基于ATT7037的电参量表的设计毕业设计论文

第1章绪论1.1课题研究背景和意义电能表的发展最早可追溯到1880年汤姆斯.爱迪森根依据电解的原理发明了计量直流电的电能表。1889年匈牙利岗兹公司研制出第一块感应式电能表。十九世纪末形成了较完整的感应式电能表的基本制造理论。20世纪50年代我国开始生产感应式电能表，20世纪90年代我国研发并自主生产电子式电能表[1]。随着我国经济的飞速发展，各行各业对电的需求越来越大，电力系统越来越趋于现代化，电网与电力市场、客户之间关系日益密切。客户对用电质量要求逐步上升，传统电网已经无法满足市场发展的要求。电能的生产，传输和使用同时进行，因此，电能作为一种不可储存商品的流通使用过程中，对其准确计量具有重要的意义。为调节负荷用电时段，以解决Et渐突出的电力供求矛盾，在不增加设备，不扩大设备容量的大前提下，可以通过以下两种方法来解决：一是在用电高峰时限、拉电；二是实行分时电价，即提高用电高峰时段电能的价格，降低用电低谷时段电能的售价。为此，电力部门广泛地使用有多个计度器能在不同费率时段内记录交流有功或无功电能的复费率电能表。世纪初，国家在保持电价总水平基本稳定的前提下，大力推行峰谷分时计电价，鼓励人们合理移峰填谷用电。同时，要求完善两部制电价制度，扩大多功能表应用范围，使多费率和多功能电能表具有广阔的前景[1]。我国的通信子系统发展水平相对较落后。在西方发达国家，电能计量的自动抄表技术研究起步较早，低压电力线的载波技术也已被广泛地运用，而我国，多使用电话线作为通信信道。近年来国内电子工业迅速发展，通信系统作为自动抄表技术的关键，也成为被关注的重点。现代电力营销系统中的一个重要环节是电量计量。为克服传统人工抄读电量数据，实现实时性，准确性和应用性，同时提高电力部门电费实时性结算水平，所有电力部门都将建立一种新型抄表方式作为共识。电能计量自动抄表系统克服了传统人工抄表模式的不确定性和低效率，能电能计量数据自动采集、传输和处理。不断推进电能管理的现代化发展进程。目前国内外研究电能计量和串行通信的技术已经相当成熟[2]。多功能电表是智能电网(尤其是智能配电网络)的重要数据采集设备之一，它是基于电子式技术研发出的新型电表，不仅具有传统电表的基本功能，还有很多额外的实用功能。例如：电能测量、电能统计、电能监测、信息上传下载及数据管理等功能。多功能智能电表是智能电网的智能终端，在智能用电信息采集系统(包括系统主站、采集设备、通信信道及智能电表三部分)中，它是智能电网数据采集的重要基础设备[3]。多功能电能表集计算机技术，通讯技术等综合技术形成以智能芯片为核心，具有电功率计量计时，计费，能与上位机通信和用电管理等多种实用功能的电度表。多功能电能表的现代化和智能化技术已经成为国内外学者研究的重点[4]。1.2主要研究内容本此设计选用低功耗高性能的单相多功能计量SOC芯片ATT7037为核心。在对芯片处理器，片内外设，电能计量和电路保护各个方面做了分析，完成硬件电路设计，实现了各个电参量的检测。1.2.1基本功能多功能电参量表的主要功能如下：1.多电参数的检测功能：包括：电压有效值、相电流有效值、频率、有功功率、无功功率、功率因数。2.实时时钟功能：可显示年、时、分、秒；3.通信功能：支持RS-485通信。4.按键显示功能：通过按键切换显示电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数以及当前日期和时间等参数。5.报警功能：当电能表出现故障时，能进行相应的报警[5]。1.2.2研究内容1.通过对我国电网和多功能电参量表的发展以及现状的研究，并根据规定的多功能标的基本功能和技术参数，确立本课题的设计。2.硬件电路的设计是多功能电表的重要组成部分，设计的好坏直接影响电表的可靠性和使用的方便及其功能的实现。硬件电路设计是本次设计的的主要任务，其组成主要包括：ATT7037最小系统、电源模块、交流电量采集模块、RS232串行通信、LCD显示电路、按键电路、报警电路等。这些模块的主要实现的功能如下：ATT7037最小系统是整个设计方案的核心，主要完成电能的计量；电源模块为单片机提供+3.3V电源信号；交流电量采集模块采集三路交流信号供单片机使用；RS232串行通信实现pc机与单片机的通信；LCD显示电路用来显示各个电参量、日期以及时间；（6）按键电路通过切换按键来帮助实现显示；（7)报警电路在电路出现故障时能自动报警；3.系统软件是本次设计的灵魂，由本组其他同学完成，其结构组成包括：电源与时钟模块、电能计量模块（EMU）、控制单元（MCU）、中断系统、定时器模块、串行通信模块、WTD、RTC等。4.在硬件设计和软件完整的情况下，完成单片机和pc机的通信，对系统进行调试，对各个参数进行测试，并做精度测试。

