智能数显表的设计论文Word格式.docx

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测问题，如德国EMH公司推出的PTSI.1、PTSI.3型0.2级单、三相多功能电能表检测装置，澳大利亚红相电力设备公司生产的679型0.1级测试仪，这些产品用于单相、三相四线、三相三线接线方式，可测量各种电能参数，自动量程切换，

采用全数字处理，抗干扰能力强。

在国内，由于受到我国电力工业飞速发展的影响，电量参数测试仪的研制水

平也在不断提高，如以深圳科陆公司为代表的CL302系列三相电量测量仪表检测

装置，南京丹迪克公司的DK系列三相电测量仪表检测装置，电能计量以及西安亚川电力科技有限公司的一系列可编程智能电测表，发展到多功能可检测电压、电流、功率、频率、相位等多种功能的现场测试仪器，但这些产品一方面存在体

积大，重量重，操作繁琐成本价格也较高，另一方面在产品的稳定性、可靠性还

需进一步改进完善提高，所以电能计量是今后电力市场改革的核心。

电能计量要具备高精度、高可靠性、免维护和双向通讯功能，具有便于电力公司向用户提供增值服务，能适应国外已开始实行的产权和数据共享的管理模式。

1.2.2本课题的发展趋势

回顾电子仪器的发展过程，交流电参数检测仪表的发展经历了从直接作用模拟的指针式仪表，到数字式仪表，又到智能化仪表的过程。

具体从仪器的工作原理来看，它经历了三代：

第一代模拟式电子仪表，大量指针的电压表、电流表、功率表及一些通用测试仪器均是典型的模拟式仪器。

这一代仪器功能简单，精度低响应速度慢。

第二代是数字电子仪表。

它的基本工作原理是将待测的模拟信号转换成数字信号，进行测量，结果以数字形式输出显示。

它的精度高，速度快，读数清晰，直观，结果可打印输出，也容易与计算机技术相结合。

第三代就是智能仪表。

它是在数字化的基础上用微型计算机装备起来，它是计算机技术与电子仪器相结合的产物。

它具有数据存储、运算、逻辑判断能力，能根据被测参数的变化自选量程。

可自动校正、自动补偿、自寻故障等，可以做一些需要人类的智慧才能完成的工作，即具备了一定的智能，故称为智能仪表。

另外，虚拟仪器的出现及其应用领域的不断扩大，己给仪器仪表产业指明了一个发展方向，仪器标准逐渐向计算机标准靠拢。

这样，可以充分利用计算机的

软硬件资源。

不同功能的仪器仅体现于测量模块及其软件的不同，而各种测量功能都是由磁盘中的测量程序来完成的。

仪器仪表不再以传统的独立形式出现了，一台计算机只要配备相应的测量模板或扩展机箱，就可立即成为存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、数字多用表、通用计数器、函数发生器或仪器控制器等。

