基于单片机的智能电表的设计

1、基于单片机的智能电表设计基于单片机的智能电表的设计摘 要随着经济的快速发展，人们生活水平不断地提高，传统的电网已经不能满足现代社会的需求。现在智能电网技术蓬勃发展，作为智能电网的一个重要组成部分，智能电表也得到很大发展。在不久的将来，智能电表必将在全国范围内安装。所以智能电表技术的研究具有重大的现实意义。传统电表只能显示总体用电量，而且需要人工抄表，浪费了大量的人力物力。智能电表的研究主要为了实现供需双方的实时通信，供方可以根据需求负荷调节电价，需方可以根据电价调节用电量。最终达到削峰填谷，节约用电的效果。本文针对电表现状，提出了基于单片机的智能电表的总体设计方案。本文主要完成以下工作：提出了

2、智能电表总体设计方案，设计了数据采集电路，运用Protel DXP软件绘制了原理图及生成了PCB板，焊制了数据采集电路板，运用Keil uVision2编写了程序。经过调试，电路板能较准确地显示输入的电压、电流的有效值，他们的功率因数角以及实时功率。关键词：智能电表，数据采集电路，PCB板，程序设计AbstractWith the rapid development of economy, people life level continuously improve, the traditional power grid already cannot satisfy the demand of

3、 modern society. Now, smart grid technology to flourish, as an important component of smart grid, smart meters also get great development. In the near future, smart meters will be installed on a national scale. So the smart meter technology research is of great practical significance.Traditional met

4、ers can only show the overall power consumption, but also need artificial meter reading, wasted a lot of manpower material resources. Smart meters research mainly in order to realize the real-time communication of supply and demand, the supplier can adjust the price according to demand load, the buy

5、er can be regulated according to electricity power consumption. Ultimately reached peak cut and save electricity effect. The meter at present, and puts forward the overall design scheme of intelligent electric meter based on single chip microcomputer.This paper mainly completed the following work: p

6、roposed the overall design scheme of smart meter data acquisition circuit was designed, using Protel DXP software to draw the schematic diagram and generated the PCB, welded the data acquisition circuit, using the Keil uVision2. Write the program. After debugging, the circuit board can accurately sh

7、ow the input of the effective value of voltage, current, power factor Angle and power in real time.Keywords: data acquisition circuit, PCB board, the program design目录 摘 要IAbstractII目录III前言11 智能电表的概述21.1 智能电表的定义21.2 智能电表的结构分类21.3 智能电表的工作原理32 智能电能表的设计方法52.1 智能电能表的硬件组成52.1.1 微处理器或微控制器62.1.2 传感器62.1.3 信

8、号调理62.1.4 A/D转换器62.1.5 D/A转换器72.1.6 智能电能表的通信接口72.2 智能电能表的软件设计方法82.3 智能电能表的抗干扰方法103 智能电能表的硬件设计113.1 电能表概述113.2 电能表的总体方案设计113.3 电能表的控制芯片AT89C51133.3.1单片微控制器、微处理器133.3.2 AT89C51各主要引脚功能：143.4 电能计量芯片153.4.1 CS5460A的性能163.4.2 CS5460A管脚说明163.4.3 CS5460A外围电路及供电电路设计183.4.4 微控制器AT89C51与CS5460A的接口183.4.5 电源模块1

9、93.4.6 电压电流采样模块203.5 显示模块203.5.1 八段数码管显示器213.5.2 数码管与AT89C51的接口223.6 按键组功能及与AT89C51总线口的连接223.7 SPI接口型EEPROM与AT89C51的接口233.7.1 X5045管脚分布233.7.2 X5045功能描述243.7.3 X5045硬件连接253.8 时钟模块263.8.1 DS13O2的引脚分布见图3.10。263.8.2 DS1302与AT89C51的硬件连接263.9 通断电控制电路274 电能表的软件设计294.1 电能表的软件实现294.1.1 CS5460A与单片机的数据交换实现方法2

10、94.1.2 对日历/时钟DS1302的读写操作的软件实现334.1.3 在电能表中对串行EEPROM的读写334.1.4 矩阵键盘键功能处理程序364.1.5 八段数码管在电能表中显示功能实现374.1.6 打印机驱动程序38总结40致谢41参考文献42- IV -基于单片机的智能电表的设计前言智能电表已经开始慢慢取代传统的电表进行正式使用。智能电表最初的安装目的是提升远程抄表、远程开关等业务的效率。有了智能电表，每户的电力需求可以详细把握，并可以根据需要只启动必要数量的发电与配电设备。虽然智能电表和智能开关需要成本和安装费用，但是可以控制对发电与配电设备的投资。此外，近年来智能电表控制高峰

