多功能数字电能表的设计

摘要摘要 随着我国经济的飞速发展 电能消耗日益增加 电能成为现代社会国民经济 和人民生活的重要保障 单相电子式电能表以其计量程度高 成本低等优势 在 我国开始逐步推广使用 文章概述单相电子式电能表的发展与需求 介绍单相电 子式电能表的原理与优点 提出单相电子式电能表的设计方案 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 CS5460 电能表计量芯片模块和前端电路调理模块八部分组成 前端电路 调理模块采用 2mA 2mA 的电流互感器和 5A 2 5mA 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 AT24C16 为系 统提供数据存储 显示模块用 OCMJ4X8CM 液晶 通信模块采用 Max232 芯片 并利用 AT89S52 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 并通过标准 RS 232 接口送往 PC 上 位机进行同步显示 并且本电能表还设有 GPIB 地址 以便于电能管理系统对电 能的管理 关键词关键词 CS5460 AT89S52 MAX232 通讯 OCMJ4X8CM I Abstract Along with the rapid development of China s economy power consumption increasing power becomes the modern society of national economy and people s life important guarantee Because the degree of the single phase watt hour meter measure is high low cost advantage in China began to gradually spread the use of it Developed so far the measurement circuit technology already from the analog circuit improve on time multiplier for digital multiplier another one circuit the market share has amounted to more than 60 In the international market China s production of single phase watt hour meter with strong competitiveness and wide prospect of market This article summarizes the development of single phase watt hour meter and demand this paper introduces the principle of single phase watt hour meter and advantages and puts forward the design scheme of single phase watt hour meter This system is mainly revealed the module keyboard module clock module store module communicate module CPU module CS5460 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 5A 2 5mA electric current mutual inductor and accurate resistance of 2mA 2mA 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 DLS1302 clock chip to offer the clock basis for system stores the module and adopts AT24C16 offer the data for system to store Reveal the module uses OCMJ4X8CM liquid crystal the communication module adopts Max232 chip and utilize CPU module that AT89S52 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 send PC to location plane go on reveal and