial peripheral interface (spi) port transmit current, voltage, power and other parameters, the combination of new measuring instruments and systems.after the hardware system design, system circuit dia

8、gram. the experimental results show that this design is effective in improving meter accuracy and anti-jamming capability.key words cs5460a，measuring，electrical parameters，mcu目 錄摘 要iabstractii1 緒論11.1 研究的目的和意義11.2 國內(nèi)外研究概況22 總體設計方案32.1 設計功能及要求32.2 數(shù)字電壓表設計方案32.2.1 數(shù)字電壓表設計方案比較32.2.2 硬件設計方案42.2.3 軟件設計方案

9、43 硬件設計53.1 單片機53.1.1 單片機概述53.1.2 stc89c52引腳功能介紹63.1.3 單片機的應用領域83.1.4 單片機的發(fā)展趨勢93.2 cs5460a芯片介紹93.2.1 cs5460a芯片概述93.2.2 cs5460a引腳功能103.2.3 cs5460a工作原理113.2.4 cs5460a芯片與單片機的通信123.2.5 抗干擾設計133.2.6 檢測電路設計143.2.7 元件清單153.2.8 生成pcb圖163.3 檔位控制按鍵設計173.3.1 檔位控制按鍵功能173.3.2 檔位控制按鍵電路設計173.4 輸出顯示模塊設計183.4.1 輸出顯示

10、模塊選型183.4.2 1602 lcd引腳功能193.4.3 輸出顯示模塊電路設計204 軟件設計214.1 程序流程圖214.2 子程序設計224.2.1 cs5460a端口初始化程序224.2.2 cs5460a spi讀寫程序224.2.3 cs5460a初始化程序244.2.4 顯示模塊1602的初始化程序264.2.5 鍵盤的定義與讀寫程序265 系統(tǒng)調(diào)試285.1 硬件系統(tǒng)調(diào)試285.2 軟件系統(tǒng)調(diào)試28結(jié)論29參 考 文 獻30附錄a:電路原理圖31附錄b:源程序32附錄c：圖片展示40致 謝431 緒論 20世紀末,電子技術獲得了飛速的發(fā)展,在其推動下,現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了

11、社會的各個領域,有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高,同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進一步提高,產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。 微電在技術的進步表現(xiàn)在大規(guī)模集成電路加工技術,即半導體工藝技術的發(fā)展上，表征半導體工藝水平的線寬已經(jīng)達到90nm(2003年),并還在不斷地縮小;在硅片單位面積上;集成更多的晶體管.集成電路設計在不斷地向超大規(guī)模.極低功耗和超高速的方向發(fā)展;專用集成電路asic(application specific integrated circuit)的設計成本不斷降低,在功能上,現(xiàn)代的集成電路以能實現(xiàn)單片電子系統(tǒng)soc(system on a chip)的功能。 現(xiàn)代

12、電子設計技術的核心eda(electronic design automation)技術。eda技術就是依靠功能強大的計算機,在eda工具軟件平臺上,對以硬件描述語言hdl(hardware description language)為系統(tǒng)邏輯描述手段完成的設計文件,自動地完成邏輯編譯,邏輯化簡,邏輯分割,邏輯綜合.結(jié)構(gòu)綜合(布局布線)。以及邏輯優(yōu)化和仿真測試,直至顯示既定的電子線路系統(tǒng)功能.eda技術使得設計者的工作僅限于利用軟件的方式,即利用硬件描述語言和eda軟件來完成對系統(tǒng)硬件功能的實現(xiàn)。 從另以方面來看,在現(xiàn)代高新電子產(chǎn)品設計和生產(chǎn)中,微電子技術和現(xiàn)代電子設計技術是相互促進,相互推動