11、需求期电力消费量的效果也越来越明显。电力公司利用智能电表向用户发送电力相关信息，从而根据需求响应减少电力消费量。同时智能开关也给居民们的生活带去了极大的方便。作为智能电网中最为基础的设备之一，智能电表本身的节能技术也在不断受到关注。因为智能电表需要使用专用的电池，如果智能电表很耗电，电池的寿命就会缩短，表内电池电量不足还会影响计量和用户用电。随着国民经济的不断发展，各地对于电能需求量也随之急剧增加，电力已经成为国家最重要的能源。但是，当前居民用电的管理过于落后，一直采用的先用表后抄表再付费的传统作业模式。但是这种管理方式，给居民和管理人员带来诸多不便，而且还存在着一些弊端。为了适应社会的需求，

12、保证用户安全，方便，合理的用电，对传统的电表和用电模式进行改造。使之符合社会的发展需要，所以我选择了基于单片机的智能电能表的设计。1 智能电表的概述1.1 智能电表的定义所谓智能电表，就是应用计算机技术，通讯技术等，形成以智能芯片(如CPU)为核心，具有电功率计量计时、记费、与上位机通讯、用电管理等功能的电度表。智能电表通过用户交费对智能IC卡充值并输入电表中，电表才能供电，表中电量用完后自动拉闸断电，从而有效地解决上门抄表和收电费难的问题。并对用户的购电信息实行微机管理，方便进行查询、统计、收费及打印票据等。1.2 智能电表的结构分类目前，国内智能电度表从结构上大致可分为机电一体式和全电子式

13、两大类。机电一体式，即在原机械式电度表上附加一定的部件，使其既能完成所需功能，又能降低造价且易于安装，一般而言其设计方案是在不破坏现行计量表原有物理结构，不改变其国家计量标准的基础上加装传感装置变成在机械计度的同时亦有电脉冲输出的智能电表，全电子式则从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件，从而取消了电表上长期使用的机械部件，与机电一体化电度表相比具有电表体积减小，可靠性增加，更加精确，耗电量减少，并且生产工艺大大改善，不必只在原有意义上的专业电度表厂生产等优越性，最终会取代带有机械部件的计量表。1、机电一体式的电度表第一类机电结合的电度表，是在原有的机械表的基础上，加装电子式计数装置

14、和相应的控制、通讯电路，或加上IC卡读写接口以实现自动计量计费和控制;其基本结构是在原有机械电度表的转盘上打孔或涂(贴)上能吸收光线的材料。这类电度表由于其计量原理没有改动，其计量精度和特性与机械表完全一样，而成本相对较高，其优势在于能充分利用现已安装使用中的大量的机械电度表，且其计量原理为大众所熟悉而容易接受。另一类机电结合的电度表则是采用电子式计量电路在获得数字式脉冲信号后，通过微型电机驱动字码转轮得到电能计数 值，这种结构是最简洁可行的电子式电度表的方案，但遗憾的是其对计量电路的要求较高，即要求所有的表都按一个固定的比例将电能值转换为对应数量的数字脉冲，才能按正确的速度驱动微电机以转动字

15、轮。这个比例就是所谓的电表常数(imp/kWh)，由于电路中所用的决定脉冲速度的定时元件大都是参数离散性较大的阻容元件，为了保证电度表的计量精度和产品的一致性，就必须在生产过程中加强对元件的筛选和对半成品的调校，也就是说要增加相应的人力物力的投入并要延长生产周期，从而使电度表的生产费用和成本有所增加。另外这种结构的电度表在数据收集和用户缴费方式上与老式的机械表没什么区别，应属淘汰产品。2、全电子式电度表当前电子式电能表对用户用电采样方式主要有两种形式。一种是用互感器采样，另一种为直接采样。采用互感器采样即利用电压互感器和电流互感器分别来采集用户的电压信号和电流信号;直接采样则是用热稳定性高的电

16、阻分压网络来取得电压信号，而用电阻温度系数非常小的锰铜片进 行电流直接采样。采用互感器采样，在起动电流、线性范围、功耗和精度等指标皆不如直接采样，尤其是小电流时更为突出。 例如：额定电流为20A时，直接采样的启动电流为20mA，互感器采样的启动电流为40 mA。又如：采用专用的锰铜片进行直接电流采样的全电子电能表误差可调整到+0.5%，而采用电流互感器采样，由于激磁电存在，若不采取补偿措施，互感器本身误 差就可能超过5%。利用互感器采样的的优点是抗干扰性较强，线路简单，成本低。1.3 智能电表的工作原理用户持IC卡到供电部门交款购电，供电部门用售电管理机将购电量写入IC卡中，用户持IC卡在感应

