电能表论文06686

1、摘要随着国际社会、经济水平的发展，电力供应越来越紧张，国内外对多功能电能表的需求量正在快速增长，高精度三相多功能工业电能表也因此成为目前我国电能表行业研究的新课题。该类型电能表可以广泛应用于电能的高精度计量和工业自动化系统对电量的检测，如检测电流、电压、频率、有功功率、无功功率等。但是基于多功能电能表的成本以及可靠性等方面的考虑，多功能电能表并没有得到广泛地应用。因此，开发设计新型的三相多功能工业电能表对降低生产成本，提高计量精度都有十分重要的意义。本设计的三相多功能电能表系统以单片机at89s51为核心，采用专用计量芯片ade7758，集检测、计量、控制和通信于一体，能够广泛应用于各个工业系

2、统中。设计的主要内容如下：(1)分析了三相多功能工业电能表的电能计量原理。(2)制定了基于单片机at89s51的三相电度表的整体设计方案，并在此方案的基础上进行电能计量部分和控制部分电路的设计。(3)制定了软件的总体设计方案以及各部分的流程。 该电能表经过校正后能达到很高的精度，能精确的测量所需的各种电能参数。关键词 电能表 精确计量 at89s51 ade7758 abstractwith international social and economic development, the electricity supply and more nervous, and a table fo

3、r electricity demand is growing fast,so how to design a high-accuracy multi-function 3-phase power meter is a new subject in the relative fields in our country.this type of the instruments can be used for measuring electrical energy high accurately and monitoring electrical valume in induslrial auto

4、matic controling system,such as current,voltage,frequency,active power,reactive power,etc. but based on a cost of electricity to form and reliability considerations, the more electrical energy is not widely used. therefore , it is very necessary and meaningful to design a new type of high-accuracy m

5、ulti-function 3-phase power meter which can reduce the production costs and improve the measurement accuracy.in the design,a high-accuracy multi-function 3-phase power meter based on high-performance mcu at89s51 and high-precision power chip ade7758 are studied.the following are the main points:(1)e

6、nergy measurement principles of the high-accuracy multi-function 3-phase powermeter are analyzed.(2)the overall design of the high-accuracy multi-function 3-phase powermeter is studied.the metering part and the controlling part are designed,which is needed to enable the functions of the power meter.

7、(3)the overall program of the software and the process of each part is designed. this kind of power meter will achieve high accuracy after calibration,which can exactly measure the technical parameters needed in monitoring electromotor.key words power meter accurate measurement at89s51 ade7758目录摘要ia

8、bstractii第1章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外发展情况1第2章 基于单片机的三相电度表的总体设计32.1 系统总体框图32.2 设计的主要技术指标42.3 电能计算的理论基础52.3.1 三相交流电信号模型52.3.2 电压、电流有效值的计算52.3.3 功率的计算62.3.4 频率的计算8第3章 基于单片机的三相电度表的硬件设计93.1 硬件电路的总体设计93.2 电流电压输入模块设计93.2.1 电流输入通道设计93.2.2 电压输入通道设计123.3 计量模块设计133.3.1 计量电路原理133.3.2 滤波器仿真163.3.3 电能芯片ade7758简介163

9、.4 单片机及外围电路设计183.4.1 单片机芯片简介及与外围电路的连接183.4.2 时钟模块设计223.4.3 铁电eeprom接口电路设计243.4.4 串行通讯接口设计253.4.5 lcd显示电路设计263.4.6 按键模块设计273.4.7 复位电路设计283.4.8 电源电路设计29第4章 软件部分设计314.1 程序总体框架314.1.1 主程序流程314.1.2 初始化模块324.1.3 电能计量模块334.1.4 异常情况监测344.1.5 时钟模块354.1.6 键盘中断模块364.2 系统初始化374.2.1 mcu初始化374.2.2 外围设备初始化394.3 系统

10、软件设计414.3.1 实时电能计量程序设计414.3.2 按键中断处理与时钟初值输入调整42结论44致谢45参考文献46附录48contentsabstractichapter i preface11.1 the background and meaningful11.2 domestic and international development1chapter ii the overall design of 3-phase power meter based on mcu32.1 overall system chart32.2 the design of the main indic