13、又相互制約的倆個技術環(huán)節(jié),前者代表了物理層在廣度和深度上硬件電路實現(xiàn)的發(fā)展,后者則反映了現(xiàn)代先進的電子理論、電子技術、仿真技術、設計工藝和設計技術與最新的計算機軟件有機的融合和升華。因此,嚴格地說，eda技術應該是這二者的結(jié)合,是這倆個技術領域共同孕育的奇葩。1.1 研究的目的和意義 數(shù)字電壓表簡稱dvm，它是采用數(shù)字化測量技術，把連續(xù)的模擬量（交流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。 數(shù)字電壓表是數(shù)字儀表的基礎和核心。在現(xiàn)代電子應用中,數(shù)字儀表起著非常重要的作用.數(shù)字儀表有著普通儀表所不能達到的各種優(yōu)勢:讀數(shù)準確,在測量后不用多次反復測量來估算真實值。設計簡單,可以隨身攜

14、帶,使用上更加方便,快捷，可以隨時隨地測量等等一系列的優(yōu)勢,使得數(shù)字電壓表在當今電子應用中隨心所欲,在各個項目中都有所表現(xiàn)。1.2 國內(nèi)外研究概況 傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足現(xiàn)代測量的要求，而數(shù)字電壓表卻有著顯著的優(yōu)勢。數(shù)字電壓表又簡稱dvm，它是采用數(shù)字化測量技術，把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式加以顯示的儀表。目前工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場用的三相工頻信號的電力參數(shù)測量儀表裝置一部分為模擬的，有些數(shù)字式的是采用通用 ad 芯片進行數(shù)據(jù)采集后由 mcu 進行數(shù)字信號處理的方案，用專用電量芯片作為數(shù)據(jù)采集的不多。用專用電量測量芯片制作電參數(shù)測量裝置具有電路簡潔、抗干擾能力強、性價

15、比高等優(yōu)點，相對于采用通用 ad 芯片的電參數(shù)測量方案是明顯的技術進步。本課題所設計的三相交流數(shù)字電壓表采用專用的電量計量芯片 cs5460a，用于測量三相三線和三相四線接法的交流工頻信號的電壓。有效地解決了環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場用電監(jiān)測問題。2 總體設計方案2.1 設計功能及要求 實驗時的輸入為交流電壓，為測量其有效值，應先將輸入信號進行整流，得到一個穩(wěn)定的直流電壓后，再將其進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終通過數(shù)字形式顯示出來。此數(shù)字電壓表的測量對象為單相正弦交流電，電壓表需要顯示的是正弦信號的有效值。電路中需有交直流轉(zhuǎn)換。設計的測量電壓范圍在400v左右，由測量電壓范圍可知，顯示輸入電壓的有效值在0.00v

16、至399.99v范圍，分成三檔：0.009.99v，10.0099.99v，100.00399.99v。顯示模塊設計為lcd1602顯示。預計測量的精度達到0.5%。2.2 數(shù)字電壓表設計方案2.2.1 數(shù)字電壓表設計方案比較 設計數(shù)字電壓表的方法有很多，方案更是多種多樣，由于大規(guī)模集成電路數(shù)字芯片的高速發(fā)展，各種數(shù)字芯片品種多樣，導致模擬數(shù)據(jù)的采集部分的不一致性，進而又使得對數(shù)據(jù)的處理極限是的方式多種多樣。又由于在現(xiàn)實的工作生活中，電壓表的測量量程范圍是比較大的，所以必須要對輸入電壓做分壓處理，而各個數(shù)據(jù)處理芯片的處理電壓范圍不同，則各種方案的分段也不同。下面介紹兩種數(shù)字電壓表的設計方案。

17、由數(shù)字電路及芯片構(gòu)建。 這種方案是由模擬電路與數(shù)字電路兩大部分組成，模擬部分包括輸入放大器、a/d轉(zhuǎn)換器和基準電壓源：數(shù)字部分包括計數(shù)器、譯碼器、邏輯控制器、振蕩器和顯示器。其中a/d轉(zhuǎn)換器是他的核心器件，他將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。模擬電路和數(shù)字電路是互相聯(lián)系的，由邏輯控制電路產(chǎn)生控制信號，按規(guī)定的時序?qū)/d轉(zhuǎn)換器中各組模擬開關接通或斷開，保證a/d轉(zhuǎn)換正常驚醒。a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果通過譯碼電路變換成段碼，最后驅(qū)動顯示器顯示出相應的數(shù)值。此方案的優(yōu)點是，設計成本低，能夠滿足一般的電壓測量。但設計不靈活，都是采用純硬件電路。很難將其在原有的基礎上進行擴展。 由單片機系統(tǒng)及a/d轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)建。 這

