AD7755在电表有功电能测量中的应用2

课题设计(论文)目录第一章绪论…………1第二章电能测量理论基础………22.1电能测量原理…………………22.1.1模拟输入……………………32.1.2电源监控电路………………42.1.3数/频转换……………………42.1.4传输函数……………………52.2AD7755与微控制器的接口…………………52.2.1高通滤波和失调影响………5第三章设计方案…………………63.1设计方案介绍…………………63.2方案的设定……………………6第四章硬件设计…………………74.1AD7755电路图及其功能介绍…………………74.1.1AD7755中基电能测量分析…………………74.1.2输入电路的设计…………104.1.3输出电路的设计……………104.2CPU电路图…………………114.3时间和电表读数显示电路…………………124.4键盘部分电路图……………144.5串行接口及远程抄表电路图………………154.5.1对芯片RS485进行介绍……………………154.5.2基本控制器的设计及功能…………………184.5.3通讯CPU的功能主要有……………………184.5.4以下就是RS—485芯片的电路图…………204.6时钟信号芯片简介及作用…………………214.6.1DS12C887的作用和性能……………………214.6.2时钟信号芯片的内部结构和管脚图………224.6.3管脚功能表…………………234.6.4DS12C887应用………………254.6.5硬件电路……………………264.6.6软件设计……………………274.6.7储存功能……………………284.7.1工作原理……………………29第五章软件流程图………………305.1软件流程图叙述………………305.2软件流程图……………………31结论致谢参考文献第一章绪论目前，许多国家的电力工业机制都在引入竞争机制、建立电力市场的电力体制改革，目的在于更合理地配置资源，提高资源利用率，促进电力工业与社会、经济、环境的协调发展。在我国，随着改革的深入和电力市场供求状况的变化，现行的电力体制已难以适应社会主义市场经济体制的要求。电力工业快速发展的同时，电力体制改革也逐步深入，电力工业以“公司制改组、商业化运营、法制化管理”为改革目标的基本取向。电力工业管理体制由计划经济向市场经济转变。政府宏观调控、企业自主经营、行业协会提供服务，适应市场经济要求和电力生产特点的新型电力工业管理体制正在逐步建立。电力市场的引入迫使各电力企业的经营管理，相关的政策、法规以及技术支持必须进行相关调整，以适应我国电力市场的需要。为了促进电力销售，一些供电企业开始探索市场经济条件下供电企业的工作模式，不断转变思想，按市场经济规律的要求加强电力调度和检修工作，加快城乡电网的建设和改造，提高服务水平。电力企业的这种促销行为，在客观上加快了其进入电力市场的步伐。近年来，由于城乡电网改造，一户一表政策、国家西电东送等跨世纪工程的实施，巨大的经济利润促使电能表生产企业数量剧增。一位业内人士告诉记者，电能表生产企业由两网改造之前的400多家，剧增至两网改造时的1200多家，两网改造后又回落至600多家。目前，我国对电能表的年需求量稳定在8000万～9000万台，而生产能力已达到年产2亿台，产能严重过剩，今后市场的格局基本上是供大于求。电子式产品的过渡自20世纪90年代即有所迹象，进入21世纪之后则近乎势不可挡。而电子表相较于机械表的突出优点，更成为产品转型的源动力。电子表具有的实时计费功能，多参数测量谐波电能计量，可以自动进行断电检测，可以自动读表、并通过GPRS系统、以太网等通信网络将读表结果发送到接收端，以及高精度、高稳定性、高可靠性等特点，为其替代传统的机械表打下了基础。而且，对于大规模制造工厂等工业用户而言，只有电子式电能表才能帮助他们进一步降低成本、改进电能监控功能。不仅工业、商业用表以多功能等电子表为主，在国内民用电能表的市场，电子表的市场占有率也已从5年前的10％上升到40％，从普通功能型向多费率、多功能等科技型电能表方向过渡。由此可见本次设计是具有一定的社会价值。第二章电能测量理论基础2．1电能测量原理AD7755是把从电流通道和电压通道中进来的模拟信号，各自送到一个16位的∑—△模/数转换器中进行模/数转换，转换后的数字信号经过处理后直接相乘得到瞬时功率信号。瞬时功率是由瞬时有功功率和瞬时无功功率组成，为了得到有功功率分量（即直流分量）要对瞬时功率信号进行低通滤波。