智能仪表硬件1硬件.doc

南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文）学院（系）：电子与电气工程学院 专 业：电气工程及其自动化 学 生： 刘柯佳 指导教师： 尹应鹏 完成日期 2012 年 5月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）智能电表的硬件设计The Hardware Design of Intelligent Electric Meter总 计： 毕业设计（论文）21页表 格： 9 个插 图： 12 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 生 毕 业 设 计（论文）智能电表的硬件设计The Hardware Design of Intelligent Electric Meter学 院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 刘柯佳 学 号： 104091120062 指 导 教 师（职称）：尹应鹏 (讲师) 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology智能电表的硬件设计电气工程及其自动化专业 刘柯佳摘 要随着社会的发展和进步，电能变得越来越紧张，合理利用电能就成为急待解决的问题，为了提高供电质量和资源的合理利用，必须抑制高峰需求，鼓励低谷用电，这就需要运用价格的杠杆作用，制定峰谷分时电价来调节。所以，就需要有一个智能的计费工具，来实现价格调节智能分时计费电度表。本设计通过单片机以及I C串行总线使很好的对峰谷进行分时记值、计价，从而很好的解决了电能收费问题。本文给出了智能分时计费电度表硬件设计的基本思路。给出了整体电路的原理、设计图和几个电路使用特殊芯片和使用硬件资料，是实用性很强的设计方案。关键词单片机；分时计费；电度表；硬件设计The Hardware Design of Intelligent Electric MeterElectrical Engineering and Automaition Specialty LIU Ke-jiaAbstract：With the development and progress of society, the electric energy is becoming more and more intense , the rational utilization of energy has become urgent to solve the problem, in order to improve the power supply quality and reasonable utilization of resources, must restrain the peak demand, encourage the underestimation of electricity, this needs to use the leverage of the price, make electrovalency of peak cereal time-sharing to adjust. So, you need to have an intelligent charging tool, to achieve price adjustmentintelligent time-sharing accounting of kilowatt-hour meter. Through the design of Single chip microcomputer and Inter-Integrated Circuit serial bus makes good on peak-valley time-sharing note value, valuation, which well solves the problem of electricity charges. This paper presents the intelligent Time-sharing Accounting of kilowatt-hour meter hardware the basic idea of the design. The whole circuit principle, design and several circuit using special chips and the use of hardware, is very practical design scheme.Key words:Microprogrammed Control Unit; time-sharing charging; watt-hour meter;hardware design分享到 翻译结果重试抱歉，系统响应超时，请稍后再试 支持中英、中日在线互译 支持网页翻译，在输入框输入网页地址即可 提供一键清空、复制功能、支持双语对照查看，使您体验更加流畅目 录1 引言11.1 课题背景11.2 智能分时计费电度表系统的设计方案11.3 电度表参数配置和论文组织结构22 系统结构框图与设计要求32.1 系统结构框图32.2 内容显示与设计要求43 系统硬件电路设计与实现53.1 计量芯片ADE775853.1.1 引脚配置及功能描述53.1.2 计量电路原理63.1.3 接口电路设计73.2 单片机外围电路设计与器件选择83.2.1 单片机及外围电路设计83.2.2 显示模块HCl60293.2.3 数据存储AT24C02103.2.4 时钟芯片DSl302113.2.5 串行接口芯片MAX485143.2.6 选通开关CD4053143.2.7 电源模块设计15结束语17参考文献18附录19致谢211 引言电度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等在电度表设计中的应用，提高了电能计量精度，简化了电度表设计结构。随着电能计量芯片的推陈出新，复费率电度表、防窃电电度表、配置RS-485通信及红外通信接口的电度表以及三相多功能电度表发展迅速1。电度表的计量精度、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，电度表的功能、性能、以及可靠性设计等都有了显著提高与改进，电度表技术面临难得的发展机遇。1.1 课题背景随着经济的发展以及人民生活水平的不断提高，各种生产生活用电量不断增大，因此产生了用电负荷量不平衡的状况。为了解决这一问题充分发挥现有发电能力，则可采取分时计费用电制度。