毕业设计（论文）-单相液晶双向电能表的设计.doc

江江 苏苏 科科 技技 大大 学学 本本 科科 毕毕 业业 设设 计 论文 计 论文 学 院 电气与信息工程学院 专 业 电气工程及其自动化 学生姓名 班级学号 指导教师 王 宝 忠 二零一一年六月 江苏科技大学本科毕业论文 单相液晶双向电能表单相液晶双向电能表 Single phase LCD two way watt hour meter 江江 苏苏 科科 技技 大大 学学 毕业设计毕业设计 论论文 任文 任务书务书 学院名称 学院名称 电气与信息工程电气与信息工程 专专 业 业 电气工程及其自动化 学生姓名 学生姓名 学学 号 号 0745533136 指导教师 指导教师 职职 称 称 副教授副教授 江苏科技大学本科毕业设计 论文 I 摘摘 要要 该系统主要由显示模块 键盘模块 时钟模块 存储模块 通讯模块 CPU 模块 CS5460A 电能表芯片模块和前端电路调理模块部分组成 前端电路调 理模块采用 220V 5V 的电压互感器和 50A 25mA 电流互感器和精密电阻实现对市 电的转换 并采用 RC 滤波网络滤波 然后采用由美国 CRYSTAL 公司的新型电能 计量芯片 CS5460 芯片实现对电流 电压和电能的测量与转换 时钟模块采用 DS1302 时钟芯片为系统提供时钟基准 存储模块采用 AT24C02 为系统提供数 据存储 显示模块用 LCD12864 液晶 指示模块使用 LED 发光二极管 指示正向 电能和负向电能 通信模块采用 Max485 芯片 并利用 MSP430 组成的 CPU 模块 控制所有芯片的工作 测量 计算电能 送往显示模块和存储模块进行实时显 示和存储 关键字 关键字 CS5460A MSP430 485 通讯 LCD12864 DS1302 江苏科技大学本科毕业设计 论文 江苏科技大学本科毕业设计 论文 II Abstract This system is mainly revealed the module keyboard module clock module store module communicate module CPU module CS5460A electric energy meter chip module and front circuit look after the part of the module to make up The front circuit recuperates the module and adopts electric current mutual inductor and 220V 5V electric current mutual inductor and accurate resistance of 50A 25mA to realize the conversion of the city electricity and adopt RC to strain the wave network and strain the wave then adopt measure chip CS5460 of chip realize to electric current voltage measurement and conversion of electric energy by new electric energy of Company CRYSTAL of U S A The clock module adopts DS1302 clock chip to offer the clock basis for system stores the module and adopts AT24C02 offer the data for system to store Reveal the module uses LCD12864 liquid crystal Instruction module USES LED light emitting diode instructions positive electricity and negative electricity the communication module adopts Max485 chip and utilize CPU module that MSP430 makes up to control the work of all chips Measure calculate electric energy send to is shown the module and stores the module and pays revealing and storing in real time Keywords CS5460A MSP430 485communication LCD12864 DS1302 江苏科技大学本科毕业设计 论文 