多功能预付费单相电能表设计

中文摘要摘 要随着国民经济的迅速发展，社会用电量日益增加，传统意义上的感应式机械电能表已经渐渐地跟不上社会的步伐，给供电管理部门的集中管理带来诸多不便。本文采用专业电能计量芯片,以单片机为系统核心，设计了一款多功能预付费单相电能表，有效地解决了偷电、漏电、管理混乱、人工抄表等诸多问题。本文主要完成以下设计:1. 选用高精度防窃电电能表专用电能计量芯片RN8209和NEC系列单片机UPD78F0526，完成电表计量部分和主控电路的设计；2. 电源模块为电能表各模块提供电源，直接采用变压、整流、稳压的方法完成电源部分的设计；3. 通信模块是电能表与外界设备进行数据交换的场所，本文完成485通信和红外通信的设计；4. 同样是采用模块化的方法，完成数据存储模块、显示模块、时钟模块和电能采样模块的研究与设计；5. 根据电能表系统的功能，给出相应的软件流程设计。通过多功能预付费单相电能表的硬件电路和软件流程的设计，实现了电表的基本功能。关键词：多功能预付费电能表，单片机，电能计量芯片，模块化，软件流程I英文摘要AbstractAlong with the national economy rapid development, the social electricity consumption increases day by day, in the traditional significance induction-type mechanical electrical energy table already gradually could not follow the social step, brought many inconveniences for the power supply control sections centralized management.This article in a professional energy metering chip, to form the core for the system, designed a multi-purpose prepaid single-phase power, effectively to address the electricity, leakage, poor management, and artificial meter, and many other issues.In this paper, complete the following design:1. Selects the high accuracy to guard against steals electricity electrical energy table special-purpose electrical energy measurement chip RN8209 and NEC series monolithic integrated circuit UPD78F0526, completes the electric instrument measurement part and the master control electric circuit design;2. The power source module provides the power source for the electrical energy table various modules, uses the live pressure, the rectification, the constant voltage method directly completes the power unit the design;3. Communication module is a device for data exchange with the outside world for electric energy meter site, this article is complete and 485 communications infra-red communication design; 4. The same modular approach to complete the data storage module, display module, clock module and power sampling module research and design;5. According to the electrical energy table system function, gives