分时计费用电制度是将用电时间根据用电情况划分为高峰期和低峰期。高峰期用电，电费单价高；低峰期用电，电费单价低。这是采用经济杠杆来诱导用电者尽量避开高峰期用电的一种方法2。智能分时计费电度表正是适应分时计费用电制度的一种新颖的单片机化智能产品。它既保留了原有电度表的功能又增加了分时计算用电量和电费的功能。因此它既是使用于当前，更适应于未来。1.2 智能分时计费电度表系统的设计方案本设计以智能计量总表为研究对象，采用计量芯片ADE7758和AT89S52设计三相电度表，介绍了计量电路原理、系统结构特点以及分段计量的硬件设计与实现。针对10-35kV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度表设计方案；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。根据电度表参数配置进行ADE7758初始化参数计算。为了评估电度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度表的显示值两组数据进行分析比较，得出电度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度表设计，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度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，完成对电度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3。1.3 电度表参数配置和论文组织结构电度表参数配置如表1和表2所示：表1电度表参数设置电度表规格脉冲常数分流电阻/CT规格PT规格高变比150（250）A2000.012150/5A10000/100V低变比30(50)A2000.01230/5A10000/100V表2电度表参数设置Imax额定电压VnIfullscalVfullscale高变比250A10KV442.0A17.68KV低变比50A10KV88.4A17.68KV电度表配置两个量程，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别为200impulseskWh和200impulseskVAR，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，Ifulbcal、Vfullscale为ADE7758满刻度输入时对应的负荷电流、电压值。根据电度表参数设置和ADE7758计量芯片特点，负荷电流的计算如公式1、2所示。低变比时： Ifulbcale=88.4A (1)高变比时： Ifulbcale=442.0A (2)式中O5V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，0024为电流传感器二次端分流电阻大小。根据国家标准GBT15283-94和国际标准IEC5211988，电度表标有两个电流值，如30(50)A。这里30A为基本电流(basic current)，符号Ib，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，低变比计量在Imax=50A时信号输入为0.2V。2 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。系统结构框图设计如图1所示。单片机AT89S52RS-485通信模块时钟模块看门狗复位模块计量模块存储模块显示模块计量回路选通模块后备电源和主电源切换电路模块图1 系统结构框图设计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-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设计三相电度表，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I C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RS-485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4。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RS-485通信接口。课题设计采用MAX485芯片进行RS-485总线与单片机的接口电路设计。2.2 内容显示与设计要求课题内容围绕三相电度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，液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，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系统配置三个功能按键，记为K2、K3、K4，按键功能描述如表3所示。表3 按键功能描述与参数显示按键类型显示界面示例功能描述K2E1:00000000.0显示分时段计量的有功电量E2:00000000.0K3E3:00000000.0显示实时分段计量的有功电量E4:00000000.0K4P:00000000.0显示瞬时有功功率P、无功功率VV:00000000.0K2、K3组合进入时钟初值调整，光标指示调整对象0508/04/00:00:00K2、K4组合H1:0002异常事件记录查询08058/04/00:00:00K3、K4组合E0:00000000.1退出时钟初值调整并返回主显示R0:00000000.1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:实现总的有功、无功等电能计量与显示，通过按键查询显示分时段电量、功率分段电量和瞬时有功、无功功率。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。通过对时间参数的检测，实现电量参数的定时存储和有功电量的分时段计量。通过按键进行时钟初值输入调整。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。3 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ADE77583.1.1 引脚配置及功能描述该芯片采用SOIC封装，有24个引脚，76个寄存器，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26ksps。