三相自抄表电子式电能表的设计.doc

三相自抄表电子式电能表的设计摘 要： 本课题针对三相电力用户耗电统计的问题设计了一款新型的具有自抄表功能的电子式电能表，该电能表以专业计量芯片为计量核心，依靠单片机对整个系统进行控制。通过硬件和软件模块的相互配合，可以稳定可靠的对电力用户的多种电能参数进行测量，并且能够将电能信息上传到抄表系统。关键词：电子式电能表；掉电处理；自抄表；电能计量芯片DESIGN OF THREEPHASEAUTOMATIC READING ELECTRONIC POWER METERAbstract：This paper proposes a new electronic energy meter with self-meter reading function to count power consumption of threephase electricity users. The meters core is a professional measurement chip，and it controls the whole system by MCUThe meters hardware modules and softw are modules complement each other, it can measure the power users various energy parameters stably and safely，also，it can upload electrical energy parameter information to meter reading systemKey words：Electronic energy meter；Power-down processing；Automatic meter reading function；Energy measurement chip1 前言1.1 三相自抄表电子式电能表的研究背景在我国，电能作为一种清洁的二次能源是一种重要的消费品。改革开放以来，我国经济的发展突飞猛进，电力工业生产规模不断扩大，各行各业对电能需求量大幅提高。每年我国都在不断扩建发电设施，更新扩建配电系统，目的是增加发电量供电量，以满足与日俱增的生产生活用电需求。电能管理监督到户的手段是国外个别发达国家实行电网统一管理的主要措施。电力公司对所辖地区内各电力用户的用电信息进行采集，直接或间接对每个用户电能的使用进行管理，这样可以大力的提高电能管理的力度。我国也在逐渐推行这一举措，电子式电能表就是在这种大环境下出现并开始迅速推广。上个世纪60年代出现了时分割乘法器的功率测量原理，在这个原理基础上各国研制出了单相和三相电子式功率电能表，那时的电子式电能表都是时分割乘法器为核心的电路系统。后来嵌入式系统进一步发展，模数转换技术和大规模集成电路开始广泛应用，具有集成AD转换功能、存储器、处理器、通信接口的专业计量芯片出现，各种性能和功能的电子式电能表逐步成为电能计量行业的主导。国际上近些年电子式电能表的发展非常快，许多欧洲发达国家以及北美等许多国家工商用电计费电能表已经实现100电子化，居民用户的计费电能表也几乎被电子式计量设备取代，目前很多国家已经宣布完全停止对传统的感应式电能表的购买和安装。电子式电能表有着诸多优点，如高精度、功能易扩展、抄表便利、可联网通信，使各种电子式电能表设计生产行业发展迅速。在我国，电子式电能表已经占据了电能表生产行业的主要份额，有多家大型电子设备制造公司长期致力于电子式电能表的研究和生产，他们的实践和努力为电子式电能表在我国的发展打下基础。国家电力系统的两网改造工程开展后，国内的电子式电能表研究机构如雨后春笋，不断涌现，设计水平和生产工艺水平一直在不断提高。1.2 三相自抄表电子式电能表的发展趋势随着集成电路的日益发展和新器件的开发成功，电子式电能表逐步进入电力系统生产和销售管理部门的电能计量计费第一线，电子式电能表进入千家万户，我国加入WTO之后，电能表产品在国际市场上崭露头角，我国自主研发的专业计量芯片已被国际上认可，许多我国生产的优秀芯片类型已经和世界上高端厂商生产的芯片在功能和性能上基本达到同一水平。由于专业计量芯片行业的蓬勃发展，电子式电能表的设计和生产也已经取得了质的飞跃。目前，电子式电能表制造行业已经从原来的功能单一，内部构造模式单一，核心技术相似，性能不及传统感应式电能表的状态逐渐发展为现在的多功能多品种，精度指标高，性能质量好，知识产权自主的形势。