基于单片机的三相电能表的设计.doc

山东科技大学课程设计摘要本文以智能计量总表为研究对象，采用计量芯片ADE7758和AT89$52设计三相电能表，介绍了计量电路原理、系统结构特点以及分段计量的软件设计与实现。针对1035kV输配电网正常负荷和超低负荷两种情况下的精确计量，提出按功率额度实时分段计量的电能表设计方案；为了调整电力负荷曲线，针对用电量的时间不均衡问题，提出复费率分时段计量方案。采用双变比电流传感器进行信号的检测采样，当负荷电流低于额定电流的20时，单片机通过检测功率，自动切换到低负荷计量回路，即小电流比计量回路，最大限度降低了电流传感器低负荷运行时造成的信号检测误差，提高电能计量精度。单片机通过对瞬时有功功率的检测，实现了计量回路的实时选通切换和功率分段计量：通过对时间参数的检测，实现了定时存储和分时段计量。根据电能表参数配置进行ADE7758初始化参数计算。为了评估电能表计量数据的真实性和有效性，对模拟信号输入电路进行试验设计，应用ME300B单片机开发系统进行在线仿真调试。以功率参数为性能指标，通过仿真试验，对功率参数的理论值和电能表的显示值两组数据进行分析比较，得出电能表计量数据是真实有效的结论。采用双变比电流传感器进行电能表设计，扩大了负荷计量范围，提高了电能计量精度，且计量回路切换无需进行人工干预。该方案有望实现全量程的精度均衡和精确计量，为具有实时分段计量功能的三相电能表设计提供一种可行的方案。目前，已完成样表的设计与测试工作。基于精确的试验平台，完成对电能表的增益和偏差校准，即可进行现场试验和数据采集，具有良好的市场应用前景。关键词：三相电能表，实时分段， 精确计量，仿真试验，ME300B，ADE7758，AT89S52符号约定及其说明一、变量定义及显示代码(斜体时表示变量，正体时表示显示代码)RO 总的无功电量ED 总的有功电量EJ 分时段有功电量(00：0012：00)E2 分时段有功电量(12：0000：00)E3 按负荷功率分段小负荷计量时有功电量E4 按负荷功率分段正常负荷计量有功电量P 瞬时有功功率V 瞬时无功功率H1 断相事件次数H2 单相过流事件次数H3 单相过压事件次数二、按键功能说明K1 手工复位K2 分时段电量参数查询显示K3 按功率分段电量参数查询显示K4 瞬时有功、无功功率参数查询显示三、电能表参数MC 电能表脉冲常数PO 有功功率分段参考Imax 满足计量精度的负荷额定最大电流Vn 负荷额定电压值Vf ADE7758电流、电压通道信号输入Ifullscal ADE775 8电流通道满刻度输入对应的负荷电流Vfullscale ADE7758电压通道满刻度输入对应的负荷电压Wh/LSB ADE7758有功能量寄存器最低有效值VARh/LSB ADE7758无功能量寄存器最低有效值第一章 绪论电能表技术正向着复费率、多功能、网络化的方向发展。电能计量芯片ADE7758、ATT7022B等在电能表设计中的应用，提高了电能计量精度，简化了电能表设计结构。随着电能计量芯片的推陈出新，复费率电能表、防窃电电能表、配置RS-485通信及红外通信接口的电能表以及三相多功能电能表发展迅速。电能表的计量精度、功能扩展、抄表方式等发生了深刻变化，电能的科学管理和合理利用进入实施和操作阶段。在这种背景下，电能表的功能、性能、以及可靠性设计等都有了显著提高与改进，电能表技术面临难得的发展机遇。1.1电能表技术现状与发展趋势早在本世纪初，电子式电能表就已经取代感应式表，成为工商业用表的主流。随着电力系统在不断扩展三相多功能表的应用领域，三相多功能表的需求呈明显上升趋势。功能的扩展提升了供电部门对居民用电的现代化管理，为将来实现大规模自动抄表提供了基础。其中复费率表得到了很多经济发达而电力紧张的地区供电部门的青睐，复费率表的技术因此也得以迅速提高和发展。预付费表技术趋于完善。一方面由于供电部门加大对欠费用户的管理力度，使市场需求升温，另一方面由于技术改进，特别是使用了CPU卡和非接触式卡等最新技术，使预付费表的性能尤其是安全性和可靠性方面已逐步趋于完善。文献【1】进行了基于RFID的预付费电能表的研制，文献2给出预付费电能表的设计方案，文献【3】进一步给出磁卡式预付费电能表的应用及其效益分析。上述文献为预付费电能表的研制提供了设计经验。自动抄表技术发展颇具前景。近几年来，随着通信技术的不断进步以及电力市场应用的需要，国内自动抄表技术水平取得了长足的进步。低压电力线载波技术逐步被越来越多的电力部门所采纳，短距离红外抄表技术得到应用和推广。文献【4】基于单片机红外通信实现了无线抄表系统设计，文献【5】阐述了智能抄表系统的研究现状和发展，文献【6】基于低压电力载波技术实现了单相电子式电能表的设计，文献【7】把电力载波技术和GPRS技术相结合，阐述了远程抄表系统的设计实现方案。在无线抄表方式中，红外方式用于短距离通信，而GPRS技术可以实现远程长距离通信。随着社会需求的发展和科学技术的进步，无线通信技术和远程管理系统得到了广泛应用。