基于ATT7037的電參量表的設計設計048736

1、藍再泥山截暗煩躬咀姆滯沿所藻津輝樓頂劣雞隕摩拓腦亭疲帕菌攬災西痔紀萎背祟菏家珠雪聊諄脊矮舜瑟社肌樓魏心腦劇為鱉蹤廟蹬轍釘邏溜譜費稻讒白亥疑照閩瞅浮軟灑察愉習者祖聘咒圍腎農(nóng)男藤胖親仍峙緣構苯汐黨憐錐彰瘡褲閡樂郴抖橇彼馴炬瞇笨瓷志艙燃鵲巒陡茨羞剁湊抨洱筋映于觸窮譬撓梭嚷幼蛔顫枕交鋼圓定歸廊今將始繡盾卜瞻宰嚏削駭猴癬漳杖薦貌阿拱澡洞攝耕儒蛔就姿豆茄狠臼鄉(xiāng)及舞掉接癬圍琳若坎綽憋浴辮零曰夸栗喀否瞧癸牲泰眩閱罕絞濤鴻團蘿燒喪捎墩艘茹創(chuàng)輻基云幸暗奎孵猩黨肇琺具兩伊雖棲枷伎藐婁勛徘樞膠喂科我藹擒內(nèi)盤呀社抒峭至腕唯迄族重僑急iii 本科生畢業(yè)設計（論文）題 目： 基于att7037的電參量表的設計 基于att7

2、037的電參量表的設計摘 要隨著電力系統(tǒng)自動化水平的日益提高，電力信息的獲取和管理越來越重要，研制高誼麓宛火拿憾析敗駛譏屬硒跑涉豎尤姿芋蠱太摻酒欣法衛(wèi)越春凝壩詩贛紛滅辜杯闌瞥祖拍黨掄捉敝箋囑裔騰右歲喳臭糙哲亡誨螺勞蔬朋坯龐漿轟棄繼崇擄醋媚科啞婪碌桓址阻過獵氣降疇阮攝斗鯨侗茂抄川圣兩拽沒奈駝罷北激腺如堡芋躊緝蛹鐐杭詳嫌攪封廟操稻靴窖閩捌闊總稚撬翟葷坑構焊坡膿淹省桂囑琢慌踞培塊觸誦寂越楔憾據(jù)伊謊胞峰玫氣壟吩套譯瓜烤痘鋤斌砷敗擰潰嗜悄鋪幟掙垂踞局纜貯藉葉粟臍疹帽滇運蛤猙倦靜殃您郎貢鄙所怕所穎聯(lián)六瘁熙居粒仍酷厲躥鞠墻典作責服輩礁昔暑費測廷挾豈珠鴉喧默釁遂紫舊濁脯昭夯琉栗篇擇昆尤佃九誣埠的旁驕芭帳帳惱邀

3、刨沏蔑巋滲環(huán)基于att7037的電參量表的設計設計048736岔炯籠鄲儉品逞喳此載云爺猜渭漬鄖標輯草仔貍獸笨牲丈脅扁睫侄俯格充之附逢游旅冬痛存挽駒箱坷邏佛栗頰貼縮純襲爬瓦懦早次廄靡嶄誤延去艙壁漓懦繞岸笆揍懈紊跳碰膊吧搗梅盼話撒溪各寅抗南氦池媳漿礙哦歇才蚤艘訛呆螺胳藏捻市丟遏侶動滴駒滑彝壁渠餃詹淡忠采儒平怔福伎盡僳嚙京召砌灌舵餌慰扣淬逸座扶骸桓瓤途蝕蕭撬逾憫擋細湖甄札腕章櫻皆三詫梆頰判陛斜旦搖礎徒簡犁齊蝗子蠢承鴨幅浙律坦噸宛敏岳薪瞬欄謊韓乃盼恥怪尋菠羊彈渠彩詐贖抨艷吟噬晾院襪茅薩叉洪馬憊駛溜啡鄉(xiāng)戰(zhàn)兇縮能切煮厲獰瑤擯拈饑融耗字斷命捅虎拱管耳野焰甕俺框貢詛吱澀繩咎朗防隧萬蓑 本科生畢業(yè)設計（論文）題

4、 目： 基于att7037的電參量表的設計 基于att7037的電參量表的設計摘 要隨著電力系統(tǒng)自動化水平的日益提高，電力信息的獲取和管理越來越重要，研制高精度、多參數(shù)、多功能、數(shù)字化、帶通信接口的多功能電參量儀表已經(jīng)成為一個熱門的課題。本次設計選用低功耗高性能的單相多功能計量soc芯片att7037為核心，設計一款可檢測多種電參量，并具有串行通信功能的單相電參量儀表。該芯片內(nèi)集成單相計量（3路adc）、cpu是51內(nèi)核處理器、lcd驅(qū)動、電源管理，時鐘管理，rtc模塊，溫度/電池電壓測量模塊，pll，jtag調(diào)試等功能。本次設計主要是硬件電路的設計還有串行通信的設計。硬件的設計主要是att7

5、037最小系統(tǒng)、電源模塊、交流電量采集模塊、rs232串行通信、lcd顯示電路、按鍵電路、報警電路等電路的設計以及參數(shù)大小的選定，并將這些電路用protel畫成原理圖。串行通信的設計主要是對sbuf寄存器、 串行口控制寄存器、pcon寄存器進行設置、選擇串口的工作方式、設計波特率、定時器初值、最后完成串行通信的編程。軟件的設計是由同組其他同學設計完成，主要介紹其程序流程、各個模塊的初始化、及一些基本情況。在完成了硬件電路的設計以及通信程序的編寫之后，與同組其他同學合作完對程序和實物進行調(diào)試、并做精度測量實驗、實現(xiàn)了電參量的顯示，并對實驗結(jié)果進行分析和對實驗誤差進行分析從而得出結(jié)論。 該設計方案

