[信息与通信]78F0453单相电子式电能表.doc

基于78F0453单相电子式电能表的设计摘要本文以智能计量总表为研究对象，采用PD78F0453主控制芯片和计量芯片ADE7755设计出单相电子式电能表，介绍了主控制器、各个系统结构原理、系统软件设计流程、电能表的调试安装工艺及远程通信。本款表用于50Hz，交流220V电网作单相有功电能计量用及远程抄表。电度表设计方案；这是一款智能型高科技电能计量产品。该表可以计量正向、反向有功电能,并存储上12个月的分月电量；实时时钟；冻结功能（定时冻结，瞬时冻结，约定冻结，日冻结）；事件记录功能（电量清零记录、校时记录、编程记录、掉电记录、日期记录）；红外和RS485通讯功能；液晶显示、报警功能。为了利用科学的方法进行负荷管理，指导合理用电，提高电能利用率，开发电力潜能，主站可以通过RS-485总线或手持红外抄表器对该电表进行查表、设表、抄表等操作。采用分流片对电流进行采样，用高精度的计量芯片ADE7755进行电量的计量。单片机通过对时间参数的检测，实现了定时存储。软件代码全部采用C/C+语言编写,编码效率高,可维护性好,便于实现模块化设计,可根据用户的需求方便地对功能模块进行裁剪。目前，已完成样表的设计与测试工作。基于精确的试验平台，完成对电度表的增益和偏差校准，即可进行现场试验和数据采集，具有良好的市场应用前景。关键词：PD78F0453； ADE7755； 电子式电能表； 电能计量78F0453-basedsingle-phase electronic energy meter designAbstractIn this paper, intelligent measurement matrix as the research object, using PD78F0453 the main control chip ADE7755 chip design and measurement of single-phase electronic energy meter, introduced the main controller, the various principles of system architecture, system software design flow, meter installation process debugging and remote communication. This paragraph form is used to 50Hz, AC 220V single-phase active power for energy metering and remote meter reading is available.Meter design; this is an intelligent high-tech energy measurement products. The table can be measured positive, reverse active electric power, and stored for 12 months of sub-month electricity; real-time clock; freeze function (regular freeze, instant freeze, agreed to freeze, Japan and frozen); event logging functions (electricity Clear Record , medical school records, program records, power-down records, date of record); Infrared and RS485 communication function; liquid crystal display and alarm function. To take advantage of scientific method to load management, and guide rational use of electricity, improve energy efficiency, development of electric power potential, the main station through the RS-485 bus, or hand-held infrared device on the meter to meter-reading look-up table, based table, meter reading, etc. operation. Using