基于单片机的智能电表设计.docx

智能电表设计摘要智能电表在传统电能表的基本功能上新增了自动化功能和智能化功能，智能电表内部带有功能较强的 mcu（微控制器单元），具备双向通信、双向计量和强大的控制功能。本次设计的主要内容是以单片机为核心，具备双向多费率计量、用户控制、数据双向通信、防窃电功能等多种智能化功能的智能电表。其是以微处理器或微控制器芯片(如单片机)为核心的可以存储大量的测量信息并具有对测量结果进行实时分析、综合和做出各种判断能力的仪器。智能电能表一般具有自动测量功能，强大的数据处理能力，进行自动调零和单位换算功能，能进行简单的故障提示，具有操作面板和显示器，有简单的报警功能。智能电能表是以微处理器或微控制器芯片(如单片机)为核心的可以存储大量的测量信息并具有对测量结果进行实时分析、综合和做出各种判断能力的仪器。智能电能表一般具有自动测量功能，强大的数据处理能力，进行自动调零和单位换算功能，能进行简单的故障提示，具有操作面板和显示器，有简单的报警功能。关键字：自动化功能、智能化功能、芯片abstractsmart meters on the basic functions of the traditional energy meter new automation capabilities and intelligent features, smart meters with a more powerful internal mcu (microcontroller unit), with two-way communication, two-way metering and powerful control functions. the main content of the design of the microcontroller as the core, with two-way multi-rate measurements, the user control, two-way data communication, anti-tampering features a variety of intelligent features smart meters. the smart meter is microprocessor or microcontroller chip (scm) as the core can store large amounts of measurement information and real-time analysis of the measurement results, and make a variety of instrument of judgment. smart meter generally have simple measurement functions, powerful data processing capability, auto-zero and unit conversion function, simple fault tips, operator panel and display, alarm function.the smart meter is microprocessor or microcontroller chip (scm) as the core can store large amounts of measurement information and real-time analysis of the measurement results, and make a variety of instrument of judgment. smart meter generally have simple measurement functions, powerful data processing capability, auto-zero and unit conversion function, simple fault tips, operator panel and display, alarm function.keyword：automation functions, intelligent features, the chip第一章 综述1.1电能表的发展史随着社会生活中工业、农业、商业以及居民生活的用电需求日益增长，人们对电能的交易日益频繁，电能表是衡量电能交易数额的计量器具，其技术性要求很高，既要求准确、更要求稳定，并保证长期可靠。1880年美国人爱迪生利用电解原理制成了直流电能表(即安时计)。自1885年交流电的发现和应用给电能表的发展提出了新的要求，交流电能表从此应运而生。意大利科学院的物理学家弗拉里斯(ferraris)在1888年提出用旋转磁场的原理来测量电能量，即在一个可转动的导体上作用两个同频率但空间和相位不同的交变磁场，导体就能旋转。