(格式修改)智能電表---分析設(shè)計(jì)報(bào)告(1)

1、課程：計(jì)算機(jī)組成原理智能電表分析設(shè)計(jì)報(bào)告院系：安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院專(zhuān)業(yè)：計(jì)算機(jī)與軟件工程系班級(jí)：軟件1402組長(zhǎng)：李和林組員： 秦偉 劉宣 楊佳 伯轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 許展 邵明時(shí)間： 姓名職責(zé)目錄第一章 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)11.1智能電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路11.2方案論證11.2.1三相電參數(shù)的測(cè)試與計(jì)量方案論證與比較11.2.2多功能化模塊的方案論證與比較21.2.3電壓電流采樣方案論證與比較21.3通信標(biāo)準(zhǔn)的選擇31.4系統(tǒng)總體方案確定4第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)42.1硬件整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)42.2電源電路設(shè)計(jì)62.2.1工作原理62.2.2變壓模塊72.2.3穩(wěn)壓模塊72.3電壓電流采樣處理單元82.3.1 ATT7

2、030A簡(jiǎn)介82.3.2 ATT7030A結(jié)構(gòu)框圖92.3.3電能輸出脈沖電路92.4 CPU中央處理單元102.4.1 CPU功能102.4.2 CPU選擇102.4.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊112.4.4顯示模塊132.4.6鍵盤(pán)模塊172.4.7 485通訊模塊18第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)193.1軟件設(shè)計(jì)的基本原則193.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)203.2.1接收數(shù)據(jù)與通信的程序設(shè)計(jì)20第四章 總結(jié)24第一章 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)1.1智能電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路將智能電表系統(tǒng)整體分為電量測(cè)量和智能管理兩部分。電量測(cè)量部分選用高精度、高可靠性的電量測(cè)量ASIC實(shí)現(xiàn)，能夠完成三相電量的準(zhǔn)確計(jì)量。該部分是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。智

3、能管理部分除核心元件微處理器外，還需要人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊及通訊模塊。該部分是實(shí)現(xiàn)電表“多功能化”的重要組成部分，對(duì)其要求是智能化程度高，易于功能擴(kuò)展。1.2方案論證1.2.1三相電參數(shù)的測(cè)試與計(jì)量方案論證與比較該部分是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，要求電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、功能全面，能夠完成預(yù)定功能。目前，關(guān)于三相電參數(shù)的測(cè)試與計(jì)量主要有兩種技術(shù)方案。傳統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和相位檢測(cè)技術(shù)被測(cè)三相電壓、三相電流通過(guò)相應(yīng)互感器轉(zhuǎn)變?yōu)槟鼙缓蠖穗娐方邮盏碾娦盘?hào)，變化之后的信號(hào)需要做兩方面的處理，一方面檢測(cè)電壓電流的相位差，確定功率因數(shù)，另一方面線性調(diào)整信號(hào)，傳輸給后端的A/D轉(zhuǎn)換器。電壓、電流轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量和功

4、率因數(shù)值傳輸給CPU處理器，根據(jù)三相功率、三相能量等電參數(shù)的計(jì)算公式計(jì)算相應(yīng)的各個(gè)電參數(shù)，并對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)做相應(yīng)處理。該方案存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)測(cè)試誤差大，編程復(fù)雜、故障排除復(fù)雜等缺點(diǎn)。該技術(shù)方案已不再適用于工業(yè)環(huán)境中三相電能表的電參數(shù)測(cè)量。專(zhuān)用的三相電參數(shù)測(cè)試與計(jì)量技術(shù)隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，有關(guān)電參數(shù)測(cè)量的集成電路市場(chǎng)上出現(xiàn)了多種專(zhuān)用產(chǎn)品，針對(duì)不同的電參量可以選用不同的產(chǎn)品。目前，在我們國(guó)內(nèi)比較流行的電量測(cè)試與計(jì)量芯片主要有美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的ADE7755，美國(guó)CIRRUS LOGIC公司生產(chǎn)的CS5460，美國(guó)炬力公司生產(chǎn)的ATT7021、ATT7030、ATT7026等，國(guó)內(nèi)上海

5、貝嶺公司也生產(chǎn)了相應(yīng)的電量計(jì)量芯片。以上IC芯片在國(guó)內(nèi)電能表行業(yè)中得到了廣泛的推廣應(yīng)用，多年來(lái)的應(yīng)用表明，這些IC芯片在電參數(shù)的測(cè)試與計(jì)量的應(yīng)用比較穩(wěn)定，計(jì)量精度滿足了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。采用專(zhuān)用的IC測(cè)試電參數(shù)已成為目前各種電能表制造廠商的首選技術(shù)方案。其中，ATT7026、ATT7030是專(zhuān)用于三相電參數(shù)測(cè)量的IC芯片，外圍電路配置簡(jiǎn)單，可方便地與CPU連接。綜合考慮本電能表所要實(shí)現(xiàn)的功能，我們選用第二種方案。ATT7030A測(cè)試計(jì)量的電參數(shù)能滿足本次設(shè)計(jì)題目提出的技術(shù)要求，是一款高精度的三相電能專(zhuān)用計(jì)量芯片，適用于三相三線和三相四線。 ATT7030A提供有功電能計(jì)量輸出脈沖，微處理器可方便的對(duì)電

