【文章內容簡介】 智能數(shù)顯表的設計 本次設計選擇電流互感器 GCT207B， 它 主要應用在電力測量，儀器儀表，電量變送器，工業(yè)控制等領 域，以及精度等級要求更高、相位誤差盡量小的功率和電能監(jiān)測裝置中， 因為精度較高，能滿足此次設計要求 。它的參數(shù)如下： 額定輸入： 5A 匝數(shù)比： 1:20xx 額定輸出： 測量范圍： 0— 20A 本次設計 用了 3 片電流互感器分別對三相電流進行隔離變化，輸出為電流值 電壓互感器是 利用電磁感應原理改變交流電壓量值的 一種 器件 ， 它主要是由 一、二次線圈、鐵心和絕緣組成。當在一次繞組上施加一個電壓 U1時，在鐵心中就產生一個磁通 φ ，根據電磁感應定律，則在二次繞組中就產生一個二次電壓 U2。改變一次或二次繞組的匝數(shù)，可以產生不同的一次電壓與二次電壓比 。 本次設計 要用的 電壓互感器 TV6301，該互感器應用于高精度、小相位誤差的要求用于電流、功率和電能監(jiān)測裝置，能滿足此次設計要求 。它的參數(shù)如下： 工作頻率 ： 50至 400Hz 精度等級 ：符合 IEC600442電壓互感器 額定輸入 ： 380V 額定輸出 ： 100mV 本次用的電壓互感器的輸出電壓為 100mV ,CS5460A模擬通道輸入可承受 150mV電壓，所以電壓互感器輸出的電壓可以直接輸送到 CS5460A的模擬通道。 電流輸入電路 由于電流互感器輸出的是電流值，而 CS5460A 的輸入通道只讀取電壓值，所以我們需要把電流互感器輸出的電流值轉化為電壓值，電流輸入電路是用來完成此任務的。其電路圖如 圖 所示： 圖 電流輸入電路 三相電流電壓選通電路 的設計 三相電流電壓的選通由 CD4051 芯片來完成的， CD4051 系列芯片是用數(shù)字 第二章 系統(tǒng)的硬件設計 11 信號控制的多路選擇模擬開關，模擬量幅度可高達 15Vpp，與 CD 系列數(shù)字電路的 3V～ 15V 工作范圍正好相對應。例如，選 VDD=5V， VSs=0V, VEE=5V 那么幅度 5V～ +5V 的模擬信號就可用 0V～ 5V 的數(shù)字信號來控制傳輸。 CD4051 系列模擬開關的靜態(tài)功耗極少。 CD4051B是八選一模擬開關，用三個二進制輸入信號控制端 A,B,C 來選擇八個模擬通道中的任一個為“ ON”狀態(tài)。當 INH 輸入端輸入“ 1”電平時將全部通道置為關斷狀態(tài) [3] 本次設計用兩片 CD4051 八路選通模擬開關， 來用于三相電壓電流的選通，每片均用到其中三個通路，其選通有單片機控制。兩片 CD4051 的地址碼相同，由 STC12C5410 相同的 I/O 控制 這樣就能保證相電流與相電壓一一對應 [4] CD4051 有如下的特點： 。 。 。 。 。 。 。 CD4051 的引腳圖如圖 所示： 圖 CD4051 的引腳圖 各個引腳功能如下： A0～ A2： 地址端 12 智能數(shù)顯表的設計 I0/O0～ I7/O7 ： 輸入輸出端 INH ： 禁止端 O/I ： 公共輸出 /輸入端 VDD ： 正電源 VEE ： 模擬信號地 VSS ： 數(shù)字信號地 本次選通由 STC12C5410 的 I/O口控制 CD4051A 地址，由 I/O口控制 CD4051B 口。 CD4051C 口接地，其中一片 CD4051 的 13， 14， 15 引腳分別接 三相輸入電流，另一片接三相輸入電壓。如圖 。因為本次設計通過 CD4051 的模擬電壓是正弦波形的，故 VEE 腳必須連接負電壓，為了給 VEE 供負電，運用 ICL7660 將正電壓轉化為負電壓。 