11、ators42.3 electricity to the theoretical foundation52.3.1 three-phase ac signal model52.3.2 voltage and current value of effective52.3.3 calculation of power62.3.4 calculation of frequency8chapter iii the hardware circuit design of 3-phase power meter based on mcu93.1 the overall design of hardware

12、circuit93.2 the design of current and voltage input socket93.2.1 the design of current input channel93.2.2 the design of voltage input channel123.3 the design of measurement module133.3.1 measurement instruments circuit design principle modules133.3.2 filter simulation163.3.3 the design of voltage i

13、nput channel163.4 the design of mcu and the external circuits183.4.1 the profile of mcu and the connection of the external circuits183.4.2 the design of the clock module223.4.3 the design of the iron and electric eeprom interface circuit243.4.4 the design of the serial communication interface253.4.5

14、 the design of lcd display circuit263.4.6 the design of the key module273.4.7 the design of the reset circuit283.4.8 the design of the power circuit29chapter iv the design of software314.1 the overall framework314.1.1 the main program flow314.1.2 initialization module324.1.3 the module of electrical

15、 energy measurement334.1.4 monitoring of unusual344.1.5 the clock module354.1.6 the module of keyboard interrupt364.2 system initialization374.2.1 mcu initialization374.2.2 peripheral devices initialization394.3 the design of system software414.3.1 the design of real-time electrical energy measureme

16、nt program414.3.2 buttons suspended dealing with the readjustment of the input42conclusions44acknowledgements45references46appendix48第1章 绪论1.1 研究背景及意义电能是最重要的能源，它的应用在生产技术上曾引起划时代的变革。在现代社会中电能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。作为测量电能的专用仪表电能表，在电能管理用仪器仪表中占有很大的比例，其性能直接影响电能管理的效率和科学化水平，它的准确与否直接关系到国家与用户的经济利益。随着现代电子技术的

17、发展，以各种单片机为主要控制芯片的电子电能表的生产已形成规模。同时，随着我国经济的快速发展，电量消耗日益增加，这为电网稳定运行带来了很多不安全因素。国家加快智能电网建设，并采取多种形式的用电政策，以达到节能，削峰填谷，平衡用电的目的。三相多功能电度表主要针对国内市场三相用电的工业用户。三相多功能电能表性能优越、工作可靠、功能多样，拥有多参数计量、按键显示、电能脉冲输出、光电和rs-485通信等功能，并且成本低廉，具有广阔的市场应用前景1。随着电力行业改革深入,工业三相用电对多功能电能表的需求大量增加。目前国内多功能表种类少、价格较高、功能不完善,往往仅是针对某些地区的特定要求开发,缺乏通用性,

18、某些产品未能完全达到国标的要求。因此，设计一种多功能、实时性高、精度高和成本低的电能表足电工仪表行业的研究人员一直追求的目标。1.2 国内外发展情况我国早期普遍使用的是感应式电能表，20世纪70年代开始应用电子式标准电能表，首先是采用进口电能表，到80和90年代国内已能商业化生产0.05级电子式标准电能表。经过几十年的发展，现在我国电能表技术水平在大部分领域已经达到国外同类产品的先进水平。在市场经济下，人们对电能计量准确度的要求越来越高，对电的管理要求实现智能化和自动化2，这些都是感应式电能表无能为力的。20世纪中叶，微电子和信息产业等新技术的发展，有力的支持了电能表的革新。先是高精度电子式标

19、准电能表的出现满足了校验技术的要求，继而70年代开始商业化应用电子式电能表于大工业用户电能计量。21世纪初，电力市场改革浪潮遍及全球，各国电力公司都认识到市场竞争的核心是电能表。特别是用户选择供应商和实时电价，要求电能表既有灵活、可靠的双向通信功能又要能够稳定运行、精确计量。随着电子技术的飞速发展，电能表正在向高精度、长寿命、微型化、智能化、网络化方向发展。随着电力工业向大电网、大电厂、大机组、高电压、高参数、高度自动化方向发展以及全国电力联网的推进，电力输送规模将越来越大，高精度电能表将成为电工仪器仪表行业的发展重点。三相多功能电能表是高精度电能表中的代表产品。目前三相多功能电能表主要用于变