6、能實(shí)現(xiàn)計(jì)量。1.2.2多功能化模塊的方案論證與比較多功能化模塊應(yīng)包括以下幾個(gè)組成部分：CPU中央處理器、外部存儲(chǔ)器、鍵盤(pán)、顯示、485通信接口、紅外收發(fā)電路、報(bào)警電路、負(fù)荷控制電路等八部分組成。CPU中央處理器的選擇方案有兩種，方案一：選用DSP處理器；方案二：選用單片機(jī)。DSP處理器具有運(yùn)算速度快，處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但存在價(jià)格相對(duì)較高，參考資料相對(duì)較少等缺點(diǎn)。單片機(jī)是目前電能表行業(yè)中普遍選用的中央處理器。比較以上兩種方案，我們選用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)作為中央處理單元，該單片機(jī)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，與MCS-51完全兼容，設(shè)計(jì)使用方便。外部存儲(chǔ)器選擇方案主要有兩種。方案一：選

7、擇RAM存儲(chǔ)器；方案二：選擇FLASH存儲(chǔ)器。RAM存儲(chǔ)器速度快，可讀寫(xiě)操作，但存在掉電數(shù)據(jù)丟失的缺點(diǎn)，為了保證數(shù)據(jù)不丟失，一般需要設(shè)計(jì)電池供電，增加了設(shè)備的體積，成本等。外部FLASH存儲(chǔ)器具有掉電數(shù)據(jù)不丟失的優(yōu)點(diǎn)，速度相對(duì)較慢，可以進(jìn)行讀寫(xiě)操作。由于電能表對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的速度較低，數(shù)據(jù)量較少，因此，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器是電能表行業(yè)中選擇的主流芯片。我們選用X5045作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，選用該型號(hào)的存儲(chǔ)器不僅可以方便數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，而且具有看門(mén)狗功能，監(jiān)視CPU的運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)的電壓，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。負(fù)荷控制電路設(shè)計(jì)具有預(yù)付費(fèi)功能，即用戶應(yīng)先購(gòu)電，后用電，用戶購(gòu)剩余電量達(dá)到報(bào)警值或剩余電量為零時(shí)，都

8、要操作繼電控制裝置，提醒用戶及時(shí)購(gòu)電。1.2.3電壓電流采樣方案論證與比較目前，電能表行業(yè)中，關(guān)于電源電壓、電流的采樣方案主要有三種：第一種是采用電流互感器、電壓互感器采樣；第二種電壓采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)采樣，電流采用錳銅電阻采樣；第三種方案以上兩種方案的交叉組成。電流取樣使用電流互感器具有過(guò)載能力強(qiáng)，精度高，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但存在成本高，體積大的缺點(diǎn)；電壓取樣采用電壓互感器同樣具有過(guò)載能力強(qiáng)，精度高，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，存在成本高，體積大，校表難度高的缺點(diǎn)；與采用互感器取樣比較電流采用錳銅電阻具有取樣方便，成本低的優(yōu)點(diǎn)，但存在過(guò)載能力弱，抗干擾能力差的缺點(diǎn)；電壓采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)取樣具有取樣容

9、易，校表方便、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但存在過(guò)載能力弱的缺點(diǎn)。比較以上幾種方案，結(jié)合本表的計(jì)量精度要求，電流取樣采用高精度（0.1級(jí)）的電流互感器，電壓取樣采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)。該方案既提高了本系統(tǒng)的抗干擾能力，又方便了電能表的校驗(yàn)。 根據(jù)上述方案論證，智能電表系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案如下：AT89S52(CPU)+ATT7030A(電量測(cè)量IC)+X5045（Flash存儲(chǔ)器）+MAX7219 (LED顯示IC)+獨(dú)立式鍵盤(pán)+75LBC184（485通訊IC）+紅外調(diào)制管+MC7805(DC穩(wěn)壓電源IC)。1.3通信標(biāo)準(zhǔn)的選擇本系統(tǒng)的一個(gè)重要的問(wèn)題就是通信問(wèn)題。要根據(jù)系統(tǒng)的通信距離來(lái)選擇合適 的通信標(biāo)準(zhǔn)。如果通信距

10、離要求太高的話，可以采用電話線公網(wǎng)或者無(wú)線 GPS 等方式來(lái)進(jìn)行通信。 在通信方式中，大多數(shù)采用串行通信方式。這里先對(duì)常見(jiàn)的串行總線標(biāo)準(zhǔn)作 一個(gè)比較。常用的總線標(biāo)準(zhǔn)有 RS-232、RS-422 和 RS-485 等等6，RS-232 是異步 串行通信中應(yīng)用最廣泛的一種標(biāo)準(zhǔn)總線，其單向數(shù)據(jù)傳輸最大速率為了 20Kbps， 最大傳送距離為 15m，顯然這種總線標(biāo)準(zhǔn)是無(wú)法滿足本系統(tǒng)的技術(shù)要求的，且其 數(shù)據(jù)傳輸速率較慢，易產(chǎn)生干擾。RS-422 傳輸距離較遠(yuǎn)，最短為 12m，數(shù)據(jù)傳輸 最大速率為 10Mbps；當(dāng)速率為 1Mbps 時(shí)，傳輸距離可達(dá) 120m；當(dāng)速率為 100Kbps 時(shí)，傳輸距離可

