智能交流稳压电源控制器设计

1、 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 编号： 毕业设计(论文)说明书题 目： 智能交流稳压电源 控制器设计 摘 要智能交流稳压电源作为为负载提供能量的装置，在电路系统中扮演着越来越重要的角色。特别是在我国，交流电网的电压波动比较大、干扰多，智能交流稳压电源已发展成为许多电子设备不可缺少的供电装置。安全可靠、技术性能符合负载要求的电源，能使负载的功能得到充分的发挥，否则会导致负载的技术指标降低，甚至会损坏负载。为了延长用电设备的使用寿命，降低工厂的经济损失，应保证其供电电压的稳定。尤其在工业现场环境下，电网品质差，电网波形畸变严重。因此，研发出一种高效可靠的交流稳压电源十分必要。本文介绍了

2、一种基于单片机（STC89C52）的智能交流稳压电源控制器方案。该方案将交流电压通入电压互感器，并将电压互感器出来的电压信号输入到电能计量芯片的电压信号输入端，信号在电能芯片内部进行A/D转换，并通过内部运算将电压等各种数据的结果存入指定的寄存器中。52单片机通过电能计量芯片的串行接口将数据读取后，将实测电压通过LED数码管显示，单片机根据给定电压与实测电压的差值来控制，结合数字PID控制算法使交流伺服电机正反转，从而带动自耦调压器的旋钮，最后能够得到十分接近给定的输出电压，这就是智能交流稳压电源控制器。这种稳压电源工作效率高，输出电压波形好，对负载性质没有特殊要求。它能够根据给定与实测的差值

3、，自动进行快速适时调节。该设计主要有以下四个模块：电机驱动模块、单片机控制模块、电压测量模块、键盘和显示模块。关键词：PID；单片机；智能控制；交流伺服系统；电能计量芯片 AbstractIntelligent AC power supply as a device to provide energy to the load, plays an increasingly important role in the circuitry. Especially in China, due to the voltage fluctuations of the AC mains, Intelligen

4、t AC power supply has developed into indispensable power supply installations for many electronic devices. The safety and reliability power supplyswhose technical performance meet the load requirements of the power, make the full use of the load of the power, otherwise it will result in the reduce o

5、f the technical indicators, or even damage the load. In order to extend the life of electrical equipment, reduce the economic losses, we should ensure the stability of the voltage of the supply. Especially in the industrial field, the quality and waveform distortion of the grid is serious. Therefore

6、, developping a highly efficient and reliable AC power supply is necessary. This article describes an Intelligent AC regulated power supply control program based on a microcontroller (STC89C52). In the program voltage signal is sampled by the voltage transformer circuit, and the voltage signal input

7、 to the voltage signal input of the energy measurement chip, after the A / D conversion and internal computing voltage, the results of the data will be stored in the specified register. After the 51 single-chip read the last measured voltag by the serial interface of the energy metering chip, the da

8、ta will be displayed by the LED digital display, microcontroller based on the difference between a given voltage and measured voltage controls the AC servo motor to turn positively or negatively, combined with the digital PID control algorithm, so as to drive the knob to the autotransformer, finally

9、 we are able to get an output voltage closed to the given voltage, this is the intelligent AC power supply controller. The efficiency of this power supply is high, the waveform of the output voltage is good, there are no special requirements on the nature to the load. It adjusts quickly, automatical

10、ly and timely according to the difference between given and measured. The design mainly includes the following four modules: the motor drive module, microprocessor control module, voltage measurement module, keyboard and display module.Keywords: PID；Single-chip；Intelligent Control；AC Servo System；En

11、ergy Measurement Chip 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目 录1 绪论11.1智能交流稳压电源控制器的背景11.2智能交流稳压电源控制器发展方向22 设计原理32.1本设计的原理框图32.2系统的原理32.3电机动作原理42.4 PID算法42.4.1模拟PID42.4.2数字PID52.4.3数字PID参数整定方法73 系统硬件电路设计93.1单片机主控制模块93.1.1单片机的选择93.1.2 STC89C52功能介绍93.1.3 STC89C52最小系统图143.2 电压测量模块设计分析143.2.1 CS5460A的概述143.3电流型电压互感器的说明20

