基于ADE7758的數(shù)字電流表設(shè)計(jì)

1、基于ADE7758的數(shù)字電流表設(shè)計(jì) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）題目：基于ADE7758的數(shù)字電流表設(shè)計(jì)（英文）： Design of Digital Ammeter Based On ADE7758院 別： 專 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 日 期： 2010年5月 基于ADE7758的數(shù)字電流表設(shè)計(jì)摘要針對利用常規(guī)ADC0809芯片設(shè)計(jì)電流表存在著檢測精度低、測量復(fù)雜的缺陷，提出了一種新型數(shù)字式電流表的設(shè)計(jì)方案。該方案采用新型多功能電能專用芯片ADE7758和電流互感器，結(jié)合STC89C52芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，大大簡化了電路，提高了電流計(jì)量精度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室多次實(shí)測，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，實(shí)測數(shù)據(jù)的

2、相對誤差在1%以內(nèi)。文中給出了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)及軟件編程。關(guān)鍵詞：ADE7758；STC89C52；電流互感器；智能計(jì)量lDesign of Digital Ammeter Based On ADE7758ABSTRACT For using conventional ADC0809 chip design ammeter with a low detection precision and complex  measurement d

3、efects, that puts forward the design scheme of a new type of digital. The scheme has the new type of multi-function of specials chip ADE7758 electric power and 

4、current transformer, which  combined with STC89C52 chip,.It would greatly simplifies the circuit and improve the precision of  current  measurement.After Laboratory measured many&#

5、160;times, we would make the decision that the system work stable and reliable, and it  has 1% relative error in the measured data. The system hardware circuit 

6、design and softw are programming are also given in this paper. ammeter.。keyword : ADE7758; STC89C52; Current Transformer ; Intelligent Metering目錄1 緒論11.1 課題背景及意義11.2國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r21.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求32 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)42.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖42.2元器件選擇52.2.1計(jì)量芯片的選擇52.2.2 單片機(jī)的選擇82.2.3顯示

7、器件的選擇82.2.4 電流互感器的選擇93 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)103.1 信號(hào)調(diào)理電路103.2與單片機(jī)通信電路113.3顯示電路123.4電源供電要求134 系統(tǒng)主要程序設(shè)計(jì)144.1主程序的設(shè)計(jì)144.2計(jì)量模塊的設(shè)計(jì)154.3顯示模塊的設(shè)計(jì)175 系統(tǒng)調(diào)試195.1 軟件調(diào)試195.2 硬件調(diào)試195.3 調(diào)試分析226 結(jié)束語23參考文獻(xiàn)24致謝25附錄A 實(shí)物圖26附錄B 系統(tǒng)原理圖27附錄C 程序清單281 緒論1.1 課題背景及意義高精度三相電流表的國內(nèi)研究和研制起步比較晚，以前主要依靠進(jìn)口。90年代后，國內(nèi)一些廠家對三相電流表的研究已經(jīng)基本成熟，并形成了批量生產(chǎn)，在市場上已

8、經(jīng)出現(xiàn)了國產(chǎn)多功能電表逐步替代進(jìn)口產(chǎn)品的局面。但是，國產(chǎn)三相電流表存在著諸如精度低、功能不完善、抗干擾能力差等致命缺陷和不足，極大地限制了國產(chǎn)三相電流表的應(yīng)用和推廣。因此，開發(fā)高精度的三相電流表，尤其是0.2級或更高級電流表，已經(jīng)變成非常重要的研究課題，并具有巨大的商業(yè)價(jià)值。電流表的發(fā)展大致可以分三個(gè)階段：第一階段為感應(yīng)表階段時(shí)功率。感應(yīng)表通過電磁轉(zhuǎn)化理論，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)比例的磁場。鋁制的轉(zhuǎn)盤在兩個(gè)磁場的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)計(jì)度器，從而完成對電能的計(jì)量。感應(yīng)表在這種理論下形成的制造技術(shù)已相當(dāng)成熟，但因?yàn)槠錂C(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主題的限制，無法滿足人們對電流表計(jì)量的高精度的要求，更無法實(shí)

9、現(xiàn)多功能。90年代，國內(nèi)出現(xiàn)了靜止式電流表，它采用了數(shù)字處理技術(shù)和時(shí)分割乘法器，式電能計(jì)量的手段完全采用集成電路來完成。靜止式電流表一經(jīng)出現(xiàn)，便顯示了巨大的生命力，計(jì)量精度由感應(yīng)式表的2.0級提高到1.0級，電流表的體積明顯縮小，重量也只有感應(yīng)式的一半。這種靜止式電流表隨著電子元器件的價(jià)格下降、可靠性的提高，在價(jià)格與壽命方面均顯示了較強(qiáng)的生命力，很快在我國得到較大推廣。但由于這些表大多數(shù)用計(jì)量精度低的專用芯片，電流表精度仍停留在計(jì)量有功1.0級上，并且不能滿足大用戶需要的高精度的電流值參數(shù)的計(jì)量要求。第二階段為數(shù)字測量儀表，這類儀表的基本原理是將模擬信號(hào)通過電子線路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，進(jìn)行計(jì)算并顯

