毕业设计（论文）-学生公寓多用户电能计量控制系统设计.doc

本科生毕业设计（论文）摘 要目前用于学生宿舍、公寓的电能计量控制系统在全国大部分高校中已普遍使用，但大部分采用以房间为单位计费，然后均分到个人的计费方法，该方法不能实现对学生个人用电计费，收费困难，易造成学生间的矛盾，因此如何科学合理地对学生公寓进行电能管理是一个亟待解决的重要课题。本课题分析了当前国内居民小区和学生宿舍电能计量管理的现状，根据学生公寓用电管理的实际情况，设计了一种带身份识别的学生公寓电能计量控制系统。该系统由现场级和管理级两级组成，本文详细阐述了现场级模块的软硬件设计方案。现场级以专用电能计量芯片ad7755和带有a/d转换功能的微处理器80c196kb以及身份识别电路（ic卡预付电费电路）为核心，实现个人用电计量、类阻性发热负载识别、公寓用电情况的监视等，并通过rs-485与上层管理级通信，完成对公寓用电情况的统计和管理。本文的创新点在于先刷卡识别身份再用电的管理模式。设计中给宿舍内的用户每人分配一条用电支路，用电时用户先刷卡，通过身份识别后，该用户的用电支路接通（通过继电器控制通断），其电源插座可插接电器，然后系统将对其用电情况进行计量与控制。当用户超过一定的时间未用电时，系统将自动关断该用电支路，以达到节电、安全用电，并防止其他用户窃电的目的。本系统解决了电费均分难、恶性负载识别难、用电情况实时监测等问题，实现了学生公寓用电的现代化和自动化管理。关键词：电量计量；身份识别；恶性负载识别；ic卡abstractuniversity student hostels currently prevailing own apartment management, how scientific and reasonable for students villas energy management is to be resolved into one of the important topics.this paper analyzes the domestic civilian and area energy management system based on the status of student apartments and electricity management in the actual situation, a design with the identification of student apartments intelligent power management system. the system can spot and the management level two components. field level through a dedicated power measurement and ad7755 chip with a/d conversion function of 80c196 embedded microprocessor kb and the identification circuit (ic circuit prepaid electricity) as the core personal consumption data measurement, real-time dynamic type identification resistive heating load for the right side of the apartment monitor, investigate unusual electricity, thereby effectively limiting the use of students, such as faster heat, furnace son, incandescent easy use of fire appliances, communication through the completion of the apartments electricity consumption statistics and published; the upper management level pc at the core. through telephone lines or lan communications at any time acquisition bottom pc data resources, through the completion of various statistical database, analysis, can be kept informed of the entire campus apartment finally, the harmonic grid