毕业设计（论文）-基于CS5463的单相电表的设计.doc

山山 东东 科科 技技 大大 学学 毕业设计毕业设计 题 目 基于 cs5463 的单相电表的设计 学 院 名 称 电气信息系 专 业 班级 电气自动化技术 07-1 学 生 姓名 学 号 0703021615 指 导 教 师 摘要摘要 随着国民经济的发展,智能电表应用愈来愈广泛,智能电表在日本和 欧美等发达国家已有了广泛的应用。本系统以高精度电表集成电路 cs5463 为计量核心、以 51 单片机为控制核心，并辅以必要的外围电路， 可以精确地测量电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数、 电量等各种单相电参数。系统主要包括采集模块、信号调理模块、计 量模块、控制模块、时钟模块、显示模块等。同时还可以进一步实现 预购置电量设置、分时段计量、超限保护、语音报警、打印以及与上 位机通信功能。 关键词：高精度、电测量、51 单片机系统 目录目录 1.绪论 4 1.1 课题来源及背景4 1.2 国内外智能电表应用现状5 1.3 主要研究内容5 2.系统的总体设计方案 6 2.1 总体系统方案设计选择6 2.2 硬件方案设计10 2.2.1 信号的采集与调理10 2.2.2 显示模块12 2.2.3 电源模块15 2.2.4 充电时钟模块16 2.2.5 语音模块17 2.3 软件功能设计18 2.3.1 系统主程序设计18 2.3.2 spi 串行总线 .19 3.系统测试 22 3.1 系统测试概述22 3.2 系统测试指标23 4.总结 23 5.致谢 24 6.参考文献 25 1.绪论绪论 1.1 课题来源及背景课题来源及背景 ic卡是集成电路卡(integrated circuit card)的英文简称。在有些国 家和地区也称之为智能卡、灵巧卡(smart card)、智慧卡，甚至微电路 卡、微芯片卡(microchip card)等。将一微电子芯片镶嵌于符合is078 l 6 标准的pvc(或abs等)塑料基片中封装成外形尺寸与磁卡类似的卡片形 式，即制成一张ic卡。当然也可封装为钮扣、钥匙、饰物等特殊形状f4。 1 972年法国人罗兰莫雷诺 首先提出ic卡的设想，l 976年法国布尔 (bull)公司研制出世界第一枚ic卡产品，并将这项技术应用到金融、 交通、医疗、身份证明等多个行业，它将微电子技术与计算机技术结 合在一起，提高了人们生活和工作的现代化程度。从此，ic卡技术迅 速发展，已经形成一个涉及全球众多著名电子巨头的新兴技术产业。 国际标准化组织(iso)与国际电工委员会(i ec)的联合技术委员会为之制 定了一系列国际标准、规范极大地推动了ic卡的研究和发展。目前， ic卡的应用已遍布全球。小小卡片与相关设备组成系统，就能为人类 提供非常丰富的服务功能，产生意想不到的奇迹，创造出巨大经济效 益和社会效益。 1.2 国内外智能电表应用现状国内外智能电表应用现状 在信息技术迅速发展的今天，公共事业收费实现网络化、智 能化的呼声越来越高，特别是住宅小区，将个人用户的电表、水表、 煤气表，实现远程集中式抄表，形成家庭智能化管理，提高物业管理 水平，减少劳动强度是未来发展的必然选择。随着电子技术的快速发 展和国家相关政策的推动，民用计量仪表的智能化是必然的发展方向。 这不仅是我国的一种趋势，也将成为世界性的一种趋势。国家要求在 电表改造方面要实现供电部门和用电部门、居委会或物业管理部门在 供用电管理的规范化、自动化和收费网络化。ic 卡智能电表解决了传 统手工抄表方法存在的速度慢、可靠性差、自动化程度低等问题。经 过几年的实际应用，收到了较好的效果，已成为我国用电管理的主流。 政府也肯定了近几年，ic 卡智能电表呈现出健康、稳定的发展态势。 因此，智能 ic 卡表将是发展的主流。 