10、示出來。這類儀器同指針式儀器相比較精度有了很大的提高，能直觀讀取測量結(jié)果，而且可靠性高，易于使用。但電子線路比較復(fù)雜，不能自動(dòng)適應(yīng)測量環(huán)境的變化，而且儀器比較難校準(zhǔn)。第三個(gè)階段為智能儀器，所謂智能儀器，一般指含有微處理器的儀器，通過微處理器來控制數(shù)據(jù)的采集，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。因此能夠用軟件的方法實(shí)現(xiàn)信息的采集、處理和存儲(chǔ)，大大簡化了儀器的整體結(jié)構(gòu)。這類儀表不僅精度高，功能強(qiáng)大，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境。2000年后，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的成熟，各大公司相繼研制出了基于DSP芯片的三相全電子電流表，這種電流表雖然精度有很大的提高，但是生產(chǎn)成本比較高。因此，設(shè)計(jì)一種多功能、實(shí)時(shí)性高、精度高和成本低

11、的電流表是電工儀表行業(yè)研究員一直追求的目標(biāo)。1.2國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r電力工業(yè)發(fā)展初期曾用電解化學(xué)原理電流表計(jì)量收費(fèi)。1890年，發(fā)明了感應(yīng)式電磁原理電流表，沿用至今已有100多年。隨著電費(fèi)制度的發(fā)展，提出分時(shí)計(jì)量、需量計(jì)量預(yù)付費(fèi)等要求，特別是19世紀(jì)70年代以來各國醞釀發(fā)展電力市場又提出實(shí)時(shí)電價(jià)、負(fù)荷曲線計(jì)量、雙工通訊、遠(yuǎn)方采集數(shù)據(jù)、記錄負(fù)荷曲線和電能質(zhì)量、控制負(fù)荷以及費(fèi)率編程等要求，原來的感應(yīng)式電流表雖經(jīng)多方面的改進(jìn)擴(kuò)充，已很難滿足電力市場日益發(fā)展的功能和要求。20世紀(jì)中葉，微電子和信息產(chǎn)業(yè)等新技術(shù)的發(fā)展，有力的支持了電流表的革新。先是高精度電子式標(biāo)準(zhǔn)表的出現(xiàn)滿足了校驗(yàn)技術(shù)的要求。國外家用電子式

12、電流表早已實(shí)用化。世紀(jì)之交，電力市場改革浪潮遍及全球，各國電力公司都認(rèn)識(shí)到市場競爭的核心是電流表。特別是用戶選擇供應(yīng)商和實(shí)時(shí)電價(jià)，要求電流表有靈活、可靠的雙向通訊功能以及與不同的制造商所生產(chǎn)的電流表在電力市場技術(shù)支持系統(tǒng)中的兼容性，因而提出了標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性問題。在歐洲許多著名電流表廠的倡導(dǎo)下成立了DIMS用戶協(xié)會(huì)，DIMS已構(gòu)成IEC有關(guān)表計(jì)規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。國際上電子式電流表經(jīng)過50多年的發(fā)展，開始都是基于模擬乘法器原理的，在歷史上曾有過多種原理線路，后來演變成為時(shí)分割和霍爾效應(yīng)兩種乘法器。由于數(shù)字技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前已有趨勢全部更新為A/D轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)處理的方法，這樣也更有利于實(shí)施負(fù)荷控制、記

13、錄電能質(zhì)量、計(jì)量負(fù)荷曲線、發(fā)展電流表的通信功能以及確保精度高。我國20世紀(jì)70年代開始用電子式標(biāo)準(zhǔn)電流表。先是使用進(jìn)口產(chǎn)品，后來到8090年代國內(nèi)已能商業(yè)化生產(chǎn)5級電子式標(biāo)準(zhǔn)電流表，也已研制出更高準(zhǔn)確度等級的標(biāo)準(zhǔn)電流表。隨后，電子式電流表在國內(nèi)的應(yīng)用和制造發(fā)展都很快。1993年由國內(nèi)廠商試制成功單相電子式電流表，1994年在華東試用2000只，第一年故障率小于1%。90年代中期，高精度電子式電流表發(fā)展迅速，逐漸為廣大電力公用企業(yè)所接受。僅1998年電子式電流表的產(chǎn)銷量比1997年增加400%。國家電網(wǎng)、省電網(wǎng)各級關(guān)口表大部分更新為電子式電流表，但是大多數(shù)為進(jìn)口電流表，總數(shù)近萬只，運(yùn)行情況較好。

14、近幾年，許多大用戶（大于100KW）也開始試用三相電子式多功能電流表，致使需求猛增。2000年國內(nèi)三相電子式多功能電流表銷售僅為12萬臺(tái)，2001年就上升到18萬臺(tái)。到2004年為止，三相電子式多功能電流表的年需求量已經(jīng)超過了70萬臺(tái)，創(chuàng)造11%的電流表總產(chǎn)量。國產(chǎn)0.5級電子式電流表也開始在部分地區(qū)使用。但是，國內(nèi)0.2級以上的電流表技術(shù)尚未成熟，一直處于試驗(yàn)階段?，F(xiàn)在重要部門、重要設(shè)施所使用的0.2級以上的電流表一直使用國外的成熟產(chǎn)品。因此，研制0.2級以上的高精度、多功能三相電流表對于我國電工儀表行業(yè)具有重要的意義。1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求完成一臺(tái)電流表（外殼采用PCB板可補(bǔ)充模塊，采用液晶