第2章基本理论基础在课题研究内容确定之后，需要结合一些理论知识进行分析，本课题所涉及的理论基础知识主要有单片机的基础理论、ATT7037芯片的基础知识、原理图设计的基础理论知识，以及一些基础的电路知识。2.1单片机理论2.1.1单片机概述单片机也叫单片微型计算机，它将中央处理器（cpu）、随机存储器、只读存储器、中断系统、定时器/计数器以及I/O接口电路等微型计算机的主要部件集成在一块芯片上，使其具有计算机的基本功能。单片机的发展分为四个阶段：1.4位单片机阶段，4位单片机主要应用于家用电器、电子玩具等领域；2.8位单片机阶段，其中高档8位单片机的寻址能力达到64KB，片内ROM容量达到4~8KB，片内除带有并行I/O口，甚至有些还有A/D转换器功能。8位单片机由于功能强大，被广泛用于工业控制、智能接口、仪器仪表等领域；3.16位单片机阶段，16位单片机的功能被推向一个新的阶段，集成度可达十几万只晶体管，片内含16位cpu、8KBROM、232字节RAM、5个8位并行I/O口、4个全双工串行口、4个16位定时器/计数器、8级中断处理系统。16位单片机可用于高速复杂的控制系统；4.32位单片机阶段：近年来，各计算机生产厂家已经进入更高性能的32位单片机研制、生产阶段。但是由于控制领域对32位单片机需求并不十分迫切，所以32位单片机的应用并不是很多。单片机的特点：1.单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的；2.采用面向控制的指令系统；3.单片机的I/O引脚通常是多功能的；4.操作功能强，运行速度快;5.电压比较低，功耗少，便于生产便携式产品;6.控制功能强大;7.环境适应能力强;8.可以方便的实现多机和分布式控制，提高系统的效率和可靠性[6]；2.1.2ATT7037芯片介绍ATT7037是一款单相多功能计量SOC（SystemonChip）芯片，高性能，低功耗。片内集成单相计量（3路ADC）、CPU51内核处理器、LCD驱动、电源管理、时钟管理、RTC模块、温度/电池电压测量模块、PLL、JTAG调试等功能。工作电压范围2.7V~3.6V，基于8位8051单片机设计的，具有8052兼容指令集和总线结构。单周期的CPU，具有电源监测功能，片内集成PLL倍频电路，低频晶振电路时钟fosc=32.768KHz，系统时钟最高频率fpri=11.010048MHz。片内集成丰富的存储器资源，包括：60K的FLASH程序存储器，4K可配制的Flash数据存储器；256字节带有写保护操作的InfoFLASH存储器；256字节内部数据寄存器；4K字节外部数据寄存器，其中前256字节在掉电时，可由后备源保持数据不丢失。片内集成可永不关断的硬件看门狗电路、片内集成温度传感器和电池电压检测电路、片内集成RTC（时钟日历）模块和温度传感器，可输出秒脉冲进行校验，实现每秒时钟补偿、片内集成按键、串行通讯、LCD、PWM、红外调制、SPI、I2C等外设。电流和电压采样通道具有4级模拟/数字增益可调，支持分流器和互感器直接接入、提供有功、无功、视在电能脉冲输出[7]。控制单元（MCU）ATT7037采用R8051XC内核，具有和8051兼容的体系架构。R8051XC有两条总线：Memory总线和SFR总线。Memory总线用于在片内扩展程序和数据存储器，如扩展片内ROM、Flash、XRAM等。SFR总线用于和片内的外设寄存器接口，除了工作寄存器R0～R7、程序计数器（PC）和指令寄存器（IR）外，所有控制、配置和状态寄存器都映射到SFR空间，R8051XC可通过直接寻址的方式访问这些寄存器，控制系统工作[6]。与51单片机一样的ATT7037片内存储器分为三个地址空间，程序存储器（PM）：寻址空间0000H-FFFFH；内部数据存储器（IRAM）：寻址空间00H-FFH；扩展数据存储器（DM）：寻址空间0000H-FFFFH；但是ATT7037不支持片外扩展存储器。ATT7037的指令系统、寄存器都与51单片机类似，其中寄存器包括累加器ACC、B寄存器、程序状态字PSW、栈指针SP、数据指针DPTR、CKCON程序和数据存储器的读写延迟控制寄。中断系统ATT7037支持13个中断，其中7个通用中断：外部引脚中断INT0、INT1，定时器中断T0、T1、T2和串行口中断UART0、UART1。这几个中断均和8051内核中断一致。另外6个中断为R8051XC的扩展中断：计量中断、按键中断、RTC中断、I2C中断、PMU中断、CC_ES2中断。ATT7037可以设定4个优先级中断，不支持对单个中断源的优先级进行调整。与8051一样，定时器0和定时器1都有4种工作模式，一般采用模式1：16位定时器/计数器。定时器2是一个16位的定时器/计数器，包含比较/捕获单元，可完成比较/捕获功能[7]。电能计量单元EMU电能计量单元包括三路完全独立的Σ-ΔADC以及数字信号处理部分：三路ADC完成两路电流信号和一路电压信号的采样；数字信号处理部分完成有功功率与有功电能、无功功率与无功电能、视在功率与视在电能、电压有效值、电流有效值及频率计算等计量功能。通过SFR寄存器和中断的方式，可以对数字信号处理部分进行校表参数配置和计量参数读取；计量的结果还通过PF/QF/SF引脚输出，也即校表脉冲输出，可以直接接到标准表进行误差对比。femu=5.505024MHz为EMU单元的固定时钟，ADC的采样时钟fadc默认为femu的6分频，fadc=917KHz，可以通过EMU内部间接寄存器EMU_Ctrl(5BH)配置。