ic 卡预付费电能表以 ic 卡安全技术为核心，实现了售电和供 电的智能化管理，达到一户一表、先买后用的目的，杜绝了费用拖欠 和流失现象，同时保证了销售和供应过程的可靠性和安全性，防止恶 意攻击和欺诈行为，使得整个预付费系统应用置于供电局的安全控管 之下。 1.3 主要研究内容主要研究内容 本系统以高精度电表集成电路 cs5463 为计量核心、以 51 单片 机为控制核心，并辅以必要的外围电路，可以精确地测量电压、电流、 频率、有功功率、无功功率、功率因数、电量等各种单相电参数。系 统主要包括采集模块、信号调理模块、计量模块、控制模块、语音模 块、通信模块等。同时还可以实现预购置电量设置、分时段计量、超 限保护、语音报警、打印以及与上位机通信功能。 2.系统的总体设计方案系统的总体设计方案 2.1 总体系统方案设计选择总体系统方案设计选择 方案一： 利用单片机采样信号并且计算得出相应参数 （1） 简要框图： 图 1 方案一系统框图 （2）原理概述 单相电电压、电流经调理电路调整为 adc 可以采样的电压，然后 用两个 ad 在一个信号的周期内采样固定的点，采样时钟由锁相倍频电 路提供。将采样的得到的数据进运算，得出相应的电能参数。 相关公式有： 电压有效值 ，电流有效值 ， 2 ( ) 1 1 i i i uu n 2 ( ) n 1 1 n n ii n 有功功率 ，视在功率 ( )( ) 1 1 n nn n pui n sui 功率因数 cos/p s 频率测量采用测周法，调理信号经过零比较给fpga或单片机中断， 计算单位时间内脉冲次数，从而得到频率。 这种方案是通常的信号分析与处理的方法，可以方便地得出题目 所要求的电流、电压、有功、无功等参数。但是采用这种方案要求 mcu 进行大量的数学运算，且单片机的截断误差影响较大，使得最终的结 果不会很精确。此外，数学运算会占用大量的 mcu 时间，使得我们很 难去完成其他的附加功能。而且该方案使用了较多的硬件模块，不仅 不便于调试，而且成本较高。 方案二方案二 采用集成的电参数测试芯片采用集成的电参数测试芯片 cs5463cs5463 （1）芯片介绍 cs5463是cirrus logic公司推出的高精度电表集成电路，可用于单 相或多相多功能电能表的计量处理。cs5463内部集合两通道模-数 转换器、功率计算、电能到频率的转换和一个串行口等， 可以精确测 量瞬时电压、电流和计算irms、vrms、瞬时功率、有功功率和无功功 率等，还具有温度传感器、电压下降检测、相位补偿功能，而且微控 制器很方便用双向串行接口控制。另外，cs5463可以增益调整，自带 温度传感器、数字滤波器分别消除温漂误差和滤出高次谐波，cs5463 还可已自动增益校准、偏移校准和相移校准。 引脚功能 va+/va-：正负模拟电源，+5 v/0 v 或+2.5 v/-2.5 v 供电； vd+/dgnd：和数字地，+5v/0v 供电； pfmon：掉电监视器，监视模拟电源状况。 vin+/vin-：电压通道的差模模拟输入，范围是250mv； iin+/iin-：电流通道的差模模拟输入，范围是50 mv(pga 设 置为 50时)； vrefin/vrefout：参考电压输入/输出，为片上调制器提供参考 电压及其输出，通常为 2.5 v。 modb 模式选择，用于配置 cs5463 自引导模式； reset/int：复位及中断； cs：片选信号，为低电平时，端口可识别串行时钟等信号。 sclk：串行时钟输入，该时钟信号确定 sdi、sdo 的输入/输出 速率，只在 cs 低电平时有效； sdi/sdo：串行数据输入/输出； e1/e2/e3(eout)：能量输出，输出低电平有效、频率和能量成 比例关系的脉冲，3 个引脚分别对应有功功率、视在功率和无功 功率。 图 2 cs5463 内部原理图 如上为cs5463的内部原理图，从上图易知：cs5463的测量原理其 实是对方案一的一种集成。从信号的采集到存储、滤波调理、运算， 全部由芯片自动完成，单片机只需要通过串行接口对cs5463进行合理 的初始化即可。 （2）简要框图 图 3 方案二系统框图 如图，电流、电压信号经调理电路后直接输入cs5463集成芯片中。 mcu通过对cs5463进行操作，即可方便地完成要求参数的测量。这样大 大地减轻了单片机的负担，从而可以节省出指令周期来完成一些其他 的更加实用的功能。而且外部的调理可以使用低成本的分流器或互感 器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。与方案一相比， 大大的降低了信号调理的难度和复杂度。从稳定性方面考虑，集成芯 片的性能往往更为可靠。 综上所述，我们决定采用方案二。 2.2硬件方案设计硬件方案设计 2.2.1 信号的采集与调理信号的采集与调理 信号调理分为电流调理和电压信号调理两部分，原理图如图 4。 测量仪同两个电流式互感器将单相电中的电压、电流信号转为小的电 流信号，op07 和一个电阻 i/v 转换，得到可供 cs5463 测量的低压信 号。选用的 op07 是一种低噪声高精度运放， 3v 22v 宽电压 供电而且失调电压小。 图 4 （1）电压调理电路，大电压信号通过 2a/2ma 的互感器 spt204b 转 为小电压，经实验该互感器在 10khz 以下无明显衰减，不会对电信号 50 次内谐波成分有影响。互感器一次侧接 2 个 150k 的电阻，副边上通 过 op07 负输入和输出端之间的电阻 r1 将电流信号转化为电压信号。 考虑到 cs5463 差模输入电压为 150mv，r1 取 100，便可实现 0450v 范围测量，互感器原、副边电流为 1.5ma。 增加 c1 是为了对互感器产生的相位变化进行补偿，另外 cs5463 也可进行小角度校验。r3 和 c2 可滤除 15khz 以上的信号。 低通滤波截止频率 = =15.9k 12 f rc 6 1 6.28 100 10 （2）电流调理电路，为扩展 020a 的测量范围，经输入电流按 01a、120a 分为两档。cs5463 测电流一路内带 10、 50 两档，因 此外部硬件不必再分档就可实现宽范围精确测量。系统设计中， 020a 电流经 20a/20ma 互感器 sct220b 缩小，r2 进行 i/v 转化，r2 取 7.5，cs5463 电流测量差模输入电压为 0150mv，01a 时采用 50。两档用继电器 t3 和中间继电器 t2 切换，小电流一路接 lm311 组 成的过压比较器，当电流超过小档位上限时，单片机中断迅速切换档 位。电路中 c4、c3、r5 作用与电压调理电路部分的相同。 cs5463 模拟电源输入端口 va+接 5v,为与 ttl 电平匹配，数字 电源输入端口 vd+接 3.3v。电压差模输入负端 vin- 接地，正端接调理 后电压信号； cs5463 接线图 电流差分输入负端与地相连，正端接调理后电流信号。cs5463 控制 引脚以及串口引脚、能量脉冲数出引脚(e1、e2、e3)与单片机相应端 口相连。 原理图中 t1 为关断电路供电的继电器，由 p2.6 端口控制，实 现预购电量不足或过压、过流时切断电路。t1 为中间继电器驱动大继 电器模式，原理图中只为示意。 2.2.2 显示模块显示模块 液晶显示模块采用 hs-12864，该液晶的特性主要由 st7920 决定， st7920 同时作为控制器和驱动器，它可提供33 路com 输出和64 路 seg 输出。在驱动器st7921 的配合下，最多可以驱动25632 点阵液 晶。 hs12864的指令集如下图所示： hs-12864 指令集指令集 该液晶具有spi串口，其串口的时序图如下图所示： 液晶串口时序图 psb 接低时,串口模式被选择。在该模式下，只用两根线(sid 与 sclk)来完成数据传输。当同时使用多颗st7920 时，cs 线被配合使 用，cs 是高有效。