数字电度表的硬件设计概要

1、摘 要随着电力工业的发展，两网改造、一户一表工程的深入，电力安全生产电能计量、电力调度自动化的管理已经进入实用阶段。同时在微电子技术的迅猛发展的基础上，微控制器(单片机)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充分的提高，促使了国内电子式电度表的高技术、高质量、高可靠性的发展，出现了电子式电度表市场历史最好的发展阶段。本文重点研究了数字电度表的硬件设计，其主要包括电能计量系统和电量信息传输系统。以电能计量专用芯片SM9903和AT89C52微处理器芯片为核心，阐述了电能计量、控制部分、显示电路、电量信息传输、用电数据存储器扩展等五大模块的工作原理和电路设计，其中电

2、量信息传输模块的设计主要通过RS-485接口芯片结合单片机来实现。最后简单介绍数字电度表软件方面的设计，给出了主程序的及部分子程序的设计流程图，主要包括电能计量子程序掉、电检测子程序、显示子程序等。关键词： 数字 电能计量电路 RS-485 SM9903AbstractAlong with the electric power industry development, two nets transformed, household table project thorough, the electric power safety in production electrical energy

3、 measurement.along with the micro electron technology swift and violent development, the micro controller (monolithic integrated circuit) and the large scale integrated circuit in the electrical energy measurement domain widespread application, causes the electric meter the technical level and the p

4、erformance obtains the considerable development.the electric power dispatch automation management already enter the practical stage, has urged domestic electric meter high-tech, high grade, there dun ant reliable development, appeared the electric meter market history best development phase.This art

5、icle mainly studied the hardware design of numeral the electric meter , it mainly included pays in advance spends with the electrical energy measurement system. The paper systematically expounds the hardware and software design of the numeral power meter based on SM9903 and AT89C52. The hardware des

6、ign mainly deals with measuring unit and intellige processing unit. The electrical sending measurement system mainly realizes by RS-485. in the end,The software design largely discusses EEPROM,card programming and software anti-jamming methods. The the problems that I met in process of systemdebug a

7、nd solution methods are introduced. Key words: Numeral the electrical energy measurement electric circuit RS-485 SM9903目 录1 前 言11.1 选题意义11.2 研究现状21.3 本设计的主要任务42 数字电度表的整体设计方案62.1 数字电度表系统结构62.2 系统工作原理72.3 电能计量系统方案设计82.3.1 方案一：机械电子式82.3.2 方案二：模数转换式82.3.3 方案三：电压频率转换式92.3.4 方案四：功率累加式102.4 电能计量电路的工作原理102.

8、5 电度表辅助功能实现原理122.6 电量信息传输系统方案的设计122.6.1 方案一：电力载波通信122.6.2 方案二：基于RS-485的通信142.7 系统总体方案153 数字电度表的硬件设计163.1 硬件设计概述163.1.1 数字电度表的实现功能163.1.2 数字电度表的工作过程173.2 电能计量电路设计183.3 控制电路设计213.4 显示电路设计233.5 电能存储器电路设计273.6 掉电检测电路设计283.7 信息传输电路设计283.8 磁保持继电器驱动电路设计304 数字电度表的软件设计324.1 软件系统概述324.2 主程序设计324.3 电能计量子程序设计33

9、4.4 掉电保护服务子程序设计344.5 显示子程序设计355 结论与展望37致 谢38参考文献39附录40数字电度表系统结构图401 前 言作为电力行业内的表计生产厂家，都有一种共同的认识，即电力系统管理部门的电能计量管理是严谨、有序、符合现代化管理要求的，对所需电度表的确定是一项系统工程，在选择使用那一种产品时考虑的因素很多，有政策问题，资金问题，投资回报问题，质量问题等等诸多的因素，其最终目的是保障电力系统电能计量值的准确、统一和在线计量的安全可靠，为公正计量和正确计算电网经济指标提供有效的计量保证。随着社会经济和技术的飞速发展，为了在保证用户的正常用电的同时，维护电力系统管理部门日常工