由此，交流感应式电能表又称作弗拉里表。当时，在美国电工技术学校有位教师也利用同一原理制造出感应式电能表的模型。这些理论和模型都是交流电能表雏形的萌芽。1889年，匈牙利岗兹公司一位德国人布勒泰制作成总重量为36.5kg的世界上第一块感应式电能表。从此，感应式电能表在电能计量应用中占据了极其重要地位。这块感应式电能表的电压铁芯重6kg，由于它没有单独的电流铁芯，因此电压铁芯总的电抗就必需做得很大，体积也就很大了。为了减少尺寸和重量，人们开始研究把电压与电流磁路分开，采用了独立电流铁芯，从而大大缩小了其体积。另外，在解决内相角的问题上，还使用过人工线路和合成磁场的方法。到1890年以后出现了带电铁芯的电能表，然而转动元件仍是一铜杯，反作用力矩的产生是依靠交流电磁铁。直到十九世纪末期才逐步开始采用直流磁铁，降低了旋转速度，增加了力矩，采用浇铸零件，改进了计数机构，同时采用了一个圆盘代替了原来一个盘一个杯的转动元件，并且使用铝盘来代替铜盘。在二十世纪很长的一段时期内，感应式电能表发展方向主要是在缩小体积和改善工作性能方面。二十世纪初，感应式电能表就得到了飞速发展。1905年出现了增加非工作磁路改进90的方法，使电能表的各项参数有了很大提高。而后，随着一些性能较好的高导磁材料的出现，大大地减轻了电能表的重量并缩小了其体积，每只表的质量降到了1.52kg，而且降低了其功率消耗。从三十年代开始，电能表采用铬钢、铝镍合金代替原来的钨铜，并通过降低电能表转盘的转速来降低其损耗，同时改善了电能表的负荷特性。当时，国外的感应式电能表的过负荷能力达到600以上，而且采用双宝石轴承和磁力轴承，使电能表寿命长达1530年。感应式电能表的突出优点就是结构简单、操作安全、维修方便、造价低廉，但是它也存在的许多缺点，如：准确度低、适用频率窄、功能单一等等。至此，感应式电能表在电能计量中已经得到了广泛的应用。随着微电子高新技术和电子工业的高速发展以及用电负荷特性的不同，对电能计量精度提出了新的要求，电子式电能表越来越显示出其优越性。由于机械感应式电能表的驱动线圈的低频窄带电磁特性，即对于基波外的各次谐波功率信号难以转换成等比例的驱动力矩，因而造成感应式电能表对非线性负荷、冲击负荷的计量误差较大问题。机械感应式电能表的精度低、非线性负荷计量误差大和难以实现各种功能的诸多缺点，造成感应式电能表发展停滞不前。随着电能表拥有着容易实现多功能、高精度、便于自动抄表及具有先进通讯接口等诸多功能扩展需要，促使各种新型的电子式电能表迅速发展。即使一些机电一体式的特种电能表，例如：分时多费率（tou）电能表、有脉冲输出的电能表、多路最大需量表、预付费电卡电能表和电力定量器，它们采用感应式电能表作基表，同时应用电子电路来实现新的功能。在二十世纪六十年代末，日本衫山桌先生发明了时分割乘法器并且提出了其功率测量原理，实现了全电子化电能计量装置，并由日本横河株式会社生产了2885型数字功率变换器，受到全世界的关注。在这个原理基础上我国研制出单相和三相电子式数字功率电能标准表。随着电子技术的进一步发展，模拟-数字转换技术和大规模集成电路的逐步完善，促使各种性能和各种功能的电子式电能表逐步成为电能计量的主力军，尤其是多功能电能表的智能化功能日趋完善。近年，在国外电子式电能表发展非常快，芬兰、瑞典、挪威等北欧各国以及法国、英国、德国、西班牙、比利时和意大利等西欧许多国家，其工商用户计费电能表已实现100%电子化。居民用户的计费电能表也正在逐步电子化过程中，如法国2001年起已停止购买安装感应式电能表；意大利在2005年已经将全部感应式电能表更新为自动抄表的电子式电能表；英国目前已有80%居民计费用表为电子式电能表。现在上海电网65%以上的居民使用了电子式电能表。在我国，电力生产对计划调度、经济调度要求愈来愈高。电力生产的特点是发、供、用电同时完成，因此，电能作为一种不可储存商品的流通使用过程中，对其准确计量有其特殊性。为调节负荷用电时段，以解决日渐突出的电力供求矛盾，在不增添设备，不扩大设备容量的前提下，主要通过两种方法来解决：一是通过行政手段，在用电高峰时限、拉电；二是通过经济手段，实行分时电价，即提高用电高峰时段电能的售价，降低用电低谷时段电能的售价。为此，电力部门广泛地使用有多个计度器能在不同费率时段内记录交流有功或无功电能的复费率电能表。2003年，国家在保持电价总水平基本稳定的前提下，大力推行峰谷分时计电价，鼓励用户合理移峰填谷用电。同时，要求完善两部制电价制度，扩大多功能表应用范围，为多费率和多功能电能表带来了广阔的应用空间。复费率多功能电能表的出现，目前正处于感应式机械电能表向电子式电能表的转变过程中，其基本上分为机械式、机电一体式及全电子式三种。其中，全新的全电子式复费率电能表则改变了传统的感应式电能表的外形，并具独特的多功能优势。自2000年开始，上海电网率先在国内推广应用复费率分时电能表，即实行居民电费分时记度单相两费率电能表(黑白表)用的双步进电机控制驱动专用集成电路，用两个机械记度器分别显示白天和黑夜的用电量。