AD7755在電表有功電能測量中的應用2

課題設計(論文)目錄第一章緒論…………1第二章電能測量理論基礎………22.1電能測量原理…………………22.1.1模擬輸入……………………32.1.2電源監(jiān)控電路………………42.1.3數(shù)/頻轉(zhuǎn)換……………………42.1.4傳輸函數(shù)……………………52.2AD7755與微控制器的接口…………………52.2.1高通濾波和失調(diào)影響………5第三章設計方案…………………63.1設計方案介紹…………………63.2方案的設定……………………6第四章硬件設計…………………74.1AD7755電路圖及其功能介紹…………………74.1.1AD7755中基電能測量分析…………………74.1.2輸入電路的設計…………104.1.3輸出電路的設計……………104.2CPU電路圖…………………114.3時間和電表讀數(shù)顯示電路…………………124.4鍵盤部分電路圖……………144.5串行接口及遠程抄表電路圖………………154.5.1對芯片RS485進行介紹……………………154.5.2基本控制器的設計及功能…………………184.5.3通訊CPU的功能主要有……………………184.5.4以下就是RS—485芯片的電路圖…………204.6時鐘信號芯片簡介及作用…………………214.6.1DS12C887的作用和性能……………………214.6.2時鐘信號芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管腳圖………224.6.3管腳功能表…………………234.6.4DS12C887應用………………254.6.5硬件電路……………………264.6.6軟件設計……………………274.6.7儲存功能……………………284.7.1工作原理……………………29第五章軟件流程圖………………305.1軟件流程圖敘述………………305.2軟件流程圖……………………31結(jié)論致謝參考文獻第一章緒論目前，許多國家的電力工業(yè)機制都在引入競爭機制、建立電力市場的電力體制改革，目的在于更合理地配置資源，提高資源利用率，促進電力工業(yè)與社會、經(jīng)濟、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。在我國，隨著改革的深入和電力市場供求狀況的變化，現(xiàn)行的電力體制已難以適應社會主義市場經(jīng)濟體制的要求。電力工業(yè)快速發(fā)展的同時，電力體制改革也逐步深入，電力工業(yè)以“公司制改組、商業(yè)化運營、法制化管理”為改革目標的基本取向。電力工業(yè)管理體制由計劃經(jīng)濟向市場經(jīng)濟轉(zhuǎn)變。政府宏觀調(diào)控、企業(yè)自主經(jīng)營、行業(yè)協(xié)會提供服務，適應市場經(jīng)濟要求和電力生產(chǎn)特點的新型電力工業(yè)管理體制正在逐步建立。電力市場的引入迫使各電力企業(yè)的經(jīng)營管理，相關(guān)的政策、法規(guī)以及技術(shù)支持必須進行相關(guān)調(diào)整，以適應我國電力市場的需要。為了促進電力銷售，一些供電企業(yè)開始探索市場經(jīng)濟條件下供電企業(yè)的工作模式，不斷轉(zhuǎn)變思想，按市場經(jīng)濟規(guī)律的要求加強電力調(diào)度和檢修工作，加快城鄉(xiāng)電網(wǎng)的建設和改造，提高服務水平。電力企業(yè)的這種促銷行為，在客觀上加快了其進入電力市場的步伐。近年來，由于城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造，一戶一表政策、國家西電東送等跨世紀工程的實施，巨大的經(jīng)濟利潤促使電能表生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量劇增。一位業(yè)內(nèi)人士告訴記者，電能表生產(chǎn)企業(yè)由兩網(wǎng)改造之前的400多家，劇增至兩網(wǎng)改造時的1200多家，兩網(wǎng)改造后又回落至600多家。目前，我國對電能表的年需求量穩(wěn)定在8000萬～9000萬臺，而生產(chǎn)能力已達到年產(chǎn)2億臺，產(chǎn)能嚴重過剩，今后市場的格局基本上是供大于求。電子式產(chǎn)品的過渡自20世紀90年代即有所跡象，進入21世紀之后則近乎勢不可擋。而電子表相較于機械表的突出優(yōu)點，更成為產(chǎn)品轉(zhuǎn)型的源動力。電子表具有的實時計費功能，多參數(shù)測量諧波電能計量，可以自動進行斷電檢測，可以自動讀表、并通過GPRS系統(tǒng)、以太網(wǎng)等通信網(wǎng)絡將讀表結(jié)果發(fā)送到接收端，以及高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性等特點，為其替代傳統(tǒng)的機械表打下了基礎。而且，對于大規(guī)模制造工廠等工業(yè)用戶而言，只有電子式電能表才能幫助他們進一步降低成本、改進電能監(jiān)控功能。不僅工業(yè)、商業(yè)用表以多功能等電子表為主，在國內(nèi)民用電能表的市場，電子表的市場占有率也已從5年前的10％上升到40％，從普通功能型向多費率、多功能等科技型電能表方向過渡。