数显表的硬件设计.docx
- 文档编号:29855364
- 上传时间:2023-07-27
- 格式:DOCX
- 页数:41
- 大小:842.71KB
数显表的硬件设计.docx
《数显表的硬件设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《数显表的硬件设计.docx(41页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
数显表的硬件设计
摘要
数显表是一种用于显示的电子仪表,目前在各行各业均有应用,是针对电力系统、工矿企业、公共设施、智能大厦的电力监控需求而设计的。
它能测量所有的常用电力参数,如三相电流、电压,有功、无功功率,电度、谐波等。
电力系统用户需要一些安全可靠、实时快速交流电量测试仪器,有效地对电量参数进行测试,由此可见智能数字显示表在现实生活中的重要性。
本论文主要设计了智能数显表的主要功能、硬件原理图、软件设计等。
该仪表可对三相交流电路中用电设备的电流电压参数进行检测。
仪表以STC12C5410单片机作为控制器件,以专用电能计量集成电路芯片CS5460A为电量采样的核心器件,显示电路主要由芯片BC7281A和移位寄存器74HC595组成。
该仪表将会把三相电流电压有效值、瞬时值和功率分别以四位LED数码管显示。
该仪表具有较多优点,如:
功能齐全、可靠性高、性价比高等。
关键词:
智能数显表电量参数STC12C5410CS5460A
ABSTRACT
Digitaldisplaymeterisadisplayfordisplayingtheelectronicinstruments,presentinallwalksoflifebothapplications,isforthepowersystems,industrialandminingenterprises,publicfacilities,intelligentbuildingpowermonitoringrequirementsanddesign.Itcanmeasureallthepowerparameters,suchascurrent,voltage,activepower,reactivepower,electricity,suchasharmonic.Powersystemuserneedssomesafeandreliable,real-timeandfastACelectricaltestinginstruments,effectivelyonelectricityparameterstested,thustheintelligentdigitaldisplaymeterinthereallifetheimportance.Anewtypeintelligentdigitaldisplayinstrumentaredesignedinthispaperthatincludedmainfunctions,hardwarecircuit,softwareprogram.Thisinstrumentcanmeasureandmonitorelectricparametersinthree-phaseACcircuits.Thecontrollingpartoftheintelligentdigitaldisplayinstrumentisthesingle-chipmicrocomputerSTC12C5410.TheelectricsamplingsystemiscomposedofenergymeteringICCS5460A.ThekeyboardanddisplaypartiscomposedofchipBC7281Aand74HC595.Theinstrumentwillbedisplaythethree-phaseIRMS,VRMS,I,VandPwith12LEDdisplaysandeachphasewith4LEDdisplays.
Thisinstrumenthasmanyadvantages,as,completefunctions,perfectperformance,high-reliability,lowcostandsoon.
Keyword:
IntelligentDigitalDisplayInstrumentElectricalParametersSTC12C5410CS5460A
第一章绪论
1.1数显表的概论
随着社会对电力需求量的逐渐增加,以及电能紧缺问题的日趋严重,为做到节约电能并合理高效地利用电能,对电量参数的准确实时检测越来越重要,对测试仪器的要求也越来越高。
所以电力系统用户需要一些安全可靠、实时快速交流电量测试仪器,有效地对电量参数进行测试。
本次设计的智能数显表可以测量三相交流电流参数,三相交流电压参数。
该智能数显表操作方便,且易于升级改善,只需改变适当的硬件和软件程序就能测量电压,电流,功率,电能等参数,且能报警通信等。
1.1.1数显表的认识