this electric energy meter have GPIB address also synchronously through standard RS 232 interface so that the control over electric energy of administrative system of electric energy Keywords CS5460 AT89S52 232communication OCMJ4X8CM II 目录目录 摘要摘要 I Abstract II 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 研究目的与意义 2 1 3 电子式电能表的发展及技术优势 3 1 4 论文研究内容 4 第第 2 章章 总体方案设计总体方案设计 5 2 1 单相电子式电能表的工作原理 5 2 2 设计功能要求 5 2 3 系统的整体设计方案 5 2 3 1 电能计量部分 6 2 3 2 前端调理电路部分 10 2 3 3 主控芯片 11 2 3 4 显示部分 11 2 3 5 通信模块 13 2 3 6 时钟模块 13 2 3 7 存储部分 15 2 4 本章小结 16 第第 3 章章 系统硬件设计与实现系统硬件设计与实现 18 3 1 直流稳压电源的设计 18 3 2 前端电路调理模块的设计 18 3 2 1 电压调理部分 18 3 2 2 电流调理部分 18 3 3 电能测量模块的设计 19 3 4 通讯模块的设计 20 3 5 液晶显示的设计 20 3 6 键盘的设计 21 3 7 本章小结 21 第第 4 章章 系统软件流程图的设计系统软件流程图的设计 23 4 1 主流程图 23 4 2 系统初始化 23 4 3 系统初始化 23 4 3 1 系统参数自校正模块 24 4 3 2 电量测量功能模块 25 4 3 3 电能鉴定功能模块 25 4 4 系统初始化 25 4 5 本章小结 26 第第 5 章章 系统的硬件调试及误差改进措施系统的硬件调试及误差改进措施 27 5 1 硬件调试 27 5 2 功能测试 27 5 3 误差的定性分析及改进措施 29 5 3 1 空间电磁场的抗干扰设计 29 5 3 2 模拟通道与数字通道之间抗干扰设计 29 5 3 3 电源和接地系统的抗干扰设计 31 5 3 4 印刷电路板抗干扰设计 32 5 4 本 章 小 结 32 结论结论 33 致谢致谢 34 参考文献参考文献 35 附录附录 B 41 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 课题背景课题背景 电能是社会生产和人民生活必需的重要能源 随着国家的发展和人民生活水 平的不断提高我国对电力的需求急剧上升 电力供应出现了相对不足 一些地区和 一些企业能耗非常高 一些省份和地区出现电力短缺问题 这不但阻碍国民经济 的发展 也妨碍了人民的生活 所以电能的节约与电能的有效利用具有非常重要 的意义 电能表是当前电量计量和经济结算的工具 随着计算机技术 检测技术 电气与电子技术的不断发展 开发功能更多 准确度更高的电能计量装置不容迟 缓 电力工业发展初期曾用电解化学原理电能表计量收费 1890 年 发明了感应 式电磁原理电能表沿用至今已有 100 多年 随着电费制度的发展 提出分时计量 需量计量预付费等要求 特别是 19 世纪 70 年代以来各国酝酿发展电力市场又提 出实时电价 负荷曲线计量 双工通讯 远方采集数据 记录负荷曲 线和电能 质量 控制负荷以及费率编程等要求 原来的感应式电能表虽经多方面改进扩充 已很难满足电力市场日益发展的功能和要求 20 世纪中叶 开始随着微电子和 信息产业的发展 新技术有力的支持电能表的革新 先是有高 精度电子式标准 电能表的出现满足了校验技术要求 继而 70 年代已开始商业化应用电子式电能 表于大工业用户电能计量 国外家用计费用电子式电能表出现于 1983 年 到 1988 年已实用化 如英 国在 Felix towel 的一个电能表厂 1985 1988 年间已累计生产单相电子式电能 表 183 万只 供英国的 15 个配电公司 占有市场份额 40 且年返修率仅 0 1 世纪之交 电力市场改革浪潮遍及全球 各国电力公司都认识到市场竞争的 核心是表计 特别是用户选择供应商和实时电价 要求表计有灵活 可靠的 双 向通讯功能和不同制造商生产表计在电力市场技术支持系统中的兼容性 因而提 出了标准化和兼容性问题 在欧洲著名表厂创导下成立了 DI MS 计量部 件描 述语言消息规范 用户协会 DI MS 已构成 IEC 有关表计规约标准的基 础 北美也以 ANSI 为基础实施标准化 因为现有系统中已运行着众多制造厂 不同 年代制造的表计 故美国 Itron 公司于 1986 年推出能兼容 100 多制造厂表 计 规约的 MV 90 表计数据采集编译系统 