splitter on the current sample, using high-precision power metering chip ADE7755 measurement carried out. Microcontroller through the detection time parameter to achieve a regular store. The software code used in all C / C + + language, coding, high efficiency, maintainability is good, is easy to realize modular design, according to the needs of users to easily cut of functional modules. At present, the kind of form has completed the design and testing. The test platform based on accurate completion of the gain and bias of the meter calibration, you can conduct on-site testing and data collection, with good market prospects.Key words: PD78F0453； ADE7755； electronic energy meter； energy metering目 录1绪论11.1 研究电表的意义11.2 现有电表的不足及电表以后的发展趋势11.3 课题的来源及客户的技术要求11.4 论文的主要内容22总体方案的设计32.1 方案论证及选择32.2 系统方案的总体设计32.3 电能表的工作原理：（原理说明）42.4 电能表功能设计42.4.1 计量功能42.4.2 事件记录42.4.3 显示功能42.4.4 通讯功能：52.4.5 输出功能：52.4.6 报警功能：52.4.7 冻结功能52.4.8 校时功能52.4.9 密码管理53 系统硬件的设计63.1 主芯片与外围模块设计63.2 计量部分原理与电路设计73.2.1 高精度电量计量模块73.2.2 ADE7755简介73.2.3 计量电路原理83.3 电源部分原理与电路设计93.4 高度准确时钟部分原理与电路设计103.4.1 实时时钟的精度103.4.2 实时时钟工作113.5 液晶显示部分原理与电路设计113.5.1 显示屏特点113.5.2 显示功能113.6 通信部分原理与电路设计123.6.1 RS485接口123.6.2 红外接口134软件设计144.1主程序流程图144.2 软件设计说明154.3 PC和红外通讯软件应用说明154.3.1 PC通讯软件使用154.3.2 红外通讯软件使用195 电能表的制作工艺与功能调试215.1 电路板（PCB板）的设计与焊接操作要求215.1.1电路板（PCB板）的设计215.1.2电路板焊接操作要求225.2电路板半成品测试225.3 电能表的功能测试235.3.1整机功耗测试235.3.2时钟输出测试235.3.3校表235.3.4启动试验245.3.5潜动试验256 结论267附录278 参考文献309 致谢31341绪论1.1 研究电表的意义电能作为重要的能源之一，已广泛应用到社会生产的各个领域和社会生活的各个方面。现代化的建设、国民经济的发展和人民生活质量的提高与电力的建设和发展息息相关。随着各行各业的飞速发展，对电的需求越来越大，刺激了电力市场的发展，促进了用电管理的发展。电力管理部门在对各类用户的用电进行合理有效管理的基础上，将供电系统输送来的电能，保质保量地满足国民经济各部门和人民生活的需要，以加速工农业的发展和社会进步，使电能发挥最大的社会效益和经济效益。电力部门正在逐步以提高服务质量，提高经济效益的目标发展。采取了实施“一户一表”工程、改造配电线路及接户线和更换大容量电能表等措施，使居民用电不再受到线路、电能表等条件的限制，满足了居民用电的需求，提高了供电的可靠性，使供电企业的售电量也有了较大的增长。1.2 现有电表的不足及电表以后的发展趋势目前，我国感应式表仍占据相当的市场。由于价格和使用条件等的制约，预计农网用户还将继续使用感应式单相表，而城网用户则会逐步推广电子式表。感应式电能表还有一定的不足之处，主要表现为：性能一致性较差。具体表现为数据的重复性和一致性较差。我国感应式电能表的自动化生产水平不高，加工方式大多还是以人工为主，由于在生产过程中人工的介入过多，产品性能难以保证高度一致性，同时也加大了生产管理的难度。