18、種方案是利用單片機系統(tǒng)與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、顯示模塊等的結(jié)合構(gòu)建數(shù)字電壓表。由于單片機的發(fā)展已經(jīng)成熟，利用單片機系統(tǒng)的軟硬件結(jié)合，可以組裝出許多的應用電路來。此方案的原理是模數(shù)轉(zhuǎn)換新聯(lián)的基準電壓端，被測量電壓輸入端分別輸入基準電壓和被測電壓。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將被測量電壓輸入端分別輸入基準電壓信號轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字信號，然后通過對單片機系統(tǒng)的進行軟件編程，使單片機系統(tǒng)能按規(guī)定的時序來采集這些數(shù)字信號，通過一定的算法計算出被測量電壓的值。最后單片機系統(tǒng)將計算好了的被測電壓值按一定的時序送入顯示電路模塊加以顯示。 此方案不經(jīng)能夠繼承上一種方案的各種優(yōu)點，還能改進上一中設計方案設計不靈活，難與在原基礎上進行功能擴

19、展等不足的問題。 綜上所述，本設計決定采用第二種方案進行設計。2.2.2 硬件設計方案 綜上所述的設計方案中，本設計中采用了第二種方案。具體的是以專用的電能/功率芯片作為數(shù)據(jù)采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換的核心，采集的電信號數(shù)據(jù)經(jīng)過降壓、濾波、整流后，經(jīng)過單片機對數(shù)據(jù)的的集中處理與分析，在通過檔位按鍵的調(diào)整，控制輸出相應數(shù)據(jù)由顯示模塊顯示。結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。圖2.1 硬件設計結(jié)構(gòu)框圖2.2.3 軟件設計方案軟件設計主要完成三部分工作：信號采集、數(shù)據(jù)處理、中斷控制，輸出顯示。軟件設計的主要內(nèi)容是完成要完成單片機的主控制程序，芯片cs5460的初始化復位程序，鍵盤的掃描中斷程序以及l(fā)cd液晶顯示器的即時顯示

20、程序。結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。圖2.2 軟件設計結(jié)構(gòu)框圖3 硬件設計3.1單片機3.1.1 單片機概述 單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講，一塊芯片就成了一臺計算機。 mcs-51單片機是美國intel公司于1980年推出的產(chǎn)品，與mcs- 48單片機相比，它的結(jié)構(gòu)更先進，功能更強，在原來的基礎上增加了更多的電路單元和指令，指令數(shù)達111條，mcs-51單片機可以算是相當成功的產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，mcs-51系列或其兼容的單片機仍是應用的主流產(chǎn)品，各高校及專業(yè)學校的培訓教材仍與msc-51單片機作為代表進行理論基礎學習。mcs-

21、51系列單片機主要包括8031、8051和8751等通用產(chǎn)品。本設計中所采用的單片機型號為stc89c52。stc89c52是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有 8k 在系統(tǒng)可編程flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位cpu 和在系統(tǒng)可編程flash，使得stc89c52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標準功能： 8k字節(jié)flash，512字節(jié)ram， 32 位i/o 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4kb eeprom，max810復位電路，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外 stc89x52 可降至0hz 靜

22、態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，cpu 停止工作，允許ram、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，ram內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35mhz，6t/12t可選。3.1.2 stc89c52引腳功能介紹圖3.1 單片機stc89c52 電源 vcc芯片電源，接+5v； vss接地端。 時鐘 xtal1、xtal2：晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。使用內(nèi)部振蕩電路時外接石英晶體。 控制線 控制線共有4根，其中3根是復用線。所謂復用線是指具有兩種功能，正常使用時是一種功能，在某種條件下是另一種功能。1）

