【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 智能數(shù)顯表的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)選擇電流互感器 GCT207B， 它 主要應(yīng)用在電力測(cè)量，儀器儀表，電量變送器，工業(yè)控制等領(lǐng) 域，以及精度等級(jí)要求更高、相位誤差盡量小的功率和電能監(jiān)測(cè)裝置中， 因?yàn)榫容^高，能滿足此次設(shè)計(jì)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(cè)量范圍： 0— 20A 本次設(shè)計(jì) 用了 3 片電流互感器分別對(duì)三相電流進(jìn)行隔離變化，輸出為電流值 電壓互感器是 利用電磁感應(yīng)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(dāng)在一次繞組上施加一個(gè)電壓 U1時(shí)，在鐵心中就產(chǎn)生一個(gè)磁通 φ ，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，則在二次繞組中就產(chǎn)生一個(gè)二次電壓 U2。改變一次或二次繞組的匝數(shù)，可以產(chǎn)生不同的一次電壓與二次電壓比 。 本次設(shè)計(jì) 要用的 電壓互感器 TV6301，該互感器應(yīng)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(cè)裝置，能滿足此次設(shè)計(jì)要求 。它的參數(shù)如下： 工作頻率 ： 50至 400Hz 精度等級(jí) ：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(zhuǎn)化為電壓值，電流輸入電路是用來(lái)完成此任務(wù)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(shè)計(jì) 三相電流電壓的選通由 CD4051 芯片來(lái)完成的， CD4051 系列芯片是用數(shù)字 第二章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 11 信號(hào)控制的多路選擇模擬開(kāi)關(guān)，模擬量幅度可高達(dá) 15Vpp，與 CD 系列數(shù)字電路的 3V～ 15V 工作范圍正好相對(duì)應(yīng)。例如，選 VDD=5V， VSs=0V, VEE=5V 那么幅度 5V～ +5V 的模擬信號(hào)就可用 0V～ 5V 的數(shù)字信號(hào)來(lái)控制傳輸。 CD4051 系列模擬開(kāi)關(guān)的靜態(tài)功耗極少。 CD4051B是八選一模擬開(kāi)關(guān)，用三個(gè)二進(jìn)制輸入信號(hào)控制端 A,B,C 來(lái)選擇八個(gè)模擬通道中的任一個(gè)為“ ON”狀態(tài)。當(dāng) INH 輸入端輸入“ 1”電平時(shí)將全部通道置為關(guān)斷狀態(tài) [3] 本次設(shè)計(jì)用兩片 CD4051 八路選通模擬開(kāi)關(guān)， 來(lái)用于三相電壓電流的選通，每片均用到其中三個(gè)通路，其選通有單片機(jī)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(duì)應(yīng) [4] CD4051 有如下的特點(diǎn)： 。 。 。 。 。 。 。 CD4051 的引腳圖如圖 所示： 圖 CD4051 的引腳圖 各個(gè)引腳功能如下： A0～ A2： 地址端 12 智能數(shù)顯表的設(shè)計(jì) 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(hào)地 VSS ： 數(shù)字信號(hào)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?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)通過(guò) CD4051 的模擬電壓是正弦波形的，故 VEE 腳必須連接負(fù)電壓，為了給 VEE 供負(fù)電，運(yùn)用 ICL7660 將正電壓轉(zhuǎn)化為負(fù)電壓。 圖 CD4051 的連接圖 負(fù)電壓供電設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì) 用 ICL7660 對(duì) CD4051 的 VEE 管腳提供負(fù)電壓， ICL7660 是由Intersil 公司開(kāi)發(fā)的， CMOS 結(jié)構(gòu)的電壓反轉(zhuǎn)模塊。它能把 到 10V 之間的正壓轉(zhuǎn)換成負(fù)壓 [5]，所需要的外界原件僅僅是兩個(gè)電容。當(dāng)電源電壓超過(guò) 時(shí)，還需要另加一只二極管。