17、区刷非接触式IC卡(简称刷卡，下同)，即可合闸供电，供电后将卡拿走。当表内剩余电量等于报警电量时，拉闸断电报警(或蜂鸣器报警)，此时用户在感应区刷卡即可恢复供电;当剩余电量为零时，自动拉闸断电，用户必须再次持卡交费购电，才可以恢复用电。电子式智能电表，是在电子式电表的基础上，近年来开发面世的高科技产品，它的构成、工作原理与传统的感应式电能表有着很大的差别。而电子式智能电表主要是由电子元器件构成，其工作原理是先通过对用户供电电压和电流的实时采样，再采用专用的电能表集成电路，对采样电压和电流信号进行处理，并转换成与电能成正比的脉冲输出，最后通过单片机进行处理、控制，把脉冲显示为用电量并输出。通常我

18、们把智能电表计量一度电时A/D转换器所发出的脉冲个数称之为脉冲常数，对于智能电表来说，这是一个比较重要的常数，因为A/D转换器在单位时间内所发出脉冲数个的多少，将直接决定着该表计量的准确度。目前智能电表大多都采用一户一个A/D转换器的设计原则，但也有些厂家生产的多用户集中式智能电表采用多户共用一个A/D转换器，这样对电能的计量只能采用分时排队来进行，势必造成计量准确度的下降，这点在设计选型时应该注意。2 智能电能表的设计方法2.1 智能电能表的硬件组成智能电能表中均含有微处理器或微控制器，在微处理器或微控制器的外围进行设备的扩展如程序存储器ROM、数据存储器RAM、键盘、显示器、报警装置和通信

19、口。作为一个完整的智能电能表还应包括输入通道和输出通道。图2.1表述了智能电能表的硬件结构组成原理图。2.1 智能电能表硬件原理图智能电能表实际上是一个微型计算机系统，它是具有微处理器或微控制器的，并有标准总线接口的新型仪器。不同功能的智能电能表由不同部件组合而成。智能电能表的监控程序固化在程序存贮器EPROM、ROM、EEPROM等中，被测参量通过传感器将非电量变换成电量，然后经过信号处理和模数转换后变为微处理器能直接识别的数字信号。所采集的数据或从键盘上输入的数据以及经过一定的算法运算后的数据均暂存于片内数据存储器RAM中。智能电能表的控制部分一般分两种情况，一是微处理器接受键盘输入的命令

20、后，不需经过数模转换器，直接由接口输出控制信息和数据信息，去控制一些执行机构。智能电能表硬件设计各功能环节如下:2.1.1 微处理器或微控制器微处理器和微控制器在智能电能表中都是智能电能表的心脏，它们的结构、特性对智能电能表的性能影响很大。微处理器也是一种通用器件，如果给予足够的外部支持电路和处理时间，它几乎可以完成任何任务，数据处理和控制是微处理器的两个主要用途。根据智能电能表控制功能和测量功能的不同选用合适的单片机作为智能电能表的核心，从而提高智能电能表的整体性能。2.1.2 传感器传感器是将外界输入的被测量信号变换成电信号的元器件或装置。它作为信息获取的工具和手段，在测量控制型智能电能表

21、中占据了极其重要的地位。传感器能转换信息存在的能量形式，通常是将其他能量形式转换成电量形式，以便进一步加工处理，传感器的输出往往总是电信号。这主要是电信号较容易地进行放大、反馈、滤波、积分、微分、存储及远距离传送等操作。2.1.3 信号调理信号调理装置是通过电子线路来实现模拟信号处理，一般包括放大、滤波、整形、检波、信号转换等功能环节。信号调理的目的是对传感器输出的电信号进行必要的处理以满足信号处理后继环节的需要，使其输出信号适应A/D转换等环节的工作。信号调理可以改善信号质量，还可以补偿传感器的非线性，提高信噪比，增强信号的环境抗干扰能力等。2.1.4 A/D转换器微处理器能处理的信号应是数

22、字信号，因此，在智能电能表的输入通道中加入能把模拟信号转换成数字信号的芯片即A/D转换器。但并不是所有的输入通道都要加入A/D转换器，而是只有模拟量输入通道，而且输入微处理器的信号不是频率量而是数字码时，才用到A/D转换器。使用A/D转换器时应先根据输入通道的总误差，选择A/D转换器的精度及分辨率。根据信号对象的变化率及转换精度要求，确定A/D转换速度，以保证智能电能表的实时性要求，对快速信号必须考虑采样/保持电路。在选用A/D时还应考虑智能电能表所处的环境选择A/D转换器的环境参数。不同A/D转换器有不同的输出状态，应根据计算机的接口特性选择输出状态。2.1.5 D/A转换器微处理器输出的数