AD7755不但能正确计算正弦电压和正弦电流的有功功率，而且还能计算非正弦电压和非电流的功率的有功功率。数学上已证明：当电压和电流波形是非正弦时，可以通过傅立叶分解，而得到电压和电流的正弦谐波成分：（1）（2）式（1）中是瞬时电压，是电压平均值，是h次电压谐波的有效值，ak是h次电压谐波的相位角。式（2）中是瞬时电流，是电流平均值，Ih是h次电流谐波的有效值，h是h次电流谐波的相位角。根据理论分析，有功功率P可以用电压和电流的基波有功功率P1和谐波有功功率PH之和表示：P=P1+PH。（3）（4）其中是电压和电流的相位差。由式（4）可以看出，电压和电流的各次谐波都产生谐波有功功率。又因为AD7755对纯正弦波的功率因数和有功率的计算是精确的，而谐波是由一系列纯正弦波组成，所以，AD7755，从测量的机理上已经充分考虑了电网谐波的存在和影响因素。因此，利用它制作的系统的测量精度和抗干扰能力将大大提高。2．1.1模拟输入：通道V1（电流通道）线路电流传感器的输出电压接到AD7755的通道V1，该通道采用完全差动输入，VIP为正输入端，VIN为负输入端。通道1的最大差动峰值电压应小于470mV。应当注意，通道1有一个PGA，其增益可由用户选择1，2，8或16。VIP和VIN引脚的最大信号电平，最大差动电压470mV，由增益选择而定。在这两引脚上的差动信号必须以一个共模端作为参考点，最大共模信号为100mV。其典型接线电路如下图所示：通道V2（电压通道）线路电压传感器的输出接到AD7755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。其典型接线电路如下图所示：2．1.2电源监控电路AD7755片包含一个电源监控电路，连续对模拟电源（AVDD）进行监控。当电源电压低于4V±5%时，AD7755将被复位。这对于确保上电和掉电时芯片的正确启动和正常工作有用。电源监控电路被安排在延时和滤波环节中，这在最大程度上防止了由电源噪声引发的错误。如下图所示，电源监控电路的正常触发电平为4V，触发电平的允许误差为±5%。为保证芯片的正常工作应对电源去耦，使AVDD的波动不超过5V±5%。2．1.3数／频转换如前所述，低通滤波器(LPF)的数字输出中包括有功功率信息。然而由于LPF不是理想的滤波器，因此输出信号还包括有削弱了的线频率及其谐波成分COS(h(ot)，其中h：1，2，3……。由于瞬时功率计算的原因，主要谐波成分为线频率的两倍，即lu。实际上，LPF输出的瞬时有功功率信号仍包括了大量的瞬时功率信息，例如COS(2ωt)。此信号被送人数字频率转换器并经过积累，即可得到输出频率。信号的积累可以减少瞬时有功功率信号中的任何非直流成分。另外，由于正弦信号的平均值为0，因此AD7755产生的频率与平均有功功率成比例。频率输出CF随着时间而变化的原因主要是瞬时有功功率信号中的COS(20t)成分所致。CF输出的频率可以达到n和F2输出频率的2048倍，这个高频输出是在数字转换为频率时积累了很短的时间而产生的。积累时间很短意味着只包括很少的COS(2ωt)成分，这就使得一些瞬时有功功率信号通过了数字频率转换器。这在实际应用中不成问题，因为当CF用作校准时，频率将会通过频率计数器来平均，由此去掉波纹。由于n和F2的输出频率很低，因此引入了很多的瞬时有功功率信号的平均值，所以输出的是大大削弱了正弦成分的频率。2．1.4传输函数P1和F2的频率输出如前所述，P1和F2的频率输出是对有功功率信号较长时间的积累，它与平均有功功率成比例。输出频率与输入电压和电流信号的关系如下：Freq=(515.84V1msV2msF1-4)/V2ref其中，Freq为F1和F2的输出频率，单位为Hz，V1ms和V2rms是通道V1和V2的差分电压信号输入(V)，y对为参考电压(2.5V±8％)，F1-4是表2中由逻辑输入S0和S1选择的四种可能的频率之一。CF的频率输出CF最大输出频率与F1、F2之间的关系。当逻辑输入SCF为0，而S1和S0为1时，其最大值为2．867kHz。2．2AD7755与微控制器的接口AD7755与微控制器最简易的连接方式可利用CP的高频输出来完成。连接时，可将CF设置为最大输出频率(如图所示)，并将CF连接至MCU计数器或接口，然后在MCU内部定时器规定的时间内计数脉冲，并取平均功率等于平均频率，同时，该值也等于计数所得值与计数时间的比值。