基于单片机的多费率电表设计毕业论文

1、毕 业 论 文题 目：基于单片机的多费率电表设计Title:More rate electric meter design二 零 一二 年 六 月摘要本文以智能计量总表为研究对象，采用计量芯片ADE7758和AT89C52设计三相电能表，介绍了计量电路原理、系统结构特点以及分段计量的软件设计与实现。针对1035kV输配电网正常负荷和超低负荷两种情况下的精确计量，提出按功率额度实时分段计量的电能表设计方案；为了调整电力负荷曲线，针对用电量的时间不均衡问题，提出复费率分时段计量方案。ADE7758电流采样通过电流互感器实现，电压采样通过分压电阻网络实现。采样信号经信号放大器PGAI、PGAZ和数模

2、转换ADC后转换为数字信号。ADE7758对数字信号进行处理转换为瞬时功率信号。瞬时功率信号通过低通滤波器LPFZ后分离出平均功率，平均功率在能量寄存器中不断累加。累加的能量经数频转换DFC后转换为脉冲输出。AT89552通过对脉冲计数实现能量的计量。本论文研究了基于高精度电能芯片ADE7758和AT89C52三相多功能工业电能表,主要内容如下: (1)论述了本课题的意义和电能表的发展过程,并讨论了电能表的发展趋势。 (2)分析了三相多功能工业电能表的电能计量原理。 (3)研究开发了电子式硬件电路总体设计方案,设计出实现电能表功能所需要的电能计量部分和控制部分。本方案主要使用各种相关芯片来实现

3、对应各部分的功能,具有功能强大、结构简单、可靠性高的优点。 (4)提出了软件的总体设计方案流程关键词：精确计量，ADE7758，AT89C52ABSTRACTIn smart metering, metering chip ADE7758 and the AT89C52 design three-phase energy meter, introduced the measurement circuit theory, system structural characteristics, as well as the segment measured in software design an

4、d implementation. Normal load of 10-35kV transmission and distribution network and ultra-low load in both cases, accurate measurement, the measured amount of power real-time segmentation energy meter design; in order to adjust the power load curve for electricity is not balanced, The proposed multi-

5、rate sub-period measurement program.The ADE7758 Current sampling to achieve through the current transformer, the voltage sampled by the voltage divider network. Sampling the signal by the signal amplifier PGAI, PGAZ digital to analog converter ADC converted to digital signal. ADE7758 digital signal

6、processing to be converted to the instantaneous power signal. Instantaneous power signal through a low pass filter LPFZ isolate the average power, average power in the energy registers continue to accumulate. Cumulative energy is converted to the number of frequency conversion DFC pulse output. AT89

7、552 through the pulse count measurement of energy.This thesis discusses the significance of this topic and the development process of the energy meter based on the high-precision power chip ADE7758 and AT89C52 three-phase multi-function industrial power meter, the main contents are as follows: (1),

8、and discussed the development trends of the energy meter. (2) analysis of three-phase multi-function industrial energy meter power measurement principle. (3) research and development of the overall design of electronic hardware circuit design energy metering part of the energy meter function and the

9、 control section. The program uses a variety of chips to achieve the corresponding functions of each part, has a powerful, simple structure, high reliability. (4) the overall design of the software process.Keywords: accurate measurement, simulation, test, The ADE7758 on AT89C52目录绪论11 电能表技术现状与发展趋势22方

10、案的对比与选择42.1计量模块42.2单片机选择43系统结构框图与设计要求53.1系统结构框图53.2内容显示与设计要求64 系统硬件电路设计及介绍84.1计量芯片ADE775885 系统硬件调试与功能函数定义195.1电路板规格与焊接操作195.2系统硬件电路测试206 系统软件设计与实现236.1软件总体设计236.2软件总体流程图246.3 计量的设计与实现246.4 试验电路设计与功率理论值计算266.5 电费的计算286.6按键处理与按键状态检测286.7基于ADE7758的断相、过流、过压检测30总结31致谢32参考文献33附录34绪论电能表技术正向着复费率、多功能、网络化的方向发

11、展。电能计量芯片ADE7758、ATT7022B等在电能表设计中的应用，提高了电能计量精度，简化了电能表设计结构。随着电能计量芯片的推陈出新，复费率电能表、防窃电电能表、配置RS-485通信及红外通信接口的电能表以及三相多功能电能表发展迅速。电能表的计量精度、功能扩展、抄表方式等发生了深刻变化，电能的科学管理和合理利用进入实施和操作阶段。在这种背景下，电能表的功能、性能、以及可靠性设计等都有了显著提高与改进，电能表技术面临难得的发展机遇。1 电能表技术现状与发展趋势早在本世纪初，电子式电能表就已经取代感应式表，成为工商业用表的主流。随着电力系统在不断扩展三相多功能表的应用领域，三相多功能表的需

