【正文】 的研制水 平也在不斷提高，如以深圳科陸公司為代表的 CL302 系列三相電量測量儀表檢測 裝置，南京丹迪克公司的 DK 系列三相電測量儀表檢測裝置，電能計量以及西安亞2 智能數(shù)顯表的設計 川電力科技有限公司的一系列可編程智能電測表，發(fā)展到多功能可檢 測電壓、電流、功率、頻率、相位等多種功能的現(xiàn)場測試儀器，但這些產品一方面存在體 積大，重量重，操作繁瑣成本價格也較高，另一方面在產品的穩(wěn)定性、可靠性還 需進一步改進完善提高， 所以 電能計量是今后電力市場改革的核心。電能計量要具備高精度、高可靠性、免維護和雙向通訊功能，具有便于電力公司向用戶提供增值服務，能適應國外已開始實行的產權和數(shù)據(jù)共享的管理模式。 本課題的發(fā)展趨勢 回顧電子儀器的發(fā)展過程，交流電參數(shù)檢測儀表的發(fā)展經歷了從直接作用模擬的指針式儀表，到數(shù)字式儀表，又到智能化儀表的過程。具體從儀器的工作原理來看，它經歷了三代： 第一代模擬式電子儀表，大量指針的電壓表、電流表、功率表及一些通用測試儀器均是典型的模擬式儀器。這一代儀器功能簡單，精度低響應速度慢。 第二代是數(shù)字電子儀表。它的基本工作原理是將待測的模擬信號轉換成數(shù)字信號，進行測量，結果以數(shù)字形式輸出顯示。它的精度高，速度快，讀數(shù)清晰，直觀，結果可打印輸出，也容易與計算機技術相結合。 第三代就是智能儀表。 它是在數(shù)字化的基礎上用微型計算機裝備起來，它是計算機技術與電子儀器相結合的產物。它具有數(shù)據(jù)存儲、運算、邏輯判斷能力，能根據(jù)被測參數(shù)的變化自選量程。可自動校正、自動補償、自尋故障等，可以做一些需要人類的智慧才能完成的工作，即具備了一定的智能，故稱為智能儀表。 另外，虛擬儀器的出現(xiàn)及其應用領域的不斷擴大，己給儀器儀表產業(yè)指明了一個發(fā)展方向，儀器標準逐漸向計算機標準靠攏。這樣，可以充分利用計算機的 軟硬件資源。不同功能的儀器僅體現(xiàn)于測量模塊及其軟件的不同，而各種測量功能都是由磁盤中的測量程序來完成的。儀器儀表 不再以傳統(tǒng)的獨立形式出現(xiàn)了，一臺計算機只要配備相應的測量模板或擴展機箱，就可立即成為存儲示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀、數(shù)字多用表、通用計數(shù)器、函數(shù)發(fā)生器或儀器控制器等。目前，高精度的電量檢測和校驗儀器儀表已經與計算機、軟件、大規(guī)模集成電路、 甚至是網(wǎng)絡技術的聯(lián)系越來越緊密，因此，研制出虛擬式電量檢測和校驗儀器作為未來的一種新型儀器，它的誕生已經為時不遠 了 [1]。 第一章 緒論 3 本設計的主要 任務 主要完成的任務 通過本次設計設計出來的智能數(shù)顯表可以對三相電路的電流電壓參數(shù)進行測量同時把測量結果以數(shù)字形式顯示，整個過程被 單片機 控制。根據(jù)上述的儀表的基 本功能我本次設計主要完成的任務是設計智能數(shù)顯表的硬件和軟件系統(tǒng) ,具體任務包括如下： 硬件系統(tǒng)設計 包括：單片機硬件系統(tǒng)的設計，采樣電路部分的設計，顯示電路部分的設計，供電系統(tǒng)的設計以及它們之間的連接。 軟件系統(tǒng)設計 包括：初始化程序，數(shù)據(jù)的存儲，讀取，計算以及顯示程序。 儀器的主要技術指標 該智能數(shù)顯表適用于三相四線制交流電路的電流，電壓參數(shù)的測量。其測量范 圍如下： 電流測量范圍： 0～ 20A ， 電壓測量范圍： 0～ 380V 本章小結 本章首先主要介紹了智能數(shù)顯表的設計背景和設計的重要性 ，同時簡單的敘述了本課題在國內外的發(fā) 展歷史，發(fā)展程度以及未來發(fā)展的趨勢，最后給出了本設計的主要任 第二章 系統(tǒng)的硬件設計 5 第二章 系統(tǒng)的 硬件 設計 系統(tǒng)硬件總體設計 本次設計的智能數(shù)顯表的硬件系統(tǒng)主要由一只 STC12C5410 單片機，六個電流電壓互感器，電量輸入電路，模擬開關電路，電流電壓采樣電路和顯示電路組成。該系統(tǒng)的原理框圖如圖 所示，其中六個電流電壓互感器分別對交流電流和電壓隔離處理。電量輸入電路把電流互感器輸出的電流值轉化為電壓值。模擬開關電路選通三相電路的 某 一相電流和對應的一相電壓。電流電壓采樣電路主要用于測量電流和電壓的有效值，瞬時值和功率。