由此可見本次設計是具有一定的社會價值。第二章電能測量理論基礎2．1電能測量原理AD7755是把從電流通道和電壓通道中進來的模擬信號，各自送到一個16位的∑—△模/數(shù)轉(zhuǎn)換器中進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號經(jīng)過處理后直接相乘得到瞬時功率信號。瞬時功率是由瞬時有功功率和瞬時無功功率組成，為了得到有功功率分量（即直流分量）要對瞬時功率信號進行低通濾波。AD7755不但能正確計算正弦電壓和正弦電流的有功功率，而且還能計算非正弦電壓和非電流的功率的有功功率。數(shù)學上已證明：當電壓和電流波形是非正弦時，可以通過傅立葉分解，而得到電壓和電流的正弦諧波成分：（1）（2）式（1）中是瞬時電壓，是電壓平均值，是h次電壓諧波的有效值，ak是h次電壓諧波的相位角。式（2）中是瞬時電流，是電流平均值，Ih是h次電流諧波的有效值，h是h次電流諧波的相位角。根據(jù)理論分析，有功功率P可以用電壓和電流的基波有功功率P1和諧波有功功率PH之和表示：P=P1+PH。（3）（4）其中是電壓和電流的相位差。由式（4）可以看出，電壓和電流的各次諧波都產(chǎn)生諧波有功功率。又因為AD7755對純正弦波的功率因數(shù)和有功率的計算是精確的，而諧波是由一系列純正弦波組成，所以，AD7755，從測量的機理上已經(jīng)充分考慮了電網(wǎng)諧波的存在和影響因素。因此，利用它制作的系統(tǒng)的測量精度和抗干擾能力將大大提高。2．1.1模擬輸入：通道V1（電流通道）線路電流傳感器的輸出電壓接到AD7755的通道V1，該通道采用完全差動輸入，VIP為正輸入端，VIN為負輸入端。通道1的最大差動峰值電壓應小于470mV。應當注意，通道1有一個PGA，其增益可由用戶選擇1，2，8或16。VIP和VIN引腳的最大信號電平，最大差動電壓470mV，由增益選擇而定。在這兩引腳上的差動信號必須以一個共模端作為參考點，最大共模信號為100mV。其典型接線電路如下圖所示：通道V2（電壓通道）線路電壓傳感器的輸出接到AD7755的通道V2，該通道的最大差動峰值電壓為±660mV。加在通道2上的差動電壓信號必須以一個共模端作為參考點（通常是AGND），最大共模電壓為（100mV）。然而，當共模電壓為0V時能獲得最好的測量結(jié)果。其典型接線電路如下圖所示：2．1.2電源監(jiān)控電路AD7755片包含一個電源監(jiān)控電路，連續(xù)對模擬電源（AVDD）進行監(jiān)控。當電源電壓低于4V±5%時，AD7755將被復位。這對于確保上電和掉電時芯片的正確啟動和正常工作有用。電源監(jiān)控電路被安排在延時和濾波環(huán)節(jié)中，這在最大程度上防止了由電源噪聲引發(fā)的錯誤。如下圖所示，電源監(jiān)控電路的正常觸發(fā)電平為4V，觸發(fā)電平的允許誤差為±5%。為保證芯片的正常工作應對電源去耦，使AVDD的波動不超過5V±5%。2．1.3數(shù)／頻轉(zhuǎn)換如前所述，低通濾波器(LPF)的數(shù)字輸出中包括有功功率信息。然而由于LPF不是理想的濾波器，因此輸出信號還包括有削弱了的線頻率及其諧波成分COS(h(ot)，其中h：1，2，3……。由于瞬時功率計算的原因，主要諧波成分為線頻率的兩倍，即lu。實際上，LPF輸出的瞬時有功功率信號仍包括了大量的瞬時功率信息，例如COS(2ωt)。此信號被送人數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器并經(jīng)過積累，即可得到輸出頻率。信號的積累可以減少瞬時有功功率信號中的任何非直流成分。另外，由于正弦信號的平均值為0，因此AD7755產(chǎn)生的頻率與平均有功功率成比例。頻率輸出CF隨著時間而變化的原因主要是瞬時有功功率信號中的COS(20t)成分所致。CF輸出的頻率可以達到n和F2輸出頻率的2048倍，這個高頻輸出是在數(shù)字轉(zhuǎn)換為頻率時積累了很短的時間而產(chǎn)生的。積累時間很短意味著只包括很少的COS(2ωt)成分，這就使得一些瞬時有功功率信號通過了數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器。這在實際應用中不成問題，因為當CF用作校準時，頻率將會通過頻率計數(shù)器來平均，由此去掉波紋。由于n和F2的輸出頻率很低，因此引入了很多的瞬時有功功率信號的平均值，所以輸出的是大大削弱了正弦成分的頻率。2．1.4傳輸函數(shù)P1和F2的頻率輸出如前所述，P1和F2的頻率輸出是對有功功率信號較長時間的積累，它與平均有功功率成比例。輸出頻率與輸入電壓和電流信號的關(guān)系如下：Freq=(515.84V1msV2msF1-4)/V2ref其中，F(xiàn)req為F1和F2的輸出頻率，單位為Hz，V1ms和V2rms是通道V1和V2的差分電壓信號輸入(V)，y對為參考電壓(2.5V±8％)，F(xiàn)1-4是表2中由邏輯輸入S0和S1選擇的四種可能的頻率之一。CF的頻率輸出CF最大輸出頻率與F1、F2之間的關(guān)系。當邏輯輸入SCF為0，而S1和S0為1時，其最大值為2．867kHz。2．2AD7755與微控制器的接口AD7755與微控制器最簡易的連接方式可利用CP的高頻輸出來完成。