20、电站、电厂及作为大用户的关口表。作为推动电力系统自动化的关键设备之一，三相多功能表有着广阔的市场前景。同时随着电能表产品需求结构的改变，三相多功能电能表必将从只有重要的关键大电大户使用，发展到一般用电大户甚至普通三相表中、小用户中使用，市场容量将进一步增大。面对新的形势，全面提高三相电能表，尤其是技术含量高的产品的市场竞争力，重点突破多功能表的现状，使电能表从数量优势向技术优势转变是电能表产业的发展趋势。三相电能表是今后一段时间内的发展主流，技术含量高的产品发展空间大，经济效益也好，更应该作为今后发展重点。第2章 基于单片机的三相电度表的总体设计本设计中的电能表主要由检测、计量、控制、存储、显

21、示、键盘、通信接口和电源等部分组成。电能计量系统最重要的功能是精确测量各种电能参数，如电压、电流、有功功率、无功功率、频率、功率因数，欠压和断相检测、谐波分析等。目前测量方式主要有两种。一种是采用专用测量芯片，将其检测到的数据加以处理，得到想要测量的参数；另一种是直接对电流、电压进行采样，并通过计算得到电能参数。比较这两种测量方法，前一种从测量精度、可靠性、维护的难易程度等方面均优于后一种。因此本系统采用专用计量芯片来检测电信号，配以单片机(mcu)编程实现多种功能。检测部分由精密电流互感器、电压互感器和外围处理电路组成，从而得到电流、电压、频率、相位等实时数据，并输入到计量芯片中。计量芯片通

22、过对各个输入信号计量之后，将计量得到各种电能参数输入到控制部分即mcu中，由mcu中的程序决定它将那些参数经过处理后送到存储器中储存，并送到显示部分进行显示。显示部分采用高品质液晶显示模块，可显示4行，每行20个字符。通信接口采用rs-485通信模块，来和上位机进行通信，本系统中用的是max487芯片，它为单一电源+5v供电，8个引脚使用简单、方便。如果通信接口接到上位机的命令，则将命令传输到mcu中，根据命令可将电能参数传送到上位机，这样就可以实现各种参数的测量。2.1 系统总体框图三相电度表的主要构成模块有：计量模块（信号采集及调理模块）、电源模块、管理模块（微控制器模块）、通信模块、存储

23、模块、按键模块和显示模块。三相电度表的计量模块包括电压电流采样电路和计量单元。采样电路将被测三相电压、三相电流转换到 a/d 转换器输入电压范围内， a/d 转换器将电压电流模拟信号转换为数字量，并传输给计量单元。计量单元可采用模拟乘法器、数字乘法器、专用电能计量芯片或数字信号处理器等器件，通过电压电流采样信号计算出电网电压电流有效值、功率和电量等信息；电源模块为电能表提供工作电源；管理模块读取计量模块输出的测量参数和电量数据；通信模块、存储模块和显示模块配合完成电能表的各种功能。 基于单片机技术的三相多功能电度表的设计总体框图如图2-1所示。图2-1 基于单片机的三相电度表的设计的结构框图本

24、设计采用ade7758计量芯片和at89s51设计三相电度表，单片机的t0、t1对ade7758的apcf、varcf端子发出的脉冲计数，实现有功、无功等多个电量参数的计量。单片机通过按键进行电量参数的查询，通过液晶lmb204进行电量参数的显示，通过rs-485总线进行电量参数的远程数据传送，采用fm24c64芯片进行电量参数的存储。考虑到存储芯片擦写次数的有限性，电量参数的计量累加在单片机内部完成。dsl302为分时段计量和定时存储提供时间参数；通过三个功能键实现dsl302芯片时钟的初值输入调整。后备电源lir2466为可充电的3.6v锂电池。单片机复位采用max706芯片。单片机的rx

