基于MCU的单相电表检测仪设计.doc

摘 要单相电表检测仪是用于现场检验低压单相电能表计量是否准确的专用仪器。本文针对检测仪的技术要求，阐述了系统的总体方案设计、硬件电路设计和软件设计，分析了影响测量精度的主要原因及解决方法。本文的主要研究内容是针对低压单相电能表的现场检验，实现系统要求的检测功能和技术指标。采取的技术方案是以微控制器为核心，利用微型电压互感器和钳形电流互感器分别将单项供电电压和电流变换为弱电信号，实现对供电电路的电压和电流进行实时检测，同时通过电能计量芯片测量实际的有功功率，充分利用微控制器较强的运算功能，计算出一定时间内消耗的电能，同时利用光电采样器对被测表的计量的电能进行检测，从而计算出被测电能表的误差。现场检验的特点是不停电接线，对于电流检测需采用钳形电流互感器，而钳形电流互感器的开口接触面存在空气间隙，使互感器的线形变差并存在较大的相移，且一致性较差。采用分段线性化处理，可以提高测量的精度。本文内容涉及微控制器、电气测量技术等多项应用技术，具有一定的应用价值与实际意义。关键词：微控制器；低压单相电能表；现场检测Title The design of local calibrating instrument for low-voltage Watt-hour meter based on MCU AbstractThe local calibrating instrument for the single-phase watt-hour meter is a special device that is used to measure the accuracy of low-voltage Watt-hour meter in scene examine. This paper, according to the technical requirements of detectors, tells us the overall design of the system, hardware and software circuit, and analyzes the reason of the impact of measurement accuracy and the main measures to solution.The main research content is the low-voltage single-phase watt-hour meter on-site inspection, the realization of the detection system requirements and technical indicators. The technical plan is taking the micro-controller as the core, using the mini-voltage transformer and clamp current transformer respectively to transform the single power supply voltage and current transformation to the weak electrical signal, and to realize the real-time detection for the power supply circuit of voltage and current, at the same time, energy metering chip can measure the true value, take full advantage of strong computing microcontroller functions, to calculate within a certain period of time the power consumption, while using the optoelectronic sampler measurement to measure the watt-hour meter, then calculating the error of this meter.The characteristics of the on-site inspection is Non-power cables, The clamp current transformer is used to current detection, but the clamp current transformers interface exist air gap, causes the line of transducer become errand and exist in a