【正文】 ............ 27 4 電能表的軟件設計 .................................................................................. 29 電能表的軟件實現(xiàn) ........................................................................ 29 CS5460A 與單片機的數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)方法 ............................. 29 對日歷 /時鐘 DS1302 的讀寫操作的軟件實現(xiàn) ..................... 33 在電能表中對串行 EEPROM 的讀寫 ................................... 33 矩陣鍵盤鍵功能處理程序 ..................................................... 36 八段數(shù)碼管在電能表中顯示功能實現(xiàn) ................................. 37 打印機驅(qū)動程序 ..................................................................... 38 總結 .............................................................................................................. 40 致謝 .............................................................................................................. 41 參考文獻 ...................................................................................................... 42 基于單片機的智能電表的設計 1 前言 智能電表已經(jīng)開始慢慢取代傳統(tǒng)的電表進行正式使用。智能電表最初的安裝目的是提升遠程抄表、遠程開關等業(yè)務的效率。有了智能電表，每戶的電力需求可以詳細把握，并可以根據(jù)需要只啟動必要數(shù)量的發(fā)電與配電設備。雖然智能電表和智能開關需要成本和安裝費用，但是可以控制對發(fā)電與配電設備 的投資。此外，近年來智能電表控制高峰需求期電力消費量的效果也越來越明顯。電力公司利用智能電表向用戶發(fā)送電力相關信息，從而根據(jù)需求響應減少電力消費量。同時智能開關也給居民們的生活帶去了極大的方便。 作為智能電網(wǎng)中最為基礎的設備之一，智能電表本身的節(jié)能技術也在不斷受到關注。因為智能電表需要使用專用的電池，如果智能電表很耗電，電池的壽命就會縮短，表內(nèi)電池電量不足還會影響計量和用戶用電。 隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各地對于電能需求量也隨之急劇增加，電力已經(jīng)成為國家最重要的能源。但是，當前居民用電的管理過于落后，一直采 用的先用表后抄表再付費的傳統(tǒng)作業(yè)模式。但是這種管理方式，給居民和管理人員帶來諸多不便，而且還存在著一些弊端。為了適應社會的需求，保證用戶安全，方便，合理的用電，對傳統(tǒng)的電表和用電模式進行改造。使之符合社會的發(fā)展需要，所以我選擇了基于單片機的智能電能表的設計?；趩纹瑱C的智能電表的設計 2 1 智能電表的概述 智能電表的定義 所謂智能電表，就是應用計算機技術，通訊技術等，形成以智能芯片 (如 CPU)為核心，具有電功率計量計時、記費、與上位機通訊、用電管理等功能的電度表。智能電表通過用戶交費對智能 IC 卡充值并輸入電表中，電表才能供電 ，表中電量用完后自動拉閘斷電，從而有效地解決上門抄表和收電費難的問題。并對用戶的購電信息實行微機管理，方便進行查詢、統(tǒng)計、收費及打印票據(jù)等。 智能電表的結構分類 目前，國內(nèi)智能電度表從結構上大致可分為機電一體式和全電子式兩大類。機電一體式，即在原機械式電度表上附加一定的部件，使其既能完成所需功能，又能降低造價且易于安裝，一般而言其設計方案是在不破壞現(xiàn)行計量表原有物理結構，不改變其國家計量標準的基礎上加裝傳感裝置變成在機械計度的同時亦有電脈沖輸出的智能電表，全電子式則從計量到數(shù)據(jù)處理都采用以集成電路為 核心的電子器件，從而取消了電表上長期使用的機械部件，與機電一體化電度表相比具有電表體積減小，可靠性增加，更加精確，耗電量減少，并且生產(chǎn)工藝大大改善，不必只在原有意義上的專業(yè)電度表廠生產(chǎn)等優(yōu)越性，最終會取代帶有機械部件的計量表。 