單片機電路主要用于 數(shù)據(jù)的讀取，存儲和處理。顯示電路是根據(jù)用戶的選擇顯示出測量結果。 圖 系統(tǒng)原理框圖 系統(tǒng)的工作原理為： 被測三相交流電流電壓信號首先經過電流電壓互感器隔離變換，再經過電流電壓輸入變換電路，變換為 CS5460A 模擬電流通道和模擬電壓通道能識別能承受的電壓信號，經過模擬開關選通三相電流的 某 一相電流送入CS5460A 的模擬電流輸入通道，且同時選通三相電流所對應的一相電壓送入模擬電壓輸入通道。將三相電流所對應的變換信號依次送入 CS5460A 的電流測量輸入通道，同時將對應的相電壓對應的信號送入 CS5460A。 CS5460A 電能計量芯片將6 智能數(shù)顯表的設計 自 動對電流電壓采樣，同時 CS5460A 計算電流電壓瞬時值、有效值和功率，利用CS5460A 的串行接口對電流電壓瞬時值、有效值和功率寄存器進行讀數(shù)據(jù)，單片機再將從 CS5460A 串口讀取數(shù)值計算處理，處理后為實際的電流電壓瞬時值、有效值和功率值， STC12C5410 單片機控制的外圍鍵盤顯示電路將處理后的最終結果根據(jù)用戶的選擇顯示 。 單片機硬件部分的設計 單片機的簡介與本設計單片機的選擇 在這一設計中，我們涉及到了一個關鍵系統(tǒng)模塊 —— 單片機系統(tǒng)模塊，而目前單片機的種類是很繁多的，主要有主流的 8位單片機和高性能的 32位單片機，結合本設計各方面因素， 8 位單片機對于本設計已經是綽綽有余了，但將用哪一種類 8的單片機呢。在這里，不得不先簡單的介紹一下幾種常用的 8單片機。 單片機是一種集成在 電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU， 隨機存儲器 RAM，只讀存儲器 ROM，多種 I/O 口和終端系統(tǒng)，定時器 /計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路，脈寬調制電路，模擬多路轉換器， A/D 轉換器等電路） 集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的 一個計算機系統(tǒng)。它 具有一個完整計算機所需要的大部分部件： CPU，內存，總線系統(tǒng)等。而目前常用的單片機的 8位有 51 系列單片機， AVR 單片機， PIC 單片機。 應用最廣的 8位單片機還是 Intel的 51系列單片機。 51系列單片機的特點是：硬件結構合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產歷史悠久，世界有許多芯片公司都買了51 的芯片核心專利技術，并在其基礎上擴充其性能，使得芯片的運行速度變得更快，性價比更高。 AVR 單片機是 Atmel 公司推出較新的單片機，它的顯著特點是：高性能，低功能，高速度，指令單周期為主，但性格方面比 51 單片機要高。有專門的 I/O方向寄存器。雖然有轉強的驅動電壓，但 I/O 口使用不比 51 單片機方便。 PIC 單片機系列是美國微芯公司的產品，也是市面上增長最快的單片機之一，屬精簡指令集單片機，其特點是：高速度，高性能，但在性格方面比 51 單片機要高，也有專門的 I/O 方向寄存器， I/O 口使用不比 51 單片機方便。 第二章 系統(tǒng)的硬件設計 7 綜合以上各種單片機的基本性能及本設計的滿足需要，我們將選擇 51 系列單片機。 本設計要用的 51單片機 是由中國宏晶科技生產的 STC12C5410 單片機。 STC12C5410單片機是對傳統(tǒng)的 8051單片機的結構和功能進行改進后推出的新一代超強抗干擾，高速，低功耗的單片機。它指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的 8051單片機的指令系統(tǒng)，但速度比傳統(tǒng)的 8051單片機快幾倍， 12時鐘和 6時鐘任意選擇，最新的 D版本內部集成 MAX810專用復位電路。它具備了很多優(yōu)良的特點，主要特點如下 [2]： 8051CPU， IT，單時鐘 /機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051。單時鐘機器周期模式和工作頻率標準的 8051 每個機器周期為 12個時鐘，增強型的 ，STC12C5410 系列單片機為單時鐘機器周期。