基于CS5460单相电度表的测量的设计毕业设计.docx
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基于CS5460单相电度表的测量的设计毕业设计
毕业设计
基于CS5460单相电度表的测量的设计
摘要
随着城农网改造的逐步深入，各种各样的计量工具不断出现在市场上。
各种不同的计量工具所使用的计量方法也不一样。
该系统由前端电路调理模块，电能表芯片CS5460模块，单片机STC89C52模块，显示模块，存储模块等组成。
CS5460实现功率测量和用STC89C52单片机实现电能计量的方法是当下比较成熟的计算方法。
CS5460是一种带有串行接口的单向双向功率电能集成电路芯片，用它可以方便的组成多功能电子式电度表和分布式电能计量管理系统。
其中使用CS5460芯片设计的简单单相电度表可以用于工业现场的电量数据采集和简单的功率计算，使用CS5460芯片设计的数字电表适用于住宅用电计量的最精确，并具成本效益的电表方案，打开了电表设计的新领域，是下一代民用电表的理想产品和最好的工业解决方案。
目前我国高校学生公寓普遍采用限电措施来控制学校电能利用,公寓管理社会化后,限制学生用电将改为鼓励学生安全用电,从而将采用限制安全功率、限制基本电费、超量收费的形式。
关键词：
CS5460芯片;STC89C52单片机；液晶显示模块；C51程序
CS5460single-phasemeterbasedonthedesignofthemeasurement
Abstract
Withthegradualdeepeningofruralpowergridscity,avarietyofmeasurementtoolscontinuetoemergeonthemarket.Avarietyofdifferentmeasurementtoolsarenotthesamemeasurementmethodused.Thesystemconsistsoffront-endcircuitconditioningmodule,CS5460chipenergymetermodule,microcontrollerSTC89C52modules,displaymodules,memorymodulesandothercomponents.CS5460powermeasurementandtherealizationofsinglechipwithSTC89C52energymeasurementmethodistopresentamorematuremethod.CS5460isasinglebi-directionalserialinterfacewithpowerpowerintegratedcircuitchip,itcanbeeasilyformedwithmulti-functionelectronicpowermeteranddistributedenergymeteringmanagementsystem.CS5460chipdesignwhichusesasimplesingle-phasewatt-hourmetercanbeusedtopowerindustrialfielddatacollectionandsimplepowercalculation,usingtheCS5460digitalchipdesignforresidentialelectricitymetermeasuresthemostaccurateandcost-effectivemeterProgram,designedtoopennewareasofthemeter,themeterisidealforthenextgenerationofcivilianproductsandthebestindustrialsolutions.Atpresent,ChinaUniversityStudentApartmentcommonlyusedpowerrationingmeasurestocontrolenergyuseofschools,apartmentmanagementoutsourcing,therestrictionsonstudentsuseofelectricitywillbechangedtoencouragestudentstosafeuseofelectricity,whichwillusethesafepowerlimit,restrictbasicelectricity,excesschargesForm.