这样，此计数时间内所消耗的能量为平均功率与时间的乘积，也就是说计数值／时间与时间乘积的计数值。2．2.1高通滤波和失调影响由上可知通道1和通道2的失调信号相乘后将产生一个直流分量。由于这个直流分量要通过低通滤波器（LPF）产生有功功率，因此失调将对有功功率产生一个固定的误差。为避免这个问题，只要把通道1中的HPF设置成选通（即引脚AC/DC置高电平）就行了。至少一个通道的失调被消除后，相乘就不会产生直流误差分量。对于含有cos（wt）的误差项通过LPF和数字频率转换器消除。通道1的HPF与相位响应相关联，但它在片内已得到补偿。当HPF设置为选通时，相位补偿自动起作用，当HPF无效时，相位补偿也无效。第三章设计方案3．1设计方案介绍本次设计的题目是AD7755在电表有功电能测量中的应用。能实现该项设计方案有很多，其中包括以下几种方法：（1）8031+AD7755+485+LED8（采用单片机作为cpu控制芯片，用模数转换器AD7755进行转换，用数码管进行显示）；（2）8031+AD7755+485+液晶（显示部分是液晶）；（3）8031+AD+485+LED8（用AD作为乘法器）；（4）8031+AD+485+液晶。就设计方案来说可以通过上面讲述的四种方法来实现AD7755在电表有功电能测量中的应用。各种设计方案的不同一个在与显示部分的不同，还有就是在进行电能和脉冲交换的方法不同，在其他cpu控制处理方面，还有串行通路及远程控制方面都是一样的。本次设计本人所才用的方法是8031+AD7755+485+LED8，下面就简要的介绍此种设计的特点和优点。3．2方案的设定本次设计通过AD7755进行电能与脉冲的转换，用中心控制器进行：码管显示的控制；对时钟信号进行控制；对外部存储器进行控制；对远程控制系统进行控制。从而完成本次设计的，框图的设计和构思是设计的初衷，为以后的设计定下了一个模式，以后的设计就是围绕整体框图来实现设计的。AD7755是用于功率测量或电能计量的专用集成电路，是目前电子式电度表的核心芯片通过采样电阻（锰铜合金制成）获取的电流采样信号和电压采样信号在芯片内部实现能量计量累加，并在内部实现A/D转换，以脉冲方式输出给机械计度器及单片机数据处理使用，本系统采用CF输出为3200imp/kwh供单片机进行计量处理，电量采样板上另一部分电路是磁保持继电器控制，磁保持继电器用于过断负载控制，采用正负脉冲信号进行开关驱动。驱动电路可用晶体管电路，也可用专用集成芯片实现。单片机数据采集处理板采用卡式结果插在母板上，巡回采集处理采样板的用电量数据，并可实现对房间电源的通断控制。芯片采用89S52单片机，内置看门狗电路，利用P0口进行地址编码，P1口进行显示，数据存储，采样板的地址译码与继电器驱动等，为保证掉电后数据不丢失，设置一个外部存储器，存储器采用总线结构芯片，可节省单片机口线，简化电路结构及节约成本，利用75LBC184芯片实现485通信接口。本系统采用8位LED显示器通过联线安置于控制面板上，本系统采用三片74HC595A芯片实现8位串行输入，并行输出。使用时在串行时钟的控制下，可将显示位控码逐位串行输入至三个芯片中，然后利用锁存信号实现并行输入，完成8位数码管显示更新。利用此显示方式仅占用单片机三根口线，极大节约单片机口线资源。采用串行数据输入，显示速度相对比较慢，实现使用时显示效果稳定可靠。采用此种设计的优点是比其他的设计电路更简单，在编写软件更容易实现，成本更低，更适合市场适用与家庭用户。第四章硬件设计4．1AD7755电路图及其功能介绍4．1.1AD7755中基电能测量分析：（1）概述AD7755是美国AD公司推出的高精度电能测量集成芯片。与原有的同系列的芯片相比，其芯片引脚较少，且内置了一个精确的振荡器电路来给芯片提供时钟。这就使得使用AD7755的仪表省掉了外部晶体或者共振器，因此可以降低总体成本。AD7757可在低频输出引脚F1、F2上输出平均有功功率，并可直接驱动一个机电计数器或与MCU的接口。而高频CF逻辑则可输出用于校准的瞬时有功功率，用于校验或与MCU接口。AD7755内部包含一个对AVDD电源引脚的监控电路。在AVDD上升到4V之前，AD7755一直保持在复位状态。当AVDD降到4V以下，AD7755也被复位，此时F1，CF都没有输出。内部相位匹配电路使电压和电流通道的相位始终是匹配的，无论通道1内的高通滤波器是接通还是断开。