智能交流有功功率測(cè)量?jī)x表的設(shè)計(jì)

摘要電子式有功功率表現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用也將更加廣泛地應(yīng)用在計(jì)量領(lǐng)域。目前，電子式電能表呈現(xiàn)進(jìn)一步開展的趨勢(shì)，電子式有功功率表也必將進(jìn)一步代替?zhèn)鹘y(tǒng)感應(yīng)式儀表。因此對(duì)電子式電能表的研究與設(shè)計(jì)不僅具有研究意義，而且還具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。電子式有功功率表主要是采用了現(xiàn)代先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)以及強(qiáng)大微處理器控制技術(shù)，將傳統(tǒng)的模擬式的計(jì)最數(shù)字化智能化。計(jì)量更準(zhǔn)確，抗干擾能力更強(qiáng)，功耗也更低，同時(shí)一也具備很好的擴(kuò)展性。本課題所研制的電能表主要采用高性能低功耗微處理器AT89C55和高精度電能測(cè)量芯片ATT7022B為數(shù)據(jù)采集核心。對(duì)有功功率表的硬件電路進(jìn)行了闡述，主要包括電源電路、計(jì)量電路、單片機(jī)控制電路等。具體劃分起來上要有電源、電壓/電流采樣、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、液晶顯示、計(jì)量、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、單片機(jī)控制等模塊電路。軟件上，簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)了根本的計(jì)量、中斷以及顯示等程序并繪制其原理流程圖。關(guān)鍵詞：有功功率表，ATT7022B，AT89C55，單片機(jī)控制AbstractElectronicWattmeterhasbeenwidelyappliedintheperformanceandwillbemorewidelyusedinvariousareasofactivepowermeter.Atpresent,theactivepowermetershowedthetrendwhichthefurtherdevelops,activepowermeterisalsowillcertainlytofurtherreplacethetraditionalactivepowermeters.SotheWattmeterresearchanddesignnotonlyhassignificance,butalsohaveacertainsignificanceofthereality.ElectronicWattmeterismainlyusedinmodernadvanceddigitalsignalprocessingtechnologyandpowerfulmicroprocessor-controlledtechnology.Moreaccuratemeasurement,strongeranti-interferencecapability,alsolowerpowerconsumption.Thedesignmainlytakeshighperformance,lowpowerlossMCUAT89C55andhighaccuracymeasurementchipATT7022Basthecore.Anddesignofhardwareonthecircuit,includingthemainpowercircuit,measurementcircuits,MCUcontrolcircuit.Keywords:Wattmeter,ATT7022B，AT89C55，MCUContro目錄摘要IAbstractII第一章緒論11.1選題的目的意義11.2國(guó)內(nèi)外研究綜述11.3畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕所用的方法21.4主要任務(wù)與目標(biāo)2第二章三相有功功率測(cè)量的工作原理32.1三相電路及有功功率測(cè)量概述3電路連接3有功功率測(cè)量方法42.2有功功率測(cè)量原理概述5第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)93.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)93.2計(jì)量電路模塊103.2.1電流輸入通道11電壓輸入通道123.3數(shù)據(jù)管理模塊12微控制器123.3.2存儲(chǔ)時(shí)鐘芯片133.3.3存儲(chǔ)電路143.4微處理器外圍及顯示電路153.5通信模塊173.5.1RS-485通信協(xié)議173.5.2RS-485通信電路183.5.3RS-485接口芯片MAX485193.6電源電路203.6.1主電源設(shè)計(jì)203.6.2備用電源設(shè)計(jì)213.7本章小結(jié)22第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)234.1系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的根本方法234.1.1單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)特點(diǎn)234.1.2系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)流程234.2主程序總體設(shè)計(jì)244.3異常情況監(jiān)測(cè)264.4按鍵中斷模塊284.5本章小結(jié)29第五章總結(jié)30參考文獻(xiàn)31致謝32附錄33附錄A33附錄B34第一章緒論1.1選題的目的意義電力是人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)中的主要能源，在現(xiàn)代社會(huì)中起著越來越重要的作用。三相有功功率測(cè)量?jī)x是一種測(cè)量三相電源有功功率參數(shù)的儀器，它在電力系統(tǒng)中起著非常重要的作用。隨著精密加工企業(yè)的不斷增加和企業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量控制意識(shí)的增強(qiáng)，越來越多的企業(yè)將測(cè)量設(shè)備搬到了加工設(shè)備的旁邊，希望零件從加工設(shè)備上取下后馬上進(jìn)行檢測(cè)或不取下直接測(cè)量，以縮短加工時(shí)間提高效率，便攜式的儀器就應(yīng)運(yùn)而生。但是由于生產(chǎn)工藝和環(huán)境的限制，大局部的此類儀器都存在著環(huán)境適應(yīng)性差，精度不穩(wěn)定等弱點(diǎn)。大型的臺(tái)式儀器存在著對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格、場(chǎng)地面積大等問題。如何將二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，生產(chǎn)出既使用方便又小巧便攜還能保證穩(wěn)定精度的有功功率測(cè)量?jī)x器，成為各個(gè)儀器生產(chǎn)商努力的方向。儀器的小型化、便攜化、自動(dòng)化將是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用的測(cè)量?jī)x的開展方向。