基于單片機(jī)的三相多功能電能表設(shè)計(jì)

1、中國(guó)分類號(hào)： 密級(jí)： UDC： 編號(hào)：畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)設(shè)計(jì)題目名稱：三相多功能電能表設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：嚴(yán)亮 電氣自動(dòng)化電氣11-1專業(yè)名稱：_三年班 級(jí)：_學(xué) 制：_專科 學(xué) 號(hào)：_吳興 學(xué)歷層次：_ 指導(dǎo)教師：_ 評(píng)閱人：_論文（設(shè)計(jì)）提交日期： 2014 年 5 月 31 日論文（設(shè)計(jì)）答辯日期： 2014 年 6 月 5 日江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院摘 要如今，社會(huì)在高速的發(fā)展，居民和工廠用電也越來(lái)越多，因此電能就慢慢的成為人們現(xiàn)實(shí)生活中不可缺少的部分，所以我就想設(shè)計(jì)一個(gè)多功能的電能表來(lái)適應(yīng)人們的需求。本文所設(shè)計(jì)的電能表除了能提高測(cè)量精度，能正常平穩(wěn)的運(yùn)行，并且還能實(shí)現(xiàn)分時(shí)測(cè)量，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還可以高效

2、的利用電能，給用戶營(yíng)造一個(gè)公平的用電環(huán)境。首先闡述了多功能電能表的發(fā)展近況及它的基本原理，并給出了課題的總體方案，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行軟件電路的設(shè)計(jì)，采用了模塊化設(shè)計(jì)的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)按鍵顯示、紅外通訊、異常檢測(cè)及記錄等功能；在硬件設(shè)計(jì)方面，包括通信接口單元、顯示單元、計(jì)量單元等,本三相多功能電能表?yè)磉\(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，將適應(yīng)電力市場(chǎng)的須求，這是必然趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：電能計(jì)量，時(shí)鐘芯片，多功能電能表第1章 緒論1.1基于課題的研究背景現(xiàn)代生活越來(lái)越離不開(kāi)電，所以電能成為人們生活中不可缺少的部分。電能表是經(jīng)濟(jì)結(jié)算和計(jì)量電能的主打工具，它的準(zhǔn)確度與國(guó)家和用戶的經(jīng)濟(jì)利益息息相關(guān)。近幾年，高可

3、靠性的元器件和大規(guī)模集成電路等被普遍的在應(yīng)用在電能表上，越來(lái)越多的人力物力被投入進(jìn)去，使得電子式電能表的功能越來(lái)越強(qiáng)大、壽命愈來(lái)愈高，市場(chǎng)占有率也越來(lái)越高，其中三相電子式電能表將獲得更多的市場(chǎng)份額，并逐漸能使供用電管理的微機(jī)化和自動(dòng)化變?yōu)闉楝F(xiàn)實(shí)。本次課題就是基于由于這種背景設(shè)計(jì)的。1.2 電能表的進(jìn)程和現(xiàn)狀1.2.1 感應(yīng)式電能表目前廣泛使用的是根據(jù)感應(yīng)電流的金屬盤(pán)的原理在交變磁場(chǎng)及磁場(chǎng)成形力和能量計(jì)的設(shè)計(jì)。感應(yīng)式電能表具備以下特點(diǎn)：制造簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，可靠性好和整修方便，所以現(xiàn)在大部分發(fā)展中國(guó)家仍然使用感應(yīng)式電能表來(lái)進(jìn)行計(jì)量工頻電能。1.2.2 關(guān)于機(jī)電一體式電能表的簡(jiǎn)介由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電