内部的空载阀值特性保证AD7755在空载时没有潜动。AD7757的基本特性和参数如下：●带有片内振荡器，可作为时钟源；●精度高，且与501-Iz／60Hz的IEC521／1036标准兼容；●逻辑输出引脚REVP可用来指示可能的接线错误或负功率；●带有片内电源监视器；●采用单5V电源，功耗较低；●采用交流输入。图4—1AD7755内部结构图以下是AD7755各参数技术指标表（2）技术指标（AVDD=DVDD=5V±5%，AGND=DGND=0V，使用片内基准源，CLKIN=3。58MHz，高温范围=—40～+85℃）参数尾标A尾标B单位测试条件及注释通道1的测量误差1G=1（G为PGA的增益）G=2G=8G=16两个通道间的相位误差1V1超前37度（PF=0。8容性）V1滞后60度（PF=0。5感性）交流电源抑制输出频率变化（CF）直流电源抑制输出频率变换（CF）0．10.10.10.1±0.1±0.10.2±0.30.10.10.10.1±0.1±0.10.2±0.3%读数typ%读数typ%读数typ%读数typ度（°）max度（°）max%读数typ%读数typ通道2为满度输入（±660mV），+25动态范围500：1动态范围500：1动态范围500：1动态范围500：1线路频率45～65HzAC/DC补=0和AC/DC补=1AC/DC补=0和AC/DC补=1AC/DC补=1，So=S1=1，Go=G1=0V1=V2=100mVrms，50HzAVDD加有200mVrms，100Hz纹波AC/DC补=1，So=S1=1，Go=G1=0V1=V2=100mVrms模拟输入最大信号电平直流输入阻抗—3dB带宽ADC失调误差增益误差增益匹配误差±139014±16±4±0.2±139014±16±4±0.2VmaxK欧kHzmV%%见输入部分VIP，VIN，Y2N和对AGND的电压CLKIN=3.58MHzCLKIN/256，CLKIN=3.58MHz见术语解释外基准源2.5V，G=1V1=470mVdc，V2=660mVdc外基准源2.5基准输入REFIN/OUT输入电压范围输入阻抗输入电容2.72.33.2102.72.33.210VmaxVminkminpFmax2.5V+8%2.5V—8%片内基准源基准电压误差温度系数±20030±2003060mVmaxpp/℃typpp/℃max标称值2.5V时钟输入时钟输入频率4141MHzMHz注意：所有指标CLKIN均为3.58MHz逻辑输入SCF，S0，S1，AC/DC补，RESET补，GO和G1输入高电平，VINH输入低电平，VINL输入电流，IIN输入电容，CIN2.40.8±3102.40.8±310VminVmaxuAmaxpFmaxDVDD=5V±5%DVDD=5V±5%典型值10uAV=0V至DVDD逻辑输出F1和F2输出高电平，VOH输出低电平，VOLCF和REVP输出高电平，VOH输出低电平，VOL4.50.540.54.50.540.5VminVmaxVminVmaxISOURCE=10mADVDD=5VISINK=10mADVDD=5VISOURCE=10mADVDD=5VISINK=5mADVDD=5V电源AVDDDVDDAIDDDIDD4.755.254.755.2532.54.755.254.755.2532.5VminVmavVminVmavmAmaxmAmax为达到规定指标对电源的要求5V—5%5V+5%5V—5%5V+5%典型值2mA典型值1.5mA表4—14．1.2输入电路的设计：AD7755差动输入的通道分别是电流通道和电压通道，其中电流通道内设置了一个可编程增益放大器（PGA），由对G0和G1编程实现。每个通道的最大输入电压是有限的，电压通道对应的是±660mV根据系统制作的实践来看，考虑到电网波动可能引起电网电压变高，进而引起输入电压过高，高出芯片的承受限度，就有可能对芯片造成危害。所以，输入电压要留有裕量。电压的取样可以采用纯电阻分压网络，也可以采用隔离式变压器降压的办法。为了完全隔离强电和芯片的直接电联系，也为了安全，本设计采用了隔离变压器。变压器的选择要注意精确度和变压比的数值，以确保采样的精度。电路的采样可以采用小组值分流器和电流互感器。由于AD7755的输入电路和内部基准源是模拟的，所以要注意共地问题，要将所有的模拟地接到一块，再和数字地共地，这样可以减少干扰。4．