15、顯示器）主要技術(shù)指標(biāo)：供電電壓：220V（±10%）測量范圍：01000MA 測量精度：±1% 儀表靈敏度：0.1MA2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用單片機(jī)為運(yùn)算核心，以高精度計(jì)量芯片采樣來實(shí)現(xiàn)課題所預(yù)設(shè)的功能。芯片的選擇，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能及實(shí)施細(xì)則。方案的設(shè)計(jì)主要根據(jù)課題任務(wù)的要求而確定。設(shè)計(jì)思路大致為：通過電流互感器感應(yīng)所測量端的電流量信號(hào)傳送給高精度計(jì)量芯片處理后，傳給單片機(jī)運(yùn)算將對應(yīng)值送給顯示模塊顯示。2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖計(jì)量芯片單片機(jī)SPI電源電路顯示電路串口通訊電路按鍵電路信號(hào)檢測與調(diào)理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由以下幾個(gè)模塊組成，計(jì)量模塊、主控模塊、顯示模塊

16、、計(jì)量回路選通模塊、通信模塊、電源電路等。圖 2.1 系統(tǒng)總體框圖2.2元器件選擇2.2.1計(jì)量芯片的選擇目前市場上主要的三相計(jì)量芯片有ADE7758，ATT7026A，PL3223，三者都用于三相多功能電能計(jì)量，均適用于三相三線制和三相四線制具有50Hz或60Hz標(biāo)準(zhǔn)頻率的電網(wǎng)。在電能計(jì)量上的差別主要有：ADE7758提供各分相參數(shù)；支持過壓、過流、線電壓跌落、獲得電流/電壓采樣值、在指定時(shí)間內(nèi)檢測到/未檢測到過零點(diǎn)、相序錯(cuò)位、有功/無功功率符號(hào)變化、有功/無功/視在電能累加寄存器半滿、電網(wǎng)周期累加模式下最后一個(gè)過零點(diǎn)檢測完畢等中斷。但不提供功率因數(shù)、相角及各項(xiàng)電能參數(shù)。ATT7026A提供

17、各分相、合相參數(shù)，但不具有中斷功能。PL3223提供若干間接參數(shù)。依次計(jì)算出電壓有效值、電流有效值、線電壓頻率等參量，智能提供過壓、欠壓中斷。考慮到本設(shè)計(jì)需要提供的電能參數(shù)的多樣性，因此選擇了可以提供多種中斷源的ADE7758芯片。ADE7758是美國ADI公司推出的三相高精度多功能電能計(jì)量芯片。ADE7758的電壓通道為16bit -型ADC，動(dòng)態(tài)范圍為20：1；電流通道為24bit -型ADC，動(dòng)態(tài)范圍為500：1。ADE7758能計(jì)量有功電能，無功電能，視在電能,電壓有效值，電流有效值,能對波形采樣，能測量電壓周期，頻率等。ADE7758在1000：1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)線性誤差小于0.1。AD

18、E7758有兩路脈沖輸出，一路為有功電能脈沖，另一路為無功/視在復(fù)用脈沖輸出。ADE7758的有功，無功，視在電能可以分別獨(dú)立調(diào)節(jié)，可以設(shè)計(jì)成不同的脈沖常數(shù)。ADE7758是一款高準(zhǔn)確度的三相電能計(jì)量芯片，帶有兩路脈沖輸出功能和一個(gè)串行接口。ADE7758集成了二階-D模數(shù)轉(zhuǎn)換器, 數(shù)字積分器，基準(zhǔn)電路，溫度傳感器，以及所有進(jìn)行有功，無功和視在電能計(jì)量以及有效值計(jì)量所需的信號(hào)處理元件。ADE7758適用于計(jì)量各種三相配置條件下的有功，無功和視在電能，如WYE和DELTA系統(tǒng)，包括三線和四線制。ADE7758為各相提供系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，包括有效值偏移校準(zhǔn)、相位校準(zhǔn)、功率校準(zhǔn)。APCF邏輯輸出提供有功

19、功率信息，VARCF邏輯輸出提供瞬時(shí)無功率或視在功率信息。ADE7758中具有波形采樣寄存器，它可以對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行訪問。該器件集成了一個(gè)用于短時(shí)低電平和高電平變化的檢測電路，變化的閾值電壓和持續(xù)時(shí)間（即半周期數(shù)）由用戶編程決定。三相中的任一相的線電壓過零檢測與電壓過零點(diǎn)是同步的，過零檢測的結(jié)果可用于測量三個(gè)電壓輸入中任意一個(gè)的周期。也可用于內(nèi)部芯片的線循環(huán)（LINE CYCLE）電能累加模式。該模式使電能累加與半周期的整數(shù)倍同步，以此實(shí)現(xiàn)更快更準(zhǔn)確的校準(zhǔn)。數(shù)據(jù)通過ADE7758的SPI串行接口讀取。中斷請求輸出（IRQ）為開漏極，低電平有效。在ADE7758中出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)中斷事件時(shí)，