bigger phase-shift, also the uniformity become worse. Using partition linearity processing, that may enhance the survey precision.This article related to micro-controllers, a number of electrical measurement technology, applied technology, and have the application of a certain value and practical significance.Key words: The local calibrating; Low-voltage Watt-hour meter; Microprocessor目次1 引言31.1 研究背景31.2 研究现状42 总体设计方案52.1 技术要求52.2 方案论证62.3 总体方案73 硬件电路设计83.1 单片机的选择及外围电路设计83.2 光电采样器的选择及接口电路103.3 电流互感器的选择与连接123.4 电压互感器的选择与连接133.5 电能计量芯片153.6 显示接口电路设计193.7 键盘接口电路设计213.8 电源电路设计224 软件设计234.1 主程序设计244.2 中断服务程序设计254.3测量误差程序设计25结论26致谢27参考文献28附录：电能计量 光电检测、键盘、显示及单片机外围电路设计图311 引言1.1 研究背景 电能是各类能源中使用最为广泛的能源，与国民经济的发展和日常生活有着不可分割的联系，随着人民生活水平的不断提高，家用电器越来越普及，每户居民的用电量也大大增加，因此每户居民每月的电费支出也大幅度地增长；随着社会市场经济的发展，新兴工业犹如雨后春笋，用电量大大增加。部分电力用户为了多用电少交电费，采取各种方法窃电，其主要方法是通过调慢电能表，使电能表显示的用电量比实际的用电量少，给国家造成了很大的经济损失。针对上述现象，供电部门采取多种方法对用户的电能表进行定期或不定期的校验或检查，采取的方法主要有：(1) 用钳形电流表、秒表现场检测电能表的快慢。用秒表实测电能表每转时间T1；查看电能表铭牌上标明的常数，算出电能表每转1转所需电能，然后用钳形电流表测量电流求出有功负荷P，电能表每转1转所需电能与有功负荷之比得到的时间即为电能表每转所需时间T2。通过T1与T2的比较，就可以判断电能表是否正常工作，从而达到检测目的。(2) 通过检验电能表的外观，确定电能表有无破坏痕迹。这种方法包括：1) 检查电能表表壳、封铅、封条是否完好，表壳是否过热变形，有无微小孔洞及铁丝；2) 检查电能表接线盒是否封闭完好，进出线是否紧固，电压连接片是否压紧。3)核对电能表铭牌上的型号、出厂编号及所计量负荷性质等是否与抄表卡相同，若不符即有窃电行为。4) 针对用户窃电的无线报警形式的电能计量保护监测系统。该系统由监测分机和主机两部分组成，当发生某种窃电现象或者计量装置遭到破坏偷盗时，分机将发出包含有本计量箱编号，窃电方式及盗窃破坏方式等信息的无线信号，主机收到后经过识别、处理发出声光报警。该系统经过实际使用，具有较好的防窃电保护电力设施的作用。(3) 在被测电能表电路中接入标准电能表，然后对被测表和标准表同时采样进行比对。(4) 采用专门的检测仪器对电能表进行校验。这种方法分为两种形式，一种方法是将电能表从供电线路上拆下，利用实验室的电能表校验台对电能表进行校验，另一种方法是不拆下电能表，利用电能表现场检测仪器对电能表进行现场校验。电能表的现场检验因不影响用户用电而被供电部门广泛采用，随着计算机技术的发展，供电部门迫切需要一种携带方便，操作简单，计量准确的单项电表检测仪，用于用户低压电能表的现场检验。1.2 研究现状电能表的校验是否准确，取决于有功功率的测量是否准确，有功功率的测量属于电气测量范畴，在电气测量方面，国内外已有大量的研究成果，就测量方法和采用的技术手段综述如下。采用的技术手段上，一是采用微型计算机加数据采集卡，二是采用微处理器结合自行设计的数据采集通道。在互感器的选择上，一是在供电电路中接入固定式的电压互感器和电流互感器。二是电压互感器采用固定式，接线端使用线夹，电流互感器采用钳形互感器6。固定式互感器中磁路是封闭的，因而具有较好的线形和较小的相移，可以得到较高的精度。但需要停电接线，不便于现场检测。电压互感器采用固定式，接线端使用线夹，电流互感器采用钳形互感器，现场不用接线。固定式互感器的优点是显而易见的，采用线夹后可直接加在供电线路的母线上，避免了现场检测需要停电接线的麻烦。但钳形电流互感器的接触面存在空气间隙，使互感器磁路的磁阻显著增大，且随工况不同呈现非线形，使互感器的线形变差，且相移较大，给功率因数的测量带来影响，为了弥补这一缺陷，对结果采用分段线性化处理，可以提高测量精度。