單相智能電表硬件電路設(shè)計

1、單相智能電表硬件設(shè)計物理與電子信息學(xué)院電氣工程及其自動化學(xué)號：指導(dǎo)教師：摘要：本文設(shè)計單相智能電表的硬件電路。主要由 cpu模塊、電能計量模塊和電壓電 流采樣模塊、顯示模塊、電源模塊、時鐘模塊、存儲模塊、通訊模塊組成。電壓電流采樣模塊采用分流器和精密電阻實現(xiàn)對市電的轉(zhuǎn)換；電能計量模塊采用ade7755計量芯片實現(xiàn)對電流、電壓的測量與轉(zhuǎn)換；時鐘模塊采用ds12c887時鐘芯片為系統(tǒng)提供時鐘基準(zhǔn)，存儲模塊采用at24c04,顯示卞g塊用1602液晶，通信模塊采用max485芯片, 并利用at89c52組成的cpu模塊控制所有芯片的工作、測量、計算電能，送往顯示模 塊和存儲模塊進(jìn)行實時顯示。該電度表

2、成本低、使用方便、安全可靠、具有廣泛的應(yīng)用 前景。關(guān)鍵詞：智能電表;計量芯片；時鐘芯片hardware design of single-phase smart metercollege of physics and electronic information electrical engineering and automation no:tutor:abstract: this article designs hardware electric circuit of the single-phase intelligent electric instrument. the intelli

3、gent ammeter is mainly composed of cpu module, electric energy metering module, the voltage and current sampling module, display module, power module, clock module, storage module, communication module. voltage and current sampling module use shunt and precision resistor to realize the conversion of

4、 electricity. electric energy metering module uses ade7755 chip to realize measurement and conversion of the voltage and current. clock module uses ds12c887 chip to provide the clock benchmark for the system. memory module uses at24c04. display module uses 1602 liquid crystal. communication module u

5、ses max485 chip. the system use the at89c52 composed of cpu module to control all the chips work, measuring, computing power, sent to the display module and storage module for real-time display. the meter is of low cost, easy to use, safe and reliable, with wide application prospect.key words: intel

6、ligent ammeter; metering chip; clock chip目 錄摘要11弓i言 41.1 電能表的發(fā)展歷程 41.2 本課題研究的主要內(nèi)容 62系統(tǒng)設(shè)計 62.1 系統(tǒng)方案論證62.1.1 電能計量系統(tǒng)方案設(shè)計 62.1.2 其他模塊的方案論證 72.2 系統(tǒng)原理框圖的確定 83電壓、電流采樣模塊 103.1 電能計量芯片簡介 103.1.1 ade7755 芯片結(jié)構(gòu) 103.1.2 ade7755引腳排列及功能 113.1.3 ade7755 工作原理 123.2 電流、電壓采樣電路設(shè)計 133.3 脈沖輸出143.4 電能計量電路設(shè)計 154控制芯片、外圍電路設(shè)計

7、164.1 控制芯片164.1.1 at89c52單片機介紹 164.1.2 最小系統(tǒng) 174.2 lcd顯示模塊184.2.1 引腳功能簡介 184.2.2 顯示電路設(shè)計 184.3 實時時鐘194.3.1 時鐘芯片簡介 194.3.2 引腳功能 194.3.3 時鐘電路設(shè)計 214.4 其他電路設(shè)計 224.4.1 電源模塊 224.4.2 存儲模塊 224.4.3 ic 卡接口 234.4.4 通訊模塊 244.4.5 掉電檢測 254.4.6 磁保持繼電器驅(qū)動 265結(jié)論 28參考文獻(xiàn) 28附錄1智能電表原理圖 29附錄2智能電表pcb圖30141引言隨著市場經(jīng)濟體制的建立，電力已經(jīng)作

8、為一種商品走向市場，電力企業(yè)管理正轉(zhuǎn)向 商業(yè)化運行。目前，絕大多數(shù)用電管理是采用最原始的分散計量、人工抄表，它離自動 化的目標(biāo)還非常遙遠(yuǎn)。當(dāng)前城鎮(zhèn)居民住宅公寓化，相對較為集中，及時開發(fā)并推出適合 國情，既面向未來電量管理自動化建設(shè)的需要， 又適應(yīng)現(xiàn)行的運行管理體制的多用戶表， 是民用電計量、管理的大勢所趨。用電量的急劇增長以及由此引發(fā)的能源供需矛盾加劇，許多工業(yè)大國日益重視電能管理，都在通過技術(shù)改造等各種手段加強對電力負(fù)荷的監(jiān)控，以實現(xiàn)計劃用電與合理配 電，從而提高電網(wǎng)負(fù)荷率。現(xiàn)代電能管理強調(diào)自動化、智能化，要求以高新技術(shù)手段確 保經(jīng)濟杠桿調(diào)配電能的使用，以求更高的供用電效率。這使對電能計量儀

9、器儀表提出了 多功能化的要求，希望它不僅能計量電能，而且也能應(yīng)用于管理。因此功能單一的感應(yīng) 式電能表已不適應(yīng)現(xiàn)代電能管理的要求，電子式電能表應(yīng)運而生。1.1電能表的發(fā)展歷程作為測量電能的專用儀表電能表，自誕生至今已有100多年的歷史。因為1kwh的電能量被定義為一度電，所以按計量單位，電能表又俗稱電度表或千瓦時表。電能表在 電能管理用儀器儀表中占有很大比例，其性能直接影響著電能管理的效率和科學(xué)化水 平。100多年來，隨著電力系統(tǒng)、所有以電能為動力的產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及電能管理系統(tǒng)的 不斷完善，電能表的結(jié)構(gòu)和性能也經(jīng)歷了不斷更新、優(yōu)化的發(fā)展過程。電能表已經(jīng)經(jīng)歷 了感應(yīng)式電能表、機電脈沖式電能表、電子式