10、作的顺利开展，用电数据的抄收和管理、电费的交纳等是各项管理工作的基础。但因为两网改造民心工程的深入实施，各类表计数量大幅度增加，加大了电力系统一线管理人员的工作强度，加之繁杂的纸上作业、人为因素等原因，电力营业现代化管理的进程迟迟得不到有效提高。各地区的电力系统管理部门需求符合本地区实际电力营业现代化管理要求的多种电能抄收管理解决方案。新型电表就是为此目的而开发的，来实现电费收缴管理微机化，为电能使用监督管理提供了有利手段，同时大大降低了电业部门营运成本。从而也向电力系统管理部门提供了实现电能计量值传送和管理、解决用户欠费等问题的一种电能抄收管理解决方案模式。1.1 选题意义用来计量电能并以此

11、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较为繁重。随着经济社会的发展，用电户大幅度增长，传统的抄表收费的方式已经不能适应新形势的需求。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。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

12、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(单片机)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。可以预见，随着中国城市建设的迅速发展，本系统的开发和投入，将在相当长的时间内长盛不衰，市场前景十分广阔，是一个具有规模经济效益的产品。1.2 研究现状作为测量电能的专用仪表电能表

13、，已有一百多年的历史。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，随着电力系统及所有以电能为动力的产业的发展，电能表的结构和性能经历了不断更新、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。经过近一百年的不断改进与完善，感应式电能表的制作技术己经成熟，通过双重绝缘、加强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

14、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度的。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

15、，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式和全电子式两类。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，目前己由常规的

16、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十分成熟，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用不同的方式，当然安全等级越高成本越高。1.3 本设计的主要任务数字电度表虽然只是普通器具，但是由于信息传输方式，微控制器的引入，对设计者提出了更高的要求。这是因为由电源等引入的干扰很容易导致程序出错，可能引起不可预测的后果，诸如剩余电能等数据的丢失或改变、电度表死机等情况。像家用电脑和普通仪器仪表对

17、死机是允许的，通过人工复位、重新设置等手段就可恢复，但对电度表而言则是致命的。而且，数字电度表的工作条件相当恶劣，因此，对其可靠性、准确性的要求也相对较高，一般说来，主要体现在以下几个方面：（1）常年不间断运行，这要求设备具有高质量和高可靠性。（2）电度表要实现电能计量信息与监控系统之间数据传输，确保电量信息能直接，快速被监控系统掌握，从而即时做出反馈信息，并通过电表显示系统使用户直接了解电量剩余情况，做出是否购电，避免断电。（3）由于主要面向广大群众，要求成本要尽可能低，所以在保证可靠性的前提下，硬件电路简单。电能的计量关系到用户缴纳电费的多少，涉及经济的事不允许出现差错，所以电度表要求对电

18、能汁量准确、精度高。因此电度表有多少功能并不是最重要的，关键是做到低功耗、高可靠性。2 数字电度表的整体设计方案本设计的数字电度表主要包括电能计量系统、电量信息传输系统和信息显示系统。电能计量系电子式数字智能电度表集计量技术、电子技术、自动化控制及计算机技术于一体，其原理是利用电能测量集成电路对电压、电流取样信号进行计算处理，并输出与有功功率成正比的频率信号(脉冲)，微处理器通过对脉冲计数来计算所消费的电量。本设计力求使数字电度表达到如下的功能：（1）用户将在控制中心购买电能并通过电力传输系统传输电能量到电度表由显示系统总剩余电能值。（2）实现电能计量信息与监控系统之间数据传输，确保电量信息能

19、直接，快速被监控系统掌握，从而即时做出反馈信息。（3）电度表正常工作时，液晶显示剩余电能值、已用电能值，使用户直观地了解电度表的工作是否正常及用电负荷的大小。（4）用电时，能按二级表(误差为2)的精度计量电能，并随时改写剩余电能和已用电能。（5）当表内剩余电能不足20kWh时，在液晶显示器上显示“请及时购电”以提醒用户余电不多，及时购电。（6）具有掉电保护功能。掉电时，自动把剩余电能从RAM转存储在EEPROM中。（7）当表内剩余电能为“0”时，自动断电，这时用户不能用电。在用户将重新购电的时，电度表完成上述第一项的功能，恢复供电。2.1 数字电度表系统结构数字电度表的系统电路可分为电能计量系