11、達(dá) 1200m；RS-422 抗干擾能力強(qiáng)，傳輸速率快，且為全雙工的。 RS-232 和 RS-422 有一個(gè)顯著特點(diǎn)，即 RS-232 接口與 RS-422 接 口通常吸用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)中，若系統(tǒng)中需要相互通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)超過(guò)兩個(gè)時(shí)， 他們都無(wú)法直接滿足要求。 因此，EIA 制定了新的接口標(biāo)準(zhǔn) RS-485，它能支持一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，RS-485 電氣標(biāo)準(zhǔn)與 RS-422 完全一樣，只是 RS-485 工作于半雙工方式。RS-485 標(biāo)準(zhǔn)總線是一種平衡傳輸方式的串行口接口標(biāo)準(zhǔn)，它允許在電路中 有多個(gè)發(fā)送器，且允許一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載設(shè)備，負(fù)載設(shè)備可以是被動(dòng)發(fā)送 器、接收器或收發(fā)器的組合單元。

12、RS-485 的共線電路結(jié)構(gòu)是一對(duì)平衡傳輸?shù)膬?端都配置終端電阻，其發(fā)送器、接收器、組合收發(fā)器可以掛在平衡傳輸線上任何 位置，在數(shù)據(jù)傳輸中實(shí)現(xiàn)多個(gè)驅(qū)動(dòng)器與接收器通用同一傳輸線的多點(diǎn)應(yīng)用。 RS-485 通信接口的信號(hào)傳輸是用兩根線之間的電壓差來(lái)表示邏輯“1”或“0” 的，因?yàn)榘l(fā)送端僅需兩根傳送線，而接收端也只需要兩根傳送線，這樣，RS-485 接收端與發(fā)送端公需兩根線就能完成信號(hào)傳輸。RS-485 標(biāo)準(zhǔn)總線的特點(diǎn)是：抗 干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)，在采用雙絞線，不用 Modem 的情況下， 在 100Kbps 的傳輸速率時(shí)可傳送 1200m，若速率為 960Kbps 時(shí)，可以傳送 15

13、00m， 甚至更遠(yuǎn)。由于 RS-485 具有上述優(yōu)點(diǎn)，能夠支持一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，便于組網(wǎng)通信距 離也能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求；且電表聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，能 耗的抄取也是不經(jīng)常發(fā)生的，一般情況下僅需要每月抄一次。所以本系統(tǒng)選擇了半雙工的 RS-485 的通信標(biāo)準(zhǔn)。1.4系統(tǒng)總體方案確定在我們確定了通信標(biāo)準(zhǔn)之后，就可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)了。既要充分考慮 RS-485 通信標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)傳輸距離和波特率的限制，又要兼顧到系統(tǒng)的帶載能力， 來(lái)確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，在基表與上層管理微機(jī)之間，采用了采集器、集中器 兩級(jí)結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)的總體分布結(jié)構(gòu)如下圖1-1-系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖上位微機(jī)與集中器之間可通過(guò)

14、 RS-485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采集器通過(guò)屏蔽雙絞線采集用戶各種遠(yuǎn)傳能耗基表的信息，并進(jìn)行換算和存儲(chǔ)；采集器對(duì)電量的采集可以直接通過(guò)DF型電能表上的 RS-485 接口接受用戶的電量信息，也可以通過(guò)采集器上的紅外接口，利用專(zhuān)用紅外抄表器對(duì)采集器進(jìn)行各種能耗信息的讀取等 第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1硬件整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)方案比較與論證，三相智能電度表的整體電路主要包括：電源電路、電壓電流采樣處理單元、CPU中央處理單元等三部分組成。其中采樣電路又分為電壓采樣模塊、電流采樣模塊；CPU中央處理器單元又分為CPU中央處理器、鍵盤(pán)、顯示、外部存儲(chǔ)器、485接口、紅外收發(fā)、負(fù)荷控制、報(bào)警模塊。整體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)

15、圖1-2-系統(tǒng)整體電路原理圖系統(tǒng)工作原理： 第一步接通電源電路，CPU中央處理單元上電，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。此狀態(tài)下，CPU取出存于外部存儲(chǔ)器中的剩余電量數(shù)據(jù)和本電表機(jī)號(hào)并顯示于顯示模塊上。當(dāng)按下鍵盤(pán)“設(shè)置鍵”時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入功能設(shè)置狀態(tài)，按“確定鍵”則退出該狀態(tài)。第二步采樣單元發(fā)出電量計(jì)量脈沖信號(hào)，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。次狀態(tài)下，CPU對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)及計(jì)算電量，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)算后得到這段時(shí)間中用戶消耗的電量。用戶上次預(yù)購(gòu)電量減去剩余電量，得到用戶新的預(yù)購(gòu)電量剩余值。如果該值小于某一值時(shí)，通過(guò)報(bào)警模塊通知用戶及時(shí)購(gòu)電。有兩種事件是隨機(jī)發(fā)生的：485通信和紅外通信事件。當(dāng)上位機(jī)向電表發(fā)出通信請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)

