電子式電能表畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　該系統(tǒng)主要由顯示模塊、鍵盤模塊、時鐘模塊、存儲模塊、通訊模塊、CPU模塊、CS5460A電能表芯片模塊和前端電路調(diào)理模塊部分組成。前端電路調(diào)理模塊采用2mA/2mA的電流互感器和5A/2.5mA電流互感器和精密電阻實現(xiàn)對市電的轉(zhuǎn)換，并采用RC濾波網(wǎng)絡(luò)濾波,然后采用由美國CRYSTAL 公司的新型電能計量芯片CS5460芯片實

2、現(xiàn)對電流、電壓和電能的測量與轉(zhuǎn)換；時鐘模塊采用DS1302時鐘芯片為系統(tǒng)提供時鐘基準(zhǔn)，存儲模塊采用AT24C16，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲；顯示模塊用OCMJ4X8CM液晶，通信模塊采用Max232芯片，并利用AT89S52組成的CPU模塊控制所有芯片的工作、測量、計算電能，送往顯示模塊和存儲模塊進行實時顯示和存儲，并通過標(biāo)準(zhǔn)232接口送往PC上位機進行同步顯示，并且本電能表還設(shè)有GPIB 地址，以便于電能管理系統(tǒng)對電能的管理。</p&

3、gt;<p>　　關(guān)鍵字：CS5460A；AT89S52；232通訊；OCMJ4X8CM；</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This system is mainly revealed the module, keyboard module, clock module, store module, communi

4、cate module, CPU module, CS5460A 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

5、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 wa</p><p>　　Keywords: C

6、S5460A; AT89S52; 232communication;OCMJ4X8C； </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　ABSTRACTI</p><p><b>　　第1章 綜述1</b>&

7、lt;/p><p>　　第2章 總體方案設(shè)計2</p><p>　　2.1 設(shè)計要求2</p><p>　　2.2 系統(tǒng)的基本方案2</p><p>　　2.3 電能計量部分2</p><p>　　2.4 CS5460A概述3</p><p>　　2.5 其他模塊部分5</p>

8、;<p>　　第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)8</p><p>　　3.1 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計 8</p><p>　　3.2 前端電路調(diào)理模塊的設(shè)計8</p><p>　　3.3 電能表測量模塊的設(shè)計9</p><p>　　3.4 通訊模塊的設(shè)計10</p><p>　　3.6 液晶顯示的設(shè)計1

9、1</p><p>　　第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計12</p><p>　　4.1主程序流程圖12</p><p>　　4.2系統(tǒng)初始化子程序12</p><p>　　4.3 系統(tǒng)子程序模塊12</p><p>　　第5章 系統(tǒng)調(diào)試14</p><p>　　5.1軟、硬件調(diào)試14</

10、p><p>　　5.2功能測試15</p><p>　　5.3 系統(tǒng)整體電路圖16</p><p>　　5.4 誤差分析及改進措施18</p><p><b>　　總結(jié)18</b></p><p><b>　　參考文獻19</b></p><p>

11、;<b>　　致謝辭20</b></p><p><b>　　第1章 綜述</b></p><p>　　1.1 電能表的發(fā)展概況</p><p>　　作為測量電能的專用儀表電能表,自誕生至今已有100多年的歷史。隨著電力系統(tǒng)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及電能管理系統(tǒng)的不斷完善,電能表的結(jié)構(gòu)和性能也經(jīng)歷了不斷更新、優(yōu)化的發(fā)展過程:

12、由最初的感應(yīng)電能表,發(fā)展到后來的感應(yīng)系脈沖電能表,直至現(xiàn)在的純電子式電能表。感應(yīng)系電能表是利用處于交變磁場的金屬圓盤中的感應(yīng)電流與有關(guān)磁場形成力的原理制成的。感應(yīng)系脈沖電能表仍采用感應(yīng)系電能表的測量機構(gòu)作為工作元件,由光電傳感器完成電能脈沖轉(zhuǎn)換,然后經(jīng)電子電路對脈沖進行處理,從而實現(xiàn)對電能的測量。純電子式電能表的原理是采用電子電路來實現(xiàn)電能計量,所以電子式電能表的共同特點是采用乘法器,根據(jù)所依托的乘法器為模擬的還是數(shù)字的分為模擬乘法器型

13、電子電能表和數(shù)字乘法器型電子電能表。</p><p>　　隨著電能管理的現(xiàn)代化,需要訪問電能表很多信息,同時決策還要與電能表進行雙向通訊 ,由于數(shù)字乘法器型電能表是以微處理器為核心,所以功能容易擴展,易和配電自動化系統(tǒng)集成,因此本文設(shè)計了一種基于電能計量芯片CS5460A的電子式電能表,CS5460A 是一種帶有串行接口的單相雙向功率電能集成電路芯片,極易與微處理器連接。</p><p>