1.3输出电路的设计CF输出的频率正比与瞬时有功功率，通过设置SCF=0，S0=S1=1，就可以把CF设置为高频输出方式。当模拟输入端加上满度交流信号时，CF输出频率达到5.5kHz左右，这个数值方便计数器计数。在测量系统中采用一个定时器进行定时，定时时间内对CF输出的脉冲进行计数。在一个积分周期内消耗的电能等于脉冲个数。4．2CPU电路图：图4—4上图是中心控制器的电路图，本次设计所用的中心控制器是单片机的芯片，主要功能是把通过AD7755的电信号和脉冲信号转换后通过中心处理控制器，对时钟信号进行控制，使其能够准确的显示在数码管上，同时也要控制数码管的显示。在停电时对外部存储器进行控制，使的电表在停电时也能保持原来得状态，让电表起到一个停电保护的作用。中心处理控制器是本系统的核心部分是本系统的大脑，控制这整个系统的正常运行。下图是单片机的示意图：图4—54．3时间和电表读数显示电路：本电路主要是才用数码管来显示时间和电表读数，主要是是方便电力部门核对住户所用的电量和所用的时间。虽然显示分为液晶显示和数码管显示两中，从方便读表这一方面来说液晶更好更能把时间和电量读的更清楚，但是从设计的容易程度以及成本方面来说数码管有明显的优势。就适合家庭住户这一点来说数码管更贴近生活更能让家庭接受，所以本次设计采用数码管更适合。在单片机系统中，显示器显示的主要方式的静态显示方式，动态显示方式。当系统要驱动N位显示器时需要进行段选和位选，段选由字型确定，位选由COM引脚确定。静态显示方式是指每位显示器同时进行的方式，此时位选为全选，即所有N个显示器的COM接地，段选采用N个8位I/O口进行驱动。动态显示方式是族位轮流显示的方式，其特点：对位选，让当前被选位COM端接地，用I/O线提供，需占用的I/O口位数为显示器的个数；对段选，使各位断码线并联，用一个8位I/O口来控制，动态显示优点就是节省了I/O口，简化了电路。此电路中，芯片用于驱动LED的8位段码，8位LED相应的"a"-"g"段连在一起，它们的公共端分别连至由芯片（点击芯片型号可浏览其详细的技术手册）译码选通后经芯片反相驱动的输出端。这样当选通某一位LED时，相应的地址线(芯片输出端)输出的是高电平，所以我们的LED选用共阳LED数码管。动态扫描的频率有一定的要求，频率太低，LED将出现闪烁现象。如频率太高，由于每个LED点亮的时间太短，LED的亮度太低，肉眼无法看清，所以一般均取几个ms左右为宜，这就要求在编写程序时，选通某一位LED使其点亮并保持一定的时间，程序上常采用的是调用延时子程序。在C51指令中，延时子程序是相当简单的，并且延时时间也很容易更改，可参见程序清单中的DELAY延时子程序。为简单起见，我们只是编写了8位LED同步显示"00000000"-"11111111"直到"99999999"数字，并且反复循环。图4—64．4键盘部分电路图图4—7本次设计键盘部分是采用4*4的键盘，这样更能方便操作者。4．5串行接口及远程抄表电路图：4．5.1对芯片RS485进行介绍：集散型控制系统是一种昂贵的先进自动化装置，为适应我国中小企业自动化的需要，我们设计成功了一种利用RS-485总线把PC机和多台集散系统基本控制器互联构成的既经济，又实用的小型集散系统。国内外集散系统制造公司，在生产大型集散系统的同时，都推出了同系列的小型集散系统，即使这样，其价格对国内小企业而言仍然偏高。我们从我国中小企业的实际情况出发，以个人计算机做操作站，通过RS-485总线与多台DCS基本控制器组成了一种简易集散系统，经济实用。其系统的组成及其框图如下所示：

图4—8（1）RS---485简介：RS—485总线速度快（最大10MB/S）,传送距离远（90KB/S下可传1200米）,以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。因此工业现场控制系统中一般采用该总线标准进行数据传输。通信网络各节点均带有RS－485串行通信接口。在总线末端接一个匹配电阻，吸收总线上的反射信号，保证正常传输信号干净、无毛刺。匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当（120欧）。整个通信系统具体连接如下图所示：

（2）MAX485收发器介绍：