23、ale/prog地址鎖存允許/片內(nèi)eprom編程脈沖。 ale功能：用來鎖存p0口送出的低8位地址。 stc89c52在并行擴展外存儲器（包括并行擴展i/o口）時，p0口用于分時傳送低8位地址和數(shù)據(jù)信號，且均為二進制數(shù)。那么如何區(qū)分是低8位地址還是8位數(shù)據(jù)信號呢？當ale信號有效時，p0口傳送的是低8位地址信號；ale信號無效時，p0口傳送的是8位數(shù)據(jù)信號。在ale信號的下降沿，鎖定p0口傳送的內(nèi)容，即低8位地址信號。 需要指出的是，當cpu不執(zhí)行訪問外ram指令（movx）時，ale以時鐘振蕩頻率1/6的固定頻率輸出，因此ale信號也可作為外部芯片clk時鐘或其他需要。但是，當cpu執(zhí)行mo

24、vx指令時，ale將跳過一個ale脈沖。ale端可驅(qū)動8個lsttl門電路。 prog功能：片內(nèi)有eprom的芯片，在eprom編程期間，此引腳輸入編程脈沖。2）psen外rom讀選通信號。 stc89c52讀外rom時，沒個機器周期內(nèi)psen兩次有效輸出。psen可作為外rom芯片輸出允許oe的選通信號。在讀內(nèi)rom或讀外ram時，psen無效。 psen可驅(qū)動8個lsttl門電路。 3）rst/vpd復位/備用電源。 正常工作時，rst（reset）端為復位信號輸入端，只要在該引腳上連續(xù)保持兩個機器周期以上高電平，stc89c52芯片即實現(xiàn)復位操作，復位后一切從頭開始，cpu從0000h開

25、始執(zhí)行指令。 vpd功能：在vcc掉電情況下，該引腳可接上備用電源，由vpd向片內(nèi)供電，以保持片內(nèi)ram中的數(shù)據(jù)不丟失。4）ea/vpp 內(nèi)外rom選擇/片內(nèi)eprom編程電源。 ea功能：正常工作時，ea為內(nèi)外rom選擇端。stc89c52單片機rom尋址范圍為64kb，其中4kb在片內(nèi)，60kb在片外。當ea保持高電平時，先訪問內(nèi)rom，但當pc（程序計數(shù)器）值超過4kb（0fffh）時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外rom中的程序。當ea保持低電平時，則只訪問外rom，不管芯片內(nèi)有否內(nèi)rom。 vpp功能：片內(nèi)有eprom的芯片，在eprom編程期間，此引腳用于施加編程電源vpp。 對4個控制引腳，應

26、熟記起第一功能，了解其第二功能。嚴格來講，stc89c52的控制線還應該包括p3口的第二功能。5）i/o引腳 stc89c52共有4個8位并行i/o端口,共32個引腳 p0口8位雙向i/o口。 在不并行擴展外存儲器(包括并行擴展i/o口)時, p0口可用作雙向i/o口。 在并行擴展外存儲器(包括并行擴展i/o口)時, p0口可用于分時傳送低8位地址(地址總線)和8位數(shù)據(jù)信號(數(shù)據(jù)總線)。p0口能驅(qū)動8個lsttl門。 p1口8位準雙向i/o口(“準雙向”是指該口內(nèi)部有固定的上拉電阻)。 p1口能驅(qū)動為4個lsttl門。 p2口8位準雙向i/o口。在不并行擴展外存儲器(包括并行擴展i/o口)時,

27、 p2口可用作雙向i/o口。在并行擴展外存儲器(包括并行擴展i/o口)時, p2口可用于傳送高8位地址(屬地址總線) 。p2口能驅(qū)動4個lsttl門。在結(jié)構(gòu)上，p2口比p1口多一個輸出控制部分。 p3口8位準雙向i/o口?？勺饕话鉯/o口用,同時p3口每一引腳還具有第二功能,用于特殊信號輸入輸出和控制信號(屬控制總線)。p3口驅(qū)動能力為4個lsttl門。p3口第二功能如下:p3.0rxd:串行口輸入端;p3.1txd:串行口輸出端;p3.2int0:外部中斷0請求輸入端;p3.3int1:外部中斷1請求輸入端p3.4t0:定時/計數(shù)器0外部信號輸入端;p3.5t1:定時/計數(shù)器1外部信號輸入端