在有功功率的测量方面，一是采用真有效值转换，分别测量出电压、电流和功率因数，利用微处理器计算出功率。二是采用有功功率专用测量集成电路，直接测量出有功功率。三是利用各种数字式的电量传感器，测量出电压、电流、功率因数或直接测量有功功率。采用有功功率专用测量集成电路即专用电能计量芯片，直接测量出有功功率，测量方便，软件开销小，硬件电路简单。 2 总体设计方案2.1 技术要求本课题以MCU为核心，利用光电采样器对被测电能表进行采样，同时采用互感器及电能计量专用芯片对电能进行实时计量，利用单片机较强的运算功能，计算出被测电能表的误差，以检验电能表计量是否准确。具体要求如下：(1).电量测量范围：电压220VAC，电流040A，单相；(2).检验对象：单相电能表；(3).测量误差：0.5%FS；(4).测量方式：不拆线不断电；(5).方便野外使用，强阳光下可清晰显示；(6). 220VAC供电。2.2 方案论证按照上述技术要求，系统应由互感器、有功功率测量通道、光电采样器、单片机、显示器和键盘几部分组成。系统组成图如图2.1所示。图2.1系统组成图利用互感器将供电电路的电压、电流转换为弱电信号，计算机通过有功功率测量通道对电参数进行实时采集并计算出电能，通过光电采样器对被测电能表进行采样，从而计算出被测电能表的相对误差。(1) 互感器方案一：在供电电路中接入固定式的电压互感器和电流互感器。固定式互感器中磁路是封闭的，因而具有较好的线形和较小的相移，可以得到较高的精度。但需要停电接线，不便于现场检测。方案二：电压互感器采用固定式，接线端使用线夹，电流互感器采用钳形互感器，现场不用接线。固定式互感器的优点是显而易见的，采用线夹后可直接加在供电线路的母线上，避免了现场检测需要停电接线的麻烦。但钳形电流互感器的接触面存在空气间隙，使互感器磁路的磁阻显著增大，且随工况不同呈现非线形，使互感器的线形变差，且相移较大，给功率因数的测量带来影响。根据上述分析，结合低压电能表进行现场检验的特点，确定采用方案二。因要测量电压和电流，故需要一只电压互感器和一只电流互感器。(2) 有功功率测量通道方案一：采用有功功率专用测量集成电路。专用电能计量芯片，直接测量出有功功率。测量方便，软件开销小，硬件电路简单，对测量结果采用分段线性化处理，提高测量精度。方案二：采用真有效值转换电路，分别测量出电压、电流和功率因数，利用微处理器计算出功率。便于对钳形互感器带来的相移进行修正或补偿，但电路较为繁琐，软件开销量较大。根据上述分析，确定采用方案一，有功功率测量通道由既是专用电能计量芯片。(3) 显示器方案一：采用LED显示器，即数码管显示。传统的数码管具有：低功耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度要求比较高，称量快，精确可靠，操作简单。数码管是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。方案二：使用液晶显示屏显示各种信息。液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等优点。LCD符合本设计系统的要求，利用其自带的字符库，进行编程还可以实现各信息的显示，即节省资源又省去了大量编程任务，且在强光照射下的户外进行检测时，LCD可清晰地显示数值。根据上述分析，本设计系统采用方案二。2.3 总体方案根据上述方案论证，系统总体方案方框图如图2.2所示。图2.2 总体方案方框图被测电能表通过光电采样器进行检测。光电采样器是由光发射管、光敏接受管及整形电路组成。低压电能表的转盘均有一小部分为涂黑的区域，这部分区域对光的反射能力较弱，而未被涂黑的区域则对光的反射能力很强。当光发射管发射的光经聚焦后照射到转盘上，在未被涂黑的区域，反射到光敏接受管，经整形后输出低电平；在涂黑的区域没有反射光，光电采样器输出高电平。这样电能表的转盘每转一转就输出一个正脉冲，从第一个脉冲开始到第N+1个脉冲止，电能表的转盘共转过了N转，已知电能表的转盘数B及配用电流互感器的互感比H，则电能表在转盘转过N转后所计量的电能如公式（2-1）所示。W1 = N H/B （2-1）实时检测部分的主要作用是利用图2.2中设计的单元电路对电参数进行实时检测，从而得到实际的有功功率。其过程如下：首先对电压和电流进行测量，然后把测量值送入CS5460芯片，每次采样后，利用单片机较强的运算功能，计算出本次采样周期内消耗的电能W2i，则被测电能表的转盘转过N转后的实际电流，如公式（2-2）。W2 = W2i （2-2）显示部分主要用于显示电能表的相对误差，从误差的精度判断电能表是否正常工作。显示部分的选择有一定的要求，要考虑其显示的位数是否满足要求，是否便于携带，在强光照射下是否可以清楚读数。键盘部分具有手动测量功能和自动测量功能。手动测量在被测表的转盘不光洁或涂黑区域脱漆时使用。