材料质量问题得不到解决。感应式电能表要在寿命期内保证计量准确可靠，必须保证结构上的长期稳定，电能表的关键零部件要有足够的各种恶劣环境的适应能力，这就要求感应式电能表的转动元件有充分的耐磨特性，磁性材料有长期稳定的磁特性等要求。由于我国材料工业水平与发达国家仍有较大差距，因此企业如何检测、选用关键元器件（如磁推轴承、阻尼磁钢等），也是目前需要解决的问题。关键工艺技术得不到解决。除了较为周全的设计以及选用合格的材料，感应式电能表要达到长寿命还必须有可靠的加工工艺。线圈的绕制、铁芯的冲压铆制、石墨轴承的制作、磁推轴承的老化等也是必须解决的课题。但是最近今年随着电子技术的发展与成熟，电子电表是全球的发展趋势因为电子系统可为住宅和工业电表制造商提供更低的成本、更高的可靠性,以及改进的通信监控等特性。1.3 课题的来源及客户的技术要求根据贵州电网公司的技术规范，我们制定了单相电子式电能表的设计方案，选择NEC公司单片机78F0453作为单相电子式电能表的MCU，采用美国AD公司的低成本的电能测量集成电路ADE7755作为单相电子式电能表的计量芯片。单相电子式电能表的具体技术要求如下：1) 准确度等级为 2级2) 电流：10（40）A3) 脉冲常数：1600imp/kWh4) 无源脉冲耐压极限为60V，驱动电流大于30mA。5) 电能计度最大容量：999999.99kWh。6) 参比频率：50Hz。7) 频率范围：50Hz5%。8) 工作电压范围：0.8Un1.2Un，其中Un为额定电压。9) 绝缘耐压：4000VAC。10) 电压线路功耗：0.7W和6VA。11) 电流线路功耗：10年。13) 时钟准确度：日误差0.5S(23)。14) 通信接口：内置RS485、红外通讯接口、通信通道相互独立、互不干扰。15) 通信参数：通信波特率可灵活设置，标准速率为1200bps。1.4 论文的主要内容本文是根据贵州电网公司的客户技术要求设计出了一款单相电子式电能表。第二章介绍电能表系统方案的设计和工作原理。第三章介绍系统硬件设计和各个部分工作原理。第四章介绍主程序的设计流程图及通讯软件的使用说明。第五章介绍电能表工厂生产时工艺安装与调试。第六章总结。2总体方案的设计本章通过对客户技术规范的分析，经过方案论证与选择，确定了单相电子式电能表的总体方案。2.1 方案论证及选择单片机是控制电能表的关键器件，是协调和指导电能表各个部分正常工作的枢纽，因此方案的选择主要是单片机的选择。单片机的选择要综合考虑客户的地理环境，客户技术水平以及投资成本。现在市场上出现了许多电能表的单片机，但比较主流还是NEC公司生产的电能表专用控制单片机PD78F0453。PD78F0453是64脚LQFP封装；工作电压1.8V5.5V；工作温度范围：-40+85；具有程序在线升级功能；32KB Flash,1KB RAM，内部有高速的系统时钟和高速的振荡时钟，还有串行接口，方便RS485通讯：LCD 控制器/驱动器外部电阻分压和内部电阻分压可切换使用,有多种复位方式：在实时计数器中，间隔定时器功能和日历功能同时可用。TM52 和TM00 可组合使用作为24 位计数器。同样，由TMH2 控制TM52 的外部事件输入。TM51 和TMH1 可联合使用，作为载波发生器模式。具有多频率输出功能。结合PD78F0453以上的特点，完全符合客户的技术要求，也能为以后及时修改客户的要求做好充分准备，具有很好的兼容性。2.2 系统方案的总体设计经过方案的论证与选择系统的总体方案也随之确定如图2-1所示：图2-1系统总体方案2.3 电能表的工作原理：（原理说明）本表由电能计量、实时时钟、冻结、事件记录、与红外、RS485通讯、液晶显示、报警功能等部分组成，计量芯片对电压取样电路和电流取样电路采到的电压和电流信号进行数字化、滤波和计算等处理，处理的结果便是瞬时有功功率信号，再经过数字频率转换，得到与有功功率成比例的脉冲信号，其比例即脉冲常数可以根据需要进行配置；其输出脉冲经隔离后输入到控制芯片，进行电能计算、处理。本表采用LCD显示，显示电表本身及用电过程中产生的相关数据。2.4 电能表功能设计2.4.1 计量功能1） 能计度最大容量：999999.99kWh。2） 计量正向、反向有功电能，并存储最近12月的正向、反向电量。3） 计量组合有功电能，即正向有功总电能加反向有功总电能，并存储最近12月的组合电量。4） 计量月度有功电能，并存储最近12月的月度电量。2.4.2 事件记录1） 记录总清次数及最近10次电能表清零事件的电量信息。2） 可记录编程次数及最近10次编程时刻及编程项的数据标识，电表在按下编程键进入编程状态后，所进行的编程设置计为一次编程记录，编程次数不累加，只记录最近一次编程时刻及最近10次编程数据标识。