16、入485通信狀態(tài)，通信結(jié)束退出該狀態(tài)。當(dāng)紅外抄表器向電表發(fā)出通信請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入紅外通信狀態(tài)，通信結(jié)束退出該狀態(tài)。系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖：2-1-系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖2.2電源電路設(shè)計(jì)三相電壓、電流采集處理電路與CPU中央處理單元均需要5V直流電源供電，為提高系統(tǒng)工作可靠性及適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)電壓波動(dòng)范圍大的情況，本系統(tǒng)采用三相電源變壓-整流-濾波-穩(wěn)壓方式。具體設(shè)計(jì)電路見(jiàn)圖2-2-系統(tǒng)電源電路圖2.2.1工作原理系統(tǒng)直流電源AVCC直接由三相交流電源轉(zhuǎn)換而來(lái)。以A相位例，A相220V交流電經(jīng)變壓器變壓得到交流電V1，V1經(jīng)過(guò)整流橋整流得到含有較大紋波系數(shù)的直流電V2，V2經(jīng)C13、C14濾除紋波后進(jìn)入三端穩(wěn)壓器

17、件LM7805穩(wěn)壓處理得到V3，V3經(jīng)C15、C16濾波得到系統(tǒng)需要的直流電源AVCC。B相、C相原理于A相相同。由Multisim軟件仿真得到V1、V2、V3波形如圖系統(tǒng)電源部分電壓波形圖2.2.2變壓模塊由220V交流電得到5V直流電第一步需要選用變壓器進(jìn)行降壓處理，變壓器兩端的匝數(shù)比決定著降壓系數(shù)。三端穩(wěn)壓電源LM7805最大輸入電壓為30V，正常范圍為518V，所以變壓器副邊輸出電壓V1可以選擇15V。根據(jù)變壓器兩側(cè)電壓比，可計(jì)算出變壓器的原副邊匝數(shù)比：N1:N2=VA:V1=220:152.2.3穩(wěn)壓模塊 穩(wěn)壓電源分為線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源兩類(lèi)，其中：線性穩(wěn)壓電壓優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性高、

18、波紋小、電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是體積大、效率低、驅(qū)動(dòng)電流小；開(kāi)關(guān)電源優(yōu)點(diǎn)是體積小、效率高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)；缺點(diǎn)是波紋系數(shù)大，穩(wěn)定性不如線性穩(wěn)壓電源好。本系統(tǒng)電源直接供給IC，對(duì)驅(qū)動(dòng)電流要求不大，且ATT7030A對(duì)電源穩(wěn)定性要求較高，所以這里我們選擇線性穩(wěn)壓電源。三端穩(wěn)壓集成電路LM7805所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格便宜，所以被廣泛應(yīng)用。LM7805如圖3-6所示，1腳為輸入端，2腳為輸出端，3腳為接地端。2-3-LM7805引腳圖V2經(jīng)過(guò)電容濾波進(jìn)入LM7805，輸出電壓V3穩(wěn)定為5V，LM7805后仍需接大小兩個(gè)電容輸出電壓才能真正穩(wěn)定。其

19、中，大電容的作用是增強(qiáng)負(fù)載特性（輸出阻抗隨頻率增加基本保持不變）和瞬變響應(yīng)（利用電容電壓不能瞬間改變特性），小電容的作用則是濾除高頻干擾，兩者耐壓值選擇15V。2.3電壓電流采樣處理單元系統(tǒng)電壓電流采樣處理單元采用ATT7030A作為核心處理芯片，外圍輔以電源、電壓電流模擬輸入、脈沖輸出等電路。2.3.1 ATT7030A簡(jiǎn)介ATT7030A是一款對(duì)三相有功電能進(jìn)行高精度測(cè)量的芯片，其特點(diǎn)如下：·高精度，在1000到1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.1%；·電能測(cè)量符合1S、0.5S級(jí)，支持IEC 687/1036標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 17215-1988； ·提供有功電能測(cè)量

20、 ·當(dāng)任意一相功率反向時(shí)，提供功率反向指示信號(hào) REVP； ·當(dāng)三相合功率為負(fù)時(shí)提供反相指示信號(hào)NEGP，可以用于止逆場(chǎng)合； ·提供缺相指示PA/PB/PC； ·提供有功電能校準(zhǔn)輸出脈沖：CF1； ·提供輸出脈沖F1/F2，用于驅(qū)動(dòng)電量計(jì)度器和步進(jìn)電機(jī)； ·三相合電能計(jì)算模式是可選擇的； ·提供校準(zhǔn)電阻網(wǎng)絡(luò)； ·+5V單電源供電2.3.2 ATT7030A結(jié)構(gòu)框圖2-4- ATT7030A內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖2-5-ATT7030A信號(hào)處理流程圖2.3.3電能輸出脈沖電路ATT7030A 提供兩種輸出脈沖：高頻輸出脈沖CF

