【正文】 。電子式的復(fù)費率電能表一般使用單片機對電能脈沖進(jìn)行分時段計算處理，同時具有有效的參數(shù)設(shè)定。此多功能復(fù)費率電能表具有如下功能:(1)通過單片機擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲器可以存儲本月、上月、上上月的各月電量，能存儲各月峰時、平時、谷時各時段的用電量，并能通過液晶顯示器顯示各自的數(shù)值；(2)具有欠壓斷電保護(hù)、欠費停電保護(hù)功能；(3)具有在過電壓、過電流和欠壓斷電保護(hù)后用戶自己送電的功能；本次設(shè)計中所設(shè)計的整個電能計量系統(tǒng)主要由電能表構(gòu)成。電能表部分應(yīng)包括電流傳感器、電壓傳感器、電能計量芯片、顯示器件、按鍵開關(guān)時鐘/日歷芯片、看門狗電路、擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器以及用于通斷電控制用的小功率交流開關(guān)。微控制器液晶顯示器按鍵組日歷/時鐘芯片電力線電力線電力線電力線電能計量芯片三態(tài)門供電線路電流互感器電壓互感器晶閘管保護(hù)回路 電能表硬件整體框圖。其中，電能表部分需要電流互感器、電壓互感器把照明電路中的22OV電壓和大電流(10A)變換成電能計量芯片所要求的輸入電壓和輸入電流范圍之內(nèi)。電能計量芯片根據(jù)其內(nèi)部的瞬時電壓和瞬時電流計算瞬時功率，再輸出脈沖驅(qū)動機械式計數(shù)器或者步進(jìn)電機計算用電電量。根據(jù)此方案設(shè)計的復(fù)費率電能表系統(tǒng)的硬件原理在以下幾節(jié)詳細(xì)說明。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機，很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案，： AT89C51主要特性為：　　4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 　　壽命：1000寫/擦循環(huán) 　　數(shù)據(jù)保留時間：10年 　　全靜態(tài)工作：0Hz24MHz 　　三級程序存儲器鎖定 　　1288位內(nèi)部RAM 　　32可編程I/O線 　　兩個16位定時器/計數(shù)器 　　5個中斷源 　　可編程串行通道 　　低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 AT89C51引腳結(jié)構(gòu)圖 AT89C51各主要引腳功能：VCC：供電電壓。 　　GND：接地。 　　P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 　　P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 　　P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 　　P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 　　P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： 　　P3口管腳 備選功能 　　P30 RXD（串行輸入口） 　　P31 TXD（串行輸出口） 　　P32 /INT0（外部中斷0） 　　P33 /INT1（外部中斷1） 　　P34 T0（記時器0外部輸入） 　　P35 T1（記時器1外部輸入） 　　P36 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） 　　P37 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 　　P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 　　RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 　　PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 　　EA/VP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 　　X1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 　　X2：來自反向振蕩器的輸出。在電子式電能表中使用得比較多的電能計量專用芯片有：CS546OA以及AD7755等等。從性能上來比較CS546OA比AD7755增加了如下功能:具有片內(nèi)看門狗定時器與內(nèi)部電源監(jiān)視器；具有瞬時電流、瞬時電壓、瞬時功率、電流有效值、電壓有效值、功率有效值測量及電能計量功能；提供了外部復(fù)位引腳；雙向串行接口與內(nèi)部寄存器陣列可以方便地與微處理器相連接；外部時鐘最高頻率可達(dá)20MHz；具有功率方向輸出指示。這些增加的功能更加便于與微控制器接口，并能方便地實現(xiàn)電壓、電流、功率的測量和用電量累積等功能。據(jù)此選擇CS5460A作為電能計量芯片更能實現(xiàn)各種電參數(shù)的測量。 