基于單片機的多費率電表設(shè)計畢業(yè)論文

1、畢 業(yè) 論 文題 目：基于單片機的多費率電表設(shè)計Title:More rate electric meter design二 零 一二 年 六 月摘要本文以智能計量總表為研究對象，采用計量芯片ADE7758和AT89C52設(shè)計三相電能表，介紹了計量電路原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點以及分段計量的軟件設(shè)計與實現(xiàn)。針對1035kV輸配電網(wǎng)正常負(fù)荷和超低負(fù)荷兩種情況下的精確計量，提出按功率額度實時分段計量的電能表設(shè)計方案；為了調(diào)整電力負(fù)荷曲線，針對用電量的時間不均衡問題，提出復(fù)費率分時段計量方案。ADE7758電流采樣通過電流互感器實現(xiàn)，電壓采樣通過分壓電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。采樣信號經(jīng)信號放大器PGAI、PGAZ和數(shù)模

2、轉(zhuǎn)換ADC后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。ADE7758對數(shù)字信號進行處理轉(zhuǎn)換為瞬時功率信號。瞬時功率信號通過低通濾波器LPFZ后分離出平均功率，平均功率在能量寄存器中不斷累加。累加的能量經(jīng)數(shù)頻轉(zhuǎn)換DFC后轉(zhuǎn)換為脈沖輸出。AT89552通過對脈沖計數(shù)實現(xiàn)能量的計量。本論文研究了基于高精度電能芯片ADE7758和AT89C52三相多功能工業(yè)電能表,主要內(nèi)容如下: (1)論述了本課題的意義和電能表的發(fā)展過程,并討論了電能表的發(fā)展趨勢。 (2)分析了三相多功能工業(yè)電能表的電能計量原理。 (3)研究開發(fā)了電子式硬件電路總體設(shè)計方案,設(shè)計出實現(xiàn)電能表功能所需要的電能計量部分和控制部分。本方案主要使用各種相關(guān)芯片來實現(xiàn)

3、對應(yīng)各部分的功能,具有功能強大、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的優(yōu)點。 (4)提出了軟件的總體設(shè)計方案流程關(guān)鍵詞：精確計量，ADE7758，AT89C52ABSTRACTIn smart metering, metering chip ADE7758 and the AT89C52 design three-phase energy meter, introduced the measurement circuit theory, system structural characteristics, as well as the segment measured in software design an

4、d implementation. Normal load of 10-35kV transmission and distribution network and ultra-low load in both cases, accurate measurement, the measured amount of power real-time segmentation energy meter design; in order to adjust the power load curve for electricity is not balanced, The proposed multi-

5、rate sub-period measurement program.The ADE7758 Current sampling to achieve through the current transformer, the voltage sampled by the voltage divider network. Sampling the signal by the signal amplifier PGAI, PGAZ digital to analog converter ADC converted to digital signal. ADE7758 digital signal

6、processing to be converted to the instantaneous power signal. Instantaneous power signal through a low pass filter LPFZ isolate the average power, average power in the energy registers continue to accumulate. Cumulative energy is converted to the number of frequency conversion DFC pulse output. AT89

7、552 through the pulse count measurement of energy.This thesis discusses the significance of this topic and the development process of the energy meter based on the high-precision power chip ADE7758 and AT89C52 three-phase multi-function industrial power meter, the main contents are as follows: (1),

8、and discussed the development trends of the energy meter. (2) analysis of three-phase multi-function industrial energy meter power measurement principle. (3) research and development of the overall design of electronic hardware circuit design energy metering part of the energy meter function and the

9、 control section. The program uses a variety of chips to achieve the corresponding functions of each part, has a powerful, simple structure, high reliability. (4) the overall design of the software process.Keywords: accurate measurement, simulation, test, The ADE7758 on AT89C52目錄緒論11 電能表技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢22方

10、案的對比與選擇42.1計量模塊42.2單片機選擇43系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與設(shè)計要求53.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖53.2內(nèi)容顯示與設(shè)計要求64 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計及介紹84.1計量芯片ADE775885 系統(tǒng)硬件調(diào)試與功能函數(shù)定義195.1電路板規(guī)格與焊接操作195.2系統(tǒng)硬件電路測試206 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)236.1軟件總體設(shè)計236.2軟件總體流程圖246.3 計量的設(shè)計與實現(xiàn)246.4 試驗電路設(shè)計與功率理論值計算266.5 電費的計算286.6按鍵處理與按鍵狀態(tài)檢測286.7基于ADE7758的斷相、過流、過壓檢測30總結(jié)31致謝32參考文獻33附錄34緒論電能表技術(shù)正向著復(fù)費率、多功能、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)

11、展。電能計量芯片ADE7758、ATT7022B等在電能表設(shè)計中的應(yīng)用，提高了電能計量精度，簡化了電能表設(shè)計結(jié)構(gòu)。隨著電能計量芯片的推陳出新，復(fù)費率電能表、防竊電電能表、配置RS-485通信及紅外通信接口的電能表以及三相多功能電能表發(fā)展迅速。電能表的計量精度、功能擴展、抄表方式等發(fā)生了深刻變化，電能的科學(xué)管理和合理利用進入實施和操作階段。在這種背景下，電能表的功能、性能、以及可靠性設(shè)計等都有了顯著提高與改進，電能表技術(shù)面臨難得的發(fā)展機遇。1 電能表技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢早在本世紀(jì)初，電子式電能表就已經(jīng)取代感應(yīng)式表，成為工商業(yè)用表的主流。隨著電力系統(tǒng)在不斷擴展三相多功能表的應(yīng)用領(lǐng)域，三相多功能表的需

