基于单片机的数字电压表设计毕业设计论文
本科毕业设计（论文）
基于单片机的数字电压表设计
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摘要
主要介绍了美国Crystal 公司生产的芯片CS5460A的特性、原理和应用。针对传统的电量采集处理系统抗干扰能力差，功能单一的缺陷，提出了一种采用电能计量芯片CS5460A进行电量采集，STC89C52单片机做数据处理，通过Serial Peripheral Interface(SPI)端口传送电压，电流功率等参数的实时测量值的新型测量仪表系统。通过硬件系统的设计，给出了系统的的电路原理图，通过软件系统的设计，实现了测量交流电压的功能要求。实验表明这种设计有效地提高了仪表的测量的精度和抗干扰能力。
关键词CS5460A，测量，电参数，单片机
攀枝花学院本科毕业设计（论文）ABSTRACT
ABSTRACT
This 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 CS5460A 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. The experimental results show that this design is effective in improving meter accuracy and anti-jamming capability.
Key words CS5460A，Measuring，Electrical parameters，MCU
目录
摘要 ............................................................................................................................... I ABSTRACT ........................................................................................................................... V
1绪论 (1)
1.1研究的目的和意义 (1)
1.2国内外研究概况 (2)
2总体设计方案 (3)
2.1设计功能及要求 (3)
2.2数字电压表设计方案 (3)
2.2.1数字电压表设计方案比较 (3)
2.2.2硬件设计方案 (4)
2.2.3软件设计方案 (4)
3硬件设计 (5)
3.1 单片机 (5)
3.1.1单片机概述 (5)
3.1.2STC89C52引脚功能介绍 (6)
3.1.3单片机的应用领域 (8)
3.1.4单片机的发展趋势 (9)
3.2 CS5460A芯片介绍 (9)
3.2.1CS5460A芯片概述 (9)
3.2.2CS5460A引脚功能 (10)
3.2.3CS5460A工作原理 (11)
3.2.4CS5460A芯片与单片机的通信 (12)
3.2.5抗干扰设计 (13)
3.2.6检测电路设计 (14)
3.2.7元件清单 (15)
3.2.8 生成PCB图 (16)
3.3档位控制按键设计 (17)
3.3.1 档位控制按键功能 (17)
3.3.2 档位控制按键电路设计 (17)
3.4输出显示模块设计 (18)
3.4.1输出显示模块选型 (18)
3.4.21602 LCD引脚功能 (19)
3.4.3输出显示模块电路设计 (20)
4软件设计 (21)
4.1程序流程图 (21)
4.2子程序设计 (22)
4.2.1 CS5460A端口初始化程序 (22)
4.2.2CS5460A SPI读写程序 (22)
4.2.3CS5460A初始化程序 (24)
4.2.4显示模块1602的初始化程序 (26)
4.2.5键盘的定义与读写程序 (26)
5系统调试 (28)
5.1硬件系统调试 (28)
5.2软件系统调试 (28)
结论 (29)
参考文献 (30)
附录A:电路原理图 (31)
附录B:源程序 (32)
附录C：图片展示 (40)
致谢 (43)
1 绪论
20世纪末,电子技术获得了飞速的发展,在其推动下,现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域,有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高,同时也使现代电子产品性能进一步提高,产品更新换代的节奏也越来越快。
微电在技术的进步表现在大规模集成电路加工技术,即半导体工艺技术的发展上，表征半导体工艺水平的线宽已经达到90nm(2003年),并还在不断地缩小;在硅片单位面积上;集成更多的晶体管.集成电路设计在不断地向超大规模.极低功耗和超高速的方向发展;专用集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的设计成本不断降低,在功能上,现代的集成电路以能实现单片电子系统SOC(System on a Chip)的功能。
现代电子设计技术的核心EDA(Electronic Design Automation)技术。EDA技术就是依靠功能强大的计算机,在EDA工具软件平台上,对以硬件描述语言HDL(Hardware Description Language)为系统逻辑描述手段完成的设计文件,自动地完成逻辑编译,逻辑化简,逻辑分割,逻辑综合.结构综合(布局布线)。以及逻辑优化和仿真测试,直至显示既定的电子线路系统功能.EDA技术使得设计者的工作仅限于利用软件的方式,即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。