计量芯片ADE7758引脚配置如图2所示。图2 ADE7758引脚配置ADE7758引脚功能描述如表4所示。表4 ADE7758引脚功能描述引脚编号助记符功能及应用1APCF有功脉冲输出，与单片机的T0口相接，通过计数实现有功电量的累加。17VARCF无功脉冲输出，与单片机的T1口相接，通过计数实现无功电量的累加。2,11DGND,AGND分别为模拟部分、数字部分接地引脚，需直接接地。3,4DVDD,AVDD分别为模拟部分、数字部分5V电源引脚，对地接10F和0.1F并联电容去耦。5,6IAP,IAN电流通道模拟输入。7,8IBP,IBN电流通道模拟信号差动输入，本方案选择输入信号最大为0.5V。9,10ICP,ICN电流通道模拟输入。12REFIN/OUTAD采样参考电压，对地接10F和0.1F并联电容去耦。13,14VN,VCP电压通道模拟信号单端输入。本方案选择输入信号最大为0.5V。15,16VBP,VAP18IRQ中断输出引脚，外接10K上拉电阻，低电平有效，与单片机INT1端口相接。19,20CLKIN10KHz输入、输出引脚。CLKOUT21,22CS,DIN4线SPI串行接口，实现片内寄存器的写入及电量参数、中断数据的读出，CS低电平选通，DIN端口时钟下降沿数据输入，DOUT端子时钟上升沿数据输出。23,24SCLK,DOUT3.1.2 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5。频率混叠是AD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。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。计量电路原理参考图3所示（见附录）。以ADE7758的A相电流、电压通道为例分析，参考图3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lk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，aX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。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。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Imax、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 Vf=0.20V。根据电度表参数配置，高变比时Imax=250A，CTRN=30。分流电阻Rb的计算如公式3所示：Rb=0.012 (3)高变比最大额定电流输入时，分流电阻Rb消耗功率Pb的计算如公式4所示：Pb=Rb=0.83W (4)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3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，计算如公式5所示：Vf=0.12V (5) 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f=300.12=250。10kV的电压信号在经过电压互感器后转换为100V，再由500M和lK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4所示。图4 ADE7758与单片机的接口电路设计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。R3、R9为限流电阻，对单片机的IO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10k的上拉电阻。当ADE7758检测到中断发生时，IRQ向低电平跳变，发出INT1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AT89S52是一款单片封装的微控制器，具有如下特点：40个引脚，8K Bytes Flash片内程序存储器，256 Bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。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7。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8。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10K的电阻对后备电源充电。主电源掉电后，二极管Dl截止，D2通，后备电源开始对单片机进行供电，使单片机的RAM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，这是通过二极管D1的单相导通作用实现9。单片机外围电路设计如图5所示。图5 单片机外围电路设计3.2.2 显示模块HCl602显示采用162字符型液晶HC1602，与单片机的接口电路如图6所示。图6 单片机与HCl602的接口电路设计图中C4、C5为单片机和液晶模块HCl602的去耦电容。DBODB7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0V时液晶显示最为清晰。A、K为HCl602背光灯的电源端子和接地端子，其中电源端子A通过跳线JP2与主电源相接10。正常情况下，JP2断开以减小电度表能耗，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初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，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，把该字符对应的ASCII码“0x03”通过P0口写入LCD的内部寄存器DDRAM中。通过控制端子Rs、RW的状态组合实现指令的写入以及数据的读、写操作，HC1602操作说明如表5所示。表5 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把数据写入存储器，显示3.2.3 数据存储AT24C02存储芯片采用AT24C02芯片，该芯片是一个1K/2K/4K/8K/16K位串行CMOS E2PROM，内部含有128/256/512/1024/2048个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的损耗。