基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計論文

1、 . . . 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計43 / 51畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)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(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了意。作 者 簽 名：日 期：指導(dǎo)教師簽名： 日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印

2、刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部容。作者簽名： 日 期：學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的容外，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(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文

3、的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注意事項1.設(shè)計（論文）的容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)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(xiàn)8）致9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計（論文）正文字

4、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?jǐn)?shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體與大小符合要求，無錯別字，不準(zhǔn)請他人代寫2）工程設(shè)計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)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(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報告、外文譯文、

5、譯文原文（復(fù)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(yīng)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(jìn)行電量采集，STC89C52單片機(jī)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(shè)計，給出了系統(tǒng)的的電路原理圖，通過軟件系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了測量交流電壓的功能要求。實驗表明這種設(shè)計有效地提高了儀表的測量的精度和抗干擾能力。關(guān)鍵詞 CS5460A，測量，電參數(shù)，單片機(jī)ABSTR

6、ACTThis paper introduces the features, principles and applications of the American Crystal company's 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 chip CS

7、5460A 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 diagram.

8、 The experimental results show that this design is effective in improving meter accuracy and anti-jamming capability.Key wordsCS5460A，Measuring，Electrical parameters，MCU目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒論11.1 研究的目的和意義11.2 國外研究概況22總體設(shè)計方案32.1 設(shè)計功能與要求32.2 數(shù)字電壓表設(shè)計方案32.2.1 數(shù)字電壓表設(shè)計方案比較32.2.2 硬件設(shè)計方案42.2.3 軟件設(shè)計方案43硬件設(shè)計53

9、.1 單片機(jī)53.1.1 單片機(jī)概述53.1.2 STC89C52引腳功能介紹63.1.3 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域83.1.4 單片機(jī)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(jī)的通信123.2.5 抗干擾設(shè)計133.2.6 檢測電路設(shè)計143.2.7 元件清單153.2.8 生成PCB圖163.3 檔位控制按鍵設(shè)計173.3.1 檔位控制按鍵功能173.3.2 檔位控制按鍵電路設(shè)計173.4 輸出顯示模塊設(shè)計183.4.1 輸出顯示模塊選型183.4

10、.2 1602 LCD引腳功能193.4.3 輸出顯示模塊電路設(shè)計204軟件設(shè)計214.1 程序流程圖214.2 子程序設(shè)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(xiàn)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 431 緒論 20世紀(jì)末,電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展,在其推動下,現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領(lǐng)域,有力地推

11、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(jìn)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(shù)的進(jìn)步表現(xiàn)在大規(guī)模集成電路加工技術(shù),即半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展上，表征半導(dǎo)體工藝水平的線寬已經(jīng)達(dá)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(shè)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(shè)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)代電子設(shè)計技術(shù)的核心EDA

12、(Electronic Design Automation)技術(shù)。EDA技術(shù)就是依靠功能強(qiáng)大的計算機(jī),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(shè)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)。以與邏輯優(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(shù)使得設(shè)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(shè)計和生產(chǎn)中,微電子技術(shù)和現(xiàn)代電子設(shè)計技術(shù)是相互促進(jìn),相互推動又相互制約的倆個技術(shù)環(huán)節(jié)

13、,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(jìn)的電子理論、電子技術(shù)、仿真技術(shù)、設(shè)計工藝和設(shè)計技術(shù)與最新的計算機(jī)軟件有機(jī)的融合和升華。因此,嚴(yán)格地說，EDA技術(shù)應(yīng)該是這二者的結(jié)合,是這倆個技術(shù)領(lǐng)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(shù)，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(chǔ)和核心。在現(xiàn)代電子應(yīng)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(dá)到的各種優(yōu)勢:讀數(shù)準(zhǔn)確,在測量后不用多次反復(fù)測量來估算真實值。設(shè)計簡單,可以隨身攜帶,使用上更加方便,快捷