12、求呈明顯上升趨勢。功能的擴展提升了供電部門對居民用電的現(xiàn)代化管理，為將來實現(xiàn)大規(guī)模自動抄表提供了基礎(chǔ)。其中復(fù)費率表得到了很多經(jīng)濟發(fā)達而電力緊張的地區(qū)供電部門的青睞，復(fù)費率表的技術(shù)因此也得以迅速提高和發(fā)展。預(yù)付費表技術(shù)趨于完善。一方面由于供電部門加大對欠費用戶的管理力度，使市場需求升溫，另一方面由于技術(shù)改進，特別是使用了CPU卡和非接觸式卡等最新技術(shù)，使預(yù)付費表的性能尤其是安全性和可靠性方面已逐步趨于完善。具有通信接口尤其是RS一485接口成為趨勢。隨著抄表到戶的逐步實施以及電力部門的體制改革，自動抄表成為用戶強烈的需求，因此越來越多地要求電能表配備通信接口。目前的通信方式在一個或幾個方面或多或

13、少存在一些問題，無法全面滿足用戶的要求。而電能表配備RS一485接口具有成熟和性價比的優(yōu)勢，適合未來采用更新、更好的通信技術(shù)，因此成為用戶目前較為理想的選擇而逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)配置。文獻15進行了RS-485電路的匹配和保護性研究，文獻16實現(xiàn)了PC機與RS一485總線多機串行通信的軟硬件設(shè)計。模塊化設(shè)計成為趨勢。隨著電力市場改造力度加大，對電能表的技術(shù)更新速度也提出了更高的要求。電能表的硬件和軟件可以采用模塊化設(shè)計，將技術(shù)相對成熟和標(biāo)準(zhǔn)的部分進行封裝入庫，如計量模塊、電源模塊、RS485模塊、RTC模塊、顯示模塊、繼電器控制模塊、IC卡模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等。當(dāng)設(shè)計一個新的產(chǎn)品時，開發(fā)人員只需要將精

14、力集中于產(chǎn)品的新模塊、新功能的開發(fā)，以及模塊的集成上，進而有效縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品設(shè)計的可靠性。測量電路的集成化、模塊化是計量芯片的發(fā)展趨勢。當(dāng)前，各大型器件公司紛紛推出自己的計量芯片，并不斷的進行產(chǎn)品更新?lián)Q代。比較典型的有美國ADI公司推出ADE7758計量芯片，珠海炬力公司推出的ATT7026A和北京福星曉程電子公司推出PL3223。上述三種芯片都集成了DSP數(shù)字信號處理技術(shù)，支持硬件和軟件兩種校表方式，計量精度高，且外圍電路設(shè)計簡單。文獻17介紹了三種計量芯片的工作原理，比較了各自的性能指標(biāo)，為合理選擇芯片提供參考。以ADE7758計量芯片為例說明。ADE7758是一款高精度的三

15、相電量計量芯片，可以同時處理有功、無功等多個電量參數(shù)，符合IEC61036標(biāo)準(zhǔn)。在250C條件下，有功能量計量在1000：l動態(tài)范圍內(nèi)誤差小于O.1。文獻19-21闡述了ADE7758計量芯片在電能表設(shè)計中的具體應(yīng)用。目前，我國感應(yīng)式電能表仍占據(jù)相當(dāng)?shù)氖袌?。峰谷分時電價和避峰電價政策的出臺，將推動多費率表市場需求。尤其是大工業(yè)用戶，對三相多費率表的需求，會較快增長。此外，三相高精度多功能表也將得到重點發(fā)展。該電能表目前主要用于發(fā)電廠、變電站和各大用戶，并不斷擴大到普通三相表用戶中。電子式電能表有多功能、高精度、多費率、自動抄表等優(yōu)勢，逐步成為電能表發(fā)展的主流。2方案的對比與選擇2.1計量模塊用

16、于測量電量的計量模塊：有ADE7755,ADE7751,ADE7758 其中ADE7751具有分時計費功能，能夠在停電后一段時間內(nèi)保持正常工作，ADE7755還可提供基于輸電線電壓和電流計算的瞬時有功功率和平均有功功率，且精度高ADE7755中使用的唯一模擬電路是ADC和參考電壓電路。這種信號處理方法可在隨環(huán)境條件和時間變化的很大范圍內(nèi)提供優(yōu)異的穩(wěn)定性和精度。ADE7758也可提供輸電線電壓，且是低功耗，精度高，成本低。由上比較在計量模塊上我選擇了ADE7758作為測量電量的模塊。2.2單片機選擇單片機是用于接收用電量信息，累計電能脈沖，按時段處理電能數(shù)據(jù)，控制顯示器按要求顯示和實現(xiàn)通信功能等

17、常用器件有PIC16系列單片機、MCS51系列單片機和BL0938微控制器等。這些單片機一般都帶有多個IO口，內(nèi)含一定字節(jié)的ROM、RAM，有的單片機還含有實時時鐘、通信口和“看門狗”等。如，BL0938微控制器，片內(nèi)嵌有高精度低功耗實時時鐘，采用獨立的電源供電。系統(tǒng)掉電時能自動切換到備用電源，保證時鐘正常工作。高穩(wěn)定的實時時鐘電路可根據(jù)外部環(huán)境進行自動校準(zhǔn)，通過遠(yuǎn)程控制或遙控校表。實時時間可以精確到秒，日均誤差小于05s。內(nèi)置時鐘的設(shè)計使系統(tǒng)設(shè)計簡單化，節(jié)省了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。在單片機選擇上我選擇了AT89C52單片機，因為它是一個低電壓，高性能CMOS88位單片機，可反復(fù)擦寫的fl

18、ash存儲器降低了許多成本，價格便宜，穩(wěn)定也是它的一大特色。2.3顯示模塊的對比與選擇有電量的測量，就相應(yīng)的也應(yīng)該要有顯示模塊來顯示，可直觀的說明情況，顯示模塊有PCF8563T，具有極低功耗，高數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c。但價格上偏貴點，HC1602顯示芯片在功耗上也是低功耗，而且HC1602芯片以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、數(shù)碼管動態(tài)顯示、超薄輕巧，價格上也相對實惠些。所以從實際情況中出發(fā)，我選擇了HC1602作為本次論文的顯示芯片。3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與設(shè)計要求3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖是系統(tǒng)產(chǎn)品化的基礎(chǔ)，它包含了系統(tǒng)的硬件選擇及軟件開發(fā)，是在對系統(tǒng)功能、技術(shù)指標(biāo)、性價比、元器件的可購性等因素進行