从另以方面来看,在现代高新电子产品设计和生产中,微电子技术和现代电子设计技术是相互促进,相互推动又相互制约的俩个技术环节,前者代表了物理层在广度和深度上硬件电路实现的发展,后者则反映了现代先进的电子理论、电子技术、仿真技术、设计工艺和设计技术与最新的计算机软件有机的融合和升华。因此,严格地说，EDA技术应该是这二者的结合,是这俩个技术领域共同孕育的奇葩。
1.1 研究的目的和意义
数字电压表简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（交流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。
数字电压表是数字仪表的基础和核心。在现代电子应用中,数字仪表起着非常重要的作用.数字仪表有着普通仪表所不能达到的各种优势:读数准确,在测量后不用多次反复测量来估算真实值。设计简单,可以随身携带,使用上更加方便,快捷，可以随时随地测量等等一系列的优势,使得数字电压表在当今电子应用中随心所欲,在各个项目中都有所表现。
1.2 国内外研究概况
传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足现代测量的要求，而数字电压表却有着显著的优势。数字电压表又简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式加以显示的仪表。目前工业生产现场用的三相工频信号的电力参数测量仪表装置一部分为模拟的，有些数字式的是采用通用 AD 芯片进行数据采集后由 MCU 进行数字信号处理的方案，用专用电量芯片作为数据采集的不多。用专用电量测量芯片制作电参数测量装置具有电路简洁、抗干扰能力强、性价比高等优点，相对于采用通用 AD 芯片的电参数测量方案是明显的技术进步。本课题所设计的三相交流数字电压表采用专用的电量计量芯片 CS5460A，用于测量三相三线和三相四线接法的交流工频信号的电压。有效地解决了环境恶劣的工业现场用电监测问题。
2 总体设计方案
2.1 设计功能及要求
实验时的输入为交流电压，为测量其有效值，应先将输入信号进行整流，得到一个稳定的直流电压后，再将其进行模数转换，最终通过数字形式显示出来。此数字电压表的测量对象为单相正弦交流电，电压表需要显示的是正弦信号的有效值。电路中需有交直流转换。设计的测量电压范围在400V左右，由测量电压范围可知，显示输入电压的有效值在0.00V至399.99V范围，分成三档：0.00~9.99V，10.00~99.99V，100.00~399.99V。显示模块设计为LCD1602显示。预计测量的精度达到0.5%。
2.2 数字电压表设计方案
2.2.1 数字电压表设计方案比较
设计数字电压表的方法有很多，方案更是多种多样，由于大规模集成电路数字芯片的高速发展，各种数字芯片品种多样，导致模拟数据的采集部分的不一致性，进而又使得对数据的处理极限是的方式多种多样。又由于在现实的工作生活中，电压表的测量量程范围是比较大的，所以必须要对输入电压做分压处理，而各个数据处理芯片的处理电压范围不同，则各种方案的分段也不同。下面介绍两种数字电压表的设计方案。
①由数字电路及芯片构建。
这种方案是由模拟电路与数字电路两大部分组成，模拟部分包括输入放大器、A/D转换器和基准电压源：数字部分包括计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器。其中A/D转换器是他的核心器件，他将输入的模拟量转换成数字量。模拟电路和数字电路是互相联系的，由逻辑控制电路产生控制信号，按规定的时序将A/D转换器中各组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常惊醒。A/D转换结果通过译码电路变换成段码，最后驱动显示器显示出相应的数值。此方案的优点是，设计成本低，能够满足一般的电压测量。但设计不灵活，都是采用纯硬件电路。很难将其在原有的基础上进行扩展。
②由单片机系统及A/D转换芯片构建。
这种方案是利用单片机系统与模数转换芯片、显示模块等的结合构建数字电压表。由于单片机的发展已经成熟，利用单片机系统的软硬件结合，可以组装出许多的应用电路来。此方案的原理是模数转换新联的基准电压端，被测量电压输入端分别输入基准电压和被测电压。模数转换芯片将被测量电压输入端分别输入
基准电压信号转换成相应的数字信号，然后通过对单片机系统的进行软件编程，使单片机系统能按规定的时序来采集这些数字信号，通过一定的算法计算出被测量电压的值。最后单片机系统将计算好了的被测电压值按一定的时序送入显示电路模块加以显示。
此方案不经能够继承上一种方案的各种优点，还能改进上一中设计方案设计不灵活，难与在原基础上进行功能扩展等不足的问题。
综上所述，本设计决定采用第二种方案进行设计。
2.2.2 硬件设计方案
综上所述的设计方案中，本设计中采用了第二种方案。具体的是以专用的电能/功率芯片作为数据采集与模数转换的核心，采集的电信号数据经过降压、滤波、整流后，经过单片机对数据的的集中处理与分析，在通过档位按键的调整，控制输出相应数据由显示模块显示。结构框图如图2.1所示。
信号采集模块数据处理模块输出显示模块
档位按键控
制
图2.1 硬件设计结构框图
2.2.3 软件设计方案