4、子技術(shù)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的人開(kāi)始運(yùn)用，所以基于感應(yīng)電能表的機(jī)電一體化電能表就在此背景下應(yīng)運(yùn)而生。電能表的工作原理是感應(yīng)電能表測(cè)量機(jī)構(gòu)作為一個(gè)工作組，微處理器處理，測(cè)量電能脈沖，以實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量。這類電能表具有獨(dú)特的特性-感應(yīng)式測(cè)量機(jī)構(gòu)配以脈沖發(fā)生裝置，所以也被人們稱為機(jī)電脈沖式電能表。這種電能表積極推動(dòng)了精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)價(jià)格、單位電價(jià)制度的實(shí)施也并被廣泛應(yīng)用。1.2.3 電子式電能表機(jī)電脈沖式電表是通過(guò)其感應(yīng)式測(cè)量機(jī)構(gòu)來(lái)測(cè)量電壓電流，因此它有它的缺點(diǎn)。乘法器實(shí)現(xiàn)功率和電能的測(cè)量主要用于電能計(jì)量，電能采樣和AD轉(zhuǎn)換是在一塊集成芯片上完成的。功率是U與I的乘積，電能是功率對(duì)時(shí)間的比率。1.2.4 多功能

5、電能表的發(fā)展因?yàn)殡娮与娔鼙肀葯C(jī)械表有很多優(yōu)勢(shì)，所以電子電能表在市場(chǎng)上的份額越來(lái)越高，而機(jī)械表在在通信方面有不可彌補(bǔ)的不足，所以在市場(chǎng)占有份額越來(lái)越少，在自動(dòng)化抄表上也很難有發(fā)展。但是機(jī)電一體式電能表雖然在任何時(shí)間能進(jìn)行電能信息的遠(yuǎn)程通信的功能，但是也有很多缺點(diǎn)，如頻率，有功和無(wú)功功率等，除了實(shí)現(xiàn)多速率的測(cè)量也很困難，比較難弄。雖然在電子式電能表上可以實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)的功能，但由于安全和國(guó)家的其他方面不主張使用電力，寬范圍的能量計(jì)。由于需求所在和社會(huì)發(fā)展，電能計(jì)量技術(shù)的發(fā)展將向著智能化、多功能及網(wǎng)絡(luò)化等方向進(jìn)行發(fā)展。如今，在信息化程度較高的社會(huì)，電能計(jì)量和管理技術(shù)將扮演一個(gè)重要的角色，越來(lái)越多的家庭將

6、會(huì)領(lǐng)略它的風(fēng)采。1.3主要內(nèi)容本文研究關(guān)于三相電能專用計(jì)量芯片-ATT7022B的多功能電能表的課題。本設(shè)計(jì)是以MCU為控制單元，外圍電路則由相適應(yīng)的芯片以及專用器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，但是整個(gè)芯片的體系結(jié)構(gòu)必須滿足電能表的設(shè)計(jì)所需要的要求，嵌入式資源配置也必須達(dá)到這個(gè)要求才行。獨(dú)特的計(jì)量芯片構(gòu)成了計(jì)量模塊，可以實(shí)現(xiàn)正、負(fù)高電壓，復(fù)制壓力，電壓測(cè)量參數(shù)。通信單元采用RS485通信方式，通信速率高、抗干擾能力。多速率設(shè)計(jì)，采用特殊的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，確保準(zhǔn)確性和可靠性的時(shí)間。此外，紅外，顯示和鍵盤(pán)單元作了詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程。第2章 電能測(cè)量原理2.1三相電路接線方式 三相電源包含星形連接和三角形連接

7、這兩種主要的連接方式。星形連接表示圖如圖2.1。三相對(duì)稱星形連接時(shí)，有以下關(guān)系： ， (2-1)三相電源可連接的三角形，如果不對(duì)稱程度較大，則會(huì)燒壞繞組。三角形連接示意如圖2.2。對(duì)稱三相星形連接，有下列關(guān)系： ， (2-2) 三相負(fù)載的接線方法一般可以分為三相三線和三相四線，以下只探討Y形連接的情況。當(dāng)發(fā)電機(jī)采用繞組的星形連接方式，負(fù)載接成三角形，如圖2.2所示，這是一個(gè)三相三線系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)繞組是按星形銜接的模式連接時(shí)，負(fù)載也是星形連接，如圖2.2顯示，這就是三相四線制。三相四線模式，電流流過(guò)負(fù)載每相等于各相功率流的總和。如果電路是對(duì)稱三相電路，則中線電流就是0。把中線去掉，就變成了三相三

