電量測量儀表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本科

1、 . . . 電量測量儀表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展,電網(wǎng)容量不斷增大,結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜,電力系統(tǒng)中實(shí)時(shí)監(jiān)控,調(diào)度的自動(dòng)化顯得尤為重要,而電力參數(shù)的數(shù)據(jù)采集又是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié),如何快速準(zhǔn)確地采集系統(tǒng)中各元件的電參數(shù)(電壓,電流, 功率,功率因數(shù)等)是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)自動(dòng)化的一個(gè)重要因素。本文介紹了一種三相多功能電量測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案以AT89C51單片機(jī)為處理器，利用多功能芯片ADE7878對(duì)交流信號(hào)采樣和計(jì)算，可實(shí)時(shí)測量并顯示三相電壓、三相電流、功率與功率因數(shù)，具體描述了ADE7878芯片的性能和部工作原理，著重介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：單片機(jī) 電量測量 ADE7878D

2、ESIGN AND IMPLEMENTATION OF ELECTRICITY MEASURING INSTRUMENTS AbstractWith the rapiddevelopment of power system,powergrid capacityis increasing, and the structure is becoming more complex,real-time monitoring and scheduling of power system automation is particularly important,and the date acquisitio

3、n of power parameters is an important part of automated,how to quickly and accurately capture the electrical parameters(voltage,current, power, power factor,etc)ofvarious components of the system is an important factor for power system automation.This article describes the design of a multifunctiona

4、l three-phase power measurement system. the program use the AT89C52 microcontroller as the processor, and use the multi-functional chip ADE7878 to sampling and calculation the AC signal, it can real-time measurement and display the three-phase voltage, three-phase current, power and power factor. Sp

5、ecifically describes the performance and the internal working principle of ADE7878 chip, focuses on the software design of the system.KEY WORDSmicrocontroller measurement of electricity ADE7878 21 / 26目 錄中文摘要I英文提要II1 緒論11.1 背景與意義11.2 測量儀表的發(fā)展?fàn)顩r11.3 電量檢測儀發(fā)展現(xiàn)狀21.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求32 測量原理與方法32.1 測量芯片ADE7878簡介32.2

6、 電壓電流測量原理42.2.1 模擬輸入42.2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換52.3 有功功率測量原理62.4功率因數(shù)測量原理72.4.1視在功率計(jì)算73 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)83.1 系統(tǒng)方案83.2 電壓電流采樣電路93.3 ADE7878與單片機(jī)接口電路93.4 鍵盤與顯示電路113.5 芯片電源電路124 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)134.1 系統(tǒng)總體流程134.2 按鍵掃描程序144.3 I2C讀寫程序164.2 顯示程序195 結(jié)束語21致 22參考文獻(xiàn)23附錄1系統(tǒng)原理圖24附錄2 系統(tǒng)程序241 緒論1.1 背景與意義隨著中國的社會(huì)用電量迅速增長，全國特高壓電網(wǎng)建設(shè)，百萬千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，家居網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程

7、，以與電網(wǎng)經(jīng)營管理改進(jìn)和計(jì)量新技術(shù)應(yīng)用等要素，電能表市場發(fā)展迅猛，中國目前已成為世界電能計(jì)量行業(yè)最具有活力的市場。掌握各種配網(wǎng)參數(shù) (如電壓、電流、功率、頻率諧波分量等) ,對(duì)了解配電網(wǎng)的運(yùn)行狀況至關(guān)重要。這就要求不斷改進(jìn)對(duì)電源系統(tǒng)的監(jiān)控。電源的適當(dāng)管理與分配對(duì)工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能與總體電源利用情況非常重要。在制定決策和確保適當(dāng)保護(hù)輸電網(wǎng)與最終用戶時(shí)，能夠準(zhǔn)確的測量電源的電壓電流有效值和功率尤為重要。而要測量這些值就需要電參量測量儀。1.2 測量儀表的發(fā)展?fàn)顩r電參量測量儀是一種測量電壓、電流、功率等參數(shù)的儀器，電參量測儀表的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一代是指針式儀表，如模擬萬用表、電壓表、電流表，這些儀

