智能交流有功功率测量仪表的设计.doc

摘要电子式有功功率表现在已经广泛应用也将更加广泛地应用在计量领域。目前，电子式电能表呈现进一步发展的趋势，电子式有功功率表也必将进一步代替传统感应式仪表。因此对电子式电能表的研究与设计不仅具有研究意义，而且还具有一定的现实意义。电子式有功功率表主要是采用了现代先进的数字信号处理技术以及强大微处理器控制技术，将传统的模拟式的计最数字化智能化。计量更准确，抗干扰能力更强，功耗也更低，同时一也具备很好的扩展性。本课题所研制的电能表主要采用高性能低功耗微处理器AT89C55和高精度电能测量芯片ATT7022B为数据采集核心。对有功功率表的硬件电路进行了阐述，主要包括电源电路、计量电路、单片机控制电路等。具体划分起来上要有电源、电压/电流采样、数据存储、液晶显示、计量、实时时钟、单片机控制等模块电路。软件上，简单设计了基本的计量、中断以及显示等程序并绘制其原理流程图。关键词：有功功率表，ATT7022B，AT89C55，单片机控制AbstractElectronic Wattmeter has been widely applied in the performance and will be more widely used in various areas of active power meter. At present, the active power meter showed the trend which the further develops, active power meter is also will certainly to further replace the traditional active power meters. So the Wattmeter research and design not only has significance, but also have a certain significance of the reality.Electronic Wattmeter is mainly used in modern advanced digital signal processing technology and powerful microprocessor-controlled technology. More accurate measurement, stronger anti-interference capability, also lower power consumption.The design mainly takes high performance, low power loss MCU AT89C55 and high accuracy measurement chip ATT7022B as the core. And design of hardware on the circuit, including the main power circuit, measurement circuits, MCU control circuit.Keywords: Wattmeter, ATT7022B，AT89C55，MCU Contro目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 选题的目的意义11.2 国内外研究综述11.3 毕业设计（论文）所用的方法21.4主要任务与目标2第二章 三相有功功率测量的工作原理32.1三相电路及有功功率测量概述32.1.1电路连接32.1.2有功功率测量方法42.2 有功功率测量原理概述5第三章 系统硬件设计93.1系统整体结构93.2计量电路模块103.2.1 电流输入通道113.2.2电压输入通道123.3 数据管理模块123.3.1微控制器123.3.2 存储时钟芯片133.3.3 存储电路143.4 微处理器外围及显示电路153.5 通信模块173.5.1 RS-485通信协议173.5.2 RS-485通信电路183.5.3 RS-485接口芯片MAX485193.6 电源电路203.6.1 主电源设计203.6.2 备用电源设计213.7 本章小结22第四章 系统软件设计234.1系统程序设计的基本方法234.1.1 单片机开发系统的软件设计特点234.1.2 系统程序的设计流程234.2 主程序总体设计244.3 异常情况监测264.4 按键中断模块284.5 本章小结29第五章 总结30参考文献31致谢32附录33附录A33附录B34第一章 绪论1.1 选题的目的意义电力是人们日常生活和工业生产中的主要能源，在现代社会中起着越来越重要的作用。三相有功功率测量仪是一种测量三相电源有功功率参数的仪器，它在电力系统中起着非常重要的作用。