14、<b>　　1.2設(shè)計概況</b></p><p>　　本設(shè)計在參閱了大量前人設(shè)計的電子式電能表的基礎(chǔ)上，利用單片機技術(shù)結(jié)合電能表芯片CS5460A構(gòu)建了一個單相電子式電能表。本文首先簡要介紹了設(shè)計電能表的主要功能以及系統(tǒng)的總體方案，然后詳細介紹了單相電子式電能表的設(shè)計流程，以及硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計，并給出了硬件電路的設(shè)計細節(jié)，包括各部分電路的走向、芯片的選擇以及方案的可行性分析等。&l

15、t;/p><p>　　第2章 總體方案設(shè)計</p><p>　　2.1 設(shè)計功能要求</p><p>　　設(shè)計制作一只交流電能表表，設(shè)計的主要要求如下：</p><p>　?。?）該交流電能表能實現(xiàn)對單相交流電能的測量；</p><p>　?。?）電表參數(shù)：額定電壓220V,額定電流5A,最大電流10A，最大計度容量：99

16、999.99Kw.h；</p><p>　?。?）能測量并顯示當(dāng)前的功率、電壓和電流的有效值；</p><p>　　（5）顯示當(dāng)前日期和時間，具有分時計量功能；</p><p>　?。?）可以與PC機進行串行通信，并可用鍵盤控制，便于操作；</p><p>　?。?）電量脈沖輸出；</p><p>　?。?）停電不丟失

17、電能數(shù)據(jù)；</p><p>　　2.2 系統(tǒng)的基本方案</p><p>　　該系統(tǒng)主要由顯示模塊、通訊模塊、鍵盤控制模塊、MCU模塊、電能表芯片CS5460模塊、時鐘模塊、存儲器模塊和前端電路調(diào)理模塊部分組成。前端電路調(diào)理模塊采用變比1：1 的電流型電壓互感器，電流模塊采用變比2000：1 的電流互感器，利用取樣電阻采樣信號，經(jīng)變換后的信號以差模電壓的形式接到由CIRRUS LOGIC 公

18、司生產(chǎn)的電能表芯片CS5460A，取樣電阻的阻值由被測信號的最大值決定，然后經(jīng)CS5460A轉(zhuǎn)換后將電壓、電流、功率、電能等信號傳給單片機AT89S52，AT89S52組成的MCU模塊控制所有芯片的工作、截止及計算和模塊的顯示，顯示模塊采用OCMJ4X8CM液晶模塊，液晶正常顯示當(dāng)前測量的電能值、日期、時間，可通過鍵盤控制顯示電壓、電流有效值、功率等；通訊模塊采用Max232芯片實現(xiàn)電能表與PC機之間的通信。并接受PC上位機同步控制并與

19、其通信，時鐘模塊采用DLS1302芯片，為電能表提供時間基準(zhǔn)，為實現(xiàn)多費率打下基礎(chǔ)，存儲模塊采用AT24C16，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲，可以做到掉電不丟失數(shù)據(jù)，還可以實現(xiàn)電力系統(tǒng)參數(shù)的實時記錄，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對電能等電參量測量、顯示及采集處理的目的</p><p><b>　　2.3電能計量部分</b></p><p>　　方案一：采用A/D轉(zhuǎn)換芯片分別對電壓、電流回路采

20、樣，然后送給單片機，經(jīng)單片機計算，算出電能、功率等電量。該方案電路設(shè)計較麻煩，并且容易受外部干擾，準(zhǔn)確度低，并且編程較麻煩。</p><p>　　方案二：采用現(xiàn)在比較流行的電能計量芯片CS5460A實現(xiàn)對電能等電量的采集和測量。CS5460A 是Crystal 公司推出的用于測電流、電壓、功率等的芯片, 是CS5460 的增強版, 精度高、性能強且成本低。CS5460A 包含兩個ΔΣ模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、高速電

21、能計算功能和一個串行接口的高度集成的ΔΣ 模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。它可以精確測量和計算有功電能、瞬時功率、IRMS 和VRMS ，用于研制開發(fā)單</p><p>　　相2 線或3 線電表。CS5460A可以使用低成本的分流器或互感器測量電流，使用分壓電阻或電壓互感器測量電壓。CS5460A具有與微控制器通訊的雙向串口，芯片的脈沖輸出頻率與有功能量成正比。CS5460A 具有方便的片上AC/DC 系統(tǒng)校準(zhǔn)功能?！白砸龑?dǎo)”的特

22、點使CS5460A 能獨自工作，在系統(tǒng)上電后自動初始化。在自引導(dǎo)模式中，CS5460A 從一個外部EEPROM 中讀取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和啟動指令。使用該模式時，CS5460A 工作時不需要外加微控制器，因此當(dāng)電表用于大批量住宅電能測量時，可降低電表的成本。并且本芯片集成度較高便于編程控制，故本設(shè)計采用此方案。</p><p>　　2.4 CS5460A概述</p><p>　　2.4.1 基本結(jié)構(gòu)