文献8给出基于无线网络通信技术的电力资源远程智能管理系统的设计和应用。文献9基于GPRS技术进行了无线抄表系统的设计与实现；文献10基于ADE7758计量芯片进行了GPRS网络电能表的设计。电子式电能表在可靠性、准确度、功能扩展、性价比等方面显著优于感应表，全面取代感应表的趋势。防窃电要求进一步加强。随着窃电方式的更加多样化和隐蔽化，对电能表防窃电的要求也越来越高，电子式电能表表现出强大的优势。文献【11】-【12】阐述了三相电能表的错接线对电能计量的影响。增强电能表的谐波计量能力，是提高电能计量准确度的有效手段。文献【13】对非正弦条件下的感应式电能表的计量精度问题进行分析；文献141对非正弦条件下电力系统的特性进行分析，并研究了在线计量问题。具有通信接口尤其是RS一485接口成为趋势。随着抄表到户的逐步实施以及电力部门的体制改革，自动抄表成为用户强烈的需求，因此越来越多地要求电能表配备通信接口。目前的通信方式在一个或几个方面或多或少存在一些问题，无法全面满足用户的要求。而电能表配备RS一485接口具有成熟和性价比的优势，适合未来采用更新、更好的通信技术，因此成为用户目前较为理想的选择而逐渐成为标准配置。文献15进行了RS-485电路的匹配和保护性研究，文献16实现了PC机与RS一485总线多机串行通信的软硬件设计。模块化设计成为趋势。随着电力市场改造力度加大，对电能表的技术更新速度也提出了更高的要求。电能表的硬件和软件可以采用模块化设计，将技术相对成熟和标准的部分进行封装入库，如计量模块、电源模块、RS485模块、RTC模块、显示模块、继电器控制模块、IC卡模块、数据存储模块等。当设计一个新的产品时，开发人员只需要将精力集中于产品的新模块、新功能的开发，以及模块的集成上，进而有效缩短产品的开发周期，提高产品设计的可靠性。测量电路的集成化、模块化是计量芯片的发展趋势。当前，各大型器件公司纷纷推出自己的计量芯片，并不断的进行产品更新换代。比较典型的有美国ADI公司推出ADE7758计量芯片，珠海炬力公司推出的ATT7026A和北京福星晓程电子公司推出PL3223。上述三种芯片都集成了DSP数字信号处理技术，支持硬件和软件两种校表方式，计量精度高，且外围电路设计简单。文献17介绍了三种计量芯片的工作原理，比较了各自的性能指标，为合理选择芯片提供参考。以ADE7758计量芯片【18】为例说明。ADE7758是一款高精度的三相电量计量芯片，可以同时处理有功、无功等多个电量参数，符合IEC61036标准。在250C条件下，有功能量计量在1000：l动态范围内误差小于O.1。文献19-21阐述了ADE7758计量芯片在电能表设计中的具体应用。目前，我国感应式电能表仍占据相当的市场。峰谷分时电价和避峰电价政策的出台，将推动多费率表市场需求。尤其是大工业用户，对三相多费率表的需求，会较快增长。此外，三相高精度多功能表也将得到重点发展。该电能表目前主要用于发电厂、变电站和各大用户，并不断扩大到普通三相表用户中。电子式电能表有多功能、高精度、多费率、自动抄表等优势，逐步成为电能表发展的主流。1.2拟解决的问题和本文的创新性工作课题研究主要解决分段计量问题，包括按时间参数分段和按负荷功率实时分段两种方式。基于ADE7758和单片机AT89S52进行电能表设计，根据负荷的功率额度实时分段计量，是本文的创新点。为了实现正常负荷和超低负荷两种情况下的精确计量，提出按负荷功率实时分段计量方案；为了缓解电力供需矛盾，调整电力负荷曲线，提出复费率分时段计量方案。两种计量方案分别针对提高电能计量精度和调整电力负荷曲线提出。复费率分时段计量拟解决的问题。随着经济的发展，各行各业对电力的需求越来越大，用电量时间不均衡的现象日益突出。为了合理利用电量，调节电网负荷曲线采用分时计费是一个有效的解决方案。复费率电能表以时间参数为峰谷费率划分依据，通过设置多个费率和时段，通过“削峰平谷”的方法消减峰期的用电量，增加谷期的用电量。文献22-23针对复费率计量问题，提出具体的设计实现方案。复费率分时段计量有利于缓解用电量的时间不均衡现象。按功率分段计量拟解决的问题。在进行电量总表设计时，一般采用电流传感器进行电流信号的检测。当电流传感器工作在一次端额定电讲L值附近时，电流信号的检测误差最小。在配电系统中，电网电压一般是稳定的，电网电流则根据挂接的负荷大小发生变化。为了扩大负荷计量范围，减小电流传感器的检测误差对计量精度的影响，采用双变比电流传感器进行电流信号的检测，根据负荷的功率额度实时进行变比切换，使电流传感器始终工作在检测误差最小状态。这种计量方案有望实现全量程的糟度均街和精确计量。在这方面，相关的参考文献及研究成果为数不多。ADE7758、ATTT022B等计量芯片的应用，提高了电量计量精度，减少了电能计量误差。