12、求呈明显上升趋势。功能的扩展提升了供电部门对居民用电的现代化管理，为将来实现大规模自动抄表提供了基础。其中复费率表得到了很多经济发达而电力紧张的地区供电部门的青睐，复费率表的技术因此也得以迅速提高和发展。预付费表技术趋于完善。一方面由于供电部门加大对欠费用户的管理力度，使市场需求升温，另一方面由于技术改进，特别是使用了CPU卡和非接触式卡等最新技术，使预付费表的性能尤其是安全性和可靠性方面已逐步趋于完善。具有通信接口尤其是RS一485接口成为趋势。随着抄表到户的逐步实施以及电力部门的体制改革，自动抄表成为用户强烈的需求，因此越来越多地要求电能表配备通信接口。目前的通信方式在一个或几个方面或多或

13、少存在一些问题，无法全面满足用户的要求。而电能表配备RS一485接口具有成熟和性价比的优势，适合未来采用更新、更好的通信技术，因此成为用户目前较为理想的选择而逐渐成为标准配置。文献15进行了RS-485电路的匹配和保护性研究，文献16实现了PC机与RS一485总线多机串行通信的软硬件设计。模块化设计成为趋势。随着电力市场改造力度加大，对电能表的技术更新速度也提出了更高的要求。电能表的硬件和软件可以采用模块化设计，将技术相对成熟和标准的部分进行封装入库，如计量模块、电源模块、RS485模块、RTC模块、显示模块、继电器控制模块、IC卡模块、数据存储模块等。当设计一个新的产品时，开发人员只需要将精

14、力集中于产品的新模块、新功能的开发，以及模块的集成上，进而有效缩短产品的开发周期，提高产品设计的可靠性。测量电路的集成化、模块化是计量芯片的发展趋势。当前，各大型器件公司纷纷推出自己的计量芯片，并不断的进行产品更新换代。比较典型的有美国ADI公司推出ADE7758计量芯片，珠海炬力公司推出的ATT7026A和北京福星晓程电子公司推出PL3223。上述三种芯片都集成了DSP数字信号处理技术，支持硬件和软件两种校表方式，计量精度高，且外围电路设计简单。文献17介绍了三种计量芯片的工作原理，比较了各自的性能指标，为合理选择芯片提供参考。以ADE7758计量芯片为例说明。ADE7758是一款高精度的三

15、相电量计量芯片，可以同时处理有功、无功等多个电量参数，符合IEC61036标准。在250C条件下，有功能量计量在1000：l动态范围内误差小于O.1。文献19-21阐述了ADE7758计量芯片在电能表设计中的具体应用。目前，我国感应式电能表仍占据相当的市场。峰谷分时电价和避峰电价政策的出台，将推动多费率表市场需求。尤其是大工业用户，对三相多费率表的需求，会较快增长。此外，三相高精度多功能表也将得到重点发展。该电能表目前主要用于发电厂、变电站和各大用户，并不断扩大到普通三相表用户中。电子式电能表有多功能、高精度、多费率、自动抄表等优势，逐步成为电能表发展的主流。2方案的对比与选择2.1计量模块用

16、于测量电量的计量模块：有ADE7755,ADE7751,ADE7758 其中ADE7751具有分时计费功能，能够在停电后一段时间内保持正常工作，ADE7755还可提供基于输电线电压和电流计算的瞬时有功功率和平均有功功率，且精度高ADE7755中使用的唯一模拟电路是ADC和参考电压电路。这种信号处理方法可在随环境条件和时间变化的很大范围内提供优异的稳定性和精度。ADE7758也可提供输电线电压，且是低功耗，精度高，成本低。由上比较在计量模块上我选择了ADE7758作为测量电量的模块。2.2单片机选择单片机是用于接收用电量信息，累计电能脉冲，按时段处理电能数据，控制显示器按要求显示和实现通信功能等