8、表的基本結(jié)構(gòu)是電磁式、電動(dòng)式、感應(yīng)式、靜電式等，由于這類儀表本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電磁結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性與復(fù)雜性，一般精度較低，穩(wěn)定性較差，應(yīng)用場合有一定的局限性。但由于它的原理簡單、堅(jiān)固耐用、容易生產(chǎn)、成本低，因而還在廣泛使用。第二代是數(shù)字測量儀表，這類儀表的基本原理是將被測量模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，進(jìn)行計(jì)算并顯示出來。這類儀器同指針式儀器相比較精度有了很大的提高，能直觀讀取測量結(jié)果，而且可靠性高，易于使用。但電子線路比較復(fù)雜，不能自動(dòng)適應(yīng)測量環(huán)境的變化，而且儀器的校準(zhǔn)復(fù)雜。第三代是智能儀器。所謂智能儀器，一般指含有微處理器的儀器，通過微處理器來控制數(shù)據(jù)的采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。因此能夠用軟件的方法實(shí)

9、現(xiàn)信息的采集、處理和存儲(chǔ)，大大簡化了儀器的整體結(jié)構(gòu)。這類儀器的硬件基礎(chǔ)是采集技術(shù)和輸入輸出技術(shù)，而軟件基礎(chǔ)在于采樣數(shù)據(jù)的處理方法。同傳統(tǒng)儀器相比較，其有如下特點(diǎn)：(1)測量過程的軟件控制計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)入儀器，可以替代大量的邏輯電路。儀器在CPU的指揮下，按照軟件流程不斷尋址、取指、進(jìn)行各種轉(zhuǎn)換、邏輯判斷，驅(qū)動(dòng)某一執(zhí)行單元完成某一操作，使儀器的工作按照一定順序進(jìn)行下去，可以實(shí)現(xiàn)測量過程的高度自動(dòng)化。另外，軟件控制也帶來了很大的方便，當(dāng)需要改變儀器功能時(shí)，只要改變程序即可，并不需要改變硬件結(jié)構(gòu)。(2)測量數(shù)據(jù)的處理對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和運(yùn)算的數(shù)據(jù)處理功能是智能儀器最突出的特點(diǎn)，它表現(xiàn)在改善測量的精確度

10、與對(duì)測量結(jié)果的再加工兩個(gè)方面。在測量精確度方面，大量的工作是對(duì)隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差進(jìn)行處理。過去傳統(tǒng)的方法是用手工的方法對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行事后處理，工作量大，效率低，而且往往會(huì)受到主觀因素的影響，使處理結(jié)果不理想。智能儀器中用軟件對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行與時(shí)的、在線的處理可以收到很好的效果，不僅方便、快速，而且可以避免主觀因素的影響，使測量的精確度與處理結(jié)果的質(zhì)量大大提高。由于可以實(shí)現(xiàn)各種算法，不僅可以實(shí)現(xiàn)誤差的計(jì)算與補(bǔ)償，而且對(duì)儀器中的非線性校準(zhǔn)等問題也易于解決。對(duì)測量結(jié)果的再加工，可以使智能儀器提供更多高質(zhì)量的信息。(3)儀器的多功能化智能儀器的軟件控制測量過程與數(shù)據(jù)處理功能使得測量過程中采集的數(shù)據(jù)，可由

11、具備不同測量功能的軟件模塊共享，一機(jī)多用的多功能化易于實(shí)現(xiàn)，這是智能儀器的又一特點(diǎn)。(4)儀器有聯(lián)網(wǎng)功能智能儀器可以通過標(biāo)準(zhǔn)的接口和上位機(jī)通信，接收上位機(jī)的指令進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，響應(yīng)請(qǐng)求把數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)。這樣，多臺(tái)智能儀器可以形成一個(gè)復(fù)雜的測量系統(tǒng)，可以方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化測量。(5)儀器具有自校正、自診斷功能智能儀器有自動(dòng)校正零點(diǎn)、滿度和量程切換功能，大大降低了因儀器零漂和特性變化造成的誤差，同時(shí)可以提高讀數(shù)的分辨率。另外，智能儀器在運(yùn)行開始或運(yùn)行過程中，可以對(duì)自身各部分進(jìn)行一系列測試，一旦發(fā)現(xiàn)故障就可以報(bào)警，并給出相應(yīng)的故障位置，給系統(tǒng)維護(hù)提供很大的方便。1.3 電量檢測儀發(fā)展現(xiàn)狀隨著微電子