the corresponding software flow design.Through the multi-purpose pre-payment single-phase electrical energy table hardware electric circuit and the software flow design, has realized the electric instrument basic function.Keywords: multifunction prepaid energy meter, microcontroller, energy measurement chip, modular, software processII目 录目 录摘 要IAbstract(英文摘要)II目 录III第一章 绪 论1 1.1 智能电能表背景介绍1 1.2 智能电能表的特点1 1.3 智能电能表的研究现状及趋势2 1.4 多功能预付费单相智能电能表的工作原理及功能31.4.1 多功能预付费单相智能电能表的工作原理31.4.2 多功能预付费单相智能电能表实现的功能3 1.5 课题研究的主要内容5第二章 电能计量的基本原理6 2.1 功率理论中的电参数的定义及计算62.1.1 瞬时功率62.1.2 有功功率、无功功率与视在功率6 2.2 电能计量中的功率计算7第三章 系统硬件设计8 3.1 多功能预付费单相智能电能表的总体结构8 3.2 微处理器UPD78F05269 3.3 信号采样模块11 3.4 电能计量模块12 3.4.1 电能计量芯片RN8209功能简介12 3.4.2 电能计量芯片RN8209的引脚13 3.4.3 电能计量芯片RN8209的工作原理143.4.4 电能计量芯片RN8209及其外围电路14 3.5 时钟模块电路15 3.5.1 RX8025T时钟芯片的引脚163.5.2 RX8025T时钟芯片接口电路16III3.6 数据存储模块173.6.1 AT24C256存储器的特性173.6.2 AT24C256存储器的引脚描述183.6.3 存储器模块电路183.7 液晶显示模块19 3.7.1 液晶驱动BU9792的特点19 3.7.2 BU9792的引脚配置及功能19 3.7.3 液晶显示模块电路203.8 RS485通信模块21 3.8.1 RS485通信接口21 3.8.2 MAX3085通信接口芯片22 3.8.3 RS485通信模块电路223.9 红外通信模块23 3.9.1 红外通信原理23 3.9.2 红外通信模块电路233.10 载波通信模块24 3.10.1 载波通信模块电路243.11 电源模块253.12继电器控制模块26第四章 系统软件设计27 4.1 主程序27 4.2 系统初始化程序28 4.3 电能数据计量和处理程序29 4.4 实时时钟读写程序30 4.5 数据存储模块程序30 4.6 通信模块程序31第五章 电能表系统的电磁兼容性设计33 5.1 智能电能表系统的干扰源33 5.2 智能电能表的电磁兼容性设计33IV第六章 结 论35参考文献36致 谢37V第一章 绪 论第一章 绪 论1.1 智能电能表背景介绍 改革开放以来国家经济水平呈迅猛增长之势，对能源的要求越来越高，电力能源在国家发展中的地位已是举足轻重。在居民用电这一方面，随着居民生活水平和生活质量的不断提高和日益改善，人们日常工作和生活对电力的需求也与日俱增。可问题在于当前用电管理部门在对居民用电的管理方法上存在太多缺陷，多年来用电管理部门都是采用传统的收费操作模式，即派专人上门抄写居民这一个月来的用电数据并统计计算然后通知用户缴纳应缴用电费用。居民用电基本上都是实行“分表制”，即多个用户（一个单元或一座居民楼）安装一个总的电表，每个用电用户再使用一个分电表计量自家用电量，用电管理部门抄表人员去各个用户上门抄表，计算每家应缴纳的电费。这种传统人为的用电管理操作模式存在着相当大的弊端：一方面抄表人员上门抄表会给用电居民（尤其是小区楼房居民）带来诸多不便，影响居民日常工作和生活；另一方面这种传统的用电管理操作模式消耗大量的人力、物力，工作效率低，加大了国家的资源浪费，而且人工抄表的方式会存在估抄、错抄、漏抄及抄表不到位等诸多问题，更没有办法预防窃电现象。我国长期以来基本上都是使用传统的感应式机械电能表对用电用户的用电量进行计量，但是这种电能表功能比较单一（即只能完成用电量计量）而且采用人工抄表方式，已不能满足社会快速发展的需求。所以要想让居民合理安全的用电，对传统的用电管理操作模式及电能表进行改造势在必行，以适应社会大步发展的需求。1.2 智能电能表的特点 正是基于上述背景，智能电能表应运而生。