目前，高精度的电量检测和校验仪器仪表已经与计算机、软件、大规模集成电路、

甚至是网络技术的联系越来越紧密，因此，研制出虚拟式电量检测和校验仪器作为未来的一种新型仪器，它的诞生已经为时不远了[1]。

1.3本设计的主要任务

1.3.1主要完成的任务

通过本次设计设计出来的智能数显表可以对三相电路的电流电压参数进行测量同时把测量结果以数字形式显示，整个过程被单片机控制。

根据上述的仪表的基本功能我本次设计主要完成的任务是设计智能数显表的硬件和软件系统,具体任务包括如下：

硬件系统设计包括：

单片机硬件系统的设计，采样电路部分的设计，显示电路部分的设计，供电系统的设计以及它们之间的连接。

软件系统设计包括：

初始化程序，数据的存储，读取，计算以及显示程序。

1.3.2仪器的主要技术指标

该智能数显表适用于三相四线制交流电路的电流，电压参数的测量。

其测量范围如下：

电流测量范围：

0～20A，电压测量范围：

0～380V

1.4本章小结

本章首先主要介绍了智能数显表的设计背景和设计的重要性，同时简单的叙述了本课题在国内外的发展历史，发展程度以及未来发展的趋势，最后给出了本设计的主要任

第二章系统的硬件设计

2.1系统硬件总体设计

本次设计的智能数显表的硬件系统主要由一只STC12C5410单片机，六个电流电压互感器，电量输入电路，模拟开关电路，电流电压采样电路和显示电路组成。

该系统的原理框图如图2.1所示，其中六个电流电压互感器分别对交流电流和电压隔离处理。

电量输入电路把电流互感器输出的电流值转化为电压值。

模拟开关电路选通三相电路的某一相电流和对应的一相电压。

电流电压采样电路主要用于测量电流和电压的有效值，瞬时值和功率。

单片机电路主要用于数据的读取，存储和处理。

显示电路是根据用户的选择显示出测量结果。

图2.1系统原理框图

系统的工作原理为：

被测三相交流电流电压信号首先经过电流电压互感器隔离变换，再经过电流电压输入变换电路，变换为CS5460A模拟电流通道和模拟电压通道能识别能承受的电压信号，经过模拟开关选通三相电流的某一相电流送入CS5460A的模拟电流输入通道，且同时选通三相电流所对应的一相电压送入模拟电压输入通道。

将三相电流所对应的变换信号依次送入CS5460A的电流测量输入通道，同时将对应的相电压对应的信号送入CS5460A。

CS5460A电能计量芯片将自动对电流电压采样，同时CS5460A计算电流电压瞬时值、有效值和功率，利用CS5460A的串行接口对电流电压瞬时值、有效值和功率寄存器进行读数据，单片机再将从CS5460A串口读取数值计算处理，处理后为实际的电流电压瞬时值、有效值和功率值，STC12C5410单片机控制的外围键盘显示电路将处理后的最终结果根据用户的选择显示。

2.2单片机硬件部分的设计

2.2.1单片机的简介与本设计单片机的选择

在这一设计中，我们涉及到了一个关键系统模块——单片机系统模块，而目前单片机的种类是很繁多的，主要有主流的8位单片机和高性能的32位单片机，结合本设计各方面因素，8位单片机对于本设计已经是绰绰有余了，但将用哪一种类8的单片机呢。

在这里，不得不先简单的介绍一下几种常用的8单片机。

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU，随机存储器RAM，只读存储器ROM，多种I/O口和终端系统，定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路，脉宽调制电路，模拟多路转换器，A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的一个计算机系统。

它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：

CPU，内存，总线系统等。

而目前常用的单片机的8位有51系列单片机，AVR单片机，PIC单片机。

应用最广的8位单片机还是Intel的51系列单片机。

51系列单片机的特点是：

硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史悠久，世界有许多芯片公司都买了51的芯片核心专利技术，并在其基础上扩充其性能，使得芯片的运行速度变得更快，性价比更高。

AVR单片机是Atmel公司推出较新的单片机，它的显著特点是：

高性能，低功能，高速度，指令单周期为主，但性格方面比51单片机要高。

有专门的I/O方向寄存器。

虽然有转强的驱动电压，但I/O口使用不比51单片机方便。

PIC单片机系列是美国微芯公司的产品，也是市面上增长最快的单片机之一，属精简指令集单片机，其特点是：

高速度，高性能，但在性格方面比51单片机要高，也有专门的I/O方向寄存器，I/O口使用不比51单片机方便。

综合以上各种单片机的基本性能及本设计的满足需要，我们将选择51系列单片机。

本设计要用的51单片机是由中国宏晶科技生产的STC12C5410单片机。

STC12C5410单片机是对传统的8051单片机的结构和功能进行改进后推出的新一代超强抗干扰，高速，低功耗的单片机。

它指令代码完全兼容传统的8051单片机的指令系统，但速度比传统的8051单片机快几倍，12时钟和6时钟任意选择，最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。

它具备了很多优良的特点，主要特点如下[2]：

1.增强型8051CPU，IT，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。

单时钟机器周期模式和工作频率标准的8051每个机器周期为12个时钟，增强型的，STC12C5410系列单片机为单时钟机器周期。

单时钟工作频率的范围是0-35MHz，平均指令运算速度比标准8051快8-15倍，加上工作效率可到35MHz，比12MHz的标准8051综合要快近30倍。

2个定时器可选用标准8051计数速度和高速计数比标准8051计数快12倍，UART串口波特率可选用标准8051波特率和快速方式采用快速方式比标准8051波特率快6倍,是2分频。

2.工作电压：

5.5V-3.8V（5V单片机）

3.工作频率：

0-35MHz，相当于普通8051的0-420MHz。

实际工作频率可达到48MHz。

4.用户应用程序空间：

12K字节，STC12C5410为2KBEEPROM，FLASH程序

空间为10K。

5.片上集成512字节RAM，STC12C5410单片机有512KBRAM，传统8051只

有128KBRAM，8052只有256KBRAM。

6.通用I/O口23个，复位后为：

准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式即准双向口/弱上拉。

推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏。

每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA。

I/O口的功

能和地址同8051功能相同；

STC12C5410为28脚的单片机，有23个I/O口，

比标准8051少P2口4个。

7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。

具ISP和IAP编程方式STC12C5410系列单片机芯片内置了ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），由于单片机芯片内置了BOOTROM固件，无需专用编程器，