8、線制。 圖2.2三相負(fù)載接法示圖以上就是三相電源和負(fù)載的接線方法，接線要嚴(yán)格按照此接線方法，否則就不能正常進(jìn)行電能測(cè)量工作。2.2 電能測(cè)量原理在物理上，電能就是電源流向負(fù)載的能量流。通過(guò)在一定時(shí)間內(nèi)用戶消耗的電能的速度可以被稱為瞬時(shí)功率，在數(shù)學(xué)上也可以被看作是瞬時(shí)電壓和電流瞬時(shí)值的乘積，所有這些“即時(shí)”的電能消耗全部加在一起就是電能消耗的總數(shù)。因此，該產(chǎn)品的有功功率的電壓和電流的瞬時(shí)值的積分時(shí)間的表達(dá)式如下：設(shè)在t時(shí)刻I的表達(dá)式為： (2.1) (2.2)根據(jù)表2得平均有功功率P為 (2.3)一個(gè)T內(nèi)的電能W為 (2.4)總能量就是三個(gè)分相能量相加的和值： (2-5)在現(xiàn)實(shí)電網(wǎng)中，電壓電流信

9、號(hào)是由50Hz頻率分量的正弦信號(hào)荷很多諧波信號(hào)組成的。事實(shí)上，我們可以清楚地察覺(jué)到直流分量和高頻分量的信號(hào)被包含在瞬時(shí)功率信號(hào)之內(nèi)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，但凡頻率不為0的頻率分量和時(shí)間積分沒(méi)有任何的聯(lián)系，它們互不干擾。為了獲得直流分量，需要對(duì)瞬時(shí)功率信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。2.3 計(jì)量三相有功電能的方法三相電路包含三相三線制和三相四線制這2種接法。測(cè)量三相三線電路有兩種方法供選擇。其中，一表法只能被應(yīng)用于三相對(duì)稱電路，一般不用于實(shí)踐，而工程中采用較多的是二表法。三相三線電路的瞬時(shí)功率表達(dá)式為： (2.6) 其中：；、是線電壓的瞬時(shí)值。由 (2.6)可得兩個(gè)單相電能表測(cè)量三相三線電路數(shù)據(jù)的電能總和，其原理如圖

10、2.3。 由上圖可知，P的平均功率就相當(dāng)于有功功率之和，即 (2.7) 上述是關(guān)于三相電能的測(cè)量方法，分別對(duì)三相三線和四線進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，在電子式電能表被廣泛應(yīng)用的今天，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)方案采用了專用的三相電力專用集成電路芯片，在不動(dòng)原先電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，可應(yīng)用于三相三線、三相四線模式，并且必須嚴(yán)格以上測(cè)量方法進(jìn)行檢測(cè)。2.4 電能表的測(cè)量原理電能表是用電壓和電流的方法，然后在進(jìn)行時(shí)間的整合。電子式電能表是功率轉(zhuǎn)換為脈沖頻率輸出的積分，頻率和負(fù)載的功率是成正比的。乘法器是電能測(cè)量單元的主要部分，它主要是作用于輸出電壓和電流測(cè)量這2個(gè)部分，從而實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算。乘法器可分為模擬與數(shù)字乘法器兩大類。目

11、前，電子式電流表大多數(shù)是使用數(shù)字乘法器。2.5 測(cè)量的主要方法ATT7022的阻隔大信號(hào)接入部份是用電壓和電流互感器進(jìn)行的，能使信號(hào)輸入和數(shù)據(jù)處理電路在電氣上沒(méi)有連接，同時(shí)它還擁有三路電壓和電流輸入。該系統(tǒng)采用DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的格言作為時(shí)間基準(zhǔn)，該芯片具有外圍電路簡(jiǎn)單，低靜態(tài)功耗以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)時(shí)間控制的多速率功能模塊非常適合。第3章 系統(tǒng)概要及硬件設(shè)計(jì)3.1 硬件的設(shè)計(jì)方案因?yàn)槎喙δ苄碗娔鼙砥洫?dú)特的優(yōu)點(diǎn)，所以被大眾廣泛應(yīng)用，由于設(shè)計(jì)的電路比較復(fù)雜，所以選擇模塊化設(shè)計(jì)方案。主要有電源模塊，電能計(jì)量模塊，數(shù)據(jù)計(jì)量計(jì)量以及為整個(gè)系統(tǒng)供電；管理微處理器是單片機(jī)的關(guān)鍵部件，此中包括四個(gè)模