20、统、信息传输系统、CPU控制系统和信息显示系统。系统结构如图2-1所示。CPU电能计量系统信息显示系统信息传输系统图2-1 数字电度表的系统图其中，电能计量系统完成电能测量等功能；信息传输系统主要完成电度表与控制中心之间的信息传输，使控制中心及时了解电表工作状态和剩余电量，以便做出反馈信息。前者主要追求计量结果的可靠性；后者则主要强调电表与控制中心之间信息快速性，准确性，要求高安全性。2.2 系统工作原理数字电度表要实现电能计量信息与监控系统之间数据传输，确保电量信息能直接，快速被监控系统掌握，及时做出反馈信息，并通过电度表信息显示系统使用户直接了解电量剩余情况。然后要求用户在电力控制中心直接

21、购电，经过单片机的处理和控制，用户从电力管理部门购买的电量信息通过电力通信传输系统传递给电度表。单片机将新的购电量和原表内剩余电量相加得到新的剩余电量，存于可断电保存的芯片中。用户用电时利用有功电能测量集成电路SM9903它能将正弦电压和电流相乘后，转换为频率输出。只需对输出脉冲累计计数，就可计量出电能。并通过液晶显示器显示剩余电量，每用一度电，单片机内剩余电量减一度，当单片机内剩余电量减到不足20Kwh时，监控中心反馈信息通过表在液晶显示器上显示“请及时购电”以提醒用户余电不多，及时购电。当表内剩余电能“0”时，内继电器切断用户供电，用户需到电力中心再次购电，方可得到供电。达到先购电后用电，

22、方便电力部门收费管理的目的。2.3 电能计量系统方案设计2.3.1 方案一：机械电子式前置通道采用原感应式电度表电路，通过对转盘转动圈数的计数来测量电能。具体方案是在转盘上涂上大约1cm宽的“黑条”，在转盘的上方或下方设置一红外线发射接收对管。当红外线照射在“黑条”处，红外线被吸收，无反射，即接收管接收不到红外线：当红外线照在其他部分时，被反射，接收管能接收到红外线。这样转盘每转一圈，产生一个脉冲，再通过对脉冲的整形、计数、显示完成电能的计量。这种方案显示直观，读数容易。但它仍然具有机械式感应电度表的缺点，即耗电多、笨重。2.3.2 方案二：模数转换式对电流和电压分别采样，再通过A/D转换器转

23、换成数字信号，然后送入单片机进行相乘运算。并在CPU中设置一个定时器定时对功率进行累加，其系统框图如图2-2所示。这种方案对信号的采样速率快，但A/D转换器的精度要求高，而且由于电网的电力谐波引入前置通道，导致A/D转换后产生错误数据。为抑制这种干扰，必须在软件上加数字滤波器或在硬件上采用隔离放大器和高精度的运算放大器。这将增加CPU的负担和硬件电路成本，其方案可行而不可取。I/U变换A/D转换CPU液晶显示器控制键盘信息传输A/D转换IU图2-2 方案二的系统图2.3.3 方案三：电压频率转换式采用电压频率(V/F)转换器加单片机实现对电流和电压的A/D转换。这样，模拟通道中本身的干扰信号被

24、抑制。无须专门的A/D转换器，大大减少了硬件成本。CPU只需对V/F转换后的脉冲进行定时计数，便可测出电压和电流的数字量。同时，电压和电流分别经过零检测电路。将过零脉冲送CPU处理，得出电流和电压的相位差()，经过查表得功率因数(cos)，按公式P=UIcos计算，便得有功功率再定时累加就是电能值。系统框图如图2-3所示。过零检测过零检测V/F转换CPU液晶显示器控制键盘信息传输模拟开关I/U变换图2-3 方案三的系统图这种方案CPU要实现读写信息控制、求功率因数(cos)、电能计算等功能，负担较重，般的MCS-51、MCS-96和PIC系列单片机难以胜任。2.3.4 方案四：功率累加式 将端

25、口电流和电压先送入模拟乘法器相乘，得到一个与功率户成正比的模拟电压(或电流)，再经过V/F变换(或I/F变换)变成频率信号f。单片机对频率信号f进行累加便可得到电能。系统框图如图2-4所示。过零检测过零检测V/F转换CPU液晶显示器控制键盘信息传输模拟开关I/U变换IU图2-4 方案四的系统图这种方案不但兼有方案三的优点，而且对CPU的要求低，采用MCS-51系列单片机完全可以胜任。而且，现在已有集成电路(如：BL0932、SM9903)将模拟乘法器、低通滤波器和V/F变换器集成，其性能指标都远远高于分立元件。基于以上分析，方案四明显优于其他三种方案。其中，模拟乘法器、低通滤波器和V/F变换器