随着精密加工企业的不断增加和企业对产品质量控制意识的增强，越来越多的企业将测量设备搬到了加工设备的旁边，希望零件从加工设备上取下后马上进行检测或不取下直接测量，以缩短加工时间提高效率，便携式的仪器就应运而生。但是由于生产工艺和环境的限制，大部分的此类仪器都存在着环境适应性差，精度不稳定等弱点。大型的台式仪器存在着对环境要求严格、场地面积大等问题。如何将二者的优点结合起来，生产出既使用方便又小巧便携还能保证稳定精度的有功功率测量仪器，成为各个仪器生产商努力的方向。仪器的小型化、便携化、自动化将是生产现场使用的测量仪的发展方向。传统的电参数测量仪的局限性一般体现在以下几个方面：第一，进一步提高精度十分困难，动圈式仪表目前只能做到一级，自动平衡仪表结构相对复杂，精度一般在0.5级，若采用闭环结构虽可以提高精度，但随之而来的却是结构相当复杂，成本也会大幅提高。第二，仪器的功能单一，进行综合测量时要携带多个仪器，操作人员工作强度大。第三，无法进行网络连接，实现远程测量和控制，提高劳动生产率。本课题研究的有功功率测量仪可用于在线进行交流电有功功率的测量，采用液晶显示，读数直观、准确。并且具有和计算机通信的能力，便于实现电力系统自动化。具有广阔的市场和发展前景。1.2 国内外研究综述电测仪表的发展经历了三个阶段：第一代是指针式仪表，如模拟万用表、电压表、电流表，这些仪表的基本结构是电磁式、电动式、感应式、静电式等。第二代是数字测量仪表，这类仪表的基本原理是将被测量模拟信号通过电子线路转变为数字信号，进行计算并显示出来。第三代是智能仪器，所谓智能仪器，一般指含有微处理器的仪器，通过微处理器来控制数据的采集，并对数据进行处理。这类仪器的硬件基础是采集技术和输入输出技术，而软件基础在于采样数据的处理方法。以前简单廉价的指针式仪表的测试方法多采用直接测量或者间接测量,前者测量参数的精度不足,后者测量精度比较高,但是使用两种测量方式的传统测试系统都需要自己搭建,而且需要针对不同的参数改变电路。现在即使有采用电子线路的数字仪表测试仪器,这类仪器同指针式仪器相比较精度有了很大的提高，能直观读取测量结果，而且可靠性高，易于使用。但电子线路比较复杂，不能自动适应测量环境的变化，而且仪器的校准复杂，也需要大量的需要手动操作,参数测试速度慢,精度不高，越来越难以满足电子系统和设备的实验、设计、生产、维护中对参数测试的需要。第三代有功功率测量仪表以单片机作为控制的核心，使整个系统显得精简，不但能达到所要求的技术指标，还具有灵活的现场更改性，还有处理速度快，实时性好、可靠、抗干扰性强等优点。课题所研究的技术具有良好的发展前景。比如美国AD公司提供了一种有功功率测仪表方案，采用“MCU高精度ADC”，结果在不减少功能的前提下，缩小了体积、功耗、可靠性明显提高。1.3 毕业设计（论文）所用的方法本设计的有功功率表主要包含电源模块、采样计量模块、通信模块、存储模块、微控制器及显示模块等。微控制器AT89C55是控制核心，它协调控制各个功能模块的工作。本设计出于对精度、可靠性等方面的考虑，采用单片机为主体，配以专用计量芯片来检测电信号，实现有功功率的测量。1.4主要任务与目标本次设计主要任务： a.用单片机为核心设计一个测试仪表，可对三相电源的有功功率进行测量；b.用多个数码管显示测量结果；c.可键盘设定测量范围； d.自行扩展功能，使之更加完善。第二章 三相有功功率测量的工作原理2.1三相电路及有功功率测量概述2.1.1电路连接三相电源是由振幅相等、频率相同的三个正弦电压、组成，其初相互差120。三相电源有两种基本连接方式：Y连接和连接。Y连接是将三相电源的末端接在一起，形成一个中性结点N，从各相的始端及中性点N引出四根输电线分别为相线和中线，相线与中线之间的电压称为相电压。相线之间的电压称为线电压，流过相线的电流称为线电流，流过每相电源的电流称为相电流。Y连接示意如图2-1(a)。三相对称Y连接时，有如下关系： (2.1)式中：、 -线电压和线电流；、 -相电压和相电流。对称三相电源也可以采用连接，它是将三相电源各相的始端和末端依次相连，再由三个顶点引出三根相线与负载相连。三相电源作连接时，要求三绕组的电压对称，如果不对称程度比较大，所产生的环路电流将烧坏绕组。连接示意如图2-1(b)。三相对称连接时，有如下关系： （2.2）式中：、 -线电压和线电流；、 -相电压和相电流。图2-1三相电源的星形连接和三角形连接三相负载也分为Y连接和连接，当电源为Y连接时，根据负载接线方法一般有三相三线制和三相四线制之分。当三相负载为连接时可构成三相三线制，如图2-2(a)所示。当三相负载为Y连接时可构成三相四线制，如图2-2(b)所示。三相四线方式时，流过各相负载的电流等于各相电源流过的电流。当电路为对称三相电路时，中线电流为零。此时中线可以去掉，变为三相三线制。图2-2三相负载连接图2.1.2有功功率测量方法目前，应用于电力系统中的各种智能测量仪表、监控装置和综合自动化系统，采样计算式测量方法主要分为两类：直流采样法和交流采样法。