单相智能电表硬件电路设计

1、单相智能电表硬件设计物理与电子信息学院电气工程及其自动化学号：指导教师：摘要：本文设计单相智能电表的硬件电路。主要由 cpu模块、电能计量模块和电压电 流采样模块、显示模块、电源模块、时钟模块、存储模块、通讯模块组成。电压电流采样模块采用分流器和精密电阻实现对市电的转换；电能计量模块采用ade7755计量芯片实现对电流、电压的测量与转换；时钟模块采用ds12c887时钟芯片为系统提供时钟基准，存储模块采用at24c04,显示卞g块用1602液晶，通信模块采用max485芯片, 并利用at89c52组成的cpu模块控制所有芯片的工作、测量、计算电能，送往显示模 块和存储模块进行实时显示。该电度表

2、成本低、使用方便、安全可靠、具有广泛的应用 前景。关键词：智能电表;计量芯片；时钟芯片hardware design of single-phase smart metercollege of physics and electronic information electrical engineering and automation no:tutor:abstract: this article designs hardware electric circuit of the single-phase intelligent electric instrument. the intelli

3、gent ammeter is mainly composed of cpu module, electric energy metering module, the voltage and current sampling module, display module, power module, clock module, storage module, communication module. voltage and current sampling module use shunt and precision resistor to realize the conversion of

4、 electricity. electric energy metering module uses ade7755 chip to realize measurement and conversion of the voltage and current. clock module uses ds12c887 chip to provide the clock benchmark for the system. memory module uses at24c04. display module uses 1602 liquid crystal. communication module u

5、ses max485 chip. the system use the at89c52 composed of cpu module to control all the chips work, measuring, computing power, sent to the display module and storage module for real-time display. the meter is of low cost, easy to use, safe and reliable, with wide application prospect.key words: intel

6、ligent ammeter; metering chip; clock chip目 录摘要11弓i言 41.1 电能表的发展历程 41.2 本课题研究的主要内容 62系统设计 62.1 系统方案论证62.1.1 电能计量系统方案设计 62.1.2 其他模块的方案论证 72.2 系统原理框图的确定 83电压、电流采样模块 103.1 电能计量芯片简介 103.1.1 ade7755 芯片结构 103.1.2 ade7755引脚排列及功能 113.1.3 ade7755 工作原理 123.2 电流、电压采样电路设计 133.3 脉冲输出143.4 电能计量电路设计 154控制芯片、外围电路设计

7、164.1 控制芯片164.1.1 at89c52单片机介绍 164.1.2 最小系统 174.2 lcd显示模块184.2.1 引脚功能简介 184.2.2 显示电路设计 184.3 实时时钟194.3.1 时钟芯片简介 194.3.2 引脚功能 194.3.3 时钟电路设计 214.4 其他电路设计 224.4.1 电源模块 224.4.2 存储模块 224.4.3 ic 卡接口 234.4.4 通讯模块 244.4.5 掉电检测 254.4.6 磁保持继电器驱动 265结论 28参考文献 28附录1智能电表原理图 29附录2智能电表pcb图30141引言随着市场经济体制的建立，电力已经作

8、为一种商品走向市场，电力企业管理正转向 商业化运行。目前，绝大多数用电管理是采用最原始的分散计量、人工抄表，它离自动 化的目标还非常遥远。当前城镇居民住宅公寓化，相对较为集中，及时开发并推出适合 国情，既面向未来电量管理自动化建设的需要， 又适应现行的运行管理体制的多用户表， 是民用电计量、管理的大势所趋。用电量的急剧增长以及由此引发的能源供需矛盾加剧，许多工业大国日益重视电能管理，都在通过技术改造等各种手段加强对电力负荷的监控，以实现计划用电与合理配 电，从而提高电网负荷率。现代电能管理强调自动化、智能化，要求以高新技术手段确 保经济杠杆调配电能的使用，以求更高的供用电效率。这使对电能计量仪

9、器仪表提出了 多功能化的要求，希望它不仅能计量电能，而且也能应用于管理。因此功能单一的感应 式电能表已不适应现代电能管理的要求，电子式电能表应运而生。1.1电能表的发展历程作为测量电能的专用仪表电能表，自诞生至今已有100多年的历史。因为1kwh的电能量被定义为一度电，所以按计量单位，电能表又俗称电度表或千瓦时表。电能表在 电能管理用仪器仪表中占有很大比例，其性能直接影响着电能管理的效率和科学化水 平。100多年来，随着电力系统、所有以电能为动力的产业的发展以及电能管理系统的 不断完善，电能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程。电能表已经经历 了感应式电能表、机电脉冲式电能表、电子式