Keywords：
CS5460chips；STC89C52SCM；LCDModule；C51Program
一．引言…………………………………………………………1
1.1电度表的作用……………………………………………………1
1.2电度表的发展……………………………………………………1
1.3电度表的发展前景………………………………………………1
二．系统的总体设计思路……………………………………………2
三．系统硬件组成及介绍……………………………………………………………3
3.1CS5460简介……………………………………………………3
3.2CS5460引脚分配及功能………………………………………5
3.3CS5460的功能.......................................6
3.4CS5460寄存器配置...................................8
3.5CS5460的工作过程..................................10
四．硬件电路设计……………………………………………………11
4.1前端电路调理模块……………………………………………13
4.2电能芯片CS5460模块…………………………………………14
4.3单片机STC89C52模块…………………………………………15
4.4液晶显示模块……………………………………………………17
五．程序设计…………………………………………………………19
5.1单片机C51程序设计的优点…………………………………11
5.2程序设计思路…………………………………………………12
5.3CS5460驱动程序………………………………………………13
5.4CS5460的设置和启动………………………………………15
5.5读写CS5460…………………………………………………16
5.6结果显示程序…………………………………………………17
六总结………………………………………………………………23
谢辞
参看文献
附录
一．引言
1.1电度表的作用
电能表是我国电工仪表行业中产量最大的产品。
近几年，国家连续出台的多项与电能表行业发展相关的政策以及房地产产业的迅速发展，为电能表需求的上升及保持行业发展的相对稳定起到了一定的保障作用。
目前我国高校学生公寓普遍采用限电措施来控制学校电能利用,公寓管理社会化后,限制学生用电将改为鼓励学生安全用电,从而将采用限制安全功率、限制基本电费、超量收费的形式。
住宅用电计量的最精确，并具成本效益的电表方案，打开了电表设计的新领域，是下一代民用电表的理想产品和最好的工业解决方案。
随着高新技术尤其是电子信息技术的快速发展，电子式、多功能、高精度、多费率、自动抄表等产品的优势突显，且已经逐步成为电能表发展的主流，在未来几年里，这种趋势将更加明显。
1.2电度表的发展
作为测量电能的专用仪表电能表，自诞生至今已有100多年的历史。
随着电力系统及其相关产业的发展以及电能管理系统的不断完善，电能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程：
由最初的感应电能表，发展到后来的感应系统脉冲电能表，直至现在的纯电子式电能表。
感应系电能表是利用处于交变磁场的金属圆盘中的感应电流与有关磁场形成力的原理制成的。
感应系统脉冲电能表仍采用感应系电能表的测量机构作为工作援建，由光电传感器完成电能脉冲转换，然后静电子电路对脉冲进行处理，从而实现对电能的测量。
纯电子式电能表的原理是采用电子电路来实现电能计量，所以电子式电能表的共同特点是采用乘法器，根据所依托的乘法器为模拟的还是数字的分为模拟乘法器型电子电能表和数字乘法器型电子电能表。
随着电能管理的现代化，需要访问电能表很多信息，同事决策还要与电能表进行双向通讯，由于数字乘法器型电能表是以微处理器为核心，所以功能容易扩展，易和配电自动化系统集成，CS5460是一种带有串行接口的单相双向功率电能集成电路芯片。
1.3电度表的发展前景
城乡电网改造，使电工仪器仪表行业步入了快速发展的轨道，同时也为行业企业提供了一个科技创新的平台，电工仪器仪表生产企业抓住机遇，通过对国外先进技术的兼收并蓄，并高标准、高起点自主开发了一系列高技术产品。
电力用户是我国电工仪器仪表最大的用户群体，需求量占整个市场需求量的90%，对该类产品的销售起着决定性作用。