广泛应用于北美和世界各地电力市场 起了较大作用 国际上电子式电能表经过 50 多年发展 开始都是基于模 拟量乘 法器原理的 在历史上曾有过多种原理线路 后来演变为时分割 Time did vision 和霍尔效应 Hall effect 两种乘法器 到目前标准电子式电能表和安装 式计费电 子式电能表中较多用时分割乘法器于 0 2 级表计 而霍尔乘法器只用于 0 5 级及 以下安装式计费电能表 由于数字技术的迅速发展 目前已有趋势全部更新为 A D 转换 计算机处理方法 这样也更有利于实施负荷控制 记录电能质量 负 荷曲线 发展表计的通信功能和确保高准确度 1 2 研究目的与意义研究目的与意义 用来计量电能并以此缴纳电费的电度表 一直都是采用传统的机械钟表式 结构累计电能 其精确度和灵敏度不高 并且受电度表周围环境及安装工艺的 影响较大 最大的缺点是抄表计费工作比较繁重 随着经济社会的发展 用电户 大幅度增长 传统的抄表收费方式已经不能适应新形势的需求 为适应电力工业 市场化进展和国家电力公司 2010 年实现用户选择市场的规划 我国电子式电能 表的应用需要有更大的发展 根据国际上电力市场化的经验 电能计量是电力市 场改革的核心 电能计量要成为高精度 高可靠性 免维护和具有 双向通信功 能 便于电力公司向用户提供加值服务 还要能适应国外已开始实 行的表计产 权管理分离和数据共享分离的管理模式 只有电子式电能表能满足 上述市场改 革要求 如今各种智能型的数字电度表已在智能小区 商场 学校 等场所得到 了广泛应用 国外电子式电能表已从初期的保留机械记数器发展到全液晶显示 EEPROM 或闪存保存数据 做到全电子或真正固体化 静止化 这样有利于提 高性能 降低成本 这也应是我们的方向 美国电科院 EPRI 为适应电力市场的需要于 1998 年组织了 SE 240 单相全电 子电能表项目 设计表计有一个开放性的结构平台有多个接口可以和多种应 用 模块接口以扩大表计功能 EPRI 在互联网上公布其开放性平台的结构资料 以及 各种接口要求 请各有关制造厂报名设计应用模块 现已有电话线 专 线 高频 无线电调制解调器 光纤 低压配电线载波等自动抄读表模块以及分 时电价 实时电价 多功能计量 预付费等扩充应用模块 现已有近 20 家厂 商参加开 发各种扩充模块和 40 多家电力公司参加该项目试用工作 这种项目 开发方式和 表计结构思路值得我们思考 借鉴 标准化是促进电子式电能表及相关技术发展的关键 我国已制定了 DI T 为 多功能电能表通信规约 打下基础 建议结合近年来电力市场发展需求和 国际 IEC 标准 DI MS 规范 ANSI 有关标准等经验不断完善 北美已开 始 用互联网上 EDI 电子数据交换 格式于表计数据格式的动向已值得注意探讨 数字电度表具有电能计量功能 能显示剩余电能值 已用电能值 还具有 超负荷断电等功能 同时电度表可通过电力控制中心进行预先付费 再用电 安全性高 电能的计量结果直接关系到供电部门和用户的经济利益 因此对计 量的精度提出了较高的要求 由于电度表使用数量较多 成本控制显得也很重要 所以 开发出成本低 可靠性高 计量准确 安全的智能电度表具有重要意义 随着微电子技术的迅猛发展 微控制器和大规模集成电路在电能计量领域的广泛 应用 使电度表的技术水平和性能得到长足发展 我国政府和有关部门对此同样十分重视 国家科委和建设部的几个文件中 都十分明确提出了要改变传统人工入室查表收费方式 而发达国家先进的用电计 费方式在国内才刚刚起步 因此本系统即数字电度表是结合当前国内外现 状的 实际情况而构思并进行设计的 具有创新性 1 3 电子式电能表的发展及技术优势电子式电能表的发展及技术优势 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 在我国 很长一段时间使用的是机械式感应电度表 它具有耗电多 笨重 需要手工抄表 防窃电性能低等缺点 同时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 大体上可 以分为以下两个阶段 1 感应式电能表 感应式电能表是利用处在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 它具有制造简单 可靠性高和价格便宜等特点 经过近一百 多年的不断改进与完善 感应式电能表的制作技术已经成熟 通过双重绝缘和采 用高质量双宝石轴承甚至磁悬浮轴承等技术手段 其结构和磁路的稳定性得以提 高 电磁振动被削弱 使用寿命大大延长 且过载能力明显增强 但是由于其原 理与结构等因素的制约 要进一步提高计量精度和扩展功能是有限的 另一方面 随着用电量的增长和能源供需矛盾的加剧 应该加强电量负荷 监控 以实现计 划用电和合理配电 提高电网负荷率 功能单一的感应式电能 表及其相关机械 装置已不再适应现代电能管理的要求 虽然如此 但感应式电能表因为技术成熟 价格便宜 