10、电能表三个阶段。（1）感应式电能表（机械表）在电力系统发展的早期，感应式电能表被广泛用于 工频（50hz或60hz）电能的测量。感应式电能表是利用处在交变磁场的金属圆盘中的 感应电流与有关磁场形成力的原理制成的， 具有制造简便、可靠性好、价格便宜等特点。 经过不断改进和完善，感应式电能表制作技术已经成熟。通过双重绝缘和采用高质量双 宝石轴承甚至磁悬浮轴承等技术手段，具结构和磁路的稳定性得以提高，电磁振荡被削 弱，使用寿命大大延长，且过载能力明显增强。但受其工作原理以及材料工艺等条件的 度限其测量准确度很难提高。另外，感应式电能表是针对很低且十分狭窄的频率范围的 正弦电压和正弦电流而设计的，但现

11、代电力系统中采用硅整流与换流技术，这些非线性 负荷产生大量高次谐波并引起不平衡，致使电网电压波形产生畸变、波动及三相不平衡， 对感应式电能表产生不利影响，使其指示不正确，由此可能造成操作、管理人员做出错 误的分析判断(2)机电一体式电能表 20世纪60年代，为了扩展电能表的使用功能，出现了机 电一体式脉冲电能表。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，它通过电子部分的各种变换来实现人们不同的实际需求。机电式电能表的出现， 极大地解决电能表的功能单一的问题，电能表可以通过软件编程实现远程自动抄表

12、、负 荷控制参数的分散采集和存储等功能， 使得分时电价和需量电价制度能够有效地实施和 推广，充分发挥了电力在国民经济中的作用。但是它是以感应系测量机构作为其测量主 回路的原理性缺陷，决定了它同样具有感应系电能表一样的准确度低、适用频率范围低 等缺点0(3)电子式电能表1为了替代感应系测量机构，从 20世纪70年代起人们就开始 研究并试验采用电子电路来测量交流电能。由于电能是电功率对时间的积分，所以任何 电子电路式电能计量方案的第一步都是确定电功率。因而，使用乘法器是实现测量电功 率和电能的电子电路的共同特点，全电子式电能表多采用模拟或数字乘法器作为核心器 件。近年来，微电子技术、计算机技术和通

13、信技术的高速发展，有力地推动了电子式电 能表技术的迅速更新与进步。高准确度、高可靠性的元器件以及大规模电路集成技术和 电路制造的表面贴装技术等应用于电子式电能表的开发与生产，使电子式电能表寿命提高、功能多种多样，且仍在不断扩展，并逐步使供用电管理的微机化和自动化成为现实。电子式电能表与感应式电能表相比，具有一定的技术优势：(1)误差特性较为稳定，不像感应式电能表越走越慢。实际运行和加速老化试验 都说明了这一特点。电子式电能表的故障能较明显的表露和被发现。(2)电子式电能表内阻小、损耗低，是节能仪表。有助于在已有计量装置中解决 互感器过载和一次电压降超标问题，从而提高计量综合精确度。(3)电子式

14、电能表较轻，比感应式电能表节省大量有色和黑色金属，而且安装轻 便。(4)使用电子式电能表彻底改革了原来电能量运行，检修的工作流程，革除了洗 表的环节。如果故障表按合同规定由生产厂保修保换，则更简化了管理流程，可集中精 力把好验收校验，对运行中缺陷故障统计分析以及招标时对各厂产品评定质量，彻底改 革了电能表管理使适应电力市场经济要求。（5）电子式电能表能直接输出规范的电能脉冲，便于校验和实施远方自动抄读表,便于电力市场发展中对电能表扩展功能的实现。1.2本课题研究的主要内容本文首先简要介绍了设计电能表的主要功能以及系统的总体方案，主要研究电子式单相复费率ic卡电能表的硬件设计，详细介绍硬件各功能

15、模块的工作原理和选用的主 要元器件的功能特点，包括各部分电路的走向、芯片的选择以及方案的可行性分析等。分析电能表设计中运用的单片机控制技术，电能计量部分是基于 ade7755芯片设计， 以ds12c887时钟芯片作为峰平谷不同时段的参考时间。此电能表可实现分时段电能计 量功能、预付费功能、显示金额功能、用电不足报警功能等。2系统设计2.1 系统方案论证2.1.1 电能计量系统方案设计方案一：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。这种方案对信号的采样 速率快，但a/d转换器的精度要求高，而且由