软件设计主要完成三部分工作：信号采集、数据处理、中断控制，输出显示。软件设计的主要内容是完成要完成单片机的主控制程序，芯片CS5460的初始化复位程序，键盘的扫描中断程序以及LCD液晶显示器的即时显示程序。结构框图如图2.2所示。
输出显示
模拟量数字量
模拟信号CS5460A单片机LCD液晶显示
模数转换
图2.2 软件设计结构框图
3 硬件设计
3.1单片机
3.1.1 单片机概述
单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲，一块芯片就成了一台计算机。
MCS-51单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品，与MCS- 48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令，指令数达111条，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与MSC-51单片机作为代表进行理论基础学习。
MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品。本设计中所采用的单片机型号为STC89C52。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T
可选。
3.1.2 STC89C52引脚功能介绍
图3.1 单片机STC89C52
①电源
VCC——芯片电源，接+5V；
VSS——接地端。
②时钟
XTAL1、XTAL2：晶体振荡电路反相输入端和输出端。使用内部振荡电路时外接石英晶体。
③控制线
控制线共有4根，其中3根是复用线。所谓复用线是指具有两种功能，正常使用时是一种功能，在某种条件下是另一种功能。
1）ALE/PROG——地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。
ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址。
STC89C52在并行扩展外存储器（包括并行扩展I/O口）时，P0口用于分时传送低8位地址和数据信号，且均为二进制数。那么如何区分是低8位地址还是8
位数据信号呢？当ALE信号有效时，P0口传送的是低8位地址信号；ALE信号无效时，P0口传送的是8位数据信号。在ALE信号的下降沿，锁定P0口传送的内容，即低8位地址信号。
需要指出的是，当CPU不执行访问外RAM指令（MOVX）时，ALE以时钟振荡频率1/6的固定频率输出，因此ALE信号也可作为外部芯片CLK时钟或其他需要。但是，当CPU执行MOVX指令时，ALE将跳过一个ALE脉冲。
ALE端可驱动8个LSTTL门电路。
PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。2）PSEN——外ROM读选通信号。
STC89C52读外ROM时，没个机器周期内PSEN两次有效输出。PSEN可作为外ROM芯片输出允许OE的选通信号。在读内ROM或读外RAM时，PSEN无效。
PSEN可驱动8个LSTTL门电路。
3）RST/Vpd——复位/备用电源。
正常工作时，RST（Reset）端为复位信号输入端，只要在该引脚上连续保持两个机器周期以上高电平，STC89C52芯片即实现复位操作，复位后一切从头开始，CPU从0000H开始执行指令。
Vpd功能：在Vcc掉电情况下，该引脚可接上备用电源，由Vpd向片内供电，以保持片内RAM中的数据不丢失。
4）EA/Vpp ——内外ROM选择/片内EPROM编程电源。
EA功能：正常工作时，EA为内外ROM选择端。STC89C52单片机ROM寻址范围为64KB，其中4KB在片内，60KB在片外。当EA保持高电平时，先访问内ROM，但当PC（程序计数器）值超过4KB（0FFFH）时，将自动转向执行外ROM中的程序。当EA保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片内有否内ROM。
Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚用于施加编程电源Vpp。
对4个控制引脚，应熟记起第一功能，了解其第二功能。严格来讲，STC89C52的控制线还应该包括P3口的第二功能。
5）I/O引脚
STC89C52共有4个8位并行I/O端口,共32个引脚
P0口——8位双向I/O口。
在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P0口可用作双向I/O口。
在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P0口可用于分时传送低8位地址(地址总线)和8位数据信号(数据总线)。P0口能驱动8个LSTTL门。
P1口——8位准双向I/O口(“准双向”是指该口内部有固定的上拉电阻)。 P1口能驱动为4个LSTTL门。
P2口——8位准双向I/O口。在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P2口可用作双向I/O口。在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P2口可用于传送高8位地址(属地址总线) 。P2口能驱动4个LSTTL门。在结构上，P2口比P1口多一个输出控制部分。
P3口——8位准双向I/O口。