10、電能表三個階段。（1）感應(yīng)式電能表（機械表）在電力系統(tǒng)發(fā)展的早期，感應(yīng)式電能表被廣泛用于 工頻（50hz或60hz）電能的測量。感應(yīng)式電能表是利用處在交變磁場的金屬圓盤中的 感應(yīng)電流與有關(guān)磁場形成力的原理制成的， 具有制造簡便、可靠性好、價格便宜等特點。 經(jīng)過不斷改進(jìn)和完善，感應(yīng)式電能表制作技術(shù)已經(jīng)成熟。通過雙重絕緣和采用高質(zhì)量雙 寶石軸承甚至磁懸浮軸承等技術(shù)手段，具結(jié)構(gòu)和磁路的穩(wěn)定性得以提高，電磁振蕩被削 弱，使用壽命大大延長，且過載能力明顯增強。但受其工作原理以及材料工藝等條件的 度限其測量準(zhǔn)確度很難提高。另外，感應(yīng)式電能表是針對很低且十分狹窄的頻率范圍的 正弦電壓和正弦電流而設(shè)計的，但現(xiàn)

11、代電力系統(tǒng)中采用硅整流與換流技術(shù)，這些非線性 負(fù)荷產(chǎn)生大量高次諧波并引起不平衡，致使電網(wǎng)電壓波形產(chǎn)生畸變、波動及三相不平衡， 對感應(yīng)式電能表產(chǎn)生不利影響，使其指示不正確，由此可能造成操作、管理人員做出錯 誤的分析判斷(2)機電一體式電能表 20世紀(jì)60年代，為了擴展電能表的使用功能，出現(xiàn)了機 電一體式脈沖電能表。這種表仍然采用了感應(yīng)式電能表的測量機構(gòu)，只是利用光電傳感 器將電能轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，通過電子電路對脈沖信號的計算與處理，完成電能的計量 工作，它通過電子部分的各種變換來實現(xiàn)人們不同的實際需求。機電式電能表的出現(xiàn)， 極大地解決電能表的功能單一的問題，電能表可以通過軟件編程實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動抄表

12、、負(fù) 荷控制參數(shù)的分散采集和存儲等功能， 使得分時電價和需量電價制度能夠有效地實施和 推廣，充分發(fā)揮了電力在國民經(jīng)濟中的作用。但是它是以感應(yīng)系測量機構(gòu)作為其測量主 回路的原理性缺陷，決定了它同樣具有感應(yīng)系電能表一樣的準(zhǔn)確度低、適用頻率范圍低 等缺點0(3)電子式電能表1為了替代感應(yīng)系測量機構(gòu)，從 20世紀(jì)70年代起人們就開始 研究并試驗采用電子電路來測量交流電能。由于電能是電功率對時間的積分，所以任何 電子電路式電能計量方案的第一步都是確定電功率。因而，使用乘法器是實現(xiàn)測量電功 率和電能的電子電路的共同特點，全電子式電能表多采用模擬或數(shù)字乘法器作為核心器 件。近年來，微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和通

13、信技術(shù)的高速發(fā)展，有力地推動了電子式電 能表技術(shù)的迅速更新與進(jìn)步。高準(zhǔn)確度、高可靠性的元器件以及大規(guī)模電路集成技術(shù)和 電路制造的表面貼裝技術(shù)等應(yīng)用于電子式電能表的開發(fā)與生產(chǎn)，使電子式電能表壽命提高、功能多種多樣，且仍在不斷擴展，并逐步使供用電管理的微機化和自動化成為現(xiàn)實。電子式電能表與感應(yīng)式電能表相比，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢：(1)誤差特性較為穩(wěn)定，不像感應(yīng)式電能表越走越慢。實際運行和加速老化試驗 都說明了這一特點。電子式電能表的故障能較明顯的表露和被發(fā)現(xiàn)。(2)電子式電能表內(nèi)阻小、損耗低，是節(jié)能儀表。有助于在已有計量裝置中解決 互感器過載和一次電壓降超標(biāo)問題，從而提高計量綜合精確度。(3)電子式

14、電能表較輕，比感應(yīng)式電能表節(jié)省大量有色和黑色金屬，而且安裝輕 便。(4)使用電子式電能表徹底改革了原來電能量運行，檢修的工作流程，革除了洗 表的環(huán)節(jié)。如果故障表按合同規(guī)定由生產(chǎn)廠保修保換，則更簡化了管理流程，可集中精 力把好驗收校驗，對運行中缺陷故障統(tǒng)計分析以及招標(biāo)時對各廠產(chǎn)品評定質(zhì)量，徹底改 革了電能表管理使適應(yīng)電力市場經(jīng)濟要求。（5）電子式電能表能直接輸出規(guī)范的電能脈沖，便于校驗和實施遠(yuǎn)方自動抄讀表,便于電力市場發(fā)展中對電能表擴展功能的實現(xiàn)。1.2本課題研究的主要內(nèi)容本文首先簡要介紹了設(shè)計電能表的主要功能以及系統(tǒng)的總體方案，主要研究電子式單相復(fù)費率ic卡電能表的硬件設(shè)計，詳細(xì)介紹硬件各功能

15、模塊的工作原理和選用的主 要元器件的功能特點，包括各部分電路的走向、芯片的選擇以及方案的可行性分析等。分析電能表設(shè)計中運用的單片機控制技術(shù)，電能計量部分是基于 ade7755芯片設(shè)計， 以ds12c887時鐘芯片作為峰平谷不同時段的參考時間。此電能表可實現(xiàn)分時段電能計 量功能、預(yù)付費功能、顯示金額功能、用電不足報警功能等。2系統(tǒng)設(shè)計2.1 系統(tǒng)方案論證2.1.1 電能計量系統(tǒng)方案設(shè)計方案一：模數(shù)轉(zhuǎn)換式對電流和電壓分別采樣，再通過a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后送入單片機進(jìn)行 相乘運算。并在cpu中設(shè)置一個定時器定時對功率進(jìn)行累加。這種方案對信號的采樣 速率快，但a/d轉(zhuǎn)換器的精度要求高，而且由