16、于电网的电力谐波引入前置通道，导致 a/d转换后产生错误数据。为抑制这种干扰，必须在软件上加数字滤波器或在硬件上采 用隔离放大器和高精度的运算放大。这将增加cpu的负担和硬件电路成本，具方案可行而不可取。方案二：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（cose）, 经过查表得功率因数（p=ui cos*）计算，使得

17、有功功率，再定时累加就是电能值。这 种方案的cpu要实现读写卡控制、求功率因数（cos®）、电能计算等功能，负担较重， 一般的mcs-51、mcs-96和pic系列单片机难以胜任。方案三：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p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f。单片机对频率信号f进行 累加，即可得出电能。这种方案不彳!兼有方案二的优点，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，现在已有集成电路将模拟乘法器、低通滤波 器和v/f变换器集成，其性能指标都远远高于分立元件。基于以上分析，方案三明

18、显优于其他两种方案。其中，在电子式电能表的设计中， 选择一款精度高、速度快、应用成熟的电能计量芯片尤显重要。模拟乘法器、低通滤波 器和v/f变换器采用集成电路 ade7755。目前，国内较为常用的单相电子式电能计量 芯片有德国cirrus logical公司的cs5460,美国ad公司的ad7751和7755以及 bl0932、sm9903。课题提出的多功能电能表采用 ade7755是ad公司推出的脉冲输出 高精度电功率测量芯片，相对于其前身 ad7755提升了更加优良和精确的计量性能，在 电量测量中具备更实用的价值。因为经过仔细分析发现，ade7755采用了基于1-调制a/d转换技术，ade

19、7755还具有自校准的功能，例如，通道的偏移校正，相位和功 率的校准。因此，使用ade7755构成电表系统，电路十分简单2-4。2.1.2 其他模块的方案论证(1)电压电流采样模块方案一：采用电阻网络分压、分流的方式将大电压、大电流转换成ade7755能接收的电压信号，该方案电路复杂，难于调试，精度低，且不能实现芯片与电网的隔离， 故不米用。方案二：采用电流互感器与精密电阻网络组成调理电路，将电压和电流转换为芯片 可以接收的电压信号。该方案设计简单，精度高，且实现了芯片与电网的隔离，保证了 芯片的安全，故本设计采用此方案。(2)主控芯片方案一：选用dsp处理器。dsp处理器具有运算速度快，处理

20、能力强等优点，但 是存在价格相对较高，参考资料相对较少等缺点。方案二：选用单片机。单片机是目前电能表行业中普遍选用的中央处理器。目前， 国内高校主要以mcs-51单片机为例来学习单片机原理与接口，因此，市场上该类得单 片机参考资料最多，成功设计案例较多。因此，本设计选用此方案。我们选用高速、低 功耗、超强抗干扰的at89c52,它内部有8kb的程序存储器，应用于此系统绰绰有余， 该单片机具有较强的数据处理功能，与 mcs-51完全兼容，设计使用方便。（3）预付费系统方案设计方案一：采用非加密存储器卡作为销售电能的传输媒质，非加密存储器卡的卡内嵌 入芯片为通用存储器芯片。非加密存储器卡信息存储方

21、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，对于某单位或学校内部进行定量用电，超标付款，则可采用此方案。方案二：采用加密存储器卡。加密存储器卡（security cards接触型）的芯片由非易 失性存储器和硬件加密逻辑构成。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。此方案保密性优于方案一， 可用于社区或以村为单位的预

22、付费用电系统。方案三：采用cpu卡。cpu卡的硬件构成包括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。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。 此方案保密程度高， 适用于大范围（如全国性的）预付费售电系统50在对以上三种方案的比较后，我在本设计中，选用第一种方案，以非加密存储器卡 作为售电的传输媒质，具体型号是 at24c01。该

23、芯片应用较多，且价格便宜，可参考的 资料多，能实现本设计的功能。（4）时钟芯片本系统要求时段起始点设定及显示当时的日期和时间，因此，需要自身携带时钟芯 片,以便实时监控。目前，市场上的时钟芯片种类繁多，功能各异，如ds1302, msm58321 等。我们选用了性能价格比较高，且功能完善的ds12c887时钟芯片。本文本着可靠、安全、性价比高的原则，设计其他接口电路。2.2系统原理框图的确定总体设计方案如图1所示，各种硬件模块构成了整个电子式电能表，每个模块都有 着不同的功能，在整个电表硬件系统中都承担着一定的作用。模块与模块之间又通过 mcu统一地联系在一起，共同地形成了功能强大的智能电表系