連接時，可將CF設置為最大輸出頻率(如圖所示)，并將CF連接至MCU計數(shù)器或接口，然后在MCU內(nèi)部定時器規(guī)定的時間內(nèi)計數(shù)脈沖，并取平均功率等于平均頻率，同時，該值也等于計數(shù)所得值與計數(shù)時間的比值。這樣，此計數(shù)時間內(nèi)所消耗的能量為平均功率與時間的乘積，也就是說計數(shù)值／時間與時間乘積的計數(shù)值。2．2.1高通濾波和失調(diào)影響由上可知通道1和通道2的失調(diào)信號相乘后將產(chǎn)生一個直流分量。由于這個直流分量要通過低通濾波器（LPF）產(chǎn)生有功功率，因此失調(diào)將對有功功率產(chǎn)生一個固定的誤差。為避免這個問題，只要把通道1中的HPF設置成選通（即引腳AC/DC置高電平）就行了。至少一個通道的失調(diào)被消除后，相乘就不會產(chǎn)生直流誤差分量。對于含有cos（wt）的誤差項通過LPF和數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器消除。通道1的HPF與相位響應相關(guān)聯(lián)，但它在片內(nèi)已得到補償。當HPF設置為選通時，相位補償自動起作用，當HPF無效時，相位補償也無效。第三章設計方案3．1設計方案介紹本次設計的題目是AD7755在電表有功電能測量中的應用。能實現(xiàn)該項設計方案有很多，其中包括以下幾種方法：（1）8031+AD7755+485+LED8（采用單片機作為cpu控制芯片，用模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7755進行轉(zhuǎn)換，用數(shù)碼管進行顯示）；（2）8031+AD7755+485+液晶（顯示部分是液晶）；（3）8031+AD+485+LED8（用AD作為乘法器）；（4）8031+AD+485+液晶。就設計方案來說可以通過上面講述的四種方法來實現(xiàn)AD7755在電表有功電能測量中的應用。各種設計方案的不同一個在與顯示部分的不同，還有就是在進行電能和脈沖交換的方法不同，在其他cpu控制處理方面，還有串行通路及遠程控制方面都是一樣的。本次設計本人所才用的方法是8031+AD7755+485+LED8，下面就簡要的介紹此種設計的特點和優(yōu)點。3．2方案的設定本次設計通過AD7755進行電能與脈沖的轉(zhuǎn)換，用中心控制器進行：碼管顯示的控制；對時鐘信號進行控制；對外部存儲器進行控制；對遠程控制系統(tǒng)進行控制。從而完成本次設計的，框圖的設計和構(gòu)思是設計的初衷，為以后的設計定下了一個模式，以后的設計就是圍繞整體框圖來實現(xiàn)設計的。AD7755是用于功率測量或電能計量的專用集成電路，是目前電子式電度表的核心芯片通過采樣電阻（錳銅合金制成）獲取的電流采樣信號和電壓采樣信號在芯片內(nèi)部實現(xiàn)能量計量累加，并在內(nèi)部實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，以脈沖方式輸出給機械計度器及單片機數(shù)據(jù)處理使用，本系統(tǒng)采用CF輸出為3200imp/kwh供單片機進行計量處理，電量采樣板上另一部分電路是磁保持繼電器控制，磁保持繼電器用于過斷負載控制，采用正負脈沖信號進行開關(guān)驅(qū)動。驅(qū)動電路可用晶體管電路，也可用專用集成芯片實現(xiàn)。單片機數(shù)據(jù)采集處理板采用卡式結(jié)果插在母板上，巡回采集處理采樣板的用電量數(shù)據(jù)，并可實現(xiàn)對房間電源的通斷控制。芯片采用89S52單片機，內(nèi)置看門狗電路，利用P0口進行地址編碼，P1口進行顯示，數(shù)據(jù)存儲，采樣板的地址譯碼與繼電器驅(qū)動等，為保證掉電后數(shù)據(jù)不丟失，設置一個外部存儲器，存儲器采用總線結(jié)構(gòu)芯片，可節(jié)省單片機口線，簡化電路結(jié)構(gòu)及節(jié)約成本，利用75LBC184芯片實現(xiàn)485通信接口。本系統(tǒng)采用8位LED顯示器通過聯(lián)線安置于控制面板上，本系統(tǒng)采用三片74HC595A芯片實現(xiàn)8位串行輸入，并行輸出。使用時在串行時鐘的控制下，可將顯示位控碼逐位串行輸入至三個芯片中，然后利用鎖存信號實現(xiàn)并行輸入，完成8位數(shù)碼管顯示更新。利用此顯示方式僅占用單片機三根口線，極大節(jié)約單片機口線資源。采用串行數(shù)據(jù)輸入，顯示速度相對比較慢，實現(xiàn)使用時顯示效果穩(wěn)定可靠。采用此種設計的優(yōu)點是比其他的設計電路更簡單，在編寫軟件更容易實現(xiàn)，成本更低，更適合市場適用與家庭用戶。第四章硬件設計4．1AD7755電路圖及其功能介紹4．1.1AD7755中基電能測量分析：（1）概述AD7755是美國AD公司推出的高精度電能測量集成芯片。與原有的同系列的芯片相比，其芯片引腳較少，且內(nèi)置了一個精確的振蕩器電路來給芯片提供時鐘。這就使得使用AD7755的儀表省掉了外部晶體或者共振器，因此可以降低總體成本。AD7757可在低頻輸出引腳F1、F2上輸出平均有功功率，并可直接驅(qū)動一個機電計數(shù)器或與MCU的接口。