一个完整的智能电能表是由电能采样模块、电能计量模块、数据处理模块、数据存储模块、电源模块、显示模块、通信模块等组成，并且能实时、精确地测量多种电参数（如用电量、电压、电流等）。智能电能表在收费方式上采用预付费方式，并能对用户用电进行相关控制，比如当表内剩余金额不足时，系统就会自动报警提示用户续费买电，以保证用户的正常工作和生活用电。显而易见，智能电能表不存在感应式机械1电能表的那些缺陷，而且在很多方面都有着较为显著的优点： 1. 体积小；采用电子式电路形式取代了传统电能表的机械结构，大大减小了电能表的整体体积。 2. 精度高；采用高精度智能处理器芯片作为整个电能表系统的核心，具有传统电能表无法比拟的高精度。 3. 功能多；智能电能表不仅具有电能计量功能，还有显示当前功率、电压、电流等诸多传统电能表不具备的功能。 4. 低功耗；智能电能表系统整体设计时均采用电子器件代替机械部件，电子器件都是以集成电路为核心，故可减少系统功耗。1.3 智能电能表的研究现状及趋势随着国家工业电力系统和相关产业的发展，电能表作为电能测量的专用工具，已经有着相当长一段时间的历史，被广泛应用于电力系统的各个相关环节。说到电能表的分类，按照不同的分类标准可以将电能表进行不同的分类。电能表可分为感应式电能表和电子式电能表两个阶段：1. 感应式电能表 感应式电能表的原理对我们来说比较熟悉,即电磁感应原理，简单来说就是利用金属铝转盘中感应的电流与通有交流电的固定线圈的磁场相互作用，用来产生驱动力矩驱动铝盘转动以驱动计数器进行计数，累计消耗掉的电能。渐渐地，科学技术不断地发展与进步，尤其是电磁学理论不断实现新突破并且应用到电能表的开发设计之中，广泛采用永久性磁铁产生固定磁场，铝盘切割磁通产生的感应涡流与磁场相互作用来产生制动力矩。感应式电能表技术相对比较成熟，结构较为简单，但也有它自身无法克服的弊端，感应式电能表本身是机械结构，无法克服机械磨损，随着使用时间的加长，其机械性能会逐渐下降，从而影响电能计量的精度。另外，感应式电能表在结构设计上也存在着缺陷，使得一些地区非法窃电现象比较普遍。2. 电子式电能表2 电子式电能表采用高精度的电能专用计量芯片，通过系统微处理器的控制及其外围各模块电路实现智能电能表的各种功能，如电能计量、分时计价、数据存储和显示等功能，它的优点在于精度高、可靠性好、功能多等。作为一种专用的电能计量表具，用户最关心的还是智能表计量的准确度和精度，因为电能表的计量准确与否直接关系到用电用户的切身利益。在智能电能表系统中，其电能计量部分主要涉及到的是功率计算，一般是通过电压通道与电流通道数值做乘法运算来实现的，我们通过乘法器来完成功率的计算。随着电能表相关技术的不断发展进步以及国家电力系统的快速发展，传统的感应式机械电能表已经不能满足电力系统飞速发展的需求。自从提出智能电网这一概念后其建设进程不断推进，智能电能表渐渐地取代了传统的感应式机械电能表并有完全将其取代的趋势，并且逐步向“模块化、智能化、系统化”方向发展。1.4 多功能预付费单相智能电能表的工作原理及功能1.4.1 多功能预付费单相智能电能表工作原理 多功能预付费单相智能电能表的基本工作原理是：被测交流电压和交流电流经采样模块采样后送到专用的电能计量单元，将模拟的电信号经模数转换成微处理器可以处理的数字信号，然后再将这些转化而来的数字电信号进行处理，数字电信号又转换成了与有功功率成正比的脉冲信号，得到的电脉冲信号被送入微处理器进行分时累计，根据正比关系得到总的用电量和分时用电量，由微处理器控制着将结果保存到数据存储器中或是送到显示模块显示出来。同时完成当前电压、电流、功率的显示以及远程通信。1.4.2 多功能预付费单相智能电能表实现的功能1. 预付费功能采用CPU卡来实现预付费功能，用户先到远程售电系统处购买电量充值到CPU卡中，然后再到智能电能表刷卡端刷卡将电量下载到表中，这就是预付费的精髓先买电后用电，当CPU卡中的余额不足时将自动断电。32. 计量功能智能电能表可以计量正反向有功电能，分为尖、峰、平、谷四个时段对电能进行分时计量并存储（可存储上12个月的总电能和各费率电能），由电力部门按不同的费率计算用电费用。3. 事件记录 单相多功能预付费智能表可以记录多种事件的发生时间及当时的状态，以便进行故障分析和判断。记录电能表上电的发生时刻，记录电能表清零事件的发生时刻及清零时的电能量数据，记录最近编程总次数，记录校时和掉电总次数，以及远程控制拉闸事件发生时刻和电能等数据。4. 冻结功能冻结功能就是将某一时刻之前的用电数据记录并存储下来等待抄表人员抄录。冻结功能包括不同的类型，比如定时冻结、日冻结和整点冻结等。5. 监控功能监控功能主要包括功率监控、失压监控和过流监控。