17、常用器件有PIC16系列单片机、MCS51系列单片机和BL0938微控制器等。这些单片机一般都带有多个IO口，内含一定字节的ROM、RAM，有的单片机还含有实时时钟、通信口和“看门狗”等。如，BL0938微控制器，片内嵌有高精度低功耗实时时钟，采用独立的电源供电。系统掉电时能自动切换到备用电源，保证时钟正常工作。高稳定的实时时钟电路可根据外部环境进行自动校准，通过远程控制或遥控校表。实时时间可以精确到秒，日均误差小于05s。内置时钟的设计使系统设计简单化，节省了成本，提高了系统的可靠性。在单片机选择上我选择了AT89C52单片机，因为它是一个低电压，高性能CMOS88位单片机，可反复擦写的fl

18、ash存储器降低了许多成本，价格便宜，稳定也是它的一大特色。2.3显示模块的对比与选择有电量的测量，就相应的也应该要有显示模块来显示，可直观的说明情况，显示模块有PCF8563T，具有极低功耗，高数据传输的特点。但价格上偏贵点，HC1602显示芯片在功耗上也是低功耗，而且HC1602芯片以其微功耗、体积小、显示内容丰富、数码管动态显示、超薄轻巧，价格上也相对实惠些。所以从实际情况中出发，我选择了HC1602作为本次论文的显示芯片。3系统结构框图与设计要求3.1系统结构框图系统结构框图是系统产品化的基础，它包含了系统的硬件选择及软件开发，是在对系统功能、技术指标、性价比、元器件的可购性等因素进行

19、可行性分析的基础上，对多个方案比较权衡后确定。系统结构框图参考图3-1所示。图3-1系统结构框图应用Protel.99SE软件进行系统原理图设计和PCB电路板设计，参考附录A和附录B所示。系统结构框图有以下几个模块组成，计量模块、主控模块、显示模块、存储模块、看门狗复位模块、时钟模块、RS一485通信模块、计量回路选通模块、后备电源和主电源切换电路等。采用ADE7758计量芯片和AT89C52设计三相电能表，单片机的TO、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12C总线进行电量参数的定时存储，通过按键进行电量参数的查询，通过

20、液晶HCl602进行电量参数的显示，通过RS485总线进行电量参数的远程数据传送，采用AT24C02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LIR2032为可充电的3.6V锂电池，充电时电流最大不超过20mA。单片机复位采用MAX813L芯片。单片机的RXD、TXD串口预留作为RS485通信接口，文献30具体阐述了RS.485总线通信过程的设计与实现。课题研究采用MAX485芯片进行RS.485总线与单片机的接口电路设计，其中RS.4

21、85通信软件设计留待后续进行。3.2内容显示与设计要求课题内容围绕三相电能表多个电量参数的计量、存储、显示、按键查询展开。显示分两行显示，每行16个字符。在参数显示的同时进行代码的显示。若系统无中断发生-渡晶显示当前总的有功电量和无功电量，有功电量和无功电量代码已为E0、R0，数据显示格式如表3-1，由8个整数位和1个小数位组成，显示范围O-99999999.9。EO：00000000.1RO：00000000.1系统配置三个功能按键，记为K2、K3、K4功能描述参考表3-1所示表3-1计量数据显示格式按键类型显示界面示例功能描述K2E1:00000000.0E2:00000000.0显示分时

22、段计量的有功功率K3E3:00000000.0E4:00000000.0显示实时分段计量的有功电量K4P:00000000.0V:00000000.0显示瞬时有功功率P、无功功率VK2、K3组合0805/04/00:00:00进入时钟初值调整，光标指示调整对象K2、K4组合H1:00020805/04/00:00:00异常事件记录查询K3、K4组合E0:00000000.1R0:00000000.1退出时钟初值调整并返回主显示其中R0、E0、E1、E2、E3、E4、P、V、H1、H2、H3参考符号约定部分说明。显示码在进行LCD显示时表示显示参数的物理意义，在源程序设计时，对应全局变量名电能计

23、量结果通过三个功能按键进行查询显示，系统具体设计要求如下。实现总的有功、无功等电能计量与显示z通过按链查询显示分时段电量、功率分段电量和瞬时有功、无功功率。通过对时问参数的检测，实现电量参数的定时存储和有功电量的分时段计量。通过按键进行时钟初值输入调整。实现异常事件的中断记录，其中异常事件包括断相、过流、过压等三种情况。4 系统硬件电路设计及介绍本章节进行系统硬件电路设计、功能模块划分和元器件选型。围绕ADE7758外围电路设计，阐述了电能计量原理并进行有关电路参数计算；围绕AT89S52外围电路设计，阐述了各功能模块与单片机的接口电路设计；最后介绍了电源模块设计及其特点。图4-1 ADE77