12、3.4数码管显示电路的设计213.4.1数码管的结构213.4.2数码管的原理213.4.3数码管编码表223.4.4数码管的驱动电路223.6按键电路的设计263.6.1按键的分类263.6.2按键的消抖问题273.6.3键盘的扫描方式274 系统的软件设计284.1程序流程图284.2 CS5460A初始化295 系统的调试305.1硬件调试305.2软件调试316 结论32谢 辞33参考文献34附 录35附录一35附录二44附录三46 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 51 页 共 47页1 绪论1.1智能交流稳压电源控制器的背景随着电子设备越来越广泛应用于工业生产和科研研究

13、活动中，各种用电设备对交流稳压电源的输出电压的品质要求越来越高，智能交流稳压电源控制器就在这样的背景下应运而生。火车站所使用的电源主要包括调压、转换（2路电源转换和输出转换）、输出（分为直流输出与交流输出）几个部分，其中稳压对电源屏的好坏具有重大的影响。现在火车站所使用的电源屏普遍存在着一个缺点，就是响应速度很慢，在转换两路电网时，容易欠压或者过压，输出电压的波形失真严重，随着电力电子技术的发展，电子设备逐步取代继电式设备，电子设备对电源的要求更高。稳压电路具有强抗干扰能力、效率高、可靠性高、较小补偿变压器功率,能使材料成本及功率损耗大大地降低, 从而实现提高效率,减小重量体积等目的。微机控制

14、大大简化了控制电路,还加入不少辅助功能,如故障诊断、稳压指示、过电流保护、超限声光报警、过压保护、延时启动、故障检测、缺相保护等各种功能。所以智能交流稳压电源控制器器正逐渐应用于电源屏应用领域。交流稳压电源被广泛应用于各行各业，有许多不同的类型。可以分为四种。铁磁谐振式交流稳压器：该种交流稳压装置是通过结合饱和扼流圈和对应的电容器得到恒压伏安特性而制作的。这种稳压器结构很简单，极易生产制，它的输入电压范围比较大，它的早期典型结构是磁饱和式。它的优点是工作可靠,过载能力较强。但是波形失真较大，不太稳定。近年发展起来的稳压变压器，也是利用电磁元件的非线性这一特性实现稳压功能的。它与磁饱和式稳压器有

15、着相同的基本工作原理，区别就是它们磁路结构形式不一样。它在一个铁心上同时实现稳压和变压两个功能，因此它性能比磁饱和稳压器及普通电源变压器的高。感应式交流稳压器：和绕式异步电动机有着类似的结构，而原理与感应调压器基本一致。通过改变变压器二次侧的电压，获得稳定的输出交流电压。感应式交流稳压器能输出范围大的输出电压，并且电压波形良好，功率能达到数百千瓦。但由于转子经常处于堵转状态，所以功耗大，效率较低。此外由于它耗费较多的铜、铁原料，所以在工业中较少使用。 磁放大器式交流稳压器：这种装置是将磁放大器和自耦变压器串联起来，再通过电路来改变磁放大器的阻抗以得到稳定的输出电压。它的电路形式可以是脉宽调制，

16、也可以是线性放大等。这类稳压器的系统是闭环的，并且带有反馈，因此输出电压稳定，波形好。但由于使用的磁放大器惯性较大，所以恢复时间较长。又因使用自耦方式，因此抗干扰能力较差。 滑动式交流稳压器：通过用伺服电机自动改变变压器滑动接点的位置，使输出电压获得稳定的装置。这种稳压器工作效率高，输出电压波形好，对负载特性没有特殊要求。但是稳定度较低，恢复时间长。1.2 智能交流稳压电源控制器发展方向目前研制的测量控制仪表，为了实现高性能、高精度、多功能，大都使用了微处理器。以微处理器为核心逐步取代了传统的常规电子线路，把计算机技术和测控技术有效结合在一起，构成了新型的 “智能化测量控制仪表”。智能仪器不仅

17、解决了很多传统仪表不能或者不易解决的难题，同时还能大大简化了系统电路，提高系统的可靠性，加快产品的开发速度。交流稳压电源一方面作为 “动力源”为仪器仪表供电，另一面它自身就是一个仪器仪表，所以，它应该尽可能地智能化。总的来说，智能化的交流稳压电源应当具备以下几个功能特点: 操作自动化。用微控制器来控制系统的测量过程，比如量程选择、键盘扫描、开关的启动与闭合、信号的传输与处理以及显示、数据采集等，使测量过程自动化。自检测功能，包括自动调零、自动故障检测与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。系统能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。友好的人机对话。智能化的交流稳压电源使用键盘代替传统交流稳