当手动键按下时，清零定时器T1及ti计时单元，开始W2的累加，当转盘转过N转时再次按下该键，则通过单片机计算出的r值送到LCD显示。自动测量键在任何时刻按下后，当第一个脉冲到来时，清除定时器T1及ti计时单元，开始W2的累加，当第N+1个脉冲到来时，计算r值并显示。3 硬件电路设计3.1 单片机的选择及外围电路设计(1) 单片机的选择PIC系列单片机是Microchip公司生产的16位单片机，集成了CCP捕捉，PWM脉宽调制等功能，但是它单价较贵，又是精简指令集，给编程带来不便。ATEML公司的AT89C51单片机算术运算功能强大，变成灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。基于以上分析本设计系统采用ATEML公司的AT89C51实现设计要求。1）AT89C51的简介AT89C51是低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8K字节的可反复擦写的制度程序存储器（PEROM）和256字节的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理（CPU）和Flash 存储单元，3个16位定时/计数器。2）主要性能参数：. 与MCS-51系列产品指令系统完全兼容. 4K字节可重复擦写Flash闪速存储器. 1000次擦写周期. 全静态操作：0Hz-24Hz. 三级加密程序存储器. 128 X 8字节内部RAM. 32个可编程I/O口线. 2个16位定时/计数器. 6个中断源. 可编程串行UART通道. 低功耗空闲和掉电模式3）功能特性概述：AT89C51提供以下标准功能：4 K字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32根I/O口线，两三个16位定时/计数器，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。(2) 单片机外围电路设计AT89C51系列单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟，外部还需要附加电路。本设计选择AT89C51的内部时钟方式。其内部时钟方式利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就够了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路，见图3-1-1。外接晶振时，C1和C2值通常选择为30pF左右；外接陶瓷谐振器时C1和C2约为47pF。C1、C2对频率有微调作用，晶体或陶瓷谐振器的频率范围可在0MHz24MHz/33MHz之间选择。为了减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机靠近。复位是单片机的初始化操作，单片机在启动运行时，都需要先复位，它的作用是使CPU和系统中其他部分都处在一个相同的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的整个复位电路包括芯片内、外部分，外部电路产生的复位信号通过复位引脚RST进入片内斯密特触发器在与片内复位电路相连。单片机的外部复位电路由上电自动复位和按键手动复位两种。上电复位利用电容器充电来实现；在按键手动复位中本设计采用按键电平复位。(3)AT89C51硬件电路设计的电路图如图3.1所示。图3.1 单片机外围电路设计图3.2 光电采样器的选择及接口电路3.2.1 光电采样器的选择光电采样技术在我国电度表校验上应用大约有近三十年的历史，在这段时间里随着计量表计的精度及计量装置自动化程度的提高，光电采样器也有了较大的改进。光电采样器的物理基础是光电效应，它通常是由光源、光通道、光电转换器件和测量电路四部分组成。如图3.2所示。 图3.2 光电式传感器的组成基于本设计系统的精度要求，一般地光电采样器无法解决因为工作时间较长、在电度表盘形成的锈斑或表面毛刺，引起的误脉冲的问题，给校表工作带来了极大的不便。由于以上原因,对于本设计系统，GST-4光电采样器非常适合本设计要求。GST一4型光电采样器采用双光点平行式安装，判断电路的新型采样方式，克服了以往的采样缺陷。(1) GST一4型光电采样器的原理GST一4的光学结构不同于普通光电采样器，它采用的是两个发射光，两个接收光点及一个亮度较弱的参照光点对光，这样就大大减少对光中的盲目性，只需把三个光点调成一条直线，对光即告完成。GST一4型的光电系统见图，它是由两个发光器件F1 、F2和两只光敏接收元件Sl、S2，以及一只对光管G组成。如图3.3所示。图3.3 光电系统 从图中可以看到F1、F2之间的距离为d，这样就能保证射出的光点在铝盘上有一个距离为dl且dld。