20、IRQ輸出變?yōu)榈碗娖?。通過狀態(tài)寄存器顯示中斷事件的性質(zhì)。ADE7758采用24引腳小外形封裝（SOIC）。圖2.2 ADE7758引腳配置引腳配置和功能描述： APCF：有功功率校正頻率邏輯輸出引腳。該引腳提供有功電能信息。其輸出用于校準(zhǔn)和操作的目的。滿刻度輸出頻率可以通過寫入APCFNUM和APEFDEN寄存器進(jìn)行調(diào)整（見有功功率頻率輸出部分）。 DGND：為ADE7758中的數(shù)字電路提供參考地端，即乘法器、濾波器、數(shù)頻轉(zhuǎn)換器的地端。由于ADE7758 中的回路電流很小，可以直接將該引腳與整個(gè)系統(tǒng)的模擬地端（AGND）連接，但是DOUT引腳端的大總線電容產(chǎn)生的數(shù)字噪聲電流可能會(huì)影響其性能。

21、DVDD：數(shù)字電源。該引腳為ADE7758 數(shù)字電路提供電源。正常工作電源電壓應(yīng)保持在5V±5% 。該引腳可用一個(gè)10F的電容和一個(gè)100nF的瓷片電容并聯(lián)后進(jìn)行去耦（與DGND）。 AVDD：模擬電源端。該引腳為ADE7758 模擬部分提供電源。正常工作電源電壓應(yīng)保持在在5V±5% 。為使電源的紋波和噪聲減小到最低程度，必須采取正確的去耦方法。技術(shù)指標(biāo)表展示了電源抑制性能。該引腳用一個(gè)10F的電容和一個(gè)100nF 的瓷片電容并聯(lián)后，再連接到AGND 引腳來去耦。 IAP ，IAN；IBP，IBN；ICP，ICN：電流通道的模擬輸入。該通道與電流轉(zhuǎn)換器一起使用，在本文中稱之

22、為電流通道。這些輸入引腳是全差分電壓輸入，最大的差分輸入信號(hào)為±0.5V，±0.25V，±0.125V 。根據(jù)內(nèi)部放大器的增益選擇，來設(shè)定輸入電壓的最大值，增益選擇放大器的增益由PGA 寄存器來設(shè)定。所有輸入引腳具有內(nèi)置靜電放電(ESD)保護(hù)電路。除此之外，所有的輸入引腳均能承受±6V 的過電壓而不會(huì)造成永久損壞。(11) AGND：該引腳提供ADE7758中模擬電路部分的接地參考點(diǎn)，即模數(shù)轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、基準(zhǔn)電壓源。該引腳應(yīng)該連接到系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)模擬地或者干擾最小的接地參考點(diǎn)。干擾最小的接地參考點(diǎn)應(yīng)用于整個(gè)模擬電路，比如，模擬濾波器、電路和電壓轉(zhuǎn)換器。

23、為了盡量減小ADE7758 的地端噪聲，模擬地端和數(shù)字地端間應(yīng)只有一個(gè)連接點(diǎn)。也可以把整個(gè)器件都安放在模擬接地面上。（12） REFIN/OUT ：該引腳提供對對片上基準(zhǔn)電壓的訪問。片上基準(zhǔn)電壓額定標(biāo)稱值為2.5V±8%，典型溫度系數(shù)為30ppm/°C。外部參考端也可以與該腳相連。無論是否連接外部參考電壓端，該引腳都應(yīng)該用一個(gè)1F 的瓷片電容跟AGND 端連接去耦。(13)-(16) VN，VCP，CBP，VAP：電壓通道的模擬輸入。這些通道與電壓轉(zhuǎn)換器一起使用，在本文中稱之為電壓通道。這些輸入是單端電壓輸入，標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行時(shí)最大信號(hào)電壓為±0.5V（相對于VN 端）。

24、可以通過內(nèi)部寄存器PGA 選擇輸入信號(hào)的最大值為±0.5V，±0.25V 或者±0.125V（見模擬輸入部分） 。所有的輸入引腳均能承受±6V 的過電壓而不會(huì)造成永久損壞，并具有靜電放電（ESD）保護(hù)電路。(17) VARCF ：無功率校準(zhǔn)頻率邏輯輸出。通過設(shè)置WAVMODE 寄存器的VACF 位來選擇輸出無功率或者視在功率。該輸出用于操作和校準(zhǔn)目的。滿刻度輸出可以通過寫入VARCFNUM 和VARCFDEN 寄存器的數(shù)值來調(diào)節(jié)。(18) ：中斷請求輸出。低電平有效的開漏極邏輯輸出端?？善帘蔚闹袛喟ǎ河泄﹄娔芗拇嫫骱鸵曉陔娔芗拇嫫靼霛M和速率達(dá)到26kS