18、压电源中的切换开关，操作人员在键盘中输入命令，就能实现某种功能。此外，智能交流稳压电源可以将仪器的运行情况、工作状态和测量数据实时地显示在显示器上，使操作人员直观了解电源的运行状态。网络通信能力。随着互联网技术的日益普及与信息处理技术的不断发展，交流稳压电源通过RS232接口能够和上位PC机进行通信，从而使网络技术人员能随时监视电源设备的运行状态及各项技术参数;网络技术人员可通过网络定时开关电源，实现远程开关机等功能。2 设计原理2.1本设计的原理框图本设计所用的交流稳压器属于滑动式交流稳压器，它采用PID闭环控制系统来控制伺服电机，自动调节自耦调压器的旋钮来实现稳压。自耦调压器的输出经过电压

19、互感器后，电压变成一个可测量的二次电压，电能计量芯片把二次电压进行A/D转换，转换的结果存储于电能计量芯片的存储器中，单片机通过访问这些存储器读取二次电压，用户可通过四个独立按键设置自己所需的给定电压，单片机将给定电压和实测电压通过数码管动态显示出来，单片机内部比较给定与实测的大小，并结合数字PID控制算法驱动伺服电机，带动自耦调压器的旋钮，从而使输出电压与给定电压一致。这种类型的稳压器工作效率高，输出电压的波形良好，对负载性质没有特殊要求。但是系统在调整伺服电机与传动系统之间的机械惯性时存在一定的延迟并且容易产生振荡，所以系统不是很稳定。图2-1即为系统的原理框图。采样电压电压变换电能计量单

20、片机控制系统数码管显示键盘输入给定电压驱动电路伺服电机自耦调压器 图2-1 系统的方案原理框图2.2 系统的原理系统的电路主要有变换电压、电压测量，键盘，数码管显示，电机驱动这几个部分。自耦调压器的输出经过电压互感器后，电压变成一个可测量的二次电压，电能计量芯片把二次电压进行A/D转换，转换的结果存储于电能计量芯片的存储器中，单片机通过访问这些存储器读取二次电压，用户可通过四个独立按键设置自己所需的给定电压，单片机将给定电压和实测电压通过数码管动态显示出来，单片机内部比较给定与实测的大小，并结合数字PID控制算法驱动伺服电机，带动自耦调压器的旋钮，结果得到稳定的输出电压，这就是伺服电机控制的智

21、能交流稳压电源控制器。2.3 电机动作原理图2-2 电机正转原理图 图2-3 电机反转原理图1、如图2-2。如果ui比给定电压小，单片机判断为负电压，此时伺服电机就正转，使自耦调压器的触点向上移动,使Uo保持一定的电压值。2、如图2-3。如果ui比给定电压值大，单片机判断为正电压，此时伺服电机就反转，使自耦调压器的触点向下移动,使Uo保持一定的电压值。 2.4 PID算法控制算法是微机化控制系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控制算法来实现。目前提出的控制算法有很多。根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行的控制，称为PID控制。实际经验和理论分析都表明，PID控制能够满足

22、相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。下面分别介绍模拟PID、数字PID及其参数整定方法。2.4.1模拟PID在模拟控制系统中，调节器最常用的控制规律是PID控制，常规PID控制系统原理框图如图2-4所示，系统由模拟PID调节器、执行机构及控制对象组成。图2-4 模拟PID控制系统原理框图PID调节器是一种线性调节器，它根据给定值与实际输出值构成的控制偏差： = （2-4）将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称为PID调节器。在实际应用中，常根据对象的特征和控制要求，将P、I、D基本控制规律进行适当组合，以达到对被控对象进行有效控制

23、的目的。例如，P调节器，PI调节器，PID调节器等。模拟PID调节器的控制规律为 （2-5）式中，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。简单的说，PID调节器各校正环节的作用是：（1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号,偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减少偏差；（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强；（3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。由式（2-4）可得，模拟PID调节器的