25、d、txd串口预留作为rs-485通信接口，采用max487芯片进行rs-485总线与单片机的接口电路设计3。2.2 设计的主要技术指标本设计的技术指标为：（1）额定电压380v；额定电流5a；信号频率50hz10%。（2）仪表电源220v10%；工作环境温度-2550，相对湿度85%。（3）精度：有功1.0级，无功1.0级。（4）串口通信rs-485。2.3 电能计算的理论基础随着市场经济的不断发展，各种耗能性企业遍布全国各地。能源问题成为中国发展进步的重大问题。供电部门、各大生产企业日益重视电能的科学管理，加强电力负荷监控以实现计划用电和合理配电，提高电网负荷率。这就要求电能表不仅能精确的

26、计量用户有功电能的消耗，还应能够记录显示电网运行质量的参数，这些参数包括电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、工作频率等。2.3.1 三相交流电信号模型对于理想的三相交流电,a、b、c三相电压信号可以表示为下列函数4：= (2-1)= (2-2)= (2-3)2.3.2 电压、电流有效值的计算信号的有效值也叫均方根值(rms)，是表示信号发送功率的能力，不管什么样的波形，具有相同均方根值的信号发送到阻性负载上的功率是相同的。在三相电路中，电压、电流的测量一般均为有效值的测量。根据电压有效值、电流有效值的定义4：= (2-4)= (2-5)由于a/d转换器是对电信号离散采样的，假

27、设对电压u(t)、i(t)分别进行n次采样，u(k)、i(k)相应为第k个采样点，总采样点数为n，则= (2-6)= (2-7)在三相电路中，a、b、c相的电压有效值分别为：= (2-8)= (2-9)= (2-10)a、b、c相的电流有效值分别为：= (2-11)= (2-12)= (2-13)2.3.3 功率的计算功率是电流做功的速率，通常用字母p表示。在交流电路中，由于储能元件的存在，交流电路的功率分为有功功率、无功功率和视在功率。(1)有功功率的计算有功功率又叫平均功率，即瞬时功率在一个周期内的平均值。它是指电路中耗能元件所消耗的功率5。在正弦交流电路中，设瞬间电压为u(t)，瞬间电流

28、为i(t)，则瞬间功率p(t)=u(t)i(t)。p(t)是个随时间变化的函数，它在某个周期内的平均值应等于该函数对时间积分后，除以时间间隔，所以平均功率应为：= (2-14)当用计算机处理时，需要将连续量离散化，用和式代替积分。若以的时间间隔对电压和电流进行采样，用n表示每周期采样的次数(即t=n)，则有功功率公式可以表示为： (2-15)式中，u(k)、i(k)分别代表电压、电流的第k次采样值，n为采样总点数，芯片就可按公式(2-15)计算出有功功率。取得越小，离散采样的波形就越接近实际值，则计算结果越准确。在三相交流电中，a、b、c三相的有功功率分别为： (2-16) (2-17) (2

29、-18)(2)视在功率的计算在具有复阻抗的交流电路中，电压有效值与电流有效值的乘积值称为视在功率，它反映的是额定功率的大小，即= (2-19)视在功率也可定义为电压绝对值与电流绝对值的乘积，即= (2-20)通常，为了电路设计的方便性，芯片内部使用公式(2-21)的方法实现视在功率的计算。即先计算出电压有效值和电流有效值，然后相乘得到视在功率。(3)无功功率的计算无功功率是视在功率中不消耗电能的部分，它的产生与储能元件有关6。在实际的电路中，一般采用先计算有功功率、视在功率，然后通过三者的关系式来计算无功功率。视在功率、无功功率、有功功率满足下面的关系： (2-21)所以，无功功率的计算方法如

30、下： (2-22)(4)功率因数的计算在交流电路中，电压与电流之间的相位差()的余弦叫做功率因数，用符号表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即= (2-23)由上式可以看出，功率因数的最高值为1。功率因数的大小与电路的负荷性质有关，具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据，也是衡量电气设备效率的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失7。2.3.4 频率的计算频率的测量一般采用过零检测法，设电压信号每个过零点的时刻，由此可得到周期t满足： (2-24)由周期与频率之间的关系得