28、;p3.6wr:外ram寫選通信號輸出端;p3.7rd:外ram讀選通信號輸出端。上述4個i/o口,各有各的用途。 在不并行擴展外存儲器(包括并行擴展i/o口)時, 4個i/o口都可作為雙向i/o口用。在并行擴展外存儲器(包括并行擴展i/o口)時, p0口專用于分時傳送低8位地址信號和8位數(shù)據(jù)信號,p2口專用于傳送高8位地址信號。p3口根據(jù)需要常用于第二功能,真正可提供給用戶使用的i/o口是p1口和一部分未用作第二功能的p3口端線。3.1.3 單片機的應用領域 單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，大致可分為如下幾個范疇： 在智能儀器儀表

29、的應用：單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大。例如精密的測量設備（功率計，示波器，各種分析儀）。 在家用電器中的應用：可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯煲、洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備，五花八門，無所不在。 在工業(yè)控制中的應用：用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集

30、系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。 在計算機網(wǎng)絡和通信領域中的應用：現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡和通信設備間的應用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制，從手機、電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機等。 單片機在醫(yī)用設備領域中的應用: 單片機在醫(yī)用設備中的用途亦相當廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設備及病床呼叫系統(tǒng)等等。 此外，單片機在工商、金融、科研、教育

31、、國防航空等領域都有著十分廣泛的用途。3.1.4 單片機的發(fā)展趨勢 單片機現(xiàn)在可以說是百花齊放，百家爭鳴的時期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，從8位、16位到32位，數(shù)不勝數(shù)，應有盡有，有與主流c51系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補，為單片機的應用提供了廣闊的天地?？v觀單片機的發(fā)展過程，可以預示單片機的發(fā)展趨勢：微型單片化、低功耗cmos化、主流與多品種共存必將成為現(xiàn)實。3.2 cs5460a芯片介紹3.2.1 cs5460a芯片概述 cs5460a是美國cirrus logic公司最新推出的帶有串行接口的單相雙向功率電能計量集成電路芯片，現(xiàn)主要應用在單相電子式

32、電能表和三相電子式電能表中。不同于以前流行的cs5460芯片，該芯片特有的自動引腳模式功能，能使芯片獨立工作，得電時自動初始化，由外部的e2prom引導開始工作，并從中讀取數(shù)據(jù)，如果用于高容量或用在家庭，為了降低成本，此模式下，該型芯片可以不用微控制器獨立工作。除此之外，該芯片的性能優(yōu)于其他計量芯片，主要表現(xiàn)在： 轉(zhuǎn)換精度高，測量功能強。 自身轉(zhuǎn)換精度達到01級，可以實現(xiàn)02級的測量儀表?？蓽y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(tǒng)的測量芯片中是不多見的。 外圍器件少，具有片內(nèi)看門狗定時器(watchdog timer)與內(nèi)部電源監(jiān)視器該芯片只

33、用很少的外圍器件即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能，確保了儀表的轉(zhuǎn)換精度及穩(wěn)定性。 接口方便 器件本身形成雙向串行接口，雙向串行接口與內(nèi)部寄存器陣列可以方便地與微處理器相連接，并有功能很強的內(nèi)部寄存器數(shù)組，僅用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(jù)時序，給出所采用讀寫方法的一些體會以及硬件實現(xiàn)原理圖。 cs5460a 是一個包含兩個模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc）、高速電能計算功能和一個串行接口的高度集成的 模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。它可以精確測量和計算有功電能、瞬時功率、irms 和vrms ，用于研制開發(fā)單相2 線或3 線電表。

34、cs5460a可以使用低成本的分流器或互感器測量電流，使用分壓電阻或電壓互感器測量電壓。cs5460a具有與微控制器通訊的雙向串口，芯片的脈沖輸出頻率與有功能量成正比。cs5460a 具有方便的片上ac/dc 系統(tǒng)校準功能?！白砸龑А钡奶攸c使cs5460a 能獨自工作，在系統(tǒng)上電后自動初始化。在自引導模式中，cs5460a 從一個外部eeprom 中讀取校準數(shù)據(jù)和啟動指令。使用該模式時，cs5460a 工作時不需要外加微控制器，因此當電表用于大批量住宅電能測量時，可降低電表的成本。3.2.2 cs5460a引腳功能圖3.2 芯片cs5460a1 腳xout：晶體振蕩器輸出。2 腳cpuclk：