24、传递函数为 （2-6）由于本设计主要采用数字PID算法，所以对于模拟PID只做此简要介绍。2.4.2数字PID在DDC系统中，用计算机取代了模拟器件，控制规律的实现是由计算机软件来完成的。因此，系统中数字控制的设计，实际上是计算机算法的设计。由于计算机只能识别数字量，不能对连续的控制算式直接进行运算，故在计算机控制系统中，首先必须对控制规律进行离散化的算法设计。为将模拟PID控制规律按式（2-4）离散化，我们把图2-5中、在第n次采样的数据分别用、表示，于是式（2-4）变为 ：= （2-7）当采样周期T很小时可以用T近似代替，可用近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即可作如下近似 （2-8）

25、 （2-9）这样，式（2-5）便可离散化以下差分方程 （2-10）上式中是偏差为零时的初值,上式中的第一项起比例控制作用,称为比例（P）项,即 （2-11）第二项起积分控制作用,称为积分（I）项即 （2-12）第三项起微分控制作用,称为微分（D）项即 （2-13）这三种作用可单独使用(微分作用一般不单独使用)或合并使用,常用的组合有:P控制: （2-14）PI控制: （2-15） PD控制: （2-16）PID控制: （2-17）式（2-10）的输出量为全量输出,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置。因此,式（2-10）又称为位置型PID算式。由（2-10）可看出，位置型控制算式不

26、够方便，这是因为要累加偏差,不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此对式（2-10）进行改进。根据式（2-10）不难看出u(n-1)的表达式，即 （2-18）将式（2-10）和式（2-18）相减，即得数字PID增量型控制算式为 （2-19） 从上式可得数字PID位置型控制算式为 （2-20）式中： 称为比例增益； 称为积分系数； 称为微分系数1。数字PID位置型示意图和数字PID增量型示意图分别如图2-5和2-6所示：图2-5 数字PID位置型控制示意图图2-6 数字PID增量型控制示意图2.4.3数字PID参数整定方法如何选择控制算法的参数，要根据具体过程的要求来考虑。一般来说，要

27、求被控过程是稳定的，能迅速和准确地跟踪给定值的变化，超调量小，在不同干扰下系统输出应能保持在给定值，操作变量不宜过大，在系统和环境参数发生变化时控制应保持稳定。显然，要同时满足上述各项要求是很困难的，必须根据具体过程的要求，满足主要方面，并兼顾其它方面。PID调节器的参数整定方法有很多，但可归结为理论计算法和工程整定法两种。用理论计算法设计调节器的前提是能获得被控对象准确的数学模型，这在工业过程中一般较难做到。因此，实际用得较多的还是工程整定法。这种方法最大优点就是整定参数时不依赖对象的数学模型，简单易行。当然，这是一种近似的方法，有时可能略嫌粗糙，但相当适用，可解决一般实际问题。下面介绍两种

28、常用的简易工程整定法。（1）扩充临界比例度法这种方法适用于有自平衡特性的被控对象。使用这种方法整定数字调节器参数的步骤是：选择一个足够小的采样周期，具体地说就是选择采样周期为被控对象纯滞后时间的十分之一以下。用选定的采样周期使系统工作：工作时，去掉积分作用和微分作用，使调节器成为纯比例调节器，逐渐减小比例度（）直至系统对阶跃输入的响应达到临界振荡状态，记下此时的临界比例度及系统的临界振荡周期。选择控制度：所谓控制度就是以模拟调节器为基准，将DDC的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较。控制效果的评价函数通常用误差平方面积表示。 控制度 （2-21）实际应用中并不需要计算出两个误差平方面积，控制

29、度仅表示控制效果的物理概念。通常，当控制度为1.05时，就可以认为DDC与模拟控制效果相当；当控制度为2.0时，DDC比模拟控制效果差。根据选定的控制度，查表1.1求得T、的值1。表1.1 扩充临界比例度法整定参数控制度控制规律T1.05PI0.030.530.881.05PID0.0140.630.490.141.20PI0.050.490.911.20PID0.0430.0470.470.161.50PI0.140.420.991.50PID0.090.340.430.202.00PI0.220.361.052.00PID0.160.270.400.22（2）经验法经验法是靠工作人员的经验

30、及对工艺的熟悉程度，参考测量值跟踪与设定值曲线，来调整P、I、D三者参数的大小的，具体操作可按以下口诀进行：参数整定找最佳，从小到大顺序查；先是比例后积分，最后再把微分加；曲线振荡很频繁，比例度盘要放大；曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳；曲线偏离回复慢，积分时间往下降；曲线波动周期长，积分时间再加长；曲线振荡频率快，先把微分降下来；动差大来波动慢，微分时间应加长。下面以PID调节器为例，具体说明经验法的整定步骤：让调节器参数积分系数=0，实际微分系数=0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。取比例系数为当前的值乘以0.83，