对这三个电参数分别设定临界值，当参数值低于或高于所设临界值时，智能电能表系统就会报警提示并记录发生时间、发生累计次数和发生累计时间。6. 报警功能当电能表系统出现故障时，报警灯能立即给出报警提示，这时显示屏背光灯一直处于点亮状态。7. 显示功能能显示当前剩余电量、有功总电能，当前各费率时段总电能，当前电压、电流以及功率因数等。该智能电能表包括两种显示方式：自动循环显示和按键循环显示。8. 通信功能本设计中电表具有载波、RS485和红外通信三种通信方式。41.5 课题研究的主要内容本论文针对多功能预付费单相智能电能表的相关内容进行研究，主要研究内容有：1. 多功能预付费单相智能电能表的硬件电路设计，主要包括电能计量芯片及微处理器芯片的选择，及电信号采样、电能计量、数据存储、显示和通信等功能模块电路图的设计。2. 多功能预付费单相智能电能表的软件方面的设计，主要包括各功能模块的相关流程图的设计。3. 多功能预付费单相智能电能表抗干扰方面的研究。5第二章 电能计量的基本原理第二章 电能计量的基本原理电能可以定义为从电源流向负载的能量流。在国家电网公司的功能规范中，要求电能表具有计量正反向有功、无功电能的功。2.1 功率理论中的电参数的定义及计算2.1.1 瞬时功率设电源电压为u(t),电源电流为i(t),并且对负载做功，瞬时功率可定义为在某一时刻t，电源输送给负载的功率，其计算公式为： (2-1) 对于正弦电路， (2-2) (2-3) 其中，是电压信号与电流信号之间的相位差。 因此，在正弦电路中，瞬时功率为 （2-4）2.1.2 有功功率、无功功率与视在功率有功功率指一个周期内瞬时功率积分的平均值。在正弦电路中，有功功率的定义式为： （2-5）有功功率指电能做功消耗的功率，也被称为平均功率，指电路中电阻部分所消耗的功率。正如我们上文所述，电源除了给负载提供一个有功功率外，还要提供一个无功功率，该功率是非阻性负载（即感性负载与容性负载）消耗的功率，它只在电源与负载之间流动，实际上并不做功。6在正弦电路中，无功功率的公式定义为： （2-6）在电工技术中，将单口网络端电压和电流有效值的乘机称为视在功率，用公式表示即： (2-7)显然，在正弦电路中，有功功率、无功功率以及视在功率三者之间存在以下关系式： (2-8)2.2 电能计量中的功率计算从上面有功功率计算公式（2-5）知，要对有功功率进行计量，需要完成的运算有如下几方面： 1. 将电压信号与电流信号相乘得到瞬时功率。此运算需采用模拟或数字乘法器来完成。2. 根据瞬时功率计算公式（2-4），进行积分并求平均运算（式中第二项积分为0），结果为第一项的积分值，相当于一个低通滤波器的功能。所以，可以说该运算相当于一个低通滤波电路。3. 通过电能计量芯片中的脉冲发生器，将功率电信号转变成脉冲信号（即完成功率-频率转换），并把脉冲输出。4. 完成对脉冲信号的计数，也就是对功率的累计运算。电能计量的整体计算流程图如图2-1所示。乘法器低通滤波p/f转换脉冲累计图2-1 电能计量整体流程图7第三章 系统硬件设计第三章 系统硬件设计3.1 多功能预付费单相智能电能表的总体结构 在对智能电能表硬件系统进行设计时，采用模块化的设计方案。针对智能电能表的不同功能，可以将电能表分为若干个模块。这样，系统硬件部分整体结构包括下面几部分：电信号采样模块、电能计量模块、微处理器模块、数据存储模块、电源模块、时钟模块、液晶显示模块、485通信模块、红外通信模块、继电器部分等。系统总体结构图如图3-1所示。液晶显示 微处理器78F0526采样时钟电源 存储红外 485通信脉冲拉闸报警继电器图3-1 系统硬件整体结构框图1. 微处理器是整个智能电能表硬件设计部分的核心。它是智能电能表的大脑，控制着其他模块的工作状态，通过SPI和IIC总线方式与外围电路模块进行通信。本设计采用NEC系列微处理器UPD78F0526。2. 计量芯片是整个电能计量模块的核心部分，本模块使用高精度的专用电能计量芯片RN8209,完成对电压采样信号和电流采样信号进行的相关处理和运8算，实现功率测量并进行脉冲信号输出等。3. 电源模块为整个电能表系统提供正常工作电源。智能电能表正常工作需要+5V直流供电，这就需要将电网中的220V交流降压、整流以得到所需电源。为防止突发掉电或意外故障的情况，还有专门的备用电池供电。4. 时钟模块为电能表提供准确的计时，微处理器通过IIC总线方式每隔一段时间读取当前的精确时间，并计算得出当前的费率时段，从而实现分时段的电能计量。5. 数据存储模块是所有电能信息的存储单元，本设计中采用EEPROM,即可擦可编程只读存储器，用于大量数据的存储和记录。6. 液晶显示模块实现各种电参数和用电数据的显示，这些数据包括：电压、电流、功率、实时时间、剩余电量、阶梯电价等，以及电表编程状态和故障标志的显示。7 .