該模塊的開(kāi)路電壓轉(zhuǎn)換率高達(dá) %，轉(zhuǎn)換效率最大可達(dá)98%，靜態(tài)電流小于 500μA，輸出電流達(dá) 20mA，輸出功率為 300mW。 ICL7660 內(nèi)包括一個(gè)直流電源調(diào)節(jié)單元， RC 振蕩單元，電壓轉(zhuǎn)換電源，四個(gè) 第二章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 13 輸出用的功率 MOC 管和 一個(gè)邏輯單元。其中邏輯單元的設(shè)計(jì)具有獨(dú)到之處，它隨時(shí)檢測(cè)輸出負(fù)壓的最大值以保證輸出用的 N 溝道 MOC 管不會(huì)出現(xiàn)偏置。另外 ICL7660 具備如下特點(diǎn)： 1. 工作電壓范圍寬 (+～ )； CMOS 或 TTL 的 +5V 電壓轉(zhuǎn)換成 5V； 3. 空載時(shí)沒(méi)有內(nèi)部壓降，轉(zhuǎn)換效率達(dá) %，接負(fù)載后本身耗電小于 ，但可向負(fù)載提供， 10～ 20mA 的電流 ,其轉(zhuǎn)換效率為 95%典型值 , 4. 外圍電路簡(jiǎn)單，只需外接兩個(gè)電容即可工作； ； 65℃ ～ +150℃ ； 時(shí)，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(gè)引腳功能如下： NC(l)：空腳； CAP+， CAP(2,4)：分別外接電容的正、負(fù)端； GND(3)：信號(hào)地； VOUT(5)：轉(zhuǎn)換電壓輸出；端 (負(fù)端 )，外接電容 C2； LV(6)：芯片內(nèi)置電源，低電壓端，當(dāng) VDD 時(shí)，此端開(kāi)路； VDD 時(shí)， 應(yīng)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(shí)鐘輸出端。此端不接電容時(shí)，振蕩頻率為 10kHz， 若需降低內(nèi)部振蕩頻率，應(yīng)外接電容 C。當(dāng) C=l00pF 時(shí)， f≈lKHz； C=1000pF 時(shí)， f≈ 100Hz。振蕩信號(hào)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(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中 ICL7660 的是用來(lái)給 CD4051 提供負(fù)電壓，該負(fù)壓轉(zhuǎn)換電路的電路圖如圖 所示： 采樣電路設(shè)計(jì) 此次設(shè)計(jì)對(duì)電流的采樣主要運(yùn)用 CS5460A 電能芯片， CS5460A 是 Crystal 公司推出的用于測(cè)電流、電壓、功率等的芯片 , 是 CS5460 的增強(qiáng)版 , 精度高、性能強(qiáng)且成本低。 CS5460A 包含兩個(gè)ΔΣ模 數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）、高速電能計(jì)算功能和一個(gè)串行接口的高度集成的ΔΣ 模 數(shù)轉(zhuǎn)換器。它可以精確測(cè)量和計(jì)算有功電 能、瞬時(shí)功率、 IRMS 和 VRMS ，用于研制開(kāi)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(cè)量電流，使用分壓電阻或電壓互感器測(cè)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(zhǔn)功能。“自引導(dǎo)”的特點(diǎn)使CS5460A 能獨(dú)自工作，在系統(tǒng)上電后自動(dòng)初始化。在自引導(dǎo)模式中 ， CS5460A 從一個(gè)外部 EEPROM 中讀取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和啟動(dòng)指令。使用該模式時(shí)， CS5460A 工作時(shí)不需要外加微控制器 [5]，因此當(dāng)電表用于大批量住宅電能測(cè)量時(shí)，可降低電表的成本，其基本內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示： 第二章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 15 圖 CS5460A 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 從上圖可以看出 CS5460A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由一個(gè) 增益為 10和 50可選的電流通道可編程增益放大器其，一個(gè)增益為 10的電壓通道固定增益放大器，兩個(gè)同時(shí)采樣的 AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)高速數(shù)字濾波器，兩個(gè)可選用的高通濾波器，一個(gè)功率計(jì)算引擎，一個(gè)片內(nèi)電壓基準(zhǔn)，一個(gè)可以檢測(cè)電力不足或電源故障的電源監(jiān)視器，一個(gè)持續(xù)監(jiān)視串口通訊的看門(mén)狗，一個(gè)可選的內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器，一個(gè)雙向串行接口，一個(gè)電能、脈沖變換器和一個(gè)校準(zhǔn)用 SRAM組成。 