【正文】 f Watt—hour Meter has taken the position of the singletariff Watthour Meter widely．With the development of single—chip Technology，the research of digital Watt 脈沖電能表 3167。 電能計(jì)量的基本原理 7167。 過(guò)采樣 9167。 Σ一△ADC的調(diào)制器和量化噪聲整形 12167。 控制芯片STC89C52RC 17167。 電源端的干擾防護(hù) 23167。 顯示模塊 27第4章 軟件設(shè)計(jì) 29167。 按鍵程序流程圖 30167。 硬件調(diào)試 34167。同時(shí)也伴隨著城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造，使電工儀器儀表行業(yè)步入了快速發(fā)展的軌道，同時(shí)也為行業(yè)企業(yè)提供了一個(gè)科技創(chuàng)新的平臺(tái)，電工儀器儀表生產(chǎn)企業(yè)抓住機(jī)遇，通過(guò)對(duì)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的兼收并蓄，并高標(biāo)準(zhǔn)、高起點(diǎn)自主開(kāi)發(fā)了一系列高技術(shù)產(chǎn)品[1]。在電力系統(tǒng)中，某一時(shí)刻各類(lèi)用電設(shè)備消耗的電功率總和稱(chēng)為電力負(fù)荷，電力負(fù)荷是隨時(shí)間變化的，可用日(或年)負(fù)荷曲線來(lái)描述?？梢圆扇〗?jīng)濟(jì)手段調(diào)整負(fù)荷，峰谷電價(jià)就是方法之一。1. 課題設(shè)計(jì)（或研究）的內(nèi)容 制定數(shù)字電度表，解決錯(cuò)峰分段計(jì)費(fèi)問(wèn)題和節(jié)能用電與安全用電在電表的設(shè)計(jì)中的實(shí)現(xiàn)。 數(shù)模轉(zhuǎn)換采用ADC0832，八位雙通道AD轉(zhuǎn)換芯片。 電能表的分類(lèi)電能表大致分為感應(yīng)式電能表，脈沖電能表和數(shù)字電能表。 M轉(zhuǎn)=K1n (12)當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩與制動(dòng)力矩大小相等時(shí)： K1P=K2n (13) n=K1／K2t=K它們通常以感應(yīng)式電能表的電磁系統(tǒng)為工作元件，配以適當(dāng)?shù)拿}沖發(fā)生裝置構(gòu)成。具有計(jì)量準(zhǔn)確度高，可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。一般電能計(jì)量是累計(jì)電量，為用表以來(lái)的用電量總和。將一天分成若干時(shí)間段，給每段時(shí)間規(guī)定其費(fèi)率特征：峰，平，谷。電能表的分時(shí)計(jì)量需要表計(jì)內(nèi)部自帶實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并且將時(shí)段參數(shù)設(shè)置到表計(jì)中，電能表白動(dòng)進(jìn)行時(shí)段的切換。最大需量的計(jì)算方法是：每個(gè)滑差步進(jìn)時(shí)間到時(shí)，計(jì)算截止到當(dāng)前時(shí)刻的一個(gè)需量周期的平均功率，并且與最大值進(jìn)行比較。過(guò)流監(jiān)測(cè)：當(dāng)電能表監(jiān)測(cè)到電流大于給定上限時(shí)，電能表給出過(guò)流報(bào)警，并記錄發(fā)生時(shí)刻，發(fā)生次數(shù)，發(fā)生累計(jì)時(shí)間。7. 自檢功能數(shù)字電能表功能較多，構(gòu)成比較復(fù)雜，由于承擔(dān)著電能量計(jì)費(fèi)的重要功能，使用可靠性要求高。要求記錄時(shí)間為幾天，幾個(gè)月甚至一年。 系統(tǒng)選定比較方案一： 單片機(jī)：STC89C51RC AD芯片：ADC0809 顯示電路：LED 乘法器電路：時(shí)分割乘法器 方案二： 單片機(jī)：STC89C52RC AD芯片：ADC0832 顯示電路：LCD1602 乘法器電路：數(shù)字乘法器 方案比較： 方案一的單片機(jī)STC89C51RC的內(nèi)存大小和計(jì)數(shù)器數(shù)量無(wú)法滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的要求，而方案二的單片機(jī)STC89C52RC具有8K內(nèi)存和3個(gè)計(jì)數(shù)器完全可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的需要。 綜上所述方案二的選用最適合本設(shè)計(jì)要求。