3） 可记录校时次数，最近10次的校时前时刻及校时时刻，广播校时不记录。4） 可记录掉电次数，最近10次掉电起始及结束时刻。2.4.3 显示功能电能表循环显示（当前）组合、上月组合、（当前）正向、上月正向、（当前）反向、上月反向、本月组合、本月月结组合等有功总电能、表内温度、时钟电池电压、内部电池工作时间、日期及星期、时间、用户号、表号、有功脉冲常数。2.4.4 通讯功能：互相独立的红外通讯和RS485通讯。2.4.5 输出功能：具有有功脉冲测试口输出及脉冲信号输出功能。LED灯指示：包括负载指示灯及功率反向指示灯。2.4.6 报警功能：当出现下列故障时，LCD背光灯持续点亮并提示出错信息码（Err-XX表示）：Err-Ep 表示EEPROM 故障、Err-04表示时钟电池电压低、Err-08表示时钟故障。2.4.7 冻结功能1） 定时冻结：按照指定的时间冻结电能量数据，每个定时冻结量保存60次，默认将定时冻结设置为按日冻结。2） 瞬时冻结：保存最后3次数据，瞬时冻结命令不保存到冻结命令数据域。2.4.8 校时功能1） 实时时间采用具有温度补偿功能的内置硬件时钟电路。在参比温度（23）下，时钟准确度0.5S/d。2） 广播校时每天只允许一次（跨零点后自动恢复为可设置状态），且零点前后10分钟不允许广播校时，校时范围不超过5分钟，误差大于5分钟电能表只能通过现场进行校时。2.4.9 密码管理1） 电表设置的初始密码为111111，权限分为0009，00为最高权限，数值越大权限越低。权限级别分为：02级电表清零、事件清零：04级写数据。每次对电表进行抄表时，不需要密码校验。2） 高权限密码可更改同级或低权限密码，低权限密码不可更改高权限密码。3 系统硬件的设计系统的硬件设计要根据其功能要求和工作原理来进行。本系统的硬件设计包括主芯片与外围模块的设计、计量部分、电源与时钟部分、液晶显示部分、通信部分等原理与电路设计。3.1 主芯片与外围模块设计主控制器采用NEC公司的高档产品uPD78F0453，该款是单片封装的微处理器，具有32KBFlash程序存储器(支持自编程)，数据存储器包括1KB高速RAM、1KB扩展RAM、32x4 位(4 com)或28 x8位(8 com) LCD显示RAM。复位可采用RESET引脚复位、使用看门狗定时器内部复位、使用 POC电路内部复位、使用低电压检测电路内部复位，这里采用RESET引脚复位。CON1端口设置FLMD0用于Flash 存储器编程模式设置。在正常操作模式下将FLMD0 连接至VSS 。在Flash 存储器编程模式下，将该引脚连接至Flash 编程器。单片机外围电路设计如图3-1所示： 图3-1单片机外围电路设计 K1和K2为两个功能按键，接入单片机的P25管脚，按键采用中断方式进行，用于控制单片机的编程操作和LCD液晶显示的换屏选页。P12管脚接盖检测电路用于检测电表是否被人打开过，保证电能表能不被人破坏。如果表盖被人打开过单片机会记录相关数据。P122和P120是单片机自检电路，P27和P26是电池检测电路，是一种免维护蓄电池的检测系统，可以检测到单体电池的电流及电压或内阻,及时的了解电池的情况。3.2 计量部分原理与电路设计3.2.1 高精度电量计量模块计量模块由高精度专用电能计量芯片ADE7755、分流片和其他外围电路元件组成。3.2.2 ADE7755简介ADE7755是美国Analog Devices Inc.(简称ADI)公司生产的高准确度的电能计量集成电路。ADE7755只在模数转换器（ADC）与基准源中使用模拟电路所有其他信号处理（如相乘与滤波）都使用数字电路，这使ADE7755在恶劣的环境下依然能保持较高的准确度和长期的稳定的度具有较高的抗干扰优点。它的工作电压范围5V5%工作温度范围：-45+85、计量精度：在常温25时，在1500的动态范围内，误差0.1%；有功功率平均值从ADE7755的F1、F2以频率的形式输出。图3-2为ADE7755引脚排列封装图。ADE7755的低频输出是通过对上述有功功率信息的累计产生，即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功率。当这个平均有功功率信息进一步被累加（例如通过计度器累加），就能获得电能计量信息。CF输出的频率较高，累加时间较短，因此CF的输出频率正比于瞬时有功功率，这对于在稳定负载条件下进行系统校验时很有用的，当然也可以进行进一步累加而获得电能计量信息。图3-2 ADE7755引脚排列封装3.2.3 计量电路原理ADE7755内部有电压通道和电流通道，电流通道中的可编程增益放大器（PGA）使仪表能使用小阻值的分流电阻，电流回路由分流片进行电流采样，为了使电流通道的动态范围最大，分流器选为175微欧5，在为电表选择分流片时，有几个重要问题应该考虑。