III 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 选题的目的和意义 1 1 2 电能表的发展概况 1 1 3 设计概况 1 第二章第二章 总体方案设计总体方案设计 2 2 1 设计功能要求 2 2 2 系统的基本方案 2 2 3 电能计量部分 3 2 4 CS5460A 概述 3 2 4 1 基本结构及功能 3 2 4 2 主要特性 4 2 4 3 操作时序 4 2 5 其他模块部分 5 2 5 1 前端调理电路部分 5 2 5 2 主控芯片 5 2 5 3 显示部分 6 2 5 4 通信模块 6 2 5 5 时钟模块 6 2 5 6 存储部分 7 第三章第三章 系统硬件设计与实现系统硬件设计与实现 8 3 1 直流稳压电源的设计 8 3 2 前端电路调理模块的设计 8 3 2 1 电压调理部分 8 3 2 2 电流调理部分 9 3 3 电能测量模块的设计 10 3 4 通讯模块的设计 11 3 5 液晶显示的设计 11 3 6 键盘的设计 12 3 7 LED 指示模块的设计 12 第四章第四章 系统软件设计系统软件设计 13 4 1 主流程图 13 4 2 系统初始化 13 4 2 1 硬件初始化 13 4 2 2 软件初始化 13 4 3 系统子系统模块 14 4 3 1 电能测量模块 14 4 3 2 CS5460A 的设置和启动 14 4 3 3 电能存储模块 15 江苏科技大学本科毕业设计 论文 IV 第第五五章章 系系统统调调试试 16 5 1 软硬件调试 16 5 1 1 硬件调试 16 5 1 2 软件调试 16 5 1 3 软硬联调 16 5 2 CS5460A 校准 16 5 2 1 校准概述 16 5 2 2 校准顺序 16 5 3 电能表精度测试及分析 17 5 3 1 电能表功能及误差测试 17 5 3 2 误差的定性分析及改进措施 17 结结 论论 18 参考文献参考文献 19 致谢辞致谢辞 19 江苏科技大学本科毕业设计 论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 选题的目的和意义选题的目的和意义 在现代化社会中 电能已经成为最重要的能源 电力工业的发展需要电能计量仪 表制造业的进步与之相适应 发电 输电 配电与用电均需要准确的计量电能 在世 界资源匮乏的今天 电能的节约与有效利用均具有十分重要的意义 为了实施可持续发展 解决环境与发展的矛盾 世界许多国家正在积极探索绿色 能源来减少传统发电方式对环境的污染和不可再生资源的损耗 或为了节省投资 降 低能耗 提高系统安全性和灵活性 采用大电网系统和分布式发电系统相结合的供电 方式 各种家用太阳能供电系统 家用风力供电系统等家用洁净能源已经出现 比如 法国已经利用太阳能光电屋面瓦发电 日本神钢电机公司风力发电系统已经被不同百 姓家庭使用等 经过系统科学地设计和电能市场合理地规划 这些分布式的小规模供 电系统不仅可以解决居民的能源问题而且可以把富余的电能反馈到电网 以实现以电 偿电 从而减轻供电系统的负担 减少不可再生资源的消耗 在我国 分布式发电系 统也日益得到重视 据国家发改委能源研究所梁志鹏博士预测 到 2020 年 中国分布 式发电的市场需求潜力在 2 亿千瓦以上 可达到电力总容量的 20 以上 目前 许多 国家规定用户自己的发电系统产生并入电网的电能可以等价换取等量电网的电能 虽 然在我们国家还没有开始实施 但这是一种发展方向 为了满足这种应用需要 必须 设计一种可以计量用户消耗电能 即正向电能 又可以计量用户反馈到电网的电能 即反向电能 的电能表 即双向电能表 本课题研究对新一代电表发展具有重要意 义 1 2 电能表的发展概况电能表的发展概况 作为测量电能的专用仪表电能表 自诞生至今已有 100 多年的历史 随着电力系统 及其相关产业的发展以及电能管理系统的不断完善 电能表的结构和性能也经历了不断 更新 优化的发展过程 由最初的感应电能表 发展到后来的感应系脉冲电能表 直至现在 的纯电子式电能表 感应系电能表是利用处于交变磁场的金属圆盘中的感应电流与有 关磁场形成力的原理制成的 感应系脉冲电能表仍采用感应系电能表的测量机构作为 工作元件 由光电传感器完成电能脉冲转换 然后经电子电路对脉冲进行处理 从而实现对 电能的测量 纯电子式电能表的原理是采用电子电路来实现电能计量 所以电子式电能 表的共同特点是采用乘法器 根据所依托的乘法器为模拟的还是数字的分为模拟乘法器 江苏科技大学本科毕业设计 论文 2 型电子电能表和数字乘法器型电子电能表 随着电能管理的现代化 需要访问电能表很多信息 同时决策还要与电能表进行双向 通讯 由于数字乘法器型电能表是以微处理器为核心 所以功能容易扩展 易和配电自动 化系统集成 因此本文设计了一种基于电能计量芯片 CS5460A 的电子式电能表 CS5460A 是一种带有串行接口的单相双向功率电能集成电路芯片 极易与微处理器连接 