直流采样法，即采样的是经过变换后的直流量。采用直流采样法通常是通过测量平均值来计算电压、电流有效值的。此方法软件设计简单、计算方便，对采样值只需作比例变换即可得到被测量的数值。但是直流采样方法存在一些问题，如：测量准确度直接受整流电路的准确度和稳定性的影响；整流电路参数调整困难,而且受波形因数的影响较大等。当被测信号为纯正弦量时,有效值与平均绝对值之间的关系为：=1.11。当输入信号中含有谐波时, 与之间的关系将发生变化,并且谐波含量不同，两者之间的关系也不同，这将给计算结果带来误差。目前，随着非线性负载应用的增多，产生大量的高次谐波电流，使得电压、电流波形发生了很大的畸变，这样一来，采用直流采样方法就会带来较大的误差。交流采样是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再用一定的数值算法求得被测量的值，它与直流采样的差别是用软件功能代替硬件功能。1974年美国国家标准局将计算机采样数值计算用于精密测量领域,研制出第一台用采样方法的数字式瓦特表。从此，这种采样计算式的周期信号的测量方法，在国际上获得了人们广泛的研究兴趣。2.2 有功功率测量原理概述以下以A相为例，设在t时刻负载两端的交流电压和流过负载的交流电流的表达式为 （2.3） （2.4）式中：电压峰值，电流峰值，U电压有效值，I电流有效值，电压与电流相位差，角频率。如果已知电压、电流的有效值及相位差，那么负载上消耗的瞬时功率为： （2.5）A相的有功功率可以定义为瞬时功率在的一个周期内的平均值 （2.6）式中：T正弦周期，。则三相总的有功功率是 （2.7） 在实际中，负载是不断变化的，无法快速而准确的得到每个周期内的电压有效值、电流有效值，以及电压向量和电流向量的相位差，所以无法按式（2.6）直接求得有功功率。电参数的测量方式有电解式、感应式、电子式，目前在实际应用中最常用的为电子式。有功功率表一般都要经过电压电流分别采样，然后对两者相乘，再进行累加。对于相乘所使用的乘法器是有功功率表的重要部件。电子式电参数测量单元的乘法器一般可分为模拟乘法器和数字乘法器两类。根据本次设计选用方案，对数字乘法器原理进行介绍。【1】数字乘法器型有功功率表以微处理器为核心，对输入的交流电压、电流波形进行分时采样，将经过取样变换的被测电压信号和电流信号由A/D转换器完成数字化处理，然后由CPU对电压、电流数字量进行相乘、相加等处理和运算，得到有功功率。数字乘法器实现有功功率测量的测量精度主要取决于A/D转换器的准确度和采样间隔的大小，直接决定有功功率表的精度和准确度。A/D转换器的准确度越高，则测量准确度越高；采样的间隔越小，采样频率越高，则测量准确度越高，从而对有功功率的测量更准确。【2】利用作图法可求得一个周期内各采样点的功率，如图23所示。从图23可以看到各采样点功率为： （2.8）一个周期内的平均功率为： （2.9）式(2.9)是一个数值计算公式，可以由微处理器完成。这种方法通过模数转换器(也称A/D转换器)把交流电压、电流模拟量转换为数字量。利用高精度A/D转换器，增加采样次数可以将有功功率计算得很准确。图2-3分时采样与采样点功率数字乘法器的关键器件为A/D转换器，由它把交流电压、电流模拟量转换为数字量。所有的A/D转换器的工作过程都是由三个基本转换过程组成的，即采样、量化和编码。数字型乘法器的实现电路可由单片机、A/D转换器、采样保持器、多路模拟开关和显示器等部分组成，这是所谓的分立电能计量方案。但是，这种电路的硬件部分元件多、体积较大；而其软件也较复杂，目前，实际应用中基本没这个方案。由于今年来集成电路技术的发展与工艺技术水平的提高，专用的集成计量芯片开发变得比较容易。一些基于数字乘法器原理的电能计量芯片被开发出来。目前，此类产品种类较丰富，得到大量应用。【3】第三章 系统硬件设计3.1系统整体结构硬件是系统功能实现的基础，系统的设计首先是硬件的设计。硬件部分总体结构框图如图3-1所示：三相电源输入电压互感器及前端采样滤波电路电流互感器及前端采样滤波电路计量芯片电路ATT7082BA/D转化器A/D转换器单片机键盘显示电源时钟RS-485存储 图 3-1 系统框图本设计的有功功率表主要包含电源模块、采样计量模块、通信模块、存储模块、微控制器及显示模块等。微控制器AT89C55是控制核心，它协调控制各个功能模块的工作。本设计出于对精度、可靠性等方面的考虑，采用单片机为主体，配以专用计量芯片来检测电信号，实现有功功率的测量。它的工作过程是把被测交流电压、电流信号经过电压、电流互感器变换成交流小电流信号，信号调理模块采用I/V转换电路把它变换成-4.54.5v的交流电压信号，再进行滤波。采样模块按事先确定的采样间隔对信号调理模块的输出进行采样，采样值进行A/D变换后存入数据存储器，等采样完预先确定的采样点数后采样过程结束，CPU对采样值进行数据处理。