25、PS的波形采樣（見中斷部分）。(19) CLKIN ：數(shù)字信號(hào)處理ADC的主時(shí)鐘?？稍谠撨壿嬢敵龆颂峁┮粋€(gè)外部時(shí)鐘。也可一通過在CLKIN和CLKOUT之間并聯(lián)一個(gè)石英晶體為ADE7758提供時(shí)鐘信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行時(shí)的時(shí)鐘頻率為10MHZ。應(yīng)該根據(jù)晶體的參數(shù)確定所需要的負(fù)載電容值，接一個(gè)幾十PF 的瓷片電容到振蕩門振蕩器電路。(20) CLKOUT：可按照上述方式在該引腳上連接一個(gè)晶體為ADE7758提供一個(gè)時(shí)鐘源。當(dāng)CLKIN提供有外部時(shí)鐘提供或者連接了一個(gè)晶體時(shí)，該引腳能驅(qū)動(dòng)一個(gè)CMOS 負(fù)載。(21) CS：片選信號(hào)，為四線串行接口之一。此低電平有效邏輯輸入控制，允許ADE7758與其它幾個(gè)

26、裝置分享串行總線（見串行接口部分）。(22) DIN ：串行接口的數(shù)據(jù)輸入端。在串行口的時(shí)鐘信號(hào)SCLK 的下降沿從該引腳輸入數(shù)據(jù)（見串行接口部分）。(23) SCLK：同步串行接口的串行時(shí)鐘信號(hào)輸入端。所有串行數(shù)據(jù)與該時(shí)鐘同步（見串行接口部分）。SCLK引腳具有施密特觸發(fā)輸入，以適應(yīng)速度較慢的邊沿變化時(shí)間。(24) DOUT：串行口的數(shù)據(jù)輸出端。數(shù)據(jù)在SCLK 信號(hào)的上升沿從該引腳傳輸出去。在串行數(shù)據(jù)總線上沒有數(shù)據(jù)流動(dòng)的時(shí)候該邏輯輸出端為高阻抗?fàn)顟B(tài)。綜上所述，所以選擇了ADE7758芯片。2.2.2 單片機(jī)的選擇STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有

27、8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可

28、選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35MHz，6T/12T可選，相比于AT89S52,此芯片有更多的優(yōu)勢。2.2.3顯示器件的選擇LCD是液晶顯示屏，主要是用來做面顯示的，它本身不發(fā)光，然后通過電流使屏幕產(chǎn)生各種顏色的渾濁現(xiàn)象，后置一個(gè)光源來透過前面的LCD面板使人看到圖案。led是發(fā)光二極管，它本身是點(diǎn)光源，就是說發(fā)出來的光不是一個(gè)面，而是一個(gè)點(diǎn)。也有用led做顯示屏的，相對于液晶顯示屏來說，LED適合于室外以及室內(nèi)大屏幕觀看

29、距離稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)的情況，因?yàn)長ED顯示屏的分辨率肯定遠(yuǎn)遠(yuǎn)小過LCD。LCD更適合做電腦液晶電視器、手機(jī)顯示屏之類的應(yīng)用。且LCD液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計(jì)算器、萬用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號(hào)和圖形。由于液晶顯示每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器那樣需要不斷刷新新亮點(diǎn)。因此，LCD液晶顯示器品質(zhì)高且不會(huì)閃爍。液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)的接口更加簡單可靠，操作更加方便，且在重量上比相同下士面試的傳統(tǒng)顯示器要輕的多，相對來講，液晶顯示器的功耗主要在其內(nèi)部的點(diǎn)擊和驅(qū)動(dòng)IC上，因而耗電量比其他顯

30、示器要少得多，因此選用了LCD1602。2.2.4 電流互感器的選擇電流互感器（Current transformer 簡稱CT）的一次繞組匝數(shù)很少，串在需要測量的電流的線路中，因此它經(jīng)常有線路的全部電流流過，二次繞組匝數(shù)比較多，串接在測量儀表和保護(hù)回路中，電流互感器在工作時(shí)，它的2次回路始終是閉合的，因此測量儀表和保護(hù)回路串聯(lián)線圈的阻抗很小，電流互感器的工作狀態(tài)接近短路，可以把數(shù)值較大的一次電流通過一定的變比轉(zhuǎn)換為數(shù)值較小的二次電流。本次設(shè)計(jì)量程在0-1000ma，所以選擇了1000/1的電流互感器。3 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)分為電流數(shù)據(jù)釆集處理及傳遞、信息顯示兩大部分，本系統(tǒng)的重點(diǎn)是

31、交流電流通過互感后經(jīng)運(yùn)算電路處理得出測量數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)交流電流的測量與顯示。電流表由測量、顯示、控制 、接口和電源等部分組成。其中測量部分由精密小型互感器以及前置信號(hào)處理電路構(gòu)成 ，從中獲取電壓、電流、頻率、相位等多種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，顯示部分采用高品質(zhì)的液晶顯示模塊，控制部分以單片機(jī)為核心 。以電量采集芯片為中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集以及為整個(gè)系統(tǒng)提供電源結(jié)合以微控制器為中心，實(shí)現(xiàn)對采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)量、存儲(chǔ)、顯示、異常檢測等功能。硬件設(shè)計(jì)以STC89C52為中心,配合其它各種外圍芯片，實(shí)現(xiàn)特定功能。MCU通過SPI總線對ADE7758的各個(gè)寄存器進(jìn)行訪問，得到計(jì)量所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。而外部設(shè)備則通過