16、于電網(wǎng)的電力諧波引入前置通道，導(dǎo)致 a/d轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生錯誤數(shù)據(jù)。為抑制這種干擾，必須在軟件上加數(shù)字濾波器或在硬件上采 用隔離放大器和高精度的運算放大。這將增加cpu的負(fù)擔(dān)和硬件電路成本，具方案可行而不可取。方案二：電壓頻率轉(zhuǎn)換式采用電壓頻率（v/f）轉(zhuǎn)換器加單片機實現(xiàn)對電流和電壓的 a/d轉(zhuǎn)換。這樣，模擬 通道中本身的干擾信號被抑制。無須專門的a/d轉(zhuǎn)換器，大大減少了硬件成本。cpu只需對v/f轉(zhuǎn)換后的脈沖進(jìn)行定時計數(shù)，便可測出電壓和電流的數(shù)字量。同時，電壓和 電流分別經(jīng)過零檢測電路。將過零脈沖送cpu處理，得出電流和電壓的相位差（cose）, 經(jīng)過查表得功率因數(shù)（p=ui cos*）計算，使得

17、有功功率，再定時累加就是電能值。這 種方案的cpu要實現(xiàn)讀寫卡控制、求功率因數(shù)（cos®）、電能計算等功能，負(fù)擔(dān)較重， 一般的mcs-51、mcs-96和pic系列單片機難以勝任。方案三：功率累加式將端口電流和電壓先送入模擬乘法器相乘，得到一個與功率p成正比的模擬電壓(或電流)，再經(jīng)過v/f變換(或i/f變換)變成頻率信號f。單片機對頻率信號f進(jìn)行 累加，即可得出電能。這種方案不彳!兼有方案二的優(yōu)點，而且對 cpu的要求低，采用 mcs-51系列單片機完全可以勝任。而且，現(xiàn)在已有集成電路將模擬乘法器、低通濾波 器和v/f變換器集成，其性能指標(biāo)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于分立元件?；谝陨戏治觯桨溉?/p>

18、顯優(yōu)于其他兩種方案。其中，在電子式電能表的設(shè)計中， 選擇一款精度高、速度快、應(yīng)用成熟的電能計量芯片尤顯重要。模擬乘法器、低通濾波 器和v/f變換器采用集成電路 ade7755。目前，國內(nèi)較為常用的單相電子式電能計量 芯片有德國cirrus logical公司的cs5460,美國ad公司的ad7751和7755以及 bl0932、sm9903。課題提出的多功能電能表采用 ade7755是ad公司推出的脈沖輸出 高精度電功率測量芯片，相對于其前身 ad7755提升了更加優(yōu)良和精確的計量性能，在 電量測量中具備更實用的價值。因為經(jīng)過仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，ade7755采用了基于1-調(diào)制a/d轉(zhuǎn)換技術(shù)，ade

19、7755還具有自校準(zhǔn)的功能，例如，通道的偏移校正，相位和功 率的校準(zhǔn)。因此，使用ade7755構(gòu)成電表系統(tǒng)，電路十分簡單2-4。2.1.2 其他模塊的方案論證(1)電壓電流采樣模塊方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)分壓、分流的方式將大電壓、大電流轉(zhuǎn)換成ade7755能接收的電壓信號，該方案電路復(fù)雜，難于調(diào)試，精度低，且不能實現(xiàn)芯片與電網(wǎng)的隔離， 故不米用。方案二：采用電流互感器與精密電阻網(wǎng)絡(luò)組成調(diào)理電路，將電壓和電流轉(zhuǎn)換為芯片 可以接收的電壓信號。該方案設(shè)計簡單，精度高，且實現(xiàn)了芯片與電網(wǎng)的隔離，保證了 芯片的安全，故本設(shè)計采用此方案。(2)主控芯片方案一：選用dsp處理器。dsp處理器具有運算速度快，處理

20、能力強等優(yōu)點，但 是存在價格相對較高，參考資料相對較少等缺點。方案二：選用單片機。單片機是目前電能表行業(yè)中普遍選用的中央處理器。目前， 國內(nèi)高校主要以mcs-51單片機為例來學(xué)習(xí)單片機原理與接口，因此，市場上該類得單 片機參考資料最多，成功設(shè)計案例較多。因此，本設(shè)計選用此方案。我們選用高速、低 功耗、超強抗干擾的at89c52,它內(nèi)部有8kb的程序存儲器，應(yīng)用于此系統(tǒng)綽綽有余， 該單片機具有較強的數(shù)據(jù)處理功能，與 mcs-51完全兼容，設(shè)計使用方便。（3）預(yù)付費系統(tǒng)方案設(shè)計方案一：采用非加密存儲器卡作為銷售電能的傳輸媒質(zhì)，非加密存儲器卡的卡內(nèi)嵌 入芯片為通用存儲器芯片。非加密存儲器卡信息存儲方

21、便、使用簡單、價格便宜，很多 場合可替代磁卡。但由于本身不具備信息保密功能，因此只能用于保密性要求不高的場 合，對于某單位或?qū)W校內(nèi)部進(jìn)行定量用電，超標(biāo)付款，則可采用此方案。方案二：采用加密存儲器卡。加密存儲器卡（security cards接觸型）的芯片由非易 失性存儲器和硬件加密邏輯構(gòu)成。加密存儲器卡內(nèi)嵌芯片在存儲區(qū)外增加了控制邏輯。 在訪問存儲器前，需要核對密碼。只有密碼正確，才能存取數(shù)據(jù)。允許連續(xù)密碼核驗的 錯誤次數(shù)很少（一般在十次以內(nèi)），可以有效防止非法試探。若在限定的次數(shù)密碼仍不 對，則卡片死鎖作廢。這類器件保密性較好，應(yīng)用較廣泛。此方案保密性優(yōu)于方案一， 可用于社區(qū)或以村為單位的預(yù)