24、统。图1智能电表系统框图图1中各部分主要功能：(1) 电能采样模块是将电能表硬件系统与主电网进行隔离，使强电和弱电分开。 将主网中的大电压，大电流转化为小电压，小电流，以便提供给计量芯片进行信号处理。(2) ade7755是电能计量芯片，在整个硬件电路中发挥着重要作用。主要完成对 电能量的计量，将模拟电能信息转化为单片机可以读取并且可操作的数字电能信息。(3) at89c52单片机是整个电子式电能表硬件的核心部分， 它是电能表的“大脑”， 外围所有的硬件模块都是在它的控制协调下进行工作的。(4) 电源模块为整个电能表硬件系统正常工作供电，它通过电能变换将主电网中 的220v交压、整流为5v的直

25、流。在掉电情况下，为了保证时钟的连续性和准确性， 还有专用的电池供电。(5) 实时时钟为复费率电能表提供准确的时间信息，以便于实现不同费率下电能 的计量。(6) 数据存储模块是所有电能信息的存储单元。单片机对存储器里的数据信息进 行读操作时将信息读出后送给其它模块使用。单片机对存储器里的数据信息进行写操作 时，是将计量芯片计量的数据保存到存储器里的过程。(7) rs485通信模块是电能表与外界设备进行数据交换的场所，rs485通信实现了单片机与上位机的通信。当上位机发出命令要求上传数据时，单片机就将数据通过 rs485通信模块送出。上位机的数据也同样能够通过 rs485模块下传给单片机。(8)

26、 lcd显示模块可以将用电信息，时段信息，实时日期等清楚地显示在液晶屏上，供用户抄表人员参考(9) ic卡模块实现先付费、再用电功能。一户一卡，互不通用，具有良好的可靠 性和安全性。3电压、电流采样模块3.1 电能计量芯片简介3.1.1 ade7755芯片结构ade7755的内部电路结构原理图如图 2所示，它主要由信号输入和信号处理两部分组成g0 gi(50avdd agnd j.ac/dcade7755dvdd dgndo, -v1p 5v1n 6电源监控;:adcpgax1,x2,x3,x4v2 pl 5v2n 52.5滤准源_4k相位校正11010111011001hpflpf乘法数字频

27、率转换器石 reset心12242320221413refin/outclkin clkout scf s0 s1 revp cf f1 f2图2 ade7755功能框图模拟输入是电能计量芯片对用电线路电压、电流信号进行采集的部分，包括电流通 道和电压通道。（1）通道1 （电流通道）线路电流传感器的输出电压接到 ade7755的通道v1，该通道采用完全差动输入， v1p为正输入端，v1n为负输入端。通道1的最大差动峰值电压应小于 470mv （纯正 弦电压有效值为330mv）。应当注意，通道1有一个pga,其增益可由用户选择为l, 2, 8或16 （见表1）,这使传感器的接口设计大为简单。表1

28、通道1的增益选择g1g0增益001± 470mv012士 235 mv108±60 mv1116±30 mv表1示出了 v1p和v1n引脚的最大差动电压是470mv,由增益选择而定。在这两引脚上的差动信号必须以同一个共模端作为参考点， 如agnd，最大共模信号为100mv （2）通道2 （电压通道）线路电压传感器的输出接到 ade7755的通道v2,该通道的最大差动峰值电压为±660mv。加在通道2上的差动电压信号必须以一个共模端作为参考点 （通常是agnd ）, 最大共模电压为100mv。然而，当共模电压为0v时能获得最好的测量结果3.1.2 ade7

29、755引脚排列及功能ade7755有24脚双列直插（dip）和表面贴装（ssop）两种封装形式，具引脚排列见图3:1dvdd_f1ac/dcf2avddcfncdgndv1prevpv1nncv2nclkoutv2 pclkinresetg0fefg1agnds0s(fs1ade77552422332242152019718817-9-c10161511141213图3 ade7755管脚图(1) dvdd：数字电源引脚。该引脚提供 ade7755数字电路的电源，正常工作电源电压应保持在5v ±5%,该引脚应使用10uf电容并联100nf瓷介电容进行去耦。(2) ac/dc:高通滤波