12、塊，分別是通訊模塊，存儲(chǔ)模塊，控制模塊和顯示鍵盤(pán)模塊。設(shè)計(jì)框圖如圖3.1所示。 圖3.1 多功能電能表設(shè)計(jì)框圖3.2 外圍電路的設(shè)計(jì)3.2.1 主控芯片的介紹考慮使用專用計(jì)量芯片，設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，所以你可以選擇8位微控制器。8位單片機(jī)應(yīng)用有很多：如89系列，英特爾80518031系列。雖然他們?cè)谟布Y(jié)構(gòu)上相似，但后者的價(jià)格，功耗，抗干擾能力強(qiáng)等方面具有的優(yōu)勢(shì)比前者大得多，AT89系列單片機(jī)具有功耗低和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，這點(diǎn)是上者所沒(méi)有的。AT89C52是一種低電壓，高性能的CMOS 8位單片機(jī)，能適用于很多繁雜的控制場(chǎng)合。 1、AT89C52主要管腳如下：由上圖可知，AT89C52是四

13、個(gè)部分組成的，它可以在線進(jìn)行較為正規(guī)的編程。其將ROM和專用的微處理器連接在一起，其中Flash存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦寫(xiě)，從而可大限度的降低開(kāi)發(fā)的成本的目的。其引腳圖如圖3.2所示。I / O功能和AT89C52的基本相同，它們唯一不同的是，52系列的P1.0口可作為定時(shí)計(jì)數(shù)器的外部計(jì)數(shù)脈沖的輸入與可編程方波的輸出，P1.1可作為重裝觸發(fā)和方向控制信號(hào)的輸入。3.2.2 時(shí)鐘振蕩電路設(shè)計(jì)AT89C52單片機(jī)具有可控的高增益放大器的反向振蕩器。該放大器的輸出端和輸入端分別是XTAL2和XTAL1。在晶體和兩個(gè)匹配的電容C1和C2形成自激振蕩器與外部鏈接。其接線如圖（3.3）所示： 圖3.3單片機(jī)時(shí)鐘振

14、蕩電路為了能使通信中波特率的結(jié)果整數(shù)，本設(shè)計(jì)選擇了11MHZ的晶振，依據(jù)單片機(jī)的有關(guān)資料應(yīng)選擇容量均為30pF的兩個(gè)電容。3.2.3 電壓監(jiān)控電路為了保證系統(tǒng)正常安全的運(yùn)行，所以需要增加電壓監(jiān)控，看門(mén)狗電路電源和微機(jī)監(jiān)控操作。本設(shè)計(jì)選用帶有看門(mén)狗定時(shí)器的監(jiān)控芯片IMP813L。該芯片產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)在電源芯片電源時(shí)，在降低電壓，并有1.6秒的看門(mén)狗定時(shí)器。此外還具有手動(dòng)復(fù)位（MR）的輸入，可連接到復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位。芯片管腳功能如下表3-1所示：表3-1 IMP813L主要管腳IMP813L的接線如圖3.4所示。 圖3.4 看門(mén)狗電路為了保證單片機(jī)能正常運(yùn)行，在本設(shè)計(jì)中使用了該芯片的看門(mén)狗功