單時鐘工作頻率的范圍是 035MHz，平均指令運算速度比標準 8051 快 815倍，加上工作效率可到 35MHz，比 12MHz 的標準 8051 綜合要快近 30倍。 2個定時器可選用標準 8051計數(shù)速度和高速計數(shù)比標準 8051 計數(shù)快 12倍， UART 串口波特率可選用標準 8051 波特率和快速方式采用快速方式比標準 8051 波特率快 6倍 ,是 2分頻。 ： （ 5V 單片機） 3. 工作頻率： 035MHz，相當于普通 8051 的 0420MHz。實際工作頻率可達到48MHz。 4. 用戶應用程序空間： 12K 字節(jié)， STC12C5410 為 2KB EEPROM， FLASH 程序 空間為 10K。 5. 片上集成 512 字節(jié) RAM， STC12C5410 單片機有 512KB RAM，傳統(tǒng) 8051 只 有 128KB RAM， 8052 只有 256KB RAM。 6. 通用 I/O 口 23個，復位后為：準雙向口 /弱上拉（普通 8051 傳統(tǒng) I/O 口）可設置成四種模式即準雙向口 /弱上拉。 推挽 /強上拉，僅為輸入 /高阻，開漏。每個 I/O 口驅動能力均可達到 20mA，但整個芯片最大不得超過 55mA。 I/O 口的功 能和地址同 8051 功能相同； STC12C5410 為 28 腳的單片機，有 23個 I/O口， 比標準 8051少 P2口 4個。 7. ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（ ）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。具8 智能數(shù)顯表的設計 ISP和 IAP 編程方式 STC12C5410 系列單片機芯片內置了 ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應用可編程），由于單片機芯片內置了 BOOTROM 固件，無需專用編程器， 無需專用仿真器，可通過串口（ ）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成 8. EEPROM 功能單片機片內 EEPROM 的采用，提高了單片機運行的可靠性，減少了程序的復雜性。并提高了運行速度 9. 看門狗， STC12C5410 系列單片機芯片內置了一個 14 位的硬件看門狗定時器，從而可以省去外接專門的看門狗定時器，定時器不用內置看門狗時，可以和8051 一樣使用。 10. 內部集成 MAX810 專用復位電路（外部晶體 20M 以下時，可省外部復位電路） 11. 共 2個 16 位定時器 /計數(shù)器，但可用 PCA 模塊再產生 4個定時器 12. 外部中斷 2 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷 ， powerdown模式可由外部中斷喚醒。 （ UART），由于 STC12 系列單片機是高速 8051，也可以再用定時器軟件實現(xiàn)多串口。 ： ： PDIP40, PLCC44, PQFP44 STC12C5410的管腳圖 STC12C5410 具有 28個管腳，其中有 I/O 口 23個，此次設計用到的所有管腳， 都以普通 I/O 接口方式運用，管腳圖如 圖 所示。 圖 單片機管腳圖 第二章 系統(tǒng)的硬件設計 9 單片機系統(tǒng)電路 在單片機系統(tǒng)中，一般在單片機內的引腳 XTAL1和 XTAL2之間接一個晶振和兩個電容，這樣就構成了內部振蕩方式，由于在單片機內部有一個高增益 反 相 放大器，外接一個晶振后，構成了自激振蕩器并產生震蕩時鐘脈沖。這是單片機的時鐘電路。其電路圖如 ： 圖 STC12C5410的時鐘電路 在單片機系統(tǒng)中，一般需要一個硬件復位電路，用于用戶的手動復位，高電平有效。最簡單的復位電路由一個電阻，一個電容和一個按鈕組成。其電路圖如 圖： 圖 STC12C5410的復位電路 系統(tǒng)采樣測量電路的設計 電流電壓互感器 的選擇 電流互感器是 利用電磁感應原理改變電流量值的 一種 器件 ，它 是由閉合的鐵心和 繞組 組成。它的一次繞組匝數(shù)很少，串在需要測量的電流的 線路 中，因此它經常有線路的全部電流流過，二次繞組匝數(shù)比較多，串接在測量儀表和保護回路中，電流互感器在工作時，它的 2次回路始終是閉合的，因此測量儀表和保護回路串聯(lián) 線圈 的阻抗很小，電流互感器的工作狀態(tài)接近短路。 10