機電一體式的電度表 第一類機電結合的電度表，是在原有的機械表的基礎上，加裝電子式計數(shù)裝置和相應的控制、通訊電路，或加上 IC 卡讀寫接口以實現(xiàn)自動計量計費和控制 。其基本結構是在原有機械電度表的轉(zhuǎn)盤上打孔或涂 (貼 )上能吸收光線的材料。這類電度表由于其計量原理沒有改動，其計量精度和特 性與機械表完全一樣，而成本相對較高，其優(yōu)勢在于能充分利用現(xiàn)已安裝使用中的大量的機械電度表，且其計量原理為大眾所基于單片機的智能電表的設計 3 熟悉而容易接受。 另一類機電結合的電度表則是采用電子式計量電路在獲得數(shù)字式脈沖信號后，通過微型電機驅(qū)動字碼轉(zhuǎn)輪得到電能計數(shù) 值，這種結構是最簡潔可行的電子式電度表的方案，但遺憾的是其對計量電路的要求較高，即要求所有的表都按一個固定的比例將電能值轉(zhuǎn)換為對應數(shù)量的數(shù)字脈沖，才能按正確的速度驅(qū)動微電機以轉(zhuǎn)動字輪。這個比例就是所謂的電表常數(shù) (imp/kWh)，由于電路中所用的決定脈沖速度的定時元件大都是 參數(shù)離散性較大的阻容元件，為了保證電度表的計量精度和產(chǎn)品的一致性，就必須在生產(chǎn)過程中加強對元件的篩選和對半成品的調(diào)校，也就是說要增加相應的人力物力的投入并要延長生產(chǎn)周期，從而使電度表的生產(chǎn)費用和成本有所增加。另外這種結構的電度表在數(shù)據(jù)收集和用戶繳費方式上與老式的機械表沒什么區(qū)別，應屬淘汰產(chǎn)品。 全電子式電度表 當前電子式電能表對用戶用電采樣方式主要有兩種形式。一種是用互感器采樣，另一種為直接采樣。采用互感器采樣即利用電壓互感器和電流互感器分別來采集用戶的電壓信號和電流信號 。直接采樣則是用熱穩(wěn)定性高的 電阻分壓網(wǎng)絡來取得電壓信號，而用電阻溫度系數(shù)非常小的錳銅片進 行電流直接采樣。采用互感器采樣，在起動電流、線性范圍、功耗和精度等指標皆不如直接采樣，尤其是小電流時更為突出。 例如：額定電流為 20A 時，直接采樣的啟動電流為 20mA，互感器采樣的啟動電流為 40 mA。又如：采用專用的錳銅片進行直接電流采樣的全電子電能表誤差可調(diào)整到 +%，而采用電流互感器采樣，由于激磁電存在，若不采取補償措施，互感器本身誤 差就可能超過 5%。利用互感器采樣的的優(yōu)點是抗干擾性較強，線路簡單，成本低。 智能電表的工作原理 用戶持 IC 卡到供電部門交款購電，供電部門用售電管理機將購電量寫入 IC 卡中，用戶持 IC 卡在感應區(qū)刷非接觸式 IC 卡 (簡稱刷卡，下同 )，即可合閘供電，供電后將卡拿走。當表內(nèi)剩余電量等于報警電量時，拉閘斷電報警 (或蜂鳴器報警 )，此時用戶在感應區(qū)刷卡即可恢復供電 。當剩余電量為零時，自動拉閘斷電，用戶必須再次持卡交費購電，才可以恢復用電。 基于單片機的智能電表的設計 4 電子式智能電表，是在電子式電表的基礎上，近年來開發(fā)面世的高科技產(chǎn)品，它的構成、工作原理與傳統(tǒng)的感應式電能表有著很大的差別。而電子式智能電表主要是由電子元器件構成，其工作原理是先 通過對用戶供電電壓和電流的實時采樣，再采用專用的電能表集成電路，對采樣電壓和電流信號進行處理，并轉(zhuǎn)換成與電能成正比的脈沖輸出，最后通過單片機進行處理、控制，把脈沖顯示為用電量并輸出。 通常我們把智能電表計量一度電時 A/D 轉(zhuǎn)換器所發(fā)出的脈沖個數(shù)稱之為脈沖常數(shù)，對于智能電表來說，這是一個比較重要的常數(shù)，因為 A/D 轉(zhuǎn)換器在單位時間內(nèi)所發(fā)出脈沖數(shù)個的多少，將直接決定著該表計量的準確度。目前智能電表大多都采用一戶一個 A/D 轉(zhuǎn)換器的設計原則，但也有些廠家生產(chǎn)的多用戶集中式智能電表采用多戶共用一個A/D 轉(zhuǎn)換器，這樣對 電能的計量只能采用分時排隊來進行，勢必造成計量準確度的下降，這點在設計選型時應該注意。 基于單片機的智能電表的設計 5 2 智能電能表的設計方法 智能電能表的硬件組成 智能電能表中均含有微處理器或微控制器，在微處理器或微控制器的外圍進行設備的擴展如程序存儲器 ROM、數(shù)據(jù)存儲器 RAM、鍵盤、顯示器、報警裝置和通信口。作為一個完整的智能電能表還應包括輸入通道和輸出通道。圖 表述了智能電能表的硬件結構組成原理圖。 智能電能表硬件原理圖 智能電能表實際上是一個微型計算機系統(tǒng)，它是具有微處理器或微控制器的，并有標準總線接 口的新型儀器。不同功能的智能電能表由不同部件組合而成。智能電能表的監(jiān)控程序固化在程序存貯器 EPROM、ROM、 EEPROM 等中，被測參量通過傳感器將非電量變換成電量，然后經(jīng)過信號處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)槲⑻幚砥髂苤苯幼R別的數(shù)字信號。所采集的數(shù)據(jù)或從鍵盤上輸入的數(shù)據(jù)以及經(jīng)過一定的算法運算后的數(shù)據(jù)基于單片機的智能電表的設計 6 均暫存于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 RAM 中。