国家城乡电网改造结束后，电工仪器仪表行业进入了平稳过渡期，出现了短暂的低潮，但行业的发展并未停滞，以华立集团、宁波三星、林洋电子等为代表的行业企业在低谷中不断拓宽服务领域，寻求新的发展空间，从而在竞争中提高企业的核心竞争力.
经过国内外市场的净化和洗礼，产品也发生了质的变化，开始从单纯量的增长向技术创新过渡，并步入高质量、高技术、高附加值时代，生产模式逐步向集约化大规模转变，核心竞争力不断增强，产品出口主要以电能表、便携式电表为主，出口辐射到几十个国家。
特别是近几年，一些企业还通过在国外建厂等形式消化国内的市场，出口创汇不断攀升
二．系统的整体设计思路
CS5460可用于单相2线或3线功率/电能测量中应用。
本次系统主要由前端电路调理模块，电能表芯片CS5460模块，单片机STC89C52模块，液晶显示模块。
前端调理模块采用由电阻R1，R2构成的电阻分压器测量作用于负载上的电压，当然该电压必须为芯片所能允许的150MV的电压范围内，故对电阻R1，R2的比值需做要求，经变换的信号以差模电压的形式直接加到电能表的芯片CS5460上，用RS测量流过负载的电流然后以差模电流的形式加到CS5460芯片端上（如图2.1），通过输入的瞬时电压值和瞬时电流值得到电压和电流的有效值，单片机从CS5460中读取的瞬时电压、瞬时电流和瞬时功率等数据经处理后存在存储器内,上电后单片机从存储器内读数据到内存中，再通过显示模块的液晶屏正常显示所测电压，电流，功率。
引言文本框的格式。
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三 系统硬件组成介绍
3.1CS5460简介
CS5460是CRYSTAL公司最新推出的带有串行接口的单相双向功率/电能计量集成电路芯片,该芯片比目前比较流行的电子电度表芯片如AD7750、AD7755更容易实现与微处理器的连接。
用CS5460可以方便的组成多功能电子式电度表和分布电度表和分布式电能计量管理系统。
CS5460是一个高度集成的数模转换器，它将两个数模转换单元，一个高速能量计算单元和一个芯片上的串行接口结合起来，他可以用于精确的测量和计算仪器，单相两线或三线电能表的应用程序的能量，瞬时功率，IRMS和VRMS。
CS5460具有低成本分流或变压器测量电流接口，与测量电压的电阻分压器或变压器。
该CS5460具有双向串行接口与微控制器连接和一个固定宽度的可编程频率输出同样能量。
该产品初始化并完全根据电功能，并包括设施系统级控制校准用户程序的。
该CS5460旨在从单一经营+5V电源或双±2.5V电源供电，提供一个30mVRMS至150mV范围通道，并提供一个范围为150mVRMS电压通道。
由于是单供应，CS5460适用于一般模式信号。
CS5460的内部组成模块如下：
一个电流通道可编程增益放大器，其增益为10和50可选；
一个电压通道固定增益放大器，其增益为10；
两个同时采样的模数转换器；
两个高速数字滤波器；
两个可选用的高通滤波器；
一个功率计算引擎；
一个2.5V片内电压基准；
一个可以检测电力不足或电源故障的电源监视器；
一个持续监视串口通讯的看门狗；
一个内部时钟发生器；
一个串行接口；
一个电能/脉冲变换器；
一个校准用
其内部组成模块如图1所示。
图2.1CS5460内部组成模块
3.2CS5460的引脚分配及功能
引脚
名称
引脚功能
1
XOUT
晶体振荡器输出
2
CPUCLK：
CPU时钟输出
3
VD+
数字电路电源正极
4
DGND
数字地
5
SCLK
串行时钟输入
6
SDO
串行数据输出
7
CS
片选
8
NC
空脚
9
VIN+
差分电压正输入端
10
VIN-
差分电压负输入端
11
VREFOUT
参考电压输出
12
VREFIN
参考电压输入
13
VA-
模拟地
14
VA+
模拟电源正极
15
IIN-
差分电流负输入端
16
IIN+
差分电流正输入端
17
PFMON
电源掉电监视输出
18
NC
空脚
19
RESET
复位输入
20
INT
中断输出
21
EOUT
电能脉冲输出
22
EDIR
功率方向指示输出
23
SDI：
串行数据输入
24
XIN
晶体振荡器输入
CS5460的主要技术指标：
差分电压输入范围：
150mv;
温度系数：
＜60ppm/℃;
功率消耗：
＜10mW；
电能计量精度：
在300∶动态范围以上每秒读取0.1％；
电压测量精度：
读数的0.1％;
电流测量精度：
读数的0.1％；
瞬时功率测量精度：
读数的0.1％。
3.3CS5460的功能
CS5460可以在单+5V电源或双±2.5V电源下运行，电流通道输入范围可为30mVRMS或150mVRMS，电压通道输入范围150mVRMS。