st7920 的他不时钟sclk 有独立的操作时序，当 多个连续的指令需要被送入时，指令执行时间需要被考虑。必须等待 上一个指令执行完毕才送入下一个指令，因为st7920 内部没有传送/接 收缓冲区。 一个完整的串行传输周期由以下部分组成： 首先送入启动字节，送入 5 个连续的“1”用来启动一个周期，此 时传输计数被重置，并且串行传输被同步。紧接的两个位指定传输方 向（rw，确定读还是写）和传输性质（rs，确定是命令寄存器还是数 据寄存器） ，最后的第八位是一个“0” 。送完启动字节之后，可以送入 指令或是显示数据（或是字型代码）。指令或者代码是以字节为单位 的，每个字节的内容（指令或数据）在被送入时分为两个字节来处理： 高四位放在第一个字节的高四位，低四位放在第二个字节的高四位。 无关位都补“0。 液晶的串行接线图如下图 5 图 5 图 5 2.2.3 电源模块电源模块 电源模块主要采用芯片 7808、7905 芯片构成，用 78/79 系列 三端稳压 ic 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、 过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该 系列集成稳压 ic 型号中的 78 或 79 后面的数字代表该三端集成稳压电 路的输出电压，如 7806 表示输出电压为正 6v，7909 表示输出电压为 负 9v。 图 6 上图为电源模块的接线图，由上图可知我们可以得到+5/-5v 的电 源电压，以便给单片机供电。其中 3.3v 的电压可通过 1.6k 和 3.3k 的 电阻分压得到。 2.2.4 充电时钟模块充电时钟模块 系统要求分时计量以及延时报警，就需要时钟保持芯片，模块采用 ds1302。ds1302 是 dallas 公司推出的涓流充电时钟芯片内含有一个 实时时钟/日历和 31 字节静态 ram 通过简单的串行接口与单片机进行 通信实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、日期、月年的信息每月 的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过 am/pm 指示决定采用 24 或 12 小时格式 ds1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方 式进行通信仅需用到三个口线 1 res 复位 2 i/o 数据线 3 sclk 串行 时钟时钟/ram 的读/写数据以一个字节或多达 31 个字节的字符组方式 通 ds1302 工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于 1mw。 图图 7 7 其接线图如图 7 所示，仅仅需要 3 个串口线就可以实现对给芯片的 控制，大大节省了 p 口资源。 2.2.5 语音模块语音模块 系统增加语音功能，用以报警和语音提示。模块采用 isd4004 芯片， 无须 a/d 转换和压缩就可以直接储存，没有 a/d 转换误差，在一个记 录位（bit）可存储 250 级声音信号，相当于通常的 a/d 记录的 8 倍。 片内集成了晶体振荡器、麦克前置放大器、自动增益控制等，只要很 少的外围器件，就可以构成个完整声音录放系统。芯片接线如下： 图 7 isd4004 接线图 isd4004 采用 3.3v 供电，13 管脚是模拟语音信号的输出端，输 出的语音信号通过 lm386 功率放大器放大。 spi 串口与单片机相应引 脚相连。 如果从 00 处录音,则按以下时序: 1. 发 power up 命令; 2. 等待 tpud(上电延时); 3. 发 power up 命令 4. 等待 2 倍 tpud; 5. 发地址值为 00 的 setrec 命令; 6. 发 rec 命令。 器件便从 00 地址开始录音,一直到出现 ovf(存贮器末尾)时,录音 停止。 