不但如此，我国电子式电能表行业逐渐发展成两个成长方向，即专一功能高性能化和多功能多兼容化。电能计量装置是商品交易中一种特殊的计量器具，其自身技术性强，要求高，因为生产企业在单位时间内生产所消耗的电能数量巨大，电能计量装置运行计量工作是与用户用电同时进行的，电能计量的瞬时性和不可重复性决定做好电能计量工作格外重要。国家对电能计量装置执行强制检定，监管力度大，必须定期校验，阶段性的改进和更新计量装置是我国电管部门的工作要求。1.3 课题主要研究内容 本课题是基于应用一款功能强大的电能计量芯片ATT7022A，采用以ATmega64为核心的单片机系统，研发的一款综合自动抄表功能、多参数测量功能等于一体的电子式电能表。该电能表的研发方向定位于三相四线制电能测量方式，有功精度满足O5S、02S，动态范围1000：1，无功精度满足O5S，动态范围l000：l。本课题的主要内容及安排如下：1、硬件设计之初构建电子式电能表的PCB电路板，要求通过电路板能够完成从电能信号采集、转换、计算、显示输出等一系列过程。并且该设计硬件接口支持在线升级以及远程抄表。硬件电路完成以下要求：(1)利用电网电源供电，并且在电网掉电情况下保障系统数据安全保存，恢复供电后可重新投入使用；(2)具备灵活方便的用户操作键盘和一目了然的信息显示系统，建立通畅的人机交流渠道；(3)通信接口包括SPI通信接口和RS-485通信接口，SPI接口负责对单片机进行烧写程序，RS-485负责抄表时的数据传输；(4)具备近程或远程的通信功能，在需要的情况下，系统能够做到抄表员不需要直接到户读表通过网络便可直接读取电量参数信息，并且可以对电表存储器内数据进行更改；(5)硬件系统在常规环境下运行稳定，在硬件层面能够抵抗一定的电磁干扰。2因为电路板设计由多个功能模块组建，并且需要扩展远程抄表功能，因此各个模块间的通信和抄表通信的可靠性显得尤为重要。在电路板设计的同时对电子设备电磁兼容技术进行研究，并将电磁兼容技术应用于电路设计。3完成电子式电能表程序设计，软件程序可控制系统完成各个功能并且运行稳定。2 电子式电能表的硬件 2.1 硬件总体设计 图1 电能表硬件总体设计 Fig1 Meter hardware design本设计目的是进行三相电能检测，因此首先将三相电流电压分别输入采集电路，电流与电压信号经过互感器降压，并且将信号进行调理输入到计量芯片ATT7022A进行一系列处理，包括们转换乘积运算等，ATT7022A芯片输出的数字信号包含各种所需电参数信息，可供Atmega64处理，将所需参量存入片内存储器供电能信息提取。掉电检测部分负责系统的将电网有无供电的情况提供给单片机，判别系统是否进行掉电处理。ATmega64预留的引脚为抄表系统抄表时提供数据传输，自动抄表系统可以读取存储器内存储的电量信息，还可以直接更改处理器内寄存器状态或通过总线与片内EEPROM通信进行程序升级。设计要求：能计量准确、精度高，误差为2。电能表正常工作时，能显示剩余点能值、已用电能值，当表内剩余电能不足20度时，能提醒用户余电不多，及时购电，具有记忆功能，远程抄表功能。 2.2 系统整机性能指标电能表的设计必须实现一些必须的功能，硬件和软件水平达到国家对仪器仪表的相关要求标准。本课题设计的三相自抄表电子式电能表满足国家电表仪器标准DLET645-1997、GBT17883-1999、GBT15284-2002，部分技术指标如下表。表1 三相自抄表电子式电能表的部分技术指标Tab1 Part of three-phase automatic reading electronic energy meter specifications参数名 指标额定电压 3220380V额定频率 50Hz计量误差 功率1级，其它2级时钟准确度 05S(23 )掉电数据保存时间 10年1200mAh计度范围 O99999999kWh波特率 1200bpsRS一485通信有效距离 1200m绝缘耐压 4KV工作温度范围 一25+55相对湿度 85贮存和运输温度 一40+70电池容量 1200Ah2.3 电源电路的设计图2 电源电路设计Fig2 Power circuit design由于电子式电能表的运行环境各种各样，为其供电的电源电路必须能满足在某些恶劣环境比如雷电和低温下能安全稳定供电的要求。本设计需要一个稳定的5V直流电源为其内部元件提供直流供电。