根据经验把d设计为5mm，这样对铝盘5mm内的光斑均不会产生脉冲。在图3.3中Sl、S2为接收管，G为对光点，在对接过程中，只需调动手轮，使三个光点在铝盘上，成一直线，就告完成。这种从上面发射，下面接收的光路，打破了传统光电采样器的在同一水平面上左发射，右接收的方式，保证了有两条反射光路在Sl，S2上成像，使光电采样器感光更简单。(2) GST一4光电采样器的优点GST一4型光电采样器采用双光点对光、发光、接受，平行式安装采样参照对光光点以及专用的反射光线成像系统和专用数字电路，它除无需调整之外，主要有以下优点：1) 对光速度快：因采用专用光线反射成像系统和参照对光系统，只需将三个光点调成一条直线就完成了对光过程。2) 基本上排除所有干扰：产生干扰无非是铝盘的锈斑和毛刺，本产品从光路和电路两方面对抗干扰作了合理的设计，可抗除5mm的斑点和毛刺。3.2.2 光电采样器设计电路(1) 光电采样器的基本设计电路如图3.4所示。图3.4 采样器基本电路(2) 光电采样器接口电路设计如图3.5所示。图3.5光电采样器接口电路图光电采样器有三个引脚，一个为接+5V电压的电源引脚，一个为接入单片机的输入接口，另一个为接地的端子。3.3 电流互感器的选择与连接3.3.1 电流互感器的选择电流 互 感 器实际上就是一个“降流”变压器。在测量中，一般规定它的二次绕组的额定电流为5A。其主要特点是:它 的 一 次 绕组的匝数比二次绕组少得多，并且串于一次电路中。有些电流互感器仅有铁芯和二次绕组，测量时将被测电路的导线直接穿过铁芯。这些电流互感器称为穿心式互感器。一次绕组中的电流几完全取决于一次电路中的负载电流，而与二次侧无关。电流互感器有固定式与钳形供电互感器几种。在供电电路中接入固定式的电流互感器，其优点是固定式互感器中磁路是封闭的，因而具有较好的线形和较小的相移，可以得到较高的精度，但需要停电接线，不便于现场检测电流。采用钳形互感器，现场不用停电接线，避免了现场检测需要停电接线的麻烦。考虑到方便检测这一问题，我们选择钳形电流互感器。本设计中，钳形电流互感器采用哈尔滨三达德公司生产的MG8系列钳形电流互感器Q8A型，外型如图3.6所示。(1) 其主要参数如下：1) 一次电流: 10A；2) 二次电流: 10mA；3) 等级: 0.1级；4) 负载: 4。(2) 测量方法及要求：测量前应估计被测电流的大小，选择适当的量程，对被测电流大小不好预测时，应将量程开关置于最高档，然后根据测量值的大小，变换到合适量程。适用于10A以下电缆的在线测量。Q8A型要求负载4(mA输出)，在本设计中选用的负载为3。图3.6 Q8A型电流互感器3.3.2 电流互感器的连接电流互感器的连接如图3.7所示。图3.7 电流互感器设计电路根据此型号电压互感器的要求，接入负载为3的电阻来实现此要求。3.4 电压互感器的选择与连接3.4.1 电压互感器的选择电压互感器的工作原理与变压器相同，构造和连接方式也相似。电压互感器的主要特点是容量很小，最大不过数百伏安。它的另一特点是二次测所接的测量仪表和继电器电压线圈阻抗很大，接近于空载状态下运行。在本设计中电压互感器采用固定式，接线端使用线夹。此种方法没有改变电压互感器本身固有的特性，接线端使用接线夹，也免去了拆线的麻烦，便于现场使用。本设计采用山东力创科技有限公司生产的LCTV3JCF系列微型精密电压互感器,其主要资料如下。(1) 其主要参数 1) 额定输入电压：220VAC；2) 额定输出电压：0.5VAC；3) 额定点角差：5；4) 过载倍数：1.2。5) 误差线性度：0.1L(2) 电压互感器的特点1) 体积小，精度高；印刷线路板直接焊接安装，使用方便，外形美观；2) 全封闭，机械和耐环境性能好，电压隔离能力强，安全可靠。(3)使用环境条件1) 环境温度：-40+85；2) 相对湿度：温度为40时不大于90%。(4)工作频率范围：20Hz20KHz。(5)绝缘耐热等级：B级（130）(6)安全特性 1) 绝缘电阻：常态时大于1000M；2) 抗电强度：可承受工频2500V/1分钟；3) 阻 燃 性：符合UL94-Vo级。(7) LCTV3JCF系列微型精密电压互感器外型如图3.8所示。图3.8 LCTV3JCF系列微型精密电压互感器3.4.2 电压互感器的连接电压互感器的连接如图3.9所示图3.9 电压互感设计电路3.5 电能计量芯片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。芯片被初始化后开始工作，电流和电压通道的采样信号被片内可调增益放大器放大，经内部转换器（16位分辨率、2kHz信号带宽）转换为数字信号，再通过高通滤波器消除直流成分后送到能量计算引擎中，算出功率和能量值并存入CS5460的内部寄存器中，然后通知CPU将功率和能量值取走，同时芯片也直接输出可编程的频率脉冲来表示能量。