19、可行性分析的基礎(chǔ)上，對多個方案比較權(quán)衡后確定。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖參考圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖應(yīng)用Protel.99SE軟件進行系統(tǒng)原理圖設(shè)計和PCB電路板設(shè)計，參考附錄A和附錄B所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖有以下幾個模塊組成，計量模塊、主控模塊、顯示模塊、存儲模塊、看門狗復(fù)位模塊、時鐘模塊、RS一485通信模塊、計量回路選通模塊、后備電源和主電源切換電路等。采用ADE7758計量芯片和AT89C52設(shè)計三相電能表，單片機的TO、T1對ADE7758的APCF、VARCF端子發(fā)出的脈沖計數(shù)，實現(xiàn)有功、無功等多個電量參數(shù)的計量。單片機通過12C總線進行電量參數(shù)的定時存儲，通過按鍵進行電量參數(shù)的查詢，通過

20、液晶HCl602進行電量參數(shù)的顯示，通過RS485總線進行電量參數(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送，采用AT24C02芯片進行電量參數(shù)的存儲?？紤]到存儲芯片擦寫次數(shù)的有限性，電量參數(shù)的計量累加在單片機內(nèi)部完成。DSl302為分時段計量和定時存儲提供時間參數(shù)；通過三個功能鍵實現(xiàn)DSl302芯片時鐘的初值輸入調(diào)整。后備電源LIR2032為可充電的3.6V鋰電池，充電時電流最大不超過20mA。單片機復(fù)位采用MAX813L芯片。單片機的RXD、TXD串口預(yù)留作為RS485通信接口，文獻30具體闡述了RS.485總線通信過程的設(shè)計與實現(xiàn)。課題研究采用MAX485芯片進行RS.485總線與單片機的接口電路設(shè)計，其中RS.4

21、85通信軟件設(shè)計留待后續(xù)進行。3.2內(nèi)容顯示與設(shè)計要求課題內(nèi)容圍繞三相電能表多個電量參數(shù)的計量、存儲、顯示、按鍵查詢展開。顯示分兩行顯示，每行16個字符。在參數(shù)顯示的同時進行代碼的顯示。若系統(tǒng)無中斷發(fā)生-渡晶顯示當(dāng)前總的有功電量和無功電量，有功電量和無功電量代碼已為E0、R0，數(shù)據(jù)顯示格式如表3-1，由8個整數(shù)位和1個小數(shù)位組成，顯示范圍O-99999999.9。EO：00000000.1RO：00000000.1系統(tǒng)配置三個功能按鍵，記為K2、K3、K4功能描述參考表3-1所示表3-1計量數(shù)據(jù)顯示格式按鍵類型顯示界面示例功能描述K2E1:00000000.0E2:00000000.0顯示分時

22、段計量的有功功率K3E3:00000000.0E4:00000000.0顯示實時分段計量的有功電量K4P:00000000.0V:00000000.0顯示瞬時有功功率P、無功功率VK2、K3組合0805/04/00:00:00進入時鐘初值調(diào)整，光標(biāo)指示調(diào)整對象K2、K4組合H1:00020805/04/00:00:00異常事件記錄查詢K3、K4組合E0:00000000.1R0:00000000.1退出時鐘初值調(diào)整并返回主顯示其中R0、E0、E1、E2、E3、E4、P、V、H1、H2、H3參考符號約定部分說明。顯示碼在進行LCD顯示時表示顯示參數(shù)的物理意義，在源程序設(shè)計時，對應(yīng)全局變量名電能計

23、量結(jié)果通過三個功能按鍵進行查詢顯示，系統(tǒng)具體設(shè)計要求如下。實現(xiàn)總的有功、無功等電能計量與顯示z通過按鏈查詢顯示分時段電量、功率分段電量和瞬時有功、無功功率。通過對時問參數(shù)的檢測，實現(xiàn)電量參數(shù)的定時存儲和有功電量的分時段計量。通過按鍵進行時鐘初值輸入調(diào)整。實現(xiàn)異常事件的中斷記錄，其中異常事件包括斷相、過流、過壓等三種情況。4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計及介紹本章節(jié)進行系統(tǒng)硬件電路設(shè)計、功能模塊劃分和元器件選型。圍繞ADE7758外圍電路設(shè)計，闡述了電能計量原理并進行有關(guān)電路參數(shù)計算；圍繞AT89S52外圍電路設(shè)計，闡述了各功能模塊與單片機的接口電路設(shè)計；最后介紹了電源模塊設(shè)計及其特點。圖4-1 ADE77

24、58引腳配置4.1計量芯片ADE77584.1.1引腳配置及功能描述計量芯片ADE7758引腳配置如圖4-1所示。該芯片采用SOIC封裝，有24個引腳，76個寄存囂:電壓通道采用16位-型ADC，動態(tài)范圍20:1；電流通道采用24位-型ADC，動態(tài)范圍500:1。在10MHz晶振驅(qū)動下，最大采樣速率25ksps。 引腳功能描述參考表4-1所示。表4-1 ADE7758 引腳功能描述Tab.3-1 ADE7758 pin function description引腳編號助記符功能及應(yīng)用1，APCF,有功脈沖輸出，與單片機的T0口相接，通過計數(shù)實現(xiàn)有功電量的累加；17VARCF無功脈沖輸出，與單片

25、機T1端口相接，通過計數(shù)實現(xiàn)無功無量的累加，2,11DGND,AGND分別為模擬部分，數(shù)字部分接地引腳，需直接接地。分別為模擬部分，數(shù)字部分5V電源引腳，對地接10F和0.1F并聯(lián)電容去耦。5.6；IAP,IAN7.8;IBP,IBN;電流通道模擬信號差動輸入；本方案選擇輸入信號最大為±0.5V。9.10ICP,ICN12REF in/outAD采樣參考電壓，對地接10F和0.1F并聯(lián)電容去耦。13，1415, 16VN,VCPVBP,VAP電壓通道模擬信號單端輸入。方案選擇輸入信號最大為±0.5V18IRQ中斷輸出引腳，外接10K上啦電阻，低電平有效；與單片機INT1端口