23、及功能</p><p>　　CS5460A的內(nèi)部組成模塊如下：</p><p>　　· 一個電流通道可編程增益放大器其增益為10和50可選</p><p>　　·一個電壓通道固定增益放大器，其增益為10</p><p>　　·兩個同時采樣的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器</p><p>　　·兩

24、個高速數(shù)字濾波器</p><p>　　·兩個可選用的高通濾波器</p><p><b>　　·一個功率計算引擎</b></p><p><b>　　·一個片內(nèi)電壓基準(zhǔn)</b></p><p>　　·一個可以檢測電力不足或電源故障的電源監(jiān)視器</p>

25、<p>　　· 一個持續(xù)監(jiān)視串口通訊的看門狗</p><p>　　· 一個可選的內(nèi)部時鐘發(fā)生器</p><p>　　· 一個雙向串行接口</p><p>　　· 一個電能、脈沖變換器</p><p>　　· 一個校準(zhǔn)用SRAM</p><p>　　2.4.

26、2 主 要 特 性</p><p>　?。?）在片計算和處理功能；</p><p>　?。?）可以從串行E2PROM 智能“自引導(dǎo)”,不需要微控制器,具有電能-脈沖轉(zhuǎn)換功能；</p><p>　?。?）具有AC或DC系統(tǒng)校準(zhǔn)功能；</p><p>　?。?）具有簡單的三線數(shù)字串行接口,可以方便地進行讀寫；</p><p&g

27、t;　　（5）看門狗定時器；</p><p>　?。?）片上 2.5 V 基準(zhǔn)（60×10-6/OC）,單電源 +5 V 或雙向 2.5V±10℅電源；</p><p>　?。?）具有功率方向輸出指示；</p><p>　?。?）能夠測量瞬時電壓、瞬時電流、瞬時功率、電能、電壓有效值和電流有效值，能完成電能/脈沖轉(zhuǎn)換；</p>&l

28、t;p>　?。?）電能測量精度：0.1%；</p><p>　　（10）具有相位補償和系統(tǒng)校準(zhǔn)功能；</p><p>　?。?1）具有機械計度器/步進電機驅(qū)動器；</p><p>　?。?2）內(nèi)帶電源監(jiān)視器；</p><p>　?。?3）電能數(shù)據(jù)線性度：在1000 ：1 動態(tài)范圍內(nèi)線性度為 ±0.1%；</p>

29、<p>　?。?4）功率消耗<12mW；</p><p>　　（15）電源配置： VA+=+5V,VA-=0V;VD+=+3V～+5V或VA+=2.5V,VA-=-2.5V;VD+=+3V</p><p>　　圖2-2 CS5460內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.4.3 操作時序</p><p>　　CS5460A串行口

30、包括4條控制線：串行時鐘（SCLK）、串行數(shù)據(jù)輸入（SDI）、串行數(shù)據(jù)輸出（SDO）和片選（CS），器讀寫時序如圖2-3所示：</p><p>　　CS5460A的串行接口部分集成了一個帶有發(fā)送/接收緩沖器的狀態(tài)機，狀態(tài)機在SCLK的上升沿解釋8位命令字。根據(jù)對命令的解碼，狀態(tài)機將執(zhí)行相應(yīng)的操作，或者為被尋址的寄存器的數(shù)據(jù)傳輸做準(zhǔn)備。讀操作需將被尋址的內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)傳送到發(fā)送緩存區(qū)，寫操作在數(shù)據(jù)傳輸前要等24個

31、SCLK周期。內(nèi)部寄存器用于控制ADC的功能，所有寄存器都是24位。</p><p>　　上電復(fù)位后，串行狀態(tài)機初始化為命令模式，等待接收有效的命令（輸入串口的前8為數(shù)據(jù)）。在完成對有效命令的接收和解碼后，狀態(tài)機將指示轉(zhuǎn)換器執(zhí)行系統(tǒng)操作或從內(nèi)部寄存器輸入輸出數(shù)據(jù)。</p><p>　　當(dāng)啟動了讀命令，串口將在下8個、16個或24個SCLK周期啟動SDO腳上的寄存器內(nèi)容的轉(zhuǎn)移（從高位開始）。

32、寄存器讀指令可以終止在8 位的邊界上（例如，讀出時可只讀8，16或24位）。同樣，數(shù)據(jù)寄存器讀出允許采用“命令鏈”。 因此讀寄存器時，微控制器可同時發(fā)送新指令，新指令將被立即執(zhí)行，并可能終止讀操作。例如，命令字送入狀態(tài)機讀取某一輸出寄存器，進行了16 個連續(xù)的讀</p><p>　　圖2-3 CS5460A操作時序圖</p><p>　　數(shù)據(jù)串行時鐘脈沖后，執(zhí)行寫命令字（如狀態(tài)寄存器清零命