当前电能表正向着全电子式、多功能、具有标准通讯接口以及远程抄控功能的方向发展。1.2智能电能表的典型结构 从结构上来说，智能电能表是一个专用的微型计算机系统，它主要由硬件和软件两部分组成。 硬件部分主要包括信号的输入通道，微控制器或微控制器及其外围电路、标准通信接口、人机交换通道，输出通道。输入通道和输出通道用来输入输出模拟量信号和数字量信号，它们通常由传感器元件、信号调理电路、a/d转换器、d/a转换器等组成。微控制器及其外围电路用来存储程序、数据并进行一系列的运算和处理，通常包括程序存储器、数据存储器、输入输出接口电路等组成。人机交换通道是人与仪器相互沟通的主要渠道，它主要由键盘、数码拨盘、打印机、显示器等组成。标准通信接口电路用于实现仪器与计算机的联系，以使仪器可以接受计算机的程控指令，目前用于智能电能表的通信接口主要有gpib、rs-232c等。 智能电能表的软件部分主要包括监控程序和接口管理程序两部分。其中监控程序面向仪器面板键盘和显示器，通过键盘操作输入并存储所设置的功能、操作方式与工作参数;通过控制工/0接口电路进行数据采集，对数据进行预定的设置;对数据存储器所记录的数据和状态进行各种处理;以数字、字符、图形等形式显示各种状态信息以及测量数据的处理结果。接口管理程序主要面向通信接口，其内容是接受并分析来自通信接口总线的各种有关功能、操作方式与工作参数的程控操作码，并通过通信接口输出仪器的现行工作状态及测量数据的处理结果，以响应计算机的远控命令。1.3智能电能表的主要特点与传统电能表相比，智能电能表具有以下几个主要特点: 测量精度高，可以利用微处理器执行指令的快速性和a/d转换的时间短等特点对被测量进行多次测量，然后求其平均值，就可以排除一些偶然的误差与干扰，还可以通过数字滤波，剔除粗大误差和随机误差的方法提高测量精度; 能够进行间接测量，智能电能表可以利用内含的微处理器通过测量几种容易测量的参数，间接地求出某种难以测量的参数; 能够自动校准，智能电能表在使用前进行自动校准，在测量过程中进行校准，从而减少误差; 具有自动修正误差的能力; 具有自诊断的能力，智能电能表若发生了故障，可以自检出来，仪器本身还能协助诊断发生故障的根源; 能够实现复杂的控制功能; 允许灵活地改变仪器的功能; 智能电能表一般都配有gpib或rs232等接口，使智能电能表具有可程控操作的能力。从而可以很方便地与计算机和其他仪器组成用户需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。1.4 设计概要智能电表在传统电能表的基本功能上新增了自动化功能和智能化功能，智能电表内部带有功能较强的 mcu（微控制器单元），具备双向通信、双向计量和强大的控制功能。本次设计的主要内容是以单片机为核心，具备双向多费率计量、用户控制、数据双向通信、防窃电功能等多种智能化功能的智能电表。第二章 总体方案设计2.1设计功能要求设计制作制作的智能电表，设计的主要要求如下：（1）该交流电能表能实现对单相交流电能的测量；（2）电表参数：额定电压220v,额定电流5a,最大电流10a，最大计度容量：99999.99kw.h；（4）能测量并显示当前的功率、电压和电流的有效值；（5）显示当前日期和时间，具有分时计量功能；（6）可以与pc机进行串行通信，并可用键盘控制，便于操作；（7）电量脉冲输出；（8）停电不丢失电能数据；2.2系统的基本方案电能表是一种计量某一段时间内通过的电能的累积值的表计。电子式电能表，也称为静止式电能表，它也就是“电流和电压在固态(电子)器件中作用而产生与瓦时数成比率输出的仪表”。这里主要介绍根据智能小区家庭型用户电能计量系统的要求设计的一种智能型多功能复费率电能表。复费率电能表是一种根据用电的峰时、平时、谷时各时段的设定值计算用户总的用电量和峰时、平时、谷时的用电量的电能表，使供电局能实施峰时、平时、谷时各时段不同的计费标准。用经济手段鼓励用户在低谷时段用电。这也正好符合电力计费系统提出的分时段计费的要求。电子式的复费率电能表一般使用单片机对电能脉冲进行分时段计算处理，同时具有有效的参数设定。2.3电能表的总体方案设计此多功能复费率电能表具有如下功能:(1)通过单片机扩展的数据存储器可以存储本月、上月、上上月的各月电量，能存储各月峰时、平时、谷时各时段的用电量，并能通过液晶显示器显示各自的数值；(2)具有欠压断电保护、欠费停电保护功能；(3)具有在过电压、过电流和欠压断电保护后用户自己送电的功能；本次设计中所设计的整个电能计量系统主要由电能表构成。电能表部分应包括电流传感器、电压传感器、电能计量芯片、显示器件、按键开关时钟/日历芯片、看门狗电路、扩展数据存储器以及用于通断电控制用的小功率交流开关。微控制器液晶显示器按键组日历/时钟芯片电力线电力线电力线电力线电能计量芯片三态门供电线路电流互感器电压互感器晶闸管保护回路图3 电能表硬件整体框图上图3表明了电能表的硬件设计方案。其中，电能表部分需要电流互感器、电压互感器把照明电路中的22ov电压和大电流(10a)变换成电能计量芯片所要求的输入电压和输入电流范围之内。