14、，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(dāng)今電子應(yīng)用中隨心所欲,在各個項目中都有所表現(xiàn)。1.2 國外研究概況 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(shù)，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(jìn)行數(shù)據(jù)采集后由 MCU 進(jìn)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(qiáng)、性價比高等優(yōu)點，相對于采用通用

15、 AD 芯片的電參數(shù)測量方案是明顯的技術(shù)進(jìn)步。本課題所設(shè)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(shè)計方案2.1 設(shè)計功能與要求 實驗時的輸入為交流電壓，為測量其有效值，應(yīng)先將輸入信號進(jìn)行整流，得到一個穩(wěn)定的直流電壓后，再將其進(jìn)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(shè)計的測量電壓圍在400V左右，由測量電壓圍可知，顯示輸入電壓的有效值在0.00V至399.99V圍，分成三檔：

16、0.009.99V，10.0099.99V，100.00399.99V。顯示模塊設(shè)計為LCD1602顯示。預(yù)計測量的精度達(dá)到0.5%。2.2 數(shù)字電壓表設(shè)計方案2.2.1 數(shù)字電壓表設(shè)計方案比較 設(shè)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(dǎo)致模擬數(shù)據(jù)的采集部分的不一致性，進(jìn)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(shè)計方案。 由數(shù)字電路與芯片構(gòu)建。 這種方案是由

17、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(zhǔn)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(guān)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(yīng)的數(shù)值。此方案的優(yōu)點是，設(shè)計成本低，能夠滿足一般的電壓測量。但設(shè)計不靈活，都是采用純硬件電路。很難將其在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展。 由單片機(jī)系統(tǒng)與A/D轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)建。 這種方案是利用單片機(jī)系統(tǒng)與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片

18、、顯示模塊等的結(jié)合構(gòu)建數(shù)字電壓表。由于單片機(jī)的發(fā)展已經(jīng)成熟，利用單片機(jī)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)合，可以組裝出許多的應(yīng)用電路來。此方案的原理是模數(shù)轉(zhuǎn)換新聯(lián)的基準(zhǔn)電壓端，被測量電壓輸入端分別輸入基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，然后通過對單片機(jī)系統(tǒng)的進(jìn)行軟件編程，使單片機(jī)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(jī)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(jìn)上一中設(shè)計方案設(shè)計不靈活，難與在原基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴(kuò)展等不足的問題。 綜上所述，本設(shè)計決

19、定采用第二種方案進(jìn)行設(shè)計。2.2.2 硬件設(shè)計方案 綜上所述的設(shè)計方案中，本設(shè)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(jī)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(yīng)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(shè)計結(jié)構(gòu)框圖2.2.3 軟件設(shè)計方案軟件設(shè)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(shè)計的主要容是完成要完成單片機(jī)的主控制程序，芯片CS5460的初始化復(fù)位程序，鍵盤的掃描中斷程序以與LCD液晶顯示器的即時顯示程序。結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。圖2.2

20、 軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖3 硬件設(shè)計3.1單片機(jī)3.1.1 單片機(jī)概述 單片機(jī)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(jī)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(jī)。 MCS-51單片機(jī)是美國INTEL公司于1980年推出的產(chǎn)品，與MCS- 48單片機(jī)相比，它的結(jié)構(gòu)更先進(jìn)，功能更強(qiáng)，在原來的基礎(chǔ)上增加了更多的電路單元和指令，指令數(shù)達(dá)111條，MCS-51單片機(jī)可以算是相當(dāng)成功的產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS-51系列或其兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品，各高校與專業(yè)學(xué)校的培訓(xùn)教材仍與MSC-51單片機(jī)作為代表進(jìn)行理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。MCS-51系列單片機(jī)主要包括8031、805

21、1和8751等通用產(chǎn)品。本設(shè)計中所采用的單片機(jī)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(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，置4KB EEPROM，MAX810復(fù)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 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。