根据第二章中的算法，计算出有功功率，处理结果可以在液晶显示器上显示，也可以通过通讯模块传送到上位机。3.2计量电路模块计量电路是电能表计量的核心，其主要有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。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，所以在负荷电流、电压信号衰减后，还要进行抗混叠滤波处理。【4】计量电路模块选择ATT7022B。ATT7022B是一款高精度三相电专用计量芯片，它集成了六路数模转换器，其中三路用于三相电压采样，三路用于三相电流采样。并提供一个SPI接口,方便与外部MCU之间进行计量参数的传递。高精度三相电能计量芯片ATT7022B是计量电路主要的数据处理单元，它将检测来的电压和电流信号经过处理并将相应的数据存储于自身的存储单元内。本设计中电压通道Un对应模数转换器的输入选在0.5v左右，电流通道Ib对应模数转换器输入选在0.1v左右。计量电路设计如图3-2示。图3-2计量电路原理电力线中的电信号输入到电能表中的有A相、B相、C相三相电流和三相电压，它们分别连接到计量芯片ATT7022B中相应的模拟输入引脚。ATT7022B的模拟输入引脚分别为V1P/V1N、V2P/V2N、V3P/V3N、V4P/V4N、V5P/V5N、V6P/V6N、V7P/V7N。3.2.1 电流输入通道A相、B相、C相电流信号正负模拟输入引脚分别为V1P/V1N、V3P/V3N、V5P/V5N，电流信号经过处理后从这些引脚进入到ATT7022B中。以A相为例，它的电流信号的流向为：电流信号经过电流互感器CT后处理为电压小于1.5V的信号，即适合输入到V1P、V1N的电压幅度，然后通过电阻、电容构成的RC滤波器滤波，再经过两对倒置开关二极管组成的电压保护电路，最后才成为输入的电流。为了减少低电流负荷时电流互感器检测的误差，本课题的设计采用双变比电流互感器，即高变比150(250)/5A和低变比30(50)/5A。当电源低于额定负荷的20%时，采用低变比电流互感器检测电路，否则采用高变比电流互感器检测电路。这一转换过程首先是微控制器AT89C55和ATT7022B进行通信，时刻检测负荷功率，从而判断并通过P3.3引脚控制多路模拟开关CD4053，通过参考CD4053真值表3-1，可以得出当P3.3为低电平时，选通ax、bx、cx，当P3.3为高电平时，选通ay、by、cy。INH输入端输入“1”电平时，全部通道置于关断状态。当INH输入端输入“0”电平时，全部通道置于开通状态。其中B相、C相电流电压采样电路均和A相电路相同。表3-1 COD4053真值表禁止端INH控制端通道选择1A B C 00 0 0ax bx cx01 1 1ay by cy3.2.2电压输入通道A相、B相、C相电压信号正负模拟输入引脚分别为V2P/V2N、V4P/V4N、V6P/V6N，电压信号经过处理后从这些引脚进入到ATT7022B中。以A相为例，电压信号经过电压互感器PT后处理为电压小于1.5V的信号，即适合输入到V2P、V2N引脚的电压幅度，然后通过电阻、电容构成的RC滤波器滤波，再经过两对倒置开关二极管组成的电压保护电路，最后才进入到V2P和V2N中。3.3 数据管理模块3.3.1微控制器有功功率表的设计首先考虑的是精确，另一个要素是可靠，需要长期稳定地运行，有功功率表投入使用后由于它自身的实际情况，维护起来手续多、范围广、难度大，因此设计出发点就是尽可能地使系统长期精确、稳定可靠地工作，而且能够免于经常性的维护。其次，有功功率表的可扩展性也是一个需要考虑的因素，电表技术还在不断地发展，用户的需求也在不断增加，为以后的需求留下一定的空间也是设计的一个重点。再次，有功功率表的性能、硬件成本应该定位在适用的范围内，成本也是需要考虑的一个重要问题。基于上述考虑，本电能表的核心微控制器选择Atmel公司的AT89C55。微控制器AT89C55是一种低功耗、高性能CMOS-8位微控制器，具有20K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C55为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。其具有的标准功能有：20K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，两个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C55可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89C55是有功功率表工作运行的核心，其主要功能有：(1)从ATT7022B读取测量数据并处理；(2)和DS32C35通信，存储测量数据及异常记录并读取实时时钟；(3)将相应数据显示在液晶屏上；(4)提供串口通信。