30、器hpf选择引脚。当该引脚输入高电平时，通道 1（电流通 道）内的hpf被选通，该滤波器所涉及的相位响应在 45hz至lkhz范围内在片内已得到 补偿。在电能计量的应用中应使 hpf选通。(3) avdd:模拟电源引脚。该引脚提供 ade7755模拟电路的电源，正常工作电源电压应保持在5v ±5%,为使电源的纹波和噪声减小到最低程度， 该引脚应使用10pf 电容并联100nf瓷介电容进行去耦。(4) nc:不连接。(5) v1p,v1n:通道1(电流通道)的正，负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正 常工作最大信号电平为土 470mv。(6) v2p,v2n :通道2 (电压通道)的正

31、，负模拟输入引脚。(7) reset:复位引脚。当为低电平时，adc和数字电路保持复位状态，在reset 的下降沿，清除ade7755内部寄存器。(8) ref:基准电压的输入，输出引脚。(9) agnd:这是ade7755模拟电路(即adc和基准源)的接地参考点，该引 脚应连接到印刷电路板的模拟接地面。(10) scf:校验频率选择。该引脚的逻辑输入电平确定cf引脚的输出频率。(11) s1, so:这两个引脚的逻辑输入用来选择数字/频率转换系数。(12) g1, g0:这两个引脚的逻辑输入用来选择通道 1的增益。可能的增益是1, 2, 8 和 16。(13) clkin :外部时钟可从该引

32、脚接入，也可把一个石英晶体接在clkin和clkout之间，为ade7755提供时钟源，规定时钟频率为 3.579545mhz。(14) clkout :把一个石英晶体接在 clkin和clkout之问，为ade7755提 供一个时钟。(15) revp:当检测到负功率时，即电压和电流信号的相位差大于900时，该引脚输出逻辑高电平。该输出没有被锁存，当再次检测到正功率时，该引脚输出复位。该 输出的逻辑状态随cf输出脉冲同时变化。(16) dgnd:这是ade7755数字电路(即乘法器，滤波器和数字频率转换器)的 接地参考点。该引脚应连接到印刷电路板的数字接地面。(17) cf:频率校验输出引脚

33、。其输出频率反映瞬时有功功率的大小。(18) f1, f2:低频逻辑输出引脚，其输出频率反映平均有功功率的大小。3.1.3 ade7755工作原理芯片内部两个adc对来自电流和电压传感器的电压信号进行数字化。 ade7755的 模拟输入结构具有宽动态范围，大大简化了传感器接口(可以与传感器直接连接)，也简化了抗混叠滤波器的设计。电流通道中的 pga进一步简化了传感器接口。电流通道中的hpf滤掉电流信号中的直流分量，从而消除了由于电压或者电流失调所造成的有 功功率计算上的误差。有功功率是从瞬时功率信号推导计算出来，瞬时功率信号是用电流和电压信号直接相乘得到的。为了得到有功功率分量(即直流分量)，

34、只要对瞬时功率信号进行低通滤 波就行了。下图4示出了瞬时有功功率如何通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获取有 功功率。这个过程中所有的信号处理都是由数字电路完成的，因此具有优良的温度和时 间稳定性。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，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是很有用6。3.2电流、电压采样电路设计 .(1)电流采样电路使用分流器，如图 57所示：.图5电流采样

35、电路其中r57、r56为采样电阻，c21、c22为采样电容，他们为采样通道提供了采样 .电压信号，采样电压信号的大小由分流器的阻值和流过其上的电流决定。电流采样通道 采用完全差动输入，v1p为正输入端，v2p为负输入端，电流采样通道最大差动峰值电 压应小于470mv,电流采样通道的pga其增益可由ade7755的g1和g0来选择。当使用分流器采样时，g1和g0都接高电平，增益选16,通过分流器的峰值电压为±30mv。本设计电表为5 (30) a规格，分流器阻值选择 350uq ,当流过分流器的电流为最大电流时，具采样电压为 (2)电压采样电路如图6,350uq x30a=10.5mv

36、,不超过峰值电压半满度值。电压输入通道也为差分电路，v2n引脚连接到电阻分r47r48r49r1r547.5ks5 /i-o/ (jf603.9ks8 / of752ks11 二.f761ks12f55100kc29 2 220pfv2nc33.3nf |1000pff8082015ks6 /220v73口390k30k27>/f7456ks10 of78100ks3v2p390k200kri31kf81820压电路的分压点上，v2p接地。18图6电压采样电路电压输入通道的采样信号是通过衰减线电压得到的，其中r11、 r13、r47r4ar55、r60、r75r78、r80、r81为校验