26、相接。19,20CLKIN,CLKOUT10MHz輸入、輸出引腳。21,2223,24CS,DIN,SCLK,DOUT4線SPI串行接口，實現(xiàn)片內(nèi)寄存器的寫入及電量參數(shù)、中斷數(shù)據(jù)的獨處；CS低電平選通，DIN端口時鐘下降沿數(shù)據(jù)輸入，DOUT端子時鐘上升沿數(shù)據(jù)輸出。4.1.2計量電路原理計量電路采用ADE7758專用電能計量芯片，由信號衰減網(wǎng)絡(luò)和濾波網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。衰減網(wǎng)絡(luò)用來實現(xiàn)負(fù)荷電流、電壓信號的衰減，由電流傳感器、電壓互感器組成；濾波網(wǎng)絡(luò)用來實現(xiàn)抗混疊濾波，由電阻、電容元器件組成。文獻31提出不對稱的三相四線系統(tǒng)的濾波設(shè)計方案。頻率混疊是A/D信號采樣處理中的特有現(xiàn)象，混疊會產(chǎn)生假頻率假信

27、號，影響測量結(jié)果。在進行電流、電壓信號衰減后，要進行抗混疊濾波設(shè)計。計量電路原理參考圖42所示。電流回路由電流傳感器進行信號取樣，電壓回路由電壓互感器進行信號取樣。計量芯片ADE7758對取樣信號進行處理，計算出瞬時有功、無功功率。平均有功、無功功率通過瞬時功率的直流分量獲得。在電量累加寄存器中對平均功率進行累加得到分相電量；分相電量可以通過SPI端口讀出，也可以轉(zhuǎn)換為計量脈沖輸出。ADE7758有兩路脈沖輸出，對應(yīng)端子為APCF和VARCF。脈沖輸出頻率與能量寄存器中累加的能量成正比，通過對脈沖計數(shù)實現(xiàn)電量參數(shù)的累加。圖4-2計量電路原理圖以ADE7758的A相電流、電壓通道為例分析。參考圖

28、42所示，電流通道采用差動方式輸入，信號電壓小于0.5V；設(shè)計最大負(fù)荷電流時為O.2V。IAP為差動信號的正極性輸入端子，IAN為負(fù)極性輸入端子：各端子的抗混疊濾波網(wǎng)絡(luò)由lkQ的電阻和10nF的電容組成。電壓通道采用單端方式輸入，設(shè)計額定電壓輸入時為0.2V。發(fā)光二極管LEDl指示功率分段和變比切換情況。P1.0為高電平時，CD4053的ay端子與a選通，A相小變比電流檢測信號選通，對應(yīng)低負(fù)荷計量模式:P1.0為低電平時，ay端子與a選通，高變比電流檢測信號選通，對應(yīng)正常負(fù)荷計量模式，此時LEDl導(dǎo)通發(fā)光。電流傳感器在工作時二次端不允許斷路，在設(shè)計時采用Rbl、Rb2，Rb3、Rb4作為二次端

29、高低變比計量回路的分流電阻，阻值大小為0.012 Q。在進行電流信號檢測時，兩組計量回路彼此獨立，通過CD4053芯片進行選通。對于B、C兩相電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計與A相同。虛線框內(nèi)電路已完成PCB電路設(shè)計，框外衰減網(wǎng)絡(luò)在仿真試驗時通過分壓電阻網(wǎng)絡(luò)進行等效替代。4.1.3接口電路設(shè)計接口電路用來實現(xiàn)ADE7758與單片機的數(shù)據(jù)通信，一方面可以通過SPI口進行計量芯片ADE7758的初始化，另一方面ADE7758把數(shù)據(jù)處理的結(jié)果以脈沖形式或SPI口送出，供單片機進行計量處理。ADE7758與單片機接口電路設(shè)計如圖4-3所示。與接口電路有關(guān)的全局變量說明如下：長整型變量，RO,EO、E1、E2、E3、E4

30、、P、V，字符型變量，H1、H2、H3。去耦電容C4、C6的作用是濾除芯片電源輸入中的尖峰脈沖成分，旁路電容C29的作用是使ADE7758電源電壓輸入保持基本穩(wěn)定。在進行PCB電路設(shè)計時，在每一芯片的電源輸入端子外接0.1心的去耦電容，以提高電路的抗干擾性能。R3、R9為限流電阻，對單片機的I/O口起到限流保護作用。ADE7758每產(chǎn)生一個有功或無功脈沖，對應(yīng)的LED3或LED2會閃亮一次。IRQ為ADE7758中斷輸出端子，低電平有效，漏極開路，外接lOkQ的上拉電阻。當(dāng)ADE7758檢測到中斷發(fā)生時，IRQ向低電平跳變，發(fā)出INTl中斷申請；單片機通過讀取ADE7758狀態(tài)復(fù)位寄存器內(nèi)容，

31、判斷中斷事件的類型。4.2.1AT89C52AT89C52是一款單片封裝的微控制器，具有8k的程序存儲和256個字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲，可以滿足中小規(guī)模軟件編程需要。主要功能特性：1、兼容MCS51指令系統(tǒng) 2、8k可反復(fù)擦寫(大于1000次）Flash ROM； 3、32個雙向I/O口； 4、256x8bit內(nèi)部RAM； 5、3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷； 6、時鐘頻率0-24MHz； 7、2個串行中斷，可編程UART串行通道； 8、2個外部中斷源，共8個中斷源； 9、2個讀寫中斷口線，3級加密位； 10、低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能； 11、有PDIP、PQFP、TQFP及PL