电能计量芯片根据其内部的瞬时电压和瞬时电流计算瞬时功率，再输出脉冲驱动机械式计数器或者步进电机计算用电电量。此电能表主要由计量模块、单片机、ic卡模块、lcd显示、eeprom存储器、实时时钟电路及电源电路等部分组成。其硬件系统框图如下图1所示。其中，单片机以at89c51为电能表的核心控制芯片，它是电能表的“大脑”，外围所有的硬件模块都是在它的控制协调下进行工作的。单片机通过控制在其中的各种程序，控制着其它硬件模块的工作状态，由它智能化地形成并可靠地提供电能计算、时段判断、费率切换、ic卡读写、电能量控制及负荷控制等功能。单片机（at89c51）lcd显示ic卡模块eeprom存储器电能计量芯片实时时钟电路电源电路2.3单片机的选择89c1是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压、高性能cmos8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的89c51是一种高效微控制器，89c2051是它的一种精简版本。89c单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。、89c51单片机的基本组成本电能表的硬件设计原则是在低功耗的前提下，实现多功能目的，该芯片功耗低，特别适用于电能表控制线路多、功能全、功耗低的要求。它能方便地读取ic卡的数据，并控制液晶显示器的工作，同时还可以将电能表的数据存入eeprom进行永久保存并可通过串口送至表外的数据终端，大大地提高了电能表的智能化功能。在一小块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分，即89c51单片机芯片内包括：（1）一个8位的微处理器（cpu）。（2）片内256字节数据存储器ram/sfr，用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。（3）片内4kb程序存储器flash rom，用以存放程序、一些原始数据和表格。（4）4个8位并行i/o端口p0-p3,每个端口既可以用作输入，也可以用作输出。（5）两个16位的定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式。（6）具有5个中断源、两个中断优先级的中断控制系统。图1 硬件系统框图（7）一个全双工uart的串行i/o口，用于实现单片机之间或单片机与pc机之间的串行通信。（8）片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。（9）具有节电工作方式，即休闲方式和掉电方式。以上各个部分通过片内八位数据总线相连接。、89c51单片机引脚及其功能如图2所示为单片机at89c51的引脚图。 图2 单片机at89c51的引脚图（1）xtal1（19脚）：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。（2）xtal2（18脚）：振荡器反相放大器的输出端。（3）rst（9脚）：复位输入，当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。（4）p0口（3932脚）：p0口是一个漏极开路的8位准双向i/o端口。作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个ls型ttl负载。当p0口作为输入口使用时，应先向口锁存器写入全1，此时p0口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。（5）p3口（1017脚）：p3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向i/o多功能口。p3口输出缓冲器可驱动4个ttl逻辑门电路。对p3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口，此时，被外部拉低的p3口将用上拉电阻输出电流。当cpu不对p3口进行sfr寻址访问时，即用作第二功能输出/输入线时，由内部硬件使锁存器q置1。整个perom阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ale管脚处低电平10ms来完成。在芯片擦除操作中，代码陈列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，at89c51设有稳态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，cpu停止工作。