21、1和低頻輸出脈沖F1/F2。在功率測(cè)量信號(hào)處理電路中，開(kāi)關(guān)電壓和電流信號(hào)相乘得到瞬時(shí)功率，瞬時(shí)功率對(duì)時(shí)間積分轉(zhuǎn)換為電能。A/B/C相電能根據(jù)代數(shù)和模式或者絕對(duì)值和模式相加，通過(guò)改變頻率信號(hào)和分頻信號(hào)，我們得到高頻電能脈沖輸出信號(hào)，該信號(hào)可以用來(lái)進(jìn)行校正。在此基礎(chǔ)上，分頻信號(hào)也可以得到低頻輸出脈沖信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。2.4 CPU中央處理單元2.4.1 CPU功能CPU中央處理單元由于需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示、鍵盤(pán)、通信等功能，因此電路較為復(fù)雜，元件較多。CPU選用AT89S52，外部存儲(chǔ)器選用X5045，一方面存儲(chǔ)數(shù)據(jù)滿足掉電數(shù)據(jù)不丟失，其次X5045具有看門(mén)狗功能，監(jiān)視CPU運(yùn)行狀態(tài)及電源電

22、壓，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。485通信選用75LBC184集成電路，具有帶載能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。紅外采用38KHz調(diào)制方式，傳輸距離超過(guò)5米，誤碼率低。CPU有功電量采樣使用光電耦合器隔離，提高其采樣的可靠性。校表通過(guò)光電耦合器輸出校表脈沖，方便與校表試驗(yàn)臺(tái)連接。2-5-CPU中央處理單元設(shè)計(jì)原理2.4.2 CPU選擇AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用ATMEL公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU

23、 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。AT89S52主要功能特點(diǎn)：·與MCS-51產(chǎn)品兼容；·8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器；·1000次擦寫(xiě)周期；·全靜態(tài)操作：0Hz-33MHz;·三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器；·32個(gè)可編程I/O口線；·三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；·八個(gè)中斷源；·全雙工UART串行通道；·低功耗空閑和掉電模式；·掉電后中斷可喚醒；·看門(mén)狗定時(shí)器；·雙數(shù)據(jù)指針；·掉電標(biāo)識(shí)符。AT89S52引腳圖

24、如圖：2.4.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊因本系統(tǒng)需要存儲(chǔ)用戶電量等數(shù)據(jù)，且要求掉電數(shù)據(jù)不丟失，該系統(tǒng)選擇X5045器件。X5045是一種集看門(mén)狗、電壓監(jiān)控和串行EEPROM三種功能于一身的可編程電路。這種組合設(shè)計(jì)減少了電路對(duì)電路板空間的需求。X5045中的看門(mén)狗對(duì)系統(tǒng)提供了保護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障而超過(guò)設(shè)置時(shí)間時(shí)，電路中的看門(mén)狗將通過(guò)RESET信號(hào)向CPU作出反應(yīng)。X5045 提供了三個(gè)時(shí)間值供用戶選擇使用。它所具有的電壓監(jiān)控功能還可以保護(hù)系統(tǒng)免受低電壓的影響，當(dāng)電源電壓降到允許范圍以下時(shí)，系統(tǒng)將復(fù)位，直到電源電壓返回到穩(wěn)定值為止。X5045的存儲(chǔ)器與CPU可通過(guò)串行通信方式接口，共有4096個(gè)位，可以按

25、512×8個(gè)字節(jié)來(lái)放置數(shù)據(jù)。2.4.3.1引腳介紹X5045采用DIP8封裝形式，其管腳排列如圖3-20所示，共有8個(gè)引腳，各引腳功能如下：電路選擇端，低電平有效；SO：串行數(shù)據(jù)輸出端；SI：串行數(shù)據(jù)輸入端；SCK:串行時(shí)鐘輸入端；：寫(xiě)保護(hù)輸入端，低電平有效；RESET：復(fù)位輸出端；VCC：電源端；VSS：接地端。2.4.3.2工作原理（1）上電復(fù)位 向X5045加電時(shí)會(huì)激活其內(nèi)部的上電復(fù)位電路，從而使RESET引腳有效。該信號(hào)可避免系統(tǒng)微處理器在電壓不足或振蕩器未穩(wěn)定的情況下工作。當(dāng)Vcc超過(guò)器件的Vtrip門(mén)限值時(shí)，電路將在200ms（典型）延時(shí)后釋放RESET以允許系統(tǒng)開(kāi)始工作

26、。（2）低電壓監(jiān)視 工作時(shí)X5045對(duì)Vcc電平進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若電源電壓跌落至預(yù)置的最小Vtrip一下時(shí)，系統(tǒng)及確認(rèn)RESET，從而避免微處理器在電源失效或斷開(kāi)的情況下工作。當(dāng)RESET被確認(rèn)后，該RESET信號(hào)將一直保持有效，知道電壓跌到低于1V。當(dāng)Vcc返回并超過(guò)Vtrip達(dá)到200ms時(shí)，系統(tǒng)重新開(kāi)始工作。（3）看門(mén)狗定時(shí)器 看門(mén)狗定時(shí)器的作用是通過(guò)監(jiān)視WDI輸入來(lái)監(jiān)視微處理器是否激活。由于微處理器必須周期性的觸發(fā)/WDI引腳以避免RESET信號(hào)激活而使電路復(fù)位，所以/WDI引腳必須在看門(mén)狗超時(shí)時(shí)間終止之前受到由高到低信號(hào)的觸發(fā)。（4）重新設(shè)置Vcc門(mén)限 X5045出廠時(shí)設(shè)置的Vcc門(mén)限電壓