31、由小到大增加积分系数，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。积分系数保持不变，改变比例系数，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数增大一些，再调整积分系数，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数和积分系数为止。引入适当的实际微分系数和实际微分时间，此时可适当增大比例系数和积分系数。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。PID参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如：大烘房的温度控制，一般P可在10以上,I在（3、10）之间,D在1左右。小惯量如：一个小电机闭环控制，一般P在（1、10）之间,I在（0、

32、5）之间,D在（0.1、1）之间,具体参数要在现场调试时进行修正。3 系统硬件电路设计3.1 单片机主控制模块3.1.1单片机的选择方案一：选择Microchip公司的PIC系列单片机PIC单片机是一种简单指令型的单片机，指令数量比较少，如果使用汇编语言编写程序，在PIC中低档单片机中比较麻烦且需要翻页，而且性价比不高，价格昂贵。方案二：方案二：选择STC89C52单片机STC89C52是一个低功耗，高性能八位CMOS单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用了高密度、非易失性存储技术制造，兼

33、容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，STC89C52单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。因此最终选择方案二的单片机芯片。3.1.2 STC89C52功能介绍（1）单片机的名字缘于它把主要组成部分集成于一个芯片上而得名，具体说就是把中央处理器CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、定时器/计数器以及I/O口电路、中断系统等主要微型机部件，集成在一块芯片上。虽然单片机只是一块芯片，但是从它的组成与功能上看，它已经具备了计算机系统的属性，所以称之为单片微型计算机SCMC（Single Chip MicroComputer），简称单片机。单片机在控制领域，主要用来测试数据

34、或者实现自动控制，我们也常称单片机为嵌入式微控制器EMCU(Embedded Microcontroller Unit)，这是因为单片机在应用时通常融于被控系统并在其中处于核心地位。到目前为止，尽管计算机科学和技术得到了充分的发展，但计算机的体系结构仍然没能突破有计算机的开拓者、数字家约翰.冯诺曼最先提出来的经典体系结构框架，即一台计算机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。微型机是这样，单片机也不例外。因此我们要从计算机五个基本组成部分的观点来理解单片机的系统结构，所不同的只是单片机是把那些作为控制应用所必需的内容，包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输

35、入/输出口电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。 (2) STC89C52是一种低功耗、具有8KB在线可编程Flash存储器的单片机。它与通用的80S51系列单片机的指令系统和引脚兼容。片内闪电存储器可允许在线重新编程，也可使用通用非易失性存储器编程。它将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上，形成了功能强大、使用灵活和具有较高性价比的微控制器。(3) STC89C52具有下列主要性能：.8KB可改编程序Flash存储器.全静态工作：0Hz24MHz；.三级程序存储器保密；.128 X 8字节内部RAM；.32条可编程I/O线；.2个16位可编程定时器；.中

36、断系统具有6个中断源、5个中断矢量、2个中断优先级；.串行口是一个全双工的串行通信口。.具有两个数据指针DPTR0和DPTR1；.低功耗节电模式；.片内时钟振荡器频率：033M；.具有片内看门狗定时器；.灵活的在线编程方式；.具有断电标志POF；.具有断电状态下的中断恢复模式。(4)主电源引脚1)Vcc 电源端2)GND 接地端(5)接晶体引脚XTAL1和XTAL21)XTAL1 接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，既把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。2)XTAL2 接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，

37、它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。(6)控制或与其它电源复用引脚RST、ALE/PROG、PSEN和EA/Vpp1)RES 复位输入端。 当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。2) ALE/PROG 当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。在对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉

38、冲（PROG）。如果需要的话，通过对专用寄存器（SFR）区中8EH单元的D0位置数，可禁止ALE操作。该位置数后，只有在执行一条MOVX或MOVC指令期间，ALE才会被激活。另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。3) PSEN 程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号。当STC89C52由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次PSEN有效（既输出2个脉冲）。但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。4) EA/Vpp 外部访问允许端。要使CPU只访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），则EA