35、cpu時鐘輸出cpuclk-片上振蕩器的輸出，可以驅(qū)動一個標難的cmos負荷。3 腳vd：數(shù)字電路電源正極。以dgnd為參考，一般為5 v10。4 腳dgnd：數(shù)字地。數(shù)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(fā)器。只有當cs低時，sclk引腳才識別時鐘。 6 腳sdo：串行數(shù)據(jù)輸出。sdo是串行數(shù)據(jù)端口的輸出引腳，當cs高時，其輸出將處于高阻抗狀態(tài)。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(tài)使sdo引腳處于高阻抗狀態(tài)。cs應在sclk處于低電平時改變狀態(tài)。

36、8 腳mode：模式選擇。當處于高電平時cs5460a開始執(zhí)行自導入序列，從外接e2prom讀取命令和設置。當處于低電平時cs5460運行在常規(guī)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25 v(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(diào)制器提供參考電壓。13 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

37、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(jiān)視輸出。pfmon掉電監(jiān)視器，用來監(jiān)視模擬電源，相對于va引腳的典型閥值電平為25 v，具有50 mv的滯環(huán)。如果pfmon的電壓低于閥值，則狀態(tài)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(tài)。19 腳reset：復位輸入。reset當復位引腳為低電平時，所有內(nèi)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(fā)生。可以通過向cs5460a寫入適當命令來使int清除(邏輯1)。21 腳

38、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(fā)出指示。23 腳sdi：串行數(shù)據(jù)輸入。sdi是串行數(shù)據(jù)接口的輸入引腳。數(shù)據(jù)的輸入速率由sclk決定。24 腳xin：晶體振蕩器輸入。xout，xin芯片內(nèi)的一個門電路與這些引腳相連，可連接晶體為芯片提供系統(tǒng)時鐘。另外，也可以有外部時鐘(與cmos時鐘兼容)驅(qū)動引腳xin，為芯片提供系統(tǒng)時鐘。3.2.3 cs5460a工作原理 cs5460a可以在單一5v電源或在2.5v電源下運行。電流通道輸入范圍30mv或150mv可

39、選擇，電壓通道輸入范圍150mv。在單電源供電時，cs5460a可以承受范圍-0.25v到va+的共模信號。 cs5460a可以測量瞬時電流、瞬時電壓、瞬時功率、電能、電流有效值和電壓有效值。測量結(jié)果以表示成相對滿量程百分比的24位有符號或無符號數(shù)據(jù)形式輸出。當cs5460a接收到一個開始轉(zhuǎn)換命令時，測量開始進行。電能和rms寄存器每n次變換（或一個計算周期）更新一次，n是變換次數(shù)寄存器的內(nèi)容。若中斷未被屏蔽，則int管腳被激活，數(shù)據(jù)就緒標志置位，此時就可以從cs5460a的內(nèi)部寄存器中讀取結(jié)果，再轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)據(jù)。 在從cs5460a讀取數(shù)據(jù)的時候，需要利用其提供的三線串行數(shù)據(jù)接口。cs54

40、60a串口包括4條控制線：cs、sdi、sdo和sclk。一次數(shù)據(jù)的傳輸總是從串口（sdi腳）發(fā)送有效的八位命令(msb位先)開始的。接著，再從sdi腳（或sd0腳）輸入（或輸出）24位數(shù)據(jù)（msb位先）。這樣就可以通過串口完成對cs5460a的讀寫操作，從而使電路設計和程序編寫變得簡單。芯片的內(nèi)部原理圖如圖3.3所示。圖3.3 芯片內(nèi)部工作原理圖3.2.4 cs5460a芯片與單片機的通信 cs5460a與mcu通過spi接口進行串行通信。spi是一種高速全雙工同步串行通信總線，由4個引腳構(gòu)成：spiclk、mosi、mis及ss，其中spiclk是整個spi總線的公用時鐘，mosi是主機輸