15、能，只須將和連在一起便可?？撮T(mén)狗的復(fù)位時(shí)間是1.6秒，單片機(jī)一定要在1.6s內(nèi)給WDI端一個(gè)上升或下降沿。單片機(jī)復(fù)位的條件：1，單片機(jī)的電力，2，手動(dòng)按鈕復(fù)位，3，看門(mén)狗超時(shí)復(fù)位，4，電源電壓低于復(fù)位門(mén)限?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)供應(yīng)鏈管理的有效監(jiān)控，防止異常運(yùn)行。3.3 電壓電流的采集與處理任務(wù)權(quán)力測(cè)量單元是不同的負(fù)載條件下，各種電能質(zhì)量保證，可以以高精度測(cè)量有功電能。本方案采用的是專用的電能計(jì)量芯片ATT7022B，它是一種用于功率測(cè)量或電能的專用高精度的計(jì)量集成電路，應(yīng)用比較廣。3.3.1 對(duì)于ATT7022B芯片的介紹1、ATT7022B芯片特性：2、內(nèi)部原理框圖ATT7022B是一個(gè)高精度得專用計(jì)

16、量芯片，能夠適用純數(shù)字域的增益和相位校正。內(nèi)部原理圖如下：圖3.5 ATT7O22B的內(nèi)部原理圖3.3.2 采樣電路電網(wǎng)中的大電壓和大電流必須經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，把它變成小電壓、小電流才行。電壓電流采樣一般采用在變換電路中采用精密電阻，從而得到小電壓小電流這種方法。變壓器二次側(cè)的兩個(gè)電子在0.5水平儀負(fù)荷小，它可以做的很小，其核心是由高的坡莫合金或優(yōu)質(zhì)鋼滲透系數(shù)，相位角減小鐵損和有限的滲透率差異產(chǎn)生的。電路設(shè)計(jì)如圖3.7所示： 圖 (a) 電壓采樣輸入圖 (b) 電流采樣輸入圖3.7 電能表電壓電流采樣電路(1)電壓輸入tv31b電流電壓互感器，原邊串聯(lián)電阻與電源線平行，電感電流比為2 / 2，二次回路

17、是不允許打開(kāi)使用。在三相四線制，A，B，C三相電壓相對(duì)于N 220V，由串聯(lián)連接的功率電阻的電壓轉(zhuǎn)換為電流，接著電流再通過(guò)變壓器，從而實(shí)現(xiàn)電壓的輸入。電壓互感器電流電壓通道采用2 / 2的比例，因此串聯(lián)功率電阻的選擇（額定220V）： （3.3） 通常0.5V參數(shù)ADC的輸入電壓的電壓通道的考慮，變壓器二次采樣電阻： (3.4)由上圖公式可知采樣電阻阻值為50，所以必須選擇電阻阻值為50的電阻。（2）電流輸入在電流輸入方面則選擇了TA20型交流電互感器，它采用的是環(huán)氧樹(shù)脂灌封結(jié)構(gòu)，內(nèi)置式的輸入線圈，有安裝快速、使用方便，精度高，電壓隔離能力強(qiáng)和安全性高的特點(diǎn)。變壓器的電流比為5A / 5mA，

18、二次回路是不允許打開(kāi)，用初級(jí)線圈時(shí)，應(yīng)與被測(cè)電流回路串聯(lián)?？紤]到ADC的輸入電壓和電流通道的參數(shù)，變壓器二次采樣電阻： (3.5) 采樣電阻阻值選擇為20。在此設(shè)計(jì)中，抗混疊濾波器是必要的，它由1.2K的電阻和0.01F的電容構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)要有對(duì)稱性。濾波器的性能越好，抗干擾作用就越強(qiáng)，濾波電路工作起來(lái)就越順利，并保證電能表可以長(zhǎng)時(shí)間的工作。 3.3.3 ATT7022B與單片機(jī)的接口 ATT7O22B與單片機(jī)有六根連線，其中有四條為SPI接口線，SPI可被用于 ATT7022B的數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)的寫(xiě)入，軟件編程的I/O口可以模擬SPI總線時(shí)序的方法，所以只要把四條SPI ATT7022B