22、付費用電系統(tǒng)。方案三：采用cpu卡。cpu卡的硬件構(gòu)成包括cpu、存儲器（含ram、rom、 eeprom等）、卡與讀寫終端通信的i/o接口及加密運算協(xié)處理器 cau。cpu卡（smart cards接觸型）內(nèi)嵌芯片相當(dāng)于一個特殊類型的單片機，內(nèi)部除了帶控制器、存儲器、 時序控制邏輯外，還帶有算法單元和操作系統(tǒng)。cpu卡有存儲容量大、處理能力強、信息存儲安全等特性，因此廣泛應(yīng)用于信息安全性要求特別高的場合。 此方案保密程度高， 適用于大范圍（如全國性的）預(yù)付費售電系統(tǒng)50在對以上三種方案的比較后，我在本設(shè)計中，選用第一種方案，以非加密存儲器卡 作為售電的傳輸媒質(zhì)，具體型號是 at24c01。該

23、芯片應(yīng)用較多，且價格便宜，可參考的 資料多，能實現(xiàn)本設(shè)計的功能。（4）時鐘芯片本系統(tǒng)要求時段起始點設(shè)定及顯示當(dāng)時的日期和時間，因此，需要自身攜帶時鐘芯 片,以便實時監(jiān)控。目前，市場上的時鐘芯片種類繁多，功能各異，如ds1302, msm58321 等。我們選用了性能價格比較高，且功能完善的ds12c887時鐘芯片。本文本著可靠、安全、性價比高的原則，設(shè)計其他接口電路。2.2系統(tǒng)原理框圖的確定總體設(shè)計方案如圖1所示，各種硬件模塊構(gòu)成了整個電子式電能表，每個模塊都有 著不同的功能，在整個電表硬件系統(tǒng)中都承擔(dān)著一定的作用。模塊與模塊之間又通過 mcu統(tǒng)一地聯(lián)系在一起，共同地形成了功能強大的智能電表系

24、統(tǒng)。圖1智能電表系統(tǒng)框圖圖1中各部分主要功能：(1) 電能采樣模塊是將電能表硬件系統(tǒng)與主電網(wǎng)進(jìn)行隔離，使強電和弱電分開。 將主網(wǎng)中的大電壓，大電流轉(zhuǎn)化為小電壓，小電流，以便提供給計量芯片進(jìn)行信號處理。(2) ade7755是電能計量芯片，在整個硬件電路中發(fā)揮著重要作用。主要完成對 電能量的計量，將模擬電能信息轉(zhuǎn)化為單片機可以讀取并且可操作的數(shù)字電能信息。(3) at89c52單片機是整個電子式電能表硬件的核心部分， 它是電能表的“大腦”， 外圍所有的硬件模塊都是在它的控制協(xié)調(diào)下進(jìn)行工作的。(4) 電源模塊為整個電能表硬件系統(tǒng)正常工作供電，它通過電能變換將主電網(wǎng)中 的220v交壓、整流為5v的直

25、流。在掉電情況下，為了保證時鐘的連續(xù)性和準(zhǔn)確性， 還有專用的電池供電。(5) 實時時鐘為復(fù)費率電能表提供準(zhǔn)確的時間信息，以便于實現(xiàn)不同費率下電能 的計量。(6) 數(shù)據(jù)存儲模塊是所有電能信息的存儲單元。單片機對存儲器里的數(shù)據(jù)信息進(jìn) 行讀操作時將信息讀出后送給其它模塊使用。單片機對存儲器里的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行寫操作 時，是將計量芯片計量的數(shù)據(jù)保存到存儲器里的過程。(7) rs485通信模塊是電能表與外界設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的場所，rs485通信實現(xiàn)了單片機與上位機的通信。當(dāng)上位機發(fā)出命令要求上傳數(shù)據(jù)時，單片機就將數(shù)據(jù)通過 rs485通信模塊送出。上位機的數(shù)據(jù)也同樣能夠通過 rs485模塊下傳給單片機。(8)

26、 lcd顯示模塊可以將用電信息，時段信息，實時日期等清楚地顯示在液晶屏上，供用戶抄表人員參考(9) ic卡模塊實現(xiàn)先付費、再用電功能。一戶一卡，互不通用，具有良好的可靠 性和安全性。3電壓、電流采樣模塊3.1 電能計量芯片簡介3.1.1 ade7755芯片結(jié)構(gòu)ade7755的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖 2所示，它主要由信號輸入和信號處理兩部分組成g0 gi(50avdd agnd j.ac/dcade7755dvdd dgndo, -v1p 5v1n 6電源監(jiān)控;:adcpgax1,x2,x3,x4v2 pl 5v2n 52.5濾準(zhǔn)源_4k相位校正11010111011001hpflpf乘法數(shù)字頻

27、率轉(zhuǎn)換器石 reset心12242320221413refin/outclkin clkout scf s0 s1 revp cf f1 f2圖2 ade7755功能框圖模擬輸入是電能計量芯片對用電線路電壓、電流信號進(jìn)行采集的部分，包括電流通 道和電壓通道。（1）通道1 （電流通道）線路電流傳感器的輸出電壓接到 ade7755的通道v1，該通道采用完全差動輸入， v1p為正輸入端，v1n為負(fù)輸入端。通道1的最大差動峰值電壓應(yīng)小于 470mv （純正 弦電壓有效值為330mv）。應(yīng)當(dāng)注意，通道1有一個pga,其增益可由用戶選擇為l, 2, 8或16 （見表1）,這使傳感器的接口設(shè)計大為簡單。表1