23、字控制信号通过D/A转换，将离散时刻输出的控制信号转换成为离散模拟信号，为实现智能控制创造了必要条件。在D/A转换接口设计中主要考虑的问题是D/A转换芯片的选择、数字量的码输入及模拟量的极性输出、参考电压电流源、模拟电量输出的调整与分配等。选择D/A芯片时，主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足D/A转换的技术要求:在结构和应用特性上应满足接口方便，外围电路简单，价格低廉等要求。2.1.6 智能电能表的通信接口智能电能表一般都设置有通信接口，以便能够实现程控、方便地构成自动测试系统。目前国际上采用的智能电能表的标准接口有GPIB，RS232等,本设计采用RS232接口。1. RS

24、-232C标准通信接口RS-232C总线标准接口是目前最常用的串行通信总线接口，其逻辑电平是对地对称的，与TTL、MOS逻辑电平完全不同。逻辑0电平规定为+5+15V之间，逻辑1电平是-5V-15v之间。因此，RS-232C驱动器与TTL电路连接必须经过电平转换。转换芯片有MC1488，75188(从TTL到RS-232C的电平转换);MC1489，75189(从RS-232C到TTL的电平转换)。还有MAXIM的MAXZOZ、MAX232等等。在当今的信息化时代，用于其他信息装置的通信技术也同样可用于嵌入式智能电能表。它主要有这样一些通信技术:2. PCI总线PCI总线技术为CPU和板上外设

25、之间提供方便的高速通信连接，工作频率为33MHz(rev2.1支持66MHz)。PCI对于连接到它上面的器件是具有即插即用的高速总线。从理论上来说，可以有多达256个PCI功能器件同时挂到一个PCI总线上。但由于总线负载问题，同一个PCI总线上只能挂4到8个器件。价廉的PCI芯片组和广泛应用的PCI外设可以促使PCI总线成为嵌入式领域的事实上的总线标准。3. USB总线通用串行总线(USB)是一种外设总线标准。它为所有的USB外设提供一种通用的连接，其数据率为12Mbits/S。USB特别适合于需要高数据率和易于即插即用的应用。需要保证带宽和有限执行时间的应用包括PC 和其他语音及视频通信应用

26、。除了这些新的多媒体设备外，USB也用于传统的I/O设备。4. IEEE1394高速串行总线IEEE1394是高速串行总线，其数据率为25-400Mbits/s，它是作为通用外设串行总线而设计的。缆线型1394总线可支持63个器件。缆线越长它所能够处理的数据率就越低。一般长度为几米，IEEE1394和USB都是串行协议，然而USB和IEEE1394比其竞争技术由更大的技术互补性，USB属于低带宽到中带宽，而IEEE1394属于中到高带宽。2.2 智能电能表的软件设计方法智能电能表硬件电路确定之后，仪器的主要功能由软件实现。相应的软件有采集、采集控制、数据处理、显示、结果打印等。智能电能表的软件

27、设计需要有一个细致全面的过程。一般先是清楚的列出智能电能表系统各系统部件与软件设计的有关特点，并进行定义和说明，以作为软件设计的根据。在此基础上写出软件的功能流程图，程序流程图。再将程序流程图的一列操作用机器码或汇编语言或高级语言译成处理器能处理的机器代码。查错和调试是智能电能表软件设计中找出并改正逻辑错误或与硬件有关的程序错误的关键。在所有的工作完成之后还要进行文件编制。图2.2 智能电能表的典型结构图如图2.2所示智能电能表的软件结构按功能可分为准备程序、键功能程序和系统控制程序。同时，为了与软件结构相配合，还必须将程序存储器(ROM)和数据存储器(RAM)实现规划。2.3 智能电能表的抗

28、干扰方法智能电能表是以微处理器为核心的微机测量控制系统，因此智能电能表在许多场合都是与计算机控制系统或DCS(集散控制系统)联系在一起的。智能电能表在不同的应用场合所受到干扰也各不相同，当仪器在运行时所受到的干扰超过一定限度时就会严重影响智能电能表的可靠性，甚至严重影响工业生产现场，因此在设计智能电能表时要注意智能电能表的抗干扰设计。微机测控系统的抗干扰技术在智能电能表的抗干扰技术中是同样适用的，主要分为硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术。硬件抗干扰技术主要包括滤波技术(无源滤波和有源滤波)、去耦技术、屏蔽技术、隔离技术、接地技术等。窜入智能电能表的干扰，其频谱往往很宽，且具有随机性，采用硬件抗干