电能计量模块的功能多种多样，主要包括：1.模数转换器；ATT7037AU有三路完全独立的二阶Σ-ΔADC，每路ADC都有一个模拟增益放大器（PGA），内部有一个1.18V的高稳定度片内基准电压，每路ADC可以独立开关，通过寄存器EMU_Ctrl进行设置。模拟增益放大器（PGA）完成输入差分信号的幅度放大，放大后的信号再送给ADC进行采样，2.有功功率、无功功率和视在功率；ATT7037AU同时输出两路计量通道的有功功率、无功功率，并提供两路独立的校验参数，提供视在功率输出寄存器。3.有效值；ATT7037AU同时输出两路电流和一路电压的有效值。有效值可以保证在动态范围为1000：1时，精度达到0.1％。4.电能脉冲输出；ATT7035AU/37AU提供有功能量寄存器ENERGY_P(0DH)、无功能量寄存器ENERGY_Q(0EH)和视在能量寄存器ENERGY_S(0FH)，同时提供相应的脉冲输出引脚PF、QF和SF。脉冲输出前的内部电能累加方式可以通过EMCON(53H)的QMOD、PMOD选择正向计量、绝对值计量、代数和计量三种累加方式。内部功率值寄存器对功率进行累加，溢出后会发送一个溢出脉冲到快速脉冲寄存器PFCNT(55H)、QFCNT(56H)和SFCNT(57H)。快速脉冲计数寄存器对溢出的次数进行累加计数。当快速脉冲寄存器中的计数绝对值大于等于输出脉冲频率设置寄存器HFConst(4FH)的设置时，即发出一个CF脉冲，同时相应能量寄存器的值增加1。5.窃电检测；可以通过防窃电模块对两路电流或者两路功率大小进行比较，选用较大的一路电流或功率进行计量。TampSel（51H.7）选择防窃电的方式。当TampSel=1，选择功率防窃电；当TampSel=0，选择电流防窃电。FLTON（52H.5）设置是否开启自动防窃电功能。FLTON=0时选择关闭自动防窃电功能，用户可以根据当前有效电流通道状态CHNSEL(51H.4)进行通道选择；FLTON=1时开启自动防窃电功能，防窃电单元根据窃电阈值的设置，自动选择相应的通道进行计量[8]。时钟管理系统时钟管理模块包含系统时钟生成和系统时钟控制两部分。系统时钟fsys有两种生成形式：一是低频晶振输出fosc频率为32KHz，二是PLL输出高频fpri频率。由时钟配置寄存器CLKCFG的SYSCK位决定。上电复位后，片上低频振荡电路开始工作，OSC产生32.768KHz的时钟，系统时钟来自片上低频晶振电路fosc,此时钟电路一值保持开启；高频时钟频率由PLL电路产生；芯片外围单元RTC、LCD、WDT、PMU、TBS部分的时钟直接来自低频晶体振荡电路的输出fosc，外围单元SPI、I2C、PWM和处理器R8051XC的时钟都来自系统时钟fsys，即可选择低频时钟fosc，也可选择高频时钟fpri。电能计量单元EMU的时钟来自于fpll分频后的固定频率5.505024MHz。红外38K模块时钟由fpll分频提供[9]。外部低频晶体振荡电路是为外部32.768KHz的晶体而设计的，OSCI是晶体振荡电路的输入引脚，OSCO是晶体振荡电路的输出引脚。上电复位后，外部低频晶体振荡电路开始工作，输出32.768KHz时钟，振荡电路的工作不受复位的影响，也不受系统运行模式的影响，外部低频晶体振荡电路提供RTC的时钟，也可作为系统节电模式的系统时钟源[6]。WDTWatchdogTimer是一个特殊的定时器，计时计满预定时间则发出溢出脉冲，产生WDTR复位信号；在溢出脉冲发生前将WatchdogTimer清零，则不会发出WDTR复位。特点如下：采用硬件狗设计；SLEEP模式下WDT开启/关闭可选；可以通过外部引脚JTAG_WDTEN进行控制。2.2AltiumDesigner原理图设计基础2.2.1电路设计的一般步骤一般情况下，一个产品的的电路设计目的就是获得印制电路板。这个过程的电路设计有5个主要步骤如下：1.原理图的设计，主要依靠AltiumDesigner的原理图设计系统来实现。2.生成网络表，通过网络表连接原理图设计和印制电路板设计，网络表可以从原理图和印制电路板中的任何一个中获得。3.印制电路板的设计，印制电路板的设计是基于AltiumDesigner另外一个部分pcb来实现的，在这个过程中完成电路板的板面设计，并完成想对复杂的布线工作。4.生成印制电路板报表和板图印制电路板完成后，其有关报表和打印印制电路板图也是重要的步骤。5.生成钻孔文件和光绘文件，在pcb制造之前，生成钻孔文件和光绘文件也是必不可少的[10]。2.2.2原理图设计的一般步骤原理图的设计是电路设计的基础，原理图设计的质量关系到后续设计的进展。一般来说原理图的设计包括：1.设置原理图图纸尺寸和版面在绘制原理图之前，应该根据实际电路的大小来设置图纸的尺寸。2.在图纸上放置原理图的元件，根据电路的具体情况，从元件库中选取电路中需要的元件逐一放在工作平面上。再根据实际情况调整元件在工作平面上的位置，并定义、设置元件的封装。3.对元件进行布局走线,利用AltiumDesigner的工具和指令进行走线，用具有电气意义的导线和符号将各个元件按电路需要连接起来，构成一个正确的原理图。4.对元件进一步调整,为了保证原理图的正确和美观，需要对所绘制的原理图做进一步的调整，包括导线位置的调整，图形大小、属性、以及排列的调整。5.保存文档并生成智能pdf文件，这个过程是管理设计的图形文件输出[10]。