针对电能计量精度问题，文献10进一步给出ADE7758软件校准流程和校准算法，对ADE7758应用手册中的一步校准算法进行改进，采用邂步逼近算法以减小电表校准误差；文献25从AD转换角度研究了提高电能计量精度的方法；文献26、27从谐波计量和辨识的角度进行分析；文献28从提高电能谐波功率的计量能力角度，提出一种基于高速单片机内核的高精度三相电能表设计方案；文献29提出基于ARM技术的三相电能表设计方案。上述文献从不同角度阐述了提高电能计量精度的策略问题。目前，还没有一种电能表产品具有按负荷功率额度实时分段检测计量功能。对于高压，尤其是lO35kV输配电网的高糟度计量问题，至今还没有涉及实时分段计量。复费率分时段计量以时间参数为峰谷分段依据，但这种分段不具有实时性，且无法满足精确计量的要求本文为了解决精确计量问题，从电流传感器的检涮误差角度进行分析提出一种高精度10kv35kv的输配电网电力负荷计量方案。1.3电能表参数配王和论文组织结构电能表参数配置如表1-1和表1-2所示。电能表规格脉冲常数分流电流CT规格PT规格高压比150（250）A2000.012150/5A10000/100V低压比30(50)A2000.01230(5)A10000/100V表1-2Imax额定电压VnIfullscalVfullscale高压比250A10KV442.0A17.68KV低压比50A10KV88.4A17.68KV电能表配置两个量程，30A(50A)和150A(250A)，分别对应高变比计量和低变比计量两种模式；按负荷的功率额度实时进行不同量程的计量切换，以实现正常负荷和超低负荷两种情况下的精确计量。有功、无功脉冲常数设计分200impulsos/kWh和200impulses/kVAR；匹配电阻为电流传感器二次端的两个串联分流电阻，其作用是把电流信号转换为电压信号；Vn、Imax对应额定电压值和负荷最大额定电流值，IfulbcaI、Vful居cale为ADE7758满刻度输入时对应的负荷电流、电压值。根据电能表参数设置和ADE7758计量芯片特点，计算公式如下： 小变比时 Ifullscale=(0.5V6)/( 0.024Q2)=88.4A (1.1) 高变比时 Ifullscale=(0.5V30)/( 0.024Q2)=88.4A (1.2)式中O.5V为ADE7758电流通道满刻度输入信号，30和6为电流传感器高低变比，0.024 Q为电流传感器二次端分流电阻大小，电路结构设计参考计量原理图3-2。根据国家标准GB/T15283-94和国际标准IEC521-1988，电能表标有两个电流值，如30(50)A。这里30A为基本电流(basic current)，符号易，是确定仪表有关特性的电流值，也称此电流值为标定电流。括号内所标(50)A为额定最大电流(rated maximum current)，符号Imax，为满足标准规定的准确度的最大电流值。设计时在外加额定电压Vn=10kV时，ADE7758电压通道信号输入为0.2V。高变比计量在负荷电流Imax=250A时，ADE7758电流通道信号输入为0.2V；小变比计量在Imax=50A时信号输入为0.2V。针对具有实时分段和分时段计量功能的三相电能表进行了软硬件设计和仿真试验，阐述了电路功能模块划分以及电能计量原理，分为七个章节进行论述。第一章阐述了电能表技术现状和发展趋势，提出本文拟解决的问题及创新点，说明了电能表参数配置；第二章介绍了系统结构框图，提出具体的设计要求；第三章分析了硬件电路结构，介绍了芯片具体应用特点，阐述了以ADE7758为核心的计量电路设计和以单片机AT89S52为核心的外围电路设计；第四章应用ME300B单片机开发板进行系统功能模块调试，进行功能函数的定义与测试，介绍了显示函数和存储函数；第五章进行系统软件流程设计以及电量参数的算法设计，阐述了功率分段计量以及按时间分段计量的软件设计与实现，进行按键中断处理设计和时钟初值输入调整设计；第六章进行仿真试验，以功率参数为性能指标，说明电能表计量数据是真实有效的；第七章进行论文总结工作，阐述了设计中的重点和难点及其解决。第二章 系统结构框图与设计要求2.1系统结构框图系统结构框图是系统产品化的基础，它包含了系统的硬件选择及软件开发，是在对系统功能、技术指标、性价比、元器件的可购性等因素进行可行性分析的基础上，对多个方案比较权衡后确定。系统结构框图参考图2-1所示。应用Protel.99SE软件进行系统原理图设计和PCB电路板设计，参考附录A和附录B所示。系统结构框图有以下几个模块组成，计量模块、主控模块、显示模块、存储模块、看门狗复位模块、时钟模块、RS一485通信模块、计量回路选通模块、后备电源和主电源切换电路等。采用ADE7758计量芯片和AT89S52设计三相电能表，单片机的TO、T1对ADE7758的APCF、VARCF端子发出的脉冲计数，实现有功、无功等多个电量参数的计量。单片机通过12C总线进行电量参数的定时存储，通过按键进行电量参数的查询，通过液晶HCl602进行电量参数的显示，通过RS485总线进行电量参数的远程数据传送，采用AT24C02芯片进行电量参数的存储。考虑到存储芯片擦写次数的有限性，电量参数的计量累加在单片机内部完成。