1 3 设计概况设计概况 本设计在参阅了大量前人设计的电子式电能表的基础上 利用单片机技术结合电 能表芯片 CS5460A 构建了一个单相双向电子式电能表 本文首先简要介绍了设计电能 表的主要功能以及系统的总体方案 然后详细介绍了单相电子式电能表的设计流程 以及硬件系统和软件系统的设计 并给出了硬件电路的设计细节 包括各部分电路的 走向 芯片的选择以及方案的可行性分析等 江苏科技大学本科毕业设计 论文 3 第二章第二章 总体方案设计总体方案设计 2 1 设计设计功能要求功能要求 设计制作一只交流电能表表 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 10A 最大电流 20A 最大计度容量 99999 99Kw h 4 能测量并显示当前的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 具备 485 通讯功能 便于远程传输电能表数据 7 正向 负向电量脉冲输出 8 停电不丢失电能数据 9 能双向测量电能 并能同时显示消耗的电能和反馈的电能 2 2 系统的基本方案系统的基本方案 该系统主要由电源模块 显示模块 LED 指示模块 通讯模块 键盘控制模块 MCU 模块 电能表芯片 CS5460A 模块 时钟模块 存储器模块和前端电路调理模块部分 组成 前端电路调理模块采用电子式电流型电压互感器 电流互感器和精密电阻电路 变换电压电流信号以差模电压的形式接到由 CIRRUS LOGIC 公司生产的电能表芯片 CS5460A 取样电阻的阻值由被测信号的最大值决定 然后经 CS5460A 转换后将电压 电流 功率 电能等信号传给单片机 MSP430F2274 MSP430F2274 组成的 MCU 模块控制 所有芯片的工作 截止及计算和模块的显示 显示模块采用 LCD12864 液晶模块 液晶 正常显示当前测量的电能值 日期 时间 LED 指示模块可以指示电能方向和用电功率 大小 通讯模块采用 Max485 芯片实现电能表远程通信 时钟模块采用 DLS1302 芯片 为电能表提供时间基准 为实现多费率打下基础 存储模块采用 AT24C02 为系统提供 数据存储 可以做到掉电不丢失数据 还可以实现电力系统参数的实时记录 该系统 可以实现对电能等电参量测量 显示及采集处理的目的 系统硬件框图如图 2 1 所示 江苏科技大学本科毕业设计 论文 4 电压 信号 电压互感器电阻分压 电流 信号 电流互感器电阻分压 电能计 量芯片 CS5460A DS1302 MSP430F2274 KEY LCD1 2864 485 通讯 EEPROM LED 脉冲指示 图 2 1 系统硬件框图 2 3 电能计量部分电能计量部分 方案一 采用 A D 转换芯片分别对电压 电流回路采样 然后送给单片机 经单 片机计算 算出电能 功率等电量 该方案电路设计较麻烦 并且容易受外部干扰 准确度低 单靠 AD 芯片无法分辨电能方向 并且编程较麻烦 方案二 采用现在比较流行的电能计量芯片 CS5460A 实现对电能等电量的采集和 测量 CS5460A 是 Crystal 公司推出的用于测电流 电压 功率等的芯片 是 CS5460 的增强版 精度高 性能强且成本低 CS5460A 包含两个 24 位 模 数转换器 ADC 高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的 模 数转换器 它可以 精确测量和计算有功电能 瞬时功率 IRMS 和 VRMS 分辨电能方向 用于研制开发 单相 2 线或 3 线电表 CS5460A 可以使用低成本的分流器或互感器测量电流 使用分压电阻或电压 互感器测量电压 CS5460A 具有与微控制器通讯的双向串口 芯片的脉冲输出频率与有 功能量成正比 CS5460A 具有方便的片上 AC DC 系统校准功能 准确度高 在 1000 1 动态范围内线性度为0 1 自引导 的特点使 CS5460A 能独自工作 在 系统上电后自动初始化 在自引导模式中 CS5460A 从一个外部 EEPROM 中读取校准数 据和启动指令 使用该模式时 CS5460A 工作时不需要外加微控制器 因此当电表用 于大批量住宅电能测量时 可降低电表的成本 并且本芯片集成度较高便于编程控制 故本设计采用此方案 江苏科技大学本科毕业设计 论文 5 2 4 CS5460ACS5460A 概述概述 2 4 1 基本结构及功能基本结构及功能 CS5460A 的内部组成结构如图 2 2 所示 图 2 2 CS5460 内部结构图 可测量瞬时电流 瞬时电压 瞬时功率 电流有效值 电压有效值 功率有效值和 电能计量 具有片内看门狗定时器 Watch Dog Timer 与内部电源监视器 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 两个高速数字滤波器 具有机械计度器 步进马达驱动器 