32、12 C 總線與 MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。除此之外，系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)對外部異常情況的檢測 。3.1 信號(hào)調(diào)理電路電流調(diào)理通道的電路圖如3.1圖 3.1電流調(diào)理通道原理圖圖中的T1代表電流互感器，R2的作用是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合ADE7758要求的電壓信號(hào)，R1、R3一方面增加后一級電路的輸入阻抗，另一方面和、構(gòu)成了信號(hào)濾波電路，用來濾除高頻噪音，經(jīng)調(diào)理后的信號(hào)直接供給ADE7758。 圖3.3電能芯片電流原理圖如圖3.3示，這些輸入是全差動(dòng)電壓輸入，允許差動(dòng)輸入信號(hào)范圍可選為±05V，±025V，±0125V(相對于UN端)，根據(jù)內(nèi)部放大器的增益選擇來設(shè)定輸入電壓的最大

33、值。前端采樣電路的放大器增益PGA寄存器來設(shè)定。每相的電流通道在信號(hào)通路中都有一個(gè)乘法器，電流波形可以改變±50，這主要是由寫入12位有符號(hào)電流波形增益寄存器(AIGAIN，BIGAIN，CIGAIN)中的2進(jìn)制數(shù)決定的。所有的輸入引腳均能承受±6V的過電壓而不會(huì)造成永久損壞，并具有靜電釋放保護(hù)電路?？梢姡娏餍盘?hào)經(jīng)信號(hào)放大PGA和模數(shù)變換ADC轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)電流通道內(nèi)的高通濾波器HPF濾除DC分量并數(shù)字積分，處理后的結(jié)果輸出電流有效值。計(jì)算由于輸入時(shí)可能有噪聲干擾會(huì)造成電流相位偏移，可通過寫入AIRMSOS，BIRMSOS，CIRMSOS寄存器進(jìn)行補(bǔ)償。3.

34、2與單片機(jī)通信電路接口電路用來實(shí)現(xiàn)ADE7758與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信，一方面可以通過SPI口進(jìn)行計(jì)量芯片ADE7758的初始化，另一方面ADE7758把數(shù)據(jù)處理的結(jié)果以脈沖形式或SPI口送出，供單片機(jī)進(jìn)行計(jì)量處理。圖3.2與單片機(jī)通信電路3.3顯示電路 顯示采用16x2字符型液晶HC1602，與單片機(jī)的接口電路如圖3.4示。圖中DB1-DB8為HCl602的數(shù)據(jù)線，與單片機(jī)的P0.0P0.7端子相接。P5為可調(diào)電阻，用來調(diào)整液晶顯示的對比度； 圖3.4 單片機(jī)與HC1602的接口設(shè)計(jì)字符顯示是通過P0口讀入該字符的ASCII碼實(shí)現(xiàn)，舉例如下字符1的ASCII為Ox31。在完成LCD初始化設(shè)置后，

35、把該字荷對應(yīng)的ASCH碼“Ox31”通過P0口寫入LCD的內(nèi)部寄存器DDRAM中。通過控制端子Rs、R/W的狀態(tài)組合實(shí)現(xiàn)指令的寫入以及數(shù)據(jù)的讀、寫操作，操作說明參考表3-2所示。表3-2 HC1602操作說明RSR/W操作說明00把指令寫入寄存器初始化LCD01讀LCD“忙”狀態(tài)標(biāo)志10把數(shù)據(jù)寫入寄存器，顯示3.4電源供電要求 ADE7758測量電流時(shí)需要有一個(gè)穩(wěn)定的電壓源，ADE7758內(nèi)部數(shù)據(jù)采集時(shí)根據(jù)外界提供的電壓源進(jìn)行積分處理所得的數(shù)據(jù)才會(huì)穩(wěn)定精確，在測試一開始我們選擇了220v電源適配器供電，但是由于適配器轉(zhuǎn)換交流電源為直流電源時(shí)有不穩(wěn)定的波動(dòng)，即使增加了濾波電路也會(huì)造成輕微的影響，

36、導(dǎo)致了ADE7758數(shù)據(jù)采集后數(shù)值波動(dòng)比較大，達(dá)不到穩(wěn)定 測量的效果，出于以上原因，我們采用了四節(jié)干電池供電方案，測試時(shí)數(shù)據(jù)采集明顯比用適配器穩(wěn)定，因此我們把它確定為最終供電方案。4 系統(tǒng)主要程序設(shè)計(jì)整個(gè)電流表的軟件程序由主程序、系統(tǒng)初始化、電量處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、控制中斷、LC D 顯示模塊等組成。通過主程序或通過中斷方式可以調(diào)用子程序，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。4.1主程序的設(shè)計(jì)主程序可用于完成啟動(dòng)和系統(tǒng)初始化( 包括F L A S H 、R A M 、L C D 的設(shè)置、S C I 及R T C等的初始化) ， 以及判定時(shí)段， 在L C D 上顯示電流和參數(shù)。主程序的流程圖如圖5所示。測量處