本设计提取一路电压输入提供直流稳压电源，直流稳压电源将交流输入电压转变为稳定不变的直流电压。为了满足设计要求，应用串联型稳压电源电路供电，串联型稳压电源电路部分由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路部分构成。稳压电路作用是将输出电压稳定在一定合理区间内，在这里应用了三端稳压器7805作为稳压器件。7805拥有诸多优点，体积小、价格低、性能稳定，使用安全可靠。运行时7085自身存在36v的压降，变压器二次侧输出也就是电源电路的输入端电压实际取值15V。在电网运行过程中，由于电网线路故障或供电设备的原因，偶尔会发生供电中断的现象。为避免整个电子式电能表用硬件系统的瘫痪，电子式电能表在硬件设计方面都会有掉电检测电路，软件设计时配合掉电检测功能程序。常见的掉电检测电路有的是依靠系统检测芯片为系统提供供电电源检测，即“看门狗”电路。本设计的MCU采用的是处理能力相对较强的AVR单片机，所以硬件掉电检测部分采用的是通过检测电容放电信号来判断电网是否掉电，由处理器来对掉电情况进行管理。在电路中，如果交流侧电压正常，电容C5被充电，经稳压管稳压后，引脚INTO输出的是高电平信号；如果这时交流侧突然断电，电容C5放电，稳压管没有输入，引脚INTO输出的信号时低电平。单片机接收到信号后，进入相应的中断程序，进行掉电处理。图3 具有掉电检测功能的电源电路Fig3 Power supply circuit with power-down detection2.4 MCU的选择及资源配置 此处省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩2.4.2 ATmega64介绍ATmega64单片机具有如下的一些主要特点：1高性能低功耗的8位A咏处理器。2利用了RISC架构和CMOS技术，执行单条指令(机器周期)最低可达50lls，工作于16MHz时性能高达16MIPS。工作电流不超过25n认，功耗较低。3芯片内部集成64K字节的F1ash程序存储器擦写寿命10000次，2k字节的EEPROM，擦写寿命100000次，4k字节的SR AM，64k字节可选片外存储空间，独立锁存位的可选Boot代码区。432个8位通用工作寄存器，35个中断源(8个外部中断源)。5两个具有独立功能和比较功能的8位定时器计数器，两个具有独立预分频功能和比较捕捉功能的16位定时器计数器，8路10位ADC，两路8位PWM，独立片内振荡器的可编程看门狗定时器。6具有可编程串行USART， JTAG接口，可工作与主机从机选择模式的SPI串行接口，支持ISP下载，7具有64引脚TOFP和MLF两种封装形式，53个可编程IO口。8速度等级08MHz。2.4.3 处理器资源分配ATmega64芯片共有INTOINT7 8个外部中断源，各外部中断源做如下分配：表2 ATmega64外部中断分配 Tab2 A11ocation of ATmega64s external interrupt 外部中断源 功能INT0 掉电检测INT1 抄表INT2 计量芯片握手INT3 计量芯片复位INT4 按键中断ATmega64共有两个USART口其中USART0分配给抄表模块，为抄表系统工作时提供数据传输，USART1口接显示器串行口，对显示器进行读写操作。两个外部计数源输入T1、T2，其中T1分配给时钟芯片。在必要时，扩展由时钟芯片输出的可编程方波信号计数计时功能。SPI接口提供进行程序写入或与ATT7022A进行通信。2.5 计量模块硬件设计在本设计中，计量模块是负责对电能采样信号值进行整理计算，最终得到所需电能参数值的部分。模块内部的专用DSP芯片将有功功率、有功能量、无功功率、无功能量等参数计算出，并将其输入到MCU处理单元。从而避免了在单片机程序中设置复杂参数的数学模型计算。使用专业的电能计量芯片还可以减少MCU任务量，节省大量的CPU资源，使整个系统运行更加稳定安全。2.5.1 电能采集电路的设计在本设计中，计量芯片的电压采集输入利用电压互感器输入方式，电流采集输入利用电流互感器方式。这种设计将芯片与电网进行了隔离，从而可以获得良好的抗干扰性能。 图4 电压采集电路 Fig4 Voltage conditioning circuit上图中VXIN与VXOUT接电网三相电压火线和零线，图中的参数是以220V为参考电设计，利用电压互感器将电网高电压输入变换为O2V到06V的采样信号。