而高頻CF邏輯則可輸出用于校準的瞬時有功功率，用于校驗或與MCU接口。AD7755內(nèi)部包含一個對AVDD電源引腳的監(jiān)控電路。在AVDD上升到4V之前，AD7755一直保持在復位狀態(tài)。當AVDD降到4V以下，AD7755也被復位，此時F1，CF都沒有輸出。內(nèi)部相位匹配電路使電壓和電流通道的相位始終是匹配的，無論通道1內(nèi)的高通濾波器是接通還是斷開。內(nèi)部的空載閥值特性保證AD7755在空載時沒有潛動。AD7757的基本特性和參數(shù)如下：●帶有片內(nèi)振蕩器，可作為時鐘源；●精度高，且與501-Iz／60Hz的IEC521／1036標準兼容；●邏輯輸出引腳REVP可用來指示可能的接線錯誤或負功率；●帶有片內(nèi)電源監(jiān)視器；●采用單5V電源，功耗較低；●采用交流輸入。圖4—1AD7755內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖以下是AD7755各參數(shù)技術(shù)指標表（2）技術(shù)指標（AVDD=DVDD=5V±5%，AGND=DGND=0V，使用片內(nèi)基準源，CLKIN=3。58MHz，高溫范圍=—40～+85℃）參數(shù)尾標A尾標B單位測試條件及注釋通道1的測量誤差1G=1（G為PGA的增益）G=2G=8G=16兩個通道間的相位誤差1V1超前37度（PF=0。8容性）V1滯后60度（PF=0。5感性）交流電源抑制輸出頻率變化（CF）直流電源抑制輸出頻率變換（CF）0．10.10.10.1±0.1±0.10.2±0.30.10.10.10.1±0.1±0.10.2±0.3%讀數(shù)typ%讀數(shù)typ%讀數(shù)typ%讀數(shù)typ度（°）max度（°）max%讀數(shù)typ%讀數(shù)typ通道2為滿度輸入（±660mV），+25動態(tài)范圍500：1動態(tài)范圍500：1動態(tài)范圍500：1動態(tài)范圍500：1線路頻率45～65HzAC/DC補=0和AC/DC補=1AC/DC補=0和AC/DC補=1AC/DC補=1，So=S1=1，Go=G1=0V1=V2=100mVrms，50HzAVDD加有200mVrms，100Hz紋波AC/DC補=1，So=S1=1，Go=G1=0V1=V2=100mVrms模擬輸入最大信號電平直流輸入阻抗—3dB帶寬ADC失調(diào)誤差增益誤差增益匹配誤差±139014±16±4±0.2±139014±16±4±0.2VmaxK歐kHzmV%%見輸入部分VIP，VIN，Y2N和對AGND的電壓CLKIN=3.58MHzCLKIN/256，CLKIN=3.58MHz見術(shù)語解釋外基準源2.5V，G=1V1=470mVdc，V2=660mVdc外基準源2.5基準輸入REFIN/OUT輸入電壓范圍輸入阻抗輸入電容2.72.33.2102.72.33.210VmaxVminkminpFmax2.5V+8%2.5V—8%片內(nèi)基準源基準電壓誤差溫度系數(shù)±20030±2003060mVmaxpp/℃typpp/℃max標稱值2.5V時鐘輸入時鐘輸入頻率4141MHzMHz注意：所有指標CLKIN均為3.58MHz邏輯輸入SCF，S0，S1，AC/DC補，RESET補，GO和G1輸入高電平，VINH輸入低電平，VINL輸入電流，IIN輸入電容，CIN2.40.8±3102.40.8±310VminVmaxuAmaxpFmaxDVDD=5V±5%DVDD=5V±5%典型值10uAV=0V至DVDD邏輯輸出F1和F2輸出高電平，VOH輸出低電平，VOLCF和REVP輸出高電平，VOH輸出低電平，VOL4.50.540.54.50.540.5VminVmaxVminVmaxISOURCE=10mADVDD=5VISINK=10mADVDD=5VISOURCE=10mADVDD=5VISINK=5mADVDD=5V電源AVDDDVDDAIDDDIDD4.755.254.755.2532.54.755.254.755.2532.5VminVmavVminVmavmAmaxmAmax為達到規(guī)定指標對電源的要求5V—5%5V+5%5V—5%5V+5%典型值2mA典型值1.5mA表4—14．1.2輸入電路的設計：AD7755差動輸入的通道分別是電流通道和電壓通道，其中電流通道內(nèi)設置了一個可編程增益放大器（PGA），由對G0和G1編程實現(xiàn)。每個通道的最大輸入電壓是有限的，電壓通道對應的是±660mV根據(jù)系統(tǒng)制作的實踐來看，考慮到電網(wǎng)波動可能引起電網(wǎng)電壓變高，進而引起輸入電壓過高，高出芯片的承受限度，就有可能對芯片造成危害。所以，輸入電壓要留有裕量。電壓的取樣可以采用純電阻分壓網(wǎng)絡，也可以采用隔離式變壓器降壓的辦法。為了完全隔離強電和芯片的直接電聯(lián)系，也為了安全，本設計采用了隔離變壓器。變壓器的選擇要注意精確度和變壓比的數(shù)值，以確保采樣的精度。電路的采樣可以采用小組值分流器和電流互感器。由于AD7755的輸入電路和內(nèi)部基準源是模擬的，所以要注意共地問題，要將所有的模擬地接到一塊，再和數(shù)字地共地，這樣可以減少干擾。4．