37、理模塊則用于讀取計(jì)量芯片的數(shù)據(jù)， 并進(jìn)行復(fù)雜的處理， 最后保存這些參量。控制中斷模塊主要用來處理外部控制中斷。L C D 顯示模塊則用于完成L C D 字段的顯示， 可通過L C D 顯示屏顯示電流量和芯片存儲(chǔ)等參數(shù)。通信模塊主要按照通訊規(guī)約的要求， 來實(shí)現(xiàn)與測量模塊的可靠通訊， 以便來讀取電路中的電流數(shù)據(jù)。圖5 主程序的流程圖定義的主要函數(shù)如下：1.向ADE7758寫入數(shù)據(jù)函數(shù)：void shift_in(unsigned char data_in)2.從ADE7758中讀取數(shù)據(jù)函數(shù)：unsigned char shift_out()3.串口初始化函數(shù)：void Init_RS232()4.

38、串口發(fā)送調(diào)試字符函數(shù)：void Send_Data(unsigned char result)5.延時(shí)函數(shù)：void delay(unsigned int xms)4.2計(jì)量模塊的設(shè)計(jì)STC89C52通過SPI接口訪問ADE 7758寄存器 AIRMS，BIRMS，CIRMS，三個(gè)寄存器均為24位寄存器，通過對其中一個(gè)寄存器進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)命令從總線可獲得一個(gè)long型數(shù)據(jù)并把其賦值給CRMS，程序如下：shift_in(X);delay(1);Crms = (unsigned long)shift_out();delay(10);Crms <<= 8;Crms |= (unsigne

39、d long)shift_out();delay(10);Crms <<= 8;Crms |= (unsigned long)shift_out();delay(10);X為寄存器地址，AIRMS地址為0x0A,BIRMS地址為0x0B,CIRMS地址為0x0C,寫入讀地址命令后通過在總線上讀取三次8位數(shù)據(jù)得到寄存器的數(shù)值，讀取順序?yàn)楦呶幌茸x取。STC89C52將CRMS與電流實(shí)際參數(shù)和刻度進(jìn)行運(yùn)算比較后得出PlayData; playdata=0; Crms=Crms*10; if(whtplay=0) if(Crms>7853) if(Crms<31400)Play

40、data=(Crms-7853)*10/2346; if(Crms>31400)playdata=(Crms-4855)*10/2619; 從ADE7758電流寄存器讀取的數(shù)據(jù)不是電路中實(shí)際的電流，所以在程序設(shè)計(jì)中，從ADE7758讀取的數(shù)據(jù)必須乘以對應(yīng)的電流系數(shù)后，才能得到電路中電流的實(shí)際數(shù)值， 由于本設(shè)計(jì)的實(shí)測電流值與寄存器產(chǎn)生的數(shù)值呈線性相關(guān)關(guān)系，即Y(寄存器值)= a(相關(guān)系數(shù))X(實(shí)測電流值)+b(相關(guān)常數(shù)項(xiàng))在設(shè)計(jì)中我們直接使用EXCEL 中的函數(shù) INTERCEPT求出相關(guān)系數(shù) 再用 SLOPE函數(shù)求出常數(shù)項(xiàng)值。4.3顯示模塊的設(shè)計(jì)4.3.1液晶lcd 1602初始化部分

41、0x38命令表示顯示數(shù)據(jù)為8位數(shù)據(jù)，雙列顯示，5*7字形顯示；0x08為基本指令操作指令；0x0C表示開顯示，光標(biāo)關(guān)閉指令；0x06為顯示地址遞增模式，既寫一個(gè)數(shù)據(jù)后，顯示位置右移一位；0x01為清屏指令。void lcd_system_reset() lcd_delay(20); lcd_command_write(0x38); lcd_delay(100); lcd_command_write(0x38); lcd_delay(50); lcd_command_write(0x38); lcd_delay(10); lcd_command_write(0x08); lcd_command_

42、write(0x01); lcd_command_write(0x06); lcd_command_write(0x0c); 4.3.2 lcd 1602顯示部分lcd 1602將Playdata顯示出來，該程序讓lcd1602第一行顯示“xxxxx.x MA”，即實(shí)際測試所得到的值。第二行顯示寄存器 AIRMS 值第一行顯示實(shí)測電流值： lcd_char_write(6,0,mun_char_tableplaydata/100000); lcd_char_write(7,0,mun_char_tableplaydata%100000/10000); lcd_char_write(8,0,mu

43、n_char_tableplaydata%100000%10000/1000); lcd_char_write(9,0,mun_char_tableplaydata%100000%10000%1000/100); lcd_char_write(10,0,mun_char_tableplaydata%100000%10000%1000%100/10); lcd_char_write(11,0,'.'); lcd_char_write(12,0,mun_char_tableplaydata%100000%10000%1000%100%10); lcd_char_write(13,0

44、,'M'); /顯示單位/ lcd_char_write(14,0,'A');第二行顯示寄存器 AIRMS 值：lcd_char_write(6,1,mun_char_tableCrms/10000000); lcd_char_write(7,1,mun_char_tableCrms%10000000/1000000);lcd_char_write(8,1,mun_char_tableCrms%10000000%1000000/100000);lcd_char_write(9,1,mun_char_tableCrms%10000000%1000000%10000