39、端必须保持低电平（接到GND端）。然而要注意的是，如果保密位LB1被编程，复位时在内部会锁存/EA端的状态。如图3-1所示为STC89C52引脚图。图3-1 STC89C52引脚图当EA端保持高电平（接Vcc端）时，CPU则执行内部程序存储器中的程序。在Flash存储器编程期间，该引脚也用于施加12V的编程允许电源Vpp（如果选用12V编程）。(7)输入/输出引脚 P0.0 P0.7、P10.P1.7、P2.0 P2.7 和P3.0P3.71)P0端口（P0.0 P0.7） P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高

40、阻抗输入端用。在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在Flash编程时，P0端口接收指令字节；而在验证程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。2)P1端口（P1.0 P1.7） P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。作输入口时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在对Flash编程和程序验证时，P1接收低8位地址。3)P2端口 （P2.0P2.7） P2是

41、一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行MOVX DPTR指令）时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX Ri指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash编程和程序验证期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。4)P3端口（P3.0

42、P3.7） P3 是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3作输入口使用时，有内部的上拉电阻。在STC89C52中，P3端口还用于一些专门功能，这些兼用功能见表2-1 P3口兼用功能 表 2-1 P3口兼用功能 端口引脚 兼 用 功 能 P3.0RXD （串行输入口） P3.1TXD （串行输出口） P3.2/INT0 （外部中断0） P3.3/INT1 （外部中断1） P3.4T0 （ 定时器0的外部输入） P3.5T1 （定时器1的外部输入） P3.6/WR

43、 （外部数据存储器写选通） P3.7/RD （外部数据存储器读选通）在对Flash编程和程序验证时，P3还接收一些控制信号。(8)Flash存储器的编程和程序校验：STC89C52单片机内部有一个8K字节的Flash PEROM。这个Flash存储阵列通常是处于已擦除状态，随时可对它进行编程。编程接口可接收高电压（5V）或低电压（Vcc）的允许编程信号。低电压编程方式可很方便地对STC89C52内的用户系统进行编程；而高电压编程方式则可与通用的EPROM编程器兼容。STC89C52的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，既每次写入一个字节。要对片内的PEROM程序存储器写入任何一个非空字节，

44、都必须用片擦除方式将整个存储器的内容清除。(9)对Flash存储器编程编程前，必须建立好地址、数据和相应的控制信号。编程单元的地址加在P1端口和P2端口的P2.0P2.3（11位地址为0000H0FFFH），数据从P0端口输入。PSEN应保持低电平，而RST应保持高电平。EA/Vpp是编程电源的输入端，按要求加入编程电压。ALE/PROG端输入编程脉冲（应为负脉冲信号）。编程时，采用420 MHz的振荡器。对STC89C52编程的步骤如下：1)在地址线上输入要编程单元的地址。2)在数据线上输入要写入的数据字节。3)激活相应的控制信号。4)在采用高电压编程方式时，将EA/Vpp端的电压加到12V

45、。5)每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加一个ALE/PROG编程脉冲。改变编程单元的地址和要写入的数据，重复步骤ae，直到全部文件编程完毕。每个字节写入周期是自动定时的，通常不大于1.5ms。(10)数据查询方式STC89C52单片机用数据查询方式来检测一个写周期是否结束。在一个写周期期间，如果想读出最后写入的哪个字，则读出数据的最高位（P0.7）是原来写入字节最高位的反码。写周期一旦完成后，有效的数据就会出现在所有输出端上，这时可开始下一个写周期。一个写周期开始后，可在任何时间开始进行数据查询。如图3-2为单片机最小系统图。3.1.3 STC89C52最小系统图图3

46、-2 STC89C52最小系统图3.2 电压测量模块设计分析本设计采用最近比较流行的电能计量芯片CS5460A实现对电压的采集和测量。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 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。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

47、，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CS5460A 能独自工作，在系统上电后自动初始化。在自引导模式中，CS5460A 从一个外部EEPROM 中读取校准数据和启动指令。3.2.1 CS5460A的概述、基本结构及功能图 3-3 CS5460内部结构图CS5460A的内部机构图如上图3-3所示，其组成模块如下：· 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AD模数转换器·两个高速数字滤波器·两个可选用的高

48、通滤波器·一个功率计算引擎·一个片内电压基准·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· 一个可选的内部时钟发生器· 一个双向串行接口· 一个电能、脉冲变换器· 一个校准用SRAM、主要特性（1）在片计算和处理功能；（2）可以从串行E2PROM 智能“自引导”,不需要微控制器,具有电能-脉冲转换功能；（3）具有AC或DC系统校准功能；（4）具有简单的三线数字串行接口,可以方便地进行读写；（5）看门狗定时器；（6）片上 2.5 V 基准（60×10-6/OC）,单电源 +5