圖 CD4051 的連接圖 負電壓供電設計 本次設計 用 ICL7660 對 CD4051 的 VEE 管腳提供負電壓， ICL7660 是由Intersil 公司開發(fā)的， CMOS 結構的電壓反轉模塊。它能把 到 10V 之間的正壓轉換成負壓 [5]，所需要的外界原件僅僅是兩個電容。當電源電壓超過 時，還需要另加一只二極管。該模塊的開路電壓轉換率高達 %，轉換效率最大可達98%，靜態(tài)電流小于 500μA，輸出電流達 20mA，輸出功率為 300mW。 ICL7660 內包括一個直流電源調節(jié)單元， RC 振蕩單元，電壓轉換電源，四個 第二章 系統(tǒng)的硬件設計 13 輸出用的功率 MOC 管和 一個邏輯單元。其中邏輯單元的設計具有獨到之處，它隨時檢測輸出負壓的最大值以保證輸出用的 N 溝道 MOC 管不會出現(xiàn)偏置。另外 ICL7660 具備如下特點： 1. 工作電壓范圍寬 (+～ )； CMOS 或 TTL 的 +5V 電壓轉換成 5V； 3. 空載時沒有內部壓降，轉換效率達 %，接負載后本身耗電小于 ，但可向負載提供， 10～ 20mA 的電流 ,其轉換效率為 95%典型值 , 4. 外圍電路簡單，只需外接兩個電容即可工作； ； 65℃ ～ +150℃ ； 時，能承受持續(xù)短路 ICL7660 的引腳圖如圖 所示： 圖 ICL7660 的引腳圖 各個引腳功能如下： NC(l)：空腳； CAP+， CAP(2,4)：分別外接電容的正、負端； GND(3)：信號地； VOUT(5)：轉換電壓輸出；端 (負端 )，外接電容 C2； LV(6)：芯片內置電源，低電壓端，當 VDD 時，此端開路； VDD 時， 應將此端接地，以改善電路的低壓工作性能； OSC(7)：振蕩器外接電容或時鐘輸出端。此端不接電容時，振蕩頻率為 10kHz， 若需降低內部振蕩頻率，應外接電容 C。當 C=l00pF 時， f≈lKHz； C=1000pF 時， f≈ 100Hz。振蕩信號亦可由此端引出； VDD(8)：正電源端 ,范圍為 ～ 。 14 智能數(shù)顯表的設計 本設計中 ICL7660 的是用來給 CD4051 提供負電壓，該負壓轉換電路的電路圖如圖 所示： 采樣電路設計 此次設計對電流的采樣主要運用 CS5460A 電能芯片， CS5460A 是 Crystal 公司推出的用于測電流、電壓、功率等的芯片 , 是 CS5460 的增強版 , 精度高、性能強且成本低。 CS5460A 包含兩個ΔΣ模 數(shù)轉換器（ ADC）、高速電能計算功能和一個串行接口的高度集成的ΔΣ 模 數(shù)轉換器。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 圖 ICL7660 的連接圖 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)據和啟動指令。使用該模式時， CS5460A 工作時不需要外加微控制器 [5]，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，其基本內部結構如圖 所示： 第二章 系統(tǒng)的硬件設計 15 圖 CS5460A 的內部結構圖 從上圖可以看出 CS5460A的內部結構是由一個 增益為 10和 50可選的電流通道可編程增益放大器其，一個增益為 10的電壓通道固定增益放大器，兩個同時采樣的 AD模數(shù)轉換器，兩個高速數(shù)字濾波器，兩個可選用的高通濾波器，一個功率計算引擎，一個片內電壓基準，一個可以檢測電力不足或電源故障的電源監(jiān)視器，一個持續(xù)監(jiān)視串口通訊的看門狗，一個可選的內部時鐘發(fā)生器，一個雙向串行接口，一個電能、脈沖變換器和一個校準用 SRAM組成。 