37、衰减网络，通过短接跳线 s5至s13可将采样信号调节到需要的采样值上，当电能表为基本电流时，电压采样值为 174.2mv,为了允 .许分流器的容差和片内基准源8%的误差，衰减校验网络应该允许至少30%的校验范围，根据图6的参数，其调节范围为168.9 mv250 mv,完全满足了调节的需要。这个衰减 网络的-3db频率是由f80和c33决定的，f54、f73、f74确保了这一点，即使全部跳 线都接通，f54、f73、f74的电阻值仍远远大于 f80。f80和c33的选取要和电流采样通道的 f57、c21匹配，这样才能保证两个通道的 相位进行适当的匹配，消除相位失调带来的误差影响。.3.3 脉冲

38、输出ade7755的cf为频率校验输出引脚，其输出频率反应瞬时有功功率的大小，常用于仪表校验，电路如7图所示：.r59为限流电阻，led为脉冲指示灯，在检验时，可用常规光电法采集脉冲指示 灯发出的信号进行误差校验，u1为隔离光耦，c28为去耦电容，具作用一是滤除高频 干扰信号对led的影响，二是在高温高湿环境下，对叠加到u1的输入引脚的干扰信号 起到一个放电通路的作用，防止 u1误导通。3.4 电能计量电路设计ade7755采用+5v、功耗15mv的单电源供电，加电后， ade7755芯片被初始化 后开始工作，电流通道和电压通道的信号经放大器放大后，通过内部的模数转换器转换 为两路数字信号。在

39、进行功率测量时，电流通路信号还需要通过高通滤波器以去除通道 中的直流偏置，此时可能引起两通道的相位不一致，对此，可通过相位调整电路对相角 变化量进行补偿，然后将两路信号同时加到数字乘法器，再经过低通滤波器，最后进入 数字/频率转换器，得到与瞬时功率成比例的高频脉冲及与平均功率成比例的低频脉 冲，并分别在cf、f1、f2端输出，从电网采样获彳#电压信号送入通道 2上的v2p和 v2n后，直接进入数模转换器，然后进入乘法器以提供功率计算， 芯片内的2个模数转换器共用1个2.5v的基准电源r48r49r11r5730027nc2r56300r5415kr4775k涿一一2k-.一一代8s11 一 s

40、12100k29scr60r75r76r5515k73r74r78390k390kr1220pfr2200k3r811k3203c23-c2j+5-|20uf100nf 1dvddac/dcavdd ncv1pv1nv2nv2pcfr5924ff+lddc28c260o1ufu1*_ optoiso1+5todgn revncclkoclki2133pl,£110uf10_c117|"12"resetc2733refgagnds0scfs1ade775518 ut17 n-161413二 y1 358mhzg015图8电能计量电路电能计量电路如图8所示，主要是由电

41、压检测电路、电流检测电路和电能计量芯片ade7755及其外围电路组成。首先负载电流经过分流器再通过滤波电路后转换成合适的电压信号送入到电能计量芯片 ade7755的电流通道，即v1p和v1n端；而220v相 电压则通过精密电阻衰减网络降压后， 再通过滤波电路送入电能计量芯片ade7755的电压通道，即v2p和v2n端二者经过ade7755转换成有功功率以高频脉冲形式从 cf 端输出然后接入到单片机at89c52的外部中断信号输入端，即单片机控制电路从ade7755的cf端采集脉冲经过处理后得到的数据送到lcd显示电路进行显示，并通过远程通讯电路把数据传送到上位机。cf脚经光电耦合器接在单片机的

42、 t0计数器上，由单片机对cf脚输出的脉冲进行计数，再根据ade7755的原理，计算出功率所测功率。4控制芯片、外围电路设计4.1 控制芯片控制部分为整个电度表的心脏， 实现电能脉冲、掉电信号、卡信号、串行eeprom 数据的采集和读写，完成显示驱动模块的控制等功能。4.1.1 at89c52单片机介绍（1） at89c52单片机简介及工作特性at89c52是美国atmel公司生产的低电压、高性能cmos 8位单片机，片内含8kb 的可反复擦写的程序存储器和 256b的随机存取数据存储器（ram）,器件采用atmel 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内配置通