傳統(tǒng)的電參數(shù)測(cè)量?jī)x的局限性一般表達(dá)在以下幾個(gè)方面：第一，進(jìn)一步提高精度十分困難，動(dòng)圈式儀表目前只能做到一級(jí)，自動(dòng)平衡儀表結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，精度一般在0.5級(jí)，假設(shè)采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)雖可以提高精度，但隨之而來的卻是結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，本錢也會(huì)大幅提高。第二，儀器的功能單一，進(jìn)行綜合測(cè)量時(shí)要攜帶多個(gè)儀器，操作人員工作強(qiáng)度大。第三，無法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量和控制，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。本課題研究的有功功率測(cè)量?jī)x可用于在線進(jìn)行交流電有功功率的測(cè)量，采用液晶顯示，讀數(shù)直觀、準(zhǔn)確。并且具有和計(jì)算機(jī)通信的能力，便于實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)自動(dòng)化。具有廣闊的市場(chǎng)和開展前景。1.2國(guó)內(nèi)外研究綜述電測(cè)儀表的開展經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一代是指針式儀表，如模擬萬用表、電壓表、電流表，這些儀表的根本結(jié)構(gòu)是電磁式、電動(dòng)式、感應(yīng)式、靜電式等。第二代是數(shù)字測(cè)量?jī)x表，這類儀表的根本原理是將被測(cè)量模擬信號(hào)通過電子線路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，進(jìn)行計(jì)算并顯示出來。第三代是智能儀器，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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這類儀器的硬件根底是采集技術(shù)和輸入輸出技術(shù)，而軟件根底在于采樣數(shù)據(jù)的處理方法。以前簡(jiǎn)單廉價(jià)的指針式儀表的測(cè)試方法多采用直接測(cè)量或者間接測(cè)量,前者測(cè)量參數(shù)的精度缺乏,后者測(cè)量精度比擬高,但是使用兩種測(cè)量方式的傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)都需要自己搭建,而且需要針對(duì)不同的參數(shù)改變電路。現(xiàn)在即使有采用電子線路的數(shù)字儀表測(cè)試儀器,這類儀器同指針式儀器相比擬精度有了很大的提高，能直觀讀取測(cè)量結(jié)果，而且可靠性高，易于使用。但電子線路比擬復(fù)雜，不能自動(dòng)適應(yīng)測(cè)量環(huán)境的變化，而且儀器的校準(zhǔn)復(fù)雜，也需要大量的需要手動(dòng)操作,參數(shù)測(cè)試速度慢,精度不高，越來越難以滿足電子系統(tǒng)和設(shè)備的實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)中對(duì)參數(shù)測(cè)試的需要。第三代有功功率測(cè)量?jī)x表以單片機(jī)作為控制的核心，使整個(gè)系統(tǒng)顯得精簡(jiǎn)，不但能到達(dá)所要求的技術(shù)指標(biāo)，還具有靈活的現(xiàn)場(chǎng)更改性，還有處理速度快，實(shí)時(shí)性好、可靠、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。課題所研究的技術(shù)具有良好的開展前景。比方美國(guó)AD公司提供了一種有功功率測(cè)儀表方案，采用“MCU＋高精度ADC”，結(jié)果在不減少功能的前提下，縮小了體積、功耗、可靠性明顯提高。1.3畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕所用的方法本設(shè)計(jì)的有功功率表主要包含電源模塊、采樣計(jì)量模塊、通信模塊、存儲(chǔ)模塊、微控制器及顯示模塊等。微控制器AT89C55是控制核心，它協(xié)調(diào)控制各個(gè)功能模塊的工作。本設(shè)計(jì)出于對(duì)精度、可靠性等方面的考慮，采用單片機(jī)為主體，配以專用計(jì)量芯片來檢測(cè)電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)有功功率的測(cè)量。1.4主要任務(wù)與目標(biāo)本次設(shè)計(jì)主要任務(wù)：a.用單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)試儀表，可對(duì)三相電源的有功功率進(jìn)行測(cè)量；b.用多個(gè)數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果；c.可鍵盤設(shè)定測(cè)量范圍；d.自行擴(kuò)展功能，使之更加完善。第二章三相有功功率測(cè)量的工作原理2.1三相電路及有功功率測(cè)量概述電路連接三相電源是由振幅相等、頻率相同的三個(gè)正弦電壓、、組成，其初相互差120°。三相電源有兩種根本連接方式：Y連接和△連接。Y連接是將三相電源的末端接在一起，形成一個(gè)中性結(jié)點(diǎn)N，從各相的始端及中性點(diǎn)N引出四根輸電線分別為相線和中線，相線與中線之間的電壓稱為相電壓。相線之間的電壓稱為線電壓，流過相線的電流稱為線電流，流過每相電源的電流稱為相電流。Y連接示意如圖2-1(a)。三相對(duì)稱Y連接時(shí)，有如下關(guān)系：(2.1)式中：、線電壓和線電流；、相電壓和相電流。對(duì)稱三相電源也可以采用△連接，它是將三相電源各相的始端和末端依次相連，再由三個(gè)頂點(diǎn)引出三根相線與負(fù)載相連。三相電源作△連接時(shí)，要求三繞組的電壓對(duì)稱，如果不對(duì)稱程度比擬大，所產(chǎn)生的環(huán)路電流將燒壞繞組。△連接示意如圖2-1(b)。三相對(duì)稱△連接時(shí)，有如下關(guān)系：〔2.2〕式中：、線電壓和線電流；、相電壓和相電流。圖2-1三相電源的星形連接和三角形連接三相負(fù)載也分為Y連接和△連接，當(dāng)電源為Y連接時(shí)，根據(jù)負(fù)載接線方法一般有三相三線制和三相四線制之分。當(dāng)三相負(fù)載為△連接時(shí)可構(gòu)成三相三線制，如圖2-2(a)所示。當(dāng)三相負(fù)載為Y連接時(shí)可構(gòu)成三相四線制，如圖2-2(b)所示。三相四線方式時(shí)，流過各相負(fù)載的電流等于各相電源流過的電流。當(dāng)電路為對(duì)稱三相電路時(shí)，中線電流為零。此時(shí)中線可以去掉，變?yōu)槿嗳€制。圖2-2三相負(fù)載連接圖有功功率測(cè)量方法目前，應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的各種智能測(cè)量?jī)x表、監(jiān)控裝置和綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，采樣計(jì)算式測(cè)量方法主要分為兩類：直流采樣法和交流采樣法。直流采樣法，即采樣的是經(jīng)過變換后的直流量。采用直流采樣法通常是通過測(cè)量平均值來計(jì)算電壓、電流有效值的。