CS5460A有很多特性，它的主要特性如下： ； EPROM 智能“自引導(dǎo)” ,不需要微控制器 ,具有電能 脈沖轉(zhuǎn)換功能； AC或 DC系統(tǒng)校準(zhǔn)功能； ,可以方便地進(jìn)行讀寫(xiě)； 門(mén)狗定時(shí)器； V 基準(zhǔn)（ 60 106/OC） ,單電源 +5 V 或雙向 177。 10℅電源； ； 、瞬時(shí)電流、瞬時(shí)功率、電能、電壓有效值和電流有效值 ， 能完成電能 /脈沖轉(zhuǎn)換 ； ： %； ； 16 智能數(shù)顯表的設(shè)計(jì) /步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器； ； ：在 1000 ： 1 動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)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(gè)引腳功能。 引腳圖如圖 ： 圖 CS5460A的引腳圖 各個(gè)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(shí)鐘輸出； VD+ ：數(shù)字電路電源正極； DGND ：數(shù)字地； SCLK ：串行時(shí)鐘輸入； SDO ：串行數(shù)據(jù)輸出端，當(dāng) CS 高時(shí)，其輸出將處于高阻抗?fàn)顟B(tài)； CS ：片選； MODE ：模式選擇； VIN + ：差分電壓正輸入端； VIN ：差分電壓負(fù)輸入端； 第二章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 17 VREFOUT ：參考電壓輸出； VREFIN ：參考電壓輸入； VA ：模擬地負(fù)極； VA + ：模擬電源正極； IIN ：差分電流負(fù)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(fù)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(jù)輸入 ； 由于 CS5460A 具有很多優(yōu)點(diǎn)且方便以后升級(jí)成為一個(gè)具有測(cè)量電流、電壓瞬 時(shí)值，電流、電壓有效值，功率和電能，且能與外部進(jìn)行通信的綜合性智能數(shù)顯 表，對(duì)于本次設(shè)計(jì)采用該芯片硬件軟件設(shè)計(jì)都會(huì)比較簡(jiǎn)單，所以此次設(shè)計(jì)智能數(shù) 顯表的采樣電路將選擇 CS5460A 芯片為核心。 本次設(shè)計(jì) CS5460A 運(yùn)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(fù)位；單片機(jī) 口連接 CS5460A 芯片的 INT 引腳此次把 當(dāng)普通 I/O 口使 用，為升級(jí)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(jù)時(shí)序。 18 智能數(shù)顯表的設(shè)計(jì) 圖 CS5460A的連接圖 鍵盤(pán)顯示電路的設(shè)計(jì) 各種顯示器件的介紹和選擇 本次設(shè)計(jì)中有顯示模塊，而常用的顯示器件比較多，有數(shù)碼管， LED 點(diǎn)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(gè)發(fā)光二極管組成的 8 字段顯示器件，其特點(diǎn)是價(jià)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(qū)動(dòng)每光，發(fā)光響應(yīng)時(shí)間極短，體積小，重量輕，抗沖擊性能好，壽命長(zhǎng)。數(shù)碼管只能是顯示 0—— 9 的數(shù)據(jù)。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(chǎng)合。 LED 點(diǎn)陣顯示器件是由好多個(gè)發(fā)光二極管組成的。具有高亮度，功耗低，視角大，壽命長(zhǎng)，耐濕，冷，熱等特點(diǎn)， LED 點(diǎn)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(shè)計(jì)