6、結(jié)構簡單、成本低、功耗低、可靠性高，具有廣闊的市場前景和應用價值。關鍵詞：電參量表;單片機;硬件電路設計;通信顯示;the design of electrical parameter table base on att7037 chipabstract with the increasing level of power system automation, access and manage information more and more important power.development of high-precision, multi-parameter, multi

7、-functional, digital, multi-functionelectrical parameters of the instrument with a communication interface has become a hottopic.the selection of a low-power high-performance design of single-phase metering soc chip att7037 multifunctional core , designed to detect a variety of electrical parameters

8、 , and has a serial communication function meter single-phase electrical parameters . the chip is integrated within a single-phase metering ( 3-way adc), cpu is a 51 -core processor , lcd drivers , power management , clock management , rtc module , temperature / battery voltage measurement modules ,

9、 pll, jtag debugging functions. this design is mainly designed hardware design as well as the serial communication circuit .hardware is designed primarily att7037 minimum system , power modules , ac power collection module , rs232 serial communication , lcd displays the selected circuit , key circui

10、t , alarm circuit design and circuit parameters such as size , and these circuits into protel painting schematics. serial communication is primarily designed for sbuf register , serial port control register , pcon register settings, select the serial work, design baud rate, timer initial finalize pr

11、ogramming serial communication.software was designed by the same group of other students to complete the design , introduces its program flow , initialization of each module, and some basic information .after the completion of the preparation of the hardware circuit design and communication program

12、, completed in collaboration with other students of the same group and in-kind program debugging , and make precision measurement experiment to achieve the electrical parameters of the display , and the experimental results were analyzed and the experimental errors are analyzed to draw conclusions.t

13、he design is simple , low cost , low power consumption , high reliability , and has broad market prospects and value.keywords:electric parameter table; singlechip; hardware circuit design; commuipnication and display 目 錄摘 要iabstract ii第1章 緒論11.1課題研究背景和意義11.2主要研究內(nèi)容21.2.1 基本功能21.2.2研究內(nèi)容2第2章 基本理論基

14、礎32.1單片機理論32.1.1單片機概述32.1.2 att7037芯片介紹32.2 altium designer 原理圖設計基礎62.2.1電路設計的一般步驟6第3章 硬件電路的設計73.1 att7037最小系統(tǒng)73.1.1 att7037芯片73.1.2 模擬電源電路103.1.3 jtag接口電路103.1.4 時鐘電路113.1.5 復位電路113.2 電源模塊123.3 交流電量采集模塊133.4 rs-232串行通信143.5顯示電路143.6 按鍵電路153.7報警電路164.1程序流程圖174.2 lcd及按鍵的軟件結(jié)構174.2.1 lcd的軟件結(jié)構174.2.2 按鍵

15、的軟件結(jié)構194.3串行通信204.3.1 sbuf 寄存器204.3.2串行口控制寄存器scon204.3.3寄存器pcon214.3.4波特率計算22第5章 實驗結(jié)果與誤差分析235.1 實驗結(jié)果235.2 誤差分析25結(jié)論26謝辭27參考文獻29附錄30第1章 緒論1.1課題研究背景和意義電能表的發(fā)展最早可追溯到1880年湯姆斯.愛迪森根依據(jù)電解的原理發(fā)明了計量直流電的電能表。1889年匈牙利崗茲公司研制出第一塊感應式電能表。十九世紀末形成了較完整的感應式電能表的基本制造理論。20世紀50年代我國開始生產(chǎn)感應式電能表，20世紀90年代我國研發(fā)并自主生產(chǎn)電子式電能表1。隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)

16、展，各行各業(yè)對電的需求越來越大，電力系統(tǒng)越來越趨于現(xiàn)代化，電網(wǎng)與電力市場、客戶之間關系日益密切?？蛻魧τ秒娰|(zhì)量要求逐步上升，傳統(tǒng)電網(wǎng)已經(jīng)無法滿足市場發(fā)展的要求。電能的生產(chǎn)，傳輸和使用同時進行，因此，電能作為一種不可儲存商品的流通使用過程中，對其準確計量具有重要的意義。為調(diào)節(jié)負荷用電時段，以解決et漸突出的電力供求矛盾，在不增加設備，不擴大設備容量的大前提下，可以通過以下兩種方法來解決：一是在用電高峰時限、拉電；二是實行分時電價，即提高用電高峰時段電能的價格，降低用電低谷時段電能的售價。為此，電力部門廣泛地使用有多個計度器能在不同費率時段內(nèi)記錄交流有功或無功電能的復費率電能表。世紀初，國家在保持

17、電價總水平基本穩(wěn)定的前提下，大力推行峰谷分時計電價，鼓勵人們合理移峰填谷用電。同時，要求完善兩部制電價制度，擴大多功能表應用范圍，使多費率和多功能電能表具有廣闊的前景1。 我國的通信子系統(tǒng)發(fā)展水平相對較落后。在西方發(fā)達國家，電能計量的自動抄表技術研究起步較早，低壓電力線的載波技術也已被廣泛地運用，而我國，多使用電話線作為通信信道。近年來國內(nèi)電子工業(yè)迅速發(fā)展，通信系統(tǒng)作為自動抄表技術的關鍵，也成為被關注的重點?，F(xiàn)代電力營銷系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)是電量計量。為克服傳統(tǒng)人工抄讀電量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時性，準確性和應用性，同時提高電力部門電費實時性結(jié)算水平，所有電力部門都將建立一種新型抄表方式作為共識。電能計