DSl302为分时段计量和定时存储提供时间参数；通过三个功能键实现DSl302芯片时钟的初值输入调整。后备电源LIR2032为可充电的3.6V锂电池，充电时电流最大不超过20mA。单片机复位采用MAX813L芯片。单片机的RXD、TXD串口预留作为RS485通信接口，文献30具体阐述了RS.485总线通信过程的设计与实现。课题研究采用MAX485芯片进行RS.485总线与单片机的接口电路设计，其中RS.485通信软件设计留待后续进行。2.2内客显示与设计要求课题内容围绕三相电能表多个电量参数的计量、存储、显示、按键查询展开。显示分两行显示，每行16个字符。在参数显示的同时进行代码的显示。若系统无中断发生-渡晶显示当前总的有功电量和无功电量，有功电量和无功电量代码已为E0、R0，数据显示格式如图2-2，由8个整数位和1个小数位组成，显示范围O-99999999.9。EO：00000000.1RO：00000000.1图2-2计量数据显示格式系统配置三个功能按键，记为K2、K3、K4功能描述参考表2-l所示-按键类型显示界面示例功能描述K2E1:00000000.0E2:00000000.0显示分时段计量的有功功率K3E3:00000000.0E4:00000000.0显示实时分段计量的有功电量K4P:00000000.0V:00000000.0显示瞬时有功功率P、无功功率VK2、K3组合0805/04/00:00:00进入时钟初值调整，光标指示调整对象K2、K4组合H1:00020805/04/00:00:00异常事件记录查询K3、K4组合E0:00000000.1R0:00000000.1退出时钟初值调整并返回主显示其中R0、E0、E1、E2、E3、E4、P、V、H1、H2、H3参考符号约定部分说明。显示码在进行LCD显示时表示显示参数的物理意义，在源程序设计时，对应全局变量名电能计量结果通过三个功能按键进行查询显示，系统具体设计要求如下。(1) 实现总的有功、无功等电能计量与显示z通过按链查询显示分时段电量、功率分段电量和瞬时有功、无功功率。(2) 通过对负荷瞬时功率的检测，实现功率分段和有功电量的实时分段计量(3) 通过对时问参数的检测，实现电量参数的定时存储和有功电量的分时段计量。(4) 通过按键进行时钟初值输入调整。(5) 实现异常事件的中断记录，其中异常事件包括断相、过流、过压等三种情况。第三章系统硬件电路设计与实现本章节进行系统硬件电路设计、功能模块划分和元器件选型。围绕ADE7758外围电路设计，阐述了电能计量原理并进行有关电路参数计算；围绕AT89S52外围电路设计，阐述了各功能模块与单片机的接口电路设计；最后介绍了电源模块设计及其特点。 3.1计量芯片ADE77583.I.1引脚配置及功能描述计量芯片ADE7758引脚配置如图3-1所示。该芯片采用SOIC封装，有24个引脚，76个寄存嚣:电压通道采用16位-型ADC，动态范围20:1；电流通道采用24位-型ADC，动态范围500:1。在10MHz晶振驱动下，最大采样速率25ksps。 引脚功能描述参考表3-1所示。表3-1 ADE7758 引脚功能描述3.1.2计量电路原理计量电路采用ADE7758专用电能计量芯片，由信号衰减网络和滤波网络两部分组成。衰减网络用来实现负荷电流、电压信号的衰减，由电流传感器、电压互感器组成；滤波网络用来实现抗混叠滤波，由电阻、电容元器件组成。文献31提出不对称的三相四线系统的滤波设计方案。频率混叠是A/D信号采样处理中的特有现象，混叠会产生假频率假信号，影响测量结果。在进行电流、电压信号衰减后，要进行抗混叠滤波设计。计量电路原理参考图32所示。电流回路由电流传感器进行信号取样，电压回路由电压互感器进行信号取样。计量芯片ADE7758对取样信号进行处理，计算出瞬时有功、无功功率。平均有功、无功功率通过瞬时功率的直流分量获得。在电量累加寄存器中对平均功率进行累加得到分相电量；分相电量可以通过SPI端口读出，也可以转换为计量脉冲输出。ADE7758有两路脉冲输出，对应端子为APCF和VARCF。脉冲输出频率与能量寄存器中累加的能量成正比，通过对脉冲计数实现电量参数的累加。以ADE7758的A相电流、电压通道为例分析。参考图32所示，电流通道采用差动方式输入，信号电压小于0.5V；设计最大负荷电流时为O.2V。IAP为差动信号的正极性输入端子，IAN为负极性输入端子：各端子的抗混叠滤波网络由lkQ的电阻和10nF的电容组成。电压通道采用单端方式输入，设计额定电压输入时为0.2V。发光二极管LEDl指示功率分段和变比切换情况。P1.0为高电平时，CD4053的ay端子与a选通，A相小变比电流检测信号选通，对应低负荷计量模式:P1.0为低电平时，ay端子与a选通，高变比电流检测信号选通，对应正常负荷计量模式，此时LEDl导通发光。电流传感器在工作时二次端不允许断路，在设计时采用Rbl、Rb2，Rb3、Rb4作为二次端高低变比计量回路的分流电阻，阻值大小为0.012 Q。