数显表是一种用于显示的电子仪表,目前在各行各业均有应用,因为其显示数据精确而且一目了然,所以在很多场合下已经代替了指针式仪表。
从我们家中的电子钟表到工厂用的显示数据牌,无论是对时间的把握还是对产量的控制都提供了精准的数字显示,用数字量替换了模拟量。
数显表会在我们的生活当中越来越普及,对数显表的知识有一个综合的了解无疑会对你有所帮助,下面将就这一问题给大家做极为详尽的讲解。
到目前为止数显表的概念还没有统一的说法,但对其认识却大都相同,顾名思义它应该是数字或字母显示的仪表。
从广义上讲,街头随处可见的大屏幕数字交通信号灯计时牌,车站的车次牌、工厂数控显示表等都算是数显表的范畴,它的应用非常广泛,大到卫星监控数据、小至手腕上的电子手表,可以说在现代社会里,它的身影无处不在,其结构并不是很统一,随着需要它的形状大小也会跟着变化,一般为长方形的表头配一个表身。
数字显示一般采用LED发光管或者是液晶屏幕这两种来完成。
工业、交通等一般都是采用LED发光管的数显表,因为LED光源比较亮,有多种颜色,尤其是红色,非常适合辨别。
液晶显示通常用于家用钟表,因其自身不发光,所以比较省电。
1.1.2数显表的分类
随着数显表技术的不断发展,用途的不断拓展,其分类也就越来越明细,数显表可以显示数据是因其要架设在一个能送给其源数据的基础上。
一,PLC数显表是可以跟PLC进行通讯的数显表,由PLC提供数据且非常稳定,它广泛用于工业生产。
自从1968年美国GM(通用汽车)公司使用第一台PLC后,PLC数显表等一系列PLC配套设施也逐步发展起来,目前PLC数显表的技术已经非常的成熟,通过两线就可完成PLC与表的数据交换。
PLC也可由单片机所代替,直接放入数显表里,这样其体积更小,其用途也就不断的扩大。
其又分为:
1.用RS232或RS485通讯的需要专门的通讯接口(目前主要通讯方式,缺点是占用接口过多)
2.两线式(目前最新的通讯方式,节省接口而且稳定,节省资源)
3.BCD码通讯的(目前已不使用的通讯方式,缺点是传输数据过多)
二,PC数显表与PC机链接,PC机通过串并口等通讯达到控制数显表显示。
三,控制数显表不仅能够显示数据,还能够对所监控的对象进行控制。
1.1.3数显表的用途
家用的数显表主要是手表、时钟。
数显表运用最多的还是在工业方面,比如电流数显表、电压数显表、光栅数显表、压力数显表、变频器转速数显表、传感器数显表、频率数显表等等很多很多,它的作用主要起监测通知的作用。
工业上广泛运用于PLC数据的显示。
目前文本编辑器,触摸屏的问世,以及其优越的价格都在冲击着数显表领域,但数显表卓越的地位仍然不能被取代。
因为在复杂的工厂环境下,数显表通过LED发光管来发光,让人一目了然,从很远的地方就可以清晰的辨认出所查看的数据,是工人师傅们的最爱。
而文本编辑器和触摸屏之类的字体小,而且亮度不够。
两线式PLC数显表的问世也为数显表工业用途开拓了前景,摆脱了普通PLC数显表因为占用太多端口的困扰,不仅简洁了硬件连接方面,在PLC端的软件部分也更加模块化集成化,是目前工程师们对PLC数据显示的首选。
1.2数显表的设计背景及意义
数显表是针对电力系统、工矿企业、公共设施、智能大厦的电力监控需求而设计的。
它能测量所有的常用电力参数,如三相电流、电压,有功、无功功率,电度、谐波等。
由于该电力仪表还具备完善的通信联网功能,所以我们称之为网络电力仪表。
它非常适合于实时电力监控系统。
随着社会对电力需求量的逐渐增加,以及电能紧缺问题的日趋严重,为做到节约电能并合理高效地利用电能,对电量参数的准确实时检测越来越重要,对测试仪器的要求也越来越高。
所以电力系统用户需要一些安全可靠、实时快速交流电量测试仪器,有效地对电量参数进行测试,由此可见智能数字显示表在现实生活中的重要性。
本次设计的智能数显表可以测量电压参数,该智能数显表操作方便,且易于升级改善,只需改变适当的硬件和软件程序就能测量电压,电流,功率,电能等参数,且能报警通信等。
1.3数显表的发展趋势
采用新技术、新工艺,由LSI和VLSI构成的新型数字仪表及高档智能仪器的大量问世,标志着电子仪器领域的一场革命,也开创了现代电子测量技术的先河。
新型数显表的发展主要有五个方向:
1.广泛采用新技术,不断开发新产品
2.向模块化发展
新一代数字仪表正朝着标准模块化的方向发展。
预计在不久的将来,许多数字仪表将由标准化、通用化、系列化的模块所构成,给电路设计和安装调试、维修带来极大方便。
表面安装技术(SMT)和表面安装元器件(SMD)将获得普遍应用。
这项技术被誉为世界电子工艺技术的一项重要突破。
所谓表面安装是将微型化的表面安装集成电路(SMIC)和表面安装元件,用粘贴工艺直接安装在印刷板上,再用波峰焊接机焊接,由此取代传统的打孔焊接工艺,使印刷板安装密度大为增加,可靠性得到明显提高。
3.多重显示仪表
为彻底解决数字仪表不便于观察连续变化量的技术难题,“数字/模拟条图”双显示仪表已成为国际流行款式,它兼有数字仪表准确度高、模拟式仪表便于观察被测量的变化过程及变化趋势的两大优点。
4.安全性
仪器仪表在设计和使用中的安全性,对于生产厂家和广大用户都是至关重要的问题。