无需专用仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成

8.EEPROM功能单片机片内EEPROM的采用，提高了单片机运行的可靠性，减少了程序的复杂性。

并提高了运行速度

9.看门狗，STC12C5410系列单片机芯片内置了一个14位的硬件看门狗定时器，从而可以省去外接专门的看门狗定时器，定时器不用内置看门狗时，可以和8051一样使用。

10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，可省外部复位电路）

11.共2个16位定时器/计数器，但可用PCA模块再产生4个定时器

12.外部中断2路，下降沿中断或低电平触发中断，powerdown模式可由外部中断唤醒。

13.通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列单片机是高速8051，也可以再用定时器软件实现多串口。

14.工作温度范围：

15.封装：

PDIP-40,PLCC-44,PQFP-44

STC12C5410的管脚图

STC12C5410具有28个管脚，其中有I/O口23个，此次设计用到的所有管脚，

都以普通I/O接口方式运用，管脚图如图2.2所示。

图2.2单片机管脚图

2.2.2单片机系统电路

在单片机系统中，一般在单片机内的引脚XTAL1和XTAL2之间接一个晶振和两个电容，这样就构成了内部振荡方式，由于在单片机内部有一个高增益反相放大器，外接一个晶振后，构成了自激振荡器并产生震荡时钟脉冲。

这是单片机的时钟电路。

其电路图如2.3所示：

图2.3STC12C5410的时钟电路

在单片机系统中，一般需要一个硬件复位电路，用于用户的手动复位，高电平有效。

最简单的复位电路由一个电阻，一个电容和一个按钮组成。

其电路图如图2.4所示：

图2.4STC12C5410的复位电路

2.3系统采样测量电路的设计

2.3.1电流电压互感器的选择

电流互感器是利用电磁感应原理改变电流量值的一种器件，它是由闭合的铁心和绕组组成。

它的一次绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过，二次绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的2次回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路。

本次设计选择电流互感器GCT207B，它主要应用在电力测量，仪器仪表，电量变送器，工业控制等领域，以及精度等级要求更高、相位误差尽量小的功率和电能监测装置中，因为精度较高，能满足此次设计要求。

它的参数如下：

额定输入：

5A匝数比：

1:

2000

额定输出：

2.5mA测量范围：

0—20A

本次设计用了3片电流互感器分别对三相电流进行隔离变化，输出为电流值

电压互感器是利用电磁感应原理改变交流电压量值的一种器件，它主要是由一、二次线圈、铁心和绝缘组成。

当在一次绕组上施加一个电压U1时，在铁心中就产生一个磁通φ，根据电磁感应定律，则在二次绕组中就产生一个二次电压U2。

改变一次或二次绕组的匝数，可以产生不同的一次电压与二次电压比。

本次设计要用的电压互感器TV6301，该互感器应用于高精度、小相位误差的要求用于电流、功率和电能监测装置，能满足此次设计要求。

工作频率：

50至400Hz精度等级：

符合IEC60044-2电压互感器0.1级

额定输入：

380V额定输出：

100mV

本次用的电压互感器的输出电压为100mV,CS5460A模拟通道输入可承受150mV电压，所以电压互感器输出的电压可以直接输送到CS5460A的模拟通道。

2.3.2电流输入电路

由于电流互感器输出的是电流值，而CS5460A的输入通道只读取电压值，所以我们需要把电流互感器输出的电流值转化为电压值，电流输入电路是用来完成此任务的。

其电路图如图2.5所示：

图2.5电流输入电路

2.3.3三相电流电压选通电路的设计

三相电流电压的选通由CD4051芯片来完成的，CD4051系列芯片是用数字信号控制的多路选择模拟开关，模拟量幅度可高达15Vp-p，与CD系列数字电路的3V～15V工作范围正好相对应。

例如，选VDD=5V，VSs=0V,VEE=-5V那么幅度-5V～+5V的模拟信号就可用0V～5V的数字信号来控制传输。

CD4051系列模拟开关的静态功耗极少。

CD4051B是八选一模拟开关，用三个二进制输入信号控制端A,B,C来选择八个模拟通道中的任一个为“ON”状态。

当INH输入端输入“1”电平时将全部通道置为关断状态[3]