49、 V 或双向 2.5V±10电源；（7）具有功率方向输出指示；（8）能够测量瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率、电能、电压有效值和电流有效值，能完成电能/脉冲转换；（9）电能测量精度：0.1%；（10）具有相位补偿和系统校准功能；（11）具有机械计度器/步进电机驱动器；（12）内带电源监视器；（13）电能数据线性度：在1000 ：1 动态范围内线性度为 ±0.1%；（14）功率消耗<12mW；（15）电源配置： VA+=+5V,VA-=0V;VD+=+3V至+5V或VA+=2.5V,VA-=-2.5V;VD+=+3V1、控制命令字CS5460A 包含一系列控制命令，对CS5

50、460A 写入指定的控制字，即可完成相应的操作。这些控制命令包括：（1）、启动转换命令（Oxe8）只要对CS5460A 写OXE8 控制命令，CS5460A 即开始进行AD 转换，并输出计算结果，这个命令一般在CS5460A 复位操作完成后输入，以使CS5460A 进入正常工作状态。（2）、同步命令0（OXFE）及同步命令1（OXFF）这两个命令主要用在一连串的读写命令之前，复位串行通信接口。（3）Power_up/Halt Control(OXAO)这个命令主要用在系统校准之前，以中断CS5460A 正在执行的操作，而执行系统校准命令。（4）系统校准命令字：1 1 0 V I R G O这个

51、命令完成指定的某项系统校准。V、I、R、G、O 的说明如下：VI : 00-不允许出现0001- 电流通道选择10-电压通道选择11-电压电流通道同时选择R: 0-DC 校准1-AC 校准G: 0-正常操作1-执行增益校准O: 0-正常操作执行偏置校准2、控制寄存器（1）、Config Register(OX00)Default:=0x000001PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 PC1 PC0 GIEWA PH1 PH0 SI1 SI0 EOD DL1 DL0RS VHPF IHPF ICPU K3 K2 K1 K0K3:0： 指示将主频MCLK 分频作为CS5460A 内部时钟DCL

52、K：有效值分别为1、2、4。0001：DCLK=MCLK/10010：DCLK=MCLK/20100：DCLK=MCLK/4IHPF： 电流通道高通滤波器控制位0=禁止高通滤波器，1=使用所有的滤波器VHPF： 电压通道高通滤波器控制位0=禁止高通滤波器，1=使用所有的滤波器RS： CS5460A 复位控制位，当RS=1，CS5460A 复位，复位周期至少10 个机器周期DCO： 当EOD=1，EDIR 作为通用输出口，其输出电平由DC0 决定。DC1： 当EOD=1，EOUT 作为通用输出口，其输出电平由DC1 决定。EOD： EOUT，EDIR 允许控制位。0：允许EOUT/EDIR 输出

53、（DEFAULT）1：用户定义的控制输出端SI1：0： 中断信号输出控制00：低电平有效（DEFAULT）。01：高电平有效。10：下降沿有效。11：上升沿有效。EWA： 允许多片CS5460A 的EOUT 和EDIR 连接在一起（DEFAULT=0）。GI： 电流增益控制0=增益为10；1=增益为50；PC6：0： 相位补偿，CS5460A 没有自动相位补偿功能，通过调整PC6：0值可以实现-2.8度到+2.8 度的相位补偿。（2）CYCLE COUNT REGISTER（0X05）Bit23 bit22 bit0这个寄存器的值决定每秒钟完成计算的次数，其计算方法请参见后面的例子。（3）、PULSE RATE REGISTER（0X06）Bit18 bit17 bit-5这个寄存器的值决定在某一功率时CS5460A 每秒钟输出的脉冲数。其值的设置请参见后面的计算方法。（4）、STATUS REGISTERDRDY EOUT EDIR CRDY MATH RES IOR VORPWOR IROR VROR EOR EOOR RES ID3 ID2ID1 ID0 WDT VOD IOD LSD O /IC状态寄存器指示CS5460A 的状态，在正常操作模式下，写一个“1”到任一bit 都会使该bit 位置0，写0 将保持该寄存器原态，利用这个特征，用户将读回的