data energy and complete clearing business. this paper elaborates on the module-level design of software and hardware, anti-interference, ic card prepaid electricity circuit, communication protocol and vicious load identification theory, users must have the money to be put aside a certain amount of electricity to electricity, avoid the tariff arrears, when calculating the balance of the customer or have insufficient arrearage. scm is this balance of power failure or lack of alarm control; the system also has a card to restore function, when the user less than the balance remaining tariffs, first alarm, and when users balance of a serious shortage of electricity, power outages to the user. credit cards can be conducted at this time to restore electricity, and only credit once.adoption of this study successfully resolved the difficult tariff equalization, vicious load identification difficult. electricity consumption to real-time monitoring, and other problems that the student dormitories modernization and automation energy management program. key words： electric power measurement；identity recognition；malignant load identification；ic card目 录第1章 绪 论11.1 电能计量、管理概述11.1.1 电能计量装置11.1.2 集中式电能计量、管理21.2 课题的背景及意义31.3 本课题的设计任务与要求4第2章 方案设计与论证52.1 电能计量系统方案设计52.2 身份识别（预付费）系统方案设计7第3章 系统总体设计93.1 总体设计思想93.2 系统的总体结构及原理方框图9第4章 系统硬件电路及工作原理114.1 单片机及外围电路设计114.1.1 cpu的选择114.1.2 系统存储器的扩展124.2 电能计量电路的设计144.2.1 电能计量的基本原理144.2.2 电能计量芯片ade7755154.2.3 电能计量的硬件电路194.2.4 电能存储器204.3 身份识别电路的设计204.3.1 mf rc500的特性214.3.2 mf rc500的内部结构214.3.3 mf rc500与单片机的接口224.3.4 mf rc500与天线接口设计234.4 智能开关的设计244.5 负载识别模块的设计254.5.1 设计原理254.5.2 具体实现274.6 其他电路的设计284.6.1 报警电路284.6.2 键盘电路294.6.3 显示电路294.6.4 串行通讯314.6.5 up监控电路324.6.6 工作电源34第5章 系统软件设计说明355.1 总体软件设计355.2 各主要模块程序流程35第6章 经济效益分析44第7章 总结45参考文献46致 谢48附 录49附 录62附 录66v第1章 绪 论1.1 电能计量、管理概述随着电力市场的发展，电力改革的深入，电力系统已经开始由计划经济向市场经济转变，这对电能的计量及管理提出了新的要求。对用电管理部门来说，最关心的不外乎三个问题：电量的计量、电量信息的采集、电费的收缴。而在其中起关键作用的是电能计量装置，因为它直接关系到供需双方的经济利益，而且先进的电能计量装置对于管理效率的提高、用电管理系统的扩展都大有裨益。1.1.1 电能计量装置电能表是一种计量某一段时间内通过的电能的累积值的表计。电能表经历了从感应式到电子式，从单一的计量功能到集计量、控制、通讯等多种功能于一身的发展阶段。