继电器部分用于接收远程售电系统下发的拉、合闸命令，通过继电器的通断来实现远程用电管理部门对用户用电情况的控制。8. RS485通信模块是电能表与远程用电管理部门进行数据交换的场所，这种数据传输是通过485总线实现的。通过485总线电能表可以向远程计算机传输电能表数据，同时微处理器也可以通过该通信方式接收上位机下发的拉、合闸的命令，从而实现远程控制功能。9. 红外通信模块通过传输，可以完成电能表与掌上抄表机之间的数据传输，从而实现电力部门抄表工作人员对用户电能表数据的抄读。10. 脉冲、拉闸、报警部分都是LED状态指示灯。其中，脉冲指示灯为红色，当电能表每采样计量一个脉冲时，脉冲指示灯点亮一次；拉闸指示灯为黄色，平时处于熄灭状态，当负荷开关处于断开状态时，拉闸指示灯亮；报警指示灯为红色，正常状况下处于熄灭状态，当系统报警时，处于常亮状态，以提醒和警示用户相关信息。3.2 微处理器UPD78F05269在整个电能表系统中，微处理器是核心控制器件，其性能的高低直接关系到电能表功能的实现情况。微处理器主要功能包括：从电能计量芯片读取相关电能数据以及信息的处理、累计脉冲计数、从时钟模块读取相应的时间、电能数据的显示和报警、电能数据的通信和远程传输等。 本设计采用日本NEC公司的78F0系列8位微处理器，78F0系列单片机是一种功能强大，同时具有高性价比的高性能微处理器。该系列单片机功耗低、精度高，内置上点复位清零电路以及独立源看门狗电路，广泛应用于智能仪表、工业控制、汽车电子等领域。微处理器功能引脚及外围电路如图3-2所示图3-2 微处理器功能引脚及外围电路103.3 信号采样模块我们知道电能表所在的供电线路是220V高压电路，而专用电能计量芯片所能处理的信号是一定范围内的小电压和小电流信号，信号采样模块将电能表计量部分与主电网高压进行隔离，使强电和弱电分离开来。在实际的应用过程中，比较常见的电压、电流信号采样电路一般采用电压、电流互感器或者是电阻分压、分流。电压分阻和分流的模拟信号采样方法电路结构简单，成本较低，但是这种电路不能进行电气隔离。而使用电压和电流互感器则相对电路比较复杂，可以进行电气隔离。图3-3 电压信号采样电路图3-4 电流信号采样电路对以上两种信号采样方法进行综合考虑，本设计中采用电阻分压方式采样11电压信号，采用电流互感器的方式采样电流信号。电压和电流信号采样电路图如图3-3和图3-4所示。3.4 电能计量模块 电能计量模块的核心是高精度的电能专用计量芯片，在本设计中采用南京日新科技有限公司生产的高性能电能计量芯片RN8209。3.4.1 电能计量芯片RN8209功能简介 1. RN8209能够测量有功功率、无功功率、有功能量、无功能量，并能同时提供两路独立的有功功率和有效值、电压有效值、线频率、过零中断等，可以实现灵活的防窃电方案。2. RN8209支持全数字增益、相位和offset校正。有功、无功电能脉冲分别从PF、QF引脚输出。图3-5 RN8209整体结构框图3. RN8209提供两个串行接口SPI和RSIO,方便与外部微处理器之间进行通信。其中RSIO为锐能微专有的单线通讯接口，可以使用一根数据线实现双向通讯。4. RN8209内部的电源监控电路可以保证上电和断电时芯片的可靠工作。RN8209芯片的总体结构框图如图3-5所示。123.4.2 电能计量芯片RN8209的引脚计量芯片RN8209的引脚名称及功能如表3-1所示。表3-1 计量芯片RN8209的引脚功能说明引脚标识特性功能描述1AVDD 电源模拟电源引脚。用于给芯片模拟部分供电。2RST_N输入复位引脚，低电平有效。该引脚应外接上拉电阻。 3NCNC不连接。4，5V1P,V1N输入电流通道A的正负模拟输入引脚。6，7V2P,V2N输入电流通道B的正负模拟输入引脚。8，9V3P,V3N输入电压通道的正负模拟输入引脚。 10 REFV输入/ 输出2.5V基准电压的输入、输出引脚。该引脚应使用10uF电容并联0.1uF电容进行去耦。11 AGND电源模拟地。12 SDO输出该引脚为SPI串行数据输出。复位后该引脚为高阻输出。 13 SDI 输入该引脚为SPI串行数据输入引脚。14 SCLK 输入该引脚为SPI串行时钟输入引脚。15 SCSN 输入该引脚为SPI片选信号，低电平有效。16 DGND 电源数字地。 17 DVDD 电源数字电源引脚。18 OSCI 输入外部晶体的输入端，或是外灌系统时钟输入。 19 OSCO 输出外部晶体输出端。20 NC NC不连接。 21 IRQ_N输出中断/过零检测/复位标志输出引脚，复位后，为中断引脚。 22 PF 输出有功电能校验脉冲输出，默认状态低电平输出。 23 QF 输出无功电能校验脉冲输出，默认状态低电平输出。