32、CC等幾種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。4.2.2顯示模塊 HC1602顯示采用6x2字符型液晶HC1602，與單片機的接口電路如圖4-4所示。圖中c4，c5為單片機和液晶模塊HCl602的去耦電容。DB0-DB7為HCl602的數(shù)據(jù)線，與單片機的P0.0P0.7端子相接。R15為阻值可調(diào)的電位器，用來調(diào)整液晶顯示的對比度；當(dāng)VO端子對地電壓為OV時藏晶顯示最為清晰。A、K為HCl602背光燈的電源端子和接地端子，其中電源端子K通過跳縫JP2與主電源相接。正常情況下JP2斷開以減小電能表能耗；在電量查詢時閉合JP2，接通背光燈電源。圖4-4單片機與HC1602的接口電路設(shè)計顯示與按鍵相結(jié)合，

33、用來實現(xiàn)電量參數(shù)的查詢顯示、異常事件記錄查詢顯示以及時鐘參數(shù)韌值輸入調(diào)整結(jié)果顯示。當(dāng)沒有中斷發(fā)生時，進行總的有功、無功電量顯示；顯示數(shù)據(jù)格式參考附錄圖D-l所示。字符顯示是通過P0口讀入該字符的ASCII碼實現(xiàn)，舉例如下字符1的ASCII為Ox31。在完成LCD初始化設(shè)置后，把該字荷對應(yīng)的ASCH碼“Ox31”通過P0口寫入LCD的內(nèi)部寄存器DDRAM中。通過控制端子Rs、R/W的狀態(tài)組合實現(xiàn)指令的寫入以及數(shù)據(jù)的讀、寫操作，操作說明參考表3-2所示。表4-1 HC1602操作說明RSR/W操作說明00把指令寫入寄存器初始化LCD01讀LCD“忙”狀態(tài)標(biāo)志10把數(shù)據(jù)寫入寄存器，顯示4.2.3數(shù)據(jù)

34、存儲AT24C02存儲芯片采用AT24C02。該芯片具有1總線接口，具有掉電后數(shù)據(jù)不丟失特點。AT24C02結(jié)構(gòu)圖如圖4-5所示A01A12A23GND4WP7SCL6SDA5VCC8UAT24c02P2.0P2.1WRVCCGNDP1.2P1.3圖4-5AT24C02結(jié)構(gòu)圖存儲主要包括電量參數(shù)的存儲和異常事件的記錄存儲。考慮到AT24C02芯片擦寫次數(shù)的有限性能量的累加在單片機的洲存儲空間中完成。采用定時方式進行電量參數(shù)的存儲。單片機不斷檢測時間參數(shù)，當(dāng)存儲時間到，則啟動12c總線把電量參數(shù)存儲到AT24C02中分配的地址單元。異常事件采用中斷方式進行存儲。當(dāng)ADE7758檢測到過流、過壓、

35、斷相等事件時，向單片機發(fā)出中斷申請。單片機執(zhí)行中斷服務(wù)程序，把處理的結(jié)果，包括事件的代碼、發(fā)生次數(shù)以及發(fā)生的時間，存儲到AT24C02中分配的地址單元。AT24C02存儲單元配置參考表4-2所示。表4-2 AT24C02 存儲器單元地址配置變量名稱變量類型存儲單元地址分配物理意義E0Long int0x00-x07總的有功電量R0Long int0x08-0x0f總的無功電量E1Long int0x10-0x1700:00-12:00時段內(nèi)有功電量E2Long int0x18-0x1f12:00-00:00時段內(nèi)有功電量E3Long int0x20-0x27低負(fù)荷時的有功電量E4Long in

36、t0x28-0x2f正常負(fù)荷時的有功電量H1Char0x30-0x36電能表斷相次數(shù)及時間記錄H2Char0x40-0x46單相過流次數(shù)及時間記錄H3Char0x50-0x56單相過壓次數(shù)及時間記錄為了保證電量參數(shù)存儲的可靠性在軟件設(shè)計上要有充分的冗余和糾錯。比如考慮到這種情況在進行電量存儲時突然發(fā)生掉電事故，新的數(shù)據(jù)存儲尚未完成，而原有數(shù)據(jù)已經(jīng)被覆蓋，造成數(shù)據(jù)的丟失。為了避免這種情況，對每一個電量參數(shù)分配兩組存儲單元；以朋為例，OxOO-Ox03為一組存儲單元。Ox04-Ox07為另一組存儲單元。即使一組數(shù)據(jù)在存儲時被損壞，另一組數(shù)據(jù)則不受影響。4.2.4串行接口芯片MAX485電能表配備通

37、信RS-485接口具有成熟性和性價比高的優(yōu)勢，硬件設(shè)計時預(yù)留出RS-485通信接口，采用MAX485接口芯片。硬件電路設(shè)計參考圖4-6所示。圈中由DE端子控制MAX485芯片的發(fā)送/接收使能。DE端子與單片機的P1.2口連接。當(dāng)DE為高電平時，單片機向RS-485總線發(fā)送數(shù)據(jù)；DE為低電平時單片機從RS-485總線接收數(shù)據(jù)。連接至A腳的下拉電阻R31、連接至B腳的上拉電阻R30用于提高該RS-485網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作可靠性。鉗位于6.8V的穩(wěn)壓管D3、D4、D5用來保護RS-485總線，避免在受到外界雷擊、浪涌等干擾時產(chǎn)生高壓損壞RS-485收發(fā)器。C13、C14用于提高電路的EMI性能。圖4-6

38、 RS485通信接口電路設(shè)計4.2.5選通開關(guān)CD4053采用CD4053芯片實現(xiàn)電流傳感器高、低變比檢測信號的選通。CD4053有三個控制端子A、B、C。當(dāng)ABC=000時，ax、bx、cx三個信道選通；當(dāng)ABC=111時，ay、by、cy三個信道選通。A、B、C三個端子同時與單片機的P1.O口連接。單片機根據(jù)瞬時功率檢測結(jié)果，通過對P1.0端口狀態(tài)設(shè)置，進行高低變比電流檢測信號的選通控制。二極管LEDl指示功率分段情況，C2為O.1心的去耦電容，R2為限流電阻。當(dāng)P1.O為高電平時，CD4053的ay端子與a選通，ADE7758的電流通道小變比檢測信號選通，對應(yīng)小負(fù)荷計量模式，此時LEDl