第一，要使分流器的功耗最低。由于本设计方案的最大额定电流为，所以分流器的最大功耗为()2175280。第二，如果功耗很高会给芯片散热带来困难。虽然分流器是采用低温度系数的锰铜合金材料制成的，但是在高温情况下对重负载仍会产生明显的误差。当电流信号进入分流片后,经分流片的取样，一小部分电流进入ADE7755的VIP和VIN引脚，该通道采用完全差动输入输入，VIP为正端输入端，VIN为负端输入端。计量部分电路设计图3-3所示图3-3计量部分电路设计V2N和V2P是电压通道的负、正模拟输入引脚，也是采用完全差动输入方式，在电压信号采样电路中，电压输入可以直接连接到线路电压输入端，通过增加一个简单的电阻分压网络衰减至合适范围，再接至计量芯片ADE7755。电压通道由于其相对信号较大且要求动态范围小，通常配置为单端输入，V2N、V2P正常工作最大输入电压为660mv,根据计算出V2值可以设计电阻的串并联，调整电阻网络的电阻值能很方便地完成仪表的增益校验。电能计量部分使用电能计量模块。其工作原理为：由电阻分压网络完成电压取样，锰铜分流片完成电流取样，取样后的电压电流信号由乘法器转换为功率信号，经Uf变换后，产生表示用电多少的脉冲序列，本块表的脉冲常数是1600rim/Kwh，则当数采器采集到1600个脉冲时，就换算成1度电量。其中的高频电能脉冲P（fH）代表瞬时有功功率，经光耦隔离后输出，用作校验脉冲，与光耦相串的发光二极管（LED）可作电能计量指示。P（fH）经16分频和驱动后成为低频电能脉冲P（fL），低频电能脉冲又叫电能脉冲，累计此脉冲即可计算有功电能。 3.3 电源部分原理与电路设计220V电压变压后经桥式电路整流为直流电。然后在LM7805A的稳压作用产生SV稳压直流电，电能表的电源就由此电路供给。其中，D60是瞬态电压抑制二极管即TVS，当其两端瞬间有高能量冲击时，它能以极高的速度将两端的电压牵制在9V，具有浪涌抑制能力，可防止静电放电效应。RU1压敏电阻压敏电压的允许偏差为标称值的10（1 mA条件下）；绝缘阻抗： 500M（低电压条件下）；外观尺寸：20mm。压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的阀值UN时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过UN时，流过它的电流激增，相当于阀门打开。利用这一功能，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受过电压的损害。C95、C93、为有极性的旁路电容，作用是使7805的输入、输出电压保持基本稳定；C96、C7为0.1F的去耦电容，作用是滤除7805输入、输出信号中的尖峰脉冲成分。V3专为RS485电源部分供电，V1是专为计量芯片的电压采样稳压。BATT1为备用电源（电池）经过JP1为液晶显示供电，安装时一定要短接JP1。电源电路设计原理如图3-4所示图3-4电源电路设计3.4 高度准确时钟部分原理与电路设计实时时钟（RTC）作为系统同步或时间标志已被广泛应用于各种电子产品，实时时钟的基本功能是保持跟踪时间和日期等信息。但许多RTC还提供有多种附加功能，如：看门狗定时器、系统复位、非易失存储器（NV RAM）、序列号、方波输出等。因此，在进行电路设计时，选择RTC芯片出了需要考虑其时间和日期跟踪功能外，通常还需要针对具体应用来对RTC的功能、成本、尺寸等要求进行综合考虑。本表时钟电路设计原理如图3-5所示：图3-5时钟电路设计时钟电路采用单片机内部RTC(实时时钟芯片)，单片机软时钟，外部HYM1208，HYM1208是低功耗实时时钟，带定时与晶体补偿、时钟/日历、电源失效指示器、周期或轮询报警、智能后备电池切换和后备电池供电的用户SRAM。振荡器采用外部、低成本、32.768KHZ的晶体。实时时钟用独立的时、分、秒寄存器跟踪时间，并且还带有日历寄存器用于存储日、月、年和星期。日历精确到2099年，具有闰年自动修正功能。3.4.1 实时时钟的精度实时时钟的精度取决于石英晶体的频率，被用作RTC 的基准时间。因为晶体的谐振频率取决于温度，所以RTC 的性能也取决于温度。晶体的频率偏差是晶体正常频率的温度反转函数。晶振一般在特定的电容负载下，其调谐振荡在正确的频点，而当晶振调谐于12.5pF负载的RTC电路中时，使用6pF负载的晶振将会使时钟变快。HYM1208可提供片内晶体补偿网络，来调整94ppm至+185ppm范围内的振荡器频率。