133.4.3 电能计量芯片RN8209的工作原理该电能专用计量芯片的工作原理是：首先通过对采样的一路电压信号、两路电流信号分别进行放大，再通过模数转换转换成数字信号，并通过滤波处理，最后送到电能处理单元进行相关信号处理，完成对电压、电流有效值，功率因数，以及有功功率、无功功率、视在功率的测量，并通过功率频率转换，输出与功率成正比的脉冲信号，最后通过微处理器累计脉冲计数，完成对电能的计量。在计量模块电路中，计量芯片引脚V3P,V3N分别接采样的差分电压信号，V1P,V1N,V2P,V2N分别接两路差分电流采样信号。3.4.4 电能计量芯片RN8209及其外围电路图基于上述电能专用计量芯片以及微处理器控制功能的论述，我们可以给出以电能专用计量芯片RN8209为核心的电能计量部分的电路图，其电路图如图3-6所示。图3-6 RN8209计量芯片及其外围电路14 电能专用计量芯片通过SPI总线与微处理器相连，进行数据传输。其中，CS引脚为SPI片选信号，SCLK为SPI时钟信号，SDI为数据输入引脚，SDO为数据输出引脚。3.5 时钟模块电路时钟模块用于产生日期时钟信息,为电能表产生准确的时间信息。微处理器每隔一段时间就通过IIC总线读取当前的时钟信息，并计算得出当前所对应的费率阶段，对电能数据进行相关的计算和处理。在实际的设计研发中，要求时钟部分具备较高的精度和准确度，同时要低功耗。鉴于实际设计要求，本设计中采用南京日新科技有限公司生产的RX8025T时钟芯片。该时钟芯片功能强大并且功耗低，其总体结构框图如图3-7所示。图3-7 RX8025T时钟芯片总体结构框图153.5.1 RX8025T时钟芯片的引脚该芯片引脚图如图3-8所示。图3-8 RX8025T引脚图 其引脚功能说明如表3-2所示。表3-2 RX8025T时钟芯片引脚功能说明管脚名称I/O功能T1I工厂测试用（不用额外接线）。SCLIIIC总线通讯的串行时钟输入端。FOUTO这是一个CMOS输出端，可通过FOE进行控制。NC-不连接。TESTI工厂测试用（不用额外连线）。VDD-电源正端FOEI用来控制FOUT的输出模式，当为高电平时FOUT输出使能。GND-电源接地端。T2-工厂测试用。SDAI/OIIC总线通讯数据传输端。INTO该引脚用于输出报警信号、时钟信号等信号。3.5.2 RX8025T时钟芯片接口电路时钟芯片通过IIC总线方式与微处理器UPD78F0526相连，进行数据的读取和写入。其中引脚SCL为IIC总线通讯的时钟输入端，引脚SDA为IIC总线通16信数据传输端。RX8025T时钟接口电路如图3-9所示。图3-9 RX8025T时钟接口电路 3.6 数据存储模块 数据存储模块是存放所有电能数据的单元，考虑到电能表在实际工作中，要对用户所有的用电信息等数据进行大量数据的存储，这就要求存储芯片要有足够大的容量，同时又要保证用户用电数据在各种突发事件而造成的掉电事故影响下，用电数据的长时间保留。综合以上考虑，在本设计中选用CATALYST公司生产的256K位的串行CMOS可擦可编程存储器（即EEPROM）AT24C256。3.6.1 AT24C256存储器的特性1. 与1MHz IIC总线兼容2. 工作电压范围是1.8到6V3. 采用低功耗CMOS技术4. 具有写保护功能，当WP为高电平时进入写保护状态5. 具有64字节页写缓冲器6. 可擦写次数高达100万次7. 数据可保存100年173.6.2 AT24C256存储器的引脚描述该存储芯片的引脚名称及其功能如表3-3所示。表3-3 AT24C256的引脚名称及其功能名称 引脚功能A0,A1地址输入引脚，不连接时其默认值为0。SDA串行数据/地址引脚，用于所有数据接收或发送。 SCL串行时钟输入引脚，用于产生所有数据接收或发送的时钟。 WP写保护引脚。当WP为高电平时所有内存写保护（只能读），为低电平时进行读/写操作。 Vcc电源。 Vss地。 NC不连接。3.6.3 存储模块电路存储器芯片通过IIC总线与微处理器UPD78F0526连接，进行数据的读取和写入。其中，其中引脚SCL为IIC总线通讯的时钟输入端，引脚SDA为IIC总线通信数据传输端。存储器芯片及其外围电路如图3-10所示。图3-10 存储器芯片及其外围电路183.7 液晶显示模块液晶显示模块用来实现各种电能表数据的显示，液晶显示模块包括两大部分：显示驱动和显示器。在本设计中，选用SEQ0825型液晶显示器及BU9792型液晶驱动芯片。3.7.1 液晶驱动BU9792的特点1. 液晶驱动输出：Common输出4线，Segment输出36线2. 内置Display data RAM(DDRAM),容量为144bit3. 具有两线串行接口（SCL,SDA）4. 内置振荡电路5. 低功耗设计6. 