26、采用集成电路SM9903。应用到此系统中使系统电路更简化，操作更方便。2.4 电能计量电路的工作原理本设计采用有功电能计量集成电路SM9903，芯片内部包含了四象限模拟乘法器、积分器、电压/频率转换器VFC、计数器(分频器)及控制逻辑，它能将正弦电压和电流相乘后，转换为频率输出。只需对输出脉冲累计计数，就可计量出电能。SM9903内部电路模型如图2-5所示。四象限模拟乘法器信息传输电路积分器V/F转换器uipp图2-5 SM9903内部电路模型示意图 在正弦稳态情况下，设正弦电压和电流分别为：u=Ucost （3-1） i=Icos(t-) （3-2）式中，u为交流电压瞬时值，i为交流电流瞬时

27、值，U为交流电压有效值，I为交流电流有效值，为交流电的角频率经四象限模拟乘法器相乘后的瞬时功率为：p=ui=costIcos(t-)= UIcos+cos(2t-) （3-3）可见，瞬时功率有恒定分量UIcos和正弦分量两部分，正弦分量的频率是电压（或电流）频率的两倍。u是瞬时电压，i是瞬时电流，p是瞬时功率。瞬时功率p经积分器后，得有功功率P，即 P=1/Tdt=1/Tcos+cos(2t-)dt=UIcos=UI （3-4）一段时间T内的电能W为W=dt=cosdt =TUIcos=TUI （3-5）以上分析表明，有功功率p为恒定分量，将正比于p的电压经V/F变换后，输出的频率随p变化的脉

28、冲，只需将脉冲累计计数，则计数值N即为电能。2.5 电度表辅助功能实现原理通过电量信息传输系统与控制中心之间及时保持联系做到快速、准确的反馈信息，再由数字电度表的硬件电路主要包括控制电路、信息显示电路、电能存储器电路和掉电检测电路等模块，辅助全面实现电度表的各个功能。在第三章将分别介绍各部分电路模块的结构和工作原理。2.6 电量信息传输系统方案的设计2.6.1 方案一：电力载波通信电力载波通信技术用现有交流电源线作通信线路, 省去不切实际的铺线工程, 具有通道可靠性高、投资少见效快、与电网建设同步等无法比拟的优越性, 现已成为电力系统应用最为广泛的通信手段。电力载波通信技术用做微机对用户用电情

29、况进行实时监控管理，是通过微机与用户电子电度表的全双工或半双工数据通讯实现的。微机作为监控管理中心与用户电子电度表之间数据信息的传输通道(即信道)直接采用220V交流供电线路，显得经济、简便。其组成框图如下：计算机电力调制解调器结合设备波阻器波阻器用户1用户N1用户N2用户2用户3用户4图2-6 电量传输系统结构图图示中用户即为具通讯功能的电子电度表。由于采用220V 交流供电线路作为有线载波通讯的信道，因此在信道与调制解调器之间设置有结台设备。一方面将载波信号传送到信道(即220V供电线路上)，另一方面隔离220V50Hz的工频交流电流入调制解调器。另一端的结合设备和调制解调器包含在用户电子

30、电度表中。对于不属于管理范围内的用户，可以用高频波阻器进行隔离。高频波阻器阻止载波信号的通过，对220V50Hz的工频交流电的通过无任何影响。这样监控管理中心便可对界定范围内之用户的用电情况进行实时监控管理(监视用电情况、对用户进行限电、断电、供电等功能)。例如管理中心在监视用户l的同时对用户2执行限电，切断用户3的用电，对用户4供电等操作。电力载波通信只能对有限的的界定范围内的用户的用电情况进行实时监控管理，不能对多个用户同时进行信息传输；此通信采用普通的电线进行信息传输，由于电线本身存在电阻的原因导致通信过程电能逐渐损耗，使信息传输中断。因此，此项技术在长距离通信传输过程中应用不太理想。2