从总体来看，目前的计量表计是感应式、电子式电能表并存，但长远来说电子式电能表取代传统的感应式电能表是大势所趋。感应式电能表由测量部分和辅助部分构成，测量部分包括驱动元件、转动元件、制动元件、轴承、计度器和调整装置；辅助部分由基架、端钮盒和表壳组成。当有电流通过时，其电压和电流线圈就将交变的电压和电流转变为交变的磁通，以此来驱动转动部分（圆盘）旋转，计数部分记录圆盘所转动的圈数，并将其转换成相应的电能量显示在计度器上。感应式电能表具有可靠性高、制造简便、价格便宜等优点，其制造技术已经非常成熟。但随着人们对计量要求的提高，感应式电能表在使用过程中暴露出越来越多的缺点，比如功能单一、准确度低、频率范围窄等。到了20世纪60年代，为了扩展电能表的使用功能，出现了感应式脉冲电能表。这种表仍然采用了感应式电能表的测量机构，只是利用光电传感器将电能转换为电脉冲信号，通过电子电路对脉冲信号的计算与处理，完成电能的计量工作，它可以通过电子部分的各种变换来实现人们不同的实际需求。感应式脉冲电能表的出现极大地解决传统电能表功能单一的问题，电能表可以通过软件编程实现远程自动抄表、负荷控制参数的分散采集和存贮等功能，使得分时电价、需量电价等功能得到有效地实施和推广。但是，感应式脉冲电能表仅仅解决了电能表的功能扩展问题，而对表计的准确度低和频率适应范围窄的问题仍无能为力。随着科技的发展及信息时代的到来，数字化产品层出不穷，遍及生产、生活的方方面面，电能计量表计也不例外。1976年日本首先研制出了电子式电能表，带来电能计量装置的革命性变革。从结构上来看，电子式电能表可分为四个部分。第一部分：电压、电流输入回路，是将被测功率的电压和电流分别通过分压器和互感器变换为合适于电子式电能表乘法器所需要的小电压送至乘法器。第二部分：乘法器，是一个功率转换单元，当被测电路的电压电流分别加到其相应的输入端时，可转换成与被测电路相应的直流电压输出，送至变换器进行vf转换。乘法器是电子式电能表的核心，电子式电能表的测量原理就是使用它来实现功率和电能的测量，表计的测量精度也主要取决于它。第三部分：变换器，也称电压频率（vf）转换电路。因乘法器输出的是一个模拟量（直流电压），用电压表（数字式表）测量这个电压，用功率单位（w或kw）表示的测量结果就是功率数。测量电能时需将这个电压转换成相应的脉冲数，在一段时间内所累计的脉冲数才是要测量的电能量。第四部分：计数器，是将与功率成正比的脉冲数显示出来的器件。绝大部分采取液晶或led显示，也有通过步进电机推动齿轮用机械数字显示的。电能表电子化的实现和应用，使得电能表的功能从单一的电能量的计量向多功能化的方向发展。随着人们用电水平的不断提高和电能表制造技术的发展，已经形成了众多类型的电能表。如：多费率电能表（或称分时电能表、复费率表、峰谷表）、预付费电能表（或称ic卡表）、多用户电能表、多功能电能表等。1.1.2 集中式电能计量、管理在我国，民用电表的收费一直采用人工抄表、收费的方式，十分烦琐，而且容易出错。此外由于现在很多楼宇都装有防盗门锁，使得收费工作更加不方便。随着电能计量装置电子化的逐渐推广应用与普及，使得计量精度的提高、抄表/收费方式的改变、多功能/多用户的计量管理成为可能。现行的抄表、收费方式主要有以下三种：1、 人工抄表收费方式：为用户安装普通计量仪表，按固定的时间由管理人员上门抄表和收费。这种方式需要管理人员多，工作量大；优点是计量仪表成本低，收费方式容易被用户接受，基本上不存在用户电源被切断的问题。2、 自动抄表收费方式：为用户安装具有通讯能力的计量仪表，通过通讯网络系统自动完成用户计量仪表的数据抄收，再通过金融网点以自动或人工方式完成缴费。这种方式技术难度高，通讯网络建设及维护成本大；优点是自动化程度高，节省人力，也容易实现系统的实时监控。3、 ic卡收费方式：为用户安装具有ic卡接口的计量仪表，以ic卡作为传输介质在用户和管理部门之间传输信息，自动实现计量仪表的抄收以及缴费工作。这种方式成本较高，信息传输不及时，同时让用户充当了信息通道的角色。优点是实现了抄表、收费、控制的三位一体，彻底杜绝了欠费现象的发生，精简了管理人员，降低了管理费用。针对目前许多新型住宅电能表集中安装的特点，综合考虑不同抄表、收费方式的优缺点，考虑采用多个具有通讯接口的用户电能测量模块构成通讯网络，共用一套读卡/显示电路，以ic卡作为传输介质，配合上位机的管理软件，即可方便地构成一套多用户集中式电能计量/管理系统，很好地解决了计量、抄表、缴费等问题。而由多个用户共同承担智能化的投入，从而提高了性价比，平均每户造价仅略高于传统感应式电表。由此可见，使用电子式电能表，再配合相应的通讯电路及管理软件构成的计量管理系统，可以有效地提高电力部门或物业公司对用户进行科学管理的能力，减少大量的繁重劳动。1.2 课题的背景及意义自90年代以来随着大学校园学生公寓的普及，学生日常用电已逐步实行商业化管理，因此如何科学合理地管理学生公寓的用电情况是一个重要的研究课题。