31、到频率的计算公式： (2-25)第3章 基于单片机的三相电度表的硬件设计3.1 硬件电路的总体设计按照功能区分，硬件电路的设计可以分为两部分：一部分完成计量功能，主要功能是精确测量各种电能参数，如电压、电流、有功功率、无功功率、频率、功率因数、欠压和断相检测、谐波分析等。这部分由高档电能芯片ade7758完成；另一部分完成控制功能，实现lcd显示、串口通讯等功能，这部分由单片机at89s51、max487、fm24c64、lcd液晶显示lmb204组成。设计采用ade7758和at89s51为主要芯片，配合各种通用芯片来实现各个功能。电流电压信号处理的流程：从互感器出来的三相电流信号与三相电压

32、信号先经信号调理，之后由电能芯片ade7758进行数据处理，从而得到电能表显示所需要的电压、电流、功率和电能的值，这些数值经spi串行通讯接口传输到at89s51中，并在cpu的控制下送lcd液晶显示。3.2 电流电压输入模块设计3.2.1 电流输入通道设计a相、b相、c相电流信号正负模拟输入引脚分别为iap/ian、ibp/ibn、icp/icn，电流信号经过rc滤波电路进行信号调理后，进入到cd4053信号选通模块，cd4053与ade7758相连接，所以此时电流信号从输入引脚iap/ian、ibp/ibn、icp/icn进入到ade7758中。以a相为例，它的电流信号的流向为：电流信号经

33、过电流互感器ctl后处理为电压小于 0.5v的信号，即适合输入到iap、ian的电压幅度，然后通过电阻、电容构成的rc滤波器滤波8，再经过两对倒置开关二极管组成的电压保护电路，最后才成为输入电流。电流输入通道设计如图3-1所示。图3-1 a相电流输入通道在本设计中，电流输入信号由双变比电流互感器引出，以实现根据负载实时功率的大小，即实时负荷的大小，进行电流输入通道的切换。电流互感器的变比是指一次、二次端额定电流之比。采用双变比电流互感器，主要是考虑到负荷问题会影响到所测的电能精度。电流互感器有两个变比输出,高变比和低变比。当测量得到的负荷发生变化时进行变比切换，采用不同的变比来减小误差，提高测

34、量精度。双变比电流互感器如图3-2所示。图3-2 电流互感器示意图切换功能由模拟开关来实现。开关在电路中起接通信号或断开信号的作用。最常见的可控开关是继电器，当给驱动继电器的驱动电路加高电平或低电平时，继电器就吸合或释放，其触点接通或断开电路。cmos模拟开关是一种可控开关，它不像继电器那样可以用在大电流、高电压场合，只适于处理幅度不超过其工作电压、电流较小的模拟或数字信号。在本设计中将电流输入分为两种情况。一种情况是当前负荷大于或等于额定负荷的20时的情况，称之为峰时，另一种情况是当前负荷低于额定负荷的20时的情况，称之为谷时。峰时电流互感器切换为高变比，反之采用低变比。这个切换功能由模拟开

35、关cd4053来实现。cd4053为三组二路模拟开关，其内部含有三组单刀双掷开关，三组开关具体接通哪一通道，由输入地址码abc来决定。cd4053的真值表见表3-1。峰时的三路电流分别接cd4053的ax、bx、cx，当a、b、c同时为0时接通；而谷时的a相、b相、c相三路电流分别接cd4053的ay、by、cy，当a、b、c同时为l时接通。将cd4053的输出a、b、c分别接在ade7758的iap、ibp、icp。由于系统只需要ax、bx、cx同时接通或关闭，ay、by、cy同时接通或关闭的情况，因此将a、b、c连接在一起与单片机的i/o口p1.0，通过编程设置p1.0输出为0还是l来选择

36、接通ax、bx、cx还是ay、by、cy进行高、低变比互感器的切换，以实现控制。cd4053外围电路设计如图3-3所示。r28为限流电阻，发光二极管led1指示功率分段和变比切换情况，当p1.0为高电平时，cd4053的ay端子与a选通，ade7758的电流通道小变比检测信号选通，对应小负荷计量模式，此时led1不导通；p1.0为低电平时，ax端子与a选通，电流通道高变比检测信号选通，对应正常负荷计量模式，led1导通发光。表3-1 cd4053真值表输入状态接收通道inhcba0000cxbxax0001cxbxay0010cxbyax0011cxbyay0100cybxax0101cybx