33、令），數(shù)據(jù)從SDI 引腳輸入，同時剩下的8 位讀出數(shù)據(jù)被傳送到SDO 引腳。又如，用戶僅需從讀操作中獲取16位有效位時，可在SDO讀出8位數(shù)據(jù)后從SDI輸入第二個讀命令。</p><p>　　在讀周期，當(dāng)從SDO 引腳輸出數(shù)據(jù)時，必須用SYNC0指令（NOP ）使SDI 引腳處于選通態(tài)。</p><p><b>　　2.5其他模塊部分</b></p>&

34、lt;p>　　2.5.1前端調(diào)理電路部分</p><p>　　方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)分壓、分流的方式將大電壓、大電流轉(zhuǎn)換成CS5460A能接收的電壓信號，該方案電路復(fù)雜，難于調(diào)試，精度低，且不能實現(xiàn)芯片與電網(wǎng)的隔離，故不采用。</p><p>　　方案二：采用電流互感器與精密電阻網(wǎng)絡(luò)組成調(diào)理電路，將電壓和電流轉(zhuǎn)換為芯片可以就收的電壓信號。該方案設(shè)計簡單，精度高，且實現(xiàn)了芯片與電網(wǎng)的隔離

35、，保證了芯片的安全，故本設(shè)計采用此方案。</p><p><b>　　2.5.2主控芯片</b></p><p>　　電子式多功能電能表硬件的核心MCU主控制器,它負責(zé)按鍵輸入掃描、工作狀態(tài)檢測,計量數(shù)據(jù)的讀入、計算和存儲、電表參數(shù)的現(xiàn)場配置以及與外界的通信控制等。</p><p>　　本系統(tǒng)采用AT89S52單片機實現(xiàn)，AT89S52單片機是

36、一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，具有雙工UART串行通道，可實現(xiàn)ISP在線編程功能，內(nèi)部集成了看門狗定時器、雙數(shù)據(jù)指針、全新的加密運算，使程序的保密性增強，兼容性強，軟硬件調(diào)試方便。內(nèi)部RAM和ROM可滿足邏輯控制和

37、算數(shù)運算。因此，使用該MCU作為主控芯片可以方便的設(shè)計電路。</p><p>　　2.5.3 顯示部分</p><p>　　由于本設(shè)計顯示的參數(shù)較多，顯示部分采用OCMJ4X8C液晶。OCMJ4X8C液晶示模塊可以顯示字母、數(shù)字符號、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能。提供三種控制接口，分別8位微處理器接口，4位微處理器接口及串行接口（OCMJ4X16A/B無串行接口）。所有的

38、功能，包含顯示RAM，字型產(chǎn)生器，都包含在一個芯片里面，只要一個最小的微處理系統(tǒng)，就可以方便操作模塊。內(nèi)置2M-位中文字型ROM (CGROM)總共提供8192個中文字型(16x16 點陣)，16K-位半寬字型ROM (HCGROM)總共提供126 個符號字型(16x8點陣)，64 x 16-位字型產(chǎn)生RAM (CGRAM)，另外繪圖顯示畫面提供一個64x256點的繪圖區(qū)域（GDRAM），可以和文字畫面混和顯示。提供多功能指令：畫面清

39、除（Display clear）、光標(biāo)歸位（Return home）、顯示打開/關(guān)閉（Display on/off）、光標(biāo)顯示/隱 藏 （Cursor on/off）、顯示字符閃爍（Display character blink）、光標(biāo)移位（Cursor shift）、顯示移位（Displa</p><p><b>　　主要參數(shù)： </b></p><p>　　1、工

40、作電壓(VDD):4.5～5.5V </p><p>　　2、邏輯電平:2.7～5.5V </p><p>　　3、LCD 驅(qū)動電壓(Vo):0～7V </p><p>　　4、工作溫度(Ta):0～55℃(常溫)/-20～75℃（寬溫）保存溫度(Tstg):-10～65℃(常溫)/-30～85℃(寬溫) </p><p>　　本液晶不僅可

41、以顯示漢字，而且可以顯示多行，可以同時顯示多測量量，便于觀看和讀?。贿€可以串行通信，占用I/O口少，便于控制。</p><p>　　2.5.4 通信模塊</p><p>　　同步通信占用的資源較多，而且需要外部時鐘提供同步信號以提高接受數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，外圍電路比較復(fù)雜，傳輸中出現(xiàn)錯誤，則成批數(shù)據(jù)報廢，而異步通信外圍電路簡單，傳輸速度快。所以我們采用串口異步通信。使用RS-232C做接口標(biāo)準(zhǔn)的