一方面厂家必须为仪表设计安全保护电路,并使之符合国际标准(例如美国UL认证,欧洲GS认证,ISO9001国际标准质量认证);另一方面用户必须安全操作,时刻注意仪表上的各种安全警告指示。
仪表的保护电路在于最大限度的减小或防止因误操作而造成的危害。
以DMM为例,常见的误操作是用电流档或电阻档去测量电压。
5.操作简单化
1.3本设计主要完成的任务
本次设计主要是测量三相电流电压参数,且将需要显示的电量参数显示。
根据上述的仪表基本功能,本设计所要完成的主要工作是完成智能数显表的硬件设计,软件设计。
具体任务包括如下:
(1)总体方案设计,主要是电量采样方案的设计。
(2)硬件电路设计,包括:
单片机硬件系统的设计、采样测量电路的设计和键盘显示电路设计等。
(3)软件程序设计,包括:
一系列初始化程序、数据读取、数据处理和键盘显示具体模块程序。
1.4本章小结
本章介绍了本次设计的背景和意义,阐述了国内外电量测量装置的发展概况,由此引出智能测量电量仪表的发展趋势以及重要性,最后介绍本篇论文所要完成的主要任务。
第二章采样电路方案设计
2.1电量采集方案的概述
为了能够完成任务,本次设计的核心主要是电流电压采样部分的设计,通过查阅资料,找到了很多电流电压采样的方法,通过电路方式分析主要有自己搭建电路,确定电流电压数据采集频率,在此基础上进行数据采样。
也有通过可以测量电流电压有效值瞬时值的电度表芯片来测量电流电压参数。
随着集成电路的飞速发展,大量集成电路芯片功能强大,工作效率高,实用性,精确性高于自己用元器件组成的电路,且性价比高,电路所用元器件大量减少,所以采用一些芯片代替设计复杂的电路能减少很多花费,所以本次设计的智能数显表的采样电路将采用集成芯片作为核心器件。
为了能够准确测量三相电流电压有效值、瞬时值和功率,本次设计的采样电路以电子式电能表的专用芯片CS5460A为主,不再以传统方式自己设计电路和编写复杂的软件程序为主。
CS5460A是美国CirrusLogic公司用于电子电能表的专用芯片,芯片具有测量交流的电压和电流的瞬时值、有效值、有功功率的功能。
由于CS5460A的转换精度可达0.2级,外围电路无需运算放大器,使用单电源,具有一个与SPITM和MicrowireTM兼容的三线式串行接口可很方便地与单片机通信,且价格低廉。
使用该芯片制作智能数显表替代目前常见类型的工频仪表具有广阔前景。
CS5460A主要用于智能电度表的设计,也可用于瞬时电压电流,电压电流有效值及功率的测量。
电路设计可以用单片机,也可以用自引导EPROM,运用灵活可以适应不同的需求。
电压电流有效值读出的是24位的无符号数,而瞬时值则是有符号24位数表示,最高位表示正负。
CS5460A还提供了电能计量脉冲输出端口EOUT和功率方向端口EDIR,因而可以方便的与步进电机计数器连接构成简单的电度。
电子式电能表芯CS5460A是一种精度高、功耗低、速度快和具有自标定能力24位串行输出的A/D转换器,它广泛用于电力控制、电力计量等领域。
CS5460A是高度集成的、带有能量计算引擎的CMOS芯片。
它集成了以下主要模块,如图2.1所示:
一个可编程增益放大器(PGA),一个固定增益放大器,两个高速数字滤波器两个可选用的高通滤波器,一个功率、能量计算单元,一组串行接口,一个能量/脉冲转换器,一组寄存器(24位),一个看门狗定时器,一个电源监视器等。
由于CS5460A具有很多优点且方便以后升级成为一个具有测量电流、电压瞬时值,电流、电压有效值,功率和电能,且能与外部进行通信的综合性智能数显表,对于本次设计采用该芯片硬件软件设计都会比较简单,所以此次设计智能数显表的采样电路将选择CS5460A芯片为核心。
图2.1CS5460A内部结构图
2.2本章小结
通过查阅大量的资料,找到了利用电能芯片CS5460A作为电量采集核心的方法,本章主要是对CS5460A芯片的功能和结构介绍,以及说明了该芯片作为本次采样电路核心的原因。
第三章硬件系统设计
3.1硬件总体设计
本次设计的智能数显电表主要用于三相电流电压的实时测量。
以便于对现场电流电压实时观测。
该仪表的硬件系统原理框图如图3.1所示,该系统已STC12C5410单片机为核心。
外设三相电流电压输入通路,六个电流电压互感器分别对交流电流电压隔离处理,电量输入电路,模拟开关选通电路,电流电压采样处理电路,主要用于测量电流电压有效值、瞬时值和功率,单片机处理电路主要用于对所读取的电流电压有效值、瞬时值和功率数据计算处理,将其处理为实际值,键盘显示电路将根据用户的选择将需要显示的测量结果显示出来。
图3.1系统原理框图
其主要工作原理为:
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,可以查看相应的参数。
3.2单片机硬件系统的设计
3.2.1单片机的选型
单片机自从问世以来,就以功能强,体积小,功耗低,可靠性高,性价比高等优点广泛应用于工业领域,并且以飞快的速度向前发展,功能不断强大,完善。
该仪表的微处理器部分采用单片机作为核心器件。
本设计的仪表采用STC12C5410单片机作为核心器件。