37、ay0110cybyax0111cybyay1/均不接通图3-3 cd4053引脚配置及外围电路设计3.2.2 电压输入通道设计a相、b相、c相电压信号正负模拟输入引脚分别为vap、vbp、vcp，电压信号经过信号调理后从这些引脚进入到ade7758中。以a相为例，如图3-4所示，电压信号经过电压互感器ptl后处理为电压小于0.5v的信号，即适合输入到vap引脚的电压幅度，然后通过电阻、电容构成的rc滤波器滤波，再经过两对倒置开关二极管组成的电压保护电路，最后才进入到vap中。图3-4 a相电压输入通道3.3 计量模块设计3.3.1 计量电路原理计量电路原理即为：电流回路由电流传感器进行信号取

38、样，电压回路由电压互感器进行信号取样，之后进行信号调理，再由计量芯片ade7758对取样信号进行处理，计算出瞬时有功、无功功率。平均有功、无功功率通过瞬时功率的直流分量获得在电量累加寄存器中对平均功率进行累加得到分相电量；分相电量可以通过spi端口读出，也可以转换为计量脉冲输出。ade7758有两路脉冲输出，对应端子为apcf和varcf。脉冲输出频率与能量寄存器中累加的能量成正比，通过对脉冲计数实现电量参数的累加。本设计的计量电路采用ade7758专用电能计量芯片，由信号衰减网络和滤波网络两部分组成。衰减网络用来实现负荷电流、电压信号的衰减，由电流传感器、电压互感器组成；滤波网络用来实现抗混

39、叠滤波电路9。频率混叠是a/d信号采样处理中的特有现象，混叠会产生假频率假信号，影响测量结果10。在进行电流、电压信号衰减后，要进行抗混叠滤波设计。在本设计中，滤波网络采用rc无源低通滤波器电路，因为在这一领域中，信号频率相对来说不高，而且rc滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件易得。低通滤波器的串臂接电阻r，并臂接电容c，由于电容器的容抗随频率升高而减小，所以信号的高频成分不能通过滤波器。rc低通滤波器的电路及其幅频、相频特性如下：设滤波器的输入电压为ex输出电压为ey，电路的微分方程为： (3-1)这是一个典型的一阶系统。令=rc，称为时间常数，对上式取拉氏

40、变换，有： (3-2)或 (3-3)其幅频、相频特性公式为： (3-4) (3-5)分析可知，当f很小时，a(f)=1，信号不受衰减的通过；当f很大时，a(f)=0，信号完全被阻挡，不能通过。因为设计的主要技术指标中规定信号频率50hz10%，因此本设计滤波电路中取f=55hz,电阻取标值1k，根据公式 (3-6)可得， 则 rc滤波电路具体设计如图3-1,3-4所示。3.3.2 滤波器仿真本设计通过ni multisim软件对滤波器电路部分进行仿真。ni multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借ni multisim，可以立即创建

41、具有完整组件库的电路图，并利用工业标准spice模拟器模仿电路行为。借助专业的高级spice分析和虚拟仪器，能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与ni labview和signalexpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。一阶低通滤波器电路的仿真图如图3-5所示。图3-5 一阶无源低通滤波电路的仿真图如图3-5所示，通过仿真，验证了滤波器电路设计的正确性。3.3.3 电能芯片ade7758简介ade7758是一种高精确度三相电能测量ic，带有一个串行口，两路脉冲输出。ade7758集成了数字积分、参考基准电压源、温

42、度敏感元件等，有可用于有功功率、复功率、视在功率、有效值的测量以及以数字方式校正系统误差(增益、相位和失调等)所必须的信号处理电路。该芯片适用于各种三相电路(不论三线制或者四线制)中测量有功功率、无功功率、视在功率11。在电能芯片ade7758内部，来自电流传感器和电压传感器的电信号经信号放大(pgal、pga2)和模数变换(adc)转换为对应的数字信号，然后，电流信号经电流通道内的高通滤波器(hpf)滤除dc分量并数字积分后，与经相位校正()的电压信号相乘，产生瞬时功率：此信号经低通滤波lpf2产生瞬时有功功率信号：各相功率相加得到总的三相瞬时有功功率，经dout引脚输出。视在功率和无功功率