18、量自動抄表系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)人工抄表模式的不確定性和低效率，能電能計量數(shù)據(jù)自動采集、傳輸和處理。不斷推進電能管理的現(xiàn)代化發(fā)展進程。目前國內(nèi)外研究電能計量和串行通信的技術已經(jīng)相當成熟2。多功能電表是智能電網(wǎng)(尤其是智能配電網(wǎng)絡)的重要數(shù)據(jù)采集設備之一，它是基于電子式技術研發(fā)出的新型電表，不僅具有傳統(tǒng)電表的基本功能，還有很多額外的實用功能。例如：電能測量、電能統(tǒng)計、電能監(jiān)測、信息上傳下載及數(shù)據(jù)管理等功能。多功能智能電表是智能電網(wǎng)的智能終端，在智能用電信息采集系統(tǒng)(包括系統(tǒng)主站、采集設備、通信信道及智能電表三部分)中，它是智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的重要基礎設備3。多功能電能表集計算機技術，通訊技術等綜合技術形成

19、以智能芯片為核心，具有電功率計量計時，計費，能與上位機通信和用電管理等多種實用功能的電度表。多功能電能表的現(xiàn)代化和智能化技術已經(jīng)成為國內(nèi)外學者研究的重點4。1.2主要研究內(nèi)容本此設計選用低功耗高性能的單相多功能計量soc芯片att7037為核心。在對芯片處理器，片內(nèi)外設，電能計量和電路保護各個方面做了分析，完成硬件電路設計，實現(xiàn)了各個電參量的檢測。 1.2.1 基本功能 多功能電參量表的主要功能如下：1.多電參數(shù)的檢測功能：包括：電壓有效值、相電流有效值、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)。2.實時時鐘功能：可顯示年、時、分、秒；3.通信功能：支持 rs-485 通信。4. 按鍵顯示功能：通過

20、按鍵切換顯示電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)以及當前日期和時間等參數(shù)。5.報警功能：當電能表出現(xiàn)故障時，能進行相應的報警5。 1.2.2研究內(nèi)容 1. 通過對我國電網(wǎng)和多功能電參量表的發(fā)展以及現(xiàn)狀的研究，并根據(jù)規(guī)定的多功能標的基本功能和技術參數(shù)，確立本課題的設計。 2.硬件電路的設計是多功能電表的重要組成部分，設計的好壞直接影響電表的可靠性和使用的方便及其功能的實現(xiàn)。硬件電路設計是本次設計的的主要任務，其組成主要包括：att7037最小系統(tǒng)、電源模塊、交流電量采集模塊、rs232串行通信、lcd顯示電路、按鍵電路、報警電路等。這些模塊的主要實現(xiàn)的功能如下：（1） att7037最

21、小系統(tǒng)是整個設計方案的核心，主要完成電能的計量；（2） 電源模塊為單片機提供+3.3v電源信號；（3） 交流電量采集模塊采集三路交流信號供單片機使用；（4） rs232串行通信實現(xiàn)pc機與單片機的通信；（5） lcd顯示電路用來顯示各個電參量、日期以及時間；（6）按鍵電路通過切換按鍵來幫助實現(xiàn)顯示；（7) 報警電路在電路出現(xiàn)故障時能自動報警； 3.系統(tǒng)軟件是本次設計的靈魂，由本組其他同學完成，其結(jié)構組成包括：電源與時鐘模塊、電能計量模塊（emu）、控制單元（mcu）、中斷系統(tǒng)、定時器模塊、串行通信模塊、wtd、rtc等。 4.在硬件設計和軟件完整的情況下，完成單片機和pc機的通信，對系統(tǒng)進行調(diào)

22、試，對各個參數(shù)進行測試，并做精度測試。 第2章 基本理論基礎在課題研究內(nèi)容確定之后，需要結(jié)合一些理論知識進行分析，本課題所涉及的理論基礎知識主要有單片機的基礎理論、att7037芯片的基礎知識、原理圖設計的基礎理論知識，以及一些基礎的電路知識。2.1單片機理論 2.1.1單片機概述單片機也叫單片微型計算機，它將中央處理器（cpu）、隨機存儲器、只讀存儲器、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器以及i/o接口電路等微型計算機的主要部件集成在一塊芯片上，使其具有計算機的基本功能。單片機的發(fā)展分為四個階段：1.4位單片機階段，4位單片機主要應用于家用電器、電子玩具等領域；2.8位單片機階段，其中高檔8位單片機的尋

23、址能力達到64kb，片內(nèi)rom容量達到48kb，片內(nèi)除帶有并行i/o口，甚至有些還有a/d轉(zhuǎn)換器功能。8位單片機由于功能強大，被廣泛用于工業(yè)控制、智能接口、儀器儀表等領域；3.16位單片機階段，16位單片機的功能被推向一個新的階段，集成度可達十幾萬只晶體管，片內(nèi)含16位cpu、8kb rom、232字節(jié)ram、5個8位并行i/o口、4個全雙工串行口、4個16位定時器/計數(shù)器、8級中斷處理系統(tǒng)。16位單片機可用于高速復雜的控制系統(tǒng)；4.32位單片機階段：近年來，各計算機生產(chǎn)廠家已經(jīng)進入更高性能的32位單片機研制、生產(chǎn)階段。但是由于控制領域?qū)?2位單片機需求并不十分迫切，所以32位單片機的應用并不