29、扰方法，只能抑制某个频率段的干扰，仍有一些干扰会侵入系统。因此，除了采取硬件抗干扰方法外，还要采取软件抗干扰措施。为确保CPU中的程序正常运行，常常采用如下抗干扰措施:软件滤波(数字滤波技术)可以剔除模拟输入信号中的虚假信号，求取真值； 除了可以使用硬件看门狗电路强制单片机从死机状态回复到正常运行外，还可以采用软件看门狗电路或软硬结合的看门狗技术。软件看门狗技术的基本思路是:在主程序中对T0中断服务程序进行监视;在T1中断服务程序中对主程序进行监视；T0中断监视T1中断。3 智能电能表的硬件设计3.1 电能表概述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。电子式电能表，也称为静止式电

30、能表，它也就是“电流和电压在固态(电子)器件中作用而产生与瓦时数成比率输出的仪表”。这里主要介绍根据智能小区家庭型用户电能计量系统的要求设计的一种智能型多功能复费率电能表。复费率电能表是一种根据用电的峰时、平时、谷时各时段的设定值计算用户总的用电量和峰时、平时、谷时的用电量的电能表，使供电局能实施峰时、平时、谷时各时段不同的计费标准。用经济手段鼓励用户在低谷时段用电。这也正好符合电力计费系统提出的分时段计费的要求。电子式的复费率电能表一般使用单片机对电能脉冲进行分时段计算处理，同时具有有效的参数设定。3.2 电能表的总体方案设计此多功能复费率电能表具有如下功能:1. 通过单片机扩展的数据存储器

31、可以存储本月、上月、上上月的各月电量，能存储各月峰时、平时、谷时各时段的用电量，并能通过液晶显示器显示各自的数值；2. 具有欠压断电保护、欠费停电保护功能；3. 具有在过电压、过电流和欠压断电保护后用户自己送电的功能；本次设计中所设计的整个电能计量系统主要由电能表构成。电能表部分应包括电流传感器、电压传感器、电能计量芯片、显示器件、按键开关时钟/日历芯片、看门狗电路、扩展数据存储器以及用于通断电控制用的小功率交流开关。图3.1 电能表硬件整体框图上图3.1表明了电能表的硬件设计方案。其中，电能表部分需要电流互感器、电压互感器把照明电路中的22OV电压和大电流(10A)变换成电能计量芯片所要求的

32、输入电压和输入电流范围之内。电能计量芯片根据其内部的瞬时电压和瞬时电流计算瞬时功率，再输出脉冲驱动机械式计数器或者步进电机计算用电电量。根据此方案设计的复费率电能表系统的硬件原理在以下几节详细说明。3.3 电能表的控制芯片AT89C51图3.2 AT89C51引脚结构图AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机，很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，其引脚排列如图3.2所示：3.3.1 单片微控制器、微处理器单片微控制器(micro-controller)是将计算机的基本环节如中央处理器(CPU)、存储器、输入输出接口

33、等集成在一起，并能协调完成独立控制、运算等工作。我们常常也叫它单片机。随着电子技术和制造工艺的飞速发展，单片微控制器行业百花齐放，并已渗入到人类生活中的各个角落。其组成为：4K字节可编程闪烁存储器数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24MHz三级程序存储器锁定128×8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路3.3.2 AT89C51各主要引脚功能：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0

34、能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P

35、2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3口管

36、脚 备选功能P30 RXD（串行输入口）P31 TXD（串行输出口）P32 /INT0（外部中断0）P33 /INT1（外部中断1）P34 T0（记时器0外部输入）P35 T1（记时器1外部输入）P36 /WR（外部数据存储器写选通）P37 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VP：当/EA保持低电平时，则在此期间

37、外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。X1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。X2：来自反向振荡器的输出。3.4 电能计量芯片在电子式电能表中使用得比较多的电能计量专用芯片有：CS546OA以及AD7755等等。从性能上来比较CS546OA比AD7755增加了如下功能:具有片内看门狗定时器与内部电源监视器；具有瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电流有效值、电压有效值、功率有效值测量及电能计量功能；提供了

38、外部复位引脚；双向串行接口与内部寄存器阵列可以方便地与微处理器相连接；外部时钟最高频率可达20MHz；具有功率方向输出指示。这些增加的功能更加便于与微控制器接口，并能方便地实现电压、电流、功率的测量和用电量累积等功能。据此选择CS5460A作为电能计量芯片更能实现各种电参数的测量。3.4.1 CS5460A的性能1. 能量数据精确度:在1000:1动态范围内精确度为0.1%；2. 芯片功能:可以测量电能，IU， 、和 ，具有电能与脉冲转换功能；3. 通过串行EEPROM实现智能“自引导”，不需要微控制器；4. AC或DC系统校准；5. 可驱动机计度器/步进马达；6. 能量消耗小于12mw；7.