根据实际调查发现学生公寓的用电情况有以下特点：1、 各个大学的学生公寓用电管理方式基本相同，因此适合某个院校的电能管理系统稍经改动便可以推广到其他院校，因此开发研制一套适合学生公寓的只能用电管理系统具有广泛的社会意义和较高的经济价值。2、 随着学生公寓用电的商业化，越来越不便于学校对学生日常用电器的监督和管理，因此导致很多学生随意使用一些诸如电炉子、热得快等发热性负载（以下统称为恶性负载），时常导致一些公寓火灾，虽然目前已有一些比较成熟的远程抄表用电管理系统用于学生公寓，但还遵从一般的民用或小区管理模式，大都不具备恶性负载自动识别功能，即使具备也难以达到令人满意的程度，时常导致一些识别错误，给学校用电管理部门和学生造成很大的不便。3、 从近几年的应用情况来看，国内现有的校园电能管理方式比较单一，只能简单地记录用户的每月电量，再据此进行电费结算。随着全电子式电能表技术的逐渐成熟和电能管理日趋科学化的要求，学校对公寓用电的管理已不满足于仅仅对每月电能数据的抄录和电费的收缴，还要求每个学生的用电量由其所有的智能开关支路的耗电量决定，与其他学生的用电无关，从而达到收费公平、控制合理的目的。随着计算机技术、通信技术、信息技术的发展，我国的民用和城市小区电能管理已有很多比较成熟的方案，而大学公寓的用电管理却还刚刚起步，基本还是小区管理模式的简单移植，在很大程度上不适合学校电能管理的实际要求。针对以上情况，本文提出了带身份识别的公寓电能计量控制系统。1.3 本课题的设计任务与要求本设计充分考虑到学生公寓用电的实际特点以及现代电能管理的发展趋势，将电能记录、违章用电查处、电能检测和一对一收费，集中计量与管理等功能结合起来，实现了合理用电与科学管电相结合的目的。设计的基本技术要求具有巡回显示各用户剩余电费、用户通过ic卡预存电费及身份识别后方可用电、实现自动的欠费预报警和欠费断电、通过rs-485总线通信与上位机进行通信，从而实现校园用电系统的集中管理。精度要求为高于原模拟表的5%的指标。第2章 方案设计与论证带身份识别的公寓电能计量控制系统主要包括电能计量系统和身份识别（预付费）系统。电能计量系统完成了电能测量、电能值显示、超负荷断电等功能；身份识别系统即预付费系统主要是利用ic卡对用户的身份进行识别从而实现先付费，再用电。前者主要追求可靠性，后者要求高安全性。下面分别对其方案进行设计和论证。2.1 电能计量系统方案设计现有电能计量方案有以下几种：1、机械电子式前置通道采用原感应式电度表电路，通过对转盘转动圈数的计数来测量电能。具体方案是在转盘上涂上大约1宽的“黑条”在转盘的上方或下方设置一红外线发射接收对管。当红外线照射在“黑条”处，红外线被吸收，无反射，即接收管接收不到红外线；当红外线照在其他部分时，被反射，接收管能接收到红外线。这样转盘每转一圈，产生一个脉冲，再通过对脉冲的整形、计数、显示完成电能的计量。这种方案显示直观，读数容易。但它仍然具有机械式感应电度表的缺点，即耗电多、笨重。2、模数转换式对电流和电压分别采样，再通过a/d转换器转换成数字信号，然后送入单片机进行相乘运算。并在cpu中设置一个定时器定时对功率进行累加，其系统框图如图2.1所示。uii/u变换a/d转换cpu液晶显示器控制键盘ic卡卡座a/d转换ad0ad774ls37374ls37374ls37374ls245闭合开关8图2.1 模树转换式结构图3、电压频率转换式采用电压/频率（v/f）转换器加单片机实现对电流和电压的a/d转换。这样，模拟通道中本身的干扰信号被抑制。无须专门的a/d转换器，大大减少了硬件成本。cpu只需对v/f转换后的脉冲进行定时计数，便可测出电压和电流的数字量。同时，电压和电流分别经过零检测电路。将过零脉冲送cpu处理，得出电流和电压的相位差（），按公式计算，便得有功功率，再定时累加就是电能值。系统框图如图2.2所示。uii/u变换模拟开关过零检测过零检测v/f转换cpu液晶显控制键盘ic卡卡座图2.2 电压/频率转换式结构图这种方案cpu要实现读写卡控制、求功率因数（）、电能计量等功能、负担较重，一般的mcs-51、mcs-96和pic系列单片机难以胜任。4、功率累加式将端口电流和电压先送入模拟乘法器相乘，得到一个与功率成正比的模拟电压（或电流），再经过v/f变换（或i/f变换）变成频率信号。单片机对频率信号进行累加，便可得到电能。系统框图如图2.3所示。uii/u变换模拟乘法器低通滤波器v/f转换器cpu液晶显示器控制键盘ic卡卡座图2.3 功率累加式结构图这种方案不但兼有方案三的优点，而且对cpu的要求低，采用mcs-51系列单片机完全可以胜任。而且，现在已有集成电路（如：bl0932、ade7755）将模拟乘法器、低通滤波器和v/f变换器集成，其性能指标远远高于分立元件。基于以上分析，方案四明显优于其他三种方案。其中，模拟乘法器、低通滤波器和v/f变换器采用集成电路ade7755。