本次设计用两片CD4051八路选通模拟开关，来用于三相电压电流的选通，每片均用到其中三个通路，其选通有单片机控制。

两片CD4051的地址码相同，由STC12C5410相同的I/O控制这样就能保证相电流与相电压一一对应[4]

CD4051有如下的特点：

1.很宽的数字控制与传输模拟信号电压范围。

2.低导通电阻。

3.高关态电阻。

4.数字地址信号的逻辑电平转换来开关模拟信号。

5.模拟开关导通电阻差值。

6.极低的静态电压功耗。

7.内置二进制地址解码器。

CD4051的引脚图如图2.6所示：

图2.6CD4051的引脚图

各个引脚功能如下：

A0～A2：

地址端

I0/O0～I7/O7：

输入输出端

INH：

禁止端

O/I：

公共输出/输入端

VDD：

正电源

VEE：

模拟信号地

VSS：

数字信号地

本次选通由STC12C5410的P1.2I/O口控制CD4051A地址，由P1.1I/O口控制CD4051B口。

CD4051C口接地，其中一片CD4051的13，14，15引脚分别接

三相输入电流，另一片接三相输入电压。

如图2.7所示。

因为本次设计通过CD4051

的模拟电压是正弦波形的，故VEE脚必须连接负电压，为了给VEE供负电，运用

ICL7660将正电压转化为负电压。

图2.7CD4051的连接图

2.3.4负电压供电设计

本次设计用ICL7660对CD4051的VEE管脚提供负电压，ICL7660是由Intersil公司开发的，CMOS结构的电压反转模块。

它能把1.5V到10V之间的正压转换成负压[5]，所需要的外界原件仅仅是两个电容。

当电源电压超过6.5V时，还需要另加一只二极管。

该模块的开路电压转换率高达99.9%，转换效率最大可达98%，静态电流小于500μA，输出电流达20mA，输出功率为300mW。

ICL7660内包括一个直流电源调节单元，RC振荡单元，电压转换电源，四个输出用的功率MOC管和一个逻辑单元。

其中逻辑单元的设计具有独到之处，它随时检测输出负压的最大值以保证输出用的N沟道MOC管不会出现偏置。

另外ICL7660具备如下特点：

1.工作电压范围宽（+1.5～10.5V）；

2.可将CMOS或TTL的+5V电压转换成-5V；

3.空载时没有内部压降，转换效率达99.7%，接负载后本身耗电小于0.5mA，但可向负载提供，10～20mA的电流,其转换效率为95%<

典型值,

4.外围电路简单，只需外接两个电容即可工作；

5.可采用串联方式实现倍压输出；

6.温度范围为-65℃～+150℃；

7.当电源电压小于5.5V时，能承受持续短路

ICL7660的引脚图如图2.8所示：

图2.8ICL7660的引脚图

各个引脚功能如下：

NC（l）：

空脚；

CAP+，CAP-（2,4）：

分别外接电容的正、负端；

GND（3）：

信号地；

VOUT（5）：

转换电压输出；

端（负端），外接电容C2；

LV（6）：

芯片内置电源，低电压端，当VDD>

3.5V时，此端开路；

VDD<

3.5V时，

应将此端接地，以改善电路的低压工作性能；

OSC（7）：

振荡器外接电容或时钟输出端。

此端不接电容时，振荡频率为10kHz，

若需降低内部振荡频率，应外接电容C。

当C=l00pF时，f≈lKHz；

C=1000pF时，

f≈100Hz。

振荡信号亦可由此端引出；

VDD（8）：

正电源端,范围为1.5～10.5V。

本设计中ICL7660的是用来给CD4051提供负电压，该负压转换电路的电路图如图2.9所示：

2.3.5采样电路设计

此次设计对电流的采样主要运用CS5460A电能芯片，CS5460A是Crystal公司推出的用于测电流、电压、功率等的芯片,是CS5460的增强版,精度高、性能强且成本低。

CS5460A包含两个ΔΣ模-数转换器（ADC）、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的ΔΣ模-数转换器。

它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、IRMS和VRMS，用于研制开发单相2线或3线电表

图2.9ICL7660的连接图

CS5460A可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。

CS5460A具有与微控制器通讯的双向串口，芯片的脉冲输出频率与有功能量

成正比。

CS5460A具有方便的片上AC/DC系统校准功能。

“自引导”的特点使C