12、技術(shù)和超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，電量測量儀表由傳統(tǒng)的基于常規(guī)電子線路的儀器儀表發(fā)展為基于各種微處理器、微控制器的智能化測量控制儀表。利用嵌入式軟件協(xié)調(diào)部操作，使儀表具有智能的功能，在完成輸入信號(hào)的非線性、溫度與壓力的補(bǔ)償、量程刻度標(biāo)尺的變換、零點(diǎn)錯(cuò)誤、故障診斷等基礎(chǔ)上，還可完成對(duì)工業(yè)過程的控制，使控制系統(tǒng)的功能進(jìn)一步分散。嵌入式系統(tǒng)可以針對(duì)特定的自動(dòng)化儀表的要求，合理剪裁軟硬件，實(shí)現(xiàn)高集成度、低冗余、小型化。近年來智能儀器己開始從較為成熟的數(shù)據(jù)處理向知識(shí)處理發(fā)展，體現(xiàn)為模糊判斷、故障診斷、容錯(cuò)技術(shù)、傳感器融合、機(jī)件壽命預(yù)測等，使智能儀器的功能向更高的層次發(fā)展。而網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的來臨使許多電子設(shè)備需

13、要聯(lián)網(wǎng)和更智能化、更強(qiáng)的計(jì)算能力。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，各種集成芯片電路都朝超大規(guī)模、全CMOS的方向發(fā)展。COMS電路具有功耗低、工作溫度圍寬的特點(diǎn)，近年來采用“硅門”技術(shù)取代了原來的“金屬門"技術(shù)。目前已經(jīng)出現(xiàn)了大許多超規(guī)模的CMOS集成新型單片機(jī)，芯片的制造成本大大降低，而功能卻大大增強(qiáng)，部集成了許多的功能部件，如片AD轉(zhuǎn)換器、片看門狗電路、片脈寬調(diào)制器、芯片串行總線等，從而使用戶有更大的選擇。隨著數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的廣泛應(yīng)用和多種電測專用集成芯片的成功開發(fā)，將第三代電測儀表的發(fā)展推向了高潮。1.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求本文介紹了一種三相多功能電量測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案以AT8

14、9C51單片機(jī)為處理器，利用多功能芯片ADE7878對(duì)交流信號(hào)采樣和計(jì)算，可實(shí)時(shí)測量并顯示三相電壓、三相電流、功率與功率因數(shù)。本文的設(shè)計(jì)要求：電壓測量圍 單相或三相0300V電流測量圍 0-60A頻率測量圍 45-65Hz功率因數(shù)測量圍 感性 0-1 容性 0-1精度：±（0.4%讀數(shù)+0.1% 量程+1字）液晶顯示各個(gè)量，可通過鍵盤切換。2 測量原理與方法2.1 測量芯片ADE7878簡介ADE7878是ADI公司為三相電能表研制的專用芯片，它具有兩個(gè)可編程增益放大器、7個(gè)24位 -ADC、數(shù)字積分器、數(shù)字濾波器、參考電路、有效值與功率信號(hào)處理模塊和SPI,I2C接口等組件。ADE

15、7758可對(duì)有功功率、無功功率、視在功率、電壓有效值和電流有效值進(jìn)行計(jì)量,并對(duì)波形進(jìn)行采樣,帶有對(duì)應(yīng)三個(gè)相位的數(shù)字功率校準(zhǔn)寄存器、 相位校準(zhǔn)寄存器和失調(diào)校準(zhǔn)寄存器,寄存器可以通過串行接口進(jìn)行調(diào)節(jié),并可速校準(zhǔn)外部元器件引起的誤差。其模擬前端帶有片相位補(bǔ)償電路,能夠直接與電流互感器 (CT)相連。ADE7878與三線制和四線制配電系統(tǒng)兼容。它通過外部單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字計(jì)算，可得出電網(wǎng)的全部電量參數(shù)。它體積小、動(dòng)態(tài)圍可達(dá) 1 0001 ,它具有數(shù)字積分、數(shù)字濾波和實(shí)用電能監(jiān)測、計(jì)量等功能。ADE7878 可做到全電子化 ,有利于提高性能、降低成本;還可以利用現(xiàn)有的線、專線、高頻無線電調(diào)制解調(diào)器、光纜、低