39、不導(dǎo)通；P1.O為低電平時，ax端子與a選通，電流通道高變比檢測信號選通，對應(yīng)正常負(fù)荷計量模式，LEDl導(dǎo)通發(fā)光。CONl為PCB設(shè)計時對應(yīng)的插接端子，作為ADE7758電流、電壓信號的輸入連接部分，其第一個引腳記為CONl-1。CD4053真值關(guān)系參考表4-3所示。表 4-3 CD4053 真值表控制端子信道選擇INHCBA-0000cx,bx,ax0111cy,by,ay4.2.6電源模塊控制系統(tǒng)電源模塊由主電源和后備電源兩部分組成。主電源模塊由變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成硎，其中整流電路采用DBl07集成模塊，穩(wěn)壓電路采用7805、LM7905集成電路模塊；后備電源采用

40、可充電的LIR2032鋰電池，電源模塊設(shè)計如圖4-7所示。7805的+5V輸出通過JP5跳線與系統(tǒng)的+5V網(wǎng)絡(luò)連接。當(dāng)JP5閉合時，系統(tǒng)處于上電工作狀態(tài)，此時二極管LED4導(dǎo)通發(fā)光。CON3為兩路9V正弦交流信號輸入接口，中間為接地端子。C37、C38、C39、C40為有極性的旁路電容作用是使7805、LM7905的輸入、輸出電壓保持基本穩(wěn)定；C15、C16、C17、C18為0.1uF的去耦電容，作用是濾除7805、LM7905輸入、輸出信號中的尖峰脈沖成分。圖4-7主電源模塊設(shè)計5 系統(tǒng)硬件調(diào)試與功能函數(shù)定義應(yīng)用ME300B對模塊電路進行在線仿真調(diào)試。硬件調(diào)試基于PCB電路板進行，首先進行模

41、塊電路的分級調(diào)試，使組成系統(tǒng)的各個模塊電路正常工作；然后進行系統(tǒng)總體調(diào)試，使其達到預(yù)定的技術(shù)要求。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，判斷問題的原因、位置并提出改進措施。在對硬件電路調(diào)試的同時進行功能函數(shù)的設(shè)計與測試。功能函數(shù)主要圍繞長整型以及字符型數(shù)據(jù)的顯示與存儲展開，最后對功能函數(shù)仿真調(diào)試中遇到的問題進行分析說明。5.1電路板規(guī)格與焊接操作電路板設(shè)計為普通雙面板，尺寸大小168mmx91.4mm。在板的兩面采用大面積覆銅接地，不區(qū)分?jǐn)?shù)字地和模擬地。在布線時，電源線、接地線等走線寬度設(shè)置為4060mil，推薦線寬60mil；信號線設(shè)置為10mil20mil，推薦線寬15mil，其中40mill

42、mm。不同網(wǎng)絡(luò)之間的安全間距設(shè)置為12mil；采用自動布線方式，覆銅放在最后進行。電路板設(shè)計規(guī)則一般包括電路板的布線規(guī)則、制作規(guī)則、有關(guān)高頻的設(shè)計規(guī)則以及其他設(shè)計規(guī)則等幾個方面?？梢园凑瘴墨I26的有關(guān)制版介紹，在電腦上運行Protel軟件，從繪制簡單的PCB電路開始，逐步熟悉設(shè)計過程。在進行PCB電路設(shè)計時，在每一芯片的電源端子和地之間接入0.1 p F的去耦電容；電源線、地線和芯片的接地線應(yīng)盡可能加寬。進行電路板設(shè)計時，在芯片的電源引腳和接地引腳之間接入一個O.1uf的去耦電容。該電容去耦了來自電源的噪聲，保證芯片有持續(xù)、穩(wěn)定的電壓源。在對時鐘芯片DSl302進行仿真調(diào)試時，并沒有認(rèn)識到去耦

43、電容的重要性，芯片電源引腳沒有外接0.1uF的去耦電容，沒有達到預(yù)期的仿真結(jié)果，原因就出在去耦電容上。在進行印制電路板設(shè)計時，為了利用ME300B的仿真頭對PCB電路板進行在線仿真調(diào)試，單片機AT89S52沒有采用PCB庫元件中的封裝形式，而是自制一個40針的插接座封裝，單片機通過插接座接入PCB電路。載入封裝后的PCB電路板參考附錄B-2所示。其他DIP封裝的芯片也是通過插座接入電路板。這樣，當(dāng)芯片損壞時，可以方便進行芯片的替換。貼片式封裝ADE7758焊接特點。ADE7758為貼片式封裝，引腳排列較密。焊接前應(yīng)在電路板的焊接區(qū)域均勻涂上一層焊錫膏，然后用帶有焊錫的烙鐵頭輕輕觸及焊接區(qū)域上的

44、金屬焊接點，則焊接點上均勻的結(jié)晶一層焊錫。然后把ADE7758芯片引腳對準(zhǔn)焊接位置，用燒熱的烙鐵頭(不帶焊錫)在ADE7758的引腳和焊接點連接處預(yù)熱片刻，可以觀察到一股細(xì)小的錫流沿著焊接線展開。結(jié)束后擦去多余的焊錫膏。這種焊接方式不容易損壞芯片，焊接成功率高，且沒有毛刺。5.2系統(tǒng)硬件電路測試5.2.1電源模塊測試首先進行系統(tǒng)短路測試。短路測試用來分析PCB電路各芯片電源端子與接地端子之間有無短路問題。由于載入元器件封裝時通過手工焊接，引線和元器件較多，會由于經(jīng)驗不足而可能導(dǎo)致電源端于和接地端子接成短路。短路會造成芯片的燒壞，導(dǎo)致PCB系統(tǒng)不可用。因此，應(yīng)避免短路，在確保系統(tǒng)安全的前提下進行