CS5460可以测量瞬间电流，瞬间电压，瞬间功率，能量，RMS电流和RMS电压。
测量的结果是以24位有符号或无符号数据形式输出的，同满量程的百分比形式一样。
当接收到一个开始转换命令时，测量开始进行。
当计算周期结束时，状态和屏蔽寄存器的DRDY被置位。
加电后，该芯片被初始化后开始工作，电流通道和电压通道的信号被片内放大器放大后，通过内部模数转换器转换为数字信号，再通过高通滤波器消除了信号中的直流成分，将之送到能量计算引擎中算出功率和能量值，并存入CS5460的寄存器中，然后通知CPU计算完毕，由CPU将功率和能量值取走，同时也可输出可编程的输出可编程的输出频率来。
1）中断
管脚用来指示转换器发生了值得注意的事件。
这些事件通知系统运行的状态和内部误差状态。
通过把状态寄存器与屏蔽寄存器组合产生信号。
当状态寄存器的一个位有效，并且屏蔽寄存器相应的位是逻辑1，信号被激活。
当状态寄存器的这一位恢复为无效时，中断状态被清除。
2）清除状态寄存器
与其它的寄存器不同，状态寄存器的位只能被清除（设置为逻辑0）。
当向状态寄存器写入字时，字中的任何1都可以清除状态寄存器相应的位，其它位保持不变。
这可以在不清楚其它位的情况下，清除特定位。
这种机制方便了信号交换，并将丢失未处理事件的危险性减到最小。
3）激活状态
激活由配置寄存器的SI1和SI0位控制，管脚可以被置为低电平（缺省），置为高电平，恢复逻辑0（上升沿），或恢复逻辑1（下降沿）。
4）看门狗
看门狗（WDT）提供一种警告系统与微控制器的通讯可能崩溃的手段，通过允许WDT产生中断，微控制器可以从死机状态跳出来。
超时被编程为大约5秒。
每次能量寄存器被读取，递减计数都重新启动。
在典型情况下，每秒能量寄存器都被读取，因此，WDT不会超时。
在将看门狗用在其他方面时，必须能够保证能量寄存器至少每5秒读取一次。
接地
图2.2CS5460与STC89C52单片机接口电路图
CS5460可以在单+5V电源或双±2.5V电源下运行，电流通道输入范围可为30mVRMS或150mVRMS，电压通道输入范围150mVRMS。
CS5460可以测量瞬间电流，瞬间电压，瞬间功率，能量，RMS电流和RMS电压。
测量的结果是以24位有符号或无符号数据形式输出的，同满量程的百分比形式一样。
当接收到一个开始转换命令时，测量开始进行。
当计算周期结束时，状态和屏蔽寄存器的DRDY被置位。
加电后，该芯片被初始化后开始工作，电流通道和电压通道的信号被片内放大器放大后，通过内部模数转换器转换为数字信号，再通过高通滤波器消除了信号中的直流成分，将之送到能量计算引擎中算出功率和能量值，并存入CS5460的寄存器中，然后通知CPU计算完毕，由CPU将功率和能量值取走，同时也可输出可编程的输出可编程的输出频率来。
3.4SCS5460寄存器配置
CS5460内部集成了包括偏置寄存器，增益寄存器，脉冲速率寄存器和参数寄存器等16个寄存器，还集成了串行口发送寄存器，串行口接受寄存器和一个命令解释状态机，用于完成CS5460的设置，采集数据的存储和串行输入输出的控制，图2.3为内部寄存器分配图。
此命令通知状态机，一个寄存器的访问是必需的。
在读取地址教育署到输出缓冲区，由SCLK时钟了。
在写数据移入输入缓冲器到第24SCLK的处理登记。
W/R写入/读控制
0=读寄存器
1=写入寄存器
注册地址位。
二进制编码的0到31。
所有寄存器都是24位
地址名称的说明
00000配置寄存器
00001电流偏移校准
00010电流增益校准
00011电压偏移校准
00100电压增益校准
00101数转换整合以上（N）
00110脉冲率用于校准/规模的能量频率
00111最后电压值
01000最后权价值
01001最后的总能量值
01011RMS电流值
01100RMS电压值
01101定时基校正
01110内部只使用†
01111状态寄存器
10000保留
10111保留
11000内部只使用†
11001内部专用†
11010中断屏蔽寄存器
11011内部专用†
11100保留
11111保留
3.5CS5460的工作过程
在CS5460执行的是瞬时电流，瞬时电压，瞬时电力，能量，RMS电流和RMS电压的测量。
这些测量是以24位有符号和完整规模的无符号数据格式作为输出。
图2.5写时序
图2.6读时序
寄存器读写命令如下：
其中，W／R为0读寄存器，为1写寄存器，RA（0～4）寄存器地址说明如下：
00000：