43、的计算与此类似。ade7758有六路模拟量输入，分成电流和电压两个通道。电流通道由三对差分电压输入，分别是iap，ian；ibp，ibn；icp，icn。这三个电流通道最火的信号电压变化范围为0.5v。电流通道有一个可编程增益放大器(pgal)，放大器增益为1，2或4。除了pga功能外，用于a/d转换时，通道1还具有输入信号满刻度选择的功能。前面提到了，最大输入电压变化范围为0.5v，利用增益寄存器的3和4位，adc的输入电压可以设置为0.5v，0.25v，0.125v。这是利用adc的基准参考端来实现的。电压通道具有三路单端电压输入通道，分别为vap，vbp和vcp。这些单电压输入端的最大输

44、入电压变化范围为0.5v。相对于vn来说，电流和电压通道都有一个pga(可编程放大器)，增益为l，2或4，由用户编程来决定，所有的输入通道的增益相同。ade7758提供系统的校正功能如：有效值偏移的校正、相位和功率的校正等等。引脚apcf的逻辑输出给出了有功功率的信息，引脚varcf的输出提供了瞬时无功功率和视在功率的信息。ade7758具有一个波形取样寄存器，其值来自于adc的输出。波形采样部分集成有一个用于短时持续低电平或高电平的监测电路，门槛电平和持续时间是由用户编程来决定的。三相中的任一相过零监测是同步进行的，过零监测的结果可用于测量三路电压输入中任一路的周期。ade7758的所有功能

45、都是通过读、写片上寄存器来实现的，即ade7758的各种设定和操作主要是对其众多寄存器的读和写。每个寄存器在读、写时，首先要执行一个写通信寄存器的操作，然后开始传输数据。 电能表的测控命令和测量信息可以多种方式与mcu通讯。mcu输入的命令字控制着ade7758的工作模式、测量模式、波形采样模式、有效值偏差补偿量和中断模式等。例如：每相的电流通道在信号通路中都有一个乘法器。电流波形可以改变50，这主要是由写入12位有符号电流波形增益寄存器(aigain，bigain，cigain)中的2进制数决定的：如果7ffh写入这三个寄存器，则adc的输出标定值将增加50；如果800h被写入，则输出减小5

46、0。ade7758引脚分布及与单片机的连接电路如图3-6所示。图3-6 ade7758引脚分布及与单片机的连接电路图3-6电路用来实现ade7758与单片机的数据通信，一方面可以通过spi口进行计量芯片ade7758的初始化，另一方面ade7758把数据处理的结果以脉冲形式或spi口送出，供单片机进行计量处理。r47、r48为限流电阻，对单片机的i/o口起到限流保护作用。ade7758每产生一个有功或无功脉冲，对应的led2或led3会闪亮一次。旁路电容c25的作用是使ade7758电源电压输入保持基本稳定,去耦电容c26的作用是滤除芯片电源输入中的尖峰脉冲成分。12脚为ad采样参考电压引脚，

47、c27、c28并连接地去耦。18脚irq为ade7758中断输出端子，低电平有效，漏极开路，与单片机at89s51的p3.3口相连。当ade7758检测到中断发生时，irq向低电平跳变，发出intl中断申请；单片机通过读取ade7758状态复位寄存器内容，判断中断事件的类型。19脚clkin、20脚clkout为10mhz晶振输入、输出引脚，由于晶振在高频工作时有寄生电感，所以设计中加入22pf的小电容c30、c31作为负载电容，起到平衡电感，以及谐振的作用。ade7758的dout、sclk、din、cs为4线spi串行接口(dout端子时钟上升沿数据输出，sclk串行时钟信号输入端, di

48、n端口时钟下降沿数据输入, cs低电平选通)，分别与单片机at89s51的p1.4p1.7口相连，实现片内寄存器的写入及电量参数、中断数据的读出。3.4 单片机及外围电路设计3.4.1 单片机芯片简介及与外围电路的连接at89s51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器(fperomfalshprogrammableanderasablereadonlymemory)的低电压，高性能cmos8位微处理器，俗称单片机。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89s5