此方法軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、計(jì)算方便，對(duì)采樣值只需作比例變換即可得到被測(cè)量的數(shù)值。但是直流采樣方法存在一些問題，如：測(cè)量準(zhǔn)確度直接受整流電路的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的影響；整流電路參數(shù)調(diào)整困難,而且受波形因數(shù)的影響較大等。當(dāng)被測(cè)信號(hào)為純粹弦量時(shí),有效值與平均絕對(duì)值之間的關(guān)系為：=1.11。當(dāng)輸入信號(hào)中含有諧波時(shí),與之間的關(guān)系將發(fā)生變化,并且諧波含量不同，兩者之間的關(guān)系也不同，這將給計(jì)算結(jié)果帶來誤差。目前，隨著非線性負(fù)載應(yīng)用的增多，產(chǎn)生大量的高次諧波電流，使得電壓、電流波形發(fā)生了很大的畸變，這樣一來，采用直流采樣方法就會(huì)帶來較大的誤差。交流采樣是按一定規(guī)律對(duì)被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，再用一定的數(shù)值算法求得被測(cè)量的值，它與直流采樣的差異是用軟件功能代替硬件功能。1974年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局將計(jì)算機(jī)采樣數(shù)值計(jì)算用于精密測(cè)量領(lǐng)域,研制出第一臺(tái)用采樣方法的數(shù)字式瓦特表。從此，這種采樣計(jì)算式的周期信號(hào)的測(cè)量方法，在國(guó)際上獲得了人們廣泛的研究興趣。2.2有功功率測(cè)量原理概述以下以A相為例，設(shè)在t時(shí)刻負(fù)載兩端的交流電壓和流過負(fù)載的交流電流的表達(dá)式為〔2.3〕〔2.4〕式中：—電壓峰值，—電流峰值，U—電壓有效值，I—電流有效值，—電壓與電流相位差，—角頻率。如果電壓、電流的有效值及相位差，那么負(fù)載上消耗的瞬時(shí)功率為：〔2.5〕A相的有功功率可以定義為瞬時(shí)功率在的一個(gè)周期內(nèi)的平均值〔2.6〕式中：T—正弦周期，。那么三相總的有功功率是〔2.7〕在實(shí)際中，負(fù)載是不斷變化的，無法快速而準(zhǔn)確的得到每個(gè)周期內(nèi)的電壓有效值、電流有效值，以及電壓向量和電流向量的相位差，所以無法按式〔2.6〕直接求得有功功率。電參數(shù)的測(cè)量方式有電解式、感應(yīng)式、電子式，目前在實(shí)際應(yīng)用中最常用的為電子式。有功功率表一般都要經(jīng)過電壓電流分別采樣，然后對(duì)兩者相乘，再進(jìn)行累加。對(duì)于相乘所使用的乘法器是有功功率表的重要部件。電子式電參數(shù)測(cè)量單元的乘法器一般可分為模擬乘法器和數(shù)字乘法器兩類。根據(jù)本次設(shè)計(jì)選用方案，對(duì)數(shù)字乘法器原理進(jìn)行介紹?！?】數(shù)字乘法器型有功功率表以微處理器為核心，對(duì)輸入的交流電壓、電流波形進(jìn)行分時(shí)采樣，將經(jīng)過取樣變換的被測(cè)電壓信號(hào)和電流信號(hào)由A/D轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字化處理，然后由CPU對(duì)電壓、電流數(shù)字量進(jìn)行相乘、相加等處理和運(yùn)算，得到有功功率。數(shù)字乘法器實(shí)現(xiàn)有功功率測(cè)量的測(cè)量精度主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)確度和采樣間隔的大小，直接決定有功功率表的精度和準(zhǔn)確度。A/D轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)確度越高，那么測(cè)量準(zhǔn)確度越高；采樣的間隔越小，采樣頻率越高，那么測(cè)量準(zhǔn)確度越高，從而對(duì)有功功率的測(cè)量更準(zhǔn)確?！?】利用作圖法可求得一個(gè)周期內(nèi)各采樣點(diǎn)的功率，如圖2—3所示。從圖2—3可以看到各采樣點(diǎn)功率為：〔2.8〕一個(gè)周期內(nèi)的平均功率為：〔2.9〕式(2.9)是一個(gè)數(shù)值計(jì)算公式，可以由微處理器完成。這種方法通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(也稱A/D轉(zhuǎn)換器)把交流電壓、電流模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。利用高精度A/D轉(zhuǎn)換器，增加采樣次數(shù)可以將有功功率計(jì)算得很準(zhǔn)確。圖2-3分時(shí)采樣與采樣點(diǎn)功率數(shù)字乘法器的關(guān)鍵器件為A/D轉(zhuǎn)換器，由它把交流電壓、電流模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。所有的A/D轉(zhuǎn)換器的工作過程都是由三個(gè)根本轉(zhuǎn)換過程組成的，即采樣、量化和編碼。數(shù)字型乘法器的實(shí)現(xiàn)電路可由單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、多路模擬開關(guān)和顯示器等局部組成，這是所謂的分立電能計(jì)量方案。但是，這種電路的硬件局部元件多、體積較大；而其軟件也較復(fù)雜，目前，實(shí)際應(yīng)用中根本沒這個(gè)方案。由于今年來集成電路技術(shù)的開展與工藝技術(shù)水平的提高，專用的集成計(jì)量芯片開發(fā)變得比擬容易。一些基于數(shù)字乘法器原理的電能計(jì)量芯片被開發(fā)出來。目前，此類產(chǎn)品種類較豐富，得到大量應(yīng)用?！?】第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)硬件是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的根底，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先是硬件的設(shè)計(jì)。硬件局部總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示：三相電源輸入三相電源輸入電壓互感器及前端采樣濾波電路電流互感器及前端采樣濾波電路計(jì)量芯片電路ATT7082BA/D轉(zhuǎn)化器A/D轉(zhuǎn)換器單片機(jī)鍵盤顯示電源時(shí)鐘RS-485存儲(chǔ)圖3-1系統(tǒng)框圖本設(shè)計(jì)的有功功率表主要包含電源模塊、采樣計(jì)量模塊、通信模塊、存儲(chǔ)模塊、微控制器及顯示模塊等。微控制器AT89C55是控制核心，它協(xié)調(diào)控制各個(gè)功能模塊的工作。本設(shè)計(jì)出于對(duì)精度、可靠性等方面的考慮，采用單片機(jī)為主體，配以專用計(jì)量芯片來檢測(cè)電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)有功功率的測(cè)量。它的工作過程是把被測(cè)交流電壓、電流信號(hào)經(jīng)過電壓、電流互感器變換成交流小電流信號(hào)，信號(hào)調(diào)理模塊采用I/V轉(zhuǎn)換電路把它變換成-4.5～4.5v的交流電壓信號(hào)，再進(jìn)行濾波。