19、總線銜接到任意四個(gè)雙向I / O端口的中央處理器即可。接線如圖3.8所示：圖3.8 ATT7022與MCU之間的接線圖3.4 存儲(chǔ)器單元簡(jiǎn)介如果作為一個(gè)測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)，存儲(chǔ)、處理大量的數(shù)據(jù)，而且里面很多數(shù)據(jù)都有特殊的要求，但也不能因停電等事件而丟失，更不能因系統(tǒng)中的干擾而改寫(xiě)其中的程序。因此儀表必須滿足以上要求才行。所以本設(shè)計(jì)中選用了FM24C16來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能。串行通信的性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)的要求，還可以解決儀表中的設(shè)計(jì)的擔(dān)憂，非常適合儀表設(shè)計(jì)所要求的存貯器類型。更值得一提的是，它的存儲(chǔ)時(shí)間很短，但是就能在這段時(shí)間內(nèi)保存大量的數(shù)據(jù)，可以解決儀器的數(shù)據(jù)時(shí)，在突然斷電時(shí)的問(wèn)題。包裝體積，功能的角度

20、和AT24C16，使設(shè)計(jì)者所接受和使用。此存儲(chǔ)器硬件接線如圖3.9所示： 圖 3.9 存儲(chǔ)器接線圖3.5 人機(jī)接口模塊化設(shè)計(jì)一個(gè)友好的人機(jī)交互界面的設(shè)備和維護(hù)的使用是非常重要的，在此設(shè)計(jì)中的相關(guān)單元主要包括：顯示器，鍵盤(pán)和LED。3.5.1 鍵盤(pán)輸入三相多功能電能表主要是由復(fù)位按鈕、上移按鈕和下移按鈕這幾個(gè)按鈕所組成的。其中，上移按鈕和下移按鈕都連接在單片機(jī)的I/O口，負(fù)責(zé)測(cè)試這方面的的軟件就是通過(guò)來(lái)查詢I/O口的狀態(tài)來(lái)判斷按鈕是否被按下。下圖是多功能電能表的關(guān)鍵接口電路圖，1K電阻與100歐姆的串聯(lián)，并有3個(gè)當(dāng)I / O端口，當(dāng)用戶沒(méi)有按鍵時(shí)，每個(gè)I / O端口自動(dòng)連接到電源的VCC，當(dāng)用戶

21、按下三個(gè)鍵時(shí)，鍵和（接地）連接，使單片機(jī)的I/O端口和連接，該引腳為低。所以，一個(gè)I / O端口查詢軟件只能在水平狀態(tài)，由此可以判斷用戶有沒(méi)有按下鍵。圖3.16電能表按鍵電路圖3.5.2 顯示屏顯示 在這個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中，LED顯示屏通常使用靜態(tài)顯示或動(dòng)態(tài)掃描顯示。為減少對(duì)單片機(jī)I/O口的使用，本設(shè)計(jì)采用以串并轉(zhuǎn)換移位寄存器74HC164構(gòu)成的靜態(tài)顯示電路。顯示部分接線如圖3.17所示：圖3.17 顯示電路原理圖 兩個(gè)I / O端口P2.6 P2.7，AT89C52單片機(jī)，外部7個(gè)74HC164作為7位LED顯示靜態(tài)顯示接口，兩位顯示月份，五位顯示其他數(shù)據(jù)。把AT89C52 P2.6作為數(shù)據(jù)輸出線

22、，P2.7作移位時(shí)鐘脈沖。復(fù)位端接+5V，只有這樣，時(shí)鐘脈沖才有效。3.6 關(guān)于此方案的電源設(shè)計(jì)3.6.1 電源設(shè)計(jì)原理由于電能表是一個(gè)不間斷的測(cè)量產(chǎn)品，所以測(cè)量的精度，抗干擾和可靠性的要求非常嚴(yán)格，因而電子式電能表設(shè)計(jì)中的核心部分理所當(dāng)然就是電源部分。電子式電能表交流供電常常有變壓器降壓、電阻容降壓、開(kāi)關(guān)電源這三種方式。原理圖如圖3.18所示。圖3.18電源單元原理圖3.6.2 器件選擇1.變壓器選擇 當(dāng)lm7805穩(wěn)壓器的電壓在7-25V這個(gè)范圍內(nèi)，才能符合穩(wěn)壓電源正常提供電流和電壓這個(gè)條件，所以在整流后，應(yīng)選擇4V左右的電壓?？梢栽O(shè)輸入變壓器的電壓為U，根據(jù)公式： (3.1) 由公式可知