27、為Vtrip，但在應(yīng)用時(shí)，如果標(biāo)準(zhǔn)值不恰當(dāng)，用戶可以重新調(diào)整。（5）SPI穿行存儲(chǔ)器 器件存儲(chǔ)器部分是帶塊保護(hù)的CMOS串行EEPROM陣列，陣列的內(nèi)部組織是×8位。X5045可提供最少為1000000次擦寫(xiě)和100年的數(shù)據(jù)保存期，并具有穿行外圍接口（SPI）和軟件協(xié)議的特點(diǎn)，允許工作在簡(jiǎn)單的四總線。 X5045主要通過(guò)一個(gè)8位的指令寄存器來(lái)控制器件的工作，其指令代碼通過(guò)SI輸入端（MSB在前）寫(xiě)入寄存器。表3-4所列為X5045的指令格式及其操作。（6）時(shí)鐘和數(shù)據(jù)時(shí)序當(dāng)變低以后，SI線上的輸入數(shù)據(jù)在SCK的第一個(gè)上升沿時(shí)被鎖存。而SO上的數(shù)據(jù)則有SCK的下降沿輸出。用戶可以停止時(shí)鐘

28、，然后再啟動(dòng)它，以便在它停止的地方恢復(fù)操作。在整個(gè)工作期間，必須為低。2.4.4顯示模塊本智能電表系統(tǒng)需要顯示電表機(jī)號(hào)、電流互感器系數(shù)、電量等數(shù)據(jù)，無(wú)需文字顯示，八位LED數(shù)碼管即可完成顯示任務(wù)，故我們選擇8位LED數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)器MAX7219。2.4.4.1 MAX7219概述MAX7219是MAXIM公司生產(chǎn)的串行輸入/輸出共陰極數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)芯片，一片MAX7219可驅(qū)動(dòng)8個(gè)7段（包括小數(shù)點(diǎn)共8段）數(shù)字LED、LED條線圖形顯示器、或64個(gè)分立的LED發(fā)光二級(jí)管。該芯片具有10MHz傳輸率的三線串行接口可與任何微處理器相連，只需一個(gè)外接電阻即可設(shè)置所有LED的段電流。它的操作很簡(jiǎn)單，MCU

29、只需通過(guò)模擬SPI三線接口就可以將相關(guān)的指令寫(xiě)入MAX7219的內(nèi)部指令和數(shù)據(jù)寄存器，同時(shí)它還允許用戶選擇多種譯碼方式和譯碼位。此外它還支持多片7219串聯(lián)方式，這樣MCU就可以通過(guò)3根線（即串行數(shù)據(jù)線、串行時(shí)鐘線和芯片選通線）控制更多的數(shù)碼管顯示。2.4.4.2 功能特點(diǎn)·10MHz連續(xù)串行口·獨(dú)立的LED段控制·數(shù)字的譯碼和非譯碼選擇·150uA的低功耗關(guān)閉模式·亮度的數(shù)字和模擬控制·高電壓中斷顯示·共陰極LED驅(qū)動(dòng)·24腳的DIP和SO封裝2.4.4.3寄存器介紹（1）數(shù)據(jù)寄存器和控制寄存器MAX7219內(nèi)部

30、的寄存器主要有：譯碼控制寄存器、亮度控制寄存器、掃描界限寄存器、關(guān)斷模式寄存器、測(cè)試控制寄存器。編程時(shí)只有正確操作這些寄存器，MAX7219才可工作。（4）亮度控制寄存器（0AH）MAX7219通過(guò)加在V+和ISET之間的外部電阻來(lái)控制顯示亮度。段驅(qū)動(dòng)電流一般是流入ISET端電流的100倍。這個(gè)電阻可以是固定的，也可以是可變電阻，通過(guò)前面板控制以選擇合適的亮度：其最小值為9.53Kohm。它設(shè)定段電流為40mA。顯示亮度可以通過(guò)亮度寄存器來(lái)控制。數(shù)字控制顯示亮度是通過(guò)亮度寄存器的低四位來(lái)控制的脈寬調(diào)制器來(lái)控制。調(diào)制器將段電流平均分為16個(gè)階次，最大值為由Rset設(shè)置的最大電流為31/32，最小

31、值為電流峰值的1/32。2.4.4.4 MAX7219與單片機(jī)連接電路MAX7219與單片機(jī)連接如下圖，單片機(jī)通過(guò)P2.0（CLK）、P2.1（LOAD）、P2.2（DIN）三根控制線完成顯示操作。2-6-MAX7219與單片機(jī)連接圖2.4.5 紅外通信模塊本智能電表系統(tǒng)需要完成與抄表器數(shù)據(jù)傳輸功能，紅外通信具有控制簡(jiǎn)單、實(shí)施方便、傳輸可靠性高的特點(diǎn)，是一種較為常用的通信方式。使用手持紅外抄表器通過(guò)遙控的方式，來(lái)完成電度表用電量的抄錄、設(shè)置表電流互感器系數(shù)等工作。實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)紅外通信的關(guān)鍵在于紅外接口電路的設(shè)計(jì)以及接口驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。2.4.5.1紅外通信的基本原理紅外通信是利用950nm近