22、空閑模式下，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(hù)方式下，RAM容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)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(jī)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(fù)用線。所謂復(fù)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）ALE/PROG地址鎖存允許/片EPROM編

23、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(kuò)展外存儲器（包括并行擴(kuò)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(jìn)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(dāng)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口傳送的容，即低8位地址信號。 需要指出的是，當(dāng)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(dāng)CPU執(zhí)行MOVX指令時，ALE將跳過一個ALE脈沖。ALE端

24、可驅(qū)動8個LSTTL門電路。 PROG功能：片有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(jī)器周期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ROM或讀外RAM時，PSEN無效。 PSEN可驅(qū)動8個LSTTL門電路。 3）RST/Vpd復(fù)位/備用電源。 正常工作時，RST（Reset）端為復(fù)位信號輸入端，只要在該引腳上連續(xù)保持兩個機(jī)器周期以上高電平，STC89C52芯片即實現(xiàn)復(fù)位操作，復(fù)位后一切從頭開始，CPU從0000H開始執(zhí)行指令。 Vpd功能：在Vcc掉電情況下，該引腳可

25、接上備用電源，由Vpd向片供電，以保持片RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。4）EA/Vpp 外ROM選擇/片EPROM編程電源。 EA功能：正常工作時，EA為外ROM選擇端。STC89C52單片機(jī)ROM尋址圍為64KB，其中4KB在片，60KB在片外。當(dāng)EA保持高電平時，先訪問ROM，但當(dāng)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(dāng)EA保持低電平時，則只訪問外ROM，不管芯片有否ROM。 Vpp功能：片有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(yīng)熟記起第一功能，了解其第二功能。嚴(yán)格來講，STC89C52的控制線還應(yīng)該包括

26、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(kuò)展外存儲器(包括并行擴(kuò)展I/O口)時, P0口可用作雙向I/O口。 在并行擴(kuò)展外存儲器(包括并行擴(kuò)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(zhǔn)雙向I/O口(“準(zhǔn)雙向”是指該口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(zhǔn)雙向I/O口。在不并行擴(kuò)展外存儲器(包括并行擴(kuò)展I/O口)時, P2口可用作雙向I/O口。在并行擴(kuò)展外存儲器(包括并行擴(kuò)展I/O口)時, P

27、2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(zhǔn)雙向I/O口?？勺饕话鉏/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;P3.6WR:外RAM寫選通信號輸出端;P3.7RD:外RAM讀選通信號輸出

28、端。上述4個I/O口,各有各的用途。 在不并行擴(kuò)展外存儲器(包括并行擴(kuò)展I/O口)時, 4個I/O口都可作為雙向I/O口用。在并行擴(kuò)展外存儲器(包括并行擴(kuò)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(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理與過程控制等領(lǐng)域，大致可分為如下幾個疇：在智能儀器儀表的應(yīng)用：單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣

29、泛應(yīng)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(jī)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(qiáng)大。例如精密的測量設(shè)備（功率計，示波器，各種分析儀）。在家用電器中的應(yīng)用：可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機(jī)控制，從電飯煲、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門，無所不在。在工業(yè)控制中的應(yīng)用：用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(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(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控

30、制系統(tǒng)等。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用：現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)、機(jī)、小型程控交換機(jī)、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，集群移動通信，無線電對講機(jī)等。 單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用: 單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備與病床呼叫系統(tǒng)等等。 此外，單片機(jī)在工商、金融、科研、教育、國防航空等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。3.1.4 單片機(jī)的發(fā)展趨勢 單片機(jī)現(xiàn)在可以說是百花齊放，

31、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(jī)，從8位、16位到32位，數(shù)不勝數(shù)，應(yīng)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(bǔ)，為單片機(jī)的應(yīng)用提供了廣闊的天地。縱觀單片機(jī)的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機(jī)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(yīng)用在單相電子式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