24、58引脚配置4.1计量芯片ADE77584.1.1引脚配置及功能描述计量芯片ADE7758引脚配置如图4-1所示。该芯片采用SOIC封装，有24个引脚，76个寄存嚣:电压通道采用16位-型ADC，动态范围20:1；电流通道采用24位-型ADC，动态范围500:1。在10MHz晶振驱动下，最大采样速率25ksps。 引脚功能描述参考表4-1所示。表4-1 ADE7758 引脚功能描述Tab.3-1 ADE7758 pin function description引脚编号助记符功能及应用1，APCF,有功脉冲输出，与单片机的T0口相接，通过计数实现有功电量的累加；17VARCF无功脉冲输出，与单片

25、机T1端口相接，通过计数实现无功无量的累加，2,11DGND,AGND分别为模拟部分，数字部分接地引脚，需直接接地。分别为模拟部分，数字部分5V电源引脚，对地接10F和0.1F并联电容去耦。5.6；IAP,IAN7.8;IBP,IBN;电流通道模拟信号差动输入；本方案选择输入信号最大为±0.5V。9.10ICP,ICN12REF in/outAD采样参考电压，对地接10F和0.1F并联电容去耦。13，1415, 16VN,VCPVBP,VAP电压通道模拟信号单端输入。方案选择输入信号最大为±0.5V18IRQ中断输出引脚，外接10K上啦电阻，低电平有效；与单片机INT1端口

26、相接。19,20CLKIN,CLKOUT10MHz输入、输出引脚。21,2223,24CS,DIN,SCLK,DOUT4线SPI串行接口，实现片内寄存器的写入及电量参数、中断数据的独处；CS低电平选通，DIN端口时钟下降沿数据输入，DOUT端子时钟上升沿数据输出。4.1.2计量电路原理计量电路采用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叠滤波，由电阻、电容元器件组成。文献31提出不对称的三相四线系统的滤波设计方案。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

27、号，影响测量结果。在进行电流、电压信号衰减后，要进行抗混叠滤波设计。计量电路原理参考图42所示。电流回路由电流传感器进行信号取样，电压回路由电压互感器进行信号取样。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。图4-2计量电路原理图以ADE7758的A相电流、电压通道为例分析。参考图

28、42所示，电流通道采用差动方式输入，信号电压小于0.5V；设计最大负荷电流时为O.2V。IAP为差动信号的正极性输入端子，IAN为负极性输入端子：各端子的抗混叠滤波网络由lkQ的电阻和10nF的电容组成。电压通道采用单端方式输入，设计额定电压输入时为0.2V。发光二极管LEDl指示功率分段和变比切换情况。P1.0为高电平时，CD4053的ay端子与a选通，A相小变比电流检测信号选通，对应低负荷计量模式:P1.0为低电平时，ay端子与a选通，高变比电流检测信号选通，对应正常负荷计量模式，此时LEDl导通发光。电流传感器在工作时二次端不允许断路，在设计时采用Rbl、Rb2，Rb3、Rb4作为二次端

29、高低变比计量回路的分流电阻，阻值大小为0.012 Q。在进行电流信号检测时，两组计量回路彼此独立，通过CD4053芯片进行选通。对于B、C两相电路结构，设计与A相同。虚线框内电路已完成PCB电路设计，框外衰减网络在仿真试验时通过分压电阻网络进行等效替代。4.1.3接口电路设计接口电路用来实现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。ADE7758与单片机接口电路设计如图4-3所示。与接口电路有关的全局变量说明如下：长整型变量，RO,EO、E1、E2、E3、E4

30、、P、V，字符型变量，H1、H2、H3。去耦电容C4、C6的作用是滤除芯片电源输入中的尖峰脉冲成分，旁路电容C29的作用是使ADE7758电源电压输入保持基本稳定。在进行PCB电路设计时，在每一芯片的电源输入端子外接0.1心的去耦电容，以提高电路的抗干扰性能。R3、R9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LED3或LED2会闪亮一次。IRQ为ADE7758中断输出端子，低电平有效，漏极开路，外接lOkQ的上拉电阻。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，

31、判断中断事件的类型。4.2.1AT89C52AT89C52是一款单片封装的微控制器，具有8k的程序存储和256个字节的数据存储，可以满足中小规模软件编程需要。主要功能特性：1、兼容MCS51指令系统 2、8k可反复擦写(大于1000次）Flash ROM； 3、32个双向I/O口； 4、256x8bit内部RAM； 5、3个16位可编程定时/计数器中断； 6、时钟频率0-24MHz； 7、2个串行中断，可编程UART串行通道； 8、2个外部中断源，共8个中断源； 9、2个读写中断口线，3级加密位； 10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能； 11、有PDIP、PQFP、TQFP及PL