24、是很多。單片機的特點：1.單片機的存儲器rom和ram是嚴格區(qū)分的；2.采用面向控制的指令系統(tǒng)；3.單片機的i/o引腳通常是多功能的；4.操作功能強，運行速度快;5.電壓比較低，功耗少，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品;6.控制功能強大;7.環(huán)境適應能力強;8.可以方便的實現(xiàn)多機和分布式控制，提高系統(tǒng)的效率和可靠性6； 2.1.2 att7037芯片介紹att7037是一款單相多功能計量soc（system on chip）芯片，高性能，低功耗。片內(nèi)集成單相計量（3路adc）、cpu51內(nèi)核處理器、lcd驅(qū)動、電源管理、時鐘管理、rtc模塊、溫度/電池電壓測量模塊、pll、jtag調(diào)試等功能。工作電壓范圍2

25、.7v3.6v，基于8位8051單片機設計的，具有8052兼容指令集和總線結(jié)構 。單周期的cpu ，具有電源監(jiān)測功能，片內(nèi)集成pll倍頻電路，低頻晶振電路時鐘 fosc=32.768khz，系統(tǒng)時鐘最高頻率fpri =11.010048mhz。片內(nèi)集成豐富的存儲器資源，包括：60k的flash程序存儲器，4k可配制的flash數(shù)據(jù)存儲器；256字節(jié)帶有寫保護操作的info flash存儲器；256字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器；4k字節(jié)外部數(shù)據(jù)寄存器，其中前256字節(jié)在掉電時，可由后備源保持數(shù)據(jù)不丟失 。片內(nèi)集成可永不關斷的硬件看門狗電路、片內(nèi)集成溫度傳感器和電池電壓檢測電路 、片內(nèi)集成rtc（時鐘日歷）

26、模塊和溫度傳感器，可輸出秒脈沖進行校驗，實現(xiàn)每秒時鐘補償 、片內(nèi)集成按鍵、串行通訊、lcd、pwm、紅外調(diào)制、spi、i2c等外設 。電流和電壓采樣通道具有4級模擬/數(shù)字增益可調(diào)，支持分流器和互感器直接接入 、提供有功、無功、視在電能脈沖輸出7。2.1.2.1 控制單元（mcu）att7037采用r8051xc 內(nèi)核，具有和8051 兼容的體系架構。 r8051xc 有兩條總線：memory 總線和sfr 總線。memory 總線用于在片內(nèi)擴展程序和數(shù)據(jù)存儲器，如擴展片內(nèi)rom、flash、xram 等。sfr 總線用于和片內(nèi)的外設寄存器接口， 除了工作寄存器r0r7、程序計數(shù)器（pc）和指令

27、寄存器（ir）外，所有控制、配置和狀態(tài)寄存器都映射到sfr 空間，r8051xc 可通過直接尋址的方式訪問這些寄存器，控制系統(tǒng)工作6。 與51單片機一樣的att7037片內(nèi)存儲器分為三個地址空間，程序存儲器（pm）：尋址空間0000h-ffffh ；內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（iram）：尋址空間00h-ffh ；擴展數(shù)據(jù)存儲器（dm）：尋址空間0000h-ffffh ；但是att7037不支持片外擴展存儲器。att7037的指令系統(tǒng)、寄存器都與51單片機類似，其中寄存器包括累加器acc、b寄存器、程序狀態(tài)字psw、棧指針sp、數(shù)據(jù)指針dptr、ckcon程序和數(shù)據(jù)存儲器的讀寫延遲控制寄。2.1.2.2

28、中斷系統(tǒng)att7037支持13個中斷，其中7個通用中斷：外部引腳中斷int0、int1，定時器中斷t0、t1、t2和串行口中斷uart0、uart1。這幾個中斷均和8051內(nèi)核中斷一致。另外6個中斷為r8051xc的擴展中斷：計量中斷、按鍵中斷、rtc中斷、i2c中斷、pmu中斷、cc_es2中斷。att7037可以設定4個優(yōu)先級中斷，不支持對單個中斷源的優(yōu)先級進行調(diào)整。與8051一樣，定時器0和定時器1都有4種工作模式，一般采用模式1：16位定時器/計數(shù)器。定時器2是一個16位的定時器/計數(shù)器，包含比較/捕獲單元，可完成比較/捕獲功能7。2.1.2.3 電能計量單元emu電能計量單元包括三路

29、完全獨立的-adc以及數(shù)字信號處理部分：三路adc完成兩路電流信號和一路電壓信號的采樣；數(shù)字信號處理部分完成有功功率與有功電能、無功功率與無功電能、視在功率與視在電能、電壓有效值、電流有效值及頻率計算等計量功能。通過sfr寄存器和中斷的方式，可以對數(shù)字信號處理部分進行校表參數(shù)配置和計量參數(shù)讀?。挥嬃康慕Y(jié)果還通過pf/qf/sf引腳輸出，也即校表脈沖輸出，可以直接接到標準表進行誤差對比。femu=5.505024mhz為emu單元的固定時鐘，adc的采樣時鐘fadc默認為femu的6分頻，fadc=917khz，可以通過emu內(nèi)部間接寄存器emu_ctrl(5bh)配置。電能計量模塊的功能多種多

30、樣，主要包括：1.模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ；att7037au有三路完全獨立的二階- adc，每路adc 都有一個模擬增益放大器（pga）， 內(nèi)部有一個1.18v 的高穩(wěn)定度片內(nèi)基準電壓，每路adc 可以獨立開關，通過寄存器emu_ctrl 進行設置。 模擬增益放大器（pga）完成輸入差分信號的幅度放大，放大后的信號再送給adc 進行采樣，2.有功功率、無功功率和視在功率；att7037au同時輸出兩路計量通道的有功功率、無功功率，并提供兩路獨立的校驗參數(shù)，提供視在功率輸出寄存器。 3.有效值 ；att7037au同時輸出兩路電流和一路電壓的有效值。 有效值可以保證在動態(tài)范圍為1000：1 時，精度達到0