31、.6.2 方案二：基于RS-485的通信RS-485接口芯片已广泛应用于工业控制、仪器、仪表、多媒体网络、机电一体化产品等诸多领域。在工业控制及测量领域较为常用的网络之一就是物理层采用RS-485通信接口所组成的工控设备网络。这种通信接口可以十分方便地将许多设备组成一个控制网络。使用RS-485总线时，一对双绞线就能实现多站联网，构成分布式系统。它的设备简单、价格低廉、能进行长距离通信，故在工程项目中得到了广泛应用。RS-485接口标准：传输方式：差分传输介质：双绞线标准节点数：32最远通信距离：1200m 共模电压最大、最小值：+12V；-7V差分输入范围：-7V+12V接收器输入灵敏度：2

32、00mV接收器输入阻抗：12k所谓节点数，即每个RS-485接口芯片的驱动器能驱动多少个标准RS-485负载。根据规定，标准RS-485接口的输入阻抗为12k，相应的标准驱动节点数为32。RS-485接口可连接成半双工和全双工两种通信方式。半双工通信的芯片有SN75176、SN75276、SN75LBC184等。在通信距离为几十米到上千米时，RS485收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200 mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。虽然RS-485总线存在一些缺点，但从目前解决单片机之间中长距离通信的诸多方案分析来看，RS-485

33、总线通信模式由于具有结构简单、价格低廉、通信距离和数据传输速率等适当的特点，在兼前方案优点的同时，有弥补其不能长距离通信的缺点，所以此方案在本设计中更有使用价值。由以上两个方案的比较分析，方案二更显优越性，本文采用基于RS-485芯片的通信方式能实现各个电力用户用电量的自动记录、传送等功能, 使得在供电局抄表中心便能查询用电情况, 自动抄收用户电表数、计算电费等, 由此带来的经济效益及社会效益都将非常可观，这些都是传统管理方式所不能达到的。2.7 系统总体方案数字电度表主要包括电能计量系统、电量信息传输系统和信息显示系统。电能计量系统完成了电能测量、电能值计算、超负荷断电等功能；信息传输系统主

34、要完成电表与控制中心信息传输使控制中心即时了解电表工作状态和剩余电量，以便做出反馈信息。电能计量电路采用电子电度表专用集成电路SM9903。SM9903是将取自电阻网络的交流电压和交流电流信号进行放大。应用乘法器将功率转换成电压，再通过过V/F(电压/频率转换)型A/D转换器等电路将电压信号转换成可供MCU读取和直接驱动步进电机的数字信号SM9903同时具有测量负向有功功率的功能，测量负向有功功率的同时进行正向有功功率计算，并通过IND(9脚)输出负电平以指示测量负向有功功率。本文介绍一种以单片机AT89C52 为基础的采用基于RS-485芯片的通信方式实现长距离监控的数字电度表, 它能实现各

35、个电力用户用电量的自动记录、传送等功能, 使得在供电局抄表中心便能查询用电情况, 自动抄收用户电表数、计算电费等。本设计中CPU采用AT89C52，它内部有8KB的程序存储器，应用于此系统绰绰有余；液晶显示器采用SMG12232-B2，显示容量为12232点阵，可大大减少功耗，并且可显示汉字，使界面清晰、明了。3 数字电度表的硬件设计3.1 硬件设计概述我们设计的数字电度表的系统功能的实现主要由硬件电路各部分组合完成，可分为电能计量电路、控制电路、信息传输电路、信息显示电路、电能存储器电路和掉电检测电路几大模块，如图3-1。CPUAT89C52电量计量电路电能存储器电路信息显示电路掉电检测电路

36、信息传输电路 图3-1 数字电度表的结构原理图3.1.1 数字电度表的实现功能（1）自动控制功能：当表内剩余电能为“0”时,自动断电，这时用户不能用电。在用户将重新购电的时，电度表完成上述第一项的功能，恢复供电。（2）用电量采集和累计功能：采用电能计量专用芯片SM9903进行电压、电流信号的采样、相乘、电压/频率转换，微处理器累计SM9903输出的脉冲个数，并对累计用电量和剩余电量进行处理。（3）信息传输功能：用户将在控制中心购买电能并通过电力传输系统传输电能量到电度表由显示系统显示总剩余电能值，同时实现电能计量信息与监控系统之间数据传输，确保电量信息能直接，快速被监控系统掌握，从而即时做出反