32、CC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。4.2.2显示模块 HC1602显示采用6x2字符型液晶HC1602，与单片机的接口电路如图4-4所示。图中c4，c5为单片机和液晶模块HCl602的去耦电容。DB0-DB7为HCl602的数据线，与单片机的P0.0P0.7端子相接。R15为阻值可调的电位器，用来调整液晶显示的对比度；当VO端子对地电压为OV时藏晶显示最为清晰。A、K为HCl602背光灯的电源端子和接地端子，其中电源端子K通过跳缝JP2与主电源相接。正常情况下JP2断开以减小电能表能耗；在电量查询时闭合JP2，接通背光灯电源。图4-4单片机与HC1602的接口电路设计显示与按键相结合，

33、用来实现电量参数的查询显示、异常事件记录查询显示以及时钟参数韧值输入调整结果显示。当没有中断发生时，进行总的有功、无功电量显示；显示数据格式参考附录图D-l所示。字符显示是通过P0口读入该字符的ASCII码实现，举例如下字符1的ASCII为Ox31。在完成LCD初始化设置后，把该字荷对应的ASCH码“Ox31”通过P0口写入LCD的内部寄存器DDRAM中。通过控制端子Rs、R/W的状态组合实现指令的写入以及数据的读、写操作，操作说明参考表3-2所示。表4-1 HC1602操作说明RSR/W操作说明00把指令写入寄存器初始化LCD01读LCD“忙”状态标志10把数据写入寄存器，显示4.2.3数据

34、存储AT24C02存储芯片采用AT24C02。该芯片具有1总线接口，具有掉电后数据不丢失特点。AT24C02结构图如图4-5所示A01A12A23GND4WP7SCL6SDA5VCC8UAT24c02P2.0P2.1WRVCCGNDP1.2P1.3图4-5AT24C02结构图存储主要包括电量参数的存储和异常事件的记录存储。考虑到AT24C02芯片擦写次数的有限性能量的累加在单片机的洲存储空间中完成。采用定时方式进行电量参数的存储。单片机不断检测时间参数，当存储时间到，则启动12c总线把电量参数存储到AT24C02中分配的地址单元。异常事件采用中断方式进行存储。当ADE7758检测到过流、过压、

35、断相等事件时，向单片机发出中断申请。单片机执行中断服务程序，把处理的结果，包括事件的代码、发生次数以及发生的时间，存储到AT24C02中分配的地址单元。AT24C02存储单元配置参考表4-2所示。表4-2 AT24C02 存储器单元地址配置变量名称变量类型存储单元地址分配物理意义E0Long int0x00-x07总的有功电量R0Long int0x08-0x0f总的无功电量E1Long int0x10-0x1700:00-12:00时段内有功电量E2Long int0x18-0x1f12:00-00:00时段内有功电量E3Long int0x20-0x27低负荷时的有功电量E4Long in

36、t0x28-0x2f正常负荷时的有功电量H1Char0x30-0x36电能表断相次数及时间记录H2Char0x40-0x46单相过流次数及时间记录H3Char0x50-0x56单相过压次数及时间记录为了保证电量参数存储的可靠性在软件设计上要有充分的冗余和纠错。比如考虑到这种情况在进行电量存储时突然发生掉电事故，新的数据存储尚未完成，而原有数据已经被覆盖，造成数据的丢失。为了避免这种情况，对每一个电量参数分配两组存储单元；以朋为例，OxOO-Ox03为一组存储单元。Ox04-Ox07为另一组存储单元。即使一组数据在存储时被损坏，另一组数据则不受影响。4.2.4串行接口芯片MAX485电能表配备通

37、信RS-485接口具有成熟性和性价比高的优势，硬件设计时预留出RS-485通信接口，采用MAX485接口芯片。硬件电路设计参考图4-6所示。圈中由DE端子控制MAX485芯片的发送/接收使能。DE端子与单片机的P1.2口连接。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。连接至A脚的下拉电阻R31、连接至B脚的上拉电阻R30用于提高该RS-485网络节点的工作可靠性。钳位于6.8V的稳压管D3、D4、D5用来保护RS-485总线，避免在受到外界雷击、浪涌等干扰时产生高压损坏RS-485收发器。C13、C14用于提高电路的EMI性能。图4-6