CAT24WC01有一个8字节写缓冲器，24C02有一个16字节页写缓冲器。该器件通过IC总线接口进行操作有一个专门的写保护功能，具有掉电后数据不丢失特点并且可以像普通RAM一样用程序改写。它的容量是256个字节（00h-0ffh）,有A2、A1、A0三位地址，可见IC总线上可以连接8片AT24C02，它的寻址字节是1010A2A1A0R/M。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RAM存储空间中完成，采用定时方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IC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11。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。为了保证电量参数存储的可靠性，在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12。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E0为例：OxOOOx03为一组存储单元，Ox04Ox07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。AT24C02存储单元配置如表6所示。表6 AT24C02存储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 int0x000x07总的有功电量R0long int0x080x0f总的无功电量E1long int0x100x1700：0012:00时段内有功电量E2long int0x180x1f12:0000:00时段内的有功电量E3long int0x200x27低负荷时的有功电量E4long int0x280x2f正常负荷时的有功电量H1char0x300x36电度表断相次数及时间记录H2char0x400x46单相过流次数及时间记录H3char0x500x56单相过压次数及时间记录3.2.4 时钟芯片DSl302时钟芯片采用DSl302，该芯片具有引脚少、体积小、价格低等优点，得到了广泛应用。DSl302实时时钟芯片具有能计算2100年之前的秒、分、时、日、日期、星期、月、年的能力，还有闰年调整的能力。DS1302 串行实时时钟芯片主要由移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟及31个字节RAM组成。数据传送前，必须把置为高电平且把提供地址和命令信息的8 位字节装入到移位寄存器。在进行单字节传送或多字节传送时，开始的8位命令字节用于指定40个字节(31 个字节RAM和9个字节时钟寄存器)中哪个将被访问。该芯片引脚配置如图7所示。图7 时钟芯片DSl302引脚配置时钟芯片DSl302引脚功能描述如表7所示。 表7 时钟芯片DSl302引脚功能描述引脚编号助记符功能及应用1VCC2备有电源引脚2X132.768KHz晶振接入引脚3X232.768KHz晶振接入引脚4GND地5RES复位引脚，低电平有效，操作时高电平6I/O数据输入/输出引脚，具有三态功能7SCLK串行时钟输入引脚8VCC1工作电源引脚时钟电路为整个单片机系统产生时间基准，是单片机系统必须的部分。本系统采用的DSl302实时时钟芯片，工作电压为2.55.5V，采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据，该芯片是采用串行方式的实时时钟芯片，串行方式的实时时钟芯片大多数是将地址线、数据线、控制线合为一根串行传输数据的传号线。时钟芯片DSl302与单片机的连接只需要三条线：时钟线SCLK、数据线I/O和复位线RES。时钟芯片DSl302与单片机的接口电路如图8所示。图8 时钟芯片DSl302与单片机的接口电路设计时钟芯片DSl302具有SPI总线接口,与单片机接口电路设计参考图5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9所示。（a）DSl302的读操作时序（b）DSl302的写操作时序图9 DS1302单字节读写时序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=1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时钟寄存器配置如表8所示。表8 DS1302时钟寄存器配置寄存器读地址寄存器写地址bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0范围81h80hCH10秒秒00-5983h82h010分分00-5985h84h12/24010时时1-12/0-23AM/PM87h86h0010日日1-3189h88h00010月月1-128Dh8Ch10年年00-998Fh8EhWP0000000-3.2.5 串行接口芯片MAX485MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片。MAX485是用于RS-485与RS-422通信的低功耗收发器，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。MAX485的驱动器摆率不受限制，可以实现最高2.5Mbps的传输速率。电度表配备通信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MX485接口芯片。其硬件电路设计如图10所示。图10 RS-485通信接口电路设计图中由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-85网络节点的工作可靠性13。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是三2通道数字控制模拟开关，有三个独立的数字控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和低的截止漏电流。幅值为4.520V的数字信号可控制峰-峰值至20V的数字信号。例如若VDD+5，VSS0，VEE-13.5V，则05V的数字信号可控制-13.54.5V的模拟信号。这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当INH输入端“1”时，所有通道截止。