但ram，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存ram的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 2.4 智能电能表的设计方法2.4.1 智能电能表的硬件设计方法智能电能表中均含有微处理器或微控制器，在微处理器或微控制器的外围进行设备的扩展如程序存储器rom、数据存储器ram、键盘、显示器、报警装置和通信口。作为一个完整的智能电能表还应包括输入通道和输出通道。图3表述了智能电能表的硬件结构组成原理图。图3 智能电能表硬件原理图智能电能表实际上是一个微型计算机系统，它是具有微处理器或微控制器的，并有标准总线接口的新型仪器。不同功能的智能电能表由不同部件组合而成。智能电能表的监控程序固化在程序存贮器eprom、rom、eeprom等中，被测参量通过传感器将非电量变换成电量，然后经过信号处理和模数转换后变为微处理器能直接识别的数字信号。所采集的数据或从键盘上输入的数据以及经过一定的算法运算后的数据均暂存于片内数据存储器ram中。智能电能表的控制部分一般分两种情况，一是微处理器接受键盘输入的命令后，不需经过数模转换器，直接由接口输出控制信息和数据信息，去控制一些执行机构。智能电能表硬件设计各功能环节如下:2.4.1.1 微处理器或微控制器微处理器和微控制器在智能电能表中都是智能电能表的心脏，它们的结构、特性对智能电能表的性能影响很大。微处理器也是一种通用器件，如果给予足够的外部支持电路和处理时间，它几乎可以完成任何任务，数据处理和控制是微处理器的两个主要用途。根据智能电能表控制功能和测量功能的不同选用合适的单片机作为智能电能表的核心，从而提高智能电能表的整体性能。2.4.1.2 传感器传感器是将外界输入的被测量信号变换成电信号的元器件或装置。它作为信息获取的工具和手段，在测量控制型智能电能表中占据了极其重要的地位。传感器能转换信息存在的能量形式，通常是将其他能量形式转换成电量形式，以便进一步加工处理，传感器的输出往往总是电信号。这主要是电信号较容易地进行放大、反馈、滤波、积分、微分、存储及远距离传送等操作。2.4.1.3 信号调理信号调理装置是通过电子线路来实现模拟信号处理，一般包括放大、滤波、整形、检波、信号转换等功能环节。信号调理的目的是对传感器输出的电信号进行必要的处理以满足信号处理后继环节的需要，使其输出信号适应a/d转换等环节的工作。信号调理可以改善信号质量，还可以补偿传感器的非线性，提高信噪比，增强信号的环境抗干扰能力等。2.4.1.4 a/d转换器微处理器能处理的信号应是数字信号，因此，在智能电能表的输入通道中加入能把模拟信号转换成数字信号的芯片即a/d转换器。但并不是所有的输入通道都要加入a/d转换器，而是只有模拟量输入通道，而且输入微处理器的信号不是频率量而是数字码时，才用到a/d转换器。使用a/d转换器时应先根据输入通道的总误差，选择a/d转换器的精度及分辨率。根据信号对象的变化率及转换精度要求，确定a/d转换速度，以保证智能电能表的实时性要求，对快速信号必须考虑采样/保持电路。在选用a/d时还应考虑智能电能表所处的环境选择a/d转换器的环境参数。不同a/d转换器有不同的输出状态，应根据计算机的接口特性选择输出状态。2.4.1.5 d/a转换器微处理器输出的数字控制信号通过d/a转换，将离散时刻输出的控制信号转换成为离散模拟信号，为实现智能控制创造了必要条件。在d/a转换接口设计中主要考虑的问题是d/a转换芯片的选择、数字量的码输入及模拟量的极性输出、参考电压电流源、模拟电量输出的调整与分配等。选择d/a芯片时，主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足d/a转换的技术要求:在结构和应用特性上应满足接口方便，外围电路简单，价格低廉等要求。2.4.1.6 智能电能表的通信接口智能电能表一般都设置有通信接口，以便能够实现程控、方便地构成自动测试系统。目前国际上采用的智能电能表的标准接口有gpib，rs232等,本设计采用rs232接口。1. rs-232c标准通信接口rs-232c总线标准接口是目前最常用的串行通信总线接口，其逻辑电平是对地对称的，与ttl、mos逻辑电平完全不同。逻辑0电平规定为+5+15v之间，逻辑1电平是-5v-15v之间。因此，rs-232c驱动器与ttl电路连接必须经过电平转换。转换芯片有mc1488，75188(从ttl到rs-232c的电平转换);mc1489，75189(从rs-232c到ttl的电平转换)。还有maxim的maxzoz、max232等等。在当今的信息化时代，用于其他信息装置的通信技术也同样可用于嵌入式智能电能表。它主要有这样一些通信技术:2. pci总线pci总线技术为cpu和板上外设之间提供方便的高速通信连接，工作频率为33mhz(rev2.1支持66mhz)。pci对于连接到它上面的器件是具有即插即用的高速总线。从理论上来说，可以有多达256个pci功能器件同时挂到一个pci总线上。但由于总线负载问题，同一个pci总线上只能挂4到8个器件。