38、 RS485通信接口电路设计4.2.5选通开关CD4053采用CD4053芯片实现电流传感器高、低变比检测信号的选通。CD4053有三个控制端子A、B、C。当ABC=000时，ax、bx、cx三个信道选通；当ABC=111时，ay、by、cy三个信道选通。A、B、C三个端子同时与单片机的P1.O口连接。单片机根据瞬时功率检测结果，通过对P1.0端口状态设置，进行高低变比电流检测信号的选通控制。二极管LEDl指示功率分段情况，C2为O.1心的去耦电容，R2为限流电阻。当P1.O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LEDl

39、不导通；P1.O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，LEDl导通发光。CONl为PCB设计时对应的插接端子，作为ADE7758电流、电压信号的输入连接部分，其第一个引脚记为CONl-1。CD4053真值关系参考表4-3所示。表 4-3 CD4053 真值表控制端子信道选择INHCBA-0000cx,bx,ax0111cy,by,ay4.2.6电源模块控制系统电源模块由主电源和后备电源两部分组成。主电源模块由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成硎，其中整流电路采用DBl07集成模块，稳压电路采用7805、LM7905集成电路模块；后备电源采用

40、可充电的LIR2032锂电池，电源模块设计如图4-7所示。7805的+5V输出通过JP5跳线与系统的+5V网络连接。当JP5闭合时，系统处于上电工作状态，此时二极管LED4导通发光。CON3为两路9V正弦交流信号输入接口，中间为接地端子。C37、C38、C39、C40为有极性的旁路电容作用是使7805、LM7905的输入、输出电压保持基本稳定；C15、C16、C17、C18为0.1uF的去耦电容，作用是滤除7805、LM7905输入、输出信号中的尖峰脉冲成分。图4-7主电源模块设计5 系统硬件调试与功能函数定义应用ME300B对模块电路进行在线仿真调试。硬件调试基于PCB电路板进行，首先进行模

41、块电路的分级调试，使组成系统的各个模块电路正常工作；然后进行系统总体调试，使其达到预定的技术要求。在调试过程中发现设计中存在的问题，判断问题的原因、位置并提出改进措施。在对硬件电路调试的同时进行功能函数的设计与测试。功能函数主要围绕长整型以及字符型数据的显示与存储展开，最后对功能函数仿真调试中遇到的问题进行分析说明。5.1电路板规格与焊接操作电路板设计为普通双面板，尺寸大小168mmx91.4mm。在板的两面采用大面积覆铜接地，不区分数字地和模拟地。在布线时，电源线、接地线等走线宽度设置为4060mil，推荐线宽60mil；信号线设置为10mil20mil，推荐线宽15mil，其中40mill

42、mm。不同网络之间的安全间距设置为12mil；采用自动布线方式，覆铜放在最后进行。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。可以按照文献26的有关制版介绍，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0.1 p F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O.1uf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。在对时钟芯片DSl302进行仿真调试时，并没有认识到去耦

43、电容的重要性，芯片电源引脚没有外接0.1uF的去耦电容，没有达到预期的仿真结果，原因就出在去耦电容上。在进行印制电路板设计时，为了利用ME300B的仿真头对PCB电路板进行在线仿真调试，单片机AT89S52没有采用PCB库元件中的封装形式，而是自制一个40针的插接座封装，单片机通过插接座接入PCB电路。载入封装后的PCB电路板参考附录B-2所示。其他DIP封装的芯片也是通过插座接入电路板。这样，当芯片损坏时，可以方便进行芯片的替换。贴片式封装ADE7758焊接特点。ADE7758为贴片式封装，引脚排列较密。焊接前应在电路板的焊接区域均匀涂上一层焊锡膏，然后用带有焊锡的烙铁头轻轻触及焊接区域上的

44、金属焊接点，则焊接点上均匀的结晶一层焊锡。然后把ADE7758芯片引脚对准焊接位置，用烧热的烙铁头(不带焊锡)在ADE7758的引脚和焊接点连接处预热片刻，可以观察到一股细小的锡流沿着焊接线展开。结束后擦去多余的焊锡膏。这种焊接方式不容易损坏芯片，焊接成功率高，且没有毛刺。5.2系统硬件电路测试5.2.1电源模块测试首先进行系统短路测试。短路测试用来分析PCB电路各芯片电源端子与接地端子之间有无短路问题。由于载入元器件封装时通过手工焊接，引线和元器件较多，会由于经验不足而可能导致电源端于和接地端子接成短路。短路会造成芯片的烧坏，导致PCB系统不可用。因此，应避免短路，在确保系统安全的前提下进行