基本控制器的网络接口均采用了MAXIM公司的半双工485总线收发器MAX485。其控制十分简单，RE为接受控制端，DE为发送控制端。用80C196KC的一个输出口P1.0与两个控制端相连，平时置P1.0为低，使控制器串口处于侦听状态，当要发送数据时使P1.0为高。收发器的网络连接，MAX485连接示意图如下图所示：（3）网络通信协议：

PC与各下位机实行严格的广播式的主从通信方式。从机不主动发送命令或数据，一切都由主机控制。从机之间通信不能直接进行，而必须由主机中转。数据通信波特率为9600b/s。每个控制器都有唯一的地址号，此地址号唯一区别各控制器。帧格式为8位数据位，无奇偶校验位，1位停止位。数据格式采用数据包的形式，数据包格式如下：PC(或IPC)通过RS－485网络广播自己所要求的下位机地址，所有下位机都收听广播，记下广播地址。各下位机把收到的地址与自己的地址进行比较，地址相同的下位机为被选中的下位机，其余下位机皆为未选中的下位机，暂时从网络上隔离。网络上只剩下主机与选中的下位机，按主从式双机的通信过程进行通信。下位机通信流程如下：

图4—94．5.2基本控制器的设计及功能：

基本控制器是控制的软硬件核心，它设计的好坏将直接影响系统的可用性、实时性和可靠性。为满足实时性高，数据处理量大的要求。选用8位单片机作为控制器的CPU。整个控制器采用双CPU结构，一个CPU主管数据采集、实时控制，一个CPU主管数据通信，它们之间数据交换通过双端口RAM。：

主控CPU主管数据采集以及信号的处理，接受上位机发来的组态程序进行现场的控制。由于采用了整个组态程序完全由上位机下传至控制器的RAM中执行的方式，使得控制非常灵活，主控CPU除了能进行基本的控制之外，还能进行先进的控制算法。另外还具有在线调整控制参数功能、多种报警功能。4．5.3通讯CPU的功能主要有：

1.完成串并行数码的互换。

2.用串行通讯方式发送本地信息，识别本地地址并接受通讯数据。

3.对发送数据加上检验段，并检查接收数据的检验段。

4.利用地址译码ROM把高速数据通道的目的地址和存储器目的地址翻译成对应的内部存储器地址。

5.通过向主CPU发出中断，完成数据的内部传送，并产生读写脉冲，地址和各数据位。

6.数据通道电平和内部TTL电平的匹配。图4—9以上就是对芯片RS—485的基本描述，在本次设计中该芯片的作用是起到串行接口和远程抄表的作用，是一个远程的控制芯片。就现在的发展的趋势来看远程控制是越来越多的运用到我们的实际生活中，来方便我们的日常生活，提高我们的生活质量。远程系统的运用不但可以提高生产效率，保证工作系统的正常运做，更能方便我们对系统的整体化管理，有利与我们的社会生产，由此可以看到远程控制的深远意义。4．5.4以下就是RS—485芯片的电路图：图4—104．6时钟信号芯片简介及作用：4．6.1DS12C887的作用和性能：DS12C887实时时钟芯片能丰富，可以用来直接代替IBMPC上的时钟日历芯片DS12887，同时，它的管脚也和MC146818B、DS12887相兼容。由于DS12C887能自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，其内部又增加了世纪寄存器，从而利用硬件电路解决了“前年”问题；DS12C887中自带有锂电池，外部掉点时，其内部时间信息还能够保持10年之久；对于一天内的时间记录，有12小时制和24小时制两种模式。在12小时制模式中，用AM和PM区分上午和下午；时间的表示方法也有两种，一种是用二进制数表示，一种是用BCD码表示；DS12C887中带有128字节RAM，其中有11字节RAM用来存储时间信息，4字节RAM用来存储DS12C887的控制信息，称为控制寄存器，113字节通用RAM供用户使用；此外用户还可以对DS12C887进行编程以实现多种方波输出，并可以对其内部的三路中断通过软件进行屏障。（1）时钟、闹钟及到2100年的日历功能，可选择12小时制或24小时制计时，有AM和PM、星期、夏令时间操作，闰年自动补偿等功能。（2）具有可编程选择的周期性中断方式和多频率输出的方波发生器功能。（3）DS12887内部有14个时钟控制寄存器，包括10个时标寄存器，4个状态寄存器和114bit作掉电保护用的低功耗RAM。（4）由于该芯片具有多种周期中断速率时钟中断功能，因此可以满足各种不同的待机要求，最长可达24小时，使用非常方便。（5）时标可选择二进制或BCD码表示。（6）工作电压：+4.5~5.5V。（7）工作电流：7~15mA工作温度范围：0~70℃。