23、應(yīng)選擇220V/5V的電源變壓器。2、二極管的選擇二極管能承受的最大反向電壓Umax為：=7.07 () （3.2）因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍在10%左右，所以在選擇二極管時(shí)要注意-最大流通電流和最高反向電壓應(yīng)保證有10%的余量。3.三端穩(wěn)壓器雖然電壓進(jìn)行過(guò)整流濾波，但是還不能直接給電路內(nèi)的元件供電，需要經(jīng)過(guò)三端穩(wěn)壓器得到穩(wěn)定的輸出電壓。本設(shè)計(jì)中選用LM78M05型三端穩(wěn)壓器。其應(yīng)用電路如圖3.19所示：圖3.19 LM78M05應(yīng)用電路圖中輸入端的電容C1是用于感應(yīng)作用來(lái)抵消輸入線，防止自激振蕩電路，體積小，0.1F的電容器的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中選用的是0.1F的電容。輸出端的電容C2可用來(lái)降低輸出電

24、壓中的噪聲的干擾，本設(shè)計(jì)中選取0.1F的電容。第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)硬件系統(tǒng)測(cè)試合格后，開(kāi)始進(jìn)行軟件的調(diào)試。軟件調(diào)試一般是聯(lián)機(jī)調(diào)試，常采用的兩種方法是PC加上在線仿真器加上編程器或PC加上模擬仿真軟件加上編程器。第一種方法一般適用于開(kāi)發(fā)大系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用第二種方法，這種方法投資少，而且方便快捷。4.1 流程圖電能表軟件選用C51程序編寫(xiě), 主要系統(tǒng)有初始化，電能計(jì)量，紅外通信，鍵盤(pán)，顯示不同的基本函數(shù)處理，多速率，要求測(cè)量和校準(zhǔn)處理檢測(cè)等基本功能. 而這些功能中需要處理的事物，包括按鍵與顯示、通訊處理，時(shí)間切換，需求處理設(shè)置執(zhí)行一次每分鐘。485與紅外信共用單片機(jī)串口,采用中斷方式,提高通

25、信的實(shí)時(shí)性.流程圖如圖4.1所示。圖4.1 主程序流程圖 4.2 程序模塊化設(shè)計(jì)基于不同功能的模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，這樣易于編程和調(diào)試，并增加其通用性和可移植性。本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)功能模塊是由低功耗處理模塊、時(shí)段投切模塊、顯示模塊、上電初始化模塊、按鍵模塊、電量處理模塊等幾部分組成的。接下來(lái)我們就從這幾個(gè)模塊進(jìn)行分析。4.2.1 上電初始化模塊初始化模塊的主要功能是完成初始化堆棧寄存器，其流程圖如4.2所示。圖4.2 系統(tǒng)初始化流程圖4.2.2 通訊模塊1物理層本層規(guī)定了數(shù)據(jù)終端設(shè)備與電能表裝置之間的電氣特性和物理接口必須達(dá)到要求，這樣才能正常的接受與發(fā)送信息。2數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路主要是創(chuàng)立設(shè)備

26、和電表之間的通訊鏈路。3.應(yīng)用層應(yīng)用層進(jìn)行寫(xiě)數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)，寫(xiě)數(shù)據(jù)，讀下面的設(shè)備地址，正確的通信速度和最大需求”，主請(qǐng)求幀格式從站的幀格式，在各種條件下的反應(yīng)。第5章 抗干擾設(shè)計(jì) 由于電子式電能表在電網(wǎng)上獨(dú)特的運(yùn)行方式，它必須保證其可靠性，否則將引起不可估量的損失。而且電子式電能表特別容易收到干擾，抗干擾能力不強(qiáng)，主要是因?yàn)樗旧淼碾娮友b置存在設(shè)計(jì)問(wèn)題，在電壓波動(dòng)可能性很大的情況下，丟失數(shù)據(jù)甚至毀壞電表內(nèi)元器件的可能性非常大。所以系統(tǒng)工作的可靠性主要取決于電能表的抗干擾設(shè)計(jì)。所以做好抗干擾設(shè)計(jì)是重中之重。5.1 干擾的因素及影響 能對(duì)設(shè)備進(jìn)行干擾包括各種器件，設(shè)備和信號(hào)源等。其中主要以電磁干擾為