1.3輸出電路的設計CF輸出的頻率正比與瞬時有功功率，通過設置SCF=0，S0=S1=1，就可以把CF設置為高頻輸出方式。當模擬輸入端加上滿度交流信號時，CF輸出頻率達到5.5kHz左右，這個數(shù)值方便計數(shù)器計數(shù)。在測量系統(tǒng)中采用一個定時器進行定時，定時時間內(nèi)對CF輸出的脈沖進行計數(shù)。在一個積分周期內(nèi)消耗的電能等于脈沖個數(shù)。4．2CPU電路圖：圖4—4上圖是中心控制器的電路圖，本次設計所用的中心控制器是單片機的芯片，主要功能是把通過AD7755的電信號和脈沖信號轉(zhuǎn)換后通過中心處理控制器，對時鐘信號進行控制，使其能夠準確的顯示在數(shù)碼管上，同時也要控制數(shù)碼管的顯示。在停電時對外部存儲器進行控制，使的電表在停電時也能保持原來得狀態(tài)，讓電表起到一個停電保護的作用。中心處理控制器是本系統(tǒng)的核心部分是本系統(tǒng)的大腦，控制這整個系統(tǒng)的正常運行。下圖是單片機的示意圖：圖4—54．3時間和電表讀數(shù)顯示電路：本電路主要是才用數(shù)碼管來顯示時間和電表讀數(shù)，主要是是方便電力部門核對住戶所用的電量和所用的時間。雖然顯示分為液晶顯示和數(shù)碼管顯示兩中，從方便讀表這一方面來說液晶更好更能把時間和電量讀的更清楚，但是從設計的容易程度以及成本方面來說數(shù)碼管有明顯的優(yōu)勢。就適合家庭住戶這一點來說數(shù)碼管更貼近生活更能讓家庭接受，所以本次設計采用數(shù)碼管更適合。在單片機系統(tǒng)中，顯示器顯示的主要方式的靜態(tài)顯示方式，動態(tài)顯示方式。當系統(tǒng)要驅(qū)動N位顯示器時需要進行段選和位選，段選由字型確定，位選由COM引腳確定。靜態(tài)顯示方式是指每位顯示器同時進行的方式，此時位選為全選，即所有N個顯示器的COM接地，段選采用N個8位I/O口進行驅(qū)動。動態(tài)顯示方式是族位輪流顯示的方式，其特點：對位選，讓當前被選位COM端接地，用I/O線提供，需占用的I/O口位數(shù)為顯示器的個數(shù)；對段選，使各位斷碼線并聯(lián)，用一個8位I/O口來控制，動態(tài)顯示優(yōu)點就是節(jié)省了I/O口，簡化了電路。此電路中，芯片用于驅(qū)動LED的8位段碼，8位LED相應的"a"-"g"段連在一起，它們的公共端分別連至由芯片（點擊芯片型號可瀏覽其詳細的技術(shù)手冊）譯碼選通后經(jīng)芯片反相驅(qū)動的輸出端。這樣當選通某一位LED時，相應的地址線(芯片輸出端)輸出的是高電平，所以我們的LED選用共陽LED數(shù)碼管。動態(tài)掃描的頻率有一定的要求，頻率太低，LED將出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。如頻率太高，由于每個LED點亮的時間太短，LED的亮度太低，肉眼無法看清，所以一般均取幾個ms左右為宜，這就要求在編寫程序時，選通某一位LED使其點亮并保持一定的時間，程序上常采用的是調(diào)用延時子程序。在C51指令中，延時子程序是相當簡單的，并且延時時間也很容易更改，可參見程序清單中的DELAY延時子程序。為簡單起見，我們只是編寫了8位LED同步顯示"00000000"-"11111111"直到"99999999"數(shù)字，并且反復循環(huán)。圖4—64．4鍵盤部分電路圖圖4—7本次設計鍵盤部分是采用4*4的鍵盤，這樣更能方便操作者。4．5串行接口及遠程抄表電路圖：4．5.1對芯片RS485進行介紹：集散型控制系統(tǒng)是一種昂貴的先進自動化裝置，為適應我國中小企業(yè)自動化的需要，我們設計成功了一種利用RS-485總線把PC機和多臺集散系統(tǒng)基本控制器互聯(lián)構(gòu)成的既經(jīng)濟，又實用的小型集散系統(tǒng)。國內(nèi)外集散系統(tǒng)制造公司，在生產(chǎn)大型集散系統(tǒng)的同時，都推出了同系列的小型集散系統(tǒng)，即使這樣，其價格對國內(nèi)小企業(yè)而言仍然偏高。我們從我國中小企業(yè)的實際情況出發(fā)，以個人計算機做操作站，通過RS-485總線與多臺DCS基本控制器組成了一種簡易集散系統(tǒng)，經(jīng)濟實用。其系統(tǒng)的組成及其框圖如下所示：

圖4—8（1）RS---485簡介：RS—485總線速度快（最大10MB/S）,傳送距離遠（90KB/S下可傳1200米）,以差分平衡方式傳輸信號，具有很強的抗共模干擾的能力，允許一對雙絞線上一個發(fā)送器驅(qū)動多個負載設備。因此工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中一般采用該總線標準進行數(shù)據(jù)傳輸。通信網(wǎng)絡各節(jié)點均帶有RS－485串行通信接口。在總線末端接一個匹配電阻，吸收總線上的反射信號，保證正常傳輸信號干凈、無毛刺。匹配電阻的取值應該與總線的特性阻抗相當（120歐）。整個通信系統(tǒng)具體連接如下圖所示：

（2）MAX485收發(fā)器介紹：