STC12C5410AD系列单片机是由中国宏晶科技生产的单时钟/机器周期(IT)单片机,公司在8051单片机标准的内核结构基础上对芯片内核进行了较大改进后推出的一个增强型功能的8051的单片机,具有很多很强的新功能。
是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍,内部集成MAX810专用复位电路。
考虑到仪表的实时性,所以选用STC12C5410为控制中心,同时由于STC12C5410具备很多优良性能,也方便仪表升级扩张。
它的主要特点如下:
(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。
具有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,数秒即可完成一片。
且改变了单片机固化程序升级需拔插芯片使用专用编程器烧录的麻烦方式,由于不用编程器,大幅度降低了开发成本可轻松实现,在单片机系统电路板上对单片机芯片内固化程序的升级。
(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)时钟源:
外部高精度晶体/时钟,内部R/C振荡器,用户在下载用户程序时,可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部R/C振荡器频率为:
5.2MHz-6.8MHz,精度要求不高时,可选择使用内部时钟,采用内部R/C振荡器。
但因为有制造误差和温漂,应认为是4MHz-8MHz。
(12)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
(13)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。
(14)PWM(4路/PCA(可编程计数器阵列,4路)可用来实现4个定时器,也可用来再实现4个外部中断(上升沿下降沿中断均可分别或同时支持)。
(15)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。
(16)STC12C5410单片机具有SPI同步通信口,是一种全双口可设置主模式/从模式,高速同步的通讯总线,可用来进行多单机的主从通信。
(17)双数据指针,标准的8051只有一个16位DPTR数据指针,在进行数据块复制时,必须对源地址指针和目标地址指针进行暂存,编程会很麻烦,STC12C5410单片机内有个DPTR数据指针,DPTR0/DPTR1。
可以通过设置DPS位(AUXR1.0)方便地选择,DPS置0则选中DPTR0,置1选中DPTR1,通过执行INCAUXR1指令,对DPS快捷切换,并不影响AUXR1寄存器的高位。
(18)STC12C5410单片机具有低功耗空闲,掉电唤醒的专用芯片和功能。
在工作频率2MHz时,正常工作电流<2.7mA,空闲模式电流<1.3mA,掉电模式<0.1mA可由外部中断唤醒。
(19)软复位功能,STC12C5410单片机新增加的ISP-CONTR特殊功能寄存器实现了单片机系统软复位功能,用户只需简单地控制用户ISP-CONTR特殊功能寄存器中两位SWBS/SWRST就可以系统复位了,SWBS位选择从用户应用程序区启动置0,还是从ISP程序区启动置1:
要与SWRST位配合才能实现,SWRST位置0,则无操作;置1,实现系统复位,软件复位和硬件复位一样,所有的特殊功能寄存器都会复位到初始值,I/O口也会初始化。
(20)有较高的性价比。
图3.2STC12C5410单片机管脚图
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3.2所示。
3.2.2单片机系统电路
单片机时钟电路其连接图如图3.3所示,外部晶振选择48MHz,晶振频率最高50MHz。
图3.3STC12C5410时钟电路
单片机上电复位电路RST是复位信号输入端,高电平有效。
当此输入端2个机器周期的高电平时,就可以完成复位操作。
上电复位电路如图3.4所示。
图3.4STC12C5410上电复位电路
STC12C5410与其它电路连接情况请见附录A,附录B。
3.3采样测量电路的设计
3.3.1电流电压互感器的选择
本次设计选择电流互感器GCT207B,该互感器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。
详细参数如下:
额定输入:
5A匝数比:
1:
2000
额定输出:
2.5mA测量范围:
0-20A
此次用了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。
本次设计选择电压互感器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。
详细参数如下:
工作频率:
50至400Hz精度等级:
符
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 数显表 硬件 设计