CS5460A的性能(1)能量數(shù)據(jù)精確度:在1000:%；(2)芯片功能:可以測量電能，IU，、和，具有電能與脈沖轉(zhuǎn)換功能；(3)通過串行EEPROM實現(xiàn)智能“自引導(dǎo)”，不需要微控制器；(4)AC或DC系統(tǒng)校準(zhǔn)；(5)可驅(qū)動機計度器/步進(jìn)馬達(dá)；(6)能量消耗小于12mw；(7)為分流傳感器提供優(yōu)化的接口；(8)具有相補償功能；(9)為單電源提供地參考信號；(10)(最大溫漂60Ppm/)；(11)具有簡單的三線數(shù)字串行接口；(12)具有看門狗定時器，電源監(jiān)視器和電源配置功能。 CS5460A管腳說明CS546OA芯片有24個引腳。各管腳功能說明如下: CS5460A的引腳圖XOUT、XIN:系統(tǒng)時鐘輸出引腳和系統(tǒng)時鐘輸入引腳。，并通過片內(nèi)的分頻單元的分頻得到相應(yīng)的時鐘頻率。另外也可通過 XIN引腳使用外部的CMOS時鐘為CS5460A提供系統(tǒng)時鐘。CPUCLK:片內(nèi)振蕩器輸出引腳。輸出的時鐘頻率可以驅(qū)動一個標(biāo)準(zhǔn)的CMOS負(fù)載。SCLK:串行時鐘輸入引腳。在這個引腳上輸入的時鐘信號確定SDI和SDO引腳上的數(shù)據(jù)輸入輸出速率。在片內(nèi)與此引腳相連的是一個施密特觸發(fā)器，其允許通過具有慢上升時間的信號通過。僅在有效時才識別時鐘信號。SDO:串行數(shù)據(jù)輸出引腳。 :片選引腳。MODE:模式選擇引腳。當(dāng)為邏輯高電平時，CS5460A可在一個外部串行EEPROM的幫助下執(zhí)行自引導(dǎo)功能接收命令和設(shè)置。當(dāng)為邏輯低電平時，CS546OA可與微處理器或微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。此引腳懸空時為低電平。 :中斷輸出引腳。 :電能輸出引腳。 :電能方向指示引腳。當(dāng)電能輸出為負(fù)時此引腳輸出一脈沖。SDI:串行數(shù)據(jù)輸入引腳。VIN+、 VIN:電壓通道的差分模擬輸入引腳。VREFOUT:參考電壓輸出引腳。VREFIN:參考電壓輸入引腳。輸入此引腳的電壓作為調(diào)節(jié)器的參考電壓。IIN+、IIN:電流通道的差分模擬輸入引腳。VD+:正數(shù)字電源。DGND:數(shù)字地。VA+、VA:正模擬電源和負(fù)模擬電源。PFMON:電源故障監(jiān)測引腳。用于監(jiān)控模擬電源。 :復(fù)位引腳。當(dāng)此引腳電平為低時，CS5460A的所有內(nèi)部寄存器都被設(shè)置為缺省值。 CS5460A外圍電路及供電電路設(shè)計 CS5460A外圍電路、供電電路及與AT89C51的接口電路，參考電壓輸入端(VREFIN)和參考電壓輸出端(VREFOUT)，模擬電源負(fù)引腳(VA)也直接接地。這使得片上模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電壓為O伏。根據(jù)單相電子式電能表使用的具體情況在系統(tǒng)時鐘輸出引腳(XOUT)和系統(tǒng)時鐘輸入引腳(XIN)=1的分頻系數(shù)為CS546OA提供系統(tǒng)時鐘。 微控制器AT89C51與CS5460A的接口微控制器AT89C51與Intel系列的80C51微控制器的指令集和管腳兼容，微控制器內(nèi)有4K字節(jié)的可擦寫閃爍只讀程序存儲器和256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器。它具有掉電模式和閑置狀態(tài)兩種工作方式。其工作原理同8031微控制器。由于CS546OA提供了SPI串行接口，減少了單片機的總線使用數(shù)，為微控制器的外圍電路的擴(kuò)展提供了更多的總線。在SPI總線上傳送的數(shù)據(jù)和命令字都是高位在先的方式傳送。、P1P12引腳分別與CS546OA的SDI、SDO、SCLK引腳交換數(shù)據(jù)。CS546OA的片選引腳接地，使其始終保持有效狀態(tài)。另外，使用AT89C51的外部中斷12(INTO)接收CS546OA的電能輸出引腳()輸出的表示電能的脈沖信號，當(dāng)AT89C51接收到一個脈沖時發(fā)生中斷使存放累計電能值的存儲單元的值按一個脈沖所代表的電能數(shù)增加。AT89C51的PP1P12引腳分別與CS5460A的SDI、SDO、SCLK引腳交換數(shù)據(jù)。CS5460A的輸出的低電平信號說明CS5460A發(fā)生了一個激活的事件，單片機AT89C51接收到這個信號就發(fā)生中斷向CS5460A寫入正確地命令字并使CS5460A的變?yōu)檫壿嫺唠娖?。CS5460A的復(fù)位引腳接AT89C51的P14，CS5460A的復(fù)位信號由AT89C51提供。 電源模塊。 由于電能表屬于不間斷工作的電力計量產(chǎn)品，因而其電源電路是其設(shè)計的關(guān)鍵部分之一。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。CS5460A的電源電壓提供方式可以采用外接直流穩(wěn)壓電源供電，或通過變壓器Tl變壓成12V直流電壓后再用分壓的方式供電也可使用鋰電池供電三種方式，從可靠性和實用性來說選擇通過變壓器降壓的方式為CS5460A供電，變壓器Tl變比選擇220V/12V，因此在變壓器的次級可得到12v的交流電壓。變壓器次級接二極管的作用是為后繼電路提供直流電壓(即起全波整流作用)。電