16、壓配電線載波等技術(shù)手段完成自動(dòng)抄讀表、分時(shí)電價(jià)、實(shí)時(shí)電價(jià)、多功能計(jì)量、預(yù)付費(fèi)等擴(kuò)充應(yīng)用功能 ,使電能計(jì)量具有高精度、高可靠性、免維護(hù)和雙向通信等特點(diǎn)。2.2 電壓電流測量原理2.2.1 模擬輸入ADE7878具有七個(gè)模擬輸入，這些輸入構(gòu)成電流和電壓通道。四對(duì)電流通道采用全差分輸入方式：IAP和IAN、IBP和IBN、ICP和ICN，以與INP和INN。允許的最大差分輸入電壓為±0.5 V。此外，IxP/IxN對(duì)模擬輸入上的最大信號(hào)電平相對(duì)于AGND不得大于±0.5 V。這些輸入上容許的最大共模信號(hào)為±25 mV。圖1顯示了電流通道輸入電壓圍與其與最大共模電壓的關(guān)系

17、。圖1 最大輸入電平，電流通道(增益 = 1)所有輸入均具有一個(gè)可編程增益放大器(PGA)，可選增益為1、2、4、8或16。IA、IB和IC輸入的增益是由GAIN寄存器的位5:3 (PGA22:0)來設(shè)置的；因此，可以選用與IA、IB或IC輸入不同的增益。三個(gè)電壓通道采用單端電壓輸入方式：VAP、VBP和VCP。這些單端輸入端相對(duì)于VN的最大輸入電壓為±0.5 V。此外，VxP和VN模擬輸入相對(duì)于AGND的的最大信號(hào)電平為±0.5 V。這些輸入上容許的最大共模信號(hào)為±25 mV。圖2顯示了電壓通道輸入圍與其與最大共模電壓的關(guān)系。圖2 最大輸入電平，電壓通道(增益

18、= 1)所有輸入均具有一個(gè)可編程增益，可選增益為1、2、4、8或16。使用GAIN寄存器中的位8:6 (PGA32:0) 設(shè)置該增益。圖3顯示了電流和電壓通道中GAIN寄存器的增益選擇工作原理。圖3 電壓和電流通道中的PGA2.2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換ADE7868/ADE7878具有七個(gè)-型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，在PSM0模式下，所有ADC都處于活動(dòng)狀態(tài)。在PSM1模式下，只有用于測量A相、B相和C相電流的ADC處于活動(dòng)狀態(tài)。用于測量零線電流和A、B與C相電壓的ADC則處于關(guān)閉狀態(tài)。PSM2和PSM3模式下會(huì)關(guān)斷ADC，以將功耗降至最低。圖4顯示的是一階-型ADC框圖。該轉(zhuǎn)換器由-型調(diào)制器和數(shù)字低通

19、濾波器組成。圖4 一階-型ADC-型調(diào)制器以一定的速率將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成由1和0構(gòu)成的連續(xù)串行流，其中速率由采樣時(shí)鐘決定。在ADE7878中，采樣時(shí)鐘等于1.024 MHz(CLKIN/16)。接著，通過該串行數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)反饋環(huán)路中的1位DAC，然后從輸入信號(hào)中減去DAC輸出。如果環(huán)路增益足夠大，DAC輸出的平均值(與位流)可以接近輸入信號(hào)電平的平均值。對(duì)于單個(gè)采樣間隔的任意指定輸入值，1位ADC的輸出數(shù)據(jù)幾乎沒有意義。只有對(duì)大量樣本求平均值，才可以獲得有意義的結(jié)果。這一求平均值操作是由該ADC的第二部分(即數(shù)字低通濾波器)來執(zhí)行的。通過對(duì)來自調(diào)制器的多個(gè)位求平均值，低通濾波器可以產(chǎn)生與輸入信號(hào)電