37、馈。（4）显示功能：电度表正常工作时，液晶显示剩余电能值、已用电能值，使用户直观地了解电度表的工作是否正常及用电负荷的大小。（5）提醒购电功能：当表内剩余电能不足20kWh时，在液晶显示器上显示“请及时购电”以提醒用户余电不多，及时购电。（6）掉电保护功能：掉电时，自动把剩余电能从RAM转存储在EEPROM中。3.1.2 数字电度表的工作过程（1）上电时，在液晶屏上显示“电子电能表”。随后将存放在EEPROM中的剩余电能调出到RAM中。（2）当单片机工作正常时，能显示剩余电能和已用电能。（3）当有购电信号传输到电表时，根据有电和无电信号做出不同的处理。若为有电，则显示“正在接受，请稍候”。稍候

38、提示：“已完毕”，这时已购电信息被写入表中；若为无电，则显示“缺电”。（4）当用电时，剩余电能递减，己用电能递增。（5）当电用完时，切断电源，并显示：“电用完，请及时购电”。（6）液晶显示器显示的内容与处理，如表3-1所示。表3-1 液晶显示器内容及处理显示内容处理超负荷减少用电负荷电子电能表上电复位正在读卡，请稍候将“已购电”数据送入表中。已完毕数据已读完缺电所传输数据为“无电”，需购电。3.2 电能计量电路设计电能计量电路采用电子电度表专用集成电路SM9903。首先有必要介绍一下SM9903的相关特点和技术参数。SM9903采用3m硅栅BICMOS工艺制成电路设计先进，内部集成有缓冲放大器

39、、乘法器、V/F型,A/D转换器等电路。本芯片模拟部分和数字部分可分开供电，所以可靠性较高。封装采用DIP20塑封。（1）特点精确测量正负两个方向的有功功率，且以一个方向计算电能。线性度高，动态工作范围宽。具有防潜动功能。MCU数据接口。直接驱动步进电机。适用于单相、三相电度表。 低功耗。20年使用寿命。（2）功能SM9903是将取自电阻网络的交流电压和交流电流信号进打斤放大。应用乘法器将功率转换成电压，再通过过V/F(电压/频率转换)型A/D转换器等电路将电压信号转换成可供MCU读取和直接驱动步进电机的数字信号。SM9903同时具有测量负向有功功率的功能，测量负向有功功率的同时进行正向有功功

40、率计算，并通过IAID(9脚)输出负电平以指示测量负向有功功率。（3）管脚图及定义SM9903管脚图如图3-2所示。图3-2 SM9903管脚其管脚定义如表3-2所示。表3-2 管脚定义管脚号符号说明1VI1电流取样信号输入2VI2电流取样信号输入3GNDA模拟地端4Vv电压取样信号输入5NC与4脚内部互相联结6VR1参考电压1调整端7VR2参考电压2整端8POUT有功功率计算输出9IND负向有功功率指示10TC测试控制端11VSS负电源（-5V）12GNDD数字地端13DMO1脉冲电机驱动输出114DMO2脉冲电机驱动输出215OSCIN晶振输入16OSCOUT晶振输出17VDD正电源（+5

41、V）18C1积分电容119COM积分电容公共端20C2积分电容2（4）两种输出波形将SM9903的测试控制端10脚接地时，脉冲输出脚（8脚）输出频率为8.192KHZ的脉冲调制信号，如图3-3所示。0-4VVV-POUTV-POUT0-4V将SM9903的测试控制端10脚接+5V时，脉冲输出脚(8脚)输出无调制的脉冲信号，如图3-4所示。图3-3 输出波形图一 图3-4 输出波形图二在本设计中，用SM9903构成的电能计量电路如图3-5所示。图3.14 SMG9903构成的电能计量电路图3-5 SM9903构成的电能计量电路在图3-5中，采用340的锰铜片作为电流采样电阻，用精密金属膜作为电压