42、通訊模塊，傳輸速率為20kbps,在15m范圍之內(nèi)，可進行有效通訊，而且可直接和PC機相接，有利于進一步的功能擴展，使用也比較方便。</p><p>　　由于89S52單片機輸入、輸出電平為TTL 電平, 而PC機配置的是RS- 232C 標(biāo)準(zhǔn)串行接口, 兩者的電氣規(guī)范不一致,單片機中的信號電平是TTL 型的,而RS-232C采用負邏輯，為了完成與RS- 232C 通信總線數(shù)據(jù)通信的功能,必須進行電平轉(zhuǎn)換。兩種電

43、平轉(zhuǎn)換電路通常是由專用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232來實現(xiàn)的,可實現(xiàn)RS- 232C 與TTL電平的轉(zhuǎn)換。</p><p><b>　　2.5.5時鐘模塊</b></p><p>　　時鐘模塊采用DALLAS 公司推出的DS1302 。它內(nèi)部含有一個實時時鐘/日歷和31 字節(jié)靜態(tài)RAM ，通過簡單的串行接口與單片機進行通信，實時時鐘/日歷電路提供秒分、時、日期、月、年的信息

44、，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整，時鐘操作可通過AM/PM 指示決定采用24 或12 小時格式，。DS1302 與單片機之間能簡單 圖2-4 1302管腳圖</p><p>　　地采用同步串行的方式進行通信，僅需用到三個口線：1 RES 復(fù)位，2 I/O 數(shù)據(jù)線，3 SCLK串行時鐘時鐘，RAM 的讀/寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達31 個字節(jié)的字符組方式通信，DS1302 工作時功耗很低，保持數(shù)據(jù)和時鐘信息時功

45、率小于1mW，DS1302 是由DS1202 改進而來增加了 以下的特性，雙電源管腳用于主電源和備份電源供應(yīng)，Vcc1 為可編程涓流充電電源附加七個字節(jié)存儲器，它廣泛應(yīng)用于電話傳真便攜式儀器以及電池供電的儀器儀表等產(chǎn)品領(lǐng)域，其管腳功能圖如圖2-4所示。</p><p><b>　　2.5.6存儲部分</b></p><p>　　存儲部分采用AT24C16存儲芯片，其具

46、有以下特性特性：</p><p>　　* 與400KHz I2C 總線兼容</p><p>　　* 1.8 到6.0 伏工作電壓范圍</p><p>　　* 低功耗CMOS 技術(shù)</p><p>　　* 寫保護功能當(dāng)WP 為高電平時進入寫保護狀態(tài)</p><p><b>　　* 頁寫緩沖器</b>

47、</p><p><b>　　* 自定時擦寫周期</b></p><p>　　* 1,000,000 編程/擦除周期 圖2-5 AT24C16引腳圖</p><p>　　* 可保存數(shù)據(jù)100 年</p><p>　　* 8 腳DIP SOIC 或TSSOP 封裝

48、 </p><p>　　* 溫度范圍商業(yè)級工業(yè)級和汽車級</p><p>　　AT24C16支持C總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議,I2C總線協(xié)議規(guī)定,任何將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件作為發(fā)送器,任何從總線接收數(shù)據(jù)的器件為接收器,數(shù)據(jù)傳送是由產(chǎn)生串行時鐘和所有起始停止信號的主器件控制的,主器件和從器件都可以作為發(fā)送器或接收器,但由主器件控制傳送數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的模式。</p>&

49、lt;p>　　由于其控制引腳較少，占用單片機口線較少，在少量數(shù)據(jù)存儲中有非常大優(yōu)勢，因為在本設(shè)計中，我們只需將校表數(shù)據(jù)及少量的電能數(shù)據(jù)存儲其中，以做到系統(tǒng)掉電時不丟失數(shù)據(jù)，免除每次開機時的校表過程，故選用控制引腳簡潔的AT24C16將非常的合適。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)</p><p>　　3.1直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計</p><p>　　

50、電源電路是整個系統(tǒng)能穩(wěn)定工作的前提和關(guān)鍵，系統(tǒng)中的各個單元電路都需要使用直流電源供電，本設(shè)計采用自制電源供電方式，將220V交流市電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過橋式整流電路整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器的兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓，此直流電壓經(jīng)過W7805的穩(wěn)壓和電容的頻率補償，便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。自制電源原理如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 +

51、5V直流電源的設(shè)計</p><p>　　3.2 前端電路調(diào)理模塊的設(shè)計</p><p>　　3.2.1電壓調(diào)理部分</p><p>　　對于系統(tǒng)的前端電壓調(diào)理部分，我們采用變比為2mA/2mA的電流互感器和高精度電阻作為輸入電路部分電路如圖2-2所示。系統(tǒng)設(shè)計采用220V的市電電壓輸入，首先外接Rx=110k電阻得到2mA的電流，然后通過變比為2mA/2mA的互感器