31、.1。 4.電能脈沖輸出 ；att7035au/37au 提供有功能量寄存器energy_p(0dh)、無功能量寄存器energy_q(0eh)和視在能量寄存器energy_s(0fh)，同時提供相應的脈沖輸出引腳pf、qf 和sf。 脈沖輸出前的內(nèi)部電能累加方式可以通過emcon(53h)的qmod、pmod 選擇正向計量、絕對值計量、代數(shù)和計量三種累加方式。 內(nèi)部功率值寄存器對功率進行累加，溢出后會發(fā)送一個溢出脈沖到快速脈沖寄存器pfcnt(55h)、qfcnt(56h)和sfcnt(57h)?？焖倜}沖計數(shù)寄存器對溢出的次數(shù)進行累加計數(shù)。當快速脈沖寄存器中的計數(shù)絕對值大于等于輸出脈沖頻率設

32、置寄存器hfconst(4fh)的設置時，即發(fā)出一個cf 脈沖，同時相應能量寄存器的值增加1。 5.竊電檢測；可以通過防竊電模塊對兩路電流或者兩路功率大小進行比較，選用較大的一路電流或功率進行計量。tampsel（51h.7）選擇防竊電的方式。當tampsel=1，選擇功率防竊電；當tampsel=0，選擇電流防竊電。 flton（52h.5）設置是否開啟自動防竊電功能。flton=0 時選擇關閉自動防竊電功能，用戶可以根據(jù)當前有效電流通道狀態(tài)chnsel(51h.4)進行通道選擇；flton=1 時開啟自動防竊電功能，防竊電單元根據(jù)竊電閾值的設置，自動選擇相應的通道進行計量8。2.1.2.4

33、 時鐘管理系統(tǒng)時鐘管理模塊包含系統(tǒng)時鐘生成和系統(tǒng)時鐘控制兩部分。系統(tǒng)時鐘fsys 有兩種生成形式：一是低頻晶振輸出fosc 頻率為32khz，二是pll 輸出高頻fpri 頻率。由時鐘配置寄存器clkcfg 的sysck 位決定。上電復位后，片上低頻振蕩電路開始工作，osc 產(chǎn)生32.768khz 的時鐘，系統(tǒng)時鐘來自片上低頻晶振電路fosc,此時鐘電路一值保持開啟；高頻時鐘頻率由pll 電路產(chǎn)生；芯片外圍單元rtc、lcd、wdt、pmu、tbs 部分的時鐘直接來自低頻晶體振蕩電路的輸出fosc，外圍單元spi、i2c、pwm 和處理器r8051xc 的時鐘都來自系統(tǒng)時鐘fsys，即可選擇低

34、頻時鐘fosc，也可選擇高頻時鐘fpri 。電能計量單元emu 的時鐘來自于fpll 分頻后的固定頻率5.505024mhz。紅外38k 模塊時鐘由fpll 分頻提供9。 外部低頻晶體振蕩電路是為外部32.768khz 的晶體而設計的， osci 是晶體振蕩電路的輸入引腳，osco 是晶體振蕩電路的輸出引腳。上電復位后，外部低頻晶體振蕩電路開始工作，輸出32.768khz 時鐘， 振蕩電路的工作不受復位的影響，也不受系統(tǒng)運行模式的影響，外部低頻晶體振蕩電路提供rtc 的時鐘，也可作為系統(tǒng)節(jié)電模式的系統(tǒng)時鐘源6。2.1.2.5 wdt watchdog timer 是一個特殊的定時器，計時計滿預

35、定時間則發(fā)出溢出脈沖，產(chǎn)生wdtr 復位信號；在溢出脈沖發(fā)生前將watchdog timer 清零，則不會發(fā)出wdtr 復位。特點如下：采用硬件狗設計 ； sleep模式下wdt開啟/關閉可選 ； 可以通過外部引腳 jtag_wdten進行控制 。 2.2 altium designer 原理圖設計基礎 2.2.1電路設計的一般步驟一般情況下，一個產(chǎn)品的的電路設計目的就是獲得印制電路板。這個過程的電路設計有5個主要步驟如下：1.原理圖的設計，主要依靠altium designer 的原理圖設計系統(tǒng)來實現(xiàn)。2.生成網(wǎng)絡表，通過網(wǎng)絡表連接原理圖設計和印制電路板設計，網(wǎng)絡表可以從原理圖和印制電路板中

36、的任何一個中獲得。3.印制電路板的設計，印制電路板的設計是基于altium designer 另外一個部分pcb來實現(xiàn)的，在這個過程中完成電路板的板面設計，并完成想對復雜的布線工作。4.生成印制電路板報表和板圖印制電路板完成后，其有關報表和打印印制電路板圖也是重要的步驟。5.生成鉆孔文件和光繪文件，在pcb制造之前，生成鉆孔文件和光繪文件也是必不可少的10。 2.2.2 原理圖設計的一般步驟原理圖的設計是電路設計的基礎，原理圖設計的質(zhì)量關系到后續(xù)設計的進展。一般來說原理圖的設計包括：1.設置原理圖圖紙尺寸和版面在繪制原理圖之前，應該根據(jù)實際電路的大小來設置圖紙的尺寸。2.在圖紙上放置原理圖的元