功率可以分為在一段時(shí)間內(nèi)的平均功率和某一時(shí)刻的瞬時(shí)功率。設(shè)電壓為u(t)，電流為i(t)，則瞬時(shí)功率為p(t)=u(t)在實(shí)際電網(wǎng)中，電壓電流信號(hào)基本上都不是只包含50Hz頻率分量的正弦信號(hào)，而是含有很多諸如l00Hz，150Hz，200Hz等諧波的信號(hào)。167。I sin wt=VI并設(shè)電壓和電流波形都是正弦的，那么瞬時(shí)功率信號(hào)中的有功功率分量(直流分量)為：P（t）=v(t)I)／2，176。 非正弦波形的電壓電流不同功率因數(shù)下的功率的測(cè)量在實(shí)際應(yīng)用中，電壓和電流波形都要含有一定的諧波成分，對(duì)于非正弦的電壓電流波形先利用傅立葉變換將電壓電流表達(dá)成諧波分量之和： (25) (26)基波有功功率P1=V1I1cos，諧波有功功率PH=對(duì)于純正弦波有功功率的計(jì)算是精確的，而對(duì)于非正弦波形來(lái)說(shuō)，可以將其看成是頻率不相同的正弦波的疊加，有功功率的計(jì)算同樣是精確的。其中Σ一△型[5]A／D轉(zhuǎn)換器精度高、線性好、速度快、功耗低、價(jià)格低廉。 過(guò)采樣過(guò)采樣ADC是一種數(shù)字輸出與模擬輸入成正比的線路，因?yàn)檩斎肓渴侨我獾?，輸出的?shù)字是有位數(shù)限制的，輸出量是量化的，因此輸出與輸入之間存在著+112LSB的量化誤差，在交流采樣中，這種量化誤差會(huì)產(chǎn)生量化噪聲。167。Fs)／2范圍內(nèi)，其中q是LSB的權(quán)重，磚為采樣速率，模擬低通濾波器[6]將濾除風(fēng)Fs／2以上的噪聲。Fs)／2，其有效值降到原來(lái)的1／，模擬低通濾波器只要濾除似(K如果簡(jiǎn)單的使用過(guò)采樣的辦法使分辨率提高N位，則必須進(jìn)行K=倍過(guò)采樣，為了使采樣不超過(guò)一個(gè)合理的界限，需要對(duì)量化噪聲整形使得大部分噪聲位于Fs／2到(K Σ一△A／D轉(zhuǎn)換器的量化A／D轉(zhuǎn)換器的量化過(guò)程是用一等間隔階梯波函數(shù)xl(t)去逼近一時(shí)間連續(xù)函數(shù)的波形x(t)。這個(gè)相鄰間隔采樣點(diǎn)的幅值之差就是增量△。當(dāng)階梯波上升，△編碼為“1”；階梯波下降，△編碼為“0”。 Σ一△A／D轉(zhuǎn)換器的量化誤差分析當(dāng)t足夠小時(shí)，xl(t)波形可以近似為連續(xù)波形x(t)，但是t不可能為“0’’， 這樣，編碼過(guò)程中xl(t)和x(t)就產(chǎn)生了量化誤差，也稱(chēng)之為量化噪聲。其模型如圖21所示。如A／D的編碼為n位，則N=，所以：=／(3x) (29)由式(29)可知，隨著A／D的編碼位數(shù)的增加，量化誤差呈指數(shù)性下降。根據(jù)反饋理論，當(dāng)反饋環(huán)路的增益足夠深，DAC輸出的平均值接近輸入信號(hào)的平均值。其中積分器模擬一個(gè)具有給定傳遞函數(shù)H(f)的模擬濾波器，H(f)表明其幅頻響應(yīng)特性與輸入頻率成反比。 圖22 頻域線形化模型如果：g=1，H(f)=1／F (210)則有：Y=(x—y)／F+Q (211)整理得：Y=Xf／(F+1)+QF／(F+1) (212)由式(212)可以看出當(dāng)頻率F接近于0時(shí)，輸出y接近于x并且沒(méi)有噪聲分量。 和一般的濾波器一樣，濾波器的階數(shù)越高其濾波性能越好。降低輸出數(shù)據(jù)速率的方法是通過(guò)對(duì)每輸出M個(gè)數(shù)據(jù)抽取1個(gè)數(shù)字的數(shù)字重采樣辦法，這種方法叫做輸出速率降為1／M的采樣抽取。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理的一個(gè)重要組成部分，數(shù)字濾波器實(shí)際上是一種運(yùn)算過(guò)程。因此它本身就是一臺(tái)數(shù)字式的處理設(shè)備。FIR濾波器的頻率采樣型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):首先,它的系數(shù)H(k)直接是濾波器在=（／N） 數(shù)字電能表的工作原理采用乘法器實(shí)現(xiàn)對(duì)電功率的測(cè)量，其工作原理框圖如圖31所示。各種硬件模塊構(gòu)成了整個(gè)數(shù)字電能表，每個(gè)硬件模塊都有著不同的功能，在整個(gè)電表硬件系統(tǒng)中都承擔(dān)著一定的作用。2. ADC0832是雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片，在整個(gè)硬件電路中發(fā)揮著重要作用。4. 電源模塊為整個(gè)電能表硬件系統(tǒng)正常工作供電，它通過(guò)電能變換將主電網(wǎng)中的220V交流降壓、整流為5V的直流。