45、功能模块的仿真测试。采用ME300B单片机开发系统进行功能模块的短路测试。ME300B是由深圳伟纳公司推出的单片机学习开发系统，可以对片内资源和片外资源进行在线仿真调试。当仿真对象有短路故障刊，开发板上红色的LED灯会不停的闪烁。可以利用这特点判断仿真对象是否存在短路故障。把ME300B的仿真头连接到PCB板对应的单片机插座上，打开ME300B主机电源，观察到开发板上的LED灯没有闪烁，表明系统没有短路故障。同时用万用表测得DSl302、MAX485、AT24C02等芯片的电源端子对地电压4.5V。电源模块电压输出测试。参考图3-9主电源模块设计，闭合跳线JP5；在两路50Hz正弦交流9v信号

46、输入下，用万用表测量7805、7905输出电压分别为+5V和-5V；在单路50Hz交流输入时，实际测得7805输出在4v左右，而7905输出保持为-5V。这就表明，7805驱动负载过多会导致电源输出电压下降。为使系统正常工作，电源模块需采用两路交流信号输入。5.2.2 RS-485通信模块测试R8-485通信接口采用MAX485芯片，与单片机的接口定义为：RO=P3.0；DE=PI.2；DI=P3.1。利用ME300B的在线仿真功能，编写测试源程序；参考RS-485接口电路设计图4-6，结合Keil-C51的断点调试命令，用万用衷测试相应端子电压，检测单片机能否向RS。485总线发送和从R8

47、485总线接收数据。测试针对PCB硬件电路设计进行，不涉及通信协议及软件编程。测试结果如表4-1所示。RS-485总线数据收发原理及羽4试结果分析。结合RS-485接rl电路图4-6说明。单片机在进行数据发送时，MAX485的A、B端子电压在+2-+6时为逻辑1；端子电压在-2-6时为逻辑0。单片机在接收数据时，收、发端子通过平衡双绞线将A-A、B-B对应连接。当A、B端子之间电压大于+200mV时，输入为逻辑1；小于-200mV时输入为逻辑0。测试结果表明，单片机能够向RS-485总线投送数据以及从RS-485总线正确接收数据。表5-1 RS-485 通信测试结果条件设置操作说明测试结果A、

48、B端子电压 RO对地电压DE=1；DI=1测试A、B端子电压判断单片机是否向RS-485总线发送出数据13.58V-DE=1；DI=1测试A、B端子电压判断单片机是否向RS-485总线发送出数据0-3.58V-DE=0A、B端子接入1.5V电压，测试R0端子对地电压，判断单片机是否从RS-485总线接收数据1-4.5DE=0A、B端子接入-1.5V电压，测试R0端子对地电压，判断单片机是否从RS-485总线接收数据1-05.2.3显示模块与显示函数显示采用HCl602液晶模块与单片机的接口定义如下：RS=P2.7，R/W=P2.6，E=P2.5；数据端子与单片机的P0口连接。用万用表检测HCl

49、602与单片机的连接线焊接有无短路、断路。定义三个显示函数，分别实现电量参数的查询显示、异常事件记录的查询显示、时钟初值输入调整的显示。显示函数的调用与按键状态有关，以函数display_()为例说明。当单片机检铡到K2键按下时。则调用函数display_1()进行分时段电量参数的显示，调用形式为display_1(2,E1，E2)。问题转换为如何进行显示函数的设计与仿真调试。5.2.4存储模嵌与存储函数存储芯片采用AT24C02存储模块与单片机的接口定义如下:SDA=P2.1；SCL=P2.0。这一部分主要完成四个功能函数的设计、仿真与调试。四个功能函数分别实现长整型数据的读、写操作以及字符

50、型数据的读写操作，定义如下。Void write2402_char(char add,char dat)；/单片机通过I2C总线存储一个宇节的数据char read2d02_char(char add);/单片机通过I2C总线读取一个字节的数据void write2402_long(char add,1ong int a1)，/单片机向AT24C02存储一个长整型数据long int read2402_long(char add);/单片机从AT24C02读取一个长整型数据5.2.5 ADE7758串口通信特点这一部分阐述ADE7758的SPI串口通信特点以及功能函数的定义。ADE7758通过

51、内置的SPI接口与单片机进行数据通信。通过对ADE7758片内寄存器的写访问，实现芯片的初始化功能设置。ADE7758与单片机的接口定义如下：DOUT=P1.4；SCLK=P1.5；DIN=P1.6；CS=P1.7；其中DIN端子与DSl302的I/O端子复用P1.6接口；单片机的P1.6端口如下：DIO=P1.6。ADE7758寄存器有8位、12位和24位区别，对于12位的寄存器访问，仍以字节为单位进行数据传送，举例如下。对12位增益寄存器AIGAIN(地址0x27)赋值“011 111111100”，需发送两个字节的数据实现，格式为：“××××011