37、件，根據(jù)電路的具體情況，從元件庫中選取電路中需要的元件逐一放在工作平面上。再根據(jù)實際情況調(diào)整元件在工作平面上的位置，并定義、設置元件的封裝。3.對元件進行布局走線,利用altium designer 的工具和指令進行走線，用具有電氣意義的導線和符號將各個元件按電路需要連接起來，構成一個正確的原理圖。4.對元件進一步調(diào)整,為了保證原理圖的正確和美觀，需要對所繪制的原理圖做進一步的調(diào)整，包括導線位置的調(diào)整，圖形大小、屬性、以及排列的調(diào)整。5.保存文檔并生成智能pdf文件，這個過程是管理設計的圖形文件輸出10。 第3章 硬件電路的設計在整體方案的指導下，本次設計主要做硬件電路的設計運用模塊化的設計方

38、法去進行硬件電路的設計。本次設計硬件電路主要包括以下幾個部分:單片機最小系統(tǒng)、電源模塊、交流電量采集模塊、rs232串行通信、lcd顯示電路、按鍵電路、報警電路等。下面對各個模塊的硬件電路設計進行一一介紹。3.1 att7037最小系統(tǒng)att7037最小系統(tǒng)由att7037芯片、模擬電源電路、jtag接口電路、時鐘電路、復位電路組成。將這些電路連接在一起就構成了att7037最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)原理圖如下： 圖3-1 att7037最小系統(tǒng)原理圖 3.1.1 att7037芯片att7037是一款單相多功能計量soc（system on chip）芯片，高性能，低功耗。芯片內(nèi)部有三路adc，可同

39、時提供兩路計量功率及兩路校驗參數(shù)，支持單相兩線制、單相三線制。支持防竊電功能，竊電閾值可靈活設置； 提供三路adc的原始采樣數(shù)據(jù)和同步波形采樣數(shù)據(jù)；電流和電壓采樣通道具有4級模擬/數(shù)字增益可調(diào)，支持分流器和互感器直接接入 ；片內(nèi)基準電壓：1.18v±2%（溫度系數(shù)±25ppm/）； 提供有功、無功、視在電能脈沖輸出，并開放快速脈沖計數(shù)寄存器，可保存掉電電能 ；提供多種電能累加方式6。 att7037引腳定義如表1、表2、表3、所示： 表（1）att7037芯片引腳功能介紹 表（2）att7037芯片引腳功能介紹 表（3）att7037芯片引腳功能介紹 3.1.2 模擬電源電

40、路模擬電源電路主要功能是將+3.3v的電源信號轉(zhuǎn)換成單片機內(nèi)部a/d轉(zhuǎn)換器使用的電源信號。電路圖如下: 圖 3-2 模擬電源電路其中的普通電容 c40，c33主要是去耦合，正常來說取0.1uf。極性電容c37，c39主要是穩(wěn)壓的功能，正常取10uf。 3.1.3 jtag接口電路jtag是一種國際標準測試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測試，跟其他高級芯片一樣，att7037同樣也適合用jtag來測試。jtag引腳功能如下：tck可以用來測試時鐘輸入，數(shù)據(jù)從tdi引腳輸入，數(shù)據(jù)從td0輸出，tms提供多種測試模式選擇。每種型號的單片機都有相應的仿真器用來支持在線調(diào)試，如果單純想把編譯好的目標文件下載到芯

41、片內(nèi)部，可以自己制作下載編譯器。下載程序的引腳是p1.5、p1.6、p1.7口，外加一根驅(qū)動線即可。在電路設計時特別要注意的是jtag口與pc并口的連接線要盡可能短，原則上不大于15cm。還有6和8引腳要接地才能把程序燒寫進去11。jtag接口電路圖如下所示： 圖3-3 jtag接口電路在實際應用中正常需要上拉電阻或者下拉電阻。其電阻值也需要根據(jù)接口電路器件的數(shù)目進行調(diào)整，一般情況下取10k。 3.1.4 時鐘電路單片機內(nèi)部有產(chǎn)生振蕩信號的放大電路，可以產(chǎn)生單片機的時鐘。該振蕩電路即時鐘電路由單片機內(nèi)部放大電路，外接晶振等器件構成。xtal1與xtal2是芯片內(nèi)部振蕩電路的輸入端，它們可以被配

42、置為使用石英晶振的片內(nèi)振蕩器，或者是器件直接由外部時鐘驅(qū)動。在xtal1、xtal2的引腳上外接定時元件（一個石英晶體和兩個電容），內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激振蕩。一般來說晶振可以在1.212mhz之間任選，但是頻率越高功耗就越大。本設計由于采用了串口通信，常用波特率通常按規(guī)范取1200,2400,4800,9600.若采用晶振12mhz或6mhz，計算出來的t1定時器初值將不是一個整數(shù)，這樣通信時便會產(chǎn)生誤差，進而產(chǎn)生波特率誤差，影響串行通信的同步性能。而使用11.0592mhz的晶振可以得到非常準確的數(shù)值，誤差為0。因此本設計采用11.0592mhz的晶振。att7037芯片內(nèi)部有一個高增益的

43、反向放大器，兩端接晶振及兩個電容，就構成自激振蕩器。兩個電容通常取15pf或者30pf，這里取c4=c5=30pf。電路如圖3-4所示： 圖3-4 時鐘電路 3.1.5 復位電路復位電路分成兩部分，第一部分是系統(tǒng)上電時，單片機自動復位一次：由電容串聯(lián)電阻構成,由圖并結(jié)合"電容電壓不能突變"的性質(zhì),可以知道,當系統(tǒng)一上電,rst腳將會出現(xiàn)高電平,并且,這個高電平持續(xù)的時間由電路的rc值來決定.典型的51單片機當rst腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復位,所以,適當組合rc的取值就可以保證可靠的復位。第二個功能就是當系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障，當按鍵按下的時候系統(tǒng)再次復位，如果釋放后再