32、片獨立工作，得電時自動初始化，由外部的E2PROM引導(dǎo)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(qiáng)。自身轉(zhuǎn)換精度達(dá)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，具有片看門狗定時器(WatchDog Timer)與部電源監(jiān)視器該芯片只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)換精度與穩(wěn)定性。 接口方便器件本身形成雙向串行接口，雙向

33、串行接口與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(qiáng)的部寄存器數(shù)組，僅用56根連線即可方便地與單片機(jī)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與硬件實現(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。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

34、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(zhǔn)功能?！白砸龑?dǎo)”的特點使CS5460A能獨自工作，在系統(tǒng)上電后自動初始化。在自引導(dǎo)模式中，CS5460A從一個外部EEPROM 中讀取校準(zhǔn)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(dāng)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：CPU時鐘輸出CPUCLK-片上振蕩器的輸出，可以驅(qū)動一個標(biāo)難的CMOS負(fù)荷。3 腳VD：數(shù)字電路電源正極。以DGND為參考

35、，一般為5 V±10。4 腳DGND：數(shù)字地。數(shù)字接地，與VA具有一樣的電平。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(dāng)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(dāng)CS高時，其輸出將處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。7 腳CS：片選。當(dāng)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?fàn)顟B(tài)。CS應(yīng)在SCLK處于低電平時改變狀態(tài)。8 腳MODE：模式選擇。當(dāng)處于高電平時CS5460A開始執(zhí)行自導(dǎo)入序列，從外接E2PROM讀取命令和設(shè)置。當(dāng)處于

36、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(fù)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(biāo)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(fù)極。負(fù)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5V±10。15 腳HN：差分電流負(fù)輸入端。16 腳HN：差分電流正輸入端。HN，HN為電流通道的差分

37、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(fù)位輸入。RESET當(dāng)復(fù)位引腳為低電平時，所有部寄存器都被設(shè)置為缺省值。20腳INT：中斷輸出。當(dāng)INT變低時，表明一個允許的事件已發(fā)生?？梢酝ㄟ^向CS5460A寫入適當(dāng)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

38、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(fù)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。電流通道輸入圍30mV或150mV可選擇，電壓通道輸入圍150mV。在單電源供電時，CS5460A可以承受圍-0.25V

39、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(dāng)CS5460A接收到一個開始轉(zhuǎn)換命令時，測量開始進(jìn)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)寄存器的容。若中斷未被屏蔽，則INT管腳被激活，數(shù)據(jù)就緒標(biāo)志置位，此時就可以從CS5460A的部寄存器中讀取結(jié)果，再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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。CS5460A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

40、）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(shè)計和程序編寫變得簡單。芯片的部原理圖如圖3.3所示。圖3.3 芯片部工作原理圖3.2.4 CS5460A芯片與單片機(jī)的通信 CS5460A與MCU通過SPI接口進(jìn)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與SS，其中SPICLK是整個SPI總線的公用時鐘，MOSI是主機(jī)輸出、從機(jī)輸入，MISO是主機(jī)輸人、從機(jī)輸出，SS是從機(jī)的標(biāo)志管腳，低電平有效。此系統(tǒng)中AT89C

41、52作主機(jī)，因此SS管腳必須外接高電平。CS5460A作從機(jī)，其同步時鐘由主機(jī)輸入，主機(jī)的P0.4、P0.5、P0.6口經(jīng)過74HCTl38集成譯碼器經(jīng)三個從機(jī)的片選端CS，由軟件控制這三個管腳輸出的電平，進(jìn)而選擇當(dāng)前與主機(jī)通信的從機(jī)，傳輸格式是高電位（MSB）在前，低位（LSB）在后。當(dāng) CS=0時，選通該從機(jī)，當(dāng)CS=1時，其SPICLK，MOSI，MISO端輸出將保持高組態(tài)，對其他從機(jī)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(shù)，提升整個系統(tǒng)的抗干擾能力。 CS5460A有四條串行接口線：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