CS5460A有很多特性，它的主要特性如下： ； EPROM 智能“自引導” ,不需要微控制器 ,具有電能 脈沖轉換功能； AC或 DC系統(tǒng)校準功能； ,可以方便地進行讀寫； 門狗定時器； V 基準（ 60 106/OC） ,單電源 +5 V 或雙向 177。 10℅電源； ； 、瞬時電流、瞬時功率、電能、電壓有效值和電流有效值 ， 能完成電能 /脈沖轉換 ； ： %； ； 16 智能數(shù)顯表的設計 /步進電機驅動器； ； ：在 1000 ： 1 動態(tài)范圍內線性度為 177。% ； 12mW； ： VA+=+5V,VA=0V。VD+=+3V～ +5V 或 VA+=,VA=。VD+=+3V CS5460A 的引腳圖及其各個引腳功能。 引腳圖如圖 ： 圖 CS5460A的引腳圖 各個引腳的功能描述如下： XOUT ：晶體振蕩器輸出； XIN ：晶體振蕩器輸入； CPUCLK ： CPU 時鐘輸出； VD+ ：數(shù)字電路電源正極； DGND ：數(shù)字地； SCLK ：串行時鐘輸入； SDO ：串行數(shù)據輸出端，當 CS 高時，其輸出將處于高阻抗狀態(tài)； CS ：片選； MODE ：模式選擇； VIN + ：差分電壓正輸入端； VIN ：差分電壓負輸入端； 第二章 系統(tǒng)的硬件設計 17 VREFOUT ：參考電壓輸出； VREFIN ：參考電壓輸入； VA ：模擬地負極； VA + ：模擬電源正極； IIN ：差分電流負輸入端； IIN + ：差分電流正輸入端； PFMON ：電源掉電監(jiān)視輸出； NC ：空腳； RESET ：復位輸入； INT ：中斷輸出； EOUT ：電能脈沖輸出； EDIR ：能量方向指示輸出； SDI ：串行數(shù)據輸入 ； 由于 CS5460A 具有很多優(yōu)點且方便以后升級成為一個具有測量電流、電壓瞬 時值，電流、電壓有效值，功率和電能，且能與外部進行通信的綜合性智能數(shù)顯 表，對于本次設計采用該芯片硬件軟件設計都會比較簡單，所以此次設計智能數(shù) 顯表的采樣電路將選擇 CS5460A 芯片為核心。 本次設計 CS5460A 運用連接圖如圖 ，其晶振頻率為 。其 中 CS5460A 芯片的 RESET 引腳連接 STC12C5410 的 I/O 口，以控制CS5460A 復位；單片機 口連接 CS5460A 芯片的 INT 引腳此次把 當普通 I/O 口使 用，為升級方便，以便于使用中斷； 口連接 CS5460A 芯片的 SDI 引腳； 口連接 CS5460A 芯片的 CS 引腳； 口連接 CS5460A 芯片的 SDO 引腳； 口連接 CS5460A 芯片的 SCLK 引腳，建立傳送數(shù)據時序。 18 智能數(shù)顯表的設計 圖 CS5460A的連接圖 鍵盤顯示電路的設計 各種顯示器件的介紹和選擇 本次設計中有顯示模塊，而常用的顯示器件比較多，有數(shù)碼管， LED 點陣，1602 液晶， 12864 液晶等。 數(shù)碼管是最常用的一種顯示器件，它是由幾個發(fā)光二極管組成的 8 字段顯示器件，其特點是價格非常的便宜，使用也非常的方便，顯示效果非常的清楚。小電流下可以驅動每光，發(fā)光響應時間極短，體積小，重量輕，抗沖擊性能好，壽命長。數(shù)碼管只能是顯示 0—— 9 的數(shù)據。不能夠顯示字符。所以一般適合用于只需要顯示數(shù)字的場合。 LED 點陣顯示器件是由好多個發(fā)光二極管組成的。具有高亮度，功耗低，視角大，壽命長，耐濕，冷，熱等特點， LED 點陣顯示器件可以顯示數(shù)字，英文字符，中文字符等，所以它的使用范圍比較大的。 第二章 系統(tǒng)的硬件設計