在进行电流信号检测时，两组计量回路彼此独立，通过CD4053芯片进行选通。对于B、C两相电路结构，设计与A相同。虚线框内电路已完成PCB电路设计，框外衰减网络在仿真试验时通过分压电阻网络进行等效替代。分流电阻选取要考虑阻值大小和额定功率两个因素，阻值选取与负荷额定最大电流Icax、传感器变比CTRN有关。设计额定最大电流输入时ADE7758电流通道为忙0.20V。根据电能表参数配置，高变比时Imax=250A，CTRN=30。分流电阻肋计算如下： (3.1)高变比最大额定电流输入时，分流电阻肋消耗功率助计算为： (3.2)根据上述计算参数进行分流电阻的选择。上述参数确定之后，以小变比计量为例，说明ADE7758前端模拟电路的电流、电压信号衰减问题。如图32所示，在小变比额定电流输入I=30A时，ADE7758电流通道信号输入为O.12V，计算公式如下： (3.3)其中6为电流传感器低变比系数。电流信号在进入ADE7758计量芯片前，其衰减倍率记为f1=30/0.12=250。10kV的电压信号在经过电压互感器后转换为100V，再由500M Q和lkQ的电阻网络分压后，其衰减倍率记为fv =100500。3.1.3接口电路设计接口电路用来实现ADE7758与单片机的数据通信，一方面可以通过SPI口进行计量芯片ADE7758的初始化，另一方面ADE7758把数据处理的结果以脉冲形式或SPI口送出，供单片机进行计量处理。ADE7758与单片机接口电路设计如图3-3所示。与接口电路有关的全局变量说明如下：长整型变量，RO,EO、E1、E2、E3、E4、P、V，字符型变量，H1、H2、H3。去耦电容C4、C6的作用是滤除芯片电源输入中的尖峰脉冲成分，旁路电容C29的作用是使ADE7758电源电压输入保持基本稳定。在进行PCB电路设计时，在每一芯片的电源输入端子外接0.1心的去耦电容，以提高电路的抗干扰性能。R3、R9为限流电阻，对单片机的I/O口起到限流保护作用。ADE7758每产生一个有功或无功脉冲，对应的LED3或LED2会闪亮一次。IRQ为ADE7758中断输出端子，低电平有效，漏极开路，外接lOkQ的上拉电阻。当ADE7758检测到中断发生时，IRQ向低电平跳变，发出INTl中断申请；单片机通过读取ADE7758状态复位寄存器内容，判断中断事件的类型。3.2单片机外围电路设计与器件选择3.2.1单片机及外围电路设计AT89C52是一款单片封装的微控制器，具有8k的程序存储和256个字节的数据存储，可以满足中小规模软件编程需要。复位采用MAX813L看门狗芯片。为了避免因外界干扰而导致应用程序“跑飞”或出现死循环，MAX813L的WDI电平在1。6s内应跳变一次，实现对MAX813L内部时钟寄存器清零，防止因“看门狗溢出而导致单片机复位。单片机外围电路设计参考图3-4所示。K2、K3、K4为三个功能按键，按键扫描采用中断方式进行。功能按键有两个作用，一是电量参数及事件记录的查询，二是时钟参数的初值输入调整。图中“与门逻辑采用74LS08芯片实现。主电源与后备电源之间的电路切换通过两个二极管D1和D2实现。后备电源采用可充电的3.6V锂电池LIR2032。主电源上电后，二极管Dl导通，D2截止；主电源通过10kQ的电阻对后备电源充电。主电源掉电后，二极管Dl截止，D2导通；后备电源开始对单片机进行供电，使单片机的R枷中累加的电量参数不丢失。掉电后LIR2032只对单片机和DSl302时钟芯片供电，以减小能量消耗。这通过二极管D1的单相导通作用实现。 3.2.2显示模块 HC1602显示采用6x2字符型液晶HC1602，与单片机的接口电路如图3-5所示。图中c4，c5为单片机和液晶模块HCl602的去耦电容。DB0-DB7为HCl602的数据线，与单片机的P0.0P0.7端子相接。R15为阻值可调的电位器，用来调整液晶显示的对比度；当VO端子对地电压为OV时藏晶显示最为清晰。A、K为HCl602背光灯的电源端子和接地端子，其中电源端子K通过跳缝JP2与主电源相接。正常情况下JP2断开以减小电能表能耗；在电量查询时闭合JP2，接通背光灯电源。显示与按键相结合，用来实现电量参数的查询显示、异常事件记录查询显示以及时钟参数韧值输入调整结果显示。当没有中断发生时，进行总的有功、无功电量显示；显示数据格式参考附录图D-l所示。字符显示是通过P0口读入该字符的ASCII码实现，举例如下字符1的ASCII为Ox31。在完成LCD初始化设置后，把该字荷对应的ASCH码“Ox31”通过P0口写入LCD的内部寄存器DDRAM中。通过控制端子Rs、R/W的状态组合实现指令的写入以及数据的读、写操作，操作说明参考表3-2所示。表3-2 HC1602操作说明RSR/W操作说明00把指令写入寄存器初始化LCD01读LCD“忙”状态标志10把数据写入寄存器，显示3.2.3数据存储AT24C02存储芯片采用AT24C02。该芯片具有1总线接口，具有掉电后数据不丢失特点。与单片机的接口电路参考图3-4所示。