28、通道1的增益選擇g1g0增益001± 470mv012士 235 mv108±60 mv1116±30 mv表1示出了 v1p和v1n引腳的最大差動電壓是470mv,由增益選擇而定。在這兩引腳上的差動信號必須以同一個共模端作為參考點， 如agnd，最大共模信號為100mv （2）通道2 （電壓通道）線路電壓傳感器的輸出接到 ade7755的通道v2,該通道的最大差動峰值電壓為±660mv。加在通道2上的差動電壓信號必須以一個共模端作為參考點 （通常是agnd ）, 最大共模電壓為100mv。然而，當(dāng)共模電壓為0v時能獲得最好的測量結(jié)果3.1.2 ade7

29、755引腳排列及功能ade7755有24腳雙列直插（dip）和表面貼裝（ssop）兩種封裝形式，具引腳排列見圖3:1dvdd_f1ac/dcf2avddcfncdgndv1prevpv1nncv2nclkoutv2 pclkinresetg0fefg1agnds0s(fs1ade77552422332242152019718817-9-c10161511141213圖3 ade7755管腳圖(1) dvdd：數(shù)字電源引腳。該引腳提供 ade7755數(shù)字電路的電源，正常工作電源電壓應(yīng)保持在5v ±5%,該引腳應(yīng)使用10uf電容并聯(lián)100nf瓷介電容進(jìn)行去耦。(2) ac/dc:高通濾波

30、器hpf選擇引腳。當(dāng)該引腳輸入高電平時，通道 1（電流通 道）內(nèi)的hpf被選通，該濾波器所涉及的相位響應(yīng)在 45hz至lkhz范圍內(nèi)在片內(nèi)已得到 補償。在電能計量的應(yīng)用中應(yīng)使 hpf選通。(3) avdd:模擬電源引腳。該引腳提供 ade7755模擬電路的電源，正常工作電源電壓應(yīng)保持在5v ±5%,為使電源的紋波和噪聲減小到最低程度， 該引腳應(yīng)使用10pf 電容并聯(lián)100nf瓷介電容進(jìn)行去耦。(4) nc:不連接。(5) v1p,v1n:通道1(電流通道)的正，負(fù)模擬輸入引腳。完全差動輸入方式，正 常工作最大信號電平為土 470mv。(6) v2p,v2n :通道2 (電壓通道)的正

31、，負(fù)模擬輸入引腳。(7) reset:復(fù)位引腳。當(dāng)為低電平時，adc和數(shù)字電路保持復(fù)位狀態(tài)，在reset 的下降沿，清除ade7755內(nèi)部寄存器。(8) ref:基準(zhǔn)電壓的輸入，輸出引腳。(9) agnd:這是ade7755模擬電路(即adc和基準(zhǔn)源)的接地參考點，該引 腳應(yīng)連接到印刷電路板的模擬接地面。(10) scf:校驗頻率選擇。該引腳的邏輯輸入電平確定cf引腳的輸出頻率。(11) s1, so:這兩個引腳的邏輯輸入用來選擇數(shù)字/頻率轉(zhuǎn)換系數(shù)。(12) g1, g0:這兩個引腳的邏輯輸入用來選擇通道 1的增益?？赡艿脑鲆媸?, 2, 8 和 16。(13) clkin :外部時鐘可從該引

32、腳接入，也可把一個石英晶體接在clkin和clkout之間，為ade7755提供時鐘源，規(guī)定時鐘頻率為 3.579545mhz。(14) clkout :把一個石英晶體接在 clkin和clkout之問，為ade7755提 供一個時鐘。(15) revp:當(dāng)檢測到負(fù)功率時，即電壓和電流信號的相位差大于900時，該引腳輸出邏輯高電平。該輸出沒有被鎖存，當(dāng)再次檢測到正功率時，該引腳輸出復(fù)位。該 輸出的邏輯狀態(tài)隨cf輸出脈沖同時變化。(16) dgnd:這是ade7755數(shù)字電路(即乘法器，濾波器和數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器)的 接地參考點。該引腳應(yīng)連接到印刷電路板的數(shù)字接地面。(17) cf:頻率校驗輸出引腳

33、。其輸出頻率反映瞬時有功功率的大小。(18) f1, f2:低頻邏輯輸出引腳，其輸出頻率反映平均有功功率的大小。3.1.3 ade7755工作原理芯片內(nèi)部兩個adc對來自電流和電壓傳感器的電壓信號進(jìn)行數(shù)字化。 ade7755的 模擬輸入結(jié)構(gòu)具有寬動態(tài)范圍，大大簡化了傳感器接口(可以與傳感器直接連接)，也簡化了抗混疊濾波器的設(shè)計。電流通道中的 pga進(jìn)一步簡化了傳感器接口。電流通道中的hpf濾掉電流信號中的直流分量，從而消除了由于電壓或者電流失調(diào)所造成的有 功功率計算上的誤差。有功功率是從瞬時功率信號推導(dǎo)計算出來，瞬時功率信號是用電流和電壓信號直接相乘得到的。為了得到有功功率分量(即直流分量)，

34、只要對瞬時功率信號進(jìn)行低通濾 波就行了。下圖4示出了瞬時有功功率如何通過對瞬時功率信號進(jìn)行低通濾波來獲取有 功功率。這個過程中所有的信號處理都是由數(shù)字電路完成的，因此具有優(yōu)良的溫度和時 間穩(wěn)定性。ade7755的低頻輸出是通過對上述有功功率信息的累計產(chǎn)生，即在兩個輸出脈沖 之間經(jīng)過長時間的累加，因此輸出頻率正比于平均有功功率。當(dāng)這個平均有功功率信息 進(jìn)一步被累加，就能獲得電能計量信息。cf輸出的頻率較高，累加時間較短，因此 cf的輸出頻率正比于瞬時有功功率，這對于在穩(wěn)定負(fù)載條件下進(jìn)行系統(tǒng)校驗是很有用6。3.2電流、電壓采樣電路設(shè)計 .(1)電流采樣電路使用分流器，如圖 57所示：.圖5電流采樣