价廉的pci芯片组和广泛应用的pci外设可以促使pci总线成为嵌入式领域的事实上的总线标准。3. usb总线通用串行总线(usb)是一种外设总线标准。它为所有的usb外设提供一种通用的连接，其数据率为12mbits/s。usb特别适合于需要高数据率和易于即插即用的应用。需要保证带宽和有限执行时间的应用包括pc电话和其他语音及视频通信应用。除了这些新的多媒体设备外，usb也用于传统的i/o设备。4. ieee1394高速串行总线ieee1394是高速串行总线，其数据率为25-400mbits/s，它是作为通用外设串行总线而设计的。缆线型1394总线可支持63个器件。缆线越长它所能够处理的数据率就越低。一般长度为几米，ieee1394和usb都是串行协议，然而usb和ieee1394比其竞争技术由更大的技术互补性，usb属于低带宽到中带宽，而ieee1394属于中到高带宽。2.4.2 智能电能表的软件设计方法智能电能表硬件电路确定之后，仪器的主要功能由软件实现。相应的软件有采集、采集控制、数据处理、显示、结果打印等。智能电能表的软件设计需要有一个细致全面的过程。一般先是清楚的列出智能电能表系统各系统部件与软件设计的有关特点，并进行定义和说明，以作为软件设计的根据。在此基础上写出软件的功能流程图，程序流程图。再将程序流程图的一列操作用机器码或汇编语言或高级语言译成处理器能处理的机器代码。查错和调试是智能电能表软件设计中找出并改正逻辑错误或与硬件有关的程序错误的关键。在所有的工作完成之后还要进行文件编制。图4 智能电能表的典型结构图如图4所示智能电能表的软件结构按功能可分为准备程序、键功能程序和系统控制程序。同时，为了与软件结构相配合，还必须将程序存储器(rom)和数据存储器(ram)实现规划。2.4.3 智能电能表的抗干扰方法智能电能表是以微处理器为核心的微机测量控制系统，因此智能电能表在许多场合都是与计算机控制系统或dcs(集散控制系统)联系在一起的。智能电能表在不同的应用场合所受到干扰也各不相同，当仪器在运行时所受到的干扰超过一定限度时就会严重影响智能电能表的可靠性，甚至严重影响工业生产现场，因此在设计智能电能表时要注意智能电能表的抗干扰设计。微机测控系统的抗干扰技术在智能电能表的抗干扰技术中是同样适用的，主要分为硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术。硬件抗干扰技术主要包括滤波技术(无源滤波和有源滤波)、去耦技术、屏蔽技术、隔离技术、接地技术等。窜入智能电能表的干扰，其频谱往往很宽，且具有随机性，采用硬件抗干扰方法，只能抑制某个频率段的干扰，仍有一些干扰会侵入系统。因此，除了采取硬件抗干扰方法外，还要采取软件抗干扰措施。为确保cpu中的程序正常运行，常常采用如下抗干扰措施:软件滤波(数字滤波技术)可以剔除模拟输入信号中的虚假信号，求取真值； 除了可以使用硬件看门狗电路强制单片机从死机状态回复到正常运行外，还可以采用软件看门狗电路或软硬结合的看门狗技术。软件看门狗技术的基本思路是:在主程序中对t0中断服务程序进行监视;在t1中断服务程序中对主程序进行监视；t0中断监视t1中断。第三章 电源模块设计电源模块由变压、整流、滤波、稳压、四部分组成使干扰脉冲的数量和幅度有所减少，并加装专用的电源监控电路由于智能电表要求能够停电唤醒，智能电表的电源供给: 一是由火线和零线的主电压提供电源，另一部分是由在主电源无效的情况下提供备用锂电池电源，以满足电表 时钟芯片和液晶显示的需要 电表提供多种省电模式: 睡眠深度睡眠掉电深度掉电，以满足各种优先级中断的唤醒。3.1直流稳压电源的设计电源电路是整个系统能稳定工作的前提和关键，系统中的各个单元电路都需要使用直流电源供电，本设计采用自制电源供电方式，将220v交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路整流和滤波，在固定式三端稳压器的两端形成一个并不十分稳定的直流电压，此直流电压经过w7805的稳压和电容的频率补偿，便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。自制电源原理如图5所示：图5 +5v直流电源的设计3.2 前端电路调理模块的设计3.2.1电压调理部分对于系统的前端电压调理部分，我们采用变比为2ma/2ma的电流互感器和高精度电阻作为输入电路部分电路如图6所示。系统设计采用220v的市电电压输入，首先外接rx=110k电阻得到2ma的电流，然后通过变比为2ma/2ma的互感器，然后在二次侧连接1个125的定值电阻得到所需的输入电压，可以为cs5460a提供电压信号，不超出芯片的测量范围。当然电阻r2值可以根据不同的电压来调整。并加入rc滤波网络对信号初步滤波，并加入放抖动电容保护芯片。3.2.2电流调理部分 电流调理部分采用变比2000：1 的电流互感器，然后经一精密电阻将电流信号转变成电压信号。并加入rc滤波网络对信号初步滤波，并加入放抖动电容保护芯片。