3.4.2 实时时钟工作实时时钟（RTC）使用一个外部的32.768kHz 的石英晶体来保持内部精确的年、月、日、星期、时、分、秒显示。RTC具有闰年校正功能。时钟对少于31日的月也能校正。有一位控制24 小时或上午/下午（AM/PM）格式。当HYM1208在VDD和VBAT都失掉以后再上电时，时钟即停止工作，直到在时钟寄存器中写入至少一个字节。本款单相电子式电能表内部有3个时钟：分别为单片机内部RTC(实时时钟芯片)，单片机软时钟，外部RTC。PD78F0453芯片内部RTC，可以实现校准。电表在运行过程中以该RTC为主。该RTC在单片机复位后时间会被清零。在程序运行正常情况下，该RTC是准确的。当单片机受到干扰，看门狗复位后，首先判断内部软时钟是否正常，如果正常则以改时间为主，此时会产生约1秒的误差。如果软时钟不正常，在判断外部RTC是否正常，如果正常则以该时间为主，因为外部RTC没有校准，此时也会产生一定误差。如果外部RTC不正常，则报时钟错误，并从EEPROM调入时间，此时会产生最大1小时的误差。当判断到任意一个时钟正常后，会将该时间写入到另外两个时钟中，保持3个时钟的同步。3.5 液晶显示部分原理与电路设计电子式电能表的显示一般采用LCD液晶显示器，PD78F0453具有集成的LCD控制器驱动模块，从而节省了外挂的液晶驱动芯片。本电能表采用多路寻址动态扫描驱动电路来驱动LCD,减少了外部引线，节省了空间和成本，提高了可靠性。用于显示多功能表当前的状态、内部参数及当前的统计数据等。该电能表显示采用SEQ0423/09(A6)液晶模块。3.5.1 显示屏特点显示质量高、没有电磁辐射、可视面积大、应用范围广、画面效果好、数字式接口、身材匀称小巧、功率消耗小。显示屏的硬件要求：采用LCD液晶汉字显示器，显示器寿命至少10年。显示器在-25+55温度范围内能清晰显示。3.5.2 显示功能测量值显示位数为8位，整数位为6位，小数位为2位，位数采用全显方式。 电能表应能显示电能表循环显示（当前）组合、上月组合、（当前）正向、上月正向（当前）反向、上月反向、本月组合、本月月结组合等有功总电能、表内温度、时钟电池电压、内部电池工作时间、日期及星期、时间、用户号、表号、有功脉冲常数。还应能显示各种电能量值及信息的中文标识及单位符号。LCD加工要求见附录。LCD要求具有循环显示模式，每项循显内容在液晶屏上停留的时间（循显周期）为4秒。为便于抄读，显示窗口必须带背光，背光的唤醒方式有两种：按键唤醒方式和红外（具有红外发射信号功能的各种器件：如家用遥控器等）唤醒方式，触发一次显示一帧，唤醒后无操作30S后自动关闭后进入循环显示。一些测量数据应能自动循环显示，每帧循显停留时间8s。也可通过按键或专用的遥控器来查询其他内容。显示原理图如图3-6所示： 图3-6液晶显示电路设计3.6 通信部分原理与电路设计单相电子式电能表是一种需要设定运行参数，并需定期观测和抄表的仪表，为方便用户使用，现各有两种通信接口，一种为接触式RS-485接口，一种为非接触式红外接口。3.6.1 RS485接口 RS485接口用于远距离高速传输信号，可实现远程抄表。RS485接口标准为差分平衡的电气接口，可克服RS non地端电位的影响，在1200m传输距离内把传输速度提高到100KBs。使用一对平衡差分信号线可以连接多个表，只可半双工工作，即任意时间只一个端口可发送数据。RS485通信的基本原理是：RS-485通讯电路通过2个光耦器件对单片机电路和RS-485总线电路进行隔离,提高系统的抗干扰能力。光电耦合器件是把发光器件(如发光二极管)和光敏器件(如光敏三极管)组装在一起，通过光线实现耦合构成电-光和光-电的转换器件。当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极管不亮，光敏二极管截止，CE不通。对于数字量，当输入为低电平“ 0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。电路中的TVS1管为隧道二极管并联在RS-485总线A、B线两端,防止尖端电压冲击,对电路进行瞬态保护作用。3.6.2 红外接口 红外是一种非接触式近距离通信技术，可通过手持终端对电能表实现编程和抄表功能。红外通信的基本原理是：在发送端，先将数据编码，然后将其调制到40kHz左右的载波上，以便抑制环境可见光和红外线的干扰，最后由红外发射管将电信号以光波的形式（光信号）发送出去；在接收端，先用光敏管把光信号接收下来，还原为电信号，然后用解调器解出数据编码，最后由译码器译出信息内容。所以这种通信方式既有电信号，又有光信号；既有调制解调，又有编码译码，理论上还比较复杂。但对于使用者来说，只需了解一般概念即可，操作极其简单。