45、功能模塊的仿真測試。采用ME300B單片機開發(fā)系統(tǒng)進行功能模塊的短路測試。ME300B是由深圳偉納公司推出的單片機學(xué)習(xí)開發(fā)系統(tǒng)，可以對片內(nèi)資源和片外資源進行在線仿真調(diào)試。當(dāng)仿真對象有短路故障刊，開發(fā)板上紅色的LED燈會不停的閃爍。可以利用這特點判斷仿真對象是否存在短路故障。把ME300B的仿真頭連接到PCB板對應(yīng)的單片機插座上，打開ME300B主機電源，觀察到開發(fā)板上的LED燈沒有閃爍，表明系統(tǒng)沒有短路故障。同時用萬用表測得DSl302、MAX485、AT24C02等芯片的電源端子對地電壓4.5V。電源模塊電壓輸出測試。參考圖3-9主電源模塊設(shè)計，閉合跳線JP5；在兩路50Hz正弦交流9v信號

46、輸入下，用萬用表測量7805、7905輸出電壓分別為+5V和-5V；在單路50Hz交流輸入時，實際測得7805輸出在4v左右，而7905輸出保持為-5V。這就表明，7805驅(qū)動負(fù)載過多會導(dǎo)致電源輸出電壓下降。為使系統(tǒng)正常工作，電源模塊需采用兩路交流信號輸入。5.2.2 RS-485通信模塊測試R8-485通信接口采用MAX485芯片，與單片機的接口定義為：RO=P3.0；DE=PI.2；DI=P3.1。利用ME300B的在線仿真功能，編寫測試源程序；參考RS-485接口電路設(shè)計圖4-6，結(jié)合Keil-C51的斷點調(diào)試命令，用萬用衷測試相應(yīng)端子電壓，檢測單片機能否向RS。485總線發(fā)送和從R8

47、485總線接收數(shù)據(jù)。測試針對PCB硬件電路設(shè)計進行，不涉及通信協(xié)議及軟件編程。測試結(jié)果如表4-1所示。RS-485總線數(shù)據(jù)收發(fā)原理及羽4試結(jié)果分析。結(jié)合RS-485接rl電路圖4-6說明。單片機在進行數(shù)據(jù)發(fā)送時，MAX485的A、B端子電壓在+2-+6時為邏輯1；端子電壓在-2-6時為邏輯0。單片機在接收數(shù)據(jù)時，收、發(fā)端子通過平衡雙絞線將A-A、B-B對應(yīng)連接。當(dāng)A、B端子之間電壓大于+200mV時，輸入為邏輯1；小于-200mV時輸入為邏輯0。測試結(jié)果表明，單片機能夠向RS-485總線投送數(shù)據(jù)以及從RS-485總線正確接收數(shù)據(jù)。表5-1 RS-485 通信測試結(jié)果條件設(shè)置操作說明測試結(jié)果A、

48、B端子電壓 RO對地電壓DE=1；DI=1測試A、B端子電壓判斷單片機是否向RS-485總線發(fā)送出數(shù)據(jù)13.58V-DE=1；DI=1測試A、B端子電壓判斷單片機是否向RS-485總線發(fā)送出數(shù)據(jù)0-3.58V-DE=0A、B端子接入1.5V電壓，測試R0端子對地電壓，判斷單片機是否從RS-485總線接收數(shù)據(jù)1-4.5DE=0A、B端子接入-1.5V電壓，測試R0端子對地電壓，判斷單片機是否從RS-485總線接收數(shù)據(jù)1-05.2.3顯示模塊與顯示函數(shù)顯示采用HCl602液晶模塊與單片機的接口定義如下：RS=P2.7，R/W=P2.6，E=P2.5；數(shù)據(jù)端子與單片機的P0口連接。用萬用表檢測HCl

49、602與單片機的連接線焊接有無短路、斷路。定義三個顯示函數(shù)，分別實現(xiàn)電量參數(shù)的查詢顯示、異常事件記錄的查詢顯示、時鐘初值輸入調(diào)整的顯示。顯示函數(shù)的調(diào)用與按鍵狀態(tài)有關(guān)，以函數(shù)display_()為例說明。當(dāng)單片機檢鍘到K2鍵按下時。則調(diào)用函數(shù)display_1()進行分時段電量參數(shù)的顯示，調(diào)用形式為display_1(2,E1，E2)。問題轉(zhuǎn)換為如何進行顯示函數(shù)的設(shè)計與仿真調(diào)試。5.2.4存儲模嵌與存儲函數(shù)存儲芯片采用AT24C02存儲模塊與單片機的接口定義如下:SDA=P2.1；SCL=P2.0。這一部分主要完成四個功能函數(shù)的設(shè)計、仿真與調(diào)試。四個功能函數(shù)分別實現(xiàn)長整型數(shù)據(jù)的讀、寫操作以及字符

50、型數(shù)據(jù)的讀寫操作，定義如下。Void write2402_char(char add,char dat)；/單片機通過I2C總線存儲一個宇節(jié)的數(shù)據(jù)char read2d02_char(char add);/單片機通過I2C總線讀取一個字節(jié)的數(shù)據(jù)void write2402_long(char add,1ong int a1)，/單片機向AT24C02存儲一個長整型數(shù)據(jù)long int read2402_long(char add);/單片機從AT24C02讀取一個長整型數(shù)據(jù)5.2.5 ADE7758串口通信特點這一部分闡述ADE7758的SPI串口通信特點以及功能函數(shù)的定義。ADE7758通過