52、，然后在二次側(cè)連接1個125Ω的定值電阻得到所需的輸入電壓，可以為CS5460A提供電壓信號，不超出芯片的測量范圍。當(dāng)然電阻R2值可以根據(jù)不同的電壓來調(diào)整。并加入RC濾波網(wǎng)絡(luò)對信號初步濾波，并加入放抖動電容保護芯片。</p><p>　　3.2.2電流調(diào)理部分</p><p>　　電流調(diào)理部分采用變比2000：1 的電流互感器，然后經(jīng)一精密電阻將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號。并加入RC濾波網(wǎng)絡(luò)對

53、信號初步濾波，并加入放抖動電容保護芯片。經(jīng)變換后的補測信號以差模電壓的形式接到CS5460A的模擬信號輸入端。由于互感器角差的影響，可能造成輸入信號的相移，使功率測量的誤差增大。而CS5460A 具有相位補償功能（可進行-2.4°至+2.5°的相位補償，步進0.34°），可以大大減小互感器角差的影響。</p><p>　　圖2-2 前端調(diào)理電路。</p><p&g

54、t;　　3.3 電能測量模塊的設(shè)計</p><p>　　經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理的電壓信號、電流信號通過IIN+、IIN-、VIN+、VIN-接口送入電能表芯片CS5460，芯片經(jīng)放大、濾波、采樣、計算，計算出瞬時功率，并根據(jù)周期計數(shù)寄存器內(nèi)設(shè)定的計數(shù)周期計算出電能值、電流有效值、電壓有效值，并將其存入相應(yīng)的寄存器中，然后單片機通過與芯片通信將相應(yīng)寄存器中的電能值、電壓有效值、電流有效值讀出，并送予液晶顯示。CS5460也

55、可將電能轉(zhuǎn)化成與電能成正比的脈沖，由EOUT口輸出，以便于電能表的檢定。CS5460與單片機的連接圖如圖3-2所示：</p><p>　　3.4 通訊模塊的設(shè)計</p><p>　　Max232是德州儀器公司(TI)推出的一款兼容RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的芯片。Max232芯片起電平轉(zhuǎn)換的功能,使單片機的TTL電平與PC的RS-232C電平達到匹配。串口通信的RS-232C接口采用9針串口DB9

56、,串口傳輸數(shù)據(jù)只要將兩個串口的“發(fā)送數(shù)據(jù)”與“接收數(shù)據(jù)”交叉連接，再加上信號地線就能實現(xiàn)。串口通信又分查詢和中斷兩種方式，在本系統(tǒng)中，通訊數(shù)據(jù)不固定，數(shù)據(jù)量大，所以采用中斷方式進行通訊,具體電路圖3-3所示：</p><p>　　圖3-2 CS5460A與單片機連接圖</p><p>　　圖3-3 通訊模塊硬件接線圖</p><p>　　在設(shè)計中,使用的是12MHz

57、晶振，以定時器T1的方式1制定波特率，此時定時器T1相當(dāng)于一個16位的計數(shù)器,其波特率計算公式如下:</p><p>　　方式1的波特率=定時器T1的溢出率 （1）</p><p>　　定時器T1的溢出率計算公式為：</p><p>　　定時器T1的溢出率= （2）</p><p>　　3.5 液晶顯示的設(shè)計<

58、;/p><p>　　本設(shè)計采用液晶的串行接口，單片機通過液晶的串行口SIO向液晶寄存器寫命令，進而實現(xiàn)對液晶顯示的控制。其與單片機的連接圖如圖3-4：</p><p><b>　　圖3-4 顯示電路</b></p><p>　　表2-1：串行模式引腳說明</p><p><b>　　3.6 鍵盤的設(shè)計</b&

59、gt;</p><p>　　鍵盤用四個按鍵和四個下拉電阻構(gòu)成簡單的鍵盤，四個按鍵分別與單片機的平P2.4、 P2.5、 P2.6、 P2.7口連接，當(dāng)鍵盤被按下后相應(yīng)口被拉低為低電平，進而實現(xiàn)對單片機的控制。連接圖如圖3-5：</p><p><b>　　圖3-5鍵盤</b></p><p>　　第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計</p>&l

60、t;p>　　在單片機測量系統(tǒng)中，軟件的重要性與硬件同等重要。硬件是軀體，軟件是靈魂，但系統(tǒng)的硬件電路確定之后，系統(tǒng)的主要功能還要靠軟件來實現(xiàn)，而且軟件的設(shè)計很大程度上決定了系統(tǒng)的性能。</p><p>　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計是在Keil ULINK的軟件環(huán)境下采用C語言編程和調(diào)試的，Keil系列軟件具有良好的調(diào)試界面，優(yōu)秀的編譯效果，豐富的使用資料，應(yīng)用十分廣泛，而C語言功能豐富，表達能力強，目標(biāo)程序效率高，