采樣模塊按事先確定的采樣間隔對(duì)信號(hào)調(diào)理模塊的輸出進(jìn)行采樣，采樣值進(jìn)行A/D變換后存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，等采樣完預(yù)先確定的采樣點(diǎn)數(shù)后采樣過程結(jié)束，CPU對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。根據(jù)第二章中的算法，計(jì)算出有功功率，處理結(jié)果可以在液晶顯示器上顯示，也可以通過通訊模塊傳送到上位機(jī)。3.2計(jì)量電路模塊計(jì)量電路是電能表計(jì)量的核心，其主要有衰減網(wǎng)絡(luò)和濾波網(wǎng)絡(luò)兩局部組成，衰減網(wǎng)絡(luò)用來實(shí)現(xiàn)負(fù)荷電流、電壓信號(hào)的衰減，由電流傳感器、電壓互感器組成；濾波網(wǎng)絡(luò)用來實(shí)現(xiàn)抗混疊濾波，由電阻、電容元器件組成。頻率混疊是A/D信號(hào)采樣處理中的特有現(xiàn)象，混疊會(huì)產(chǎn)生假頻率假信號(hào)，影響測(cè)量結(jié)果，所以在負(fù)荷電流、電壓信號(hào)衰減后，還要進(jìn)行抗混疊濾波處理。【4】計(jì)量電路模塊選擇ATT7022B。ATT7022B是一款高精度三相電專用計(jì)量芯片，它集成了六路數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中三路用于三相電壓采樣，三路用于三相電流采樣。并提供一個(gè)SPI接口,方便與外部MCU之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)的傳遞。高精度三相電能計(jì)量芯片ATT7022B是計(jì)量電路主要的數(shù)據(jù)處理單元，它將檢測(cè)來的電壓和電流信號(hào)經(jīng)過處理并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于自身的存儲(chǔ)單元內(nèi)。本設(shè)計(jì)中電壓通道Un對(duì)應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入選在0.5v左右，電流通道Ib對(duì)應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入選在0.1v左右。計(jì)量電路設(shè)計(jì)如圖3-2示。圖3-2計(jì)量電路原理電力線中的電信號(hào)輸入到電能表中的有A相、B相、C相三相電流和三相電壓，它們分別連接到計(jì)量芯片ATT7022B中相應(yīng)的模擬輸入引腳。ATT7022B的模擬輸入引腳分別為V1P/V1N、V2P/V2N、V3P/V3N、V4P/V4N、V5P/V5N、V6P/V6N、V7P/V7N。電流輸入通道A相、B相、C相電流信號(hào)正負(fù)模擬輸入引腳分別為V1P/V1N、V3P/V3N、V5P/V5N，電流信號(hào)經(jīng)過處理后從這些引腳進(jìn)入到ATT7022B中。以A相為例，它的電流信號(hào)的流向?yàn)椋弘娏餍盘?hào)經(jīng)過電流互感器CT后處理為電壓小于1.5V的信號(hào)，即適合輸入到V1P、V1N的電壓幅度，然后通過電阻、電容構(gòu)成的RC濾波器濾波，再經(jīng)過兩對(duì)倒置開關(guān)二極管組成的電壓保護(hù)電路，最后才成為輸入的電流。為了減少低電流負(fù)荷時(shí)電流互感器檢測(cè)的誤差，本課題的設(shè)計(jì)采用雙變比電流互感器，即高變比150(250)/5A和低變比30(50)/5A。當(dāng)電源低于額定負(fù)荷的20%時(shí)，采用低變比電流互感器檢測(cè)電路，否那么采用高變比電流互感器檢測(cè)電路。這一轉(zhuǎn)換過程首先是微控制器AT89C55和ATT7022B進(jìn)行通信，時(shí)刻檢測(cè)負(fù)荷功率，從而判斷并通過P3.3引腳控制多路模擬開關(guān)CD4053，通過參考CD4053真值表3-1，可以得出當(dāng)P3.3為低電平時(shí)，選通ax、bx、cx，當(dāng)P3.3為高電平時(shí)，選通ay、by、cy。INH輸入端輸入“1”電平時(shí)，全部通道置于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)INH輸入端輸入“0”電平時(shí)，全部通道置于開通狀態(tài)。其中B相、C相電流電壓采樣電路均和A相電路相同。表3-1COD4053真值表禁止端INH控制端通道選擇1ABC﹉﹉﹉0000axbxcx0111aybycy電壓輸入通道A相、B相、C相電壓信號(hào)正負(fù)模擬輸入引腳分別為V2P/V2N、V4P/V4N、V6P/V6N，電壓信號(hào)經(jīng)過處理后從這些引腳進(jìn)入到ATT7022B中。以A相為例，電壓信號(hào)經(jīng)過電壓互感器PT后處理為電壓小于1.5V的信號(hào)，即適合輸入到V2P、V2N引腳的電壓幅度，然后通過電阻、電容構(gòu)成的RC濾波器濾波，再經(jīng)過兩對(duì)倒置開關(guān)二極管組成的電壓保護(hù)電路，最后才進(jìn)入到V2P和V2N中。3.3數(shù)據(jù)管理模塊微控制器有功功率表的設(shè)計(jì)首先考慮的是精確，另一個(gè)要素是可靠，需要長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行，有功功率表投入使用后由于它自身的實(shí)際情況，維護(hù)起來手續(xù)多、范圍廣、難度大，因此設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)就是盡可能地使系統(tǒng)長(zhǎng)期精確、穩(wěn)定可靠地工作，而且能夠免于經(jīng)常性的維護(hù)。其次，有功功率表的可擴(kuò)展性也是一個(gè)需要考慮的因素，電表技術(shù)還在不斷地開展，用戶的需求也在不斷增加，為以后的需求留下一定的空間也是設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。再次，有功功率表的性能、硬件本錢應(yīng)該定位在適用的范圍內(nèi)，本錢也是需要考慮的一個(gè)重要問題?；谏鲜隹紤]，本電能表的核心微控制器選擇Atmel公司的AT89C55。微控制器AT89C55是一種低功耗、高性能CMOS-8位微控制器，具有20K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89C55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。其具有的標(biāo)準(zhǔn)功能有：20K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89C55可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(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。AT89C55是有功功率表工作運(yùn)行的核心，其主要功能有：(1)從ATT7022B讀取測(cè)量數(shù)據(jù)并處理；(2)和DS32C35通信，存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)及異常記錄并讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘；(3)將相應(yīng)數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上；(4)提供串口通信。