红外通信和RS-485共用一个串行口（RxD/TxD）通信，ADM487主要是电平电平转芯片。通信部分原理与电路设计如图3-7所示图3-7通信部分电路设计红外通信和RS-485发送时按对应方式发送，使其不互相干扰。因红外发送字节之间可选有1520ms的延时，而485通信则不需要延时。数据发送在发送中断中进行，红外通信在发送操作后立即关闭发送中断允许，待延时时间到后再允许发送中断。当Rs-485总线与电力线(例如220 VAc)短路时，PTc和TvS可提供差模过压保护。4软件设计4.1主程序流程图主程序和INTO中断流程图如图4-1所示图4-1主程序和INTO中断流程图4.2 软件设计说明电能表程序采用C语言，整个全电子式单相电能表软件主要分为如下几个部分：存储器读写子程序。通信子程序、电量计算子程序、主程序完成初始化、电量显示、INT0中断子程序及电量读写等功能。主程序循环执行，并等待INTO中断和通信中断，当有脉冲输入单片机时，就产生了INT0中断。在中断服务程序中每输入一个脉冲，脉冲数+1，当脉冲个数达到160为0.1度。存储器读写子程序包含两个操作!“读操作和写操作”串行EEPROM 的读操作分两步进行! 单片机首先发送一个“启动”信号，通过设置EEPROM片地址和EEPROM 储单元地址，此期间相应位置会产生必要的应答位。数据位置会产生必要的应答位! 接着单片机重新发送另一个“启动”信号和含读操作命令（R/W=1）的EEPROM芯片地址, EEPROM发出应答信号后要寻址存储单元的数据就从SDA线上输出,在写操作中,单片机发送完8位控制字节并接收到ACK的信号后， 接着发送从器件EEPROM的操作地址，单片机再次收到应答信号后才发送待写入的数据!通信子程序; 电能表通过 DL/T 645-2007通信协议和上位机进行传输数据，利用DL/T 645-2007通信协议进行通信，具有数据通信可靠， 适用性广等优点!数据通信的一般格式如下：上位机发送;从机地址 功能码 数据起始地址 数据量电能表发送;从机地址 功能码 数据量 应答数据 CRC16位校验电能表接收到上位机发来的数据,首先检查数据包的从站地址, 若与自己的地址不相符,则不予以响应；若与自己的地址相符，则对数据包进行CRC校验,校验正确后,根据功能码的要求向上位机发送数据。4.3 PC和红外通讯软件应用说明4.3.1 PC通讯软件使用1. 用户登陆用户可以根据需要为通讯软件分配用户名和密码。登陆时需要输入正确的用户名及其密码，登录软件时的用户名为1，密码为空，然后单击按钮，如果用户名和密码正确匹配则进入到主界面。 如图4-2所示：图4-2主界面2. 软件功能本通讯软件主要有系统设置、抄读电表、设置电表等三项功能。如图4-3所示：可抄读和设置电表相关的参变量数据。抄读电表的电能量数据、冻结数据、事件记录数据、参变量数据。系统参数设置：设置通信参数、修改密码图4-3 进入主界面3. 系统设置1）串口设置串口设置的参数配置如下：串口：与电表通讯的计算机串口号；波特率：设置电表通讯的波特率；（一般为1200，2400，4800，9600）其他默认即可；注：扫描间隔时间（毫秒），指计算机通过串口每次与电表通讯的时间；最大等待时间：指机算机等待时间响应的最大时间。如图4-4所示图4-4系统设置2）电表地址电表地址可通过肓读的方式抄读回来并设置到电表地址中，可能不用设置。每次与电表通讯，一定要先把电表地址抄读回来，否则无法跟电表正常通讯。如图4-5所示先通过抄读的方式读取电表地址。图4-5电表地址4. 抄读电表抄读电表选项中，有电能量数据、冻结数据、事件记录数据、参变量数据抄读，每一块数据项均可通过全选，多选和单选进行抄读。如图4-6（a.b）所示点击弹出抄读的数据项。图4-6a)抄读电表下拉菜单可选择其他数据抄读。如图4-6b）抄读电表5. 设置电表设置电表选项中，有电表特殊设置，循显设置，参变量数据可写部分设置。设置电表参数据的时候根据相关规约，要配合编程键设置。如图4-7（a.b）所示图4-7a)设置电表图14-7b）设置电表6. 电表类型在电表类型选项中，可选择07规约电表是三相/单相电能表进行切换通讯测试. 如图4-8所示图4-8电表类型4.3.2 红外通讯软件使用1、装载程序首先正确连接机器和电脑的通信电缆；接下来按下掌上电脑的电源键，在听到“嘀”声之后，双击“功能”键(中间间隔0.5秒),进入到掌上电脑的主菜单。选择“微机通信”，连续点击两次，进入到到“等待通信”状态。此时界面显示“状态：等待通信”;运行计算机中TP800集成界面，在“设置”菜单点击“操作级别设置”，选择“系统级”,点击“确定”，在主界面上选择“PCHC”的图标，点击后会出现标题为“发送文件到掌上电脑”的界面，选择“gzdanx.mif”,点击“打开”按钮即可发送。