基本控制器的網(wǎng)絡接口均采用了MAXIM公司的半雙工485總線收發(fā)器MAX485。其控制十分簡單，RE為接受控制端，DE為發(fā)送控制端。用80C196KC的一個輸出口P1.0與兩個控制端相連，平時置P1.0為低，使控制器串口處于偵聽狀態(tài)，當要發(fā)送數(shù)據(jù)時使P1.0為高。收發(fā)器的網(wǎng)絡連接，MAX485連接示意圖如下圖所示：（3）網(wǎng)絡通信協(xié)議：

PC與各下位機實行嚴格的廣播式的主從通信方式。從機不主動發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機控制。從機之間通信不能直接進行，而必須由主機中轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)通信波特率為9600b/s。每個控制器都有唯一的地址號，此地址號唯一區(qū)別各控制器。幀格式為8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗位，1位停止位。數(shù)據(jù)格式采用數(shù)據(jù)包的形式，數(shù)據(jù)包格式如下：PC(或IPC)通過RS－485網(wǎng)絡廣播自己所要求的下位機地址，所有下位機都收聽廣播，記下廣播地址。各下位機把收到的地址與自己的地址進行比較，地址相同的下位機為被選中的下位機，其余下位機皆為未選中的下位機，暫時從網(wǎng)絡上隔離。網(wǎng)絡上只剩下主機與選中的下位機，按主從式雙機的通信過程進行通信。下位機通信流程如下：

圖4—94．5.2基本控制器的設計及功能：

基本控制器是控制的軟硬件核心，它設計的好壞將直接影響系統(tǒng)的可用性、實時性和可靠性。為滿足實時性高，數(shù)據(jù)處理量大的要求。選用8位單片機作為控制器的CPU。整個控制器采用雙CPU結(jié)構(gòu)，一個CPU主管數(shù)據(jù)采集、實時控制，一個CPU主管數(shù)據(jù)通信，它們之間數(shù)據(jù)交換通過雙端口RAM。：

主控CPU主管數(shù)據(jù)采集以及信號的處理，接受上位機發(fā)來的組態(tài)程序進行現(xiàn)場的控制。由于采用了整個組態(tài)程序完全由上位機下傳至控制器的RAM中執(zhí)行的方式，使得控制非常靈活，主控CPU除了能進行基本的控制之外，還能進行先進的控制算法。另外還具有在線調(diào)整控制參數(shù)功能、多種報警功能。4．5.3通訊CPU的功能主要有：

1.完成串并行數(shù)碼的互換。

2.用串行通訊方式發(fā)送本地信息，識別本地地址并接受通訊數(shù)據(jù)。

3.對發(fā)送數(shù)據(jù)加上檢驗段，并檢查接收數(shù)據(jù)的檢驗段。

4.利用地址譯碼ROM把高速數(shù)據(jù)通道的目的地址和存儲器目的地址翻譯成對應的內(nèi)部存儲器地址。

5.通過向主CPU發(fā)出中斷，完成數(shù)據(jù)的內(nèi)部傳送，并產(chǎn)生讀寫脈沖，地址和各數(shù)據(jù)位。

6.數(shù)據(jù)通道電平和內(nèi)部TTL電平的匹配。圖4—9以上就是對芯片RS—485的基本描述，在本次設計中該芯片的作用是起到串行接口和遠程抄表的作用，是一個遠程的控制芯片。就現(xiàn)在的發(fā)展的趨勢來看遠程控制是越來越多的運用到我們的實際生活中，來方便我們的日常生活，提高我們的生活質(zhì)量。遠程系統(tǒng)的運用不但可以提高生產(chǎn)效率，保證工作系統(tǒng)的正常運做，更能方便我們對系統(tǒng)的整體化管理，有利與我們的社會生產(chǎn)，由此可以看到遠程控制的深遠意義。4．5.4以下就是RS—485芯片的電路圖：圖4—104．6時鐘信號芯片簡介及作用：4．6.1DS12C887的作用和性能：DS12C887實時時鐘芯片能豐富，可以用來直接代替IBMPC上的時鐘日歷芯片DS12887，同時，它的管腳也和MC146818B、DS12887相兼容。由于DS12C887能自動產(chǎn)生世紀、年、月、日、時、分、秒等時間信息，其內(nèi)部又增加了世紀寄存器，從而利用硬件電路解決了“前年”問題；DS12C887中自帶有鋰電池，外部掉點時，其內(nèi)部時間信息還能夠保持10年之久；對于一天內(nèi)的時間記錄，有12小時制和24小時制兩種模式。在12小時制模式中，用AM和PM區(qū)分上午和下午；時間的表示方法也有兩種，一種是用二進制數(shù)表示，一種是用BCD碼表示；DS12C887中帶有128字節(jié)RAM，其中有11字節(jié)RAM用來存儲時間信息，4字節(jié)RAM用來存儲DS12C887的控制信息，稱為控制寄存器，113字節(jié)通用RAM供用戶使用；此外用戶還可以對DS12C887進行編程以實現(xiàn)多種方波輸出，并可以對其內(nèi)部的三路中斷通過軟件進行屏障。（1）時鐘、鬧鐘及到2100年的日歷功能，可選擇12小時制或24小時制計時，有AM和PM、星期、夏令時間操作，閏年自動補償?shù)裙δ?。?）具有可編程選擇的周期性中斷方式和多頻率輸出的方波發(fā)生器功能。（3）DS12887內(nèi)部有14個時鐘控制寄存器，包括10個時標寄存器，4個狀態(tài)寄存器和114bit作掉電保護用的低功耗RAM。（4）由于該芯片具有多種周期中斷速率時鐘中斷功能，因此可以滿足各種不同的待機要求，最長可達24小時，使用非常方便。