20、平成正比的24位數(shù)字當(dāng)輸入為滿量程輸入信號(hào)0.5 V且部基準(zhǔn)電壓為1.2 V時(shí)，ADC輸出碼的標(biāo)稱值為5,928,256 (0x5A7540)。2.3 有功功率測量原理功率定義為電能從電源流向負(fù)載的速率，并通過產(chǎn)生電壓和電流波形來表示。所得波形稱為瞬時(shí)功率信號(hào)，并等于每一瞬間的電能流動(dòng)速率。功率的單位為瓦或焦耳/秒。如果交流系統(tǒng)的電源電壓為v(t)、電流為i(t)，且兩者都包含諧波，則 （1） （2）其中：Vk和Ik分別是各諧波的電壓和電流有效值。k和k分別是各諧波的相位延遲。交流系統(tǒng)中的瞬時(shí)功率為： （3）總有功功率等于公式3中瞬時(shí)功率信號(hào)p(t)的直流成分，即： （4）圖5顯示了ADE78

21、xx如何計(jì)算各相上的總有功功率。首先，器件將各相上的電流和電壓信號(hào)相乘。接著，器件利用低通濾波器提取各相(A、B和C)上瞬時(shí)功率信號(hào)的直流成分。圖5 總有功功率數(shù)據(jù)路徑2.4 功率因數(shù)測量原理在交流電路中，電壓與電流之間的相位差()的余弦叫做功率因數(shù)，用符號(hào)cos表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即cos=P/S。上邊已經(jīng)介紹過有功功率的測量方法，下邊介紹視在功率的測量原理。2.4.1視在功率計(jì)算視在功率定義為最大負(fù)載功率。獲取視在功率的一種方法是將電壓有效值乘以電流有效值(也稱為算術(shù)視在功率)。 （5）其中：S為視在功率。V rms和I rms分別是電壓和電流有效值。ADE

22、7878可以計(jì)算各相上的算術(shù)視在功率。圖6顯示了ADE7878上各相計(jì)算視在功率時(shí)的信號(hào)處理。由于V rms和I rms包含所有諧波信息，因此ADE7878計(jì)算的視在功率為總視在功率。圖6 視在功率數(shù)據(jù)流和視在電能累積ADE7878將瞬時(shí)分相視在功率存儲(chǔ)在AVA、BVA和CVA寄存器中。表達(dá)式如下： （6）其中：U和I分別是相電壓和電流的有效值。UFS和IFS分別為ADC輸入為滿量程時(shí)相電壓和電流的有效值。PMAX = 33,516,139，即ADC輸入為滿量程且位于相時(shí)計(jì)算出的瞬時(shí)功率。3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)方案多功能電能測量儀由測量、顯示、控制、接口和電源等部分組成,如圖7所示。

23、測量部分由精密小型互感器與前置信號(hào)處理電路構(gòu)成 ,從中獲取電壓、電流、頻率、相位等多種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。顯示部分采用高品質(zhì)的12864液晶顯示模塊 ,每屏可以顯示 8 × 4 個(gè)漢字(16 × 16)或128 ×64 個(gè)像素的圖形。控制部分以 AT89C51單片機(jī)為核心 ,配以多功能電測量芯片ADE7878,兩個(gè)芯片的接口部分采用I2C接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。 圖7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2 電壓電流采樣電路電壓通道具有三路單端電壓輸入通道，分別為 VAP，VBP 和 VCP。這些單電壓輸入端的最大輸入電壓變化圍為±0.5V。根據(jù)推薦額定電壓Un時(shí)電壓通道輸入信號(hào)為250m