43、用8位中央处理器（cpu）和flash存储单元，功能强大的at89c52单片机可灵活应用于各 种控制领域。at89c52单片机属于at89c51单片机的增强型，与intel公司的80c52在 引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容8°at89c52有pdip、pqfp/tqfp 及plcc等三种封装形式，以适应不同产品的需求。（2）其主要工作特性是：1）片内程序存储器内含8kb的flash程序存储器，可擦写寿命为1000次；2）片内数据存储器内含256字节的ram;3）具有32根可编程i/o 口线；4）具有3个可编程定时器；5）中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个优

44、先权的中断结构；6）用行口是具有一个全双工的可编程串行通信口 ；7）具有一个数据指针dptr;8）低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；9）具有可编程的3级程序锁定位；10） at89c52工作电源电压为5 （1±0.2） v,且典型值为5v;11） at89c52最高工作频率为24mhz叫 4.1.2最小系统单片机正常工作时，都需要有一个时钟电路和一个复位电路。单片机复位、晶振电 路如图9所示。at89c52与时钟电路（包括晶体振荡器、电容 c19、c20）,上电复位电路（包括 r42、c5、s3、vd1、c3、r9）构成单片机的最小系统。其中，晶体振荡器选用 12mhz 的高稳定无

45、源晶体振荡器，它与 at89c52中的反向放大器构成振荡器，给 cpu提供高 稳定的时钟信号。.电容 c19、c20可起频率微调作用，电容值在.5pf30pf之间选择， 本电路选20pf。电容c5和电阻r42构成上电复位电路。电源开启时，电源对电容 c5 充电，在cpu的复位端产生一高脉冲。只要高电喝插机屏的场微m机器周期（24个振荡周期）。cpu就可复位。二极管vd1的作用是当断电时，可使电容 c5所储存的 电荷迅速释放，以便下次上电时可靠复位。电容c5可滤除高频干扰，防止单片机误复位。按键s3和电阻r9构成按键复位电路。图9 at89c52单片机最小系统电阻r22和按键s4构成键盘，用以实

46、现显示内容的切换。4.2 lcd显示模块lcd液晶显示器是一种极低功耗的显示器件，其工作电流小、重量轻、功耗低、寿 命长，字迹清晰美观，在便携式仪表以及低功耗应用的较高档仪器仪表中被广泛采用。 4.2.1引脚功能简介第1脚：vss为地电源；第2脚：vdd接5v正电源；第3脚：vl为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度 最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10k的电位器调整对比度；第4脚：rs为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器；第5脚：r/w为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作，当 rs 和r/w同时为低电平时可以写

47、入指令或显示地址，当 rs为低电平r/w为高电平时可 以读忙信号，当rs为高电平r/w为低电平时可以写入数据； .第6脚：e端为使能端，当e端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令；第7-14脚：d0d7为8位双向数据线； .第15脚：背光源正极；第16脚：背光源负极；显示电路4.2.2显示电路设计显示电路设计如图10所示。在图10中lcd1602的db0db7与单片机 at89c52的p00p07 口连接，用于显 示用户用电信息；p25、p26、p27、分别控制lcd1602的寄存器选择输入端 rs、读写 控制输入端r/w、使能信号输入端e;通过调节r58电阻值的大小来控制液晶显示的对 比

48、度。4.3实时时钟4.3.1时钟芯片简介该芯片是dallas公司推出的8位并行实时时钟芯片，工作电压为 5v,便于在计 算机系统中应用。具有并行控制功能，使其在与微处理器接口时能大大提高cpu的工作效率。它的计时精度非常高，在25c的工作环境中误差约为土 1分钟/月。当外部电源 电压小于3v时，内部检测系统将自动切断外部电源，改为由内部铿电池供电。该芯片 的具体应用电路如图12所示。它的主要特点如下：(1)具有秒、分、时、日、月、年及星期信息，并有闰年补偿功能。(2)时间可采用12小时制或24小时制。(3)有128字节的非易失静态ram可供用户使用，其中14字节为时钟和控制寄 存器，114字节

49、为通用ram (可存放重要的数据)，有可编程方波输出功能。(4)断电情况下可运行10年以上而不丢失数据。ds12c887主要由振荡器、电源控制、总线接口、周期中断方波产生电路及日历时 钟寄存器等部分组成。为了防止电池能量的不必要浪费，芯片出厂时通常关闭内部振荡 器，在使用时要注意通过控制器将其打开。时钟电路为本系统提供了时间基准，它可以 显示当前的时间状态，为按峰平谷时间段显示电能提供了时间基准，它的114字节非易失静态ram为保存电能计算结果在断电情况下而不丢失起到了极为重要的作用。4.3.2引脚功能(1) ds12c887的引脚排列如图11所示：1motvccncsqwncncad0nca