42、采样电阻。C4、R14、VDl、VD2、C8、C9、VZl、VZ2为电容降压式电源，为SM9903提供5V的工作电压。32768Hz为表用晶体振荡器，为SM9903提供时钟。C6、C7为积分电容。R8为参考电压调整电位器。3.3 控制电路设计控制部分为整个电度表的心脏，实现电能脉冲、掉电信号检测、电量传输信号、串行EEPROM数椐的采集和读写，完成显示驱动模块的控制和继电器的驱动等功能。单片机的选择是决定电度表性能的关键因素，本设计采用MCS-51系列单片机，其特点是通用性强，堆栈丰富和编程容易，其Flash型如：Atmel公司的AT89C51、AT89C52AT89C1051、AT89C20

43、51等和台湾华帮公司的W78E51、W78E52等，使用十分方便。51系列单片机的指令系统中，23B的指令很多。当程序指针PC跳飞至某条指令的中间时，会把操作数当成指令码执行而引起混乱，这一致命的弱点将导致电度表的可靠性下降。所以，在软件中，必须采用相应的措施加以解决。这在后面的提高数字电度表可靠性的措施中将做详细的论述。本设计选用Atmel公司的AT89C52，其内部有8KB的程序存储器，无须外部扩展，使硬件电路简单，电路如图3-6所示。图3-6 由AT89C52组成的主控电路IC4与时钟电路(包括晶体振荡器、电容C14、C15和内部电路)，上电复位电路(包括R37、C13、S2、VDl0、

44、C25、R36)构成单片机的最小系统。其中，晶体振荡器选用12MHz的高稳定无源晶体振荡器，它与AT89C52中的反向放大器构成振荡器，给CPU提供高稳定的时钟信号。电容C14、C15可起频率微调作用，电容值在5pF30pF之间选择，本电路选20pF。电容C13和电阻R37构成上电复位电路。电源开启时，电源对电容C13充电，在CPU的复位端产生一高脉冲。只要高电子的维持时间大于两个机器周期(24个振荡周期)。CPU就可复位。二极管VDl0的作用是当断电时,可使电容C13所储存的电荷迅速释放，以便下次上电时可靠复位。电容C25可滤除高频干扰，防止单片机误复位。按键S2和电阻R36构成按键复位电路

45、。电阻R35和按键S1构成键盘，用以实现显示内容的切换。电能脉冲由ICl的8脚经光电耦合器IC2送到单片机的TO端，用以实现脉冲计数。3.4 显示电路设计本系统采用液晶显示器。其特点是显示内容丰富（可显示汉字），功耗小，可靠性高，电路简单。器件型号是：SMG12232-B2，显示容量为12232点阵，采用总线方式连接，硬件电路如图3-7所示。图3-7 液晶显示接口电路下面介绍一下液晶显示器SMG12232B-2的相关内容。（1）主要技术参数SMG12232B-2的主要技术参数如表3-3所示表3-3 SMG12232B-2的主要技术参数显示容量12232点阵工作温度-10+50芯片工作电压4.5

46、5.5V存储温度-20+60芯片工作电流5mA（5.0V）背光源类型EL最佳工作电压5.0V背光源工作电压5.0V点尺寸0.8mm0.78mm背光源工作电流30mA（2）接口信号说明表3-4 SMG12232B-2的接口信号列表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1RST复位端（高电平复位）9DB1数据口12VCC电源正极10DB2数据口23DB7数据口711GND电源地4DB6数据口612WR写信号（低电平有效）5DB5数据口513RD读信号（低电平有效）6DB4数据口414CS1片选IC1信号7DB3数据口315CS2片选IC2信号8DB2数据口216A0数据/命令选择端（H/L）EL+背光源

47、驱动电压输入端EL背光源驱动电压输入端（3）SMG12232B-2控制器接口说明 基本操作时序（L为低电平，H为高电平）读状态： 输入A0=L，CS1或CS2=L，RD=L，WR=H, 输出DB7DB0=状态字；写指令： 输入A0=L，CS1或CS2=L，RD=H，WR=L，DB7DB0=指令码输出无；读数据： 输入A0=H，CS1或CS2=L，RD=L，WR=H， 输出DB7DBO=数据；写数据： 输入A0=H，CS1或CS2=L，RD=H，WR=L，DB7DB0=数据输出无。 状态字说明SMG12232B-2状态字说明如下表：表3-5 SMG12232B-2状态字说明STA7STA6STA