若从 00 从处发音,应遵循如下时序: 1. 发 powerup 命令; 2. 等待 tpud(上电延时); 3. 发地址值为 00 的 setplay 命令; 4. 发 play 命令。 器件会从此 00 地址开始放音,当出现 eom 时,立即中断,停止放音。 该芯片也可从指定的地址开始录音/放音，然后到指定的地址结束，即 可以实现分段的录放音功能。 2.3 软件功能设计软件功能设计 2.3.1 系统主程序设计 系统软件的设计具体也可以分为以下几个部分：cs5463 的初始 化及数据的读取、51 单片机数据处理、数据的显示。 总体框架图如图 8： 图 8 程序的主流程图如图 9 图 9 单片机基本部分是对 cs5463 操作，读取电压电流有效值、 功率、功率因数、频率，通过累计 cs5463 的 e1、e2、e3 端输出的脉 冲得到各种电量，并用 lcd 或数码管显示。在此基础上单片机操作相 应模块实现分时段计量、超限保护、语音报警、打印以及与上位机通 信。 2.3.22.3.2 spi 串行总线串行总线 cs5463 的串行接口使用了包括 2 条控制线 cs、sclk 和 2 条数据 线 sdi、sdo 的外接方式。串行接口集成了带有发送、接收缓冲器的状 态机，状态机在 sclk 的上升沿解析 8 位命令字，根据对命令的解码执 行相应的操作，或者为被寻址的寄存器的数据传输做准备，内部寄存 器都是 24 位。读操作需将被寻址的内部寄存器的数据传送到发送缓冲 区；写操作在数据传输前要等 24 个 sclk 周期。 所有的命令字长度均为 1 个字节。写寄存器命令后必须紧跟 1、2 或 3 个字节的寄存器数据；读寄存器命令则发出 3 字节的寄存器数据。 图 2 和图 3 分别示出串口缓冲区的读、写时序。 sdi 向外发送数据 子程序：write： mov b，#08h clr cs nop write_1: rlc a mov sdi，c setb sclk nop nop clr sclk jz b，write_1 ret sdo 接受数据 接受数据子程序： reda： mov b，#08h setb sdi clr cs redd_1：mov c，sdo rlc a setb sclk nop nop clr sclk jz b，read_1 clr sdi nop nop ret 数据的读和写通过向串口 sdi 引脚写入相应的 8 位命令字(高位在 前)来启动。当命令包含写操作时，串口将在下面 24 个 sclk 周期记录 sdi 引脚的数据(从高位开始)。寄存器写指令后必须跟 24 位的数据， 一旦收到数据，状态机便将数据写入配置寄存器，然后等待下一个命 令。启动读命令后，串口将在下 8 个、16 个或 24 个 sclk 周期启动 sdo 引脚上的寄存器进行内容转移(从高位开始)，寄存器读指令可以终 止在 8 位的边界上。读寄存器时，微控制器可以同时发送新指令，并 立即执行新指令，同时终止读操作。 3.系统测试系统测试 3.1 系统测试概述系统测试概述 为将电流测量范围扩展到 020a，如果单纯采用电流互感器的话 会导致在信号较小的时候带来较大的测量误差。因此电流采用分档测 量，当电流在 01a 的时候，自动切换档位至小信号档。而电压信号 则未采取分档，主要是由于电压信号一般较大，而且电压互感器的特 性相对较好。 电流、电压信号经调理电路后直接输入 cs5463 的输入端，cs5463 根据初始化的设置自行对信号进行处理，计算出电流、电压、功率等 参数，计算完成后产生一个中断。继而单片机响应中断，在中断服务 程序中读出结果，并在液晶上显示出来。 为了使系统具有良好的人机接口，故设计了多种人性化的用户接 口模块，这些模块全部挂接在单片机上，由单片机进行统一的操作和 调度。