第3章硬件电路的设计在整体方案的指导下，本次设计主要做硬件电路的设计运用模块化的设计方法去进行硬件电路的设计。本次设计硬件电路主要包括以下几个部分:单片机最小系统、电源模块、交流电量采集模块、RS232串行通信、LCD显示电路、按键电路、报警电路等。下面对各个模块的硬件电路设计进行一一介绍。3.1ATT7037最小系统ATT7037最小系统由ATT7037芯片、模拟电源电路、JTAG接口电路、时钟电路、复位电路组成。将这些电路连接在一起就构成了ATT7037最小系统。最小系统原理图如下：图3-1ATT7037最小系统原理图3.1.1ATT7037芯片ATT7037是一款单相多功能计量SOC（SystemonChip）芯片，高性能，低功耗。芯片内部有三路ADC，可同时提供两路计量功率及两路校验参数，支持单相两线制、单相三线制。支持防窃电功能，窃电阈值可灵活设置；提供三路ADC的原始采样数据和同步波形采样数据；电流和电压采样通道具有4级模拟/数字增益可调，支持分流器和互感器直接接入；片内基准电压：1.18v±2%（温度系数±25ppm/℃）；提供有功、无功、视在电能脉冲输出，并开放快速脉冲计数寄存器，可保存掉电电能；提供多种电能累加方式[6]。ATT7037引脚定义如表1、表2、表3、所示：表（1）ATT7037芯片引脚功能介绍表（2）ATT7037芯片引脚功能介绍表（3）ATT7037芯片引脚功能介绍3.1.2模拟电源电路模拟电源电路主要功能是将+3.3V的电源信号转换成单片机内部A/D转换器使用的电源信号。电路图如下:图3-2模拟电源电路其中的普通电容c40，c33主要是去耦合，正常来说取0.1uF。极性电容c37，c39主要是稳压的功能，正常取10uF。3.1.3JTAG接口电路JTAG是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试，跟其他高级芯片一样，ATT7037同样也适合用JTAG来测试。JTAG引脚功能如下：TCK可以用来测试时钟输入，数据从TDI引脚输入，数据从TD0输出，TMS提供多种测试模式选择。每种型号的单片机都有相应的仿真器用来支持在线调试，如果单纯想把编译好的目标文件下载到芯片内部，可以自己制作下载编译器。下载程序的引脚是P1.5、P1.6、P1.7口，外加一根驱动线即可。在电路设计时特别要注意的是JTAG口与PC并口的连接线要尽可能短，原则上不大于15cm。还有6和8引脚要接地才能把程序烧写进去[11]。JTAG接口电路图如下所示：图3-3JTAG接口电路在实际应用中正常需要上拉电阻或者下拉电阻。其电阻值也需要根据接口电路器件的数目进行调整，一般情况下取10k。3.1.4时钟电路单片机内部有产生振荡信号的放大电路，可以产生单片机的时钟。该振荡电路即时钟电路由单片机内部放大电路，外接晶振等器件构成。XTAL1与XTAL2是芯片内部振荡电路的输入端，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。在XTAL1、XTAL2的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。一般来说晶振可以在1.2~12MHz之间任选，但是频率越高功耗就越大。本设计由于采用了串口通信，常用波特率通常按规范取1200,2400,4800,9600...若采用晶振12MHz或6MHz，计算出来的T1定时器初值将不是一个整数，这样通信时便会产生误差，进而产生波特率误差，影响串行通信的同步性能。而使用11.0592MHz的晶振可以得到非常准确的数值，误差为0。因此本设计采用11.0592MHz的晶振。ATT7037芯片内部有一个高增益的反向放大器，两端接晶振及两个电容，就构成自激振荡器。两个电容通常取15pF或者30pF，这里取c4=c5=30pF。电路如图3-4所示：图3-4时钟电路3.1.5复位电路复位电路分成两部分，第一部分是系统上电时，单片机自动复位一次：由电容串联电阻构成,由图并结合"电容电压不能突变"的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。第二个功能就是当系统运行出现故障，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位，可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。ATT7037芯片有一个复位引脚RST，低电平有效。在时钟电路工作以后在外部电路的影响下，如果RST端出现24个振荡周期以上的低电平，系统复位。正常来说只有RST引脚上保持10ms以上的低电平才能保证有效复位。本次采用的是手动复位即使用按键使电路复位，按键按下后，电容可以为RST引脚提供低电平实现复位。RST引脚低电平持续时间取决于复位电路的时间常数RC之积，大约是0.55RC正常上拉电阻比较大取10k，因此外接电容c可以减少到0.1uF到0.2uF,本次取0.1uF[8]。复位电路如图3-5所示:图3-5复位电路3.2电源模块电源模块的主要作用是将生活中的220V交流电压变成3.3V直流电压供单片机使用。电源模块电路原理图如图3-6所示:图3-6电源电路220V交流电经变压器降压以后，经全桥整流电路整流后变为直流电压，经电容滤波，输入到稳压器W1，这时候就可以在输出端得到稳定的5V直流电压。再经过另一个稳压器W2就可以在输出端得到稳定的3.3V直流电压，正好供单片机使用。两个稳压器的输入端和输出端的普通电容主要是起到去耦合的作用，故全部取值为0.1uF。而极性电容主要起到稳压的作用，数值较大，全部取10uF。这些电容使得输入电压信号和输出电压信号的性能达到很大的改善。3.3交流电量采集模块交流电量采集模块中，0~5A的交流电流输入经电流互感器，电流互感器接精密电阻，变换成电压信号，经过电容滤波，滤除干扰信号，然后进行电压平移，进行采样。0~250V交流电压输入经电压互感器，变换电压，经滤波处理，滤除干扰信号，然后进行电压平移，行采样。采样好的信号存入单片机的RAM中供软件处理[12]。交流采集电路如图3-7所示：图3-7交流电量采集原理图在交流电量采集电路中，电阻的取值主要取决于电流互感器和电压互感器的变比，本次设计采用的电压互感器是HPT205A，原边电流为2mA，副边电流为2mA，电压互感器原边输入电压是220V，故电阻R10=220/0.002=110k。因为副边电流为2mA，采样电压通道的电压约为3.3V，故R11与R12大约取3k欧姆。采用的电流互感器是HCT204B，原边电流2A，副边电流2.5mA，采样电压同样是3.3V，由（R7+R8+R9）//R6=3.3/0.0025，大概可得R6=2k，R7=2k，R8=1k，R9=1k，去耦合电容全部取0.1uF[13]。3.4RS-232串行通信以51为内核的ATT7037芯片输入和输出电平都是TTL电平，跟PC机的RS-232C标准串行接口的电气规范差别很大。在TTL电平中，用+5V表示高电平1，用0V表示低电平0：RS-232C标准电平用-3V~-15表示高电平1，用+3V~+15V表示低电平0.因此要完成单片机和pc机之间的通讯，必须进行电平转换。本次采用MAX232单芯片实现他们之间的通信。采用MAX232接口的单片机与pc机的串行通信电路如图3-8所示：图3-8采用MAX232接口的串行通信电路在实际应用中，因为期间对电源噪声很敏感，所以C1+、C1-、C2+、C2-、C18、C19、C20必须要去耦合，所以取值为1.0uF的电解电容，提高抗干扰能，在实际应用中可以选用0.1uF的非极性瓷片电容代替1.0uF电解电容。可用T1I接单片机的串行发送端TXD：R1o接单片机的串行接收端RXD：T1o接pc机的RS-232串口接收端RXD：R1I接pc机的RS-232串口发送端TXD。MAX232芯片中的两路接受、发送可以任选一路作为接口。3.5显示电路显示电路采用的是液晶显示，液晶体积小，功耗低，显示操作简单，被广泛应用。本次设计显示电路采用的是1602LCD，它是5V电压驱动，带背光，可显示两行，每行16个字符，内置含128个字符的ASCII字符集字库，为并行接口。1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：VSS为电源地