存储主要包括电量参数的存储和异常事件的记录存储。考虑到AT24C02芯片擦写次数的有限性能量的累加在单片机的洲存储空间中完成。采用定时方式进行电量参数的存储。单片机不断检测时间参数，当存储时间到，则启动12c总线把电量参数存储到AT24C02中分配的地址单元。异常事件采用中断方式进行存储。当ADE7758检测到过流、过压、断相等事件时，向单片机发出中断申请。单片机执行中断服务程序，把处理的结果，包括事件的代码、发生次数以及发生的时间，存储到AT24C02中分配的地址单元。AT24C02存储单元配置参考表3-3所示。表3-3 AT24C02 存储器单元地址配置变量名称变量类型存储单元地址分配物理意义E0Long int0x00-x07总的有功电量R0Long int0x08-0x0f总的无功电量E1Long int0x10-0x1700:00-12:00时段内有功电量E2Long int0x18-0x1f12:00-00:00时段内有功电量E3Long int0x20-0x27低负荷时的有功电量E4Long int0x28-0x2f正常负荷时的有功电量H1Char0x30-0x36电能表断相次数及时间记录H2Char0x40-0x46单相过流次数及时间记录H3Char0x50-0x56单相过压次数及时间记录为了保证电量参数存储的可靠性在软件设计上要有充分的冗余和纠错。比如考虑到这种情况在进行电量存储时突然发生掉电事故，新的数据存储尚未完成，而原有数据已经被覆盖，造成数据的丢失。为了避免这种情况，对每一个电量参数分配两组存储单元；以朋为例，OxOO-Ox03为一组存储单元。Ox04-Ox07为另一组存储单元。即使一组数据在存储时被损坏，另一组数据则不受影响。3.2.4时钟芯片DSl302时钟芯片采用DSl302。该芯片具有SPI总线接口，与单片机接口电路设计参考图3-4所示。时钟芯片有两个作用。一是为定时存储提供时间参数；二是为断相、过流、过压等异常事件记录提供时同参数。SPI总线时序结构如图3-6所示。DS1302采用双电源供电模式，Vccl为主电源输入Vcc2为备份电源输入。当Vcc2Vccl+O.2V时，由Vcc2向DSl302供电，工作电压范围2.55.5V。DSl302寄存器数据以BCD码格式存放。秒寄存器的cH位控制时钟的运行和停止当CH=I时，时钟停止；CH=0时时钟运行。小时寄存器的位7用于定义DSl302的时钟运行模式，为0时采用24小时时钟模式。在对DSl302写操作时，WP位首先应设置为0，写操作允许使能。DSl302时钟寄存器配置参考表3-4所示表3-4 DS1302 时钟寄存器配置3.2.5串行接口芯片MAX485电能表配备通信RS-485接口具有成熟性和性价比高的优势，硬件设计时预留出RS-485通信接口，采用MAX485接口芯片。硬件电路设计参考圈3-7所示。圈中由DE端子控制MAX485芯片的发送/接收使能。DE端子与单片机的P1.2口连接。当DE为高电平时，单片机向RS-485总线发送数据；DE为低电平时单片机从RS-485总线接收数据。连接至A脚的下拉电阻R31、连接至B脚的上拉电阻R30用于提高该RS-485网络节点的工作可靠性。钳位于6.8V的稳压管D3、D4、D5用来保护RS-485总线，避免在受到外界雷击、浪涌等干扰时产生高压损坏RS-485收发器。C13、C14用于提高电路的EMI性能。3.2.6选通开关CD4053采用CD4053芯片实现电流传感器高、低变比检测信号的选通。CD4053有三个控制端子A、B、C。当ABC=000时，ax、bx、cx三个信道选通；当ABC=111时，ay、by、cy三个信道选通。A、B、C三个端子同时与单片机的P1.O口连接。单片机根据瞬时功率检测结果，通过对P1.0端口状态设置，进行高低变比电流检测信号的选通控制。CD4053外围电路设计如图3-8所示。二极管LEDl指示功率分段情况，C2为O.1心的去耦电容，R2为限流电阻。当P1.O为高电平时，CD4053的ay端子与a选通，ADE7758的电流通道小变比检测信号选通，对应小负荷计量模式，此时LEDl不导通；P1.O为低电平时，ax端子与a选通，电流通道高变比检测信号选通，对应正常负荷计量模式，LEDl导通发光。CONl为PCB设计时对应的插接端子，作为ADE7758电流、电压信号的输入连接部分，其第一个引脚记为CONl-1。CD4053在电路设计中的应用参考图3-2设计，真值关系参考表3-5所示。表 3-5 CD4053 真值表控制端子信道选择INHCBA-0000cx,bx,ax0111cy,by,ay3.2.7 电源模块控制系统电源模块由主电源和后备电源两部分组成。主电源模块由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成硎，其中整流电路采用DBl07集成模块，稳压电路采用7805、LM7905集成电路模块；后备电源采用可充电的LIR2032锂电池，主电源和后备电源的电路切换参考图3-4单片机外围电路。