1在模拟输入电路中对输入引脚引入24V左右的输入偏置电压，由ATT7022的第11引脚提供偏置电压。2为了保证测量精度，芯片ATT7022A的第5引脚外接10uF和01uF滤波电容，尽量靠近引脚。电容的接地点与电流电压采集信号的地线尽可能短的连接在一起。3在VXIN和VXOUT输入电路中安置12k电阻和001uF电容构成抗混叠滤波器，其结构和参数对称，并采用温度性能较好的元器件，保证电表获得良好的温度特性。4为防止外部接线错误，在任意一相电流与电压反向时，ATT7022A的第40引脚REVP输出高电平，据此可以判断接线是否有错。图5 电流采集电路Fig5 Current conditioning circuit2.5.2 ATT7022A内部结构及外部电路连接图6 ATT7022A内部框图Fig6 ATT7022A internal block diagramATT7022A内部集成了6路16位A，D转换器，电流通道有效值在2mV至1V的范围内线性误差小于O1，电压通道有效值在10mV至lV的范围内线性误差小于O1，电压取值在O2V到O6V，(电压采样信号小于O2V，可用电压通道ADC增益选择，将电压信号适当放大)，电流取值在2mV至1V，电能线性误差小于O1。每路ADC的交流输入由管脚VXP和VXN输入，同时要求VXP、VXN加24V左右直流偏置电压，该偏置电压可以由芯片的参考电压输出REFOUT获得，也可以由外部基准电压提供。本设计采取的是利用芯片输出的参考电压引脚REFOUT为电能采集模块提供直流偏置电压。图7 ATT7022A及其外部电路设计Fig7 ATT7022A and its external circuit design在单片机系统中，ATT7022A与单片机有6条连线。其中RESET是ATT7022A的复位线。CS、DIN、DOUT、SCLK为ATT7022A与ATmega64进行SPI通信的通信引脚，CS为单片机输出的片选信号(下降沿表示通信开始，上升沿表示通信结束)，DIN与DOUT为SPI通信时数据输入引脚与数据输出引脚，SCLK为串行时钟输入引脚。为了避免SPI通信时电磁干扰对通信产生影响，本设计采用了在SPI传输线路上串联低通滤波器的方法，低通滤波器由一个10电阻和一个10pF的电容组成，这样可以消除SPI通信线路上可能出现的干扰或抖动。SIG为单片机与ATT7022A的握手信号引脚，在ATT7022A上电复位或重启后，单片机必须通过SIG写入高电平信号，ATT7022A才能与单片机进行通信。2.6 时钟模块设计电子式电能表对用电用户的电量参数测量动作都是建立在一定时间之上，因此对于每一组测量值都有一组相匹配的时间参数。时间参数是电子式电能表系统电能结算和监控的依据。电子式电能表中的实时时钟分为硬时钟和软时钟两种。硬时钟由独立的实时时钟芯片组成。能自动产生秒、分、时、日、月、年等时间数据，并能自动进行闰年补偿，还具有产生定时中断等功能。软时钟是指利用单片机内部或外部产生的定时中断程序，通过对程序中定时终端的计数，计算出时间。软时钟的缺点是产生的日历时钟信息存放在MCU的RAM中当单片机系统运行出现错误故障时，时钟很容易遭到破坏，存储的时钟信息也易丢失。硬时钟的应用就弥补了软时钟的这一缺憾，硬时钟芯片安装在MCU外部，它的运行也相对独立。内部带有备用电池，运行时较稳定不易被外部因素影响。而且集成的时钟芯片，运行的时钟准确度比软时钟要高。本设计采用的是DALLAS公司生产的并行操作接口的时钟芯片DSl2C887。DSl2C887内部具有128字节的RAM，4字节的控制与状态寄存器，可以自动产生年、月、星期、日、时、分、秒7个时标，具有报警定时功能，方波信号输出功能。内部配备锂电池，无外部电源供电情况下可运行并且保存数据10年以上。由于DSl2C887计时精度高、运行稳定、不掉电、操作方便、编程简单，使其在单片机开发领域广泛应用。在时钟模块硬件连接中， MOT为模式选择引脚，接地表示系统选择的是Intel模式，在1ntel模式中DSRD引脚作用是读允许，RW引脚作用是写允许。AD0AD7为复用地址数据总线，在这里与单片机的PF口相连。AS为地址选通输入引脚，地址选通上升沿有效。IRQ为中断请求输入，CS为片选信号输入引脚。VCC接+5V电源，当电源电压输入小于+3V时，DSl2C887默认系统掉电，自动将电源转换到内部自带锂电池上，保证时钟程序能够正常运行。