至今仍被大量使用 2 电子式电能表 电子式电能表是国外在 20 世纪 70 年代发展起来的一种产品 它是应用现 代电能测量技术 微电子技术 计算机软硬件技术及通信技术构成的一类全新 系列的电能表 它与感应式电能表相比 除了具有测量精度高 性能稳定 功 耗低 体积小 重量轻等优点外 还易于实现多功能计量 可现场校验和检索 多种计量数据 便于数据采集和处理以及集中监控 电子式电能表一般由电能测量机构和数据处理机构两部分组成 根据电能 测量机构的不同 电子式电能表分为机电脉冲和全电子式两类 其中机电脉冲 式电能表出现较早 仍然沿用了感应式电能表的测量机构 数据处理机构由电 子电路和计算机控制系统实现 因而它只是一种电子线路与机电转换单元相结 合的半电子式电能表 而且由于感应式测量机构的制约 机电脉冲式电能表难 以降低功耗 提高测量精度 而全电子式电能表没有使用感应式测量机构 而 采用乘法器来完成对电功率的测量 不但提高了测量精度 降低了功耗 还增 加了过载能力 由于电子式电能表具有良好的扩展性 目前已由常规的全电子式 电能表发展出了多功能电能表 多费率电能表 预付费电能表 载波电能 表 红外抄表 集中抄表系统 远距离自动抄表电度表等系列产品 同时电能 的计 量方法已经成熟 已有用于计量电能的专用集成电路 可将电功率转换成 频率 信号供计算机处理 电能的预付费功能也有多种实现方式 根据安全性需求等级 的不同可以采取不同的方式 当然安全等级越高成本越高 电子式电能表逐步替代感应式电能表是发达国家电能计量现代化的经验和 趋势 电子式电能表的普及又促进了与电能计量相关领域技术的发展 其技术 优势主要有 1 误差特性较为稳定 不像感应式电能表越走越慢 实际运行和加速老化 试验都说明了这一特点 电子式电能表的故障能较明显的表露和被发现 2 电子式电能表内阻小 损耗低 是节能仪表 有助于在已有计量装置中 解决互感器过载和二次电压降超标问题 从而提高计量综合精确度 3 电子式电能表比较轻 比感应式电能表节省大量有色和黑色金属 而且 安装轻便 4 使用电子式电能表彻底改革了原来电能量运行 检修的工作流程 革除 了洗表的环节 如果故障表按合同规定由生产厂保修包换 则更简化了管理流 程 使可集中精力于把好验收校验关 对运行中缺陷故障统计分析以及招标时 对各厂产品评定质量 彻底改革了电能表管理 使适应电力市场经济要求 5 电子式电能表能直接输出规范的电能脉冲 便于校验和实时远方自动抄读 表 便于电力市场发展中对表计扩展功能的实现 6 技术随生产发展而推陈出新 产品的合理寿命能促进技术进步 我国电科 院的检验报告说明我国很多厂家的电子式电能表已能做到 10 15 年的寿命的要 求 考虑到现代科技发展迅速 这是一个技术设备的合理寿命 符合时代的要求 1 4 论文研究内容论文研究内容 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 CS5460 的 电 子式电能表 CS5460 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 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 CS5460 构建了一个单相电子式电能表 本文首先简要介绍了本次设计的课题背景 电子式电能表的发展及主要技 术优势 设计的主要任务 电能表的主要功能以及电子式电度表的整体设计方案 然后详细介绍了单相电子式电能表的设计电子式电能表的设计流程 包括硬件系统的设计和软件系统 流程图的设计 并给出了硬件电路的设计细节 包括各部分电路的连接 芯片的 选择以及方案的可行性分析等 第第 2 章章 总体方案设计总体方案设计 单相电子式电能表是由电子电路 铭牌及表壳组成 电子电路由电源电路 电能计量电路及完成电量数据的计算 存贮 显示的单片机系统三部分组成 电 能的计量是由电流电压采样电路 抗电磁干扰电路及 CS5460 电能计量芯片组成 2 1 单相电子式电能表的工作原理单相电子式电能表的工作原理 单相电子式电能表是由采样电路 电能计量电路 控制电路 存储电路 显示电路 实时时钟电路和按键等电路组成 采样电路完成用户电压和电流的采 样 提供给电能计量电路进行用户电能的计量 计量电路对采样电路采集到的电 压和电流进行 A D 转换 将根据转换结果计算出用户的实时功率 然后再进行 用户所用电能的计量并将计量结果送入单片机 电源管理电路将输入到电能表的 电压 并对此电压进行管理 串行 EEPROM 存储电表和用户的参数 用电时间 等重要信息 LCD 显示电路完成当前用户信息 用户的用电信息 电表和用户 状态等的显示 单片机是数据处理 计算 显示和通信的控制中心 2 2 设计功能要求设计功能要求 本人在参考大量的有关电能表资料以及考虑到自身知识水平有限的前提下 设计制作一只简单的单相电子式交流电能表 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 