配置寄存器，00001：
电流偏移校准，00010：
电流增益校准，00011：
电压偏移校准，00010：
电压增益校准，00101：
转换次数，00110：
能量，00111：
最新电流，01000：
最新电压，01001：
最新功率，01111：
状态寄存器，10000：
交流电流偏移寄存器，10001：
交流电压偏移寄存器
CS5460实现瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率的测量,电压和电流通道输入信号被送到cs5460功率计算单元，由输入的瞬时电压值和瞬时电流值计算得到瞬时功率值，同时还可以通过输入的瞬时电压值和瞬时电流值得到电压和电流的有效值。
CS5460的串行接口部分集成了一个带有发送／接收缓冲器的状态机，状态机在SCLK上升沿解释8位命令字。
根据对命令的解码，状态机将执行相应的操作，或者，为把寻址的内部寄存器的数据传送到发送缓冲区，写操作在数据传输前要等24个SCLK周期。
通过寄存器读／写命令，数据可被写入或从CS5460A中读出，图2、图3为读、写时序。
数据的读、写通过向串口SDI引脚写入相应的8位命令字（高位在前）来启动。
需要注意的是：
一些命令字在执行时受周期计数寄存器和配置寄存器内容的影响，需要先对周期计数器和配置寄存器内容进行正确设置。
寄存器写指令后必须跟24位数据，先写命令字启动写操作，然后随着24个连续的串行时钟脉冲，CS5460A将从串行输入引脚SDI接收串行数据，一旦收到数据，状态机便将数据写入配置寄存器并返回到命令模式。
寄存器读指令可以终止在8位的边界上。
通过SDI引脚写入命令后，可从SDO引脚读出数据
电压、电流有效值可直接从电压有效值寄存器、电流有效值寄存器中读取。
而由于计算周期设为1s,电能寄存器中的电能值即为有功功率值,因此有功功率值可直接从电能寄存器中读出。
功率因数可由公式COSφ=P/（UI）得出。
频率的测量:
将循环计数寄存器的N值改变为1,此时电压、电流瞬时值数据的刷新率为4000Hz,这就为通过软件进行信号过零判断创造了条件。
频率测量的具体方法是：
通过一个过零函数来记录电压信号正向过零次数,并同时记下读取数据次数,如果取10个周期的平均时间为实测周期时间,那么当记到第11次正向过零时,停下来算出每个周期内读取数据次数,默认两次读取数据的时间差为250μ,便可算出频率。
四．硬件电路设计
4.1单相电度表的工作原理：
（1）前端电路调理模块把所输入的大电压电流信号转变成CS5460可接受的小电压信号，以差模电压或电流的形式输入进去。
（2）由VIN+,VIN-输入的差模电压模拟信号由Σ模拟—数字转换器进行转换,获得瞬时电压，转换后的数字信号被送入功率计算器。
由VIN+,VIN-输入的差模电流模拟信号同样由Σ模拟—数字转换器进行转换,获得瞬时电流，转换后的信号也被送入功率计算器。
3）CS5460根据采样电路输入的瞬时电压、瞬时电流计算出瞬时功率,然后把瞬时电压、瞬时电流及瞬时功率由双向串行接口传送给单片机STC89C52。
4）单片机根据程序指令显示测量结果，也可输入程序通过累加计算出能量。
该系统各个模块芯片引脚连接情况如下图所示：
CS5460STC89C52
液晶显示
4.2前端电路调理模块
CS5460的IIN+,IIN-接分流器的两端RS的两端，借助RS测量流过负载的电流。
RS的选取须保证在最大允许电流负荷下，其采样电压值不超过正负150MV。
CS5460的VIN+,VIN-接由R1,R2组成的电阻分压器R1的两端，将被测信号电压通过电阻R1，R2的阻值比不同，将其换算到不超过正负150MV的电压范围内，从而以差模信号的形式加到CS5460芯片的差模信号输入端。
本电路图中取R1=200,R2=500K,得到其变比系数为2500。
类似，取RS=110K,将电流以差模电流的形式输入到CS5460芯片中。
如图4.1所示。
NL
图4.1前端电路调理模块
4.3电能芯片CS5460模块
经调理电路的调理的电压信号，电流信号通过IIN+,IIN-,VIN+,VIN-接口送入电能表芯片CS5460，芯片被初始化后开始工作，电流电压通道的采样信号被片内放大器放大，经内部模数转换器转换为数字信号，在通过高通滤波器消除直流分量，并由计算引擎计算出瞬时功率，在此过程中也可以算出瞬时电压，瞬时电流，根据采样频率的设定值可以计算出电能值，电
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