内置上电复位电路7. 工作电源电压：2.55.5V3.7.2 BU9792的引脚配置及功能该驱动芯片引脚配置图如图3-11所示。 图3-11 BU9792引脚配置19 其引脚功能说明如表3-4所示。表3-4 BU9792引脚功能引脚名称I/O功能TEST1ITEST用的输入引脚，与VSS层引脚短接。 TEST2 IPOR功能的使能设定引脚。H: POR功能不可用；L: POR可用。 OSCIN I外部时钟输入引脚，在使用内部 振荡电路时请与VSS层短接。 SDAI/OIIC总线串行数据输入。 SCL IIIC总线串行时钟输入。 VSS I地。VDD I电源。 VLCD I液晶驱动电压。 SEG135 O液晶驱动用SEGMENT输出。 COM03 O液晶驱动用COMMON输出。3.7.3 液晶显示模块电路液晶驱动芯片通过IIC总线与微处理器相连，驱动液晶显示器完成相关信息的显示。其中SDA引脚为串行数据输入，SCL为串行时钟输入。本系统显示电路如图3-12所示。20图3-12 液晶显示电路3.8 RS485通信模块3.8.1 RS485通讯接口RS485通讯接口是串行接口的标准之一，是在RS-232的基础上发展起来的一种串行通信方式，通常在要求远距离通讯时，广泛采用RS485的串行总线标准。RS485采用平衡发送和差分接收的方式，这就使得该通信方式具备了很强的共模抗干扰能力。RS485通信解决了电能表数据的远程通信和控制问题，使电能表与电力部门的远程售电系统的联网成为现实。在国家电网公司智能电能表的功能规范中对于RS485通信部分指出，智能电能表的RS485通信部分应满足以下要求：1. RS485接口必须和电能表内部的电路实行电气隔离，并有效保护电路；2. RS485接口应满足DL/T645-2007电气要求，并能承受380V交流电压；3. RS485接口通信速率可灵活设置；21 4. RS485通信遵循DL/T645-2007协议及其备案文件。3.8.2 MAX3085通信接口芯片在系统RS485通信模块设计中，采用Maxim公司生产的MAX3085通信接口芯片。该芯片是一款标准的用于RS485通信的专用芯片，采用单一电源供电，电源电压为+5V，额定电流为300uA，采用半双工通信方式。其引脚图如图3-13所示。图3-13 MAX3085引脚图 MAX485芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。R0和DI端分别为接受器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可，RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当RE为逻辑0时，器件处于接收状态，当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX3085工作在半双工通讯方式，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可，A端和B端分别为接收和发送的差分信号输入、输出端。3.8.3 RS485通信模块电路本系统485通模块电路主要由MAX3085芯片以及外围部分的发送和接收电路构成，其电路图如图3-14所示。22图3-14 RS485通信模块电路3.9 红外通信模块3.9.1 红外通信原理红外遥控有发送和接收两个部分组成。发送端采用微处理器将待发的二进制信号编码调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。红外接收完成对红外信号的接收、放大、检波、整形，并解调出遥控编码脉冲。为了减少干扰，采用的是价格便宜性能可靠的一体化红外接头（它的接收红外信号频率为38KHz，周期为26us）接收红外信号，它同时对信号进行放大，检波、整形得到TTL电平的编码信号，再送给微处理器，经微处理器解码并执行去控制相关对象。其工作流程图如图3-15所示。图3-15 红外遥控工作流程3.9.2 红外通信模块电路23 红外通信模块发射和接收电路如图3-16所示。图3-16 红外通信模块发射和接收电路3.10 载波通信模块电力线载波通信是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟信号或数字信号进行高速传输的技术。该通信作为一种“无新线”技术，利用现有的电力网作为信道，实现数据传输和信息交换，具有十分广阔的应用前景。其主要的应用领域包括:智能小区系统、自动抄表系统、家居智能化系统等。在国家电网公司的相关规范中，对智能电能表的载波模块部分指出：1. 智能电能表可配置窄带或宽带载波模块；2. 