3.5.1 CS5460芯片有如下功能特点(1) 在-40+85温度范围内的计量准确度为0.1，支持0.2级电表设计，可大幅度降低电表的例行检查和校准的要求。(2) 具有电流、电压两个输入通道,可测量正、负输人信号。电流通道包括一个可编程增益放大器, 可以直接测量电流经采样转变成的30mV或150mV的输人信号；电压通道带有测量放大器, 可直接测量150mV的输入信号。其电流与电压通道间的相位误差可内部数字校准, 可以使用单5V、10电源供电。(3) CS5460的内部电路可进行大部分的计算工作，使其对外部微控制器功能的需求降到最低。(4) 具有片内看门狗定时器（Watch Dog Timer）与内部电源监视器；(5) 具有瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电流有效值、电压有效值、功率有效值测量及电能计量功能；(6) 提供了外部复位引脚；(7) 双向串行接口与内部寄存器阵列可以方便地与微处理器相连接；(8) 外部时钟最高频率可达20MHz；(9) 具有功率方向输出指示。这些增加的功能更加便于与微处理器（MPU）接口，并能方便地实现电压、电流、功率的测量和用电量累积等功能。 3.5.2 基本结构与技术指标(1) 内部结构CS5460内部集成了两个-A/D转换器、高、低通数字滤波器、能量计算单元、串行接口、数字-频率转换器、寄存器阵列和看门狗定时器等模拟、数字信号处理单元。(2) 引脚排列及功能CS5460的引脚排列如图3.10所示。图3.10 CS5460芯片引脚排列图XOUT（Pin 1）：晶体振荡器输出；CPUCLK（Pin 2）：CPU时钟输出；VD+（Pin 3）：数字电路电源正极；DGND（Pin 4）：数字地；SCLK（Pin 5）：串行时钟输入；SDO（Pin 6）：串行数据输出；CS（Pin 7）：片选；NC（Pin 8 、Pin 18）：空脚；VIN+（Pin 9）：差分电压正输入端；VIN-（Pin 10）：差分电压负输入端；VREFOUT（Pin 11）：参考电压输出；VREFIN（Pin 12）：参考电压输入；VA-（Pin 13）：模拟地；VA+（Pin 14）：模拟电源正极；IIN-（Pin 15）：差分电流负输入端；IIN+（Pin 16）：差分电流正输入端；PFMON（Pin 17）：电源掉电监视输出；RESET（Pin 19）：复位输入；INT（Pin 20）：中断输出；EOUT（Pin 21）：电能脉冲输出；EDIR（Pin 22）：功率方向指示输出；SDI（Pin 23）：串行数据输入；XIN（Pin 24）：晶体振荡器输入。 (3) 主要技术指标1) 差分电压输入范围：150mV；2) 温度系数：60ppm/3) 功率消耗：10mW；4) 电能计量精度：在300动态范围以上每秒读取0.1;5) 电压测量精度：读数的0.1;6) 电流测量精度：读数的0.1;7) 瞬时功率测量精度：读数的0.1。 3.5.3 串行接口及其操作(1) 串行接口CS5460的串行口包括4条控制线：CS、SDI、SDO、SCLK，如果片选CS直接与逻辑0相连接，则只需要3条线就可以完成串行口的操作，通过实验还发现，如果将串行数据输入SDI和串行数据输出SDO连在一起，同样可以进行串行通读，而且仅需要两条接口线，这对于使用AT89C1051和AT89C2051的系统是极为有利的。一个数据的传输总是从向串行接口的SDI发送8位命令开始的，当命令中包括一个写入振作时，在其后的24个SCLK周期内，串口将持续从SDI引脚读入串行数据。当发出一个读取命令时，串口将根据发出的命令，在其后的 8、16、24个SCLK周期从SDO引脚上串行输出寄存器内容。(2) 内部寄存器分配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、串行口接收寄存器和一个命令解释状态机，这些寄存器用来完成对 CS5460的设置、采集数据的存储和串行输入输出的控制。在系统初始化或复位后，CS5460内部寄存器初始化为以下状态。1) 配置寄存器：0X0000012) 偏置寄存器：0X0000003) 增益寄存器：0X4000004) 脉冲速率寄存器：0X0FA0005) 周期计数寄存器：0X000FA06) 时基寄存器：0X8000007) 状态寄存器：0X0000018) 屏蔽寄存器：0X0000009) 有符号寄存器：0X00000010) 无符号寄存器：0X000000 (3) 命令解释及操作对CS5460的操作是通过向其传输命令字来实现的， CS5460提供了寄存器的读/写和校准控制等在内的7个操作命令，所有的命令长度均为1个字节（8位）。命令状态机在SCLK 的上升沿解释8位命令字，它将命令字解释为公认的标准，同时为数据的传输作好准备。