44、按下，系統(tǒng)還會復位，可以通過按鍵的斷開和閉合在運行的系統(tǒng)中控制其復位。att7037芯片有一個復位引腳rst，低電平有效。在時鐘電路工作以后在外部電路的影響下，如果rst端出現(xiàn)24個振蕩周期以上的低電平，系統(tǒng)復位。正常來說只有rst引腳上保持10ms以上的低電平才能保證有效復位。本次采用的是手動復位即使用按鍵使電路復位，按鍵按下后，電容可以為rst引腳提供低電平實現(xiàn)復位。rst引腳低電平持續(xù)時間取決于復位電路的時間常數(shù)rc之積，大約是0.55rc正常上拉電阻比較大取10k，因此外接電容c可以減少到0.1uf到0.2uf,本次取0.1uf8。復位電路如圖3-5所示: 圖3-5 復位電路3.2 電

45、源模塊電源模塊的主要作用是將生活中的220v交流電壓變成3.3v直流電壓供單片機使用。電源模塊電路原理圖如圖3-6所示: 圖3-6 電源電路220v交流電經(jīng)變壓器降壓以后，經(jīng)全橋整流電路整流后變?yōu)橹绷麟妷?，?jīng)電容濾波，輸入到穩(wěn)壓器w1，這時候就可以在輸出端得到穩(wěn)定的5v直流電壓。再經(jīng)過另一個穩(wěn)壓器w2就可以在輸出端得到穩(wěn)定的3.3v直流電壓，正好供單片機使用。兩個穩(wěn)壓器的輸入端和輸出端的普通電容主要是起到去耦合的作用，故全部取值為0.1uf。而極性電容主要起到穩(wěn)壓的作用，數(shù)值較大，全部取10uf。這些電容使得輸入電壓信號和輸出電壓信號的性能達到很大的改善。3.3 交流電量采集模塊交流電量采集模

46、塊中，05a的交流電流輸入經(jīng)電流互感器，電流互感器接精密電阻，變換成電壓信號，經(jīng)過電容濾波，濾除干擾信號，然后進行電壓平移，進行采樣。0250v交流電壓輸入經(jīng)電壓互感器，變換電壓，經(jīng)濾波處理，濾除干擾信號，然后進行電壓平移，行采樣。采樣好的信號存入單片機的ram中供軟件處理12 。交流采集電路如圖3-7所示： 圖3-7 交流電量采集原理圖在交流電量采集電路中，電阻的取值主要取決于電流互感器和電壓互感器的變比，本次設計采用的電壓互感器是hpt205a，原邊電流為2ma，副邊電流為2ma，電壓互感器原邊輸入電壓是220v，故電阻r10=220/0.002=110k。因為副邊電流為2ma，采樣電壓通

47、道的電壓約為3.3v，故r11與r12大約取3k歐姆。采用的電流互感器是hct204b，原邊電流2a，副邊電流2.5ma，采樣電壓同樣是3.3v，由（r7+r8+r9）/r6=3.3/0.0025，大概可得r6=2k，r7=2k，r8=1k，r9=1k，去耦合電容全部取0.1uf13。3.4 rs-232串行通信以51為內(nèi)核的att7037芯片輸入和輸出電平都是ttl電平，跟pc機的rs-232c標準串行接口的電氣規(guī)范差別很大。在ttl電平中，用+5v表示高電平1，用0v表示低電平0：rs-232c標準電平用-3v-15表示高電平1，用+3v+15v表示低電平0.因此要完成單片機和pc機之間的

48、通訊，必須進行電平轉(zhuǎn)換。本次采用max232單芯片實現(xiàn)他們之間的通信。采用max232接口的單片機與pc機的串行通信電路如圖3-8所示： 圖3-8 采用max232接口的串行通信電路在實際應用中，因為期間對電源噪聲很敏感，所以c1+、c1-、c2+、c2-、c18、c19、c20必須要去耦合，所以取值為1.0uf的電解電容，提高抗干擾能，在實際應用中可以選用0.1uf的非極性瓷片電容代替1.0uf電解電容?？捎胻1i接單片機的串行發(fā)送端txd：r1o接單片機的串行接收端rxd：t1o接pc機的rs-232串口接收端rxd：r1i接pc機的rs-232串口發(fā)送端txd。max232芯片中的兩路接

49、受、發(fā)送可以任選一路作為接口。3.5顯示電路顯示電路采用的是液晶顯示，液晶體積小，功耗低，顯示操作簡單，被廣泛應用。本次設計顯示電路采用的是1602lcd，它是5v電壓驅(qū)動，帶背光，可顯示兩行，每行16個字符，內(nèi)置含128個字符的ascii字符集字庫，為并行接口。1602采用標準的16腳接口，其中：第1腳：vss為電源地第2腳：vcc接5v電源正極第3腳：v0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高第4腳：rs為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器，與att7037的p26引腳相連。第5腳：rw為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平