智能电能表与载波通信模块之间的通信遵循DL/T645-2007协议及其备案文件；3. 若采样外置式载波通信模块，为保护电能表，载波通信接口必须有效保护电路；4. 在载波通信时电能表的计量性能、存储的计量数据以及参数不应受到影响和改变。3.10.1 载波通信模块电路24 载波通信模块电路如图3-17所示。图3-17 载波通信模块电路3.11 电源模块电源模块主要负责给各个硬件模块供电，以保证电能表的正常工作。需要电源模块对其供电的硬件模块有：1. 电能计量芯片RN8209的+5V直流电源。2. 微处理器等数据处理单元的+5V直流电源。3. RS485通信接口电路的5V直流电源。当电网停电时，作为后备电源给电能表供电以保证其工作的备用电源，3.6V电池。我们可以看出，电能表各硬件模块工作所需要的电源都是直流小电压，而电能表所在的电力线又是220V的高电压，因此，我们必须将电力线网络的高压经过相关处理，即降压、整流、稳压以及滤波，得到硬件模块需要的直流小电压才能用于整个电能表系统的正常供电。25 系统在电源模块电路设计时，首先对电力线高压通过变压器进行降压，然后经整流以及三端稳压器78L05进行稳压，最后经滤波处理，得到5V的低压稳定电源。电源模块电路图如图3-18所示。图3-18 电源模块电路3.12 继电器控制模块继电器控制电路用于对用户的用电情况进行远程控制。当用户电表提示表内余额为0而用户又没续费购买电量时，远程上位机下发拉闸命令，这时继电器断开，停止给用户供电。当接到用户续费购买电量信息时，上位机下发合闸命令，继电器开关闭合，恢复用户用电。继电器控制电路如图3-19所示。图3-19 继电器控制电路26第五章 电能表系统的电磁兼容性设计第四章 系统软件设计4.1 主程序主控程序的主要任务就是让微处理器协调指挥各个硬件电路来实现整个电能表系统的各项功能。主程序流程图如图4-1所示。开始初始化自检 脉冲信号采集 读取实时时钟 平时刻峰时刻尖时刻累加尖时电量累加峰时电量累加平时电量累加谷时电量数据存储模块显示电量通信？通信模块返回NN图4-1 主程序流程图274.2 系统初始化程序系统初始化流程图如图4-2所示。初始化开始I/O口工作模式各时段电能数据恢复延时电能脉冲恢复液晶显示定时器初始化系统校时允许检测控制参数恢复比较器初始化看门狗初始化串口初始化看门狗复位历史电能数据处理费率检测时钟数据恢复初始化结束图4-2 系统初始化流程图284.3 电能数据计量和处理程序开始电能脉冲采集读取实时时钟读数计算各时段用电量计算用户剩余金额用电数据存储剩余金额较少？剩余金额为零？报警灯亮并提示购电继电器断开并提示购电LCD显示收到用户续交电费信息？远程购电系统通过485通信下发合闸命令继电器闭合，恢复供电，拉闸指示灯亮结束YYY图4-3 系统电能数据计量和处理部分程序流程图29电能计量和处理部分的功能是读取实时时钟当前时间信息和用户消耗电能的分时计量，以及对用户用电数据信息的存储、剩余电量的判断、报警以及控制。系统电能数据计量和处理部分程序流程如图4-3所示。4.4 实时时钟的读写程序时钟芯片RX8025T模块是通过IIC总线方式与系统的微处理器相连接，进行数据的传输和通信。本模块通过穿行数据线SDA和串行时钟线SCL实现时钟信号的发送和接收。其程序流程图如图4-4所示。Y开始返回初始化写时钟芯片读时钟芯片重新读写是否发送正确N图4-4 实时时钟读写程序流程图4.5 数据存储模块程序在本系统设计中，比较中重要的用电数据是通过EEPROM来存储的，可以有效的保证在各种意外掉电的情况下存储的用电数据不会丢失并且可以长时间30保存。系统设计师采用的是芯片AT24C256，它接收微处理器发来的数据读写命令，通过穿行数据线SDA和串行时钟线SCL来完成数据的读写操作。其程序流程图如图4-5所示。开始返回下发写地址MCU控制AT24C256发出确认信号下发存储单元地址MCU控制AT24C256发出确认信号停止信号时序是否启动IIC时序？NY图4-5 数据存储模块程序流程图4.6 通信模块程序供电管理部门的远程售电系统的上位机通过RS485总线方式实现对用户电能数据的抄读，包括历史用电信息及当前用电信息。在系统设计时，采用中断31的方式实现，通信部分的流程图如图4-6所示。开始清除中断标志命令字接收接收数据发送应答发送地址及命令发送数据接收/发送？返回接收应答结束SR图4-6 通信模块程序流程图32第五章 电能表系统的电磁兼容性设计智能电能表作为电力系统中的用户终端安装在电力系统网络中，必须要满足一个最基本的要求：与电力系统中各种设备和仪器仪表及电力设施互不影响。再者，智能电能表一般处在室外自然环境中，不可避免的受到自然环境的干扰。当然，前者对电能表系统的影响和干扰更大一些，因此在设计中为了保证电表