5A 最大电流 10A 精度为 0 1 级 3 测量并显示当前的功率 电压和电流的有效值 4 显示当前日期和时间 具有分时计量功能 5 可以与 PC 机进行串行通信 并可用键盘控制 便于操作 6 停电不丢失电能数据 2 3 系统的整体设计方案系统的整体设计方案 该系统主要由显示模块 通讯模块 键盘控制模块 MCU 模块 电能表芯 片 CS5460 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 路调理模块采用变比 1 1 的电流型电压互感器 电流模块采用变比 2000 1 的电 流互感器 利用取样电阻采样信号 经变换后的信号以差模电压的形式接到由 美国 CRYSTAL 公司生产的电能表芯片 CS5460 取样电阻的阻值由被测信号的 最大值决定 然后经 CS5460 转换后将电压 电流 功率 电能等信号传给单片 机 AT89S52 AT89S52 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 OCMJ4X8CM 液晶模块 液晶正常显示当前测量的 电能值 日期 时间 可通过键盘控制显示电压 电流有效值 功率等 通讯模 块采用 Max232 芯片实现电能表与 PC 机之间的通信 并接受 PC 上位机同步 控制并与其通信 时钟模块采用 DS1302 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 AT24C16 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 图 2 1 单相电子式电能表硬件框图 2 3 1 电能计量部分 电能计量部分 记录用电客户使用电能量多少的度量器具称为电能计量 电子式电能表电 能计量部分主要有以下两种方案 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 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 CS5460 实现对电能等电量的采 集和测量 CS5460 是 Crystal 公司推出的用于测电流 电压 功率等的芯片 精 度高 性能强且成本低 CS5460 包含两个 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 用于研制开发单相 2 线或 3 线电表 CS5460 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 CS5460 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 CS5460 具有方便的片上 AC DC 系统校准功能 自引导 的 特点使 CS5460 能独自工作 在系统上电后自动初始化 在自引导模式 中 CS5460 从一个外部 EEPROM 中读取校准数据和启动指令 使用该模式时 CS5460 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 CS5460 概述 1 基本结构及功能 CS5460 的内部组成模块如下 一个电流通道可编程增益放大器其增益为 10 和 50 可选 一个电压通道固定增益放大器 其增益为 10 两个同时采样的 A D 模数转换器 两个高速数字滤波器 两个可选用的高通滤波器 一个功率计算引擎 一个 2 5v 片内电压基准 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 2 5MHz 20MHz 可选的内部时钟发生器 一个双向串行接口 一个电能 脉冲变换器 一个校准用 SRAM 2 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 5 看门狗定时器 单电源 5 V 或双向 2 5V 6 片上 2 5 V 内部基准电压 温漂 60 10 6 10 电源 7 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 电能测量精度 0 1 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2 0V 之前 RST 必须保持低电平 只有 在 SCLK 为低电平时 才能将 RST 置为高电平 I O 为串行数据输入输出端 双向 在控制指令字输入后的下一个 SCLK 时钟的上升沿时 数据被写入 DS1302 数据输入从低位即位 0 开始 同 样 在紧跟 8 位的控制指令字后的 下一个 SCLK 脉冲的下降沿读出 DS1302 的 数据 读出数据时从低位 0 位到高 位 7 SCLK 为时钟输入端 DS1302 内部结构如图 2 5 所示 x1 