外部时钟最高频率可达 20MHz 一个可以检测电力不足或电源故障的电源监视器 一个持续监视串口通讯的看门狗 一个电能 脉冲变换器 2 4 2 主要特性主要特性 1 在片计算和处理功能 2 可以从串行 E2PROM 智能 自引导 不需要微控制器 具有电能 脉冲转换功能 3 具有 AC 或 DC 系统校准功能 4 具有简单的三线数字串行接口 可以方便地进行读写 江苏科技大学本科毕业设计 论文 6 5 看门狗定时器 6 片上 2 5 V 基准 最大温漂 60ppm 单电源 5 V 或双向 2 5V 10 电源 7 根据电网上电流与电压相位夹角变化 实时判断一个系统功率方向并具有功率方 向输出指示 8 能够测量瞬时电压 瞬时电流 瞬时功率 电能 电压有效值和电流有效值 能 完成电能 脉冲转换 9 V 对 I 的相位补偿 10 具有相位补偿和系统校准功能 11 具有机械计度器 步进电机驱动器 12 内带电源监视器 13 电能数据线性度 在 1000 1 动态范围内线性度为 0 1 14 功率消耗 12mW 15 电源配置 VA 5V VA 0V VD 3V 5V 或 VA 2 5V VA 2 5V VD 3V 2 4 3 操作时序操作时序 CS5460A 串行口包括 4 条控制线 串行时钟 SCLK 串行数据输入 SDI 串 行数据输出 SDO 和片选 CS 器读写时序如图 2 3 所示 CS5460A 的串行接口部 分集成了一个带有发送 接收缓冲器的状态机 状态机在 SCLK 的上升沿解释 8 位命令 字 根据对命令的解码 状态机将执行相应的操作 或者为被寻址的寄存器的数据传 输做准备 读操作需将被寻址的内部寄存器的数据传送到发送缓存区 写操作在数据 传输前要等 24 个 SCLK 周期 内部寄存器用于控制 ADC 的功能 所有寄存器都是 24 位 上电复位后 串行状态机初始化为命令模式 等待接收有效的命令 输入串口的 前 8 为数据 在完成对有效命令的接收和解码后 状态机将指示转换器执行系统操 作或从内部寄存器输入输出数据 当启动了读命令 串口将在下 8 个 16 个或 24 个 SCLK 周期启动 SDO 脚上的寄存 器内容的转移 从高位开始 寄存器读指令可以终止在 8 位的边界上 例如 读出 时可只读 8 16 或 24 位 同样 数据寄存器读出允许采用 命令链 因此读寄 存器时 微控制器可同时发送新指令 新指令将被立即执行 并可能终止读操作 例 江苏科技大学本科毕业设计 论文 7 如 命令字送入状态机读取某一输出寄存器 进行了 16 个连续的读 图 2 3 CS5460A 操作时序图 数据串行时钟脉冲后 执行写命令字 如状态寄存器清零命令 数据从 SDI 引脚输 入 同时剩下的 8 位读出数据被传送到 SDO 引脚 又如 用户仅需从读操作中获取 16 位有效位时 可在 SDO 读出 8 位数据后从 SDI 输入第二个读命令 在读周期 当从 SDO 引脚输出数据时 必须用 SYNC0 指令 NOP 使 SDI 引脚处于选通态 2 5 其他模块部分其他模块部分 2 5 1 前端调理电路部分前端调理电路部分 方案一 采用电阻网络分压 分流的方式将大电压 大电流转换成 CS5460A 能接 收的电压信号 该方案电路复杂 难于调试 精度低 且不能实现芯片与电网的隔离 故不采用 方案二 采用电流互感器与精密电阻网络组成调理电路 将电压和电流转换为芯 片可以就收的电压信号 该方案设计简单 精度高 且实现了芯片与电网的隔离 保 证了芯片的安全 故本设计采用此方案 2 5 2 主控芯片主控芯片 电子式多功能电能表硬件的核心 MCU 主控制器 它负责按键输入扫描 工作状 态检测 计量数据的读入 计算和存储 电表参数的现场配置以及与外界的通信控 制等 本系统采用 MSP430F2274 单片机实现 强大的处理能力 MSP430 系列单片机是 江苏科技大学本科毕业设计 论文 8 一个 16 位单片机 采用了精简指令集 RISC 结构 具有丰富的寻址方式 7 种 操作数寻址 4 种目的操作数寻址 简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令 大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算 还有高效的查表处理指令 有较高的处理速度 在 8MHz 晶振驱动下指令周期为 125ns 这些特点保证了可编 制高效率的源程序 因此 使用该 MCU 作为主控芯片可以方便的设计电路 2 5 3 显示部分显示部分 由于本设计显示的参数较多 显示部分采用 LCD12864 液晶 LCD12864 液晶显示模 块可以显示字母 数字符号 中文字型及图形 具有绘图及文字画面混合显示功能 采用 SPI 串口控制接口 减少了与 MSP430F2274 引脚连接数目 只需 5 个控制引脚 所有的功能 包含显示 RAM 字型产生器 都包含在一个芯片里面 只要一个最小的微 处理系统 