RESET直接接VCC，从而保证了DSl2C887在掉电情况下，内部寄存器数据不受影响，时钟继续工作。图8 时钟模块硬件连接图Fig8 Clock module hardware connection diagram2.7 自动抄表模块的设计自动抄表功能要求将电子式电能表的测量参数信息读取出来，对于电子式电能表，测量部分一般由MCU和电能测量模块构成，在设计之初电子式电能表都会配备输入输出接口，利用上位机读取电能表的测量参数。信号传输的载体方面，常用的传送方法有：利用电力线实施载波通讯传送、利用电话网络进行数据传输、利用无线方式传送数据、利用光线方式传送数据。综合运行成本、运行技术难度、安全可靠性、可操作性等各方面因素考虑，本设计最终选择应用电话网络作为数据传输介质的自动抄表方式。利用电话网络进行数据传输，是一个经济有效的方案。电话网络具有数字信号传输速度快、频带宽、传输距离远、安全稳定的优点。并且电话传输线提供两根数据传输线，符合设计RS一485通讯标准的要求。2.7.1 抄表方式选择自动抄表方式，根据应用范围、规模大小、抄表上位机距电能表距离远近分为近程抄表和远程抄表，这里的上位机主要指的是手持抄表器或抄表管理计算机。由于本设计采用RS-485作为通讯标准，RS-485通讯标准的最远传输距离是12km，所以自动抄表的覆盖范围一般最远为几个街区，针对电能用户的位置分散程度不一的实际情况选择的是以小区为抄表单位的近程抄表方式。在抄表员进行抄表工作时，是以小区为单位，对于个别地理位置偏僻的零散电力用户，可以选择利用手持抄表器进行上门抄表。在整个抄表系统中，主要有抄表上位机(手持抄表器或抄表管理计算机)，电子式电能表，传输线缆三个部分组成：图9 抄表功能实现Fig9 Meter reading function to achieve每户电力用户电表的RS-485接口与该电力用户使用的电话线缆相连接，因为每个小区都会对电话线缆的出户端进行集中统一管理，电管部门可以在每个小区电话线集线箱设置自动抄表接入端口，这样便建立起了抄表上位机与电力用户的一对多的信号通道。但是在抄表过程中还应注意，TIEIA485标准特性中最大接收器和最大发送器数量都不超过32个单位，因此抄表员一次最多可采集32户电力用户的电能测量参数数据。2.7.2 RS485通讯接口设计RS一485芯片是一类常用的通讯接口器件，许多知名半导体公司，诸如Sipex公司、Maxim公司、TI公司，都有相关匹配芯片生产。MAXl483芯片是一种低功耗高效能的半双工差分收发器，完全兼容RS一485标准和RS一422标准，正常工作电流不超过20 u A，非正常工作电流也不会超过O1 u A。表3 MAXl483管脚功能Tab3 MAX 1 483 pins function管脚号 名称 描述1 RO 接收器输出2 RE 接收器输出使能(低电平有效)3 DE 发送器输出使能(高电平有效)4 DI 发送器输入5 GND 接地6 A 发送器输出接收器输入7 B 发送器输出接收器输入8 Vcc 电源电压(475VVcc525V)由于本设计中RS一485通讯传输介质是借助的电话线缆，与用户电话线共用一套线缆，虽然电话线缆载波频带较宽，在抄表员自动抄表时，抄表信号不会对电话用户通话产生影响。为了防止外界突发强电流强电压对芯片造成损害，本设计中对在MAXl483芯片的A、B信道传输路径上特别加入了光电隔离器件，而不是通常采用的双绞线设计，这样做还可以在电能表内部防止外界电磁干扰信号在传输路径上对RS一485信号传输产生影响。图10 RS一485通信模块内部结构Fig10 The internal structure of RS-485communication module2.7.3 RS-485通信协议介绍解决MCU之间中长距离通信是本设计自动抄表通信模块所考虑的主要内容，本设计中所采用的主从机通信标准为Rs485标准。RS485因硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点，在工业测控技术领域中被广泛使用。RS485是由电子工业协会(E认)制定发布的一种平衡通信接口，被命名为TIE认485A标准。RS485总线是异步半双工的通信总线，因此，只需有两根传输线便可以进行双向通信。信号传输时速率最高可达10Mbps，际应用中在信号传输速率不超过100kbits时最远传输距离可达1200米以上。