3.3.2存儲(chǔ)時(shí)鐘芯片實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)采用DS32C35，它是(8kx8位)的非易失FRAM存儲(chǔ)器，是業(yè)界精度最高的RTC。DS32C35的RTC采用雙電源供電模式，VCC為主電源輸入，VBAT為備份電源輸入。其供電模式選擇是有溫度補(bǔ)償參考電壓和比擬電路所控制，當(dāng)VCC>VPF時(shí)，由VCC向RTC供電；當(dāng)VCC<VPF但VCC>VBAT時(shí)，同樣由VCC向RTC供電；當(dāng)VCC<VPF且VCC<VBAT時(shí)，由VBAT向RTC供電。RTC有12個(gè)存放器，其中有7個(gè)存放器與日歷、時(shí)鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式。此外，RTC還有年份存放器、控制存放器、充電存放器、時(shí)鐘突發(fā)存放器，時(shí)鐘突發(fā)存放器可一次性順序讀寫除充電存放器外的所有存放器內(nèi)容。時(shí)鐘的運(yùn)行和停止由0Eh單元EOSC控制，當(dāng)EOSC＝1時(shí)，時(shí)鐘停止；EOSC=0時(shí)，時(shí)鐘運(yùn)行。本有功功率表的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元采用DS32C35的FRAM區(qū)域。存儲(chǔ)電路存儲(chǔ)電路中，微處理器AT89C55是處理核心，電路中包括兩種通信協(xié)議：SPI和IIC。ATT7022B內(nèi)部集成的SPI串行通信接口采用附屬方式工作，使用兩條控制線和兩條數(shù)據(jù)線：CS、SCLK、DIN和DOUT，具體引腳功能可參考表3-2。考慮到SPI傳輸信號(hào)線有可能受到干擾或者出現(xiàn)抖動(dòng)，為此在SPI信號(hào)線上串聯(lián)一個(gè)10Ω小電阻，這個(gè)電阻與電容C結(jié)合起來可構(gòu)成一個(gè)低通濾波器，可以消除SPI接口信號(hào)上的任何振蕩，和微控制器的連接圖如3-3所示。存儲(chǔ)電路如圖3-4所示，SCL引腳與AT89C55的P1.6相連，SDA引腳與AT89C55的P1.7相連，兩引腳均接有10k上拉電阻，VCC接有濾波電容，VBAT接有3.0V后備電池。其存儲(chǔ)過程，首先是AT89C55通過SPI接口從ATT7022B的到相應(yīng)數(shù)據(jù)，并作相應(yīng)的處理，然后經(jīng)過IIC通信接口寫到DS32C35的FRAM區(qū)域。其中DS32C35具有連續(xù)讀寫的功能，從而大大提高了通信速度。表3-2引腳標(biāo)示特性功能描述35輸入CSSPI片選信號(hào)，低電平有效，內(nèi)部上拉200K電阻36輸入SCLKSPI串行時(shí)鐘輸入，上升沿放數(shù)據(jù)，下降沿取數(shù)據(jù)37輸入DINSPI串行數(shù)據(jù)輸入，內(nèi)部下拉200K電阻38輸出DOUTSPI串行數(shù)據(jù)輸出，CS為高時(shí)高阻輸出圖3-3連接電路圖3-4存儲(chǔ)時(shí)鐘電路3.4微處理器外圍及顯示電路本有功功率能表采用的微處理器AT89C55為貼片式芯片，其外圍R1與C1組成微處理器的上電復(fù)位電路，U4為微處理器正常工作的外置晶振，頻率為12MHz。其中J1、J2、J3為三個(gè)功能按鍵。三個(gè)功能按鍵J1、J2、J3的功能為：J1：按下顯示當(dāng)前有功功率。J2：按下顯示故障記錄。J3：按下進(jìn)行數(shù)據(jù)的清零。本設(shè)計(jì)顯示電路包含LCD液晶顯示局部和LED報(bào)警指示局部。其中LCD是主要的電能顯示屏，采用WH2004A高清晰字符液晶模塊，可提供有功功率、異常記錄、日期及時(shí)間的顯示；LED用于電表異常報(bào)警指示，包括斷相、錯(cuò)相等報(bào)警。液晶屏WH2004A為20字符×4行的顯示內(nèi)容，液晶模塊共有16個(gè)引腳，分別為：(1)Vcc:電源輸入引腳，接+5V。(2)CV:LCD驅(qū)動(dòng)電壓(可調(diào)，一般為0V)。(3)GND:接地端。(4)E:輸入引腳。讀操作時(shí)，信號(hào)下降沿有效；寫操作時(shí)，高電平有效。(5)RS：輸入引腳。RS=0，當(dāng)MCU進(jìn)行讀模塊操作，指向地址計(jì)數(shù)器；當(dāng)MCU進(jìn)行寫模塊操作，指向指令存放器；RS=1，無論MCU進(jìn)行讀操作還是寫操作，均指向數(shù)據(jù)存放器。(6)PW:輸入引腳。RW＝0，寫操作；RW＝1，讀操作。(7)DB0～DB7:8位I/O口，MCU與LCD模塊之間的數(shù)據(jù)傳送通道。RS、RW、E為控制引腳，分別與微控制器的P2.1、P2.2、P2.3相連接；DB0~DB7為數(shù)據(jù)傳送引腳，與微控制器的P0口相連接，數(shù)據(jù)線均連有上拉電阻。數(shù)據(jù)通過P0口以ASCII碼形式傳送并寫入到LCD的內(nèi)部存放器DDRAM，在傳送之前首先是LCD的忙檢測(cè)，通過DB7，即只有讀到DB7引腳為低電平時(shí)才可往LCD寫入數(shù)據(jù)。整個(gè)外圍連接及顯示電路如圖3-5所示。圖3-5微處理器外圍及顯示電路3.5通信模塊RS-485通信協(xié)議RS-485是一種串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，是由電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)于1983年制訂并發(fā)布的。本設(shè)計(jì)的通信局部基于本錢，多節(jié)點(diǎn)測(cè)試以及傳輸距離的角度考慮，選擇RS一485作為通信方式。RS一485是RS一422的變型，是自動(dòng)化領(lǐng)域適應(yīng)分布式控制系統(tǒng)的開展的需求開展起來的一種適合遠(yuǎn)距離的數(shù)字通信總線。采用差分式接收數(shù)據(jù)和驅(qū)動(dòng)總線。RS一485標(biāo)準(zhǔn)允許在電路中有多個(gè)收發(fā)器，節(jié)點(diǎn)數(shù)量與RS一485器件性能有關(guān)【5】。RS-485是雙向、半雙工通信協(xié)議，即允許多個(gè)發(fā)送器和發(fā)送器連接到同一條總線上，其中每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都能脫離總線。該標(biāo)準(zhǔn)滿足所有RS-422要求，而且比RS-422穩(wěn)定性更強(qiáng)，具有更高的接收器輸入阻抗和更寬的共模范圍(-7V至+12V)。同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此根底上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。RS-485數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對(duì)雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B，根據(jù)A線和B線之間的電壓差判斷數(shù)據(jù)的“0”、“1RS-485通信電路RS485的通信接口是由MAX485芯片構(gòu)成，通信方式上采用了半雙工方式，即指令和數(shù)據(jù)的傳送都采用應(yīng)答方式，為了防止工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾，和對(duì)電表的保護(hù)，RS485通信接口和電表內(nèi)部電路實(shí)行光電隔離。