vcc1 vcc2 GND I O x2 电源 控制 DS1302 晶体振荡器及 倒计数链 1HZ 输入 移位 寄存器 通讯 与 控制逻辑 实 时时钟 31 8RAM SCLK CE 图 2 5 DS1302 的内部结构 DS1302 与 CPU 的连接 电路原理图如图 2 5 DS1302 与单片机的连接 也仅需要 3 条线 CE 引脚 SCLK 串行时钟引脚 I O 串行数据引脚 Vcc2 为备用电源 外接 32 768kHz 晶 振 为芯片提供计时脉冲 图 2 5 DS1302 与 CPU 的连接 2 3 7 存储部分存储部分 存储部分采用 AT24C16 存储芯片 其具有以下特性 1 8 到 6 0 伏工作电压范围 低功耗 CMOS 技术 写保护功能当 WP 为高电平时进入写保护状态 自定时擦写周期 可保存数据 100 年 8 脚 DIP SOIC 或 TSSOP 封装 温度范围商业级工业级和汽车级 AT24C16 支持 C 总线数据传送协议 IC 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 免除每次开机时的校表过程 故选用控制引脚简 洁的 AT24C16 将非常的合适 8 Pin PDIP A0 A1 A2 GND 1 2 8 7 VCC WP SCL SDA 5 3 4 6 5 图 2 6 AT24C16 引脚图 2 4 本章小结本章小结 本章首先给出了单相电子式电能表的工作原理 然后介绍了本次设计的设计 功能要求以及整个系统的整体设计方案 对电子式电能表的核心 电能计量 部 分作了方案可行性分析 并选择最佳的方案 即采用现在比较流行的电能计 量 芯片 CS5460 实现对电能等电量的采集和测量 CS5460 是美国 CRYSTAL 公 司推出的用于测电压 电流 功率等的芯片 精度高 性能强且成本低 本章 对芯片 CS5460 做了比较详细的介绍 包括其基本结构及功能 各个引脚的名称 及作用和操作时序 然后对其他模块部分作了详细的设计 前端调理电路部分 经过对两个方案的相互比较及可行性分析 我选择了采用电流互感器 电压互 感器与精密电阻网络组成调理电路 此方案设计简单 精度高 并且实现芯片 16 哈尔滨理工大学学士学位论文 与电网的隔离 安全可靠 主控芯片部分经 过我查阅大量的有关单片机的资 料 我最终选择用 AT89S52 作为电能表的硬 件核心部分 由它来负责按键输入 扫描 工作状态检测 计量数据的读入 计 算和存储等 显示模块我采用现在 比较流行的液晶显示屏 其与 LED 相比有 很多优点 可以显示字母 数字符 号 中文字形及图形 具有绘图及文字画面 混合显示功能 通信部分我选择了 异步通信 因为其电路简单 传输速度快 所以我采用串口通信 占用 I O 口 少 便于控制 时钟模块部分采用美国 DALLAS 公司推出的高性能 低功耗 带 RAM 的实时时钟电路 DS1302 为 系统提供精准时钟 存储部分采用 AT24C16 作为存储模块 为系统提供数据存 储 防止掉电丢失数据 第第 3 章章 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 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 W7805 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 自制电源原理如图 3 1 所示 图 3 1 5 V 直 流 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 我们采用变比为 2mA 2mA 的电流互感器 和高精度电阻作为输入电路部分电路如图 3 2 所示 系统设计采用 220V 的市电 电 压 输 入 首 先 外 接 Rx 110k 电 阻 得 到 2mA 的 电 流 然 后 通 过 变 比 为 2mA 2mA 的互感器 然后在二次侧连接 1 个 125 的定值电阻 得到所需的输入 电压 可以为 CS5460 提供电压信号 不超出芯片的测量范围 当然电阻 R2 值 可以根据不同的电压来调整 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 3 2 2 电流调理部分电流调理部分 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 CS5460 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 CS5460 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 R5 N L 1K R1 110k L3 2mA 2mA CT L4 R2 66 R4 1K R6 1K C7 103 C8 103 R3 1K C6 103 