32、紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體，即通信信道。發(fā)送端采用脈時(shí)調(diào)制（PPM）方式，將二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制成某一頻率的脈沖序列，并驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管以光脈沖的形式發(fā)送出去；接收端將接收到的光脈轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大、濾波等處理后送給解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，還原為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)后輸出。簡(jiǎn)而言之，紅外通信的實(shí)質(zhì)就是對(duì)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)，以便利用紅外信道進(jìn)行傳輸；紅外通信接口就是針對(duì)紅外信道的調(diào)制解調(diào)器。2.4.5.2紅外通信接口的硬件電路設(shè)計(jì)單片機(jī)本身并不具備紅外通信接口，但可以利用單片機(jī)的串行接口與片外的紅外發(fā)射和接收電路，組成一個(gè)應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的紅外串行通信接口。紅外發(fā)射模塊的實(shí)現(xiàn)紅外發(fā)射模塊

33、主要包括脈沖振蕩器、與非門(mén)、驅(qū)動(dòng)三極管、紅外發(fā)射管等。其中脈沖振蕩器選用38K晶振，用于產(chǎn)生載波信號(hào)；紅外發(fā)射管用來(lái)發(fā)射950nm的紅外光束。發(fā)射模塊工作方塊圖如下圖所示。2-7-紅外發(fā)射模塊方塊圖本系統(tǒng)采用基于UART口的紅外發(fā)射電路，此模式是紅外通信原理與串口通信原理的有機(jī)結(jié)合。紅外發(fā)射器的原理：串行數(shù)據(jù)由單片機(jī)的串行輸出端TXD送出，經(jīng)兩級(jí)與非門(mén)驅(qū)動(dòng)PNP三極管,數(shù)位0使三極管導(dǎo)通。38K晶振與電阻、電容及與非門(mén)組成振蕩器以產(chǎn)生38KHz頻率載波，并通過(guò)與非門(mén)對(duì)串行數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制出的信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管基極的紅外發(fā)射管以光脈沖形式向外發(fā)送信號(hào)。數(shù)位1時(shí)三極管截止，紅外發(fā)射管不發(fā)光。其設(shè)計(jì)電

34、路如圖：2-8-紅外發(fā)射模塊電路圖（2）紅外接收模塊的實(shí)現(xiàn) 如圖為紅外接收的工作方塊圖，其主要控制組件為紅外接收模塊，其內(nèi)部含有高頻載波電路，專(zhuān)門(mén)用來(lái)濾除紅外線合成信號(hào)的載波信號(hào)（38KHz）而送出發(fā)射器的控制信號(hào)。當(dāng)紅外線合成信號(hào)進(jìn)入紅外接收模塊，在其輸出端便可以得到原先的數(shù)字控制編碼，只要經(jīng)過(guò)單片機(jī)譯碼程序譯碼即可。2-9-紅外接收模塊方塊圖紅外接收器部分我們采用紅外專(zhuān)用接收集成電路HS0038來(lái)完成紅外信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換及接收。HS0038 是塑封一體化紅外線接收器，它是一種集紅外線接收、放大、整形于一體的集成電路，不需要任何外接元件，就能完成從紅外線接收到輸出與TTL 電平信號(hào)兼容的所有工

35、作，沒(méi)有紅外遙控信號(hào)時(shí)為高電平，收到紅外信號(hào)時(shí)為低電平,它適合于各種紅外線遙控和紅外線數(shù)據(jù)傳輸。 系統(tǒng)中我們將紅外接收器輸出數(shù)據(jù)直接連接到單片機(jī)的串口接收RXD端，單片機(jī)讀取串口接收緩沖寄存器并譯碼即可還原信息。其電路如圖：2-9-紅外接收模塊電路圖2.4.6鍵盤(pán)模塊設(shè)計(jì)中鍵盤(pán)作用主要用來(lái)設(shè)置電表號(hào)和電流互感器系數(shù)，有功能選擇鍵（MENU）和數(shù)字鍵（0-9）采用行列式鍵盤(pán)，與單片機(jī)連接，如圖：2-10-系統(tǒng)鍵盤(pán)與CPU連接圖2.4.7 485通訊模塊本智能電表系統(tǒng)采用RS-485差分總線收發(fā)器75LBC184進(jìn)行485通信，它性能優(yōu)于MAX485。75LBC184采用單一電源+5 V工作，額定

36、電流為300 A，采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平的功能。MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡(jiǎn)單,內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可；/RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)/RE為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端,當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機(jī)連接時(shí)接線非常