49、1是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案12。at89s51的引脚分布及与外围电路的连接如图3-7所示。引脚功能介绍：p0口有三个功能： 1、外部扩展存储器时，当做数据总线（如图3-7中的d0d7为数据总线接口）。2、外部扩展存储器时，当作地址总线（如图3-7中的a0a7为地址总线接口）。3、不扩展时，可做一般的i/o使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出应在外部接上拉电阻。 p1口只做i/o口使用，其内部有上拉电阻。 p2口有两个功能： 1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用。2、做一般i/o口使用，其内部有上拉电阻。p3口有两个功能：除了作为i/o使用外（其

50、内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。编程脉冲：30脚（ale/prog）, 有内部eprom的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号是由该引脚提供的。编程电压（25v）：31脚（ea/vpp）。ale/prog地址锁存控制信号：在系统扩展时，ale用于控制把p0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。ale有可能是高电平也有可能是低电平，当ale是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ale信号负跳变（即由正变负）将p0口上低8位地址信号送入锁存器。当ale是低电平时，p0口上的内容和锁存器输出一致。

51、在没有访问外部存储器期间，ale以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。从这里我们可以看到，当系统没有进行扩展时ale会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。 porg为编程脉冲的输入端。psen外部程序存储器读选通信号：在读外部rom时psen低电平有效，以实现外部rom单元的读操作。 1、内部rom读取时，psen不动作； 2、外部rom读取时，在每个机器周期会动作两次； 3、外部ram读取时，两个psen脉冲被跳过不会输出； 4、外接rom时，与rom的oe脚相接。 ea/vpp访问和序存储器控制信号

52、： 1、接高电平时： cpu读取内部程序存储器（rom） 扩展外部rom：当读取内部程序存储器超过0fffh（8051）1fffh（8052）时自动读取外部rom。 2、接低电平时：cpu读取外部程序存储器（rom）。rst复位信号：当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器pc=0000h，即复位后将从程序存储器的0000h单元读取第一条指令码。 xtal1和xtal2：外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。 vcc：电源+5v输入。vss：gnd接地。图3-

53、7 at89s51的引脚分布及与外围电路的连接如图3-7所示，在本设计中at89s51引脚与外围电路的具体连接情况如下（按引脚标号顺序进行描述）。单片机的i/o口p1.0与cd4053的a、b、c连接在一起，通过编程设置p1.0输出为0还是l来选择接通ax、bx、cx还是ay、by、cy进行高、低变比互感器的切换，以实现控制。p1.1口与max706 的看门狗定时器输入 wdi相连，由 wdi检测 p1.1的脉冲变化,当单片机受到干扰或运行有故障时，p1.1会在1.6s内无上升沿或下降沿变化，则看门狗超时溢出并将看门狗输出端变为低电平，复位输出也变为低电平，经反相后变为高电平，使at89s51

54、单片机产生复位。p1.2口与max-487的de口相连，当de为高电平时，单片机向rs-485总线发送数据；de为低电平时单片机从rs-485总线接收数据。p1.3与ds1302的复位/片选线rst相连，通过把rst输入驱动置离电平来启动所有的数据传送，rst为l允许通信，rst为0禁止通信。p1.4p1.7分别与ade7758的dout、sclk、din、cs相连，用来实现ade7758与单片机的数据通信，一方面可以通过spi口进行计量芯片ade7758的初始化，另一方面ade7758把数据处理的结果以脉冲形式或spi口送出，供单片机进行计量处理。并且p1.5、 p1.6口又分别与ds130

55、2的串行数据输入输出端i/o，串行时钟输入sclk相连，以实现时钟数据的传输。9脚rst与max706的复位输出相接。rxd、txd分别与max-487的ro、di相连。p3.3、p3.4、p3.5分别与ade7758的irq、apcf、varcf相连，irq为ade7758中断输出端子，低电平有效，漏极开路。当ade7758检测到中断发生时，irq向低电平跳变，发出intl中断申请；单片机通过读取ade7758状态复位寄存器内容，判断中断事件的类型。 p2.0、p2.1分别于存储芯片fm24c64的scl、sda相连，用以输出时钟信号，以及接收发来的串行数据。p2.2p2.4分别与按键k1、k2、k3