寄存器读/写命令：这个命令通知状态机需要对寄存器进行访问，在8个SCLK时钟周期内，地址寄存器的读取被加载到输出缓冲区，在第24个SCLK时，写人数据被传输到输入缓冲区。其中：W/R：写入/读取控0=读取寄存器1=写入寄存器RA0RA4：寄存器地址位 (4) CS5460与AT89C51的连接电路CS5460与AT89C51的连接电路如图3.11所示。图3.11 CS5460与AT89C51的连接电路3.6 显示接口电路设计3.6.1 显示器的选择智能仪常用的显示器有发光二极管显示器LED、液晶显示器LCD等。传统的数码管具有：低功耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时期精度要求比较高，称量快，精确可靠，操作简单。数码管是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。但是，本系统要求的精确度高，且要显示出正负数值，故要使用大量的数码管；使用液晶显示屏显示各种信息，液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等优点。LCD符合本设计系统的要求，利用其自带的字符库，进行编程还可以实现各信息的显示，即节省资源又省去了大量编程任务，且在强光照射下的户外进行检测时，用LED看不清楚读数，而LCD则克服了此缺点。LCD一般分为3类，即段码型液晶模块、点阵字符液晶模块、点阵图形液晶模块。在微控制器试验系统中，使用的是点阵字符液晶模块LCD1602。LCD1602液晶显示模块，它可以显示两行，每行16个字符，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。LCD的控制方法如表3.1所示表3.1 LCD1602的控制表RSR/WE功能00下降沿写指令代码01高电平读标志和AC码10下降沿写数据11高电平读数据主要管脚介绍：V0：液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高。RS：寄存器选择，高电平时选择数据寄存器；低电平时选择指令寄存器。R/W：读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址；当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。E：使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。3.6.2 显示器接口电路设计LCD1602在设计时采用+5v的驱动电源电压，其输入、输出的数字信号受单片机的P37口的控制，根据所需要求选择信号流向。通过显示器，将该设计所求的精度结果显示出来，这样举可以判断低压电能表是否正常工作。LCD1602显示接口电路设计如图3.12所示。图3.12 LCD1602显示接口电路3.7 键盘接口电路设计3.7.1 键盘的数目及功能确定在微控制器应用系统中，通常都要有人机对话功能。它包括人对应用系统状态的干预、数据的输入以及应用系统向人报告运行状态与运行结果。对于需要人工干预的微控制器系统，键盘就成为人机联系的必要手段，此时需要配置适当的键盘输入设备。键盘电路的设计应使CPU不仅能识别是否有键按下，还要能识别是哪一个键按下，而且能把此键所代表的信息翻译成计算机所能接受的形式，计算机所用的键盘有编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与按键对应的编码。在微控制器试验系统中，键盘接口分为两种接口方式，即独立式和矩阵式按键。本设计系统相对来说较为复杂，按键要求较多，方便起见，选择4*4的矩阵式键盘，该键盘一部分为数字按键，另一部分为功能按键。为了识别键盘上的闭合键，常用的键码识别方法有行扫描法、行反转法及行列扫描法等。本设计对键盘没做太多要求，所以，采用行扫描方法。行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，行扫描法识别按键的基本原理是：先将所有的行线置0，读列线的值，若此时列线上的值全为1，说明无键按下。若有某位为0，则说明对应这一列上有键按下，这时改变行扫描码，使行线逐行为0，依次扫描。当读到某一列线的值为0时，就可根据此时的行扫描码和列线的值唯一地确定按键的位置，同时也就确定了该键的扫描码。本设计系统就用到了行扫描法。3.7.2 键盘电路设计在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图3.13所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口就可以构成4*4=16个按键。并且列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。