VIN VIN R10 1K CT L1 5A 2 5mA L2 R7 30 R9 1K R11 1K R8 1K IIN C9 103 C11 103 C10 103 IIN 图 3 2 前端调理电 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 也 可将 电能转化成与电能成正比的脉冲 由 EOUT 口输出 以便于电能表的检 定 CS5460 与单片机的连接图如图 3 3 所示 51 单单单 Y2 VCC 4 096M 1 2 VCC 3 4 P1 2 5 P1 1 6 7 8 VIN 9 VIN 10 11 12 C5 104 XOUT XIN CPUCLK SDI VD EDIR DGND EOUT SCLK INT SDO RESET CS5460 CS NC NC PFMON VIN IIN VINIINVREFOUT VA REFIN VACS5460 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 C1 30P C2 11 0592MHz 1 2 P1 1 3 P1 2 P1 3 4 5 6 7 P1 6 P1 7 8 9 RST 10 RX 11 TX INT0 12 INT1 13 14 T0 T1 15 WR 16 17 RD XTAL2 18 XTAL1 19 20 U4 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 RST RXD P3 0 TXD P3 1 INT0 P3 2 INT1 P3 3 T0 P3 4 T1 P3 5 WR P3 6 RD P3 7 XTAL2 XTAL1 VSS AT89S52 30P VCC P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 EA ALE PSEN P2 7 P2 6 P2 5 P2 4 P2 3 P2 2 P2 1 P2 0 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 VCC ALE PSEN P2 7 P2 6 P2 5 P2 4 P2 3 P2 2 P2 1 P2 0 INT1 P1 3 IIN IINVCC C4 104 Y1 图 3 3 CS5460 与单片 机连接图 3 4 通讯模块的设计通讯模块的设计 Max232 是德州仪器公司 TI 推出的一款兼容 RS 232 标准的芯片 Max232 芯片起电平转换的功能 使单片机的 TTL 电平与 PC 的 RS 232 电平达到匹配 串口通信的 RS 232 接口采用 9 针串口 DB9 串口传输数据只要将两个串口的 发送数据 与 接收数据 交叉连接 再加上信号地线就能实现 串口通信又分查 询和中断两种方式 在本系统中 通讯数据不固定 数据量大 所以采 用中断 方式进行通讯 具体电路图 3 4 所示 C4 VCC 1uF U2 C5 C8 104 GND DB9 2 DB9 3 RX TX J5 C1 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 RX 10 TX 11 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 WR 16 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 20 U4 P1 0 VCC P1 1 P0 0 P1 2 P0 1 P1 3 P0 2 P1 4 P0 3 P1 5 P0 4 P1 6 P0 5 P1 7 P0 6 RST P0 7 RXD P3 0 EA TXD P3 1 ALE INT0 P3 2 PSEN INT1 P3 3 P2 7 T0 P3 4 P2 6 T1 P3 5 P2 5 WR P3 6 P2 4 RD P3 7 P2 3 XTAL2 P2 2 XTAL1 P2 1 VSS P2 0 AT89S52 30P UART 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 VCC ALE PSEN P2 7 P2 6 P2 5 P2 4 P2 3 P2 2 P2 1 P2 0 v 1uF C6 1 2 3 4 5 6 7 8 C1 V C1C2 C2VT2out R2in VCC GND T1out R1in R1out T1in T2in R2out 16 15 14 13 12 11 10 9 下下下下 3 5 液晶显示的设计液晶显示的设计 本设计采用液晶的串行接口 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 其与单片机的连接图如图 3 5 表 3 1 串 