第2脚：VCC接5V电源正极

第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器，与ATT7037的P26引脚相连。

第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作，与ATT7037的P27引脚相连。

第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端，与ATT7037的P24引脚相连。

第7~14脚：D0～D7为8位双向数据端,分别连接ATT7037的PB0~PB7.

第15~16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。1602LCD操作简单，具体方法如下：1.通过RS确定是写数据还是写命令。2.读/写控制端设置为写模式，即低电平。3.将数据或命令送达数据线上。4.给E一个高脉冲将数据送入液晶控制器，完成写操作。1602液晶显示状态如图3-9所示：图3-9液晶示意图其中可调电阻用来调节液晶的亮度，1602LCD的电流不能太大，否则会发热。所以可调电阻应取大一些，一般取10k欧姆。1602液晶显示电路图如图3-10所示:图3-10液晶显示电路3.6按键电路按键按照结构原理可分为触点式开关按键盒无触点式开关按键，前者造价低被广泛应用在单片机领域。在单片机应用系统中，除了复位按键有专门的复位电路，其他按键都是以开关状态来设置控制功能和数据的输入。按键按下时，计算机系统会完成按键所设定的功能。本次设计用到四个按键，一个增键，一个减键，一个设定键，一个翻页键，通过按键的切换显示电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数以及当前日期和时间等参数。由于单片机的I/O口为漏极开路端，内部无上拉电阻。所以在当做普通I/O口时，必须接上拉电阻使其能正常地输出和读取数据。因为I/O灌入电流不能太大，一般不超过几十个毫安，故电阻应该取大一些，约为几k欧姆到十几k欧姆左右，本次设计取电阻值为10k欧姆。整个按键电路原理图如图3-12图3-12按键电路3.7报警电路继电器报警电路的工作原理是：当继电器的吸合线圈流过一定大小的电流，线圈产生的磁场力带动衔铁移动，继电器动作，从而接通led灯，达到报警的目的[14]。其中P4端子是220V电源端子，三极管附近的电阻和二极管主要起到保护电路的作用。阻值应该取大一些，约为1k欧姆[15]。继电器报警电路如图3-13所示。图3-13继电器报警电路软件的设计大部分是由同组的同学来完成,我只负责串行通信的设计。下面介绍软件的流程图及其功能。4.1程序流程图系统软件的大致流程为：首先对系统内部时钟和外部所用到的各个单元进行初始化，然后进行中断扫描，中断每隔200ms扫描一次，通过扫描LCDdisplay的数值，完成LCD的显示。当检测到LCDdisplay的值为1时，LCD上显示的是时间和日期，当检测到LCDdisplay的值为2时，LCD上显示的是电压、电流及频率的测量数值，当检测到LCDdisplay的值为3时，LCD上显示的是有功功率、无功功率、视在功率和功率因数的测量数值。图4-1程序流程图4.2LCD及按键的软件结构4.2.1LCD的软件结构1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表10-14所示：1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。下图为LCD1602的读时序和写时序：LCD的初始化主要包括对LCD设置显示模式，以及对LCD液晶进行清屏设置。LCD的初始化程序如下：voidLCD_Init(){ LCD_EN=0; delay(15); //延时15ms，首次写指令时应给LCD一段较长的反应时间 write_com(0x38);//显示模式设置：16×2显示，5×7点阵，8位数据接口 delay(5); write_com(0x38); delay(5); write_com(0x38);//连续三次，确保初始化成功 delay(5); write_com(0x0c);//显示模式设置：显示开，无光标，光标不闪烁 delay(5); write_com(0x06);//显示模式设置：光标右移，字符不移 delay(5); write_com(0x01);//清屏幕指令，将以前的显示内容清除 delay(5);}4.2.2按键的软件结构设置按键的I/O口为输入口，并通过采用查询的方式实现按键的功能。