本設(shè)計(jì)只需要按鍵來(lái)調(diào)時(shí)間，通過(guò)設(shè)計(jì)只需要三個(gè)按鍵來(lái)完成。 控制芯片STC89C52RC本課程設(shè)計(jì)單片機(jī)采用STC89C52RC單片機(jī)，STC89C51RC/RD+ 系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾/高速/低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)[9]，12 時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可任意選擇，最新的D版本內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路。圖33 STC89C52RC芯片圖引腳的功能：1. 主電源引腳　　 Vss(20腳)：地線　 　Vcc(40腳)：+5V電源2. 外接晶振或外部振蕩器引腳XTAL1(19腳)：當(dāng)采用芯片內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，接外部晶振的一個(gè)引腳；當(dāng)采用外部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，此腳應(yīng)接地。PROG為編程脈沖輸入端，當(dāng)選用8751單片機(jī)時(shí)，由此腳輸入編程脈沖。P1口(1～8腳)：P1靜態(tài)通用端口。(11腳)TXD：串行數(shù)據(jù)發(fā)送端。(15腳)T1：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)輸入端。由于它體積小，兼容性強(qiáng)，性?xún)r(jià)比高而深受單片機(jī)愛(ài)好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。 雙通道A/D轉(zhuǎn)換； 一般功耗僅為15mW； C，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為40176。 芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。但由于DO端與DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。 作為單通道模擬信號(hào)輸入時(shí)ADC0832的輸入電壓是05V且8位分辨率時(shí) 。 電壓電流采樣模塊一方面為了將數(shù)字電能表的計(jì)量芯片與電力線隔離，另一方面又要完成電壓電流的采樣．前置模擬電壓和電流取樣電路一般有兩種，一種是通過(guò)電阻分壓和分流的方法獲得的，另一種是通過(guò)電壓互感器和電流互感器的方法獲得。通道1有一個(gè)PGA，其增益可選擇為1，2，8或16。最大共模信號(hào)為100mV。圖35 電流采樣模塊原理圖2. 電壓通道電壓通道采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)獲得采樣電壓。 3. 多路輸出電壓電路：這種電路可同時(shí)滿(mǎn)足不同芯片對(duì)于不同電壓的需要，但電路時(shí)機(jī)比較復(fù)雜。需要供電的硬件模塊有：(1)芯片ADC0832的+5V的直流電源。167。壓敏電阻是一種能對(duì)過(guò)電壓可靠保護(hù)的器件，平時(shí)不導(dǎo)通，當(dāng)加在其上的電壓超過(guò)其導(dǎo)通電壓時(shí)將其擊穿，電流急劇增加，使系統(tǒng)電壓限制在可靠的范圍。30％的浮動(dòng)，壓敏電阻177。為了防止系統(tǒng)采樣電壓過(guò)高而損壞芯片，本設(shè)計(jì)采用在采樣輸入端并聯(lián)瞬態(tài)電壓抑制二極管(Transient Voltage Suppressors)的辦法進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)由于系統(tǒng)電源不正常或者其他原因引起采樣電壓升高時(shí)，TVS管擊穿，將采樣電壓限制在可靠的采樣電壓范圍內(nèi)。它由電源變壓器B，橋式整流電路D1～D4，濾波電容CC3，防止自激電容CC3和一只固定式三端穩(wěn)壓器(7805)極為簡(jiǎn)捷方便地搭成的。三端穩(wěn)壓器是一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡(jiǎn)捷方便等特點(diǎn)，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。但是這種做法有很多缺點(diǎn)。芯片還具有主電源掉電情況下的時(shí)鐘保護(hù)電路和備份電源自動(dòng)切換控制電路，可以保證在主電源掉電和其他一些惡劣環(huán)境下系統(tǒng)實(shí)時(shí)實(shí)鐘的定時(shí)準(zhǔn)確性。