39、 为分流传感器提供优化的接口；8. 具有相补偿功能；9. 为单电源提供地参考信号；10. 芯片上带有2.5V基准电压(最大温漂60Ppm/ )；11. 具有简单的三线数字串行接口；3.4.2 CS5460A管脚说明CS546OA芯片有24个引脚。它的管脚分布如图3.3所示。各管脚功能说明如下:图3.3 CS5460A的引脚图XOUT、XIN:系统时钟输出引脚和系统时钟输入引脚。这两个引脚接2.5-20MHZ的晶振CS5460A提供系统时钟，并通过片内的分频单元的分频得到相应的时钟频率。另外也可通过 XIN引脚使用外部的CMOS时钟为CS5460A提供系统时钟。CPUCLK:片内振荡器输出引脚。

40、输出的时钟频率可以驱动一个标准的CMOS负载。SCLK:串行时钟输入引脚。在这个引脚上输入的时钟信号确定SDI和SDO引脚上的数据输入输出速率。在片内与此引脚相连的是一个施密特触发器，其允许通过具有慢上升时间的信号通过。仅在 有效时才识别时钟信号。SDO:串行数据输出引脚。:片选引脚。MODE:模式选择引脚。当为逻辑高电平时，CS5460A可在一个外部串行EEPROM的帮助下执行自引导功能接收命令和设置;当为逻辑低电平时，CS546OA可与微处理器或微控制器进行数据交换。此引脚悬空时为低电平。:中断输出引脚。:电能输出引脚。:电能方向指示引脚。当电能输出为负时此引脚输出一脉冲。SDI:串行数据

41、输入引脚。VIN+、VIN-:电压通道的差分模拟输入引脚。VREFOUT:参考电压输出引脚。此引脚的电压相对于VA-为2.5V。VREFIN:参考电压输入引脚。输入此引脚的电压作为调节器的参考电压。IIN+、IIN-:电流通道的差分模拟输入引脚。VD+:正数字电源。DGND:数字地。VA+、VA-:正模拟电源和负模拟电源。PFMON:电源故障监测引脚。用于监控模拟电源。:复位引脚。当此引脚电平为低时，CS5460A的所有内部寄存器都被设置为缺省值。3.4.3 CS5460A外围电路及供电电路设计图3.4 CS5460A外围电路、供电电路及与AT89C51的接口电路在电路图3.4中，参考电压输入

42、端(VREFIN)和参考电压输出端(VREFOUT)直接相连并通过0.1pF电容接地，模拟电源负引脚(VA-)也直接接地。这使得片上模/数转换器的参考电压为O伏，并且使用变换器内部2.5V的基准电压，0.1pF的电容起作电源抗干扰的作用。根据单相电子式电能表使用的具体情况在系统时钟输出引脚(XOUT)和系统时钟输入引脚(XIN)之间选择4.096MHz的晶振和K=1的分频系数为CS546OA提供系统时钟。3.4.4 微控制器AT89C51与CS5460A的接口微控制器AT89C51与Intel系列的80C51微控制器的指令集和管脚兼容，微控制器内有4K字节的可擦写闪烁只读程序存储器和256字节

43、的数据存储器。它具有掉电模式和闲置状态两种工作方式。其工作原理同8031微控制器。由于CS546OA提供了SPI串行接口，减少了单片机的总线使用数，为微控制器的外围电路的扩展提供了更多的总线。在SPI总线上传送的数据和命令字都是高位在先的方式传送。由图3.4可知使用AT89C51的P10、P11、P12引脚分别与CS546OA的SDI、SDO、SCLK引脚交换数据。CS546OA的片选引脚 接地，使其始终保持有效状态。另外，使用AT89C51的外部中断12(INTO)接收CS546OA的电能输出引脚()输出的表示电能的脉冲信号，当AT89C51接收到一个脉冲时发生中断使存放累计电能值的存储单元

44、的值按一个脉冲所代表的电能数增加。AT89C51的P10、P11、P12引脚分别与CS5460A的SDI、SDO、SCLK引脚交换数据。CS5460A的 输出的低电平信号说明CS5460A发生了一个激活的事件，单片机AT89C51接收到这个信号就发生中断向CS5460A写入正确地命令字并使CS5460A的 变为逻辑高电平。CS5460A的复位引脚接AT89C51的P14，CS5460A的复位信号由AT89C51提供。3.4.5 电源模块由于电能表属于不间断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之一。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。CS5460A的电源电