它使通信總線上的節(jié)點(diǎn)之間沒有電氣上的連接，提高了各個(gè)節(jié)點(diǎn)工作的可靠性．一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，防止整個(gè)系統(tǒng)陷入癱瘓。常用的光電隔離方法是將微控制器UART串口的RXD、TXD通過光電隔離電路連接MAX485芯片的RO、DI引腳，控制信號(hào)R/D同樣經(jīng)光電隔離電路去控制MAX485芯片的DE和/RE引腳。RS-485通信電路如圖3-6所示。應(yīng)用層協(xié)議那么規(guī)定了通信雙方的交互方式、命令格式、從機(jī)地址以及錯(cuò)誤校驗(yàn)等方面的內(nèi)容，常用的應(yīng)用層協(xié)議有Modbus協(xié)議，Modbus協(xié)議是應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的一種通用協(xié)議。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)〔例如以太網(wǎng)〕和其它設(shè)備之間可以通信，Modbus協(xié)議已經(jīng)成為一種通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。Modbus協(xié)議具有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。用RTU模式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是8位二進(jìn)制字符，如果想要轉(zhuǎn)換為ASCII模式，那么每個(gè)RTU字符首先應(yīng)分為高位和低位兩局部，這兩局部各含4位，然后轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制等量值，用以構(gòu)成報(bào)文的ASCII字符都是十六進(jìn)制字符。本系統(tǒng)的電能表采用了RTU模式作為后臺(tái)監(jiān)控程序與儀表之間的通信方式。圖3-6RS-485通信電路RS-485接口芯片MAX485本系統(tǒng)選擇MAX485芯片作為收發(fā)器。功能如下：(1)R0，接受其輸出。(2)RE，接受器輸出使能。RE=1時(shí)，允許接受器輸出；RE=0時(shí)，接受器輸出被禁止，R0為高阻。(3)DE，驅(qū)動(dòng)器輸出使能。DE=1時(shí)，允許驅(qū)動(dòng)器工作；DE=0時(shí),驅(qū)動(dòng)器被禁上。(4)DI，驅(qū)動(dòng)器輸入，DI為低，那么使輸出A為低，輸出B為高。(5)GND，接地。(6)A，接受器非反向輸入和驅(qū)動(dòng)器非反相輸出端。(7)B，接收器反相輸入和驅(qū)動(dòng)器反向輸出端。(8)Vcc，電源引腳。光電隔離在本系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，電能表是通過RS-485總線和上位機(jī)相連，這樣外部的干擾就有可能通過RS-485接口進(jìn)入系統(tǒng)中，為了防止這種情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)中通過光耦將信號(hào)隔離，用來消除干擾的影響。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)，它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用。光耦合器一般由三局部組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，讓它發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力?！?】如圖3-6所示，本系統(tǒng)中用了光耦合器加在MAX485芯片和單片機(jī)89C55之間，來進(jìn)行電氣隔離，消除干擾的影響。3.6電源電路電源是有功功率表工作的根本條件，為使電源不影響有功功率表計(jì)量準(zhǔn)確性、可靠性等，必須對(duì)電源局部進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)中，有功功率表是工作在不間斷電源供電狀態(tài)下，其中系統(tǒng)電源模塊由主電源和后備電源兩局部組成。主電源設(shè)計(jì)主電源電路是一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的電源電路，通過降壓，整流，穩(wěn)壓，濾波四個(gè)環(huán)節(jié)，得到5V的直流電壓。主電源模塊由變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四局部組成，其中整流電路采用整流橋集成模塊，穩(wěn)壓電路采用7805集成電路模塊，如圖3-7所示。先是將電源電壓經(jīng)過電源變壓器進(jìn)行電壓變換，使變壓器次級(jí)電壓的有效值與所需直流電壓±5V相近，以便整流、濾波等后續(xù)電路處理。然后再經(jīng)過整流橋?qū)⑺玫恼医涣麟娮儞Q成單向脈動(dòng)的直流電。但這個(gè)單向脈動(dòng)電壓含有很大的紋波成分，距離理想的直流電壓還差的很遠(yuǎn)，不能直接使用。接著上面的單向脈動(dòng)電壓進(jìn)入主要由電容組成的濾波電路，它盡可能地將單向脈動(dòng)電壓里的交流成分濾掉，保存直流成分，盡可能地使直流電壓變得平滑。后面的穩(wěn)壓電路那么是起穩(wěn)壓的作用，使得這個(gè)電源電路能夠提供穩(wěn)定的直流電源，防止在輸入電源發(fā)生波動(dòng)或者負(fù)載發(fā)生變化的時(shí)候電壓不穩(wěn)定。電源模塊的穩(wěn)壓電路采用的是集成三端穩(wěn)壓器。其中7805提供+5V直流電。電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78××系列和負(fù)電壓輸出的79××系列。顧名思義，三端元件是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。用78/79系列三端穩(wěn)壓元件來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格廉價(jià)。該系列集成穩(wěn)壓元件型號(hào)中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如該設(shè)計(jì)使用的7805表示輸出電壓為正5V。78系列的穩(wěn)壓集成塊的極限輸入電壓是36V，最低輸入電壓為輸出電壓的3-4V以上。圖3-7隔離主電源電路備用電源設(shè)計(jì)雖然備用電源可以采用可充電電池等方案，但是由于這里所需要的電量并不是很大，持續(xù)時(shí)間也不需要很長(zhǎng)，只需要完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)即可。這里選擇了大電容作為備用電源這一方案。選擇了在穩(wěn)壓后端與單片機(jī)電源端直接并聯(lián)了一個(gè)達(dá)22000uF的大電容電解電容。如圖3-8所示。同時(shí)，為平安起見，在單片機(jī)的電源輸入端還串入了一個(gè)低正向壓降的二極管〔1N5820〕來進(jìn)行穩(wěn)壓。圖3-8備用電源電路3.7本章小結(jié)本章首先給出了硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的布局和功能。