48、5STA4STA3STA2STA1STA0D7D6D5D4D3D21D1D0表3-6 SMG12232B-2状态字功能STA04 未用STA5液晶显示状态1：关闭；0：显示 STA6未用STA7读写操作使能1：禁止；0：允许在使用时，对控制器的每次读写操作之前，都必须进行读写检测。以确保STA7为0。 SMG12232B-2中的RAM的地址映射图LCD显示屏由两片控制器控制，每个内部带有3280位（320KB）的RAM缓冲区，对应关系如图3-8所示。D7D0D0D7D7D0D7D00197901979LCD122x32点IC14页x61列32x61点IC14页x61列32x61点第2页第3页第

49、1页第0页图3-8 SMG12232B-2中的RAM的地址映射图（4）指令说明 初始化设置：表3-7 显示指令设置指令码功能AEH关显示AFH开显示COH设置显示初始行为第0行A1H设置列序方向为逆时针方向A4H正常显示 数据控制控制器内部设有一个数据地址页指针和一个数据地址列指针，用户可通过它们来访问内部的全部32BRAM。表3-8 数据指针设置指令码功能B8H+页码（03）设置数据地址页指针00H+页码（080）设置数据地址页指针（5）SMGl2232B-2初始化过程STEP1：写指令C0H（设置显示初行）STEP2：写指令A1H（设置列序方向为逆时针方向）STEP3：写指令A4H (设置

50、显示模式为正常显示)STEP4：写指令A9H（设置显示占空比为1/32）STEP5：写指令AFH（开显示）（6）SMGl2232B-2控制器接口时序 读写操作时序SMG12232B-2控制器读写操作时序如图3-9所示。D0-D7(READ)D0-D7(WRITE)图3-9 SMG12232B-2控制器读写操作时序 时序参数SMG12232B-2的读写操作时序参数如表3-9所示。表3-9 SMGl2232B-2的读写操作时序参数时序参数符号最小值典型值最大值单位测试条件地址建立时间tAWS20ns引脚A0,CS地址保持时间tAHS10ns引脚A0,CS系统时钟tCYCS1000ns引脚，读写低脉

51、冲宽度tCCS200ns数据建立时间（读操作）tACCS90ns引脚DB7-DB0数据保持时间（读操作）tOHS1060ns 数据建立时间（写操作）tDSS80ns数据保持时间（写操作）tDHS10ns3.5 电能存储器电路设计电能信息存储器由串行EEPROM和上拉电阻组成，电路如图3-10所示。图3-10 电能存储电路在串行时钟和数据端接了上拉电阻R25和R26，分别连接到IC4的P1.2和P1.3端。串行EEPROM选用AT24C04，AT24C04为低电压(2.5V5.5V)、长寿命(可擦写10万次以上)器件。在掉电时存储剩余电度数。3.6 掉电检测电路设计 掉电检测电路由比较器(运放L

52、M393)、电压基准LM336（2.5V）、R29、R30、R31、R32、R33、R34和二极管VD7组成，电路如图3-11 所示。图3-11 掉电检测电路R29为VZ3提供合适的工作电流，VZ3上端作为电压基准，R30、R33对5V电压分压，与V做比较。电源电压正常时，V-V+时，比较器输出低电平，使微处理器产生外中断，做掉电处理(将剩余电能存入EEPROM)。VD7、R34为施密特电路，是为了避免电压在阈值左右波动时引起反复的写操作(对EEPROM)。3.7 信息传输电路的设计硬件电路设计如图3-12所示，在该电路中，使用了一种RS-485接口芯片SN75LBC184，它采用单一电源Vc

53、c，电压在35.5 V范围内都能正常工作。与普通的RS-485芯片相比，它不但能抗雷电的冲击而且能承受高达8 kV的静电放电冲击，片内集成4个瞬时过压保护管，可承受高达400 V的瞬态脉冲电压。因此，它能显著提高防止雷电损坏器件的可靠性。对一些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。该芯片还有一个独特的设计，当输入端开路时，其输出为高电平，这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。另外，它的输入阻抗为RS485标准输入阻抗的2倍（24 k），故可以在总线上连接64个收发器。芯片内部设计了限斜率驱动，使输出信号边沿不会过陡，使传输线上不会产生过多的高频分量，从而有效扼制电磁干扰。图3-12 信息传输电路在图中，四位一体的光电耦合器TLP521让单片机与SN75LBC184之间完全没有了电的联系，提高了工作的可靠性。基本原理为