cpu采用80c196kb，它内部有8kb的程序存储器。采用液晶显示器，可大大减少功耗，并且可显示汉字，使界面清晰、明了。2.2 身份识别（预付费）系统方案设计身份识别方案有以下几中：1、采用非加密存储器卡作为销售电能的传输媒介非加密存储器卡的卡内嵌入芯片为通用存储器芯片，其特点为卡内嵌入的芯片多为通用eeprom，无安全控制逻辑，可对片内信息不受限制地任意存取，卡片制造中也很少采取安全保护措施，多采用2线串行通信协议（总线协议）或3线串行通信协议（spi协议）。非加密存储器卡信息存储方便、使用简单、价格便宜，很多场合可替代磁卡。但由于本身不具备信息保密功能，因此只能用于保密性要求不高的场合，因此不适合本设计的要求。2、加密存储器卡加密存储器卡（securitu cards 接触型）的芯片由非易失性存储器和硬件加密逻辑构成。其特点为具有安全控制逻辑，安全性能较好，同时采用rom、prom、eeprom等存储技术，从芯片制造到交货，均采用较好的安全保护措施，为提高安全性，加密存储器卡的存储空间被分为密码区、个人区等多个不同的功能区。安全性加密存储器卡内嵌芯片在存储区外增加了控制逻辑。在访问存储器前，需要核对密码。只有密码正确，才能存取数据。允许连续密码核验的错误次数很少（一般在十次以内），可以有效防止非法试探。若在限定的次数密码仍不对，则卡片死锁作废。这类器件保密性较好，应用较广泛。3、cpu卡cpu卡的硬件结构包括cpu、存储器（含ram、rom、eeprom等）、卡与读写终端通信的i/o接口及加密运算协处理器cau，其中：cpu一般均为兼容于8位字长单片机的微处理器。它将在cos（chip operation system，片内操作系统）控制下，实现卡与外界的信息传输、加密、解密和判别处理等；rom用于存放cos，3kb16kb；ram用于存放中间处理结果及作为卡与读写器间信息交换的中间缓冲器，128b1kb；eeprom则是真正可供用户访问的存储区，用于保存卡的各种信息、密码、应用文件等，1kb16kb。cpu卡（smart cards 接触型）内嵌芯片相当于一个特殊类型的单片机，内部除了带控制器、存储器、时序控制逻辑外，还带有算法单元和操作系统。cpu卡有存储容量大、处理能力强、信息存储安全等特性，因此广泛应用于信息安全性要求特别高的场合。4、射频cpu卡射频cpu卡是射频识别系统的电子数据载体，卡中嵌有耦合元件和微电子芯片。在读写器的响应范围之外，射频cpu卡处于无源状态。通常，射频cpu卡没有自己的供电电源（电池），只是在读写器响应范围之内，卡才是有源的，卡所需要的能量以及时钟脉冲、数据，都是通过耦合单元的电磁耦合作用传输给卡的。射频cpu卡必须配备相应的读写器，典型的射频cpu卡读写器包含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元以及与卡连接的耦合元件。工作时由高频模块和耦合元件发送电磁场，以提供射频cpu卡所需要的工作能量以及发送数据给卡，同时接收来自卡的数据。此外，大多数射频cpu卡读写器都配有上传接口，以便将所获取的数据上传给另外的系统。采用射频cpu卡作为销售电能的传输媒质，不但安全性甚强，而且可靠性高，经久耐用。但是读卡器电路复杂，成本高甚至读卡器成本高于电度表本身的成本。以上的四种方案都是可行的，其管理系统也大同小异，只是根据保密性和可靠性要求选用不同的ic卡而已。在本设计中，以射频cpu卡作为售电的传输媒质，配以相应的读卡器实现对ic卡的初始化、用户的身份识别、充值等操作。第3章 系统总体设计3.1 总体设计思想系统设计的主要思路是房间内每人一个用电支路，经射频卡识别身份后用户支路接通，用户电网的大电压和大电流信号分别经过pt（电压互感器）、ct（电流互感器）以及对应的电压变换电路、电流变换电路变成适合于电能计量芯片输入的小电压和小电流，经电能专用计量芯片变成电能脉冲信号。单片机通过采集接口实现对8个采集前端的电能采集，这里采集的是脉冲量，而不是直接的电度量，实际的电度=（脉冲值编程常数）表倍率。如果检测到某个用户使用超过规定规定功率的发热性负载（即恶性负载），则通过继电器模块切断该路电源，15秒后再试探重新供电，如发现用户已解除限制性负载，则给予正常供电。当用户的余额不足时，将通过报警提醒用户尽快充值，如超过限额将予以断电。用户自行停止用电时可通过机械开关实行该支路的断电。并通过总线方式实现用户计量数据远传实现自动抄表。3.2 系统的总体结构及原理方框图系统的总体结构分为上位机和用户板两层。每个上位机对应一栋公寓楼，每个用户板对应一个房间，其中用户板包括一个专门的通讯/控制模块（采集终端）以及每个学生用户对应的专门的电能采集模块（采集前端）。