50、d1_scad2_jrqad3restad4dsa ncrip242232234215206t7177891610ad5ncad6rwad7asgnd-csds12887151114120图11 ds12c887引脚图(2)各管脚的功能说明如下：gnd、vcc:直流电源，其中 vcc接+5v输入，gnd接地，当vcc输入为 +5v时，用户可以访问ds12c887内ram中的数据，并可对其进行读、写操作；当vcc 的输入小于+4.25v时，禁止用户对内部ram进行读、写操作，此时用户不能正确获取 芯片内的时间信息；当vcc的输入小于+3v时，ds12c887会自动将电源发换到内部 自带的锂电池上

51、，以保证内部的电路能够正常工作。mot :模式选择脚，ds12c887有两种工作模式，即motorola模式和intel模式， 当mot接vcc时，选用的工作模式是 motorola模式，当mot接gnd时，选用的是 intel模式。本文主要讨论intel模式。sqw:方波输出脚，当供电电压 vcc大于4.25v时，sqw脚可进行方波输出， 此时用户可以通过对控制寄存器编程来得到 13种方波信号的输出。ad0ad7:复用地址数据总线，该总线采用分时复用技术，在总线周期的前半 部分，出现在ad0ad7上的是地址信息，可用以选通 ds12c887内的ram，总线周 期的后半部分出现在ad0ad7上

52、的数据信息。as:地址选通输入脚，在进行读写操作时， as的上升沿将ad0ad7上出现 的地址信息锁存到 ds12c887上，而下一个下降沿清除 ad0ad7上的地址信息，不 论是否有效，ds12c887都将执行该操作。ds/rd:数据选择或读输入脚，该引脚有两种工作模式，当 mot接vcc时， 选用motorola工作模式，在这种工作模式中，每个总线周期的后一部分的ds为高电平， 被称为数据选通。在读操作中，ds的上升沿使ds12c887将内部数据送往总线 ad0 ad7上，以供外部读取。在写操作中，ds的下降沿将使总线 ad0ad7上的数据锁 存在ds12c887中；当mot接gnd时，选

53、用intel工作模式，在该模式中，该引脚是读允许输入脚，即read enabler/w:读/写输入端，该管脚也有2种工作模式，当mot接vcc时，r/w工作 在motorola模式。此时，该引脚的作用是区分进行的是读操作还是写操作，当 r/w为 高电平时为读操作，r/w为低电平时为写操作；当 mot接gnd时，该脚工作在intel 模式，此时作为写允许输入，即 write enable。cs:片选输入，低电平有效。irq:中断请求输入，低电平有效，该脚有效对 ds12c887内的时钟、日历和 ram中的内容没有任何影响，仅对内部的控制寄存器有影响，在典型的应用中，reset 可以直接接vcc,

54、这样可以保证ds12c887在掉电时，其内部控制寄存器不受影响。在ds12c887内有11字节ram用来存储时间信息，4字节用来存储控制信息， ds12c887内部有控制寄存器的a-b等4个控制寄存器，用户都可以在任何时候对其进 行访问以对ds12c887进行控制操作10。4.3.3时钟电路设计时钟电路设计如图12所示：+5speaker1motvccncsqwncncad0ncad1_scad2irqad3resetad4dsad5ncad6rwad7asgnd ds12887cs24223322p00 421p01520p02 61 19 rxd口 18p03 7p04 817 rdp05

55、 916p06 1015 wrp07 1114ale/p12r 13 p24r10 1k图12时钟电路设计一 i'-c610uf|+5,f2510k-c180.1uf时钟芯片ds12c887的地址网棚里路徵ad0ad7分别连接到单片机的p00p07八个i/o端口，用于进行数据和地址的传输，时钟芯片ds12c887的irq、ds、rw、as、cs分别于单片机的rxd、rd、wr、ale/p、p24连接，用于对时钟芯片进行读写操作。4.4其他电路设计4.4.1电源模块低频逻辑输出弓i脚，其输出频率反映平均有功功率的大小。由于电能表属于不问断29工作的电力计量产品，因而其电源电路是其设计的关键部分。电源电路负责给各个硬件 模块供电，以保证整个电能表的正常运行。在图13中，从主网接入的电压经过变压器降压，再经由桥式整流电路整流