并對(duì)電能表所使用的芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能作了總結(jié)，同時(shí)對(duì)整個(gè)硬件系統(tǒng)所包含的硬件電路作了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，介紹了基于89C55單片機(jī)的高精度有功功率表的硬件設(shè)計(jì)，其中包括計(jì)量電路、存儲(chǔ)電路、微處理器外圍、通信接口電路等，從工作原理，連接特點(diǎn)，功能描述等方面詳細(xì)地作了分析，引導(dǎo)出硬件設(shè)計(jì)的新理念。第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)來說，功能的實(shí)現(xiàn)除了硬件電路之外，軟件處理也是相當(dāng)重要的。如果說硬件是系統(tǒng)的框架的話，軟件就是系統(tǒng)的靈魂。當(dāng)系統(tǒng)的硬件電路確定以后，硬件的所有功能都是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的，軟件的執(zhí)行效率也直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的效率。有功功率表的軟件系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的控制、指揮中心，因此要優(yōu)化軟件結(jié)構(gòu)和控制算法，編制高效率的軟件，并要仔細(xì)、反復(fù)地進(jìn)行論證，考慮各個(gè)方面的因素，使控制算法正確、可靠，這才是軟件設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一。4.1系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的根本方法單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)特點(diǎn)系統(tǒng)軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)的，一般地講，軟件的功能可以分為兩大類。一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實(shí)質(zhì)性的功能，如測(cè)量、計(jì)算、顯示、打印、輸出控制等；另一類是監(jiān)控軟件，它是專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系，在系統(tǒng)軟件中充當(dāng)組織調(diào)度角色。在軟件開發(fā)中，特別是基于MCU的程序設(shè)計(jì)，一般具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)功能模塊化。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，把通用的程序或者中斷效勞程序?qū)嵭心K化，既便于調(diào)試、鏈接，又便于移植。(2)實(shí)時(shí)性。工業(yè)控制系統(tǒng)根本都是實(shí)時(shí)控制，因此程序設(shè)計(jì)的首要要求就是實(shí)時(shí)性，即能夠在對(duì)象允許的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制計(jì)算和處理。在實(shí)時(shí)性要求高的系統(tǒng)中，一般使用匯編語言設(shè)計(jì)程序，而且對(duì)多個(gè)處理任務(wù)實(shí)行中斷嵌套或者多重中斷。(3)針對(duì)性。單片機(jī)控制的系統(tǒng)程序最大特點(diǎn)就是要有較強(qiáng)的針對(duì)性，即每個(gè)控制程序都是根據(jù)一個(gè)具體系統(tǒng)的要求來設(shè)計(jì)。(4)可靠性。程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的功能是程序設(shè)計(jì)的根本要求，系統(tǒng)的可靠性那么是關(guān)鍵，只有系統(tǒng)的可靠性高才能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行?！?】系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)流程單片機(jī)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)編寫，一般采取以下幾個(gè)步驟：(1)分析問題。明確所有要解決的問題，將軟件分成各個(gè)獨(dú)立的局部，根據(jù)功能關(guān)系和時(shí)序關(guān)系設(shè)計(jì)出合理的軟件總體結(jié)構(gòu)。(2)建立正確的數(shù)據(jù)模型。根據(jù)功能要求描述各個(gè)輸入和輸出變量的數(shù)學(xué)關(guān)系。(3)制定程序框圖。根據(jù)所選的數(shù)據(jù)模型制定程序執(zhí)行的步驟和順序，并繪制程序框圖。(4)合理分配系統(tǒng)資源。系統(tǒng)資源主要是單片機(jī)的內(nèi)部資源或者是外擴(kuò)資源。(5)編寫指令。在編寫過程中，在程序的相關(guān)位置可以寫上注釋，提高程序可讀性。(6)程序調(diào)試。反復(fù)執(zhí)行程序，排除設(shè)計(jì)中的所有錯(cuò)誤。(7)程序優(yōu)化。使各個(gè)功能程序模塊化，縮短程序長(zhǎng)度，減少執(zhí)行時(shí)間。【8】4.2主程序總體設(shè)計(jì)有功功率表系統(tǒng)通過軟件設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)有功功率實(shí)時(shí)計(jì)量、異常情況監(jiān)測(cè)、時(shí)鐘顯示等主要功能。實(shí)時(shí)有功功率計(jì)量包括峰時(shí)和谷時(shí)有功功率計(jì)量。異常情況監(jiān)測(cè)主要包括是否有反向功率、是否發(fā)生斷相、是否發(fā)生相序錯(cuò)，當(dāng)有以上的異常發(fā)生時(shí)，有功功率表系統(tǒng)便報(bào)警，并存儲(chǔ)此異常情況的數(shù)據(jù)。時(shí)鐘功能提供應(yīng)有功功率表系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)間。程序設(shè)計(jì)中主要有查詢和中斷兩種方式。本設(shè)計(jì)軟件采用中斷的設(shè)計(jì)方法，設(shè)置了多個(gè)鍵盤中斷，通過鍵盤中斷實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的各個(gè)主要功能。系統(tǒng)復(fù)位啟動(dòng)以后，經(jīng)過自檢和一系列的初始化以后，系統(tǒng)開始循環(huán)等待中斷的產(chǎn)生，也就是說系統(tǒng)的主要功能都表達(dá)在中斷效勞子程序上。有功功率表系統(tǒng)的程序中主程序是最重要的局部，它決定了整個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)的功能、步驟等，因此，主程序的好壞決定了整個(gè)程序的質(zhì)量。在本設(shè)計(jì)中，主程序主要實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)上電復(fù)位后開始運(yùn)行的各局部初始化，使系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，這些初始化完成后，系統(tǒng)顯示計(jì)量到的峰時(shí)的有功功率數(shù)據(jù)、谷時(shí)的有功功率數(shù)據(jù)。