27、主。干擾可分為內(nèi)部干擾和外部干擾。內(nèi)部干擾主要根據(jù)電能表的硬件設(shè)計(jì)布局而決定的，比如多點(diǎn)接地的電位差引起的干擾，耦合電容和尖峰脈沖形成的干擾；外部干擾是指由外部環(huán)境條件決定的。其中CPU，存儲(chǔ)器及其他外圍電路等都是電能表容易收到干擾的對(duì)象。 電能表一旦受到干擾就會(huì)降低電能表的精度，從而導(dǎo)致增大數(shù)據(jù)采集的難度，干擾還能夠使CPU復(fù)位，導(dǎo)致計(jì)量脈沖的丟失，干擾有時(shí)甚至?xí)餋PU中只讀存儲(chǔ)器區(qū)的內(nèi)容發(fā)生變化，有時(shí)也會(huì)使存儲(chǔ)器讀寫(xiě)錯(cuò)誤。干擾會(huì)導(dǎo)致在輸入和輸出接口的變化，不同回路間相互還會(huì)進(jìn)行干擾，尤其是工頻干擾。5.2 硬件抗干擾技術(shù)因?yàn)橛布垢蓴_技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)，所以是系統(tǒng)設(shè)計(jì)首選的抗干擾措施，它

28、能夠有效的保護(hù)系統(tǒng)不受干擾，其給系統(tǒng)帶來(lái)的影響，主要有：1）在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，必須區(qū)分模擬部分和數(shù)字部分的區(qū)別。 2）電源和地線盡量用粗導(dǎo)線來(lái)接。3）要使系統(tǒng)避免遭受高電壓的破壞則需要所有引出脈沖端子都要使用光耦進(jìn)行隔離。4）硬件看門(mén)狗電路，可以提供周期性的檢測(cè)，一個(gè)周期定為1.6s，在此期間內(nèi)要注意喂狗信號(hào)。5）變壓器輸入端并接壓敏電阻，來(lái)提高抗壓作用。5.3 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù)主要應(yīng)對(duì)外來(lái)的干擾。主要有軟件陷阱、設(shè)置程序運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)標(biāo)志、輸出端口改良等方法。如果軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較可靠，就能使干擾對(duì)系統(tǒng)的影響降到最低，確保中央處理器能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并使系統(tǒng)恢復(fù)到原先的正作狀態(tài)。1）軟件陷阱存儲(chǔ)器中不會(huì)所有空間都被占滿，總會(huì)留一些區(qū)域，如果干擾導(dǎo)致了單片機(jī)的PC值出錯(cuò)，該程序就會(huì)自動(dòng)跳到這些空白區(qū)域，可想而知，錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)崩潰。軟件被放置在存儲(chǔ)器的未使用的區(qū)域中，軟件就根據(jù)跳轉(zhuǎn)指令指向程序處理子程序的入口地址，如果跳到這些空白區(qū)域，就自動(dòng)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序出錯(cuò)“跑飛”處理程序。 2）軟件看門(mén)狗這里所說(shuō)的軟件看門(mén)狗是在關(guān)鍵周期性執(zhí)行程序模塊中，設(shè)計(jì)出多個(gè)軟件看門(mén)狗，在定時(shí)程序中查找這些標(biāo)志，看它是否在正常運(yùn)行，如果好幾次這個(gè)模版沒(méi)有運(yùn)行，就可知程序發(fā)生了錯(cuò)誤，不過(guò)可以使用硬件看門(mén)狗進(jìn)行復(fù)位操作，確保程序的正確性。3）延時(shí)去抖因?yàn)樵谶@個(gè)系統(tǒng)中使用了按鍵