当按键没有被按下时，I/O的电平为高电平；当按键被按下后，单片机检测到按键的电平为低电平，则将相应的标志位置一，并实现相应的按键功能。具体的流程图如下所示:4.3串行通信计算机与外界的信息交换称为通信。单位信息的各位数据分时的一位一位依次顺序传送的通信方式称为串行通信。其示意图如图4-2所示：图4-2串行通信示意图ATT7037内部有一个全双工串行接口。什么叫全双工串口呢？一般来说，只能接受或只能发送的称为单工串行；既可接收又可发送，但不能同时进行的称为半双工；能同时接收和发送的串行口称为全双工串行口。串行通信是指数据一位一位地按顺序传送的通信方式，其突出优点是只需一根传输线，可大大降低硬件成本，适合远距离通信。其缺点是传输速度较低。首先我们来了解单片机串口相关的寄存器。4.3.1SBUF寄存器SBUF寄存器它是两个在物理上独立的接收、发送缓冲器，可同时发送、接收数据，可通过指令对SBUF的读写来区别是对接收缓冲器的操作还是对发送缓冲器的操作。从而控制外部两条独立的收发信号线RXD（P3.0）、TXD（P3.1），同时发送、接收数据，实现全双工。4.3.2串行口控制寄存器SCON串行口控制寄存器如表1所示：表4-1SCON寄存器表中各位（从左至右为从高位到低位）含义如下。SM0和SM1：串行口工作方式控制位，其定义如表2所示表4-2串行口工作方式控制位其中，fOSC为单片机的时钟频率；波特率指串行口每秒钟发送（或接收）的位数。SM2：多机通信控制位。该仅用于方式2和方式3的多机通信。其中发送机SM2＝1（需要程序控制设置）。接收机的串行口工作于方式2或3，SM2=1时，只有当接收到第9位数据（RB8）为1时，才把接收到的前8位数据送入SBUF，且置位RI发出中断申请引发串行接收中断，否则会将接受到的数据放弃。当SM2=0时，就不管第位数据是0还是1，都将数据送入SBUF，并置位RI发出中断申请。工作于方式0时，SM2必须为0。REN：串行接收允许位：REN=0时，禁止接收；REN=1时，允许接收。TB8：在方式2、3中，TB8是发送机要发送的第9位数据。在多机通信中它代表传输的地址或数据，TB8=0为数据，TB8=1时为地址。RB8：在方式2、3中，RB8是接收机接收到的第9位数据，该数据正好来自发送机的TB8，从而识别接收到的数据特征。TI：串行口发送中断请求标志。当CPU发送完一串行数据后，此时SBUF寄存器为空，硬件使TI置1，请求中断。CPU响应中断后，由软件对TI清零。RI：串行口接收中断请求标志。当串行口接收完一帧串行数据时，此时SBUF寄存器为满，硬件使RI置1，请求中断。CPU响应中断后，用软件对RI清零[11]。4.3.3寄存器PCON寄存器PCON如表3所示：表3PCON寄存器表中各位（从左至右为从高位到低位）含义如下SMOD：波特率加倍位。SMOD=1，当串行口工作于方式1、2、3时，波特率加倍。SMOD=0，波特率不变。GF1、GF0：通用标志位。PD（PCON.1）：掉电方式位。当PD=1时，进入掉电方式。IDL（PCON.0）：待机方式位。当IDL=1时，进入待机方式。定时器寄存器用来设定波特率。中断允许寄存器IE中的ES位也用来作为串行I/O中断允许位。当ES＝1，允许串行I/O中断；当ES＝0，禁止串行I/O中断。中断优先级寄存器IP的PS位则用作串行I/O中断优先级控制位。当PS=1，设定为高优先级；当PS=0，设定为低优先级。4.3.4波特率计算在了解了串行口相关的寄存器之后,介绍一下波特率的计算：①方式0和方式2的波特率是固定的。在方式0中，波特率为时钟频率的1/12，即fOSC/12，固定不变。在方式2中，波特率取决于PCON中的SMOD值，即波特率为：当SMOD=0时，波特率为fosc/64；当SMOD=1时，波特率为fosc/32。②方式1和方式3的波特率可变，由定时器1的溢出率决定。当定时器T1用作波特率发生器时，通常选用定时初值自动重装的工作方式2。其计数结构为8位，假定计数初值为Count，单片机的机器周期为T，则定时时间为（256xCount）×T。从而在1s内发生溢出的次数（即溢出率）可由公式（1）所示：从而波特率的计算公式由公式（2）所示：SCON=0B0101000；定时器工作在方式1,；10位异步通信方式，允许接收；由公式2计算可得波特率=2400；在实际应用时，通常是先确定波特率，后根据波特率求T1定时初值，因此式（2）又可写为[6]：确定波特率后由公式3可以算出TH1=0xf4；TL1=0xf4；