4．6.2时钟信号芯片的内部结构和管脚图：图4—11图4—124．6.3管脚功能表：MOT：计算机总线选择端:0/不接：INTEL；1：MOTOROLASQW：方波输出，速率A和是否输出BSQWE；AD0~AD7：地址/数据（双向）总线，由AS/ALE的下降沿锁存8位地址；R/W：WR（读/写）数据；AS：ALE地址锁存信号端；DS：RD数据读信号端；CS：选通信号端，低电平有效；IRQ；中断申请，由专用寄存器决定；RESET：复位端，低电平有效；可接VCCNC：空引脚。（1）内部地址表：地址功能二进制十进制00H秒00/3B00/5901H秒闹00/3B00/59C0H到FFH之间的数据，则为不关心状态02H分00/3B00/5903H分闹00/3B00/59C0H到FFH之间的数据，则为不关心状态04时00/1700/2305时闹00/1700/23C0H到FFH之间的数据，则为不关心状态06星期几01/0701/0707日期01/1F01/3108月01/0C01/1209年00/6300/990AAUIP只读/更新标志，1不读，0：244uS内可读DV0、DV1、DV2：芯片内部振荡器RTC控制位。当芯片解除复位状态，并将010写入DV0、DV1、DV2后，另一个更新周期将在500ms后开始。RS3、RS2、RS1、RS0：周期中断可编程方波输出速率选择位0BBSET：0：芯片正常工作，每秒更新。1：停止工作，可初始化芯片的各个时标寄存器。PIE、AIE、UIE：分别为周期中断、报警中断、更新周期结束中断允许位。各位为“1”时，允许芯片发相应的中断SQWE：方波输出允许。1：按寄存器A速率选择位确定的频率输出方波；0：脚SQW保持低电平DM：进制选择位。0：BCD码；1：为二进制码24/12：小时模式设置。1：24小时；0：12小时模式。DSE：夏令时服务位。1：夏时制；0：无效0CC只读读清0IRQFPFAFUF0000IRQF：中断申请标志。变1，引脚变0引发中断申请IRQF=PF·PIE+AF·AIE+UF·UIE。PF、AF、UF：分别为周期、报警、更新周期结束中断标志位0DD只读VRT位：芯片内部RAM与寄存器内容有效标志位。该位为“1”时，指芯片内部RAM和寄存器内容有效。读该寄存器后，该位将自动置“1”。BIT6~BIT0位：保留位。读出的数值始终为00E~31HRAM32H世纪NA19/2033H~7FHRAM表4—3（2）寄存器A输出速率选择位：寄存器A输出速率选择位32768Hz时基RS3RS2RS1RS0中断周期SQWF输出频率0000无无00013.96625ms256Hz00107.8125ms128Hz0011122.07us8.192kHz0100244.141us4.096kHz0101488.281us2.048kHz0110976.562us1.024kHz01111.953125ms512Hz10003.90625ms256Hz10017.812ms128Hz101015.625ms64Hz101131.25ms32Hz110062.5ms16Hz1101125ms8Hz1110250ms4Hz1111500ms2Hz表4—4更新周期：每秒钟将产生一个更新周期，芯片处于更新周期的中的UIP位为“1”。读时间：方法1：利用更新周期结束发出的中断，中断UF=1，可读并送到RAM方法2：A中的UIP位A、B、C、D、RAM任何时刻读写初始化：B的SET先写1、DM数据方式设置以避免更新写/设置00~09、A，读C清中断标志读D，VRT位将自动置“1”，最后将状态寄存器B中的SET位置“0”，芯片开始计时工作。初始化后应清除SET，实现计时闹钟：时、分、秒有效：每天到刻会产生中断不关心码，在时闹钟单元写入C0H~FFH之间的数据，可每小时产生一次中断；在时、分闹钟单元写入C0H~FFH之间的数据，可每分钟产生一次中断；时、分、秒闹钟单元全部写入FFH，则每秒钟产生一次中断。4．6.4DS12C887应用：在各种设备、家电、仪器、工业控制系统中，可以很容易地用DS12C887来组成时间获取单元，以实现各种时间的获取。下图是用8031单片机和DS12C887的基地址为7F00H，相应的程序采用C51语言编写（以INTEL工作模式为例）。