就可以方便操作模块 主要参数 1 工作电压 VDD 4 5 5 5V 2 逻辑电平 2 7 5 5V 3 LCD 驱动电压 Vo 0 7V 4 工作温度 Ta 0 55 常温 20 75 宽温 保存温度 Tstg 10 65 常温 30 85 宽温 本液晶不仅可以显示汉字 而且可以显示多行 可以同时显示多测量量 便于观 看和读取 还可以串行通信 占用 I O 口少 便于控制 2 5 4 通信模块通信模块 同步通信占用的资源较多 而且需要外部时钟提供同步信号以提高接受数据的准 确性 外围电路比较复杂 传输中出现错误 则成批数据报废 而异步通信外围电路 简单 传输速度快 所以我们采用串口异步通信 使用 RS 485 做接口标准的通讯模块 最大传输距离约为 1219m 最大传输速率约为 10Mbps 有利于进一步的功能扩展 使用 也比较方便 2 5 5 时钟模块时钟模块 时钟模块采用 DALLAS 公司推出的 DS1302 它内部含有一个实时时钟 日历和 31 字节静态 RAM 通过简单的串行接口与单片机进行通信 实时时钟 日历电路提供秒分 时 日期 月 年的信息 每月的天数和闰年的天数可自动调整 时钟操作可通过 江苏科技大学本科毕业设计 论文 9 AM PM 指示决定采用 24 或 12 小时格式 DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串 行的方式进行通信 仅需用到三个口线 1 RES 复位 2 I O 数据线 3 SCLK 串行时 钟时钟 RAM 的读 写数据以一个字节或多达 31 个字节的字符组方式通信 DS1302 工 作时功耗很低 保持数据和时钟信息时功率小于 1mW DS1302 是由 DS1202 改进而来 增加了 以下的特性 双电源管脚用于主电源和备份电源供应 Vcc1 为可编程涓流充 电电源附加七个字节存储器 它广泛应用于电话传真便携式仪器以及电池供电的仪器 仪表等产品领域 其管脚功能图如图 2 4 所示 考虑到用电过程中停电的情况为 DS1302 提供备用电池 以保证电能表时间准确 方便计量电能 其硬件连接图如图 2 5 所示 图 2 5 DS1302 硬件连接图 2 5 6 存储部分存储部分 存储部分采用AT24C02存储芯片 其具有以下特性特性 1 与400KHz I2C总线兼容 2 1 8到6 0伏工作电压范围 3 低功耗CMOS技术 4 写保护功能当WP为高电平时进入写保护状态 5 页写缓冲器 6 自定时擦写周期 7 1 000 000 编程 擦除周期 8 可保存数据100年 9 8 脚 DIP SOIC 或 TSSOP 封装 江苏科技大学本科毕业设计 论文 10 10 温度范围商业级工业级和汽车级 AT24C02 支持 I2C 总线数据传送协议 I2C 总线协议规定 任何将数据传送到总 线的器件作为发送器 任何从总线接收数据的器件为接收器 数据传送是由产生串行 时钟和所有起始停止信号的主器件控制的 主器件和从器件都可以作为发送器或接收 器 但由主器件控制传送数据发送或接收的模式 由于其控制引脚较少 占用单片机口线较少 在少量数据存储中有非常大优势 因为在本设计中 我们只需将校表数据及少量的电能数据存储其中 以做到系统掉 电时不丢失数据 故选用控制引脚简洁的 AT24C02 将非常的合适 其硬件连接图如 图 2 6 所示 图2 6 24C02硬件连接图 江苏科技大学本科毕业设计 论文 11 第三章第三章 系统硬件设计与实现系统硬件设计与实现 3 1 直流稳压电源的设计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 特别是为电压互感器提供正负 15V 工作电源 保证电压的顺利采集 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 此直流电压经过三端稳压器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 得到15V 5V 3 3V 直流电源 为 互感器 电能芯片 MCU 等模块提供稳定的工作电源 自制电源原理如图 3 1 所示 图 3 1 直流稳压电源的设计 3 2 前端电路调理模块的设计前端电路调理模块的设计 3 2 1 电压调理部分电压调理部分 对于系统的前端电压调理部分 我们采用新型有源交流电压互感器 该互感器由于 内置运算放大器 所以测量精度高 该互感器同时可以外接电容 补偿相移 可将相 移补偿到 15 同时需要为该电压互感器提供正负 15V 工作电源 然后在二次侧得 江苏科技大学本科毕业设计 论文 12 到大约 5V 交流电压 再经过精密电阻分压得到 131 6mv 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 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 电阻 R3 