第5章实验结果与误差分析5.1实验结果本设计电参量表是通过电压互感器和电流互感器将电网的电压与电流转化成与ADC采样模块匹配的输入信号，并经过单片机的ADC采样模块检测交流信号，将采样得到的AD值转化成实际的电压与电流。本次试验用电参数测量仪8995F（500V/40A）（如图5-1所示）来测量实际值。并与设计的电参量表的检测的数据进行比较，计算测量误差。图5-1实际电压电流值表5-1为采样的电压与检测电网的实际电压表5-2为采样的电流与检测电网的实际电流根据检测到的电压与电流计算功率，并比较通过电参量检测到的电功率如表5-4所示：实验表明电参量表能够正常显示各个电参量、日期以及时间。显示如下图所示：图5-3电压、电流、频率显示图5-3有功功率、无功功率、视在功率、功率因数显示图5-4时间以及日期显示5.2误差分析通过比较，测量值与实际值的误差小于1%，符合设计要求，本设计基本实现了仪表检测电参量的功能。本设计的误差主要分为硬件误差和软件误差。由于互感器的铁心是非线性地，尤其是当电压太大时，互感器很容易进入饱和，输出电压与输入电压不成线性关系，导致很大的误差；由于采样电阻的阻值可能随温度的变化而变化，电阻值的不确定导致误差[16]。软件误差主要是采样频率的设定。对于交流信号，必须确定采样频率然后计算出其真有效值。采样频率越高，精确度越大，但是采样频率太大，对CPU的要求就很高，所以要兼顾采样的精度和CPU的运行能力。