51、內(nèi)置的SPI接口與單片機進行數(shù)據(jù)通信。通過對ADE7758片內(nèi)寄存器的寫訪問，實現(xiàn)芯片的初始化功能設(shè)置。ADE7758與單片機的接口定義如下：DOUT=P1.4；SCLK=P1.5；DIN=P1.6；CS=P1.7；其中DIN端子與DSl302的I/O端子復(fù)用P1.6接口；單片機的P1.6端口如下：DIO=P1.6。ADE7758寄存器有8位、12位和24位區(qū)別，對于12位的寄存器訪問，仍以字節(jié)為單位進行數(shù)據(jù)傳送，舉例如下。對12位增益寄存器AIGAIN(地址0x27)賦值“011 111111100”，需發(fā)送兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)實現(xiàn)，格式為：“××××011

52、1 1111 1100”，其中“××××”為任意代碼組合。這部分代碼ADE7758在進行數(shù)據(jù)接收時被屏蔽掉。單片機讀取該寄存器讀數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)接收格式為“”，其中后四位代碼“1111”為ADE7758發(fā)送的無意義數(shù)據(jù)。6 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)系統(tǒng)功能主要由主程序和各類功能函數(shù)具體實現(xiàn)。采取模塊化的程序設(shè)計方法，進行系統(tǒng)總體流程設(shè)計以及電量參數(shù)的算法流程設(shè)計，分析了功率分段計量的軟件設(shè)計與實現(xiàn)；進行按鍵中斷處理以及時鐘初值輸入調(diào)整設(shè)計，闡述了基于ADE7758的斷相、過流、過壓檢測原理。6.1軟件總體設(shè)計主程序設(shè)計流程主要圍繞電量參數(shù)的計量展開。電能計量采用中

53、斷方式進行，保證了電能計量的及時性。系統(tǒng)在進入主循環(huán)之前，要進行與中斷TO、T1、INTO、INTl有關(guān)的AT89C52寄存器初始化、ADE7758初始化、。為了保證電量參數(shù)存儲的可靠性，在軟件設(shè)計上要有充分的冗余和糾錯。對每一個電量參數(shù)分配兩組存儲單元。在系統(tǒng)上電后，讀取AT24C02中上次存儲的兩組電量參數(shù)，若兩組參數(shù)相同，則表明上次存儲結(jié)果正確；否則把當(dāng)前單片機RAM中的電量參數(shù)存儲到AT24C02中。在主程序的一次循環(huán)過程中，分別進行瞬時有功功率的檢測和時間參數(shù)的檢測，根據(jù)檢測結(jié)果進行功率分段計量和復(fù)費率分時段計量。定時存儲問題。電量參數(shù)采用定時方式存儲。在一天中進行兩次存儲，分別發(fā)生

54、在00:00和12:00兩個時刻。主程序每循環(huán)一次，就進行一次時間參數(shù)的檢測。定義兩個位變量flag1和flag2，當(dāng)時問在00:0012:00內(nèi)時flag1=l，否則flag1=0。在主程序連續(xù)的兩次循環(huán)中，若flagl兩次賦值結(jié)果不同，就認(rèn)為存儲時間到。通過調(diào)用函數(shù)write2402_long()進行電量參數(shù)的存儲；其中flag2用來存儲上次循環(huán)中flag1的取值。功率分段問題。主程序每循環(huán)一次，就進行一次瞬時有功功率的計算，并與切換功率朋比較。定義兩個位變量flag3和flag4。當(dāng)負(fù)荷功率小于90P0時flag3=l；當(dāng)負(fù)荷功率大于朋時flag3=O；在P090P0之間時，flag3保

55、持上次賦值結(jié)果不變。在主程序連續(xù)的兩次循環(huán)中，若flag3兩次賦值結(jié)果不同，就認(rèn)為功率分段條件滿足。flag4用來存儲上次循環(huán)中flag3的賦值。通過設(shè)置兩個切換閾值P0和901D0,避免CD4053選通開關(guān)過于頻繁的切換。電流傳感器變比切換過程中的計量誤差問題。采用脈沖計數(shù)方式進行電量參數(shù)的累加，脈沖輸出頻率與ADE7758能量寄存器中累加的能量成正比。ADE7758內(nèi)部有一個數(shù)頻轉(zhuǎn)換DFC，只有當(dāng)ADE7758內(nèi)部能量累加到一定程度時，這部分能量以脈沖的方式輸出。單片機對脈沖輸出進行計數(shù)，實現(xiàn)對這部分能量的有效計量。也就是說，ADE7758寄存器內(nèi)部能量的累加與單片機對能量的有效計量不是同

56、步的。顯示輔助漢字6.2軟件總體流程圖上電復(fù)位顯示總電量配置IN/0口計量、通信和掉電保護配置定時器中斷程序初始化ADE7758復(fù)位看門狗循環(huán)模式初始化操作圖6-1 軟件主流程圖6.3 計量的設(shè)計與實現(xiàn)電能計量有兩種方式，一是脈沖方式，利用ADE7758的兩路脈沖輸出，用單片機的T0、T1計數(shù)器對脈沖計數(shù)；二是通過SPI口讀取ADE7758能量寄存器累加數(shù)據(jù)，乘上能量最低有效值獲得實際電量參數(shù)。本方案采用脈沖計數(shù)方式實現(xiàn)有功、無功電量累加，其中有功電量脈沖常數(shù)200impulses/kWh，無功電量常數(shù)200impulses/kVARh。接下來分析時間分段計量以及功率分段計量的軟件具體實現(xiàn)問題。6.3.1功率參數(shù)檢測與實時計量功率參數(shù)檢測處理。朋為系統(tǒng)設(shè)定的切換功率。主程序每循環(huán)一次，就進行一次瞬時有功功率的檢測，并與切換功率肋比較。定義兩個位變量flag3和flag4。在主程序的一次循壞過程中，當(dāng)負(fù)荷功率小于90朋時flag3=1；當(dāng)負(fù)荷功率大于尸秒時flag3=O；在PO-90PO之間時，flag3保持上次賦值結(jié)果不變；其中flag4用來存儲上次循環(huán)中flag3的墩值。功率參數(shù)檢測通過調(diào)用函數(shù)bit power_check0實現(xiàn)。該函數(shù)實現(xiàn)對flag3和flag4兩個位變量的數(shù)據(jù)刷新，為功率分段計量提供參考，