在条总线上可连接最多10个接收器和多个发送器，是一种可以单机发送、多机接收的单向平衡传输规范。表4 TIAEIA一485标准的特性Tab4 Features of TMIA-485规格 TIAEIA一485传输模式 平衡电缆艮度90Kbps 4000ft(1200m)电缆长度10Mbps 50ft(15m)数据传输速率 10Mbps最大差动输出 士6V最小差动输出 士15V接收器敏感度 士02V发送器负载(欧姆) 60 Q最大发送器数量 32单位负责最大接收器数量 32单位负责RS485协议遵循“查询一响应”模式，在查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能，数据段包含从设备要执行功能的任何附加信息，错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。如果从设备产生一正常响应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的响应，错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。RS485通信协议时，在其串行数据单元规定的数据格式是8-N1。当设备设为以远程终端I玎U模式通信，在消息中的每个字节包含两个4Bit的十六进制字符。这种方式优点是在同样的波特率下可以比其他方式传输更多数据。每个通讯字节的位由低到高：1个起始位，1个停止位，1个奇偶校验位(无校验则无)，8个数据位(最小的有效位先发送)，1位逻辑1的停止位，总共11位。图11 查询一响应模式Fig11 Query一response model表5 通讯字节格式Tab5 Communications byte format0 D0 Dl D2 D3 D D5 D6 D7 P l起始位 8个数据位 偶校验位 停止位使用远程终端R1W模式，消息发送至少要以35个字符时间(T1T2T3T4)的停顿间隔开始，传输的第一个域是设备地址。设备不断侦测总线，包括停顿时间间隔，当第一个域(地址域)接收到，每个设备都进行译码，以判断是否发送给自己，在最后一个传输字符之后，一个至少35个字符时间的停顿标志了消息结束，另一个新消息在此停顿之后开始。整个消息帧必须作为一连续的流传输，如果在帧完成之前有超过15个字符时间的停顿，接收设备将刷新不完整的消息，并假定下一字节是一个新的消息地址域。如果一个新消息在小于35个字符时间内开始，接收设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个错误，可以在后边的CRC域里检测出来。设备地址域AoA5：当地址位为0时，为广播地址，同时当从控制器接收到一阵数据时，地址域相同时应响应命令，取得总线控制权，当响应命令之后，把总线控制权还给主控器。命令码：执行操作的依据。校验码：帧开始各个字节二进制算术和，不计溢出值。前导字节：在发送信息之前发送1个或多个字节FEH，以唤醒接收方。数据域：发送时数据加33H，接收时数据减33H。表6 RTU消息帧格式Fig6 IUU message frame format起始位 设备地址域 命令码 数据 校验 结束符T1-他-T3-T4 8Bit 8Bit n个8Bit 16Bit T1T2-T3T42.8 按键及显示模块的设计按键和显示模块是用来使电子式电能表内部运行系统与用户进行交流的通道，在电子式电能表的设计中是比较重要的部件。通过它电力用户能够直观方便的读取本用户消耗总电能的各项参数，具备自动抄表功能的电子式电能表或者是有预付费功能的电子式电能表中，用户也可以直观的观测到电管部门对用户电费收取情况和抄表情况。通过按键设置，用户也可以更改电子式电能表面向用户的使用功能。可以说，按键和显示模块设计的好坏决定了电子式电能表给电表用户的使用印象的好坏，也决定了设计成果成为产品后能否得到迅速普及和推广。2.8.1 液晶显示部分现在最常用的器件是发光二极管有源显示LED和液晶显示LCD两种。发光二极管有源显示LED是需要对显示发光二极管施加电压的主动发光显示器件，液晶显示LCD是控制所施加电压光反射的显示器件，使用寿命一般为500050000h。LED或LCD显示包括有控制芯片以及背光灯、存储器、通讯串口等结构组件。