3.3.2 存储时钟芯片实时时钟(RTC)采用DS32C35，它是(8k x 8位)的非易失FRAM存储器，是业界精度最高的RTC。DS32C35的RTC采用双电源供电模式，VCC为主电源输入，VBAT为备份电源输入。其供电模式选择是有温度补偿参考电压和比较电路所控制，当VCCVPF时，由VCC向RTC供电；当VCCVBAT时，同样由VCC向RTC供电；当VCCVPF且VCCVBAT时，由VBAT向RTC供电。RTC有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式。此外，RTC还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器，时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。时钟的运行和停止由0Eh单元EOSC控制，当EOSC1时，时钟停止；EOSC=0时，时钟运行。本有功功率表的数据存储单元采用DS32C35的FRAM区域。3.3.3 存储电路存储电路中，微处理器AT89C55是处理核心，电路中包括两种通信协议：SPI和IIC。ATT7022B内部集成的SPI串行通信接口采用从属方式工作，使用两条控制线和两条数据线：CS、SCLK、DIN和DOUT，具体引脚功能可参考表3-2。考虑到SPI传输信号线有可能受到干扰或者出现抖动，为此在SPI信号线上串联一个10小电阻，这个电阻与电容C结合起来可构成一个低通滤波器，可以消除SPI接口信号上的任何振荡，和微控制器的连接图如3-3所示。存储电路如图3-4所示，SCL引脚与AT89C55的P1.6相连，SDA引脚与AT89C55的P1.7相连，两引脚均接有10k上拉电阻，VCC接有滤波电容，VBAT接有3.0V后备电池。其存储过程，首先是AT89C55通过SPI接口从ATT7022B的到相应数据，并作相应的处理，然后经过IIC通信接口写到DS32C35的FRAM区域。其中DS32C35具有连续读写的功能，从而大大提高了通信速度。表 3-2引脚标示特性功能描述35输入CSSPI片选信号，低电平有效，内部上拉200K电阻36输入SCLKSPI串行时钟输入，上升沿放数据，下降沿取数据37输入DINSPI串行数据输入，内部下拉200K电阻38输出DOUTSPI串行数据输出，CS为高时高阻输出图 3-3 连接电路图 3-4 存储时钟电路3.4 微处理器外围及显示电路本有功功率能表采用的微处理器AT89C55为贴片式芯片，其外围R1与C1组成微处理器的上电复位电路，U4为微处理器正常工作的外置晶振，频率为12MHz。其中J1、J2、J3为三个功能按键。三个功能按键J1、J2、J3的功能为：J1：按下显示当前有功功率。J2：按下显示故障记录。J3：按下进行数据的清零。本设计显示电路包含LCD液晶显示部分和LED报警指示部分。其中LCD是主要的电能显示屏，采用WH2004A高清晰字符液晶模块，可提供有功功率、异常记录、日期及时间的显示；LED用于电表异常报警指示，包括断相、错相等报警。液晶屏WH2004A为20字符4行的显示内容，液晶模块共有16个引脚，分别为：(1)Vcc:电源输入引脚，接+5V。(2)CV:LCD驱动电压(可调，一般为0V)。(3)GND:接地端。(4)E:输入引脚。读操作时，信号下降沿有效；写操作时，高电平有效。(5)RS：输入引脚。RS=0，当MCU进行读模块操作，指向地址计数器；当MCU进行写模块操作，指向指令寄存器；RS=1，无论MCU进行读操作还是写操作，均指向数据寄存器。(6)PW:输入引脚。RW0，写操作；RW1，读操作。(7)DB0DB7:8位I/O口，MCU与LCD模块之间的数据传送通道。RS、RW、E为控制引脚，分别与微控制器的P2.1、P2.2、P2.3相连接；DB0 DB7为数据传送引脚，与微控制器的P0口相连接，数据线均连有上拉电阻。数据通过P0口以ASCII码形式传送并写入到LCD的内部寄存器DDRAM，在传送之前首先是LCD的忙检测，通过DB7，即只有读到DB7引脚为低电平时才可往LCD写入数据。整个外围连接及显示电路如图3-5所示。图3-5 微处理器外围及显示电路3.5 通信模块3.5.1 RS-485通信协议RS-485是一种串行数据接口标准，是由电子工业协会(EIA)于1983年制订并发布的。本设计的通信部分基于成本，多节点测试以及传输距离的角度考虑，选择RS一485作为通信方式。RS一485是RS一422的变型，是自动化领域适应分布式控制系统的发展的需求发展起来的一种适合远距离的数字通信总线。采用差分式接收数据和驱动总线。RS一485标准允许在电路中有多个收发器，节点数量与RS一485器件性能有关【5】。