35、電路其中r57、r56為采樣電阻，c21、c22為采樣電容，他們?yōu)椴蓸油ǖ捞峁┝瞬蓸?.電壓信號，采樣電壓信號的大小由分流器的阻值和流過其上的電流決定。電流采樣通道 采用完全差動輸入，v1p為正輸入端，v2p為負(fù)輸入端，電流采樣通道最大差動峰值電 壓應(yīng)小于470mv,電流采樣通道的pga其增益可由ade7755的g1和g0來選擇。當(dāng)使用分流器采樣時，g1和g0都接高電平，增益選16,通過分流器的峰值電壓為±30mv。本設(shè)計電表為5 (30) a規(guī)格，分流器阻值選擇 350uq ,當(dāng)流過分流器的電流為最大電流時，具采樣電壓為 (2)電壓采樣電路如圖6,350uq x30a=10.5mv

36、,不超過峰值電壓半滿度值。電壓輸入通道也為差分電路，v2n引腳連接到電阻分r47r48r49r1r547.5ks5 /i-o/ (jf603.9ks8 / of752ks11 二.f761ks12f55100kc29 2 220pfv2nc33.3nf |1000pff8082015ks6 /220v73口390k30k27>/f7456ks10 of78100ks3v2p390k200kri31kf81820壓電路的分壓點上，v2p接地。18圖6電壓采樣電路電壓輸入通道的采樣信號是通過衰減線電壓得到的，其中r11、 r13、r47r4ar55、r60、r75r78、r80、r81為校驗

37、衰減網(wǎng)絡(luò)，通過短接跳線 s5至s13可將采樣信號調(diào)節(jié)到需要的采樣值上，當(dāng)電能表為基本電流時，電壓采樣值為 174.2mv,為了允 .許分流器的容差和片內(nèi)基準(zhǔn)源8%的誤差，衰減校驗網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該允許至少30%的校驗范圍，根據(jù)圖6的參數(shù)，其調(diào)節(jié)范圍為168.9 mv250 mv,完全滿足了調(diào)節(jié)的需要。這個衰減 網(wǎng)絡(luò)的-3db頻率是由f80和c33決定的，f54、f73、f74確保了這一點，即使全部跳 線都接通，f54、f73、f74的電阻值仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 f80。f80和c33的選取要和電流采樣通道的 f57、c21匹配，這樣才能保證兩個通道的 相位進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠ヅ?，消除相位失調(diào)帶來的誤差影響。.3.3 脈沖

38、輸出ade7755的cf為頻率校驗輸出引腳，其輸出頻率反應(yīng)瞬時有功功率的大小，常用于儀表校驗，電路如7圖所示：.r59為限流電阻，led為脈沖指示燈，在檢驗時，可用常規(guī)光電法采集脈沖指示 燈發(fā)出的信號進(jìn)行誤差校驗，u1為隔離光耦，c28為去耦電容，具作用一是濾除高頻 干擾信號對led的影響，二是在高溫高濕環(huán)境下，對疊加到u1的輸入引腳的干擾信號 起到一個放電通路的作用，防止 u1誤導(dǎo)通。3.4 電能計量電路設(shè)計ade7755采用+5v、功耗15mv的單電源供電，加電后， ade7755芯片被初始化 后開始工作，電流通道和電壓通道的信號經(jīng)放大器放大后，通過內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換 為兩路數(shù)字信號。在

39、進(jìn)行功率測量時，電流通路信號還需要通過高通濾波器以去除通道 中的直流偏置，此時可能引起兩通道的相位不一致，對此，可通過相位調(diào)整電路對相角 變化量進(jìn)行補償，然后將兩路信號同時加到數(shù)字乘法器，再經(jīng)過低通濾波器，最后進(jìn)入 數(shù)字/頻率轉(zhuǎn)換器，得到與瞬時功率成比例的高頻脈沖及與平均功率成比例的低頻脈 沖，并分別在cf、f1、f2端輸出，從電網(wǎng)采樣獲彳#電壓信號送入通道 2上的v2p和 v2n后，直接進(jìn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換器，然后進(jìn)入乘法器以提供功率計算， 芯片內(nèi)的2個模數(shù)轉(zhuǎn)換器共用1個2.5v的基準(zhǔn)電源r48r49r11r5730027nc2r56300r5415kr4775k涿一一2k-.一一代8s11 一 s

40、12100k29scr60r75r76r5515k73r74r78390k390kr1220pfr2200k3r811k3203c23-c2j+5-|20uf100nf 1dvddac/dcavdd ncv1pv1nv2nv2pcfr5924ff+lddc28c260o1ufu1*_ optoiso1+5todgn revncclkoclki2133pl,£110uf10_c117|"12"resetc2733refgagnds0scfs1ade775518 ut17 n-161413二 y1 358mhzg015圖8電能計量電路電能計量電路如圖8所示，主要是由電

41、壓檢測電路、電流檢測電路和電能計量芯片ade7755及其外圍電路組成。首先負(fù)載電流經(jīng)過分流器再通過濾波電路后轉(zhuǎn)換成合適的電壓信號送入到電能計量芯片 ade7755的電流通道，即v1p和v1n端；而220v相 電壓則通過精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò)降壓后， 再通過濾波電路送入電能計量芯片ade7755的電壓通道，即v2p和v2n端二者經(jīng)過ade7755轉(zhuǎn)換成有功功率以高頻脈沖形式從 cf 端輸出然后接入到單片機at89c52的外部中斷信號輸入端，即單片機控制電路從ade7755的cf端采集脈沖經(jīng)過處理后得到的數(shù)據(jù)送到lcd顯示電路進(jìn)行顯示，并通過遠(yuǎn)程通訊電路把數(shù)據(jù)傳送到上位機。cf腳經(jīng)光電耦合器接在單片機的