由8031单片机和DS12C887构成时间获取电路的初始化程序如下：XBYTE[0x7F00+0x08]=0x82；XBYTE[0x7F00+0x0A]=0Xa0；XBYTE[0x7F00+0x0A]=0X20XBYTE[0x7F00+0x0B]=0X02图4—134．6.5硬件电路：本系统中DS12C887的RAM和各专用寄存器的访问，可以用片选地址选中DS12C887，其与AT89C51接线图：时钟芯片DS12C887共有24个引脚，主要引脚分别为：DS数据读信号端R/W数据写信号端AS地址锁存信号端CS选通信号端，低电平有效MOT计算机总线选择端RESET复位端AD0～AD7地址/数据（双向）总线。硬件电路框架图：图4—144．6.6软件设计：在使用DS12C887时，首先要初始化，以后除校时外，上电时不用每次都初始化，在第一次初始化时，应禁止芯片内部的更新周期操作，即先将寄存器B的SET位置“1”，然后初始化时标寄存器（00H～09H）和寄存器A，再通过读寄存器C，消中断标志，读寄存器D将VRT位置“1”，最后将寄存器B的SET位清“0”，芯片开始计时工作。4．6.7储存功能：DS12C887芯片作为时钟芯片，同样具有储存功能，以下就是是DS12C887功能表：表4-5图4—14上图就是DS12C887的电路图，在本次设计中起到的作用对时间进行控制并记数，使得数码管能够准确的显示用电的时间。4．7.1工作原理：电路是充分利用芯片的储电功能，在掉电后，通过芯片的存储电量给整个系统供电，以维持一段系统工作时间，在这个过程中将需要保护的数据写入中心控制处理器中。处理器进行中断处理，对需要保护的数据通过总线写入中心处理器中，写入过程所需要的时间同写入的数据量有关。来电后，微处理器必须延时一段时间，保证外围芯片也达到正常工作电压，然后读出数据，恢复掉电前的状态。在系统开机过程中，电源电压上升到系统复位门限电压Vrst之前，比较器一直输入低电平的复位信号RESET使单片机系统处于复位状态，系统程序没有运行，不会出现CPU对外部扩展RAM的非法写操作。此复位信号还使RAM芯片的片选信号CS的传输门出入断开状态，使RAM的片选信号的传输被禁止，这时RAM芯片的片选引脚的状态与系统地址译码器的输出无关，而被上拉电阻拉至高电平状态。所以在电源电压上升过程中，RAM中的数据不会被非法改写。电源电压上升超过复位门限电压之后，比较器输出的复位信号释放，程序开始运转，同时连接到地址译码器与RAM片选信号之间的开关导通，系统可以完成对RAM芯片的正常读写操作。须说明的是，由于单片机系统的很多接口芯片从复位状态到工作状态需要一定的时间，不同的芯片恢复时间往往不同为了保证系统硬件能够正常运转，很多实际系统在电源电压上升至复位门限电压之后，不立即运行工作程序，而是通过硬件或软件延时一定的时间（如10-200ms），等系统充分稳定以后才开始运行工作程序。在系统掉电或开关机过程中，当电源电压下降到系统复位门限时，比较器立即输出低电平的复位信号，使系统进入复位状态，同时使RAM芯片的片选信号CS的传输门断开，RAM的CS引脚通过上拉电阻保持高电平状态，从而使RAM中的数据也不会被非法改写本设计利用以上的电路完成对RAM芯片的片选信号封锁，使RAM芯片中的数据无论在系统上电或掉电过程中都不会被改写，从而使RAM的数据得到可靠保护。第五章软件流程图5．1软件流程图叙述：软件流程图是根据以下的思路完成的：用AD7755对电能和脉冲进行转换，并传送到cpu芯片，用cpu芯片对时间和电能的显示进行控制计量，然后显示在数码管上。为了能够达到系统的完整和实用性，在系统的外部加上外部寄存器进行断电保护，使系统能够在断电时保持原来的状态。Cpu控制串行通路和远程控制芯片，使系统能够完成远程控制，实现系统的自动化。主程序主要系统初使化和进行电力参数数值的计算，同时判断发送标志字。如果是发送标志字，则通过串行口发送数据给上位机；否则进行数码管显示。上位机和单片机采取主问从答方式。定时中断程序中定时关闭，以便进行处理，和对数据的保存，然后给定时器个计数器清零，打开定时器重新记数。最后进行电能的显示。5．2软件流程图结论本次设计是一个历经两个多月的时间的系统设计，本次设计主要是对AD7755在电表有功电能测量中的应用的，其中是通过对小区电能的智能管理系统进行分析和研究得来得，有利于智能小区的建设和供电部门的管理的系统，本次设计最大的特点就是与人们的生活紧密结合，很好的做到了理论和实际相结合。这次毕业设计使我对电能的测量应用有了一