键盘用于显示的切换和功能设置；液晶主要用于测量参数及菜 单的显示；语音是为了提供更好的人机交互；可以增加通信接口，可 用于驱动微型打印机，实时打印测量结果，也可以设置为上位机通信 模式，通过 rs232 接口将测量结果传送至上位机，以进行更加灵活的 处理。 需要注意的是，在系统的测试之前，一定要先对 cs5463 进行校准， 以减小测量误差，提高测量精度。 3.2 系统测试指标系统测试指标 根据设计的要求，可以得到各项电参数的测量精度以及要求如 下： 电压测量范围 0300v 误差0.23% 电流误差 010a, 误差0.25% 有功功率测量误差0.3% 频率测量误差0.1% 功率因数误差0.3% 有功功率、无功功率、功率因素的测量。 4.总结总结 该设计可以实现基本的电压、电流、功率的测量，而且可以扩展 部分功能，如语音报警、定时计量等功能。在使用 cs5463 的过程中， 我发现该芯片还具有很好的线性度，测量精度高，功耗低，测量电压 范围可以在 0450v，电流测量范围 020a。同时，该芯片还可以测 量瞬时电压、瞬时电流、无功功率等各项电参数。该芯片与 cs5460 相 比，增添了更多的功能，而且具有片上温度传感器，可以测量实时的 温度。在这次的毕业设计中，我学到了很多课本中不成学到的知识， 自己的实践能力、动手能力、分析问题、解决问题能力得到了很大的 提高。使我认识到光是学会课本的知识，而不知道、不会应用是毫无 用处的，应该理论联系实际，在动手实践中不断的学习、提高。 在这次的毕业设计中，遇到了许多的问题，下面的几个是自己以 前忽略但在这次的毕业设计中遇到的几个重要问题：在信号的采集部 分，电阻、电容的大小一定要经过规范的计算，考虑其各项的参数， 特别的最大能承受的功率这个问题，不然会很容易烧坏元器件的；在 使用一款芯片时，应该搞清该芯片的具体功能，及如何应用，先整体 了解然后用到那个功能在研究那个就可以；注意单片级管脚的驱动能 力及信号的隔离；在程序的编写过程中，可以在满足系统所要求的精 度下，对数据进行简化的处理，这样可以大大的提高程序的执行效率。 5.致谢致谢 这次毕业设计得到了很多老师、同学和同事的帮助，其中刘明老 师对我的关心和支持尤为重要，每次遇到难题，我最先做的就是向刘 老师寻求帮助，而刘老师每次不管忙或闲，总会抽空来找我面谈，然 后一起商量解决的办法。 另外，感谢校方给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课题， 并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在即将离校的最后一 段时间里，能够更多学习一些实践应用知识，增强了我们实践操作和 动手应用能力，提高了独立思考的能力。再一次对我的母校表示感谢。 感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给 予过我帮助的伙伴们。正是因为有了你们的帮助，才让我不仅学到了 本次课题所涉及的新知识，更让我感觉到了知识以外的东西，那就是 团结的力量。 最后，感谢所有在这次毕业设计中给予过我帮助的人。 对上述朋友，再一次真诚地表示感谢！ 6.参考文献参考文献 1、张鑫、单品机原理与应用，电子工业出版社，2008/11 2、赵景波、王劲松 protel2004 电路设计，电子工业出版社，2007/4 3、康华光 电子技术基础，高等教育出版社，1998/4 4、魏立峰，王宝兴.单片机原理与应用技术.北京大学出版社，2006 5、胡汉才.单片机原理及其接口技术.北京:清华大学出版社，2002 6、沈德金.cs-51 系列单片机接口电路与应用程序实例.北京:航空航天 大学出版社，2001 7、苏凯，刘庆国，陈国平.mcs-51 系列单片机系统原理与设计. 北京: 冶金工业出版社，2003 附录附录 t1 t2 150k r1 150k r22 d1 2 3 1 4 a 11 u2a op07 d2 d3 2 3 1 411 a u1a op0