42、 t0計數(shù)器上，由單片機對cf腳輸出的脈沖進(jìn)行計數(shù)，再根據(jù)ade7755的原理，計算出功率所測功率。4控制芯片、外圍電路設(shè)計4.1 控制芯片控制部分為整個電度表的心臟， 實現(xiàn)電能脈沖、掉電信號、卡信號、串行eeprom 數(shù)據(jù)的采集和讀寫，完成顯示驅(qū)動模塊的控制等功能。4.1.1 at89c52單片機介紹（1） at89c52單片機簡介及工作特性at89c52是美國atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能cmos 8位單片機，片內(nèi)含8kb 的可反復(fù)擦寫的程序存儲器和 256b的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram）,器件采用atmel 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通

43、用8位中央處理器（cpu）和flash存儲單元，功能強大的at89c52單片機可靈活應(yīng)用于各 種控制領(lǐng)域。at89c52單片機屬于at89c51單片機的增強型，與intel公司的80c52在 引腳排列、硬件組成、工作特點和指令系統(tǒng)等方面兼容8°at89c52有pdip、pqfp/tqfp 及plcc等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。（2）其主要工作特性是：1）片內(nèi)程序存儲器內(nèi)含8kb的flash程序存儲器，可擦寫壽命為1000次；2）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)含256字節(jié)的ram;3）具有32根可編程i/o 口線；4）具有3個可編程定時器；5）中斷系統(tǒng)是具有8個中斷源、6個中斷矢量、2個優(yōu)

44、先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)；6）用行口是具有一個全雙工的可編程串行通信口 ；7）具有一個數(shù)據(jù)指針dptr;8）低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式；9）具有可編程的3級程序鎖定位；10） at89c52工作電源電壓為5 （1±0.2） v,且典型值為5v;11） at89c52最高工作頻率為24mhz叫 4.1.2最小系統(tǒng)單片機正常工作時，都需要有一個時鐘電路和一個復(fù)位電路。單片機復(fù)位、晶振電 路如圖9所示。at89c52與時鐘電路（包括晶體振蕩器、電容 c19、c20）,上電復(fù)位電路（包括 r42、c5、s3、vd1、c3、r9）構(gòu)成單片機的最小系統(tǒng)。其中，晶體振蕩器選用 12mhz 的高穩(wěn)定無

45、源晶體振蕩器，它與 at89c52中的反向放大器構(gòu)成振蕩器，給 cpu提供高 穩(wěn)定的時鐘信號。.電容 c19、c20可起頻率微調(diào)作用，電容值在.5pf30pf之間選擇， 本電路選20pf。電容c5和電阻r42構(gòu)成上電復(fù)位電路。電源開啟時，電源對電容 c5 充電，在cpu的復(fù)位端產(chǎn)生一高脈沖。只要高電喝插機屏的場微m機器周期（24個振蕩周期）。cpu就可復(fù)位。二極管vd1的作用是當(dāng)斷電時，可使電容 c5所儲存的 電荷迅速釋放，以便下次上電時可靠復(fù)位。電容c5可濾除高頻干擾，防止單片機誤復(fù)位。按鍵s3和電阻r9構(gòu)成按鍵復(fù)位電路。圖9 at89c52單片機最小系統(tǒng)電阻r22和按鍵s4構(gòu)成鍵盤，用以實

46、現(xiàn)顯示內(nèi)容的切換。4.2 lcd顯示模塊lcd液晶顯示器是一種極低功耗的顯示器件，其工作電流小、重量輕、功耗低、壽 命長，字跡清晰美觀，在便攜式儀表以及低功耗應(yīng)用的較高檔儀器儀表中被廣泛采用。 4.2.1引腳功能簡介第1腳：vss為地電源；第2腳：vdd接5v正電源；第3腳：vl為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度 最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10k的電位器調(diào)整對比度；第4腳：rs為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時選擇指令寄存器；第5腳：r/w為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作，當(dāng) rs 和r/w同時為低電平時可以寫

47、入指令或顯示地址，當(dāng) rs為低電平r/w為高電平時可 以讀忙信號，當(dāng)rs為高電平r/w為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)； .第6腳：e端為使能端，當(dāng)e端由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r，液晶模塊執(zhí)行命令；第7-14腳：d0d7為8位雙向數(shù)據(jù)線； .第15腳：背光源正極；第16腳：背光源負(fù)極；顯示電路4.2.2顯示電路設(shè)計顯示電路設(shè)計如圖10所示。在圖10中l(wèi)cd1602的db0db7與單片機 at89c52的p00p07 口連接，用于顯 示用戶用電信息；p25、p26、p27、分別控制lcd1602的寄存器選擇輸入端 rs、讀寫 控制輸入端r/w、使能信號輸入端e;通過調(diào)節(jié)r58電阻值的大小來控制液晶顯示的對 比

48、度。4.3實時時鐘4.3.1時鐘芯片簡介該芯片是dallas公司推出的8位并行實時時鐘芯片，工作電壓為 5v,便于在計 算機系統(tǒng)中應(yīng)用。具有并行控制功能，使其在與微處理器接口時能大大提高cpu的工作效率。它的計時精度非常高，在25c的工作環(huán)境中誤差約為土 1分鐘/月。當(dāng)外部電源 電壓小于3v時，內(nèi)部檢測系統(tǒng)將自動切斷外部電源，改為由內(nèi)部鏗電池供電。該芯片 的具體應(yīng)用電路如圖12所示。它的主要特點如下：(1)具有秒、分、時、日、月、年及星期信息，并有閏年補償功能。(2)時間可采用12小時制或24小時制。(3)有128字節(jié)的非易失靜態(tài)ram可供用戶使用，其中14字節(jié)為時鐘和控制寄 存器，114字節(jié)