发送完毕后会弹出一个提示发送完毕的对话框。2、运行在通信完毕后，连续点击两次红外掌上电脑上的“退出”键，退回到“主菜单”，选择“用户程序”，点击“确定”，此时界面中显示“加载中，请稍候.”，耐心地等待约5秒钟后，界面上会出现程序的主界面。3、主界面操作主操作界面有以下操作菜单：编程、读表、通用命令、查询、登录注销、关于。4、编程进入此子菜单时，程序会提示输入编程密码和设备码，设备码用作设备的通信地址，之后进入子菜单界面。编程的项目包括：电表表号、用户号、日期、时间、每屏显示时间、通信速率特征字、月结算日、密码、资产管理编号、自动循环显示屏数、按键循环显示屏数、自动循环显示数据项和按键循环显示数据项。5、抄表进入此子菜单时，程序会提示输入设备码，如果没有输入则不能进入子菜单界面。输入设备码后，系统将自动读取电表的表号作为存储的索引,读取菜单分三类：电表参数、电量及冻结数据、事件记录。5 电能表的制作工艺与功能调试电子产品组装好后为了使各部件、单元电路之间实现有效的连接和匹配，电子产品经过部件、单板、整机装配后，都要进行调试，使产品达到技术文件所规定的功能和技术性能指标；同时，调试又是发现产品设计和工艺问题及原材料缺陷和不足的重要环节。因此，调试工艺水平在很大程度上决定了整机的质量，调试是保证并实现产品功能和质量的重要工序。常用的调试仪器有：万用表、稳压电源、示波器和信号发生器。5.1 电路板（PCB板）的设计与焊接操作要求5.1.1电路板（PCB板）的设计1）板材: KB料 双面板。2）厚度： 1.6mm。3) 铜皮厚: 35um。4) 阻焊膜: 绿色，除焊盘外，其余部分阻焊。5) 过孔灌绿油。6) 字符:双面字符，白色。7) 焊盘工艺: 镀铅锡合金，过孔金属化。 8) 板边：磨边。9) 印制板的加工尺寸由MECHANICAL1层确定，公差为0.1mm。电路板设计规则一般包括电路板的布线规则、制作规则、有关高频的设计规则以及其他设计规则等几个方面。在电脑上运行Protel软件，从绘制简单的PCB电路开始，逐步熟悉设计过程。在进行PCB电路设计时，在每一芯片的电源端子和地之间接入0.1F的去耦电容；电源线、地线和芯片的接地线应尽可能加宽。进行电路板设计时，在芯片的电源引脚和接地引脚之间接入一个0.1F的去耦电容。该电容去耦了来自电源的噪声，保证芯片有持续、稳定的电压源。5.1.2电路板焊接操作要求 1） 元器件装配位置：见附录和附录。2） 元器件焊接端正平整；有方向的元器件（二极管、三极管、LED、电解电容等）方向装焊正确；LED1,LED2焊接高度为16.5mm1mm，焊接液晶屏从屏顶至电路板焊接高度为11.5 mm1mm,红外接收管U4和红外发射管D14高度自接收头平面至电路板16.5mm1mm，电池离电路板距离1mm0.5mm,其余分立件紧贴电路板面焊接.3） 焊锡与焊点要求：无焊锡桥连现象，板面无溅落锡点；焊点光滑、颜色光亮、润泽、无灰暗色，焊锡用量适中。4） 板面要求：板面干净，无焊剂遗留和其他异物粘附。5.2电路板半成品测试通过对单相电子式电能表的整机调试、误差校准和功能的检定，使电表能够正常工作，实现其各种功能，同时保证精度达到技术指标的要求。1）调试设备要求精密电源、PTC-8125D单相电能表检验装置、万用表、待调电路板、电烙铁(焊锡丝)、带RS485通讯软件及通讯电缆的PC机、掌机、单相标准表。2）调试前准备目测电路板有无开、短路，焊点是否有漏、虚焊，电解电容正负极是否焊反。主板第一次上电前应保证交流电压回路无短路，V1、V3的输入、输出对地不应短路。若检查正常，将主板连接到端纽盒，并连接好相关电缆。3）通电调试输入220V的交流电压， 液晶LCD显示全部段码两秒钟，如果有缺划检查相关电路及LCD。用万用表测量“GND”与“+12V”之间的电压为16V左右,“GND”与5.7V”之间的电压为5.7V左右，“GND”与“VDD”、“VCC”及“VAD”之间的电压为5V左右，表明系统主电路供电正常。三端稳压器V3的输入电压为16V1V，C93两端的电压为5V0.5V，表示485供电正常。电表的输入电流的反向时，LED2灯亮，表示反向用电。液晶屏上出现反向箭头。将RS485-RS232转换器的数据线与电能表辅助端子连好，检查RS485通讯是否正常。用掌机检查红外通讯是否正常。将电表交流电源断开，万用表拨到A档，红黑表笔分别接到JP1的两个焊盘，检测电池电流。一般电池电流在22A左右。测试完毕后将JP1用焊锡短接，此时按一下K2键，LCD能显示6秒然后熄灭，短接JP1前必须保证流过的电流符合要求。所有实验完毕将JP1断开以节省电池，出厂前必须将其短接。5.3 电能表的功能测试5.3.1整机功耗测试将源的L线输出接到标准表的电流输入端，