RS-485是双向、半双工通信协议，即允许多个发送器和发送器连接到同一条总线上，其中每个驱动器都能脱离总线。该规范满足所有RS-422要求，而且比RS-422稳定性更强，具有更高的接收器输入阻抗和更宽的共模范围(-7V至+12V)。同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。RS-485数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，根据A线和B线之间的电压差判断数据的“0”、“1”状态，通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2-6V，是另一个逻辑状态。接收器也作与发送端相对应的规定，发端通过平衡双绞线相连，当在接收端的AB之间有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至6V之间。3.5.2 RS-485通信电路RS485的通信接口是由MAX485芯片构成，通信方式上采用了半双工方式，即指令和数据的传送都采用应答方式，为了防止工业现场的干扰，和对电表的保护，RS485通信接口和电表内部电路实行光电隔离。它使通信总线上的节点之间没有电气上的连接，提高了各个节点工作的可靠性一旦某个节点出现故障，避免整个系统陷入瘫痪。常用的光电隔离方法是将微控制器UART串口的RXD、TXD通过光电隔离电路连接MAX485芯片的RO、DI引脚，控制信号R/D同样经光电隔离电路去控制MAX485芯片的DE和/RE引脚。RS-485通信电路如图3-6所示。应用层协议则规定了通信双方的交互方式、命令格式、从机地址以及错误校验等方面的内容，常用的应用层协议有Modbus协议，Modbus协议是应用于工业控制领域的一种通用协议。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信，Modbus协议已经成为一种通用的工业标准。Modbus协议具有两种传输模式：ASCII模式和RTU模式。用RTU模式传输的数据是8位二进制字符，如果想要转换为ASCII模式，则每个RTU字符首先应分为高位和低位两部分，这两部分各含4位，然后转换成十六进制等量值，用以构成报文的ASCII字符都是十六进制字符。本系统的电能表采用了RTU模式作为后台监控程序与仪表之间的通信方式。图 3-6 RS-485通信电路3.5.3 RS-485接口芯片MAX485本系统选择MAX485芯片作为收发器。功能如下：(1)R0，接受其输出。(2)RE，接受器输出使能。RE=1时，允许接受器输出；RE=0时，接受器输出被禁止，R0为高阻。(3)DE，驱动器输出使能。DE=1时，允许驱动器工作；DE=0时,驱动器被禁上。(4)DI，驱动器输入，DI为低，则使输出A为低，输出B为高。(5)GND，接地。(6)A，接受器非反向输入和驱动器非反相输出端。(7)B，接收器反相输入和驱动器反向输出端。(8)Vcc，电源引脚。3.5.4 光电隔离在本系统的实际应用中，电能表是通过RS-485总线和上位机相连，这样外部的干扰就有可能通过RS-485接口进入系统中，为了防止这种情况的发生，设计中通过光耦将信号隔离，用来消除干扰的影响。光耦合器以光为媒介传输电信号，它对输入、输出电信号有良好的隔离作用。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管，让它发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。【6】如图3-6所示，本系统中用了光耦合器加在MAX485芯片和单片机89C55之间，来进行电气隔离，消除干扰的影响。3.6 电源电路电源是有功功率表工作的基本条件，为使电源不影响有功功率表计量准确性、可靠性等，必须对电源部分进行特殊设计。在本系统中，有功功率表是工作在不间断电源供电状态下，其中系统电源模块由主电源和后备电源两部分组成。3.6.1 主电源设计主电源电路是一种标准设计的电源电路，通过降压，整流，稳压，滤波四个环节，得到5V的直流电压。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，其中整流电路采用整流桥集成模块，稳压电路采用7805集成电路模块，如图3-7所示。先是将电源电压经过电源变压器进行电压变换，使变压器次级电压的有效值与所需直流电压5V相近，以便整流、滤波等后续电路处理。然后再经过整流桥将所得的正弦交流电变换成单向脉动的直流电。但这个单向脉动电压含有很大的纹波成分，距离理想的直流电压还差的很远，不能直接使用。接着上面的单向脉动电压进入主要由电容组成的滤波电路，它尽可能地将单向脉动电压里的交流成分滤掉，保留直流成分，尽可能地使直流电压变得平滑。