电源模块设计如图3-9所示。7805的+5V输出通过JP5跳线与系统的+5V网络连接。当JP5闭合时，系统处于上电工作状态，此时二极管LED4导通发光。CON3为两路9V正弦交流信号输入接口，中间为接地端子。C37、C38、C39、C40为有极性的旁路电容作用是使7805、LM7905的输入、输出电压保持基本稳定；C15、C16、C17、C18为0.1uF的去耦电容，作用是滤除7805、LM7905输入、输出信号中的尖峰脉冲成分。第四章系统硬件调试与功能函数定义应用ME300B对模块电路进行在线仿真调试。硬件调试基于PCB电路板进行，首先进行模块电路的分级调试，使组成系统的各个模块电路正常工作；然后进行系统总体调试，使其达到预定的技术要求。在调试过程中发现设计中存在的问题，判断问题的原因、位置并提出改进措施。在对硬件电路调试的同时进行功能函数的设计与测试。功能函数主要围绕长整型以及字符型数据的显示与存储展开，最后对功能函数仿真调试中遇到的问题进行分析说明。4.1电路板规格与焊接操作电路板设计为普通双面板，尺寸大小168mmx91.4mm。在板的两面采用大面积覆铜接地，不区分数字地和模拟地。在布线时，电源线、接地线等走线宽度设置为4060mil，推荐线宽60mil；信号线设置为10mil20mil，推荐线宽15mil，其中40millmm。不同网络之间的安全间距设置为12mil；采用自动布线方式，覆铜放在最后进行。电路板设计规则一般包括电路板的布线规则、制作规则、有关高频的设计规则以及其他设计规则等几个方面。可以按照文献26的有关制版介绍，在电脑上运行Protel软件，从绘制简单的PCB电路开始，逐步熟悉设计过程。在进行PCB电路设计时，在每一芯片的电源端子和地之间接入0.1 p F的去耦电容；电源线、地线和芯片的接地线应尽可能加宽。进行电路板设计时，在芯片的电源引脚和接地引脚之间接入一个O.1uf的去耦电容。该电容去耦了来自电源的噪声，保证芯片有持续、稳定的电压源。在对时钟芯片DSl302进行仿真调试时，并没有认识到去耦电容的重要性，芯片电源引脚没有外接0.1uF的去耦电容，没有达到预期的仿真结果，原因就出在去耦电容上。在进行印制电路板设计时，为了利用ME300B的仿真头对PCB电路板进行在线仿真调试，单片机AT89S52没有采用PCB库元件中的封装形式，而是自制一个40针的插接座封装，单片机通过插接座接入PCB电路。载入封装后的PCB电路板参考附录B-2所示。其他DIP封装的芯片也是通过插座接入电路板。这样，当芯片损坏时，可以方便进行芯片的替换。贴片式封装ADE7758焊接特点。ADE7758为贴片式封装，引脚排列较密。焊接前应在电路板的焊接区域均匀涂上一层焊锡膏，然后用带有焊锡的烙铁头轻轻触及焊接区域上的金属焊接点，则焊接点上均匀的结晶一层焊锡。然后把ADE7758芯片引脚对准焊接位置，用烧热的烙铁头(不带焊锡)在ADE7758的引脚和焊接点连接处预热片刻，可以观察到一股细小的锡流沿着焊接线展开。结束后擦去多余的焊锡膏。这种焊接方式不容易损坏芯片，焊接成功率高，且没有毛刺。载入元器件封装前后PCB电路板设计参考附录B所示。4.2系统硬件电路测试4.2.1电源模块测试首先进行系统短路测试。短路测试用来分析PCB电路各芯片电源端子与接地端子之间有无短路问题。由于载入元器件封装时通过手工焊接，引线和元器件较多，会由于经验不足而可能导致电源端于和接地端子接成短路。短路会造成芯片的烧坏，导致PCB系统不可用。因此，应避免短路，在确保系统安全的前提下进行功能模块的仿真测试。采用ME300B单片机开发系统进行功能模块的短路测试。ME300B是由深圳伟纳公司推出的单片机学习开发系统，可以对片内资源和片外资源进行在线仿真调试。当仿真对象有短路故障刊，开发板上红色的LED灯会不停的闪烁。可以利用这特点判断仿真对象是否存在短路故障。把ME300B的仿真头连接到PCB板对应的单片机插座上，打开ME300B主机电源，观察到开发板上的LED灯没有闪烁，表明系统没有短路故障。同时用万用表测得DSl302、MAX485、AT24C02等芯片的电源端子对地电压4.5V。电源模块电压输出测试。参考图3-9主电源模块设计，闭合跳线JP5；在两路50Hz正弦交流9v信号输入下，用万用表测量7805、7905输出电压分别为+5V和-5V；在单路50Hz交流输入时，实际测得7805输出在4v左右，而7905输出保持为-5V。这就表明，7805驱动负载过多会导致电源输出电压下降。为使系统正常工作，电源模块需采用两路交流信号输入。4.2.2 RS-485 通信模块测试R8-485通信接口采用MAX485芯片，与单片机的接口定义为：RO=P3.0；DE=PI.2；DI=P3.1。利用ME300B的在线仿真功能，编写测试源程序；参考RS-485接口电路设计图3-7，结合Keil-C51的断点调试命令，用万用衷测试相应端子电压，检测单片机能否向RS。