（5）時標可選擇二進制或BCD碼表示。（6）工作電壓：+4.5~5.5V。（7）工作電流：7~15mA工作溫度范圍：0~70℃。4．6.2時鐘信號芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管腳圖：圖4—11圖4—124．6.3管腳功能表：MOT：計算機總線選擇端:0/不接：INTEL；1：MOTOROLASQW：方波輸出，速率A和是否輸出BSQWE；AD0~AD7：地址/數(shù)據(jù)（雙向）總線，由AS/ALE的下降沿鎖存8位地址；R/W：WR（讀/寫）數(shù)據(jù)；AS：ALE地址鎖存信號端；DS：RD數(shù)據(jù)讀信號端；CS：選通信號端，低電平有效；IRQ；中斷申請，由專用寄存器決定；RESET：復位端，低電平有效；可接VCCNC：空引腳。（1）內(nèi)部地址表：地址功能二進制十進制00H秒00/3B00/5901H秒鬧00/3B00/59C0H到FFH之間的數(shù)據(jù)，則為不關(guān)心狀態(tài)02H分00/3B00/5903H分鬧00/3B00/59C0H到FFH之間的數(shù)據(jù)，則為不關(guān)心狀態(tài)04時00/1700/2305時鬧00/1700/23C0H到FFH之間的數(shù)據(jù)，則為不關(guān)心狀態(tài)06星期幾01/0701/0707日期01/1F01/3108月01/0C01/1209年00/6300/990AAUIP只讀/更新標志，1不讀，0：244uS內(nèi)可讀DV0、DV1、DV2：芯片內(nèi)部振蕩器RTC控制位。當芯片解除復位狀態(tài)，并將010寫入DV0、DV1、DV2后，另一個更新周期將在500ms后開始。RS3、RS2、RS1、RS0：周期中斷可編程方波輸出速率選擇位0BBSET：0：芯片正常工作，每秒更新。1：停止工作，可初始化芯片的各個時標寄存器。PIE、AIE、UIE：分別為周期中斷、報警中斷、更新周期結(jié)束中斷允許位。各位為“1”時，允許芯片發(fā)相應的中斷SQWE：方波輸出允許。1：按寄存器A速率選擇位確定的頻率輸出方波；0：腳SQW保持低電平DM：進制選擇位。0：BCD碼；1：為二進制碼24/12：小時模式設置。1：24小時；0：12小時模式。DSE：夏令時服務位。1：夏時制；0：無效0CC只讀讀清0IRQFPFAFUF0000IRQF：中斷申請標志。變1，引腳變0引發(fā)中斷申請IRQF=PF·PIE+AF·AIE+UF·UIE。PF、AF、UF：分別為周期、報警、更新周期結(jié)束中斷標志位0DD只讀VRT位：芯片內(nèi)部RAM與寄存器內(nèi)容有效標志位。該位為“1”時，指芯片內(nèi)部RAM和寄存器內(nèi)容有效。讀該寄存器后，該位將自動置“1”。BIT6~BIT0位：保留位。讀出的數(shù)值始終為00E~31HRAM32H世紀NA19/2033H~7FHRAM表4—3（2）寄存器A輸出速率選擇位：寄存器A輸出速率選擇位32768Hz時基RS3RS2RS1RS0中斷周期SQWF輸出頻率0000無無00013.96625ms256Hz00107.8125ms128Hz0011122.07us8.192kHz0100244.141us4.096kHz0101488.281us2.048kHz0110976.562us1.024kHz01111.953125ms512Hz10003.90625ms256Hz10017.812ms128Hz101015.625ms64Hz101131.25ms32Hz110062.5ms16Hz1101125ms8Hz1110250ms4Hz1111500ms2Hz表4—4更新周期：每秒鐘將產(chǎn)生一個更新周期，芯片處于更新周期的中的UIP位為“1”。讀時間：方法1：利用更新周期結(jié)束發(fā)出的中斷，中斷UF=1，可讀并送到RAM方法2：A中的UIP位A、B、C、D、RAM任何時刻讀寫初始化：B的SET先寫1、DM數(shù)據(jù)方式設置以避免更新寫/設置00~09、A，讀C清中斷標志讀D，VRT位將自動置“1”，最后將狀態(tài)寄存器B中的SET位置“0”，芯片開始計時工作。初始化后應清除SET，實現(xiàn)計時鬧鐘：時、分、秒有效：每天到刻會產(chǎn)生中斷不關(guān)心碼，在時鬧鐘單元寫入C0H~FFH之間的數(shù)據(jù)，可每小時產(chǎn)生一次中斷；在時、分鬧鐘單元寫入C0H~FFH之間的數(shù)據(jù)，可每分鐘產(chǎn)生一次中斷；時、分、秒鬧鐘單元全部寫入FFH，則每秒鐘產(chǎn)生一次中斷。4．6.4DS12C887應用：在各種設備、家電、儀器、工業(yè)控制系統(tǒng)中，可以很容易地用DS12C887來組成時間獲取單元，以實現(xiàn)各種時間的獲取。下圖是用8031單片機和DS12C887的基地址為7F00H，相應的程序采用C51語言編寫（以INTEL工作模式為例）。由8031單片機和DS12C887構(gòu)成時間獲取電路的初始化程序如下：XBYTE[0x7F00+0x08]=0x82；XBYTE[0x7F00+0x0A]=0Xa0；XBYTE[0x7F00+0x0A]=0X20XBYTE[0x7F00+0x0B]=0X02圖4—134．