41、出、從機輸入，miso是主機輸人、從機輸出，ss是從機的標志管腳，低電平有效。此系統(tǒng)中at89c52作主機，因此ss管腳必須外接高電平。cs5460a作從機，其同步時鐘由主機輸入，主機的p0.4、p0.5、p0.6口經(jīng)過74hctl38集成譯碼器經(jīng)三個從機的片選端cs，由軟件控制這三個管腳輸出的電平，進而選擇當前與主機通信的從機，傳輸格式是高電位（msb）在前，低位（lsb）在后。當 cs=0時，選通該從機，當cs=1時，其spiclk，mosi，miso端輸出將保持高組態(tài)，對其他從機的通信無影響。通信單元，計量單元和mcu之間的通信采用隔離技術，提升整個系統(tǒng)的抗干擾能力。 cs5460a有四

42、條串行接口線：cs、sdi、sdo和sclk。其中cs為片選控制線，是允許訪問串口的控制線，低電平有效;sdi為串行數(shù)據(jù)輸入線，是用來把數(shù)據(jù)傳輸?shù)睫D(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)信號線;sdo為串行數(shù)據(jù)輸出線。用于從轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)信號，當 cs為高電平時，sdo端呈高阻狀態(tài);sclk為串行時鐘，用于控制cs5460a與微控制器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐? reset為外部復位接口，單片機可通過它來控制cs5460a的復位。cs5460a與單片機c8051f310的通信接口連接方式如圖3.4所示。 圖3.4 芯片與單片機串口連接示意圖3.2.5 抗干擾設計 為了適應于惡劣環(huán)境的工業(yè)現(xiàn)場應用，在硬件和軟件兩個方面都應該采取相

43、應的措施。在硬件方面，為提高抗尖峰脈沖干擾測試能力，必須在mcu和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊之間用光耦進行隔離，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（dsp）和數(shù)據(jù)處理器件(mcu)之間也用互感器進行隔離，因此直流電源應是多路輸出的，能提供模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作電源、數(shù)據(jù)處理器件工作電源，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊電源，多路輸出電源各路之間隔離能力應大于2.5kv以上，pcb布板相應也需達到耐壓2.5kv以上。電感電路抗射頻干擾電路原理如圖3.5所示。光耦抗擾電路原理如圖3.6所示。圖3.5 電感抗干擾圖3.6 光耦抗干擾3.2.6 檢測電路設計 本設計的檢測電路主要組成分為四部分：電源電路，電壓信號采集電路，電流采集電路和數(shù)據(jù)處理芯片。七種關鍵元件為電

44、源電路中的整流二極管，信號采集電路中的電感，電容及雙向二極管，以及芯片cs5460a。檢測電路原理圖如圖3.7所示。圖3.7 檢測電路圖3.2.7 元件清單生成元件清單如下表所示：表3.1 元件清單commentdescriptiondesignatorfootprintlibref數(shù)量大小capcapacitorc6, c11, rad-0.3cap21ufcapcapacitorc2, c4, c5, c8, c9, c12, c13rad-0.3cap70.1ufcapcapacitorc1rad-0.3cap1470nfcapcapacitorc3rad-0.3cap1100ufcap

45、capacitorc7,c10, rad-0.3cap210nfcomponent_1chipcs5460adip24component_11diode 1n914high conductance fast dioded1, d3, d4, d5, d6, d7do-35diode 1n9146d zenerzener dioded2diode-0.7d zener1inductorinductorl1, l2, l3, l4cap13inductor41mhheader 2header, 2-pinp1, p2, p4, p8hdr1x2header 24header 6header, 6-

46、pinp3hdr1x6header 61header 4header, 4-pinp5hdr1x4header 41header 7header, 7-pinp6hdr1x7header 71header 10header, 10-pinp7hdr1x10header 101header 8header, 8-pinp9hdr1x8header 81res1resistorr1axial-0.3res115kres1resistorr2, r10, r11,r20,axial-0.3res1410kres1resistorr3, r5axial-0.3res12500res1resistorr