61、可移植性好，即具有高級語言的優(yōu)點，又具有低級語言的許多特點，兩者的完美結(jié)合，很好的實現(xiàn)了軟件功能。</p><p><b>　　4.1 主流程圖</b></p><p>　　為了實現(xiàn)電能表的功能,軟件可劃分為:功能操作模塊及系統(tǒng)參數(shù)自校正模塊。系統(tǒng)功能操作模塊的主要功能為:為系統(tǒng)與操作人員之間提供友好的交互界面,對系統(tǒng)進行有效的管理。因此該功能模塊為該電能表的核心部分

62、。其工作流程圖如圖4 -1所示。</p><p>　　其中系統(tǒng)參數(shù)包括波特率、電能常數(shù)等,相應(yīng)的初始化流程包括初始化GPIB 地址及波特率,初始化系統(tǒng)電能常數(shù),初始化電流偏置系數(shù),初始化電壓偏置系數(shù),初始化功率系數(shù)。設(shè)置GPIB 地址對于單個的電能表沒有意義,該電能表用于電能管理系統(tǒng)中時,GPIB 地址特別重要,是本電能表區(qū)別于其他電能表的標(biāo)志。系統(tǒng)參數(shù)自校正模塊主要對該表的系統(tǒng)參數(shù)自校正提供一個管理界面,用戶可

63、以通過該功能模塊對該表的電壓、電流、功率等參數(shù)進行校正,并把校正后的數(shù)據(jù)保存。主功能管理模塊主要包括電能檢定功能模塊、電量測量功能模塊、背景光開關(guān)功能模塊、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊及日歷時鐘顯示功能模塊。其中電能檢定功能模塊主要用于送檢,處于該狀態(tài)時,電表把所測電能通過脈沖口輸出,以便和標(biāo)準(zhǔn)表比較。</p><p><b>　　4.2.系統(tǒng)初始化</b></p><p>　　

64、系統(tǒng)開始運行后，初始化程序?qū)⒉杉瘮?shù)據(jù)存放單元清0，將液晶顯示數(shù)據(jù)存放單元清0,設(shè)置串口通信波特率為9600bit/s，并設(shè)置中斷向量，初始化由邊沿觸發(fā)的外部中斷0。</p><p>　　4.3系統(tǒng)子程序模塊</p><p>　　4.3.1系統(tǒng)參數(shù)自校正模塊</p><p>　　系統(tǒng)參數(shù)自校正模塊主要對該表的系統(tǒng)參數(shù)自校正提供一個管理界面,用戶可以通過該功能模塊對該表

65、的電壓、電流、功率等參數(shù)進行校正,并把校正后的數(shù)據(jù)保存。其過程為：給輸入通道加滿量程信號，觀察顯示值，然后根據(jù)顯示值通過鍵盤調(diào)整芯片內(nèi)電壓、電流、功率、等寄存器的參數(shù)，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)參數(shù)進行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后將系統(tǒng)參數(shù)保存，以確保系統(tǒng)的精確測量。其流程圖如圖4-2所示：</p><p>　　4.3.2電量測量功能模塊</p><p>　　CS5460A測量程序用來控制CS5460A對模擬輸入電量

66、的測量、轉(zhuǎn)換和計算，并將相應(yīng)的測量量，如：瞬時功率、電壓有效值、電流有效值讀取到單片機相應(yīng)的寄存器中，然后單片機根據(jù)系統(tǒng)程序和鍵盤命令進行調(diào)用、輸出、顯示。其流程圖如圖4-3：</p><p>　　4.3.3電能檢定功能模塊</p><p>　　通過鍵盤設(shè)定系統(tǒng)為電能表鑒定模式，使電能表ETUO端輸出脈沖通入電能表鑒定裝置進行電能表鑒定。流程圖如圖4-4：</p><p

67、><b>　　第5章 系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p>　　根據(jù)方案設(shè)計的要求，測試過程共分為三大部分：硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。</p><p>　　電路按模塊調(diào)試，各模塊逐個調(diào)試后，再進行聯(lián)調(diào)。單片機軟件先在最小系統(tǒng)板上調(diào)試，確保外部電路正常工作后，再與硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。</p><p><b>　　5.1軟硬件調(diào)試<

68、;/b></p><p>　　5.1.1 硬件調(diào)試</p><p>　　硬件調(diào)試，查看個硬件模塊電路的連線是否與邏輯圖一致，用萬用表檢測有無短路或短路現(xiàn)象，器件的規(guī)格、極性是否有誤。檢查完畢，用萬用表測量一下電路板正負電源端之間的電阻，排除電源短路的可能性。</p><p>　　5.1.2 軟件調(diào)試</p><p>　　本系統(tǒng)的軟件調(diào)試

69、因AT89S52核心模塊的使用而變得相對容易，keilc軟件開發(fā)環(huán)境，能判斷語法差錯和邏輯差錯，判斷程序無誤后，可以直接下載到單片機中進行調(diào)試。</p><p>　　5.1.3 軟硬聯(lián)調(diào)</p><p>　　在軟件和硬件都基本調(diào)通的情況下，進行系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)。按照由上向下，模塊化設(shè)計的理念對模塊逐個調(diào)試：首先，調(diào)通液晶顯示模塊，接著給芯片CS5460A的電壓通道和電流通道通入滿量程信號，