52、1 1111 1100”，其中“××××”为任意代码组合。这部分代码ADE7758在进行数据接收时被屏蔽掉。单片机读取该寄存器读数据时，数据接收格式为“”，其中后四位代码“1111”为ADE7758发送的无意义数据。6 系统软件设计与实现系统功能主要由主程序和各类功能函数具体实现。采取模块化的程序设计方法，进行系统总体流程设计以及电量参数的算法流程设计，分析了功率分段计量的软件设计与实现；进行按键中断处理以及时钟初值输入调整设计，阐述了基于ADE7758的断相、过流、过压检测原理。6.1软件总体设计主程序设计流程主要围绕电量参数的计量展开。电能计量采用中

53、断方式进行，保证了电能计量的及时性。系统在进入主循环之前，要进行与中断TO、T1、INTO、INTl有关的AT89C52寄存器初始化、ADE7758初始化、。为了保证电量参数存储的可靠性，在软件设计上要有充分的冗余和纠错。对每一个电量参数分配两组存储单元。在系统上电后，读取AT24C02中上次存储的两组电量参数，若两组参数相同，则表明上次存储结果正确；否则把当前单片机RAM中的电量参数存储到AT24C02中。在主程序的一次循环过程中，分别进行瞬时有功功率的检测和时间参数的检测，根据检测结果进行功率分段计量和复费率分时段计量。定时存储问题。电量参数采用定时方式存储。在一天中进行两次存储，分别发生

54、在00:00和12:00两个时刻。主程序每循环一次，就进行一次时间参数的检测。定义两个位变量flag1和flag2，当时问在00:0012:00内时flag1=l，否则flag1=0。在主程序连续的两次循环中，若flagl两次赋值结果不同，就认为存储时间到。通过调用函数write2402_long()进行电量参数的存储；其中flag2用来存储上次循环中flag1的取值。功率分段问题。主程序每循环一次，就进行一次瞬时有功功率的计算，并与切换功率朋比较。定义两个位变量flag3和flag4。当负荷功率小于90P0时flag3=l；当负荷功率大于朋时flag3=O；在P090P0之间时，flag3保

55、持上次赋值结果不变。在主程序连续的两次循环中，若flag3两次赋值结果不同，就认为功率分段条件满足。flag4用来存储上次循环中flag3的赋值。通过设置两个切换阈值P0和901D0,避免CD4053选通开关过于频繁的切换。电流传感器变比切换过程中的计量误差问题。采用脉冲计数方式进行电量参数的累加，脉冲输出频率与ADE7758能量寄存器中累加的能量成正比。ADE7758内部有一个数频转换DFC，只有当ADE7758内部能量累加到一定程度时，这部分能量以脉冲的方式输出。单片机对脉冲输出进行计数，实现对这部分能量的有效计量。也就是说，ADE7758寄存器内部能量的累加与单片机对能量的有效计量不是同

56、步的。显示辅助汉字6.2软件总体流程图上电复位显示总电量配置IN/0口计量、通信和掉电保护配置定时器中断程序初始化ADE7758复位看门狗循环模式初始化操作图6-1 软件主流程图6.3 计量的设计与实现电能计量有两种方式，一是脉冲方式，利用ADE7758的两路脉冲输出，用单片机的T0、T1计数器对脉冲计数；二是通过SPI口读取ADE7758能量寄存器累加数据，乘上能量最低有效值获得实际电量参数。本方案采用脉冲计数方式实现有功、无功电量累加，其中有功电量脉冲常数200impulses/kWh，无功电量常数200impulses/kVARh。接下来分析时间分段计量以及功率分段计量的软件具体实现问题。6.3.1功率参数检测与实时计量功率参数检测处理。朋为系统设定的切换功率。主程序每循环一次，就进行一次瞬时有功功率的检测，并与切换功率肋比较。定义两个位变量flag3和flag4。在主程序的一次循坏过程中，当负荷功率小于90朋时flag3=1；当负荷功率大于尸秒时flag3=O；在PO-90PO之间时，flag3保持上次赋值结果不变；其中flag4用来存储上次循环中flag3的墩值。功率参数检测通过调用函数bit power_check0实现。该函数实现对flag3和flag4两个位变量的数据刷新，为功率分段计量提供参考，