控制输入为高电平时，“0”通道被选，反之，“1”通道被选。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14。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11所示。图11 CD4053引脚配置及外围电路设计二极管LEDl指示功率分段情况，C2为O.1F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的电流通道低变比检测信号选通，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-115。CD4053真值表如表9所示。表9 CD4053真值表控制端子信道选择INTCBA-0000cx,bx,ax0111cy,by,ay3.2.7 电源模块设计电源模块是目前设计人员的最佳选择，以模块式电源取代分立式组件的设计方案，好比使用微处理器来替代集成电路，它可以更灵活、更快捷地完成系统设计及开发，缩短产品开发或更改设计所花费的时间，节省人力及技术投资。本设计的电源模块由主电源和后备电源两部分组成16。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LIP2032锂电池。电源模块设计如图12所示。图12 主电源模块设计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LED3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O.1F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。结束语经过两个多月的努力，论文终于完成了， 在整个设计过程中，出现过很多的难题，但都在老师和同学的帮助下顺利解决了，论文针对lOkV-35kV输配电网不同负荷条件下的精确计量问题，提出按功率额度实时分段计量及复费率分时段计量的电度表设计方案。采用ADI公司电能计量芯片ADE7758和单片机AT89S52为核心器件，设计了电度表的总体方案，详细介绍了硬件电路的设计和实现。围绕ADE7758外围电路设计，介绍了计量电路原理以及接口电路设计，然后又介绍了单片机外围显示、数据存储、时钟、串行接口等电路的设计。本文设计创新点是，采用双变比电流传感器进行电流信号的检测采样，根据负荷功率额度实时进行变比切换，以减小电流传感器的检测误差对计量精度的影响。该方案有望实现全量程的精确计量和精度均衡。采用脉冲计数方式进行电量参数的累加，脉冲输出频率与ADE7758能量寄存器中累加的能量成正比。ADE7758内部有一个数频转换电路DFC，只有当ADE7758内部能量累加到一定程度时，这部分能量以脉冲的方式输出。单片机对脉冲输出进行计数，实现对这部分能量的有效计量。也就是说，ADE7758寄存器内部能量的累加与单片机对能量的有效计量不是同步的。在ADE7758内部能量累加过程中，由于负荷的变化而导致电流传感器变比切换，重新进行功率分段；而此时ADE7758内部尚未完成一个脉冲的能量累加输出，单片机无法对变比切换前的这部分能行有效计量。重新进行功率分段将导致一定程度的计量误差，误差最大不超过一个脉冲对应的实际能量。通过本次毕业设计，我更加体会到了所学理论知识的重要性。知识掌握的越多，设计的就更全面、更顺利、更好。再有学会了怎样查阅资料和利用工具书，要学会有针对性的查找资料，对今后的学习和生活有很大的帮助。参考文献1 陈家松,徐济仁. 基于单片机智能分时计费电度表C. 20012 卢章发. 智能电度表的研究M.广东工学院, 19963 焦阳. 智能电度表系统的研制M.河北轻化工学院, 19974 姚存治等. 智能电表及远程集中抄表的现状和发展趋势M.河南职业技术师范学院, 20045 黄惟公,邓成中. 单片机原理与应用技术M.西安电子科技大学出版社, 20076 薛建生. 智能电度表的误差分析与修正M.辽宁大学, 19967 胡汉才. 单片机原理及其接口技术M.清华大学出版社, 20028 张振荣,晋明武,王毅平. 51单片机原理及应用技术M.人民邮电出版社, 2000,89 王子章. 智能电度表M.机械工程学院, 199610 赵海兰等. 智能电度表的设计与研究M.沙洲职业工学院,200511 朱彤等. 智能多用户电能表的开发与应用M.重庆邮电学院,200112 林聪仁等. 多功能电度表的关键技术M.厦门大学, 199713 赵洪山等. 低成本多用户智能电度表的设计M.华北电力大学,200014 薛建生. 智能电度表的误差分析与修正M.辽宁大学, 199615 吴金戌，沈庆阳，郭庭吉. 8051单片机实践与应用M.清华大学出版社，2002,916ADE7878,Polyphase Multifunetion Energy Metering IC with per Phase Active and Reactive Powers.Analog Devices,Inc.2010-2-2.17Andrey E,Morelli J. Design of a smart meter techno-economic model for electric utilities in OntarioC.2010 IEEE Electric and Energy Conference(EPEC).2010-6-7附录图3 计量电路原理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E0 总的有功电量E1 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、电度表参数MC 电度表脉冲常数P0 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 ADE7758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致谢历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师尹应鹏老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最忠心的感谢！感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。最后我要深深地感谢我的家人，正是他们含辛茹苦地把我养育才成人，在学习和生活上给予我无尽的爱、理解和支持，才使我时刻充满信心和勇气，克服成长路上的种种困难，顺利的完成大学学习。还有许许多多给予我学业上鼓励和帮助的师长、朋友，在此无法一一列举，在