24、V左右，此次設(shè)計(jì)的電表額定電壓為220V，220V的電壓給電阻分半成110V,即VA處額定電壓為110V。后續(xù)電壓通道用用4個(gè)330K電阻和一個(gè)3K電阻分壓，加額定電壓Un時(shí)輸入信號(hào)為249mV。傳統(tǒng)的直流采樣存在測量精度低、實(shí)時(shí)性差、高次諧波參數(shù)無法測量等缺點(diǎn)，本文采用交流采樣技術(shù)，選擇差分輸入電路。電流采樣選用高精度的電流互感器，CT參數(shù)為1.5(6)A7.5 mA，40負(fù)載、精度為0.1級(jí)，采樣為2個(gè)5.1電阻串聯(lián)，加最大電流6 A時(shí)輸入信號(hào)為306 mV。電流采樣電路中，輸入電阻阻值為1k，濾波電容為33 nF。電流取樣設(shè)計(jì)基本可以滿足至少4倍額定電流的圍。圖8為電壓電流輸入前置通道。

25、圖8 電流輸入前置通道3.3 ADE7878與單片機(jī)接口電路ADE7878提供了三個(gè)串行端口接口：一個(gè)獲得完整許可的I2C接口、一個(gè)串行外設(shè)接口(SPI)和一個(gè)高速數(shù)據(jù)采集端口(HSDC)。本設(shè)計(jì)選用I2C接口。I2C總線是由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器與其外圍設(shè)備。是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。它的主要特點(diǎn)有：1、它只要求兩條總線線路：一條串行數(shù)據(jù)線SDA，一條串行時(shí)鐘線SCL；2、每個(gè)連接到總線的器件都可以通過唯一的地址和一直存在的簡單的主機(jī)/從機(jī)關(guān)系軟件設(shè)

26、定地址，主機(jī)可以作為主機(jī)發(fā)送器或主機(jī)接收器；3、它是一個(gè)真正的多主機(jī)總線，如果兩個(gè)或更多主機(jī)同時(shí)初始化，數(shù)據(jù)傳輸可以通過沖突檢測和仲裁防止數(shù)據(jù)被破壞；4、串行的8 位雙向數(shù)據(jù)位傳輸速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100kbit/s，快速模式下可達(dá)400kbit/s，高速模式下可達(dá)3.4Mbit/s；5、連接到一樣總線的IC數(shù)量只受到總線的最大電容400pF 限制。由于AT89C51沒有I2C接口，通常用軟件來實(shí)現(xiàn)I2C總線上的信號(hào)模擬。此次，用通用IO口P1.0和P1.1分別模擬數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線。ADE7878本身提供的有I2C接口。單片機(jī)和ADE7878連接圖如圖9所示：圖9 I2C接口連接3.4 鍵盤與

27、顯示電路按鍵電路與單片機(jī)的接口如圖10所示。本文的設(shè)計(jì)要要顯示電壓，電流，功率，功率因數(shù)四個(gè)量，它們的切換用四個(gè)按鍵來表示，按鍵S1若按下會(huì)顯示電壓，同樣，S2是電流的顯示鍵，S3是功率的按鍵，S4代表功率因數(shù)。沒有按下時(shí)是高電平，按下后變低，可用程序檢測P3口對(duì)應(yīng)引腳的電平而得出相應(yīng)的按鍵情況，即而執(zhí)行相應(yīng)的程序，顯示相應(yīng)的電參量。顯示部分：由于系統(tǒng)要求顯示三相的電壓電流與功率等，所以采用LCD 12864。LCD 12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，部含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64, 置8192個(gè)16*

28、16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多。基本特性:l l  低電源電壓（VDD:+3.0-+5.5V）l l  顯示分辨率:128×64點(diǎn)l l  置漢字字庫，提供8192個(gè)16×16點(diǎn)陣漢字(簡繁體可選)l l 

29、; 置 128個(gè)16×8點(diǎn)陣字符l l  2MHZ時(shí)鐘頻率l l  顯示方式：STN、半透、正顯l l  驅(qū)動(dòng)方式：1/32DUTY，1/5BIASl l  視角方向：6點(diǎn)l l  背光方式：側(cè)部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/51/10l l  通訊方式：串行、并口可選l l  置DC-DC轉(zhuǎn)換電路，無需外加負(fù)壓l 無需片選信號(hào)，簡化軟件設(shè)計(jì)l 工作溫度: 0 - +55 ,存儲(chǔ)溫度: -20 - +60液晶的某些控制引腳的功