经变换后的补测信号以差模电压的形式接到cs5460a的模拟信号输入端。由于互感器角差的影响，可能造成输入信号的相移，使功率测量的误差增大。而cs5460a 具有相位补偿功能（可进行-2.4至+2.5的相位补偿，步进0.34），可以大大减小互感器角差的影响。图6前端调理电路第四章 数据存储智能电表的功能众多，实现复杂，在运行过程中会产生大量的数据，如 12月历史电量数据事件记录数据冻结量数据等 所选用的存储芯片必须容量够大，可靠性高，保存时间长，功耗低 所以采用的存储单元不仅应具有低功耗待机工作电流小，而且需要有存储容量大擦写次数多过电能表使用年限数据保存时间长的特点。4.1eeprom存储器模块、at24c01简介 at24c01是美国atmel公司的低功耗cmos串行eeprom，它内含2568位存储空间，具有工作电压宽（2.55.5v）、擦写次数多（大于10 000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。at24c01中带有片内寻址寄存器。每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个存储单元的操作。所有字节都以单一操作方式读取。为降低总的写入时间，一次操作可写入多达8字节的数据。图7为at24c01的引脚图。各引脚功能如下：图7 at24c01的引脚图scl:串行时钟。在该引脚的上升沿时，系统将数据输入到每个eeprom器件，在下降沿时输出。sda：串行数据。该引脚为开漏极驱动，可双向传送数据。a0a2:器件/页面寻址。为器件地址输入端。wp：硬件写保护。当该引脚为高电平时禁止写入，为低电平时可正常读/写数据。vcc：电源。一般输入+5v电压。vss：接地。、硬件原理图记忆单元硬件原理图如图8所示。利用单片机at89c51与24c01进行i2c通信，实现对某一地址内数据的读/写校验操作。图8 记忆单元硬件原理图第五章 数据时钟单元时钟电路采用具有很高精度的低功耗时钟芯片，内置温度偿晶振，可在宽温范围内实现精确计时，并和目前在电表领得到广泛应用epsonrx-8025a的引脚兼容 它按照 cpu外部 通 讯 接 收到的校时数据来设置时钟和日历，靠自身的振荡继续走时，有2 个中断报警引脚可设置为输出秒或分同步脉冲。mcu每隔一段时间通过通讯接口读取当前的时间，计算出该时刻所属的时段，实现多费率电能表的分时段计量电能 该时钟电路带自备用锂电池，正常工作 时 有vcc 主 电源供电，当出现停电时，自动切换锂电池为时钟电路供电，即使停电，时钟也走得很准。5.1时钟模块设计对电能表来说，它需要根据时间段的划分来计量各时段的电能值，因此在电能表中需要一个时钟芯片计时。ds1302是一种高性能、低功耗、带ram的实时时钟芯片，它工作电压宽达2.5一5.5v,采用三线接口与单片机进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或ram数据。ds1302内部有一个318的用于临时性存放数据的ram寄存器。5.1.1 ds13o2的引脚分布见图9。x1 x2:32.768khz晶振输入引脚。gnd:接地引脚。sclk:串行时钟输入引脚。i/o:数据输入输出引脚。 rst:复位引脚。 vcc2vcc1:电源引脚。 图9 ds13o2的管脚分布图5.1.2 ds1302与at89c51的硬件连接ds1302与at89c51的连接只需三条线，sclk i/o、rst、分别与at89c51的to、p27、p26连接。vcc2在双电源系统中提供主电源，在这种运行方式下vcc1连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。ds1302由vcc2vcc1两者中的较大者供电。当vcc2大于vcc1+0.2v时，vcc2给ds13o2供电；当vcc1大于vcc2+0.2v时，vcc1给ds13o2供电。图10 ds1302与at89c51的硬件连接第六章 主程序的设计及功能程序分配6.1电能表的软件实现根据电能表的硬件电路设计，电能表运行的过程可以表述为:1. 当cs5460a未输出电能脉冲和方向脉冲以及中断脉冲时，单片机at89c51循环执行清看门狗程序、执行显示本月累计电量值的显示程序、判断是否更新时段值、判断是否有红外线通信发生、读cs5460a的电流瞬时寄存器和电压瞬时寄存器的值以判断是否该过电流或过电压或欠压断电保护。完成以上功能后程序随时准备接收外部中断和，每循环一次程序就查询一次按键开关的状态，根据所按的开关执行相应的程序。2. 当cs5460a的电能输出引脚（）和电能方向指示器引脚（）输出脉冲时，中断服务程序根据记忆在时钟芯片ds1302中的时段参数以及实时时钟的值来判断当前的时段类型，单片机响应外部中断进行电量的累加。将结果存放到扩展的数据存储器内，然后退出中断服务程序进入过程1。电能表的运行过程用汇编程序主程序的流程图表述为图11。