70、根據(jù)液晶顯示對芯片內(nèi)的校準(zhǔn)寄存器進行設(shè)置，進而對測量進行校準(zhǔn)調(diào)試。調(diào)好后，即該芯片能正常工作后，再通以交流市電進行進一步校準(zhǔn)調(diào)試。然后再調(diào)通訊模塊，等模塊逐一調(diào)通后，再進行聯(lián)調(diào)。再連接成一個完整的系統(tǒng)調(diào)試。系統(tǒng)整體電路圖5-1所示：</p><p><b>　　5.2功能測試</b></p><p>　　完成了整體調(diào)試后，對本設(shè)計進行功能測試，為了檢驗其精度,采用人工

71、方法對其進行了檢定,采用的裝置有:深圳科陸公司生產(chǎn)的CL311 多功能標(biāo)準(zhǔn)表,準(zhǔn)確度是0. 05 級;深圳科陸公司生產(chǎn)的CL302 多功能電測產(chǎn)品檢定裝置,額定電壓是220V ,標(biāo)稱電流是10A。實驗測得數(shù)據(jù)如表1 所示:</p><p>　　表5-1電能表測試數(shù)據(jù)(cosφ= 0. 5)</p><p>　　圖5-1系統(tǒng)整體電路圖</p><p>　　5.3誤差的

72、定性分析及改進措施</p><p>　　由于器件精度的限制，前段調(diào)理電路很難做的十分精確，并且各種干擾對儀表的正常工作都是有害的，電子式表的設(shè)計中除含有隨機誤差外，信號線中電流產(chǎn)生的空間磁場，還有共模干擾，信號源中的諧波分量，本身固有的漂移和噪聲引起的誤差，為了有效地降低系統(tǒng)的誤差，提高電子式電能表的精度，可同時采用硬件抗干擾和軟件抗干擾技術(shù)。</p><p>　　1.硬件抗干擾措施：&l

73、t;/p><p>　　1) 空間磁場、高次諧波、漂移和噪聲引起的誤差：可在電壓信號進入采樣芯片時先通過RC有源低通濾波器，濾除干擾，再送往測試端。</p><p>　　2) 共模干擾：主要是數(shù)字地、模擬地的干擾，可將模擬地與數(shù)字地分開接地。</p><p>　　盡管我們采取了硬件抗干擾措施，但由于干擾信號產(chǎn)生的原因錯綜復(fù)雜，且具有很大的隨機性，很難保證系統(tǒng)完全不受干擾。

74、因此，往往在硬件抗干擾措施的基礎(chǔ)上，采取軟件抗干擾技術(shù)加以補充，作為硬件措施的輔助手段，軟件抗干擾技術(shù)方法簡單、靈活方便。</p><p>　　對于AD采樣時的誤差，可通過縮小點間隔，取N次采樣的平均值。</p><p>　　針對前段調(diào)理電路很難做得十分精確的缺陷，可通過軟件調(diào)整設(shè)置CS5460A芯片內(nèi)部寄存器中的值來提高電能表的精確度。</p><p><b

75、>　　總結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過不斷地努力，堅持不懈的調(diào)試，查找并解決設(shè)計中出現(xiàn)的問題，系統(tǒng)最終達到了基本的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對電能、電壓有效值、電流有效值、及功率的測量，遺憾的是由于時間緊迫，后續(xù)的PC的通訊功能模塊雖然硬件與軟件設(shè)計準(zhǔn)備工作已經(jīng)做好也未能調(diào)試。串口通訊方面，傳輸距離增大，RS-232C就不能滿足需求，可在后續(xù)的設(shè)計當(dāng)中更換為RS-485，予以替代。系統(tǒng)參數(shù)自校正模塊，

76、校正時手動校正較麻煩，并且精度有限，可以通過編寫系統(tǒng)參數(shù)自動校正程序，當(dāng)系統(tǒng)打到系統(tǒng)參數(shù)自校正模式時，系統(tǒng)自動完成校正。而且設(shè)計的誤差和精度方面受到各方面因素影響較大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，有待于進一步的改進，還有很大的提升空間。</p><p><b>　　參考文獻:</b></p><p>　　[1]張羽等. 單片機原理及應(yīng)用 機械工業(yè)出版社 2007</p&g

77、t;<p>　　[3]樓然苗.單片機課程設(shè)計指導(dǎo) 電子工業(yè)出版社 2007</p><p>　　[4]潘永雄．新編單片機原理與應(yīng)用[M]．西安電子科技大學(xué)社 2003</p><p>　　[5]李莉等. C語言程序設(shè)計教程 科學(xué)出版社 2007</p><p>　　[6]北 高 智 電 子 有 限 公 司 .單相雙向功率/電能IC .CS5460A&l