30、能如表1所示。各控制引腳與數(shù)據(jù)引腳均與相應(yīng)的單片機(jī)的IO口相連，如圖10所示。表1 管腳號(hào)管腳名稱電平管腳功能描述1VSS0V電源地2VCC3.0+5V電源正3V0-對(duì)比度（亮度）調(diào)整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7DB0為顯示數(shù)據(jù)RS=“L”,表示DB7DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信號(hào)7DB0-DB7H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線8PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式9NC-空腳10/RESETH/L復(fù)位端，低電平有效11VO

31、UT-LCD驅(qū)動(dòng)電壓輸出端12AVDD背光源正端（+5V）13KVSS背光源負(fù)端圖10 鍵盤和液晶與單片機(jī)的連接電路3.5 芯片電源電路此次設(shè)計(jì)有兩個(gè)芯片需要用到直流穩(wěn)壓電源，ADE7878是3.3V供電，AT89C51采用5V供電，此次的電源設(shè)計(jì)部分通過開關(guān)電源+穩(wěn)壓器組成，由變壓器、整流橋(或二極管)、濾波和穩(wěn)壓器組成。圖11為電源電路。圖11 系統(tǒng)電源電路其中，變壓器部分改變輸入的交流電壓后送入整流電路，在直流穩(wěn)壓電源中使用橋式整流電路，利用二極管的單項(xiàng)導(dǎo)電特性，將方向變化的交流電整流為直流電。交流電經(jīng)過整流后得到的是脈動(dòng)直流，這樣的直流電源由于所含交流紋波很大，不能直接用作電子電路的電

32、源。濾波電路可以大大降低這種交流紋波成份，讓整流后的電壓波形變得比較平滑。所以使用電容濾波電路，利用電容的充放電原理來達(dá)到濾波的作用。其后的穩(wěn)壓電路作用是當(dāng)交流電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)，保證輸出直流電壓的穩(wěn)定，此次設(shè)計(jì)用到兩個(gè)穩(wěn)壓芯片LM7805和LM1085。它們最大的特點(diǎn)是穩(wěn)壓性能良好，外圍元件簡單，安裝調(diào)試方便，價(jià)格低廉，現(xiàn)已成為繼承穩(wěn)壓器的主流產(chǎn)品。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1 系統(tǒng)總體流程 系統(tǒng)軟件利用C語言進(jìn)行編程，開發(fā)環(huán)境采用Keil uVision，它是是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可

33、維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)總體思路是系統(tǒng)上電后，先初始化液晶與測電量芯片ADE7878,然后一直調(diào)用鍵盤掃描程序，根據(jù)得到的鍵值結(jié)果不同而讀取芯片對(duì)應(yīng)的寄存器，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算后，送與液晶顯示。系統(tǒng)軟件流程圖如圖12所示。圖12 系統(tǒng)軟件流程圖4.2 按鍵掃描程序本設(shè)計(jì)中采用四個(gè)按鍵，分別接到P3口的不同接口，沒有鍵按下時(shí)全為高電平，當(dāng)某一個(gè)鍵按下，則相應(yīng)位變低，通過讀取的P3口的不同值判斷哪個(gè)鍵按下而返回不同的值。程序流程圖如圖13所示。鍵值處理：當(dāng)S1按下則返回1，則讀取ADE7878電壓寄存器的值，然后處理，以供顯示用；當(dāng)S2按下則返回2，則讀取ADE7878電流寄存器的值；S3按

34、下返回3，則通過直接讀取ADE7878功率寄存器的值；S4按下返回4，則顯示功率因數(shù)，功率因數(shù)則需要讀取有功功率與視在功率的值，然后做除運(yùn)算，然后經(jīng)過二進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制處理與相應(yīng)倍數(shù)運(yùn)算，以使顯示的電參量正確。處理程序流程圖如圖14所示。 圖13 鍵盤掃描程序流程圖圖14 鍵值處理流程圖4.3 I2C讀寫程序讀寫芯片寄存器程序的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)格式，本文采用I2C進(jìn)行通信。I2C寫操作：當(dāng)主機(jī)產(chǎn)生起始條件并以一個(gè)字節(jié)表示ADE7878的地址，后跟target寄存器的16位地址和該寄存器的值時(shí)，ADE7878的I2C接口寫操作即會(huì)開始。地址字節(jié)的七個(gè)最高有效位構(gòu)成ADE7878的地址，即等于0111000