485总线发送和从R8 485总线接收数据。测试针对PCB硬件电路设计进行，不涉及通信协议及软件编程。测试结果如表4-1所示。RS-485总线数据收发原理及羽4试结果分析。结合RS-485接rl电路图3-7说明。单片机在进行数据发送时，MAX485的A、B端子电压在+2-+6时为逻辑1；端子电压在-2-6时为逻辑0。单片机在接收数据时，收、发端子通过平衡双绞线将A-A、B-B对应连接。当A、B端子之间电压大于+200mV时，输入为逻辑1；小于-200mV时输入为逻辑0。测试结果表明，单片机能够向RS-485总线投送数据以及从RS-485总线正确接收数据。表4-1 RS-485 通信测试结果条件设置操作说明测试结果A、B端子电压 RO对地电压DE=1；DI=1测试A、B端子电压判断单片机是否向RS-485总线发送出数据13.58V-DE=1；DI=1测试A、B端子电压判断单片机是否向RS-485总线发送出数据0-3.58V-DE=0A、B端子接入1.5V电压，测试R0端子对地电压，判断单片机是否从RS-485总线接收数据1-4.5DE=0A、B端子接入-1.5V电压，测试R0端子对地电压，判断单片机是否从RS-485总线接收数据1-04.2.3显示模块与显示函数显示采用HCl602液晶模块与单片机的接口定义如下：RS=P2.7，R/W=P2.6，E=P2.5；数据端子与单片机的P0口连接。用万用表检测HCl602与单片机的连接线焊接有无短路、断路。定义三个显示函数，分别实现电量参数的查询显示、异常事件记录的查询显示、时钟初值输入调整的显示。显示函数的调用与按键状态有关，以函数display_()为例说明。当单片机检铡到K2键按下时。则调用函数display_1()进行分时段电量参数的显示，调用形式为display_1(2,E1，E2)。问题转换为如何进行显示函数的设计与仿真调试。4.2.4存储模嵌与存储函数存储芯片采用AT24C02存储模块与单片机的接口定义如下:SDA=P2.1；SCL=P2.0。这一部分主要完成四个功能函数的设计、仿真与调试。四个功能函数分别实现长整型数据的读、写操作以及字符型数据的读写操作，定义如下。Void write2402_char(char add,char dat)；/单片机通过I2C总线存储一个宇节的数据char read2d02_char(char add); /单片机通过I2C总线读取一个字节的数据void write2402_long(char add,1ong int a1)，/单片机向AT24C02存储一个长整型数据long int read2402_long(char add); /单片机从AT24C02读取一个长整型数据4.2.5时钟模块晶振测试时钟采用DSl302芯片，外接32.768kHz晶振，通过SPI总线与单片机进行通信。接口定义如下：SCLK=P1.5；DIO=P1.6；CE=P1.3。其中数据总线DIO和时钟总线SCLK分别与ADE7758的DIN总线和SCLK总线复用，因使能端子不同，不会造成数据冲突。测试晶振是否工作。通过读取秒寄存器的时间参数进行判断。DSl302秒寄存器的读操作地址为0x81。如果晶振工作，则每次读取的秒寄存器数据应不同。定义两个功能函数，分别实现对DSl302寄存器的读、写操作访问。void writel302(char add，char dat)；/单片机向DSl302写入一个字节数据char readl302(char add)；/单片机从DSl302读取一个字节的数据利用ME300B的在线仿真功能，对PCB电路板时钟模块进行在线仿真调试。对上述测试程序执行断点调试命令，打开“View菜单下的“Watch&Call Stack Window”变量观察窗口。程序运行时，发现变量b的三次赋值分别为0x00、0x09、0x21，这说明秒寄存器中的数据在变化，晶振正常工作。时间参数的存储与显示总是与异常事件的发生相联系。当断相、过流、过压等事件发生时，需要记录下事件发生的时间；此时通过调用函数readl3020读取时问参数，并调用写函数write2402 char()存储到AT24C02中分配的存储单元。4.2.6 ADE7758串口通信特点这一部分阐述ADE7758的SPI串口通信特点以及功能函数的定义。ADE7758通过内置的SPI接口与单片机进行数据通信。通过对ADE7758片内寄存器的写访问，实现芯片的初始化功能设置。ADE7758与单片机的接口定义如下：DOUT=P1.4；SCLK=P1.5；DIN=P1.6；CS=P1.7；其中DIN端子与DSl302的I/O端子复用P1.6接口；单片机的P1.6端口如下：DIO=P1.6。ADE7758寄存器有8位、12位和24位区别，对于12位的寄存器访问，仍以字节为单位进行数据传送，举例如下。对12位增益寄存器AIGAIN(地址0x27)赋值“011 111111100”，需发送两个字节的数据实现，格式为：“0111 1111 1100”，其中