的计算 考虑裕量可以测量 250V 交流电压 则二次侧对 应的交流电压为 5 682V 假设此时 R6 电阻上电压为 150mV 不超过 CS5460A 的测量范 围 最高可以测 176mV 而 R6 和 R7 固定为 1 由电阻分压比计算 K 计算得到 R3 35 88 所以取 R3 36 V V KR K 682 5 15 0 23 1 K K 图 3 2 电压互感器连接电路 图 3 3 电压互感器二次侧电阻分压电路 3 2 2 电电流流调调理理部部分分 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 电阻 R10 的计算 最多测量 20A 交流电压 则二次侧对应的交流电压为 2V 假设此时 R12 电阻上电压为 150mV 不超过 CS5460A 的测量范围 最高可以测 江苏科技大学本科毕业设计 论文 13 176mV 而 R12 和 R13 固定为 1 由电阻分压比计算 计算得 K V V KR K 2 15 0 210 1 到 R3 11 33 所以取 R3 12 K K 图 3 4 电流互感器连接电路 图 3 5 电流互感器二次侧分压电路 3 3 电能测量模块的设计电能测量模块的设计 经调理电路调理的电压信号 电流信号通过 IIN IIN VIN VIN 接口送入电 能表芯片 CS5460 芯片经放大 滤波 采样 计算 计算出瞬时功率 并根据周期计 数寄存器内设定的计数周期计算出电能值 电流有效值 电压有效值 并将其存入相 应的寄存器中 然后单片机通过与芯片通信将相应寄存器中的电能值 电压有效值 电流有效值读出 并送予液晶显示 CS5460 可将电能转化成与电能成正比的脉冲 将 EOUT 口和 EDIR 口配置成正向电能和负向电能脉冲输出 以便于电能表的检定 也可指 示电能方向 CS5460 硬件连接图如图 3 2 所示 江苏科技大学本科毕业设计 论文 14 图 3 2 CS5460 硬件连接图 3 4 通讯模块的设计通讯模块的设计 RS 485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合 抗共模干扰能力增强 即抗 噪声干扰性好 RS 485 最大的通信距离约为 1219M 最大传输速率为 10Mb S 传输速 率与传输距离成反比 在 100Kb S 的传输速率下 才可以达到最大的通信距离 如果 需传输更长的距离 需要加 485 中继器 RS 485 总线一般最大支持 32 个节点 如果使 用特制的 485 芯片 可以达到 128 个或者 256 个节点 最大的可以支持到 400 个节点 因 RS 485 接口具有良好的抗噪声干扰性 长的传输距离和多站能力等上述优点就使其 成为首选的串行接口 图 3 3 RS 485 硬件连接图 3 5 液晶显示的设计液晶显示的设计 本设计采用串行接口的液晶 单片机通过液晶的串行口 SIO 向液晶寄存器写命令 进而实现对液晶显示的控制 LCD12864 硬件连接图如图 3 4 江苏科技大学本科毕业设计 论文 15 液晶引脚说明如表 3 1 所示 图 3 4 LCD12864 硬件连接图 表 3 1 串行模式引脚说明 引脚名称方向说明引脚名称方向说明 1VSS GND 0V 8SIDI 串行数据 2VDD VCC 3 5V 9 RESI 复位 4RS 0 命令 1 数据 15 CSI 片选 7SCLKI 串行时钟 19BL 背光源负极 GND 其余NC 空脚 20BL 背光源正极 5V 3 6 键盘的设计键盘的设计 键盘用四个按键和四个下拉电阻构成简单的键盘 四个按键分别与单片机的平 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7 口连接 当键盘被按下后相应口被拉低为低电平 进而实 现对单片机的控制 方便时间不准时调节时间及 lcd 显示更多电能信息等实现更多的 功能 连接图如图 3 5 图 3 5 键盘硬件连接图 江苏科技大学本科毕业设计 论文 16 3 7 LEDLED 指示模块的设计指示模块的设计 采用两个不同颜色的 LED 指示电能方向和用电负载大小 方便以后电能表检定 为了保护 LED 必须在 LED 上串联限流电阻 由于红色和绿色 LED 压降不同 所有限流 电阻有所差别 绿色 LED 压降大约为 2 8V 红色 LED 压降大约为 1 2V 电流取 5mA 则 取 100 5 8 13 3 18 mA VV R 420 5 2 13 3 17 mA VV R LED 指示灯硬件电路图如图 3 6 所示 18 R 100 470 17 R 图 3 6 LED 硬件连接图 江苏科技大学本科毕业设计 论文 17 第四章第四章 系统软件设计系统软件设计 在单片机测量系统中 软件的重要性与硬件同等重要 硬件是躯体 软件是灵魂 但系统的硬件电路确定之后 系统的主要功能还要靠软件来实现 而且软件的设计很 大程度上决定了系统的性能 