45、压提供方式可以采用外接直流稳压电源供电，或通过变压器Tl变压成12V直流电压后再用分压的方式供电也可使用锂电池供电三种方式，从可靠性和实用性来说选择通过变压器降压的方式为CS5460A供电，变压器Tl变比选择220V/12V，因此在变压器的次级可得到12v的交流电压。变压器次级接二极管的作用是为后继电路提供直流电压(即起全波整流作用)。电源电路中设计由两个一阶无源RC滤波网络组成的二阶滤波电路滤掉直流电压中的噪声信号，再通过一个0.1F的电容提高抗干扰能力。电源失效监控引脚(PFMON)监控模拟电源，相对VA-引脚电平其典型阀值电压为2.45V。当达不到阀值电压时，在电源监控单元就会使CS54

46、60A复位。3.4.6 电压电流采样模块在能量测量中使用电压互感器和电流互感器与电力线隔离，减小电力线上交流信号中窜入CS5460A电压、电流输入通道的各种干扰信号。电压互感器具有高精度、低阻抗特性，并且即使在高次谐波情况下具有很小的相延迟。在采用互感器隔离措施后，CS5460A的数字接口不必再采用隔离技术。在照明电力干线中，相电压有效值为22Ov，线电流可以选择10A的有效值，在这种条件下，假定电力线上的最大额定电压为30OV，最大额定电流为30A。对于正弦曲线的交流信号，电压/电流有效值以最大直流输入电平的0.7071倍进行准确测量。但是在实际使用中，交流信号的波形通常不是以准确的正弦曲线

47、形式出现，为了在两个输入通道允许有一些超范围的信号进入，常用最大电压有效值和最大电流有效值的0.6倍作为两个通道的输入电压范围。因此输入通道的输入电压最大值就应为0.6×25OmV=150mV，其在规定的25OmV范围内。由此计算电压Kv=15OmV/300V=0.0005，此时电压互感器T2的变比为2021 /1;计算电流增益Ki=15OmV/30A=0.005Ohms。Rs=50欧时，电流互感器T3的变比为1/1000。如图3.4，在电流输入通道中，电阻 有两个作用:一是和配合与C1构成一阶低通滤波器，这个滤波器除了滤除远远超过有用频率的宽带噪声还作为抗混叠滤波器以阻止A/D转换

48、器接收高于其采样频率一半的输入信号;二是为IIN+输入引脚提供限流保护。 和的典型值取47O欧，C1放入典型值取2.2uF。在电压通道中的电阻、电容所起的作用与电流通道中的电阻、电容所起的作用相同，其典型取值也是相同的。3.5 显示模块LED数码管以发光二极管作为发光单元，颜色有单红，黄，蓝，绿，白，七彩效果。单色，分段全彩管可用大楼，道路，河堤轮廓亮化，LED数码管可均匀排布形成大面积显示区域，可显示图案及文字，并可播放不同格式的视频文件。通过电脑下flash、动画、文字等文件，或使用动画设计软件设计个性化动画，播放各种动感变色的图文效果；3.5.1 八段数码管显示器 图3.5数码管显示器结

49、构八段LED数码管显示器由8个发光二极管组成。基中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个贺点形的发光管在数码管显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。LED数码管显示器有两种不一样的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED数码管显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED数码管显示器。如下图所示。共阴和共阳结构的LED数码管显示器各笔划段名和安排位置是相同的。当二极管导通时，对应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。8个笔划段hgfedcba对应于一个字节（8位）的D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1

50、D0,于是用8位二进制码就能表示欲显示字符的字形代码。例如，对于共阴LED数码管显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极hgfedcba各段为0111011时，数码管显示器显示"P"字符，即对于共阴极LED数码管显示器，“P”字符的字形码是73H。如果是共阳LED数码管显示器，公共阳极接高电平，显示“P”字符的字形代码应为10001100（8CH）。在单片机应用系统中，数码管显示器显示常用两种办法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个数码管显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。3.5.2 数码管与AT89C51的接口图3.6 SMS0

51、601与AT89C51的接口电路利用AT89C51的P23、P24分别与SMS06O1的串行数据输入引脚(DI)、串行移位脉冲输入引脚(CLK)连接。3.6 按键组功能及与AT89C51总线口的连接电能表上的所有按键可提供用户按键查询本月的峰时、平时、谷时各时段的用电量以及本月用电总量，上月的峰时、平时、谷时各时段的用电量以及上月用电总量，上上月的峰时、平时、谷时各时段的用电量以及上上月用电总量。可以查询瞬时电流值，瞬时电压值，电压有效值，电流有效值，各时段值的设置值。因此键盘组中包括峰时键(7EH)，平时键(OB7H)，谷时键(OBBH)，本月键(77H)，上月键(7BH)，上上月键(7DH