常见的LCD液晶显示器有两种结构：一种是笔画式或称字段式液晶显示器；另一种是点阵式液晶显示器，点阵式液晶显示器又可分为点阵字符式和点阵图形式两类。字段式液晶显示器由分段型的显示器件与专用集成控制电路构成，缺点是只能显示数字和符号。点阵式液晶显示器有点阵字符显示器件和专用驱动器控制器构成，可以显示数字和中西文字符或某些图形。图12 按键显示模块电路连接Fig12 Keypad and display module circuit connection2.8.2 按键部分常见的键盘分编码键盘和非编码键盘，在应用MCU的各种系统中，使用最多的是靠软件编程来识别的非编码键盘。非编码键盘又分为独立键盘和矩阵式键盘。为了兼顾节约单片机引脚资源与为用户提供足够按键个数的要求，本设计采用的是4水4矩阵式键盘。由单片机PC引脚高四位控制键盘的行扫描，低四位控制键盘的列扫描。行线接上拉电阻至高电平，某一键按下，行线电平状态将由该键的列电平决定。列电平为低，行线输出为低；列电平为高，则行线输出为高，单片机通过扫描Pc引脚的第四位和高四位电平信号判断按键位置。3 三相自抄表电子式电能表的软件设计总方案上电开始后首先进行参数设置等初始化程序，中断源设置包括有掉电中断、电源恢复中断、抄表中断、按键中断等。在ATmega64芯片中可设置低功耗模式，主循环结束后为了节电芯片进入低功耗模式，在发生掉电、抄表、按键按下等外部中断或100ms读计量芯片ATT7022A电量参数信息等内部中断情况时芯片被唤醒。主程循环中进行掉电检测、抄表检测以及各功能模块的相关子程序。图13 主程序流程图Fig13 Main program flowchart3.1 初始化模块程序中对ATT7022A的控制分两部分，一是定时从计量芯片参数寄存器读取各电参量数据，包括有功功率、无功功率、视在功率、电流有效值、电压有效值等，这部分可根据电管部门的实际要求进行有选择的读取；其二是对电能量进行读取。对用户耗电量统计是电能表最重要的功能，ATT7022A芯片中负责电能统计累加的有累加型能量寄存器，累加型能量寄存器负责对电量脉冲进行累加计算，可以从000000到FFFFFF进行累加。在使用累加能量寄存器前，在溢出位之前设置一个能量最大值E MAX，此最大值代表的是单位累加电量值0Ol kwh，即累加电量大于001kwh时电量存储单元电量值递增1个单位。ATmega64在与ATT7022A进行通信时，必须对SIG握手信号进行监控，在芯片上电或外界干扰使计量芯片复位时必须由单片机对计量芯片数据进行更新，以确保计量的准确性。由于在实际应用中为了配合电力部门对电力用户电力管理多费率的要求，可配合时钟信息进行分时段电量累加，在能量寄存器中对电量寄存位置按时段分配，以一个小时为一个时段，一天以24进行分配。在电量存储时，脉冲累加大于E时，当前时段的寄存器单元相应的加1。这样抄表时便可以对用户耗电量进行分时段读取。图14 电能计量管理流程图Fig14 Energy measurement flow chart3.2 自抄表模块为了实现远程自动抄表，通信协议采用的是异步串行通信协议UART。I 7ART总线是种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。在嵌入式设计中，UAI玎用来与PC进行通信，包括与监控调试器和其它器件。通常的微处理器都集成有1路或多路硬件UART通道，可以非常方便地实现串行通讯。在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域中，也常常使用简便易用的串行通讯方式作为数据交换的手段。主程序相应代码： ORG 0100HMAIN: MOV SP, 60H ；堆栈设置 LCALL DIRRST ；执行显示复位程序 LCALL KEYRST ；执行键盘复位程序 LCALL AT24RST ；执行E2PROM复位程序 LCALL AT24RSTI ；执行复位程序 LCALL DDJCRST ；设置中断 LCALL DLCSRST ；设置定时器MAIN1： LCALL KEY ；执行扫描程序 MOV A,SEER CJNE A,SEE,MAIN3 MOV A, 1 CJME A,SEE,MAIN2 SJMP MAIN4MAIN: MOV A, 2 CJME A,SEE,MAIN5 SJMP MAIN4MAIN3： MOV SEER,SEE LCALL LCDRESET ；执行液晶显示器复位程序 MOV A, 00H LCALL LCDFILLMAIN4： LCALL DIR ；执行显示程序MAIN5: LCALL ICK ；执行检测及读写程序 AJMP MAIN END4 本设计中的主要抗干扰措施4.1 电源电路部分电源电路设计时，电源电路稳压部分的电源输入和地单点相连，并且在稳压管输出端接4700F的滤波电容，电源上的干扰不会与进入整个系统。