主程序流程圖如圖4-1所示。開始開始系統(tǒng)上電復(fù)位MCU初始化LCD初始化DS1302初始化有功功率計(jì)量結(jié)束圖4-1主程序流程圖實(shí)時(shí)有功功率計(jì)量可以檢測(cè)當(dāng)前的有功功率，進(jìn)行實(shí)時(shí)功率計(jì)量時(shí)，首先判斷當(dāng)前是峰時(shí)還是谷時(shí)，即判斷當(dāng)前負(fù)荷是否大于或等于額定負(fù)荷的20%，如果是峰時(shí)，那么在讀取ATT7022B中的有功功率之后，顯示當(dāng)前時(shí)間是峰時(shí)，并顯示讀取到的有功功率數(shù)據(jù)，相對(duì)應(yīng)的，如果是谷時(shí)，那么在讀取ATT7022B中的有功功率之后，顯示當(dāng)前時(shí)間是谷時(shí)，并顯示讀取到的有功功率數(shù)據(jù)。有功功率計(jì)量程序流程圖如圖4-2所示?！?】開始開始當(dāng)前負(fù)荷是否大于或等于額定負(fù)荷的20%？讀取ATT7022B中的有功功率數(shù)據(jù)調(diào)用LCD程序顯示實(shí)時(shí)峰時(shí)有功功率結(jié)束讀取ATT7022B中的有功功率數(shù)據(jù)調(diào)用LCD程序顯示實(shí)時(shí)谷時(shí)有功功率YN圖4-2實(shí)時(shí)有功功率計(jì)量流程圖4.3異常情況監(jiān)測(cè)在有功功率表運(yùn)行過程中，不能排除意外發(fā)生的可能性，因此，當(dāng)有異常情況出現(xiàn)時(shí)，對(duì)異常情況的監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要，它不但可以對(duì)異常情況進(jìn)行檢測(cè)、判斷，而且可以對(duì)異常情況出現(xiàn)的時(shí)刻、持續(xù)時(shí)間、次數(shù)等重要數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，這對(duì)處理這些異常情況，使電能表數(shù)據(jù)恢復(fù)正常運(yùn)行非常有幫助，而且增加了有功功率表系統(tǒng)的可維護(hù)性。對(duì)異常情況進(jìn)行的監(jiān)測(cè)主要有以下幾種情況：是否有反向功率，是否發(fā)生斷相，是否發(fā)生相序錯(cuò)。通過微控制器讀取ATT7022B的功能存放器，如標(biāo)志狀態(tài)存放器，可以判斷出A相、B相、C相是否失壓，以及三相電壓、電流相序是否正確；功率方向判斷存放器，可以指示A/B/C合相的有功功率方向，其對(duì)應(yīng)的負(fù)功率指示REVP，當(dāng)檢測(cè)到三相中任意一相的有功功率為負(fù)，那么REVP輸出高電平，直到下次檢測(cè)到所有相的有功功率都為正時(shí)，REVP才恢復(fù)為低電平。當(dāng)檢測(cè)到輸入電源異常發(fā)生時(shí)，微處理器就會(huì)將異常發(fā)生時(shí)的時(shí)間記錄在DC32C35的相應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)，并通過P2.4引腳LED報(bào)警。異常情況監(jiān)測(cè)流程圖如圖4-3所示。開始開始功率是否為負(fù)是否發(fā)生斷相是否發(fā)生相序錯(cuò)報(bào)警并處理報(bào)警并處理報(bào)警并處理YYYNNN結(jié)束圖4-3異常情況監(jiān)測(cè)流程圖4.4按鍵中斷模塊有功功率表系統(tǒng)的一些功能是通過鍵盤中斷實(shí)現(xiàn)的，因此鍵盤中斷程序是系統(tǒng)程序中的重要組成局部。鍵盤模塊共有3個(gè)按鍵，實(shí)現(xiàn)不同的功能：J1鍵按下進(jìn)行有功功率計(jì)量有功功率計(jì)量包括峰時(shí)有功功率和谷時(shí)有功功率。J2鍵按下顯示故障和異常情況記錄J3鍵按下將數(shù)據(jù)清零每個(gè)鍵按下顯示停留30秒后，重新回到不按鍵時(shí)的狀態(tài)。鍵盤中斷模塊流程圖如圖4-4所示。開始開始開啟鍵盤中斷判斷哪個(gè)按鍵發(fā)生按鍵中斷轉(zhuǎn)入相應(yīng)的按鍵中斷程序返回主程序圖4-4鍵盤中斷模塊流程圖4.5本章小結(jié)本章介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，詳細(xì)地介紹了軟件系統(tǒng)的整體架構(gòu)，然后給出了系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)的功能和程序流程，最后給出了各個(gè)局部的軟件程序。第五章總結(jié)本文研究了有功功率計(jì)量?jī)x表在國(guó)內(nèi)外的開展情況，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)AT89C55的整體方案，并在此方案根底上進(jìn)行了硬件和軟件的設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的有功功率表系統(tǒng)以AT89C55單片機(jī)為核心，采用專用計(jì)量芯片ATT7022B，集檢測(cè)、計(jì)量、控制和通信于一體，能夠廣泛應(yīng)用于各類場(chǎng)所。有功功率表的系統(tǒng)整體框架根本已經(jīng)形成，現(xiàn)將本文的工作總結(jié)如下：(1)完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。采用單片機(jī)+專用計(jì)量芯片的設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了性能和可靠性。微控制器AT89C55是控制核心，它協(xié)調(diào)控制各個(gè)功能模塊的工作。時(shí)鐘電路選用DS1302時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片可接備用電池。顯示模塊采用高清晰LCD，使面板更加美觀。帶有RS-485通信模式，能夠方便的實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換，并且輸入輸出采用光耦隔離，有效地減少了干擾。(2)進(jìn)行了軟件的總體設(shè)計(jì)，采用中斷的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了單片機(jī)的利用率，完成了每個(gè)中斷的效勞子程序設(shè)計(jì)。由于本人學(xué)識(shí)和時(shí)間的問題，在一些方面還存在缺乏之處。如果要完善此設(shè)計(jì)，可以從以下幾個(gè)方面著手：(1)進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的硬件組成和軟件結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性；(2)增加上位機(jī)系統(tǒng)局部，完善上位機(jī)和有功功率表系統(tǒng)的通信接口和程序，真正實(shí)現(xiàn)有功功率表系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。參考文獻(xiàn)張記凱.基于PL3201多功能電能表設(shè)計(jì)[D]:[碩士學(xué)位論文].北京:北京交通大學(xué)交通信息工程系,2007萬全.新型多用戶電子式電能表的研究與設(shè)計(jì):[碩士學(xué)位論文」，長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2004