47、4,r14, r15, axial-0.3res1310res1resistorr6, r7axial-0.3res1250res1resistorr8, r9axial-0.3res1220kres1resistorr12, r13axial-0.3res1247kres1resistorr17, r18,r19, r21,r23, r24, r25, r26axial-0.3res181kres1resistorr16, axial-0.3res112optoisolator1optoisolator1u1, u2, u3, u4, u5, u6dip-4optoisolator16xta

48、lcrystal oscillatory1r38xtal13.2.8生成pcb圖由檢測電路原理圖生成的pcb如圖3.8所示：圖3.8 pcb圖3.3 檔位控制按鍵設計3.3.1 檔位控制按鍵功能 在實際的測量當中，由于測量信號大小的不確定性，難免有超量程信號和微信號的存在，為防止大信號對儀表元器件的損壞以及提高微信號測量時的精度，故在此設置檔位控制按鍵。數(shù)字電壓表的檔位分為三檔：000.00009.99v，010.00099.99v，100.00399.99v。測量信號時，應從高檔位調(diào)至抵擋位，依次嘗試。當測量值高于電壓表設計量程時，電壓表顯示為399.99v并報警，若未超量程，則依次調(diào)至低檔

49、位，以打到提高測量精度與保護儀表元器件的目的。3.3.2 檔位控制按鍵電路設計 在一些智能化儀表中, 人機接口通常是led 顯示器和小型鍵盤。常見的按鍵工作方式有兩種: 一是直接使用系統(tǒng)中的cpu 對顯示器進行動態(tài)掃描和鍵盤檢測, 為保證顯示的穩(wěn)定和鍵盤的及時響應, cpu 需要頻繁地執(zhí)行動態(tài)掃描程序, 顯然在cpu 工作比較繁忙的情況下不太適用;二是專用的鍵盤芯片, 這些芯片由于種種原因在實際應用中總有不便之處, 例如價格較高等。本設計介紹了由stc89c52單片機作為芯片組成的按鍵電路。 其體積小、功能強、價格低廉, 有很高的性價比, 且具有一定通用性。 獨立按鍵可直接連接到stc89c5

50、2 的p3口, 這樣其電路結(jié)構(gòu)最為簡單, 工作時可使用中斷方式, 如需要的按鍵數(shù)目較多, 可以使用掃描式鍵盤。鍵盤部分和系統(tǒng)中的主cpu 之間的數(shù)據(jù)交換可以使用串口, stc89c52作為從器件; 工作時, 系統(tǒng)的主cpu 只需將要顯示的數(shù)據(jù)通過串口, 以某種格式發(fā)送到單片機即可。另外stc89c52使用一根i/ o線作為向系統(tǒng)主cpu 發(fā)送中斷申請的信號線, 當有按鍵按下時, stc89c52分析識別后向系統(tǒng)主cpu 發(fā)出中斷申請, 系統(tǒng)主cpu 響應中斷后, 向stc89c52發(fā)送顯示數(shù)據(jù), 本設計的硬件電路如圖3.9所示。圖3.9 檔位控制按鍵電路圖3.4 輸出顯示模塊設計3.4.1 輸

51、出顯示模塊選型在電子產(chǎn)品設計中，人機交互顯示界面是必不可少的工作，目前可以選擇的顯示模塊類型有：點陣顯示、單個led顯示、led數(shù)碼管顯示、lcd顯示等。其中l(wèi)cd智能型顯示模塊則是一種低功耗、低損耗、低價值的顯示器件，它不但可以顯示各式各樣的字符、漢字和圖形，同時具有可編程能力，且與單片機接口方便，基于以上優(yōu)點，lcd智能顯示模塊獲得了廣泛的應用。在本設計中所選lcd型號為8位的1602 lcd液晶顯示器。1602 lcd如圖3.10所示。圖3.10 1602 lcd示意圖3.4.2 1602 lcd引腳功能1602lcd引腳功能如下表所示：表3.2 1602引腳功能引腳符號功能說明1vss一般接地2vdd接電源（+5v）3v0液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以