52、)，总电量键(OBDH)，瞬时电流键(OBEH)，瞬时电压键(OD7H)，电压有效键(ODBH)，电流有效键(ODDH)，起始时刻键(OEBH)，终止时刻键(OEDH)，送电键(ODEH)、时段查询键(OE7H)，取消键(OEEH)。 图3.7 按键组与AT89C51的接口电路如图3.7所示所设计的按键组采用由P00、P01、P02、P03口四根数据线提供行线，P04、P05、P06、P07提供列线组成的行列式键盘。按键设置在行、列线交点，行、列线分别连接到按键开关的两端。当行线通过上拉电阻接+5V时，被钳位在高电平状态。键盘有无键按下是由列线送入全扫描字、行线读入列线状态来判断的。其方法是:

53、给P04、P05、P06、P07列线均置成低电平，然后将行线电平状态读入累加器中。如果有键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平，从而使行输入不全为零。键盘中哪一个键被按下是列线逐行置低电平后，检查行线输入状态。如果全为l，则所按下的键不在此行，如果不全为1，则所按下的键必在此行。3.7 SPI接口型EEPROM与AT89C51的接口3.7.1 X5045管脚分布X5045的管脚图如图3.8所示。/WDI:片选引脚/看门狗输入引脚。SO、SI:串行数据输出引脚和输入引脚。:写保护输入引脚。当其为低电平时，写操作被禁止;在写操作过程中，除必须保持低电平外，必须保持高电平。图3.8 X5045管脚分

54、布图RESET:复位输出引脚。只要Vcc低于Vcc检测电平，RESET即变为高电平，并保持高电平直至Vcc高于Vcc最小检测电平200ms为止。看门狗定时器超过时也会引起RESET变为高电平。SCK:串行时钟输入引脚。输入数据在时钟的上升沿被锁存，输出数据在时钟的下降沿被同步输出。Vcc、Vss:电源正极和电源负极。3.7.2 X5045功能描述X5045把上电复位控制、看门狗定时器、电源监控和块锁存保护的串行的EEPROM四种功能集成在单个封装内，从而提高了自身可靠性，降低了系统成本，并减少了对电路板空间的要求。上电复位控制的功能是在电源稳定和振荡器可靠振荡条件下允许处理器执行代码。看门狗定

55、时器对CPU(或MCU)提供了独立的保护机制。当在可选的超时周期之内控制器不能重启定时器时，X5045看门狗激活RESET信号，使系统重新复位，退出故障。可选的三个超时周期有三个预置值(l.4s、600ms、200ms)，其预置方法是给状态寄存器的看门狗位赋值的方式完成，赋值为00则看门狗定时周期为1.4s，赋值为01则看门狗定时周期为600ms，赋值为10则看门狗定时周期为2OOms，赋值为11则禁止看门狗功能。一旦通过编程预置，这个超时值将保持不变。X5045的电源监控电路提供在VCC低于限值时，响应RESET信号的功能，可使系统在开机、关机过程中稳定可靠，不出意外。X5045的存贮器部分

56、是CMOS的4K位串行EEPROM，结构为512*8的十六字节页写方式，串口协议为SPI，简单易行，数据可保存100年。3.7.3 X5045硬件连接图3.9 X5045的硬件连接电路图X5045的复位引脚RESET与AT89C51的复位引脚相连为AT89C51提供复位信号，从而起AT89C51单片机的看门狗电路的作用。AT89C51的Pl3、PI5、PI6、P17引脚分别与X5045的、SO、SI、SCLK引脚交换数据。写保护引脚()与电源相连。3.8 时钟模块图3.10 DS13O2的管脚分布图对电能表来说，它需要根据时间段的划分来计量各时段的电能值，因此在电能表中需要一个时钟芯片计时。D

57、S1302是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，它工作电压宽达2.55.5V,采用三线接口与单片机进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。3.8.1 DS13O2的引脚分布见图3.10。X1 X2:32.768KHz晶振输入引脚。GND:接地引脚。SCLK:串行时钟输入引脚。I/O:数据输入输出引脚。:复位引脚。:电源引脚。3.8.2 DS1302与AT89C51的硬件连接DS1302与AT89C51的连接只需三条线，SCLK I/O、分别与AT89C51的TO、P27、P26连接。在双电源系统中提供主电源，在这种运行方式下连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据