49、為通用ram (可存放重要的數(shù)據(jù))，有可編程方波輸出功能。(4)斷電情況下可運行10年以上而不丟失數(shù)據(jù)。ds12c887主要由振蕩器、電源控制、總線接口、周期中斷方波產(chǎn)生電路及日歷時 鐘寄存器等部分組成。為了防止電池能量的不必要浪費，芯片出廠時通常關(guān)閉內(nèi)部振蕩 器，在使用時要注意通過控制器將其打開。時鐘電路為本系統(tǒng)提供了時間基準(zhǔn)，它可以 顯示當(dāng)前的時間狀態(tài)，為按峰平谷時間段顯示電能提供了時間基準(zhǔn)，它的114字節(jié)非易失靜態(tài)ram為保存電能計算結(jié)果在斷電情況下而不丟失起到了極為重要的作用。4.3.2引腳功能(1) ds12c887的引腳排列如圖11所示：1motvccncsqwncncad0nca

50、d1_scad2_jrqad3restad4dsa ncrip242232234215206t7177891610ad5ncad6rwad7asgnd-csds12887151114120圖11 ds12c887引腳圖(2)各管腳的功能說明如下：gnd、vcc:直流電源，其中 vcc接+5v輸入，gnd接地，當(dāng)vcc輸入為 +5v時，用戶可以訪問ds12c887內(nèi)ram中的數(shù)據(jù)，并可對其進(jìn)行讀、寫操作；當(dāng)vcc 的輸入小于+4.25v時，禁止用戶對內(nèi)部ram進(jìn)行讀、寫操作，此時用戶不能正確獲取 芯片內(nèi)的時間信息；當(dāng)vcc的輸入小于+3v時，ds12c887會自動將電源發(fā)換到內(nèi)部 自帶的鋰電池上

51、，以保證內(nèi)部的電路能夠正常工作。mot :模式選擇腳，ds12c887有兩種工作模式，即motorola模式和intel模式， 當(dāng)mot接vcc時，選用的工作模式是 motorola模式，當(dāng)mot接gnd時，選用的是 intel模式。本文主要討論intel模式。sqw:方波輸出腳，當(dāng)供電電壓 vcc大于4.25v時，sqw腳可進(jìn)行方波輸出， 此時用戶可以通過對控制寄存器編程來得到 13種方波信號的輸出。ad0ad7:復(fù)用地址數(shù)據(jù)總線，該總線采用分時復(fù)用技術(shù)，在總線周期的前半 部分，出現(xiàn)在ad0ad7上的是地址信息，可用以選通 ds12c887內(nèi)的ram，總線周 期的后半部分出現(xiàn)在ad0ad7上

52、的數(shù)據(jù)信息。as:地址選通輸入腳，在進(jìn)行讀寫操作時， as的上升沿將ad0ad7上出現(xiàn) 的地址信息鎖存到 ds12c887上，而下一個下降沿清除 ad0ad7上的地址信息，不 論是否有效，ds12c887都將執(zhí)行該操作。ds/rd:數(shù)據(jù)選擇或讀輸入腳，該引腳有兩種工作模式，當(dāng) mot接vcc時， 選用motorola工作模式，在這種工作模式中，每個總線周期的后一部分的ds為高電平， 被稱為數(shù)據(jù)選通。在讀操作中，ds的上升沿使ds12c887將內(nèi)部數(shù)據(jù)送往總線 ad0 ad7上，以供外部讀取。在寫操作中，ds的下降沿將使總線 ad0ad7上的數(shù)據(jù)鎖 存在ds12c887中；當(dāng)mot接gnd時，選

53、用intel工作模式，在該模式中，該引腳是讀允許輸入腳，即read enabler/w:讀/寫輸入端，該管腳也有2種工作模式，當(dāng)mot接vcc時，r/w工作 在motorola模式。此時，該引腳的作用是區(qū)分進(jìn)行的是讀操作還是寫操作，當(dāng) r/w為 高電平時為讀操作，r/w為低電平時為寫操作；當(dāng) mot接gnd時，該腳工作在intel 模式，此時作為寫允許輸入，即 write enable。cs:片選輸入，低電平有效。irq:中斷請求輸入，低電平有效，該腳有效對 ds12c887內(nèi)的時鐘、日歷和 ram中的內(nèi)容沒有任何影響，僅對內(nèi)部的控制寄存器有影響，在典型的應(yīng)用中，reset 可以直接接vcc,

54、這樣可以保證ds12c887在掉電時，其內(nèi)部控制寄存器不受影響。在ds12c887內(nèi)有11字節(jié)ram用來存儲時間信息，4字節(jié)用來存儲控制信息， ds12c887內(nèi)部有控制寄存器的a-b等4個控制寄存器，用戶都可以在任何時候?qū)ζ溥M(jìn) 行訪問以對ds12c887進(jìn)行控制操作10。4.3.3時鐘電路設(shè)計時鐘電路設(shè)計如圖12所示：+5speaker1motvccncsqwncncad0ncad1_scad2irqad3resetad4dsad5ncad6rwad7asgnd ds12887cs24223322p00 421p01520p02 61 19 rxd口 18p03 7p04 817 rdp05

55、 916p06 1015 wrp07 1114ale/p12r 13 p24r10 1k圖12時鐘電路設(shè)計一 i'-c610uf|+5,f2510k-c180.1uf時鐘芯片ds12c887的地址網(wǎng)棚里路徵ad0ad7分別連接到單片機的p00p07八個i/o端口，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)和地址的傳輸，時鐘芯片ds12c887的irq、ds、rw、as、cs分別于單片機的rxd、rd、wr、ale/p、p24連接，用于對時鐘芯片進(jìn)行讀寫操作。4.4其他電路設(shè)計4.4.1電源模塊低頻邏輯輸出弓i腳，其輸出頻率反映平均有功功率的大小。由于電能表屬于不問斷29工作的電力計量產(chǎn)品，因而其電源電路是其設(shè)計的關(guān)鍵部分。電源電路負(fù)責(zé)給各個硬件 模塊供電，以保證整個電能表的正常運行。在圖13中，從主網(wǎng)接入的電壓經(jīng)過變壓器降壓，再經(jīng)由橋式整流電路整流