根据图11编制的程序可以完成所设计的电能表的全部功能。每一个功能单元的程序实现方法可以分以下几部分说明:6.1.1 cs5460a与单片机的数据交换实现方法cs5460a芯片内部包括16个24位寄存器：配置寄存器、直流电流偏移寄存器、交流电压寄存器、ac/dc电流增益寄存器、ac/dc电压增益寄存器、周期计数寄存器、脉冲速率寄存器、有符号寄存器、无符号寄存器、时基校准寄存器、功率偏移寄存器、交流电流偏移寄存器、交流电压偏移寄存器、状态寄存器、屏蔽寄存器、控制寄存器。这些寄存器用来完成对cs5460a的设置、采集数据的存储以及串行输入输出的控制。cs5460a的串行口有一个包括接收缓冲区、发送缓冲区的命令解释状态机。状态机在串行时钟的上升沿解释8位的命令字，状态机在解释完命令字之后立即执行外部微控制器请求的命令，或者为寄存器的数据传输做准备。当一个写操作到执行一个发送之前的24个串行时钟完成时，需要一个内部寄存器把读数据请求传送到发送缓冲区。图11电能表主程序流程图系统一旦上电，cs5460a就被初始化并处于有效操作状态。系统上电之后，设备就等待接收有效的命令。状态机接收并解码一个有效命令字之后就立即命令转换器执行一个系统操作或与内部寄存器之间传送数据。cs5460a的所有命令字都是一个字节。写到寄存器的命令必须紧跟1、2或3字节的数据。其主要包括起动转换命令，sync0命令，sync1命令，上电命令、掉电命令、校准命令，寄存器读/写命令。对cs5460a的寄存器的访问都是通过spi串行口进行的。可以看出，数据传送的初始化是通过在数据传输之间向串行口（sdi引脚）按高位在先的方式发送一个8位的命令字实现的。当命令字包括了一个写操作时，串行口将在sdi引脚继续为紧接的24个串行时钟周期记录数据位，其顺序也是高位在先。通知一个寄存器写操作的命令字必须紧跟24位数据。当以读命令字初始化数据传输时，串行口将在sd0引脚为紧接的8、16或24个串行时钟周期按高位在先的原则传送寄存器的各位数字。通知寄存器写的命令字必须紧跟8、16或24位数据。在读寄存器的数据时at89c51可以发送一个新的命令。串行口一旦接收到新的命令，它就立即执行并可能结束前一个寄存器读。根据串行口数据传送的时序写出的cs5460a的命令字写入子程序、读寄存器子程序、写寄存器子程序如下:sdi equ p10sdo equ p11sclk equ p12；命令字写入程序wr_com: mov a， r1 ；在主程序中将命令字送到r1中mov r7，#8h ；将命令字传送的位数8送r7comwordsend: rlc amov sdi，csetb sclkclr sclk ；在此形成一个脉冲下降沿，数据写入djnz r7，comwordsnd ；判断8个数据位是否传送完wr_com_end: ret；数据写入子程序，将写入数据的高、中、低字节存放到42h、41h、40h中wr_data: lcall wr_com ；调用命令字写入子程序mov r2，#42hmov r3，#03hwr_lp2: mov r7，#08hmov a， r2wr_lp1: rlc amov 5di，csetb sclrclr sclrdjne r7，wr_lp1dec r3djne r2，wr_lp2ret；数据读取子程序，将读出的数据的高、中、低字节存放到42h、41h、40h中rd_data； lcall wr_commov r2，#42hmov r3，#03hrd_lp2: mov r7，#08hmov r0，#0fehrd_lp1: clr sclkmov c，sd0rlc amov r1，amov a，r0rlc amov r0，amov sdi，csteb sclkmov a，r1djne r4，rd_lp1mov r2，adec r2djne r3，rd_lp2ret在电能表中当单片机at89c51需要读取cs5460a的寄存器获取瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率，设置cs5460a的寄存器的值时，都是通过调用这两个程序来实现的。6.1.2对日历/时钟ds1302的读写操作的软件实现在电能表中与时间有关的判断和时间读取都是通过ds1302与at89c51的接口完成的。在电能表接到时钟校正信号时，电能表的at89c51就会向ds1302写命令字；在判断时段时，需要读取ds1302的时间寄存器以及片内数据存储器完成时间段的比较; 用户进行时段设置查询时，需要读取ds1302片内的数据存储器。ds1302所有数据的读写都是通过向ds1302写入命令字的方式告诉其读写地址单元以及将进行的是读操作还是写操作。每一数据传送由命令字节初始化。最高有效位msb(位7)必须为逻辑1，如果它是0，禁止写ds1302。位6为逻辑0指定时钟/日历数据; 逻辑1指定ram数据。位1至5指定进行输入或输出的特定寄存器。最低有效位lsb(位0)为逻辑0指定进行写操作(输入)