42、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(dāng) 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(fù)位接口，單片機(jī)可通過它來控制CS5460A的復(fù)位。CS5460A與單片機(jī)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(jī)串口連接示意圖3.2.5 抗干擾設(shè)計 為了適應(yīng)于惡劣環(huán)境的工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用，在硬件和軟件兩個方面都應(yīng)該采取相應(yīng)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(jìn)行隔離

43、，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(jìn)行隔離，因此直流電源應(yīng)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(yīng)大于2.5KV以上，PCB布板相應(yīng)也需達(dá)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(shè)計 本設(shè)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(guān)鍵元件為電源電路中的整流二極管，信號采集電路中的電感，電容與雙向二極管，以與芯片CS5460A。檢測電路原

44、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-0.3Cap1100uFCapCapacitorC7,C10, RAD-0.3Cap210nFComponent_1chipC

45、S5460ADIP24Component_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-PinP3HDR1X6Header 61Header 4Header, 4-PinP5HDR1X

46、4Header 41Header 7Header, 7-PinP6HDR1X7Header 71Header 10Header, 10-PinP7HDR1X10Header 101Header 8Header, 8-PinP9HDR1X8Header 81Res1ResistorR1AXIAL-0.3Res115kRes1ResistorR2, R10, R11,R20,AXIAL-0.3Res1410kRes1ResistorR3, R5AXIAL-0.3Res12500Res1ResistorR4,R14, R15, AXIAL-0.3Res1310Res1ResistorR6, R7AX

47、IAL-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-4Optoisolator16XTALCrystal OscillatorY1R38XTAL13.2.8生成PCB圖由檢測電路原理圖

48、生成的PCB如圖3.8所示：圖3.8 PCB圖3.3 檔位控制按鍵設(shè)計3.3.1 檔位控制按鍵功能 在實際的測量當(dāng)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與提高微信號測量時的精度，故在此設(shè)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(yīng)從高檔位調(diào)至抵擋位，依次嘗試。當(dāng)測量值高于電壓表設(shè)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)至低檔位，以打到提高測量精度與保護(hù)儀表元器件的目的。3.3.2 檔位控制按鍵電路設(shè)計 在一些智能化儀表

49、中, 人機(jī)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(jìn)行動態(tài)掃描和鍵盤檢測, 為保證顯示的穩(wěn)定和鍵盤的與時響應(yīng), 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(yīng)用中總有不便之處, 例如價格較高等。本設(shè)計介紹了由STC89C52單片機(jī)作為芯片組成的按鍵電路。 其體積小、功能強(qiáng)、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STC89C52 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

50、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(jī)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(dāng)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(yīng)中斷后, 向STC89C52發(fā)送顯示數(shù)據(jù), 本設(shè)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(shè)計3.4.1 輸出顯示模塊選型在電子產(chǎn)品設(shè)計中，人機(jī)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：

51、點陣顯示、單個LED顯示、LED數(shù)碼管顯示、LCD顯示等。其中LCD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(jī)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(yīng)用。在本設(shè)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

52、比度最高（對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度）。4RSRS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。5R/WR/W為讀寫信號線，高電平(1)時進(jìn)行讀操作，低電平(0)時進(jìn)行寫操作。6EE(或EN)端為使能(enable)端，下降沿使能。7DB0低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 0位（最低位）8DB1低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 1位9DB2低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 2位10DB3低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 3位11DB4高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 4位12DB5高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 5位13DB6高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 6位14DB7高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 7位（最高位）（也是busy flag）15BLA背光電源正極16BLK背光 電源負(fù)極3.4.3 輸出顯示模塊電路設(shè)計 在設(shè)計數(shù)字電壓表顯示模塊電路原理圖時，得充分考慮顯示模塊與檔位按鍵模塊的相互聯(lián)系。對于顯示器與MCU