智能電能表的控制部分一般分兩種情況，一是微處理器接受鍵盤輸入的命令后，不需經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器，直接由接口輸出控制信息和數(shù)據(jù)信息，去控制一些執(zhí)行機構。 智能電能表硬件設計各功能環(huán)節(jié)如下 : 微處理器或微控制器 微處理器和微控制器在智能電能表中都是智能電能表的心臟，它們的結構、特性對智能電能表的性能影響很大。微處理器也是一種通用器件，如果給予足夠的外部支持電路和處理時間，它幾乎可以完成任何任務，數(shù)據(jù)處理和控制是微處理器的兩個主要用途。根據(jù)智能電能表控制功能和測量功能的不同選用合適的單片機作為智能電能表的核心，從而提高智能電能表的整體性能。 傳感器 傳感器是將外界輸入的被測量信號變換成電信號的元器件或裝置。它作為信息獲取的工具和手段，在測量控制型智能電能表中占據(jù)了極其重要的地位。傳 感器能轉(zhuǎn)換信息存在的能量形式，通常是將其他能量形式轉(zhuǎn)換成電量形式，以便進一步加工處理，傳感器的輸出往往總是電信號。這主要是電信號較容易地進行放大、反饋、濾波、積分、微分、存儲及遠距離傳送等操作。 信號調(diào)理 信號調(diào)理裝置是通過電子線路來實現(xiàn)模擬信號處理，一般包括放大、濾波、整形、檢波、信號轉(zhuǎn)換等功能環(huán)節(jié)。信號調(diào)理的目的是對傳感器輸出的電信號進行必要的處理以滿足信號處理后繼環(huán)節(jié)的需要，使其輸出信號適應 A/D 轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)的工作。信號調(diào)理可以改善信號質(zhì)量，還可以補償傳感器的非線性，提高信噪比，增強信號的環(huán) 境抗干擾能力等。 A/D 轉(zhuǎn)換器 微處理器能處理的信號應是數(shù)字信號，因此，在智能電能表的輸入基于單片機的智能電表的設計 7 通道中加入能把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的芯片即 A/D 轉(zhuǎn)換器。但并不是所有的輸入通道都要加入 A/D 轉(zhuǎn)換器，而是只有模擬量輸入通道，而且輸入微處理器的信號不是頻率量而是數(shù)字碼時，才用到 A/D 轉(zhuǎn)換器。使用 A/D 轉(zhuǎn)換器時應先根據(jù)輸入通道的總誤差，選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度及分辨率。根據(jù)信號對象的變化率及轉(zhuǎn)換精度要求，確定 A/D轉(zhuǎn)換速度，以保證智能電能表的實時性要求，對快速信號必須考慮采樣/保持電路。在選用 A/D 時還應考 慮智能電能表所處的環(huán)境選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器的環(huán)境參數(shù)。不同 A/D 轉(zhuǎn)換器有不同的輸出狀態(tài)，應根據(jù)計算機的接口特性選擇輸出狀態(tài)。 D/A 轉(zhuǎn)換器 微處理器輸出的數(shù)字控制信號通過 D/A 轉(zhuǎn)換，將離散時刻輸出的控制信號轉(zhuǎn)換成為離散模擬信號，為實現(xiàn)智能控制創(chuàng)造了必要條件。在D/A 轉(zhuǎn)換接口設計中主要考慮的問題是 D/A 轉(zhuǎn)換芯片的選擇、數(shù)字量的碼輸入及模擬量的極性輸出、參考電壓電流源、模擬電量輸出的調(diào)整與分配等。選擇 D/A 芯片時，主要考慮芯片的性能、結構及應用特性。在性能上必須滿足 D/A 轉(zhuǎn)換的技術要求 :在結構和應用特 性上應滿足接口方便，外圍電路簡單，價格低廉等要求。 智能電能表的通信接口 智能電能表一般都設置有通信接口，以便能夠?qū)崿F(xiàn)程控、方便地構成自動測試系統(tǒng)。目前國際上采用的智能電能表的標準接口有 GPIB，RS232 等 ,本設計采用 RS232 接口。 1. RS232C 標準通信接口 RS232C 總線標準接口是目前最常用的串行通信總線接口，其邏輯電平是對地對稱的，與 TTL、 MOS 邏輯電平完全不同。邏輯 0 電平規(guī)定為 +5~+15V 之間，邏輯 1 電平是 5V~15v 之間。因此， RS232C 驅(qū)動器與 TTL電路連接 必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換芯片有 MC1488， 75188(從TTL 到 RS232C 的電平轉(zhuǎn)換 )。MC1489， 75189(從 RS232C 到 TTL 的電平轉(zhuǎn)換 )。還有 MAXIM 的 MAXZOZ、 MAX232 等等。 在當今的信息化時代，用于其他信息裝置的通信技術也同樣可用于嵌入式智能電能表。它主要有這樣一些通信技術 : 基于單片機的智能電表的設計 8 2. PCI 總線