通讯/控制模块电路由主机电路及外围接口与控制电路组成，外围控制电路由智能开关电路、显示、报警电路、身份识别（ic卡）电路及监控电路四个部分组成，实现电能的累计、电量信息的存储及负载是否超限的判断，以及接受上位机的控制命令并执行响应的操作；电能采集模块由信号条理电路及专用的电能采集芯片组成，实现电能的计量和实时数据的传送。系统可以采用主从式结构，主从之间采用串行通信方式（rs485总线和spi总线）交换数据，可使电量信息多级保存，防止丢失外，并且一旦当系统某部分发生故障时也不会影响到其他部分，是整个系统的安全可靠性大大增强。本设计重点在于对用户板的软硬件构成和工作原理。每个用户对应一个电能采集前端，其硬件的物理构成主要有电能采集模块ade7755、滤波电路构成，该模块的功能有二：其一负责将用户的电能转换成数字脉冲；其二将电网上的电压和电流信号变换成05v范围内的模拟信号。每个采集终端对应若干个采集前端，在物理上主要由80c196单片机为核心的电子器件构成，该功能模块主要实现三种功能：其一通过记录、处理采集前端送来的电能脉冲实现电能计量及存储；其二，通过对采集前端送来的05v的模拟电压和电流信号进行a/d变换和傅立叶分析，并进行相应的算法处理实现恶性负载的自动识别及电网谐波分析；其三通过通信功能模块实现采集终端与上位机集中器的通信。系统总体结构原理方框图如图3.1所示。用户n+1用户1ctct多路开关电能测量电路单片机系统键盘及显示电路路断电控制电路报警及监控电路电源电路预付费及身份识别电路数据存储电路 图3.1 系统原理框图第4章 系统硬件电路及工作原理4.1 单片机及外围电路设计4.1.1 cpu的选择单片机是将cpu、rom、ram、i/o、定时器、串行口、振荡电路等集成于一个芯片中，使其具有计算机的基本功能。单片机的应用打破了人们的传统设计思想因此应用范围日益扩大，如：智能化仪器仪表、机电一体化、各种工业控制系统、自适应控制系统和数据采集系统、串行自动呼叫应答系统、列车无线通信系统、无线遥控系统、洗衣机、电冰箱、微波炉、高级智能玩具、电子门铃和家用防盗报警器等，在配上单片机后，提高了自动化程度，增加了功能，使人类的生活更加方便舒适、丰富多彩。目前，单片机已形成多系列、多品种的局面。从1976年intel公司推出mcs-48单片机以来，各公司推出了一系列4位、8位单片机。1980年，intel公司推出了51系列单片机，这些单片机均带有i/o口、串行口、定时器/计数器（为16位）、片内ram及rom（或eprom、otp），并有多优先级中断处理功能，1982年至1988年，intel公司在原有的8位单片机的基础上又先后推出了性能更高的16位单片机8096、8098和80c196系列，其功能大大超过了51系列单片机。80c196kb即是此系列的产品。16位单片机具有16位字长并行处理能力，运算速度快，适应应用场合广泛，指令系统丰富、高效，编程方便，有6种寻址方式，编程和数据处理灵活，内部有8k的程序存储器及232字节的片内数据存储器，可提供大型片内寄存器组，减少了运算过程中访问存储器的次数，提高了系统运算处理速度。另外，196系列单片机特别设计为低功耗芯片。本设计采用的芯片即为此系列的16位单片机80c196kb。80c196kb是继8096bh之后，intel公司又推出了一系列高性能的chmos系列16位单片机80c1的一种，其性能特点简要介绍如下：（1）cpu算术逻辑单元不再采用常规的累加器结构，而改用了寄存器到寄存器的结构；cpu的操作直接面向256字节的寄存器，消除了一般cpu结构中存在的累加器的“瓶颈”效应，提高了其速度和数据吞吐能力。（2）256字节寄存器中，24字节是专用寄存器，其余232字节为通用寄存器。其通用寄存器的数量远比一般的cpu的寄存器的数量多，免除了中断服务过程中保护寄存器现场和恢复寄存器现场所支付的软件开销，并方便了程序设计。（3）有一套效率更高、执行速度更快的指令系统。可以对带符号数和不带符号数进行操作；16位乘16位的指令执行时间为1.46.5us，32位除以16指令的执行时间为2.46.25us；还有符号扩展、数据规格化等指令。除了上述几点外，80c196kb单片机还集成了更为丰富的外设装置；可用于提高系统的抗干扰能力的监视定时器（watchdog）；可用于记载引脚上输入事件（信号电平的跳变）发生时刻的高速输入/输出器（his/o）；可用于直接驱动电机类元件或滤波后获得直流输出的脉宽输出（pwm）等。4.1.2 系统存储器的扩展4.1.2.1程序存储器的扩展80c196kb内部没有程序存储器，因此设计中采用一片2864作为系统的程序存储器。2864是intel公司生产的8k8位电檫除，可编程只读存储器（eeprom），其主要优点是能在本系统中进行改写，并能在判断断电情况下保存数据而不需要保护电源。其各引脚功能如下：i0.i0.7：数据线（双向） ce：片选线oe：输出使能 we：写入使能2864采用单一+5v电源供电，它的最大量工作电流为160ma，最的维持电流为60ma，典型读出时间最大为250s。