本系统的软件设计是在 IAR FOR MSP430 V4 10 的软件环境下采用 C 语言编程和调 试的 IAR 系列软件具有良好的调试界面 优秀的编译效果 丰富的使用资料 应用十 分广泛 而 C 语言功能丰富 表达能力强 目标程序效率高 可移植性好 即具有高 级语言的优点 又具有低级语言的许多特点 两者的完美结合 很好的实现了软件功 能 4 1 主流程图主流程图 为了实现电能表的功能 软件可划分为 功能操作模块及系统参数自校正模块 系 统功能操作模块的主要功能为 为系统与操作人员之间提供友好的交互界面 对系统进 行有效的管理 因此该功能模块为该电能表的核心部分 其工作流程图如图 4 1 所示 其中系统参数包括时间常数 电能常数等 相应的初始化流程包括初始化系统电能 常数 初始化电流偏置 增益系数 初始化电压偏置 增益系数 初始化功率系数 脉冲 速率系数 计算周期系数等 主功能管理模块主要包括 LCD 实时显示模块 电量测量 功能模块 电能存储模块 日历时钟显示功能模块 4 2 系统初始化系统初始化 系统初始化包括硬件初始化和软件初始化 硬件初始化主要对系统各个模块进行 初始化操作 软件初始化主要对电能数据恢复正常 保证电能数据计算正确 4 2 1 硬件初始化硬件初始化 系统开始运行后 首先要对系统所有硬件模块进行初始化 硬件初始化流程图如 图 4 2 所示 4 2 2 软件初始化软件初始化 软件初始化包括初始化各种变量数据 是否需要设置时间 是否需要清 0 电能数 据 以及电能数据从 EEPROM 读取恢复 江苏科技大学本科毕业设计 论文 18 图 4 1 系统总流程图 读 EEPROM 电能数据 LCD 显示初始界面 对电能表数据进行处理 读电能表各项数据 读 RTC 时间 LCD 显示时间及各项 电能数据 将电能数据存储到 EEPROM 扫描按键 设置时间 中断标志 是否清 0 电能数据 N 0 清 0 电能数据 Y MCU 初始化 硬件初始化 采样时间标志置位 RS485 远程传输电能数据 1 键盘扫描 设置时间 图 4 1 电能表软件流程图 江苏科技大学本科毕业设计 论文 19 MCU 时钟初始化 LCD12864 液晶初始化 DS1302 时钟初始化 EEPROM 初始化 CS5460A 电能芯片初始化 图 4 2 硬件初始化 4 3 系统子系统模块系统子系统模块 4 3 1 电能测量模块电能测量模块 CS5460A 测量程序用来控制 CS5460A 对模拟输入电量的测量 转换和计算 并 将相应的测量量 如 瞬时功率 电压有效值 电流有效值读取到单片机相应的寄存 器中 然后单片机根据系统程序进行调用 输出 显示 其流程图如图 4 3 4 3 2 CS5460ACS5460A 的设置和启动的设置和启动 步骤 1 复位 CS5460A 对 CS5460A 的复位脚发复位脉冲 脉冲不少于 10MS 2 写同步控制命令字 3 将校准字写入相应的校准寄存器 包括校准之后得到的电压 电流偏置校准 增益校准以及功率偏置校准 4 写控制寄存器 设置各寄存器参数 为了使 LED 指示明显 设置脉冲输出为 4800imp KW h 脉冲速率的计算由 CS5460A 的说明书给出对应设置脉冲输出寄存器为 0 x000221 设置计算周期为 1s 5 清状态寄存器 6 启动 CS5460A 开始转换 7 读 CS5460A 的 AD 转换值或计算结果 4 3 3 电能存储模块电能存储模块 实际得到的电能数据并不能直接存储或显示 所以要进行单位换算 程序流程图 如图 4 3 所示 江苏科技大学本科毕业设计 论文 20 这一周期获得的正向电能或 负向电能 w s 转化为 KW h 加上历史正向电能或负向电能 分别对电能数据整数部分和小 数部分处理 并将每一位存储 到数组里 考虑精度 整数 5 位 小数精确到 7 位 LCD 显示 电能数据 将数组里数据存 储到 EEPROM 电能数据是 否超过满度 N 对电能数据清 0 Y 图 4 3 电能数据存储流程图 江苏科技大学本科毕业设计 论文 21 第第五五章章 系系统统调调试试 根据方案设计的要求 测试过程共分为三大部分 硬件调试 软件调试和软硬件 联调 电路按模块调试 各模块逐个调通后 再进行联调 先调试好 MCU 及 JTAG 下 载模块 确保 MCU 电路正常工作后 再与其它硬件系统联调 5 1 软硬件调试软硬件调试 5 1 1 硬件调试硬件调试 硬件调试 查看个硬件模块电路的连线是否与逻辑图一致 用万用表检测有无短 路或短路现象 器件的规格 极性是否有误 检查完毕 用万用表测量一下电路板正 负电源端之间的电阻 排除电源短路的可能性 电源模块通电后 在万用表输出端测 量能否得到正负 15V 5V 3 3V 直流电压 不能则检查电路直至调通 5 1 2 软件调试软件调试 本系统的软件调试因 MSP430F2274 核心模块的使用而变得相对容易 IAR 软件开 发环境 能判断语法差错和逻辑差错 判断程序无误后 可以直接下载到单片机中进 