图3.13 矩阵式键盘此矩阵式键盘根据设计要求，设置了功能键与数字键。功能键主要是启动键、手动按键、自动按键。启动按键要单片机处于待命状态；手动按键要人自己控制时间，计算出误差值；自动按键在设定时间内完成误差计算。数字键用于所测电能表型号选择。各按键所代表的具体功能如下：S1S10：数字键；S11：启动测量键；S12：停止测量键；S13：电能表盘转数输入；S14：确认键；S15：参数查看见；S16：测量转数输入。3.8 电源电路设计我们本次的系统设计中使用的直流电源是正5V直流电源，供MCU及其外围电路、电能计量芯片、光电采样器、显示器、键盘接口电路使用。如图3.14所示电路为输出电压+5V的稳压电源。它由电源变压器B，桥式整流电路D1D4，滤波电容C1、C3，防止自激电容C2、C3和一只固定式三端稳压器(7805)极为简捷方便地搭成的。 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D1D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过LM7805的稳压和C3的滤波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。本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，是目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。 图3.14电源电路图4 软件设计软件是系统的灵魂，软件的灵活性和强大性将在系统中明显的体现出来，是判断系统的优良与否的主要标准之一。设计软件采用模块化设计方法。系统按照不同的功能予以划分，然后按一定的用途分别编写、调试，最终将所有模块调试成功后，将其各个模块拼接构成为单项电表检测仪系统的软件部分。模块化编程方式有利于程序代码的优化，而且便于设计、调试和维护。4.1 主程序设计主程序的主要功能如下：(1) 对单片机系统进行初始化；(2) 显示器初始化；(3) 电能计量芯片初始化；(4) 内存单元附初值；(5) 进行键盘扫描，检测各功能键的闭合情况，并执行相应的子程序。主程序流程图如图4.1所示。图4.1 主程序流程图4.2 中断服务程序设计中断是通过硬件来改变CPU程序运行的方向。程序在执行过程中由于外界的原因而被中间打断的情况称为中断。中断之后所执行的处理程序，称为中断服务程序。本设计主要是键盘中断。流程图如图4.2所示。图4.2中断服务程序流程图4.3 测量误差程序设计测量误差流程图如图4.3所示。图4.3 测量误差流程图测量误差过程主要是判断电能表的相对误差是否在要求范围内，从而判断其是否正常工作。结论 经过一个学期的努力，毕业设计终于完成了。在作毕业设计的过程中，我真正的了解到了自己掌握所学知识的情况，通过这段时间毕业设计的锻炼，我的理论知识得到了很大的改进。本次毕业设计的内容涵盖了电子、控制、软件等几方面的知识，。这期间，我完成了的基本硬件设计及软件程序设计，基本实现了预期的目标。基于系统实现的主要内容有：(1) 对低压单相电能表进行现场采样，使用了光电采样器、电压互感器和电流互感器，把采样值输入电能计量芯片，然后由单片机计算分析被测电表是否准确，若电表计量不准确计算其相对误差；(2) 对用电线路进行检测，主要是电压互感器和电流互感器对其实施检测；(3) 通过LCD显示判断结果和相对误差，判断其精度是否达到要求，即电能表是否正常工作；(4) 在本设计中大量使用了单片机的知识。本次毕业设计，我感到收获很大，在设计过程中，遇到了很多在没有遇到过的问题，在老师与同学的帮助下，都得到了妥善解决。致谢在本课题的整个研究过程中，我始终得到了指导老师和同学的关心和帮助，使得我可以不断地克服困难，解决问题，顺利地完成毕业设计。在此，我要特别地感谢我的指导老师，他在课题的研究过程中给自始至终都得到了导师副教授热情、耐心的指导和帮助。老师对本课题的研究设计给予极大的关注和支持；同时老师那治学的严谨态度、广博的知识面和丰富的研究经验以及敬业的精神给我留下深刻的印象，使我受益菲浅，在老师的指导下，我的毕业设计达到了预期的目标。他总是在关键时刻启发和开拓我的思路，保证了课题研究的顺利进行。在毕业设计阶段，老师从许多方面给予了我无微不至的关心和帮助，使我的自我学习能力有了很大的提高，为以后的工作和学习打好了基础，在此表示衷心的感谢。参考文献1 张迎新单片微型计算机原理、应用及接口技术（第2版）M北京：国防工业出版社，20042 康华光电子技术基础-模拟部分（第四版）M北京：高等教育出版社，20003 康华光电子技术基础-数字部分（第四版）M北京：高等教育出版社，20004 陈卓娅，秦楠 等电能计量装置远程在线检测系统的设计与实现J电