行模式引脚说明 引脚 1 2 3 4 名称 VSS VDD PSB SCLK 方向 I 说明 GND 0V VCC 3 5V 0 串行 1 并行 串行时钟 引脚 5 6 7 8 名称 SDI CS BLK BLA 方 向 I I 说明 Data Enable Signal 背光源负 0V 背光源正极 5V C7 1uF 1 6 MAX232 DB9 2 2 7 DB9 3 3 8 4 9 GND 5 30P C2 图 3 4 通讯模块硬件接线图 1 1 0 59 2M Hz Y1 MCU 控控模模 MCU 模块 VCC U4 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 RX 10 TX 11 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 WR 16 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 20 P1 0 VCC P1 1 P0 0 P1 2 P0 1 P1 3 P0 2 P1 4 P0 3 P1 5 P0 4 P1 6 P0 5 P1 7 P0 6 RST P0 7 RXD P3 0 EA TXD P3 1 ALE INT0 P3 2 PSEN INT1 P3 3 P2 7 T0 P3 4 P2 6 T1 P3 5 P2 5 WR P3 6 P2 4 RD P3 7 P2 3 XTAL2 P2 2 XTAL1 P2 1 VSS P2 0 AT89S52 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 YJ GND 0 VCC 1 2 3 GND 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 VCC 18 GND 19 20 21 22 23 24 BLK BLA RSET NC PSB NC D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 RS R W E VO VSS VDD 20 21 CS SDI SCLK 液液液液 MOCJ4X8CM P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 VCC ALE PSEN P2 7 P2 6 P2 5 P2 4 P2 3 P2 2 P2 1 P2 0 Component 1 图 3 5 显示 电路 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 连接图如图 3 6 P2 4 S1 SW PB P2 5 S2 R22 P2 6 S3 SW PB 10K R23 10K R24 SW PB 10K R21 10K SW PB S4 P2 7 图 3 6 键 盘 3 7 本章小结本章小结 本章主要设计了系统的各个模块的硬件电路图 因为系统中的各个单元电路 都需要使用直流电源供电 所以首先设计了直流稳压电源 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 W7805 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 然后设计前端电路调理模块的硬件 电 路图 包括电压调理部分和电流调理部分 经调理电路调理的电压信号 电 流 信号 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 这 就是 电能测量模块的设计过程 紧接着设计了通讯模块的硬件电路图 利用兼 容 RS 232 的芯片 Max232 芯片实现单片机与 PC 的 RS 232 电平之间达到匹配 显示部分的硬件设计主要给出了单片机与液晶显示 MOCJ4X8CM 的连接图 最 后设计了由四个按键和四个下拉电阻构成简单的键盘 并与单片机连接 实现 按键控制 第第 4 章章 系统软件流程图的设计系统软件流程图的设计 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 Keil ULINK 的软件环境下采用 C 语言编程和调试 的 Keil 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 其中系统参数包括波特率 电能常数等 相应的初始化流程包括初始化 GPIB 地址及波特率 初始化系统电能常数 初始化电流偏置系数 初始化电压 偏置系数 初始化功率系数 设置 GPIB 地址对于单个的电能表没有意义 该 电能表用于电能管理系统中时 GPIB 地址特别重要 是本电能表区别于其他电 能表的标志 系统参数自校正模块主要对该表的系统参数自校正提供一个管理 界面 用户可以通过该功能模块对该表的电压 电流