行调试 5 1 3 软硬联调软硬联调 在软件和硬件都基本调通的情况下 进行系统的软硬件联调 按照由上向下 模 块化设计的理念对模块逐个调试 首先 调通 MCU 及 JTAG 下载模块 使写好的程序 能够正常地下载到单片机里 接着单独调试 LCD 液晶模块 DS1302 模块 24C02 模 块和 CS5460 模块 并单独为各个模块写驱动程序 为最后整个系统的整合打下良好的 基础 5 2 CS5460ACS5460A 校准校准 为了保证电能表测量的准确性 必须要进行校准 5 2 1 校准概述校准概述 CS5460A 提供数字校准功能 用户通过写指定的值到 CS5460A 校准命令寄存器即 可实现不同的校准功能 CS5460A 有两类基本类型的校准 系统偏置校准和增益校准 当执行某种校准命令时 必须输入响应的电压电流通道的输入端 5 2 2 校准顺序校准顺序 江苏科技大学本科毕业设计 论文 22 因为检测的是交流电 故只需校准交流电压 电流偏置 增益和功率偏移校准 校准步骤如下 1 在校准之前 必须使 CS5460A 处于活动状态 同时使其接受有效命令 并 清除状态寄存器的 DRDY 位 2 将合适的校准信号加到电压电流通道的输入端 在执行交流电压 电流偏 置校准时加入零信号 执行电压 电流增益校准时加入满度信号 校准功率偏移校 准时在电压端加入电压信号 电流端加入零信号 3 写校准控制命令字 4 检查状态寄存器的 DRDY 位 直至置 1 之后才读响应的校准寄存器 并记 录下来 因为是 220V 电压 考虑到安全性故校准是采用在互感器二次侧外加可调交流电压 的方式来校准电能表 电压增益校准时考虑裕量加 5 68V 交流电压进行增益校准 电流增益校准时在电 流互感器二次侧加 2V 交流电压 由于电压有效值寄存器值范围为 0 1 所以读出的电 压有效值的寄存器的值并不能直接拿来使用 在电压增益校准时 电压有效值比例系 数 电流有效值比例系数也是一样的道理 最后电能表采集 寄存器中的电压有效值 V68 5 的值再乘以电压互感器和电流互感器的变比 就是实际的电压和电流了 5 3 电能表精度测试及分析电能表精度测试及分析 5 3 1 电能表功能及误差测试电能表功能及误差测试 完成了整体调试后 对本设计进行功能测试 首先对电能表是否能正常检测出正 向电能和负向电能进行测试 正向电能下红色 LED 闪烁 绿色 LED 常灭 同时对正 向电能数不断增长 负向电能维持不变 为了模拟负向电能 将进线和出线的电源和 负载进行对调 发现绿色 LED 闪烁 红色 LED 常灭 同时负向电能不断增长 正向 电能维持不变 这就验证了本电能表能够分别对正向电能和负向电能进行记录和指示 为了检验其精度 采用人工方法对其进行了检定 由于没有标准电能表 所以对电 能表 LED 脉冲进行初略的精确度估算 由于设置的 LED 脉冲速率为 4800imp KW h0 0020833KW h 电能表上电加负载 测初始电能和闪烁 11 次后的电 能差并计算电能误差 江苏科技大学本科毕业设计 论文 23 1 正向电能测试 测试 电压 V U V I A 电压 误差 初始电能 KW h 闪烁 11 次之后电 能 KW h 消耗电能 KW h 电能 误差 210V210V 209 90 7310 0476 1 483645 1 48573 4 0 0020890 274 215V215V 214 9 0 721 0 0465 1 489720 1 49179 6 0 0020760 350 220V220V219 80 7010 0909 1 4997391 5018150 0020760 350 225V225V 224 80 690 0 0889 1 516510 1 5185970 0020870 178 230V230V229 8 0 671 0 0870 1 5281961 5302950 0020890 274 2 负向电能测试 测试 电压 V U V I A 电压 误差 初始电能 KW h 闪烁 11 次之后电 能 KW h 消耗电能 KW h 电能 误差 210V210V209 80 7300 0952 0 0228250 0249150 0020900 322 215V215V214 9 0 700 0 0465 0 0347360 0368310 0020950 350 220V220V 219 8 0 7010 0909 0 0405960 0426620 0020910 370 225V225V 224 80 681 0 0889 0 0567230 0546320 0020910 370 230V230V 229 90 651 0 0435 0 0621590 0642530 0020940 514 5 3 2 误差的定性分析及改进措施误差的定性分析及改进措施 由于器件精度的限制 前段调理电路很难做的十分精确 并且各种干扰对仪表的 正常工作都是有害的 电子式表的设计中除含有