37、簡(jiǎn)單，75LBC184與單片機(jī)連接圖如圖2-11-系統(tǒng)半雙工通訊第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)測(cè)量和控制系統(tǒng)中，軟件的重要性與硬件同樣重要。系統(tǒng)的硬件電路 一旦確定以后，系統(tǒng)的主要功能還需要通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果說(shuō)硬件是軀體，那 么軟件則是靈魂；如果說(shuō)硬件決定了產(chǎn)品的造價(jià)，那么在硬件設(shè)計(jì)合理的前提下， 軟件在很大程度上就決定了產(chǎn)品的性能。因此，智能儀表的設(shè)計(jì)很大程度上可以 說(shuō)是軟件的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)使用的方便性和靈活性主要體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的軟件設(shè)計(jì)上。 對(duì)高可靠性要求的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就更是如此。3.1軟件設(shè)計(jì)的基本原則為了滿足遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)根據(jù)以下基本原則進(jìn)行軟件的編制： 1.易讀性和易維護(hù)性

38、。這通常是指軟件系統(tǒng)容易被發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，容易修 改和補(bǔ)充。由于生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度越來(lái)越高，測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，設(shè) 計(jì)人員很難在短時(shí)間內(nèi)就能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)理解得準(zhǔn)確無(wú)誤，軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試也不 可能一揮而就，在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)又要便于修改和完善。在軟件的設(shè)計(jì)方法中，結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)就是最好的設(shè)計(jì)方法之一，這種設(shè)計(jì)方法是由整體到局部，再由局部到細(xì)節(jié);先考慮整個(gè)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，確定整體目標(biāo)，然后把這個(gè)目標(biāo)逐步分解成一個(gè)個(gè)任務(wù)，任務(wù)又可以進(jìn)一步分解成若干個(gè)子任務(wù)，這樣逐層細(xì)分、逐個(gè)實(shí)現(xiàn)。在此過(guò)程中可能會(huì)有一些問(wèn)題逐步暴露，這就要求軟件易被修改，那么， 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)就是最好的設(shè)計(jì)方法。智能電表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

39、就是采用上述模塊化設(shè)計(jì)方法。這樣，不但使得設(shè)計(jì)目標(biāo)明確、思路清晰，而且在檢錯(cuò)和系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)也較為方便。如果每個(gè)子程序都能單獨(dú)運(yùn)行，那么，像搭積木一樣，把他們聯(lián)合起來(lái)的時(shí)候，只要安排恰當(dāng)，一般來(lái)說(shuō)不會(huì)有太大的問(wèn)題。即使有問(wèn)題也可以根據(jù)問(wèn)題的種類(lèi)和現(xiàn)象來(lái)進(jìn) 一步判斷是哪一部分出了問(wèn)題，也為系統(tǒng)功能的擴(kuò)充和移植提供了很大的方便。 2.可測(cè)試性。系統(tǒng)軟件的可測(cè)試性有兩方面含義:其一是較容易制定出測(cè)試，并據(jù)此對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試;其二是軟件設(shè)計(jì)工作完成后，首先在模擬環(huán)境下運(yùn)行，經(jīng)過(guò)靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)行，證明準(zhǔn)確無(wú)誤后才可投入實(shí)際使用。 3.準(zhǔn)確性。這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具有重要意義，對(duì)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)而言就更具有實(shí)際意

40、義，其結(jié)果的準(zhǔn)確程度直接關(guān)系到千家萬(wàn)戶的切身利益。因此，在算法選擇和位數(shù)選擇方面要滿足實(shí)際要求、運(yùn)算結(jié)構(gòu)要符合國(guó)家相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 4.實(shí)時(shí)性。它是檢測(cè)系統(tǒng)的普遍要求，即要求系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)外部時(shí)間的發(fā)生， 并及時(shí)給出處理結(jié)果。近年來(lái)，由于硬件高度集成化和速度的提高，配合相應(yīng)的 軟件，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求較容易得到滿足，特別是對(duì)于使用匯編語(yǔ)言編制的軟件。5.可靠性。它是系統(tǒng)軟件最重要的指標(biāo)之一，該要求有兩層意義:第一是運(yùn) 行參數(shù)環(huán)境改變時(shí)，軟件能可靠地運(yùn)行并給出正確的結(jié)果，即要求軟件具有自適 應(yīng)性;第二是在環(huán)境惡劣、干擾嚴(yán)重的情況下，軟件必須保證系統(tǒng)也能可靠地運(yùn) 行，這對(duì)系統(tǒng)的整體可靠運(yùn)行尤為重要。3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.2.1接收數(shù)據(jù)與通信的程序設(shè)計(jì)主程序中的串行中斷打開(kāi)，使它處于 PC 機(jī)的接收狀態(tài)，還要用中斷的模式來(lái)定時(shí)的收集數(shù)據(jù)采集模塊中的能量數(shù)據(jù)。這里的主程序就該處于接收等待狀 態(tài)，且一直與上位 PC 機(jī)處于通信狀態(tài)，當(dāng) PC 機(jī)發(fā)送命令時(shí)，主程序就中斷，去 接收數(shù)據(jù)采集模塊中的能量數(shù)據(jù)，且在接收 PC 機(jī)命令成功時(shí)，設(shè)置接收成功的 標(biāo)志。這個(gè)時(shí)候主程序就處于延遲狀態(tài)，等待采集程序處理，如圖 所示：3-1-接收數(shù)據(jù)與通信程序3.2.