后面的稳压电路则是起稳压的作用，使得这个电源电路能够提供稳定的直流电源，防止在输入电源发生波动或者负载发生变化的时候电压不稳定。电源模块的稳压电路采用的是集成三端稳压器。其中7805提供+5V直流电。电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78 系列和负电压输出的79系列。顾名思义，三端元件是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。用78/79系列三端稳压元件来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压元件型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如该设计使用的7805表示输出电压为正5V。78系列的稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压为输出电压的3-4V以上。图3-7 隔离主电源电路3.6.2 备用电源设计虽然备用电源可以采用可充电电池等方案，但是由于这里所需要的电量并不是很大，持续时间也不需要很长，只需要完成数据存储即可。这里选择了大电容作为备用电源这一方案。选择了在稳压后端与单片机电源端直接并联了一个达22000uF的大电容电解电容。如图3-8所示。同时，为安全起见，在单片机的电源输入端还串入了一个低正向压降的二极管（1N5820）来进行稳压。图3-8 备用电源电路3.7 本章小结本章首先给出了硬件系统的总体设计方案，分析系统结构的布局和功能。并对电能表所使用的芯片的内部结构和引脚功能作了总结，同时对整个硬件系统所包含的硬件电路作了详细的设计，介绍了基于89C55单片机的高精度有功功率表的硬件设计，其中包括计量电路、存储电路、微处理器外围、通信接口电路等，从工作原理，连接特点，功能描述等方面详细地作了分析，引导出硬件设计的新理念。第四章 系统软件设计对于一个控制系统来说，功能的实现除了硬件电路之外，软件处理也是相当重要的。如果说硬件是系统的框架的话，软件就是系统的灵魂。当系统的硬件电路确定以后，硬件的所有功能都是通过软件来实现的，软件的执行效率也直接决定了整个系统的效率。有功功率表的软件系统是整个系统的控制、指挥中心，因此要优化软件结构和控制算法，编制高效率的软件，并要仔细、反复地进行论证，考虑各个方面的因素，使控制算法正确、可靠，这才是软件设计的目标之一。4.1系统程序设计的基本方法4.1.1 单片机开发系统的软件设计特点系统软件是根据系统功能要求设计的，一般地讲，软件的功能可以分为两大类。一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能，如测量、计算、显示、打印、输出控制等；另一类是监控软件，它是专门用来协调各执行模块和操作者的关系，在系统软件中充当组织调度角色。在软件开发中，特别是基于MCU的程序设计，一般具备以下几个特点：(1)功能模块化。控制系统设计中，把通用的程序或者中断服务程序实行模块化，既便于调试、链接，又便于移植。(2)实时性。工业控制系统基本都是实时控制，因此程序设计的首要要求就是实时性，即能够在对象允许的时间间隔内对系统进行控制计算和处理。在实时性要求高的系统中，一般使用汇编语言设计程序，而且对多个处理任务实行中断嵌套或者多重中断。(3)针对性。单片机控制的系统程序最大特点就是要有较强的针对性，即每个控制程序都是根据一个具体系统的要求来设计。(4)可靠性。程序实现系统的功能是程序设计的基本要求，系统的可靠性则是关键，只有系统的可靠性高才能保证系统的正常运行。【7】4.1.2 系统程序的设计流程单片机应用程序的设计编写，一般采取以下几个步骤：(1)分析问题。明确所有要解决的问题，将软件分成各个独立的部分，根据功能关系和时序关系设计出合理的软件总体结构。(2)建立正确的数据模型。根据功能要求描述各个输入和输出变量的数学关系。(3)制定程序框图。根据所选的数据模型制定程序执行的步骤和顺序，并绘制程序框图。(4)合理分配系统资源。系统资源主要是单片机的内部资源或者是外扩资源。(5)编写指令。在编写过程中，在程序的相关位置可以写上注释，提高程序可读性。(6)程序调试。反复执行程序，排除设计中的所有错误。(7)程序优化。使各个功能程序模块化，缩短程序长度，减少执行时间。【8】4.2 主程序总体设计有功功率表系统通过软件设计可以实现有功功率实时计量、异常情况监测、时钟显示等主要功能。实时有功功率计量包括峰时和谷时有功功率计量。异常情况监测主要包括是否有反向功率、是否发生断相、是否发生相序错，当有以上的异常发生时，有功功率表系统便报警，并存储此异常情况的数据。时钟功能提供给有功功率表系统实时时间。程序设计中主要有查询和中断两种方式。本设计软件采用中断的设计方法，设置了多个键盘中断，通过键盘中断实现系统所要实现的各个主要功能。