另一種是以串行方式與MCU接口，這種芯片通常為8腳DIP封裝，占用空間小，連線簡(jiǎn)單，一般只需占用CPU的23條I／o口線，可有效減小儀表體積，提高工作可靠性。圖37 DS1302接口電路原理圖167。圖38 獨(dú)立式鍵盤(pán)接法本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立式鍵盤(pán)接法如圖38所示，三個(gè)按鍵的一端分別接單片機(jī)的三個(gè)管腳，另一端接地，這樣就使的每當(dāng)按鍵按下就會(huì)使單片機(jī)的相應(yīng)管腳個(gè)到一個(gè)低電平。本次設(shè)計(jì)的顯示器選的是LCD1602(162)[14]如圖39所示，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：1. 顯示質(zhì)量高：由于液晶顯示器每一個(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（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點(diǎn)。 4. 功耗低：相對(duì)而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng)IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。 第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。 第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 軟件介紹本設(shè)計(jì)是基于STC89C52RC的單向電度表的設(shè)計(jì)，用于單相度數(shù)的計(jì)費(fèi)。 主程序流程圖主程序首先對(duì)數(shù)字鐘的時(shí)鐘分鐘秒鐘清零，再對(duì)LCD1602初始化和中斷初始化，兩個(gè)中斷為定時(shí)器T0和T1，分別控制數(shù)字鐘和數(shù)據(jù)采集的程序。 應(yīng)注意的是LCD1602的程序[15]寫(xiě)入（void wcmd）和數(shù)據(jù)寫(xiě)入（void wdata）要分兩步進(jìn)行，也就是說(shuō)先要選第幾行第幾位顯示數(shù)據(jù)再把要顯示的數(shù)據(jù)輸入進(jìn)去。 由于按鍵有可能在非自愿的情況下被按到，所以按鍵按下后有一個(gè)防抖動(dòng)程序使程序延時(shí)5ms后再判斷鍵盤(pán)連接的單片機(jī)管腳是否為低電平，這樣防止鍵盤(pán)被意外按下，如果按鍵真的被按下，程序要判斷是那個(gè)鍵被按下；如果調(diào)時(shí)鍵被按下，程序會(huì)計(jì)數(shù)一次并且關(guān)閉中斷使時(shí)間計(jì)數(shù)停止，這時(shí)如果時(shí)鐘鍵被按下，先要運(yùn)行防抖動(dòng)程序，判斷按鍵是否真的按下，要是按下時(shí)鐘加一；如果分鐘鍵被按下，也要先運(yùn)行防抖動(dòng)程序，判斷按鍵是否真的按下，要是按下分鐘加一。 數(shù)據(jù)采集中斷程序流程圖由于本次采集數(shù)據(jù)的頻率是50HZ,根據(jù)奈奎斯特采樣定律選擇采樣頻率為200HZ。數(shù)字鐘中斷程序流程圖如44所示。第5章 系統(tǒng)調(diào)試167。 （4）用萬(wàn)用表檢查是否有虛焊，引腳短路現(xiàn)象。 （7）飛線。從而是錯(cuò)誤一點(diǎn)一點(diǎn)出現(xiàn)再解決，這樣是程序調(diào)試變得簡(jiǎn)單。直到第11個(gè)脈沖時(shí)發(fā)出最低位數(shù)據(jù)DATA0[17]，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。結(jié)　論本設(shè)計(jì)是基于STC89C52RC的單相數(shù)字電度表的設(shè)計(jì)，本電度表能夠?qū)彝ビ秒娺M(jìn)行計(jì)費(fèi)，也解決了錯(cuò)峰分段計(jì)費(fèi)問(wèn)題，以及體現(xiàn)出節(jié)約用電的思想。 通過(guò)本設(shè)計(jì)使我學(xué)會(huì)了ADC0832和LCD1602的使用，并對(duì)電流和電壓的數(shù)據(jù)采集電路有了一定的了解，對(duì)C語(yǔ)言有了更進(jìn)一步的了解，但由于資金的限制本設(shè)計(jì)還有很多不足，比如本設(shè)計(jì)沒(méi)有使用專(zhuān)業(yè)的電流和電壓數(shù)據(jù)采集模塊，也沒(méi)有用內(nèi)部集成電能算法的AD芯片，這就使本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)精度受到了影響，這些問(wèn)題還需要再以后的學(xué)習(xí)和工作中得到完善和解決。3. 提高系統(tǒng)的可靠