45、0/10000); lcd_char_write(10,1,mun_char_tableCrms%10000000%1000000%100000%10000/1000); lcd_char_write(11,1,mun_char_tableCrms%10000000%1000000%100000%10000%1000/100) lcd_char_write(12,1,mun_char_tableCrms%10000000%1000000%100000%10000%1000%100/10); lcd_char_write(13,1,mun_char_tableCrms%10000000%1000

46、000%100000%10000%1000%100%10);5 系統(tǒng)調(diào)試5.1 軟件調(diào)試軟件的調(diào)試分為如下的步驟：首先，設(shè)置好軟件的編譯環(huán)境，這一部分是下面調(diào)試的基礎(chǔ)，正確的環(huán)境才能保證編譯出的代碼完全的適合硬件。其次，軟件的編寫要有良好的格式，這樣做能保證代碼在有錯(cuò)誤時(shí)能更快的找到錯(cuò)誤。再次，軟件的編寫中變量的命名可以采用望文見義的形式，使代碼的查看可以更加的便捷。然后，就是代碼編譯中的錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤的處理要注意看編譯錯(cuò)誤的提示，根據(jù)提示就可以查出錯(cuò)誤，然后加以改正。最后，在編譯沒有錯(cuò)誤的基礎(chǔ)上，利用集成開發(fā)系統(tǒng)的模擬環(huán)境查看邏輯上的錯(cuò)誤。這其中可以查看對應(yīng)硬件的寄存器，輸入輸出端口。我們還

47、可以在程序中設(shè)置斷點(diǎn)，查看在斷點(diǎn)處的各種信息。也可以在代碼中添加適當(dāng)?shù)恼Z句，讓一些信息在變量中顯示，以便查看所需要的信息。在上面調(diào)試的步驟下，代碼的邏輯錯(cuò)誤基本可以全部改正。剩下的就是與硬件的聯(lián)合調(diào)試。5.2 硬件調(diào)試硬件調(diào)試就是讓軟件與硬件聯(lián)合起來調(diào)試。它的調(diào)試步驟如下：首先，在硬件單獨(dú)檢測的基礎(chǔ)之上，利用軟件查看硬件的正確性。可以編寫一些小的代碼段，單獨(dú)的檢測硬件的每一部分。這樣做可以保證硬件的正確性，讓硬件上的錯(cuò)誤導(dǎo)致軟件錯(cuò)誤發(fā)生的幾率降低。其次，把全部代碼下載進(jìn)去，進(jìn)行硬件的仿真調(diào)試，這里可以利用單步運(yùn)行，查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)是否與邏輯上的相同。在這一步里可以檢測出相當(dāng)多的邏輯錯(cuò)誤。再次，

48、讓代碼在硬件里脫機(jī)調(diào)試，看看這其中有沒有邏輯上的錯(cuò)誤。然后，修改代碼，讓代碼在一些極限條件下運(yùn)行，查看代碼對一些邊緣情況的處理能力并修改代碼。最后，讓硬件長期運(yùn)行，這樣來檢測需長期運(yùn)行才能查看的情況和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖5.1 實(shí)測電路如上圖5.1所示，其調(diào)試方法：找一塊標(biāo)準(zhǔn)表（萬用表），串聯(lián)在電路中，同時(shí)測電流，然后再調(diào)整軟件參數(shù)。電流經(jīng)過互感器之后，ADE7758通過兩個(gè)管腳檢測該電阻兩端的電壓即可在寄存器里面產(chǎn)生一個(gè)對應(yīng)的值，以下是實(shí)測數(shù)據(jù)：表5.1實(shí)際電流與測量寄存器比較數(shù)據(jù)實(shí)際電流值(ma) 0121020304060100150180寄存器數(shù)值860105012603140570082

49、901090016250268003974047600把實(shí)際電流值與寄存器值對應(yīng)關(guān)系繪在坐標(biāo)軸上，如下圖5.2所示，圖像為一條平滑的直線，再進(jìn)行線性相關(guān)值計(jì)算，得出電流值與寄存器數(shù)值之間的線性相關(guān)值為0.999963，因此實(shí)際電流值與寄存器值呈線性相關(guān)關(guān)系，考慮到電流互感器在感應(yīng)10毫安電流時(shí)有較大的誤差，我們對10ma的數(shù)值進(jìn)行線性相關(guān)計(jì)算，得出結(jié)果為0.992，也呈線性相關(guān)關(guān)系，經(jīng)實(shí)際測試，線性回歸方程真實(shí)有效。圖 5.2 實(shí)際電流值與寄存器值對應(yīng)關(guān)系表5.2實(shí)際電流數(shù)據(jù)A相電流實(shí)測數(shù)據(jù)B相電流實(shí)測數(shù)據(jù)C相第一組電流實(shí)測數(shù)據(jù)序號(hào)輸入 ma實(shí)測 ma序號(hào)輸入 ma實(shí)測 ma序號(hào)輸入 ma實(shí)測 ma13030.213030.113030.223535.123535.223535.234039.934039.934039.944545.244545.144545.35505055050550506