结论通过复习以前学过的专业知识，同时对相关的资料和论文进行解读与综合分析、研究加上参与课题的实践，在导师的指导和同学的帮助下，最后基本完成了开题报告中确定的设计任务。本次设计主完成硬件电路的设计和串行通信的设计。硬件电路的设计包括ATT7单片机最小系统、电源模块、交流电量采集模块、RS232串行通信、LCD显示电路、按键电路、报警电路等的设计，文中介绍了参数大小的选择，重要的线路如何连接。所涉及的相关模块的电路设计，有的采用的是常见的经典电路的结构，有些是在原有结构的基础上，采用了集成度更高的现代芯片，从而使电路变得更加简单、可靠。硬件电路加上同组同学的软件程序，通过实验调试使得设计的电参量表能够成功测量电压、电流、有功功率、无功功率、频率、视在功率和功率因数，并显示日期和时间。本次设计遇到的主要问题是各个模块中参数的选择，涉及到的知识比较广泛，以前学习过的知识已经淡忘，所以要重新看书，工作量虽然不大但是很容易忽略一些知识点导致出错。关于上位机的通信显示由于以前没有学习过VB的知识，以上手比较难，加上时间比较紧，所以上位机的通信只做了一部分并没有完成。不论怎样说，毕业设计，其实是一个对自己所学的专业知识吸收、分析、理解、掌握同时再创新的过程，能够灵活使用，遇到新问题能够解决目的也就达到了。

谢辞本次毕业设计能够顺利完成，除了我自身努力之外，离不开汤老师对我的悉心指导。在初期由于接触新的芯片，很多知识不懂，多亏汤老师帮我们找了很多相关的课件和资料并帮助我完成了文献综述等的撰写；设计中期在绘制原理图的过程中遇到很多问题由于老师的悉心解答和纠正，才得以顺利完成。

其次，还要感谢在整个设计过程中给予我帮助的同学们，我们通过对问题的探讨，让我对整个专业知识有了更为深刻的理解，为设计打下良好的基础，正因为有了你们的支持我才得以顺利完成本次的毕业设计。最后，诚挚感谢福州大学的老师们大学四年在学业上对我的教诲和帮助。

参考文献[1]贺静丹，腾召胜，温和等.单相多功能电能表设计.电子测量与仪器学报，2011,25（1）：89~95[2]朱颖亮.电能表的现状分析和未来规划展望.电测与仪表，2009,46，（z2）:62~65[3]马骁，梁全东。智能电表的发展现状及发展趋势.电源与节能，2014（2）：62~63[4]樊崇理，张进明.智能电表的发展现状及分析.现代科学仪器，2000（5）:30~32[5]benefitsofnewtechnologymeters.annualeditorialschedule.09.2013.[6]周国运．单片机原理及运用[M]．中国水利水电出版社．2009年2月．[7]钜泉光电科技（上海）股份有限公司.210-SD-131.ATT7035AU/7037AU用户手册．2012-9-24．[8]TurnerHasty,texasinstrumentsincorporated,privatecommunications.[9]TMS1000seriesMOS/LSIOneChipMicrocomputersManualNo.CM122-1TexasInstrumentsIncorporated,Nov.15,1975.[10]江思敏，胡烨.原理图与PCB设计教程.北京机械工业出版社.2009.07.[11]郭天祥．51单片机C语言教程——入门、提高、开发、拓展全攻略[M]．电子工业出版社．2011年2月[12]路银川，针敬然．电流互感器原理及接线形势分析[J]．制造业自动化．2012，34（10）：34-38．[13]赵丰．浅析电磁式电压互感器原理及测试方法[J]．中国高新技术企业．2014，第6期：[14]张冠生，陆俭国.电磁铁与自动电磁元件.机械工业出版社.1982[15]H.C.TAEB著.电器学（，任耀先译）.机械工业出版社.1981[16]刘荣富，王烈准，孙吴松．电气测量误差的产生与减小误差的途径[J]．科学与财富．2011，第10期：45-46．

附录附录1串行口的程序如下所示：#include<reg51.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedcharsbituart_rxd=P3^2;sbituart_txd=P3^1;ucharget_shuju=0;ucharget_shuju_i=0;voidDelay_417us(void){uchari=0;ucharj=59; for(;j>0;j--){for(i=0;i<1;i++){;}}}voidDelay_200us(void){uchari=0;ucharj=30; for(;j>0;j--){for(i=0;i<1;i++){;}}}voidUART_TXD(uchara){uchari=0;uart_txd=1;uart_txd=0;Delay_417us();for(i=0;i<8;i++){ uart_txd=(bit)(a&0x01); a=a>>1; Delay_417us(); }uart_txd=1;Delay_417us();}voidzhongduang_int(void)interrupt0{EX0=0;IE0=0;Delay_200us();TR0=1;TMOD=0X01;//TMO工作方式1TH0=0xFE;TL0=0x5F;//417UMTF0=0;ET0=1;//开t0中断}voidzhongduang_t0(void)interrupt1{ TF0=0; TH0=0xFE;TL0=0x5F;//417UM if(uart_rxd==1) get_shuju=get_shuju|0x80; if(uart_rxd==0) get_shuju=get_shuju&0x7F; get_shuju_i++; get_shuju=get_shuju>>1; if(get_shuju_i==7) { ET0=0; TF0=0; get_shuju_i=0; UART_TXD(get_shuju);Delay_417us(); Delay_417us(); get_shuju=0; ET0=0; IE0=0; EX0=1;//关T0开INT}}voidmain(){uchara=0x33;UART_TXD(a);IT0=1;IE0=0;EX0=1;EA=1;//INT0下降沿中断while(1);}附录2硬件原理图如下图所示：基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究HYPERLINK"/de