电源滤波电容要靠近芯片引脚，使信号先接滤波电容再接芯片电源引脚，且走线不要过细。利用导磁性能好的材料将电源变压器外壳进行包裹，起到严密的屏蔽的作用，避免漏磁。在PCB板的电源与地之间并联510F和O0101F的去耦电容，消除电源和和地之间的脉冲电流干扰。各个模块分立式供电，每个硬件模块的电源都是进行单独的变压、稳压、滤波，这样既提高了供电质量，避免单一模块掉电影响其他部分供电，又能避免各个模块的电源和地之间的耦合干扰。4.2 单片机部分复位引脚跨接O01F电容，对电路进行滤噪和去耦，减少电源电路波动影响复位电路动作。晶振电路与单品机时钟引脚尽量靠近，晶振外壳接地，并且避免布线时导线从晶振两个引脚之间穿过。单片机的电源输入引脚接O01F和100F电容，电容尽量与引脚靠近放置。4.3 计量芯片部分ATT7022的第5引脚为电能信号采集输入模块提供24V的直流偏执电压。该连接需要进行去耦来防止信号采集模块和电能计量模块间的信号耦合。采取并联10F和O1uF电容进行去耦，并且电容靠近引脚，两个电容接地点与电能信号采集模块的接地尽可能短的连接在一起。ATT7022内部集成了AD转换器，在模拟信号做完数字变换后，会产生多个的频谱峰，为滤掉不需要的O5倍与采样频率的高频分量部分，ATT7022的电流信道和电压信道正负模拟输入引脚连接12k电阻和O01F电容，构成了抗混叠滤波电路。连接筒ATT7022与ATmega64的SPI信号线是在电路板上相对较长的信号线，有可能受到干扰或出现抖动，在每根信号线上都串联电阻值10电容值10pF的RC低通滤波器消除干扰和震荡，防止误读误写。ATT7022具有多种电源和地线，如数模转换部分的VCC与GND、与单片机通信部分的AVCC与AGND，所有数字地和模拟地就近连接在一起，不需要分开，保证大面积接地，这样才能减小地线上的阻抗。ATT7022脉冲输出线接外部设备时，通常线路走线会较长，为了吸收环路上的干扰信号，引脚CF1、CF2上放置去耦电容，且电容尽量靠近芯片引脚。4.4 其他部分在自抄表模块部分，由于通信线缆较长，为了避免通信线路上的干扰信号或噪声对系统造成影响，在MAxl483与信号传输线缆之间进行光电隔离。这种方法隔绝了大部分外界干扰信号，还可以避免干扰产生的强电流或强电压对内部系统的损害。在地线布线时，线宽尽量加大，以减小地线上的阻抗，避免地线上产生压降导致信号电平不平稳。所有导线布线时，如果面积允许尽量使导线间距加大，尤其注意在信号回路中导线间距避免过小，以降低导线间的分布电容。交流电能采样部分的电路布线区域与其他模块布线区域间隔一定距离，以降低交变电流对其他元器件的干扰影响。由于PCB采用的是双面板，在每面布线时尽量使走线垂直相交，以减少电磁耦布线时走线尽量用弧线或45度角代替直角折线，减少线路中的高频信号和外界的耦合。电路板的布线面积要设计合理，既不太大也不太小。面积过大会使导线走线过长，增加导线阻抗，面积过小会导致元件之间的干扰效应增强。5 结论与展望本课题根据电力行业发展对电能表设计的要求，研制丌发了一款全新的应用于三相电能计量的电子式电能表。在整个设计过程中，查阅了国内外最新电子式电能表研发信息，参照了众多电力行业电能计量标准，目的在于使研发成果更加标准化、专业化，并且在研发成功之后能够易于推广和普及。仪器仪表的制造标准严格，设备性能指标要求高，应用在电力参数计量方向的电子式电能表的性能指标好坏势必影响到企业效益和电网管理。尽管在新型电子式电能表的的设计当中花费了相当多的努力，尽量做到各方面完善且能够直接投入实际应用，但是由于本人阅历和时间有限，设计尚存许多不足本文的不足：1本设计的一大特色是为电子式电能表添加了自动抄表的功能，系统通过特定的传输协议可以与上位机进行通信，实现自动抄表动作。但是由于篇幅所限，本设计仅仅对电子式电能表部分做了相关的硬件和软件设计，没有对自动抄表机或抄表PC机部分做相应的研究和设计，设计需要在这一部分进行完善，构建完整统一的抄表系统。2电子式电能表在应用当中会遇到许多人为因素造成的麻烦，实