6.5硬件電路：本系統(tǒng)中DS12C887的RAM和各專用寄存器的訪問，可以用片選地址選中DS12C887，其與AT89C51接線圖：時鐘芯片DS12C887共有24個引腳，主要引腳分別為：DS數(shù)據(jù)讀信號端R/W數(shù)據(jù)寫信號端AS地址鎖存信號端CS選通信號端，低電平有效MOT計算機總線選擇端RESET復位端AD0～AD7地址/數(shù)據(jù)（雙向）總線。硬件電路框架圖：圖4—144．6.6軟件設計：在使用DS12C887時，首先要初始化，以后除校時外，上電時不用每次都初始化，在第一次初始化時，應禁止芯片內(nèi)部的更新周期操作，即先將寄存器B的SET位置“1”，然后初始化時標寄存器（00H～09H）和寄存器A，再通過讀寄存器C，消中斷標志，讀寄存器D將VRT位置“1”，最后將寄存器B的SET位清“0”，芯片開始計時工作。4．6.7儲存功能：DS12C887芯片作為時鐘芯片，同樣具有儲存功能，以下就是是DS12C887功能表：表4-5圖4—14上圖就是DS12C887的電路圖，在本次設計中起到的作用對時間進行控制并記數(shù)，使得數(shù)碼管能夠準確的顯示用電的時間。4．7.1工作原理：電路是充分利用芯片的儲電功能，在掉電后，通過芯片的存儲電量給整個系統(tǒng)供電，以維持一段系統(tǒng)工作時間，在這個過程中將需要保護的數(shù)據(jù)寫入中心控制處理器中。處理器進行中斷處理，對需要保護的數(shù)據(jù)通過總線寫入中心處理器中，寫入過程所需要的時間同寫入的數(shù)據(jù)量有關(guān)。來電后，微處理器必須延時一段時間，保證外圍芯片也達到正常工作電壓，然后讀出數(shù)據(jù)，恢復掉電前的狀態(tài)。在系統(tǒng)開機過程中，電源電壓上升到系統(tǒng)復位門限電壓Vrst之前，比較器一直輸入低電平的復位信號RESET使單片機系統(tǒng)處于復位狀態(tài)，系統(tǒng)程序沒有運行，不會出現(xiàn)CPU對外部擴展RAM的非法寫操作。此復位信號還使RAM芯片的片選信號CS的傳輸門出入斷開狀態(tài)，使RAM的片選信號的傳輸被禁止，這時RAM芯片的片選引腳的狀態(tài)與系統(tǒng)地址譯碼器的輸出無關(guān)，而被上拉電阻拉至高電平狀態(tài)。所以在電源電壓上升過程中，RAM中的數(shù)據(jù)不會被非法改寫。電源電壓上升超過復位門限電壓之后，比較器輸出的復位信號釋放，程序開始運轉(zhuǎn)，同時連接到地址譯碼器與RAM片選信號之間的開關(guān)導通，系統(tǒng)可以完成對RAM芯片的正常讀寫操作。須說明的是，由于單片機系統(tǒng)的很多接口芯片從復位狀態(tài)到工作狀態(tài)需要一定的時間，不同的芯片恢復時間往往不同為了保證系統(tǒng)硬件能夠正常運轉(zhuǎn)，很多實際系統(tǒng)在電源電壓上升至復位門限電壓之后，不立即運行工作程序，而是通過硬件或軟件延時一定的時間（如10-200ms），等系統(tǒng)充分穩(wěn)定以后才開始運行工作程序。在系統(tǒng)掉電或開關(guān)機過程中，當電源電壓下降到系統(tǒng)復位門限時，比較器立即輸出低電平的復位信號，使系統(tǒng)進入復位狀態(tài)，同時使RAM芯片的片選信號CS的傳輸門斷開，RAM的CS引腳通過上拉電阻保持高電平狀態(tài)，從而使RAM中的數(shù)據(jù)也不會被非法改寫本設計利用以上的電路完成對RAM芯片的片選信號封鎖，使RAM芯片中的數(shù)據(jù)無論在系統(tǒng)上電或掉電過程中都不會被改寫，從而使RAM的數(shù)據(jù)得到可靠保護。第五章軟件流程圖5．1軟件流程圖敘述：軟件流程圖是根據(jù)以下的思路完成的：用AD7755對電能和脈沖進行轉(zhuǎn)換，并傳送到cpu芯片，用cpu芯片對時間和電能的顯示進行控制計量，然后顯示在數(shù)碼管上。為了能夠達到系統(tǒng)的完整和實用性，在系統(tǒng)的外部加上外部寄存器進行斷電保護，使系統(tǒng)能夠在斷電時保持原來的狀態(tài)。Cpu控制串行通路和遠程控制芯片，使系統(tǒng)能夠完成遠程控制，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化。主程序主要系統(tǒng)初使化和進行電力參數(shù)數(shù)值的計算，同時判斷發(fā)送標志字。如果是發(fā)送標志字，則通過串行口發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機；否則進行數(shù)碼管顯示。上位機和單片機采取主問從答方式。定時中斷程序中定時關(guān)閉，以便進行處理，和對數(shù)據(jù)的保存，然后給定時器個計數(shù)器清零，打開定時器重新記數(shù)。最后進行電能的顯示。5．2軟件流程圖結(jié)論本次設計是一個歷經(jīng)兩個多月的時間的系統(tǒng)設計，本次設計主要是對AD7755在電表有功電能測量中的應用的，其中是通過對小區(qū)電能的智能管理系統(tǒng)進行分析和研究得來得，有利于智能小區(qū)的建設和供電部門的管理的系統(tǒng)，本次設計最大的特點就是與人們的生活緊密結(jié)合，很好的做到了理論和實際相結(jié)合。這次畢業(yè)設計使我對電能的測量應用有了一