由于芯片内部没有“页缓冲器”，因而允许对其快速写入。本设计中2864与80c196kb连接说明如下：（1）地址线的连接。2864的容量是8k（字节），需要13条地址线。通过80c196kb的p3口经74ls373提供8位地址，p4.0p4.4提供高5位地址。（2）数据线的连接简单，只要将2864的数据输出线与80c196kbp3口连接即可。（3）控制线的连接。2864的oe与单片机的rd相连，作为读选通信号，we与wr相连，作为写选通信号，ce端与p4口经74ls138扩展的y0相连。实现片选。因此2864的地址范围是：0000h1fffh。4.1.2.2数据存储器的扩展系统需要的数据存储空间较大,因此需要扩展一片6264作为系统的数据存储器.本设计的数据存储器是只针对上节点设计的。6264是intel公司生产的静态数据存储器，存储容量为2k字节。该芯片采用cmos制造工艺，因此具有功耗低的特点，在维持状态下只需要几个微安电流，很适于应用在需要低功耗的场合。额定功耗160mw，典型存取时间200ns，6264是26引脚双列直插式封装。其中：a0a12：地址线； d0d7： 数据线oe：数据输出允许信号 we：写选通信号ce：片选信号 vcc：电源（+5v）gnd：地。6264共有4种操作模式，如表4.1表4.1 6264操作方式方式d0d7没选中禁止读出写入1000x101x101高阻高阻读出数据写入数据数据存储器6264与80c196kb连接说明如下：数据存储器扩展的数据连接与程序存储器扩展的方法相同。数据存储器使用80c196kb的wr、rd的控制线，wr信号接6264的we端，rd信号接6264的oe端，6264的ce端由p4口经74ls138的选通，实现片选。4.1.2.3扩展电路结构图80c196kb与扩展的eeprom2864及ram6264的具体连接如图4.1所示。74ls2452864ce oe we74ls138 y0y174ls24574ls24574ls37374ls37374ls373ad0ad7ad9ad12d13ad15rdwr6264ce oe we80c196kb图4.1系统的存储器扩展示意图 图中74ls373为三态8口锁存器，用于分离p3和p4口的地址和数据，由于80c196kb的p3口是分时复用的地址/数据总线。因此在进行i/o口扩展和存储器扩展时，需要利用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线分离出来，以实现总线的分时复用，74ls373是最常用的锁存器之一。值得注意的是，74ls373的g端和80c196kb的ale（地址锁存信号）连接，在ale的下降沿将程序存储器的低8位地址锁存起来。74ls245是8位数据/地址双向总线驱动装置，由于p3、p4口还需外接多路控制电路和多个接口电路，为了保证系统安全稳定的运行，故在p3口p4口后各加了一片总线驱动芯片。图中74ls138译码器的作用是将p4.5p4.7的三根地址数据复用线扩展为y0y7八根控制线，用于对外电路进行控制。4.2 电能计量电路的设计4.2.1 电能计量的基本原理电能计量是通过对有功功率的测量实现的。当有电器用电时，负载上的瞬时电功率等于负载两端的瞬时电压与流过负载的瞬时电流的乘积，其表达式为=。由于和都是随时间变化的周期函数，所以也是随时间周期变化的。通常取=，=；这样在t时刻，负载上消耗的瞬时功率就是=2= （4-1）由公式（4-1）可知，瞬时功率是由直流分量和分流分量两部分组成的。一般将有功功率p定义为瞬时功率在一个周期t内的平均值。利用公式（4-1），可得到负载上的有功功率为= （4-2）由（4-2）式可知，大意有功功率p的测量可以直接通过测量瞬时功率的直流分量得到有功电能则是有功功率和时间的乘积，在交流电路中，电压u和电流i在某一段时间t内的电能w表达式： （4-3）电子式电能表是采用乘法器来实现电功率测量的，具体的工作原理见图4.2，被测的高电压u、大电流i通过电压变换器和电流变换器转换后送至乘法器m，乘法器m完成电压和电流瞬时值相乘，输出一个与一段时间内的平均功率成正比的直流电压，然后利用u/f转换器，被转换成相应的脉冲频率，即得到正比于平均功率，将该频率分频，并通过一段时间内计数器的计数，显示出相应的电能。 iu电压变换器电流变换器乘法器电压/频率转换器（u/f）分频器、计数器送至微处理器处理图4.2 电子式电能表的工作原理 最早的电子式电子表只能通过使用分立的元件来实现，但是随着微电子技术的发展，电能计量新技术和新产品不断问世，目前已开发出用于各种电能计量的专用集成电路，如单相电子式电能表专用集成电路bl0931、双向单相全电子式电能表专用集成电路bl0932、静止式电子电度表专用大规模集成电路gw6832pa等。这些电路在内部集成了如图4-2所示的各种电路。