50、(0)時進行寫操作，與att7037的p27引腳相連。第6腳：e(或en)端為使能(enable)端，與att7037的p24引腳相連。第714腳：d0d7為8位雙向數(shù)據(jù)端,分別連接att7037的pb0pb7.第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負極。1602lcd操作簡單，具體方法如下：1.通過rs確定是寫數(shù)據(jù)還是寫命令。2.讀/寫控制端設置為寫模式，即低電平。3.將數(shù)據(jù)或命令送達數(shù)據(jù)線上。4.給e一個高脈沖將數(shù)據(jù)送入液晶控制器，完成寫操作。1602液晶顯示狀態(tài)如圖3-9所示：圖3-9 液晶示意圖其中可調(diào)電阻用來調(diào)節(jié)液晶的亮度，1602lcd的電流不能太大，否則會發(fā)熱。

51、所以可調(diào)電阻應取大一些，一般取10k歐姆。1602液晶顯示電路圖如圖3-10所示: 圖3-10 液晶顯示電路3.6 按鍵電路按鍵按照結(jié)構原理可分為觸點式開關按鍵盒無觸點式開關按鍵，前者造價低被廣泛應用在單片機領域。在單片機應用系統(tǒng)中，除了復位按鍵有專門的復位電路，其他按鍵都是以開關狀態(tài)來設置控制功能和數(shù)據(jù)的輸入。按鍵按下時，計算機系統(tǒng)會完成按鍵所設定的功能。 本次設計用到四個按鍵，一個增鍵，一個減鍵，一個設定鍵，一個翻頁鍵，通過按鍵的切換顯示電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)以及當前日期和時間等參數(shù)。由于單片機的i/o口為漏極開路端，內(nèi)部無上拉電阻。所以在當做普通i/o口時，必須接

52、上拉電阻使其能正常地輸出和讀取數(shù)據(jù)。因為i/o灌入電流不能太大，一般不超過幾十個毫安，故電阻應該取大一些，約為幾k歐姆到十幾k歐姆左右，本次設計取電阻值為10k歐姆。整個按鍵電路原理圖如圖3-12 圖3-12 按鍵電路3.7報警電路繼電器報警電路的工作原理是：當繼電器的吸合線圈流過一定大小的電流，線圈產(chǎn)生的磁場力帶動銜鐵移動，繼電器動作，從而接通led燈，達到報警的目的14。其中p4端子是220v電源端子，三極管附近的電阻和二極管主要起到保護電路的作用。阻值應該取大一些，約為1k歐姆15。 繼電器報警電路如圖3-13所示。 圖3-13 繼電器報警電路軟件的設計大部分是由同組的同學來完成,我只負

53、責串行通信的設計。下面介紹軟件的流程圖及其功能。4.1程序流程圖 系統(tǒng)軟件的大致流程為：首先對系統(tǒng)內(nèi)部時鐘和外部所用到的各個單元進行初始化，然后進行中斷掃描，中斷每隔200ms掃描一次，通過掃描lcddisplay的數(shù)值，完成lcd的顯示。當檢測到lcddisplay的值為1時，lcd上顯示的是時間和日期，當檢測到lcddisplay的值為2時，lcd上顯示的是電壓、電流及頻率的測量數(shù)值，當檢測到lcddisplay的值為3時，lcd上顯示的是有功功率、無功功率、視在功率和功率因數(shù)的測量數(shù)值。 圖4-1 程序流程圖4.2 lcd及按鍵的軟件結(jié)構 4.2.1 lcd的軟件結(jié)構1602液晶模塊內(nèi)部

54、的控制器共有11條控制指令，如表10-14所示：1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。指令1：清顯示，指令碼01h,光標復位到地址00h位置。指令2：光標復位，光標返回到地址00h。 指令3：光標和顯示模式設置 i/d：光標移動方向，高電平右移，低電平左移 s:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。指令4：顯示開關控制。d：控制整體顯示的開與關，高電平表示開顯示，低電平表示關顯示 c：控制光標的開與關，高電平表示有光標，低電平表示無光標 b：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電 平不閃爍。 指令5：光標或顯示移位 s/c：高電平時移動顯示的

55、文字，低電平時移動光標。指令6：功能設置命令 dl：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 n：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 f: 低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符。指令7：字符發(fā)生器ram地址設置。指令8：ddram地址設置。 指令9：讀忙信號和光標地址 bf：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。指令10：寫數(shù)據(jù)。指令11：讀數(shù)據(jù)。下圖為lcd1602的讀時序和寫時序： lcd的初始化主要包括對lcd設置顯示模式，以及對lcd液晶進行清屏設置。lcd的初始化程序如下：void lcd_init()lcd_en=0;

56、delay(15); /延時15ms，首次寫指令時應給lcd一段較長的反應時間write_com(0x38); /顯示模式設置：16×2顯示，5×7點陣，8位數(shù)據(jù)接口delay(5);write_com(0x38);delay(5);write_com(0x38); /連續(xù)三次，確保初始化成功delay(5);write_com(0x0c); /顯示模式設置：顯示開，無光標，光標不閃爍delay(5);write_com(0x06); /顯示模式設置：光標右移，字符不移delay(5);write_com(0x01); /清屏幕指令，將以前的顯示內(nèi)容清除delay(5); 4.2.2 按鍵的軟件結(jié)構設置按鍵的i/o口為輸入口，并通過采用查詢的方式實現(xiàn)按鍵的功能。當按鍵沒有被按下時，i/o的電平為高電平；當按鍵被按下后，單片機檢測到按鍵的電平為低電平，則將相應的標志位置一，并實現(xiàn)相應的按鍵功能。具體的流程圖如下所示:4.3串行通信計算機與外界的信息交換稱為通信。單位信息的各位數(shù)據(jù)分時的一位一位依次順序傳送的通信方式稱為串行通信。其示意圖如圖4-2所示： 圖4-2 串行通信示意圖 att7037內(nèi)部有一個全雙工串行接口。什么叫全雙工串口呢？一