系统复位启动以后，经过自检和一系列的初始化以后，系统开始循环等待中断的产生，也就是说系统的主要功能都体现在中断服务子程序上。有功功率表系统的程序中主程序是最重要的部分，它决定了整个程序实现的功能、步骤等，因此，主程序的好坏决定了整个程序的质量。在本设计中，主程序主要实现了系统上电复位后开始运行的各部分初始化，使系统进入正常工作状态，这些初始化完成后，系统显示计量到的峰时的有功功率数据、谷时的有功功率数据。主程序流程图如图4-1所示。开始系统上电复位MCU初始化LCD初始化DS1302初始化有功功率计量结束图4-1 主程序流程图实时有功功率计量可以检测当前的有功功率，进行实时功率计量时，首先判断当前是峰时还是谷时，即判断当前负荷是否大于或等于额定负荷的20%，如果是峰时，则在读取ATT7022B中的有功功率之后，显示当前时间是峰时，并显示读取到的有功功率数据，相对应的，如果是谷时，则在读取ATT7022B中的有功功率之后，显示当前时间是谷时，并显示读取到的有功功率数据。有功功率计量程序流程图如图4-2所示。【9】开始当前负荷是否大于或等于额定负荷的20%？读取ATT7022B中的有功功率数据调用LCD程序显示实时峰时有功功率结束读取ATT7022B中的有功功率数据调用LCD程序显示实时谷时有功功率YN图 4-2 实时有功功率计量流程图4.3 异常情况监测在有功功率表运行过程中，不能排除意外发生的可能性，因此，当有异常情况出现时，对异常情况的监测就显得尤为重要，它不但可以对异常情况进行检测、判断，而且可以对异常情况出现的时刻、持续时间、次数等重要数据进行记录，这对处理这些异常情况，使电能表数据恢复正常运行非常有帮助，而且增加了有功功率表系统的可维护性。对异常情况进行的监测主要有以下几种情况：是否有反向功率，是否发生断相，是否发生相序错。通过微控制器读取ATT7022B的功能寄存器，如标志状态寄存器，可以判断出A相、B相、C相是否失压，以及三相电压、电流相序是否正确；功率方向判断寄存器，可以指示A/B/C合相的有功功率方向，其对应的负功率指示REVP，当检测到三相中任意一相的有功功率为负，则REVP输出高电平，直到下次检测到所有相的有功功率都为正时，REVP才恢复为低电平。当检测到输入电源异常发生时，微处理器就会将异常发生时的时间记录在DC32C35的相应数据区，并通过P2.4引脚LED报警。异常情况监测流程图如图4-3所示。开始功率是否为负是否发生断相是否发生相序错报警并处理报警并处理报警并处理YYYNNN结束图 4-3 异常情况监测流程图4.4 按键中断模块有功功率表系统的一些功能是通过键盘中断实现的，因此键盘中断程序是系统程序中的重要组成部分。键盘模块共有3个按键，实现不同的功能：（1） J1键按下进行有功功率计量有功功率计量包括峰时有功功率和谷时有功功率。（2） J2键按下显示故障和异常情况记录（3） J3键按下将数据清零每个键按下显示停留30秒后，重新回到不按键时的状态。键盘中断模块流程图如图4-4所示。开始开启键盘中断判断哪个按键发生按键中断转入相应的按键中断程序返回主程序图 4-4 键盘中断模块流程图4.5 本章小结本章介绍了系统的软件设计，详细地介绍了软件系统的整体架构，然后给出了系统的软件实现的功能和程序流程，最后给出了各个部分的软件程序。 第五章 总结本文研究了有功功率计量仪表在国内外的发展情况，设计了基于单片机AT89C55的整体方案，并在此方案基础上进行了硬件和软件的设计。本文设计的有功功率表系统以AT89C55单片机为核心，采用专用计量芯片ATT7022B，集检测、计量、控制和通信于一体，能够广泛应用于各类场所。有功功率表的系统整体框架基本已经形成，现将本文的工作总结如下：(1)完成了系统的硬件设计。采用单片机+专用计量芯片的设计方案，简化了电路设计，提高了性能和可靠性。微控制器AT89C55是控制核心，它协调控制各个功能模块的工作。时钟电路选用DS1302时钟芯片实现，该芯片可接备用电池。显示模块采用高清晰LCD，使面板更加美观。带有RS-485通信模式，能够方便的实现与上位机的数据交换，并且输入输出采用光耦隔离，有效地减少了干扰。(2)进行了软件的总体设计，采用中断的软件结构设计，提高了单片机的利用率，完成了每个中断的服务子程序设计。由于本人学识和时间的问题，在一些方面还存在不足之处。如果要完善此设计，可以从以下几个方面着手：(1)进一步优化系统的硬件组成和软件结构，增加系统长时间运行的稳定性；(2)增加上位机系统部分，完善上位机和有功功率表系统的通信接口和程序，真正实现有功功率表系统的智能化、网络化。参考文献1. 张记凯.基于PL3201多功能电能表设计D:硕士学位论文.北京:北京交通大学交通信息工程系,20072. 万全.新型多用户电子式电能表的研究与设计:硕士学位论文，长沙：湖南大学，2004年3. 郭松林,林海军,张礼勇.电子式