35、b。地址字節(jié)的0位為讀/寫位。由于這里是寫操作，因此該位必須清0；因而，寫操作的第一個(gè)字節(jié)為0x70。每次收到一個(gè)字節(jié)時(shí)，ADE7878都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答。寄存器可能為8、16或32位，在傳輸完寄存器的最后一位且ADE7878應(yīng)答傳輸之后，主機(jī)即會(huì)產(chǎn)生停止條件。地址和寄存器容是以MSB優(yōu)先方式進(jìn)行發(fā)送的。有關(guān)I2C寫操作信息如圖15所示。寫操作流程圖如圖16所示。圖15 32位寄存器的I2C寫操作圖16 I2C寫操作流程圖I2C讀操作：ADE7878的I2C接口讀操作是分兩個(gè)階段完成的。第一階段設(shè)置寄存器的地址指針。第二階段讀取寄存器的容。如圖17所示，當(dāng)主機(jī)產(chǎn)生起始條件并以一個(gè)字節(jié)表示ADE7

36、878的地址，后跟target寄存器的16位地址時(shí)，第一階段即開始。ADE7878會(huì)應(yīng)答收到的每個(gè)字節(jié)。地址字節(jié)與寫操作的地址字節(jié)類似，并且等于0x70。寄存器地址的最后一個(gè)字節(jié)傳送完畢且 ADE7878進(jìn)行應(yīng)答之后，第二階段即會(huì)開始，同時(shí)主機(jī)產(chǎn)生新的起始地址和地址字節(jié)。該地址字節(jié)的七個(gè)最高有效位構(gòu)成ADE7878的地址，即等于0111000b。地址字節(jié)的0位為讀/寫位。由于這里是讀操作，因此該位必須置1；因而，讀操作的第一個(gè)字節(jié)為0x71。收到該字節(jié)之后，ADE7878即會(huì)產(chǎn)生應(yīng)答。然后，ADE7878會(huì)發(fā)送該寄存器的值，而收到每個(gè)8位之后，主機(jī)即會(huì)產(chǎn)生應(yīng)答。所有字節(jié)均以MSB優(yōu)先方式發(fā)送。

37、寄存器可能為8、16或32位，在傳輸完寄存器的最后一位之后，主機(jī)不會(huì)應(yīng)答傳輸，而是產(chǎn)生停止條件。流程圖如圖18所示。圖17 32位寄存器的I2C讀操作圖18 I2C讀操作流程圖此次測量要電壓，電流，功率與功率因數(shù)，所以需要讀寫相應(yīng)的寄存器。所用到的各寄存器的地址與代號(hào)如表2所示：表2：地址寄存器名稱R/W通信期間字長描述0xE50CIAWVR32A相電流的瞬時(shí)值0xE50DIBWVR32B相電流的瞬時(shí)值0xE50EICWVR32C相電流的瞬時(shí)值0xE510VAWVR32A相電壓的瞬時(shí)值0xE511VBWVR32B相電壓的瞬時(shí)值0xE512VCWVR32C相電壓的瞬時(shí)值0xE513AWATTR32A相總有功功率的瞬時(shí)值0xE514BWATTR32B相總有功功率的瞬時(shí)值0xE515CWATTR32C相總有功功率的瞬時(shí)值0xE519AVAR32A相視在功率的瞬時(shí)值0xE51ABVAR32B相視在功率的瞬時(shí)值0xE51BCVAR32C相視在功率的瞬時(shí)值0xE228RunR/W16負(fù)責(zé)啟動(dòng)和停止DSP4.2 顯示程序此次設(shè)計(jì)需要顯示4行，第一行顯示電壓電流等參數(shù)名稱，第二到四行分別顯示各相的值，用LCD12864