经过精心挑选，最终选择了美国analog device 公司推出的ade7755。4.2.2 电能计量芯片ade7755ade7755是一种用于功率测量和电能计算的高准确度的专用集成电路芯片，它可与不同量程传感器直接相连，从而达到简化接口设计并提高功率测量的精确度和稳定度的目的。由于它的输出为脉冲信号，所以cpu通过中断引脚可以方便准确的进行电量的累计。它只在adc和基准源中使用模拟电路，所有其它信号（如相乘和滤波）都是用数字电路，即使ade7755在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期的稳定性。这为设计一种低成本、高精度、多功能的电能计量系统方案提供了保证。ade7755的主要特点如下：l 精度很高，在500：1的动态范围内的误差小于1%。l 满足iec687/1036标准的要求。l 通过频率输出端提供的功率信号可以直接与计算机接口。l 芯片采用cmos工艺，单+5v供电，供耗极低。l 具有在片电源监控功能。l 具有正负电能指示功能，防窃电。ade7755的引脚f1和f2以较低频率形式输出有功功率平均值，能直接驱动机电式计数器或与微控制器（mcu）接口。引脚cf以较高频率输出有功功率的瞬时值，用于校验或与mcu接口，内部的相位匹配电路使电压和电流通道的相位始终是匹配的。v1p、v1n是模拟输入通道1，用于电流信号的输入通道，最大差分输入信号为470mv，该通道同时具有过电流保护功能。v2p、v2n是模拟输入通道2，用于电压信号的输入，最大差分输入信号为660mv，该通道同时具有过电压保护电路。g0，g1是电流通道中可编程增益放大器的增益选择输入端，表4.2所列是通过g0、g1来选择增益的具体方法。表4.2 通道1的增益选择g1g0增益最大差动信号001470mv012235 mv10860 mv111630 mv1、 ade7755的实际应用1） 当输入的电压信号与电流信号不同相时在电压与电流同相的情况下，瞬时功率信号中的有功功率分量（即直流分量）为（vi/2）；而在电压与电流不同相（设电流滞后电压角）的情况下，瞬时功率信号中的有功功率分量（即直流分量）为（vi/2）。即这种通过低通滤波从瞬时功率信号获取有功功率的方法对于电压与电流不同相（即功率因数不为1）的情况也是成立的。2） 当输入的电压信号与电流信号不为标准正弦波时实际应用中，所有电压和电流波形均含有一定的谐波成分。瞬时电压和电流可用傅立叶变换表示成谐波分量之和： （44）式中：瞬时电压； h次电压谐波有效值；h次电压谐波有效值；h次电压谐波的相位角； （45）式中：瞬时电流； 电流的直流分量； h次电流谐波有效值； h次电流谐波的相位角；瞬时电压和电流相乘后所得的有功功率p可用基波分量和谐波分量之和表示： （46）其中： （） （）由上可见，电压和电流相乘后经过低通滤波器的数字输出包含有功功率信息，但由于此低通滤波器不是理想滤波器，其输出信号仍含有衰减的基波和谐波成分，即，其中h=1，2，3，。该滤波器的幅频响应特性为： （47）在线路频率为50hz时，成分的衰减大约为22db。主谐波由瞬时有功功率产生，而这个信号通过数字-频率转换器随时间被积分（累加），进而产生输出频率，这种累加起到平均作用，将抑制瞬时有功功率信号中的非直流成分，正弦信号的平均值等于零。因此ade7755产生的频率与平均有功功率成正比。对于ade7755的高频输出端cf（其输出频率能高达f1、f2的2048倍）来说，即使在稳定负载条件下输出频率仍然随时间变化，这也是由于瞬时有功功率进行累加完成频率转换的过程中累加的时间较短，而较短的累加时间意味着减弱了对成分的平均作用，于是部分瞬时有功功率信号成分通过了数字-频率转换器，但这在实际应用中并不成为问题。当cf用于校验时，输出频率还应该用频率计数器进一步平均以消除纹波。当cf用于带微处理器的电能计量时，也应该进行平均后再计算功率。而对于ade7755的低频输出端f1、f2，其输出频率很低，对瞬时有功功率已有足够的平均作用，因此大大衰减了正弦成分，获得几乎无纹波的输出。由以上分析可见，电压和电流波形提供的各次谐波都产生谐波有功功率分量。在纯正弦情况下功率因数的计算是正确的，而谐波是由一系列纯正弦波组成的，因此谐波功率因数和有功功率的计算也是正确的。2、 ade7755功率计算计量芯片ade7755先计算通道1和通道2两个输入电压信号的乘积，然后对乘积进行低通滤波。获取有功功率信息。再将这个有功功率信息进一步转换成频率，以低电平有效的脉冲信号从引脚f1和f2输出。输出频率与输入电压大小的关系如下式所示：f=（8.06g）/ （48）式中：f引脚f1、f2输出的脉冲频率（hz） ，通道1，2差动输入电压有效值（v） g增益（1.2.8.16），由g0和g1的逻辑输入确定 基准电压（2.5v8%）（v）cf的输出频率与瞬时有功