【正文】 量芯片，珠海炬力公司推出的 ATT7026A 和北京福星曉程電子公司推出 PL3223。 ADE7758 是一款高精度的三相電量計量芯片，可以同時處理有功、無功等多個電量參數(shù)，符合 IEC61036 標準。峰 谷分時電價和避峰電價政策的出臺，將推動多費率表市場需求。電子式電能表有多功能、高精度、多費率、自動抄表等優(yōu)勢，逐步成為電能表發(fā)展的主流。 單片機選擇 單片機是用于接收用電量信息，累計電能脈沖，按時段處理電能數(shù)據(jù)，控制顯示器按要求顯示和實現(xiàn)通信功能等 常用器件有 PIC16 系列單片機、 MCS－ 51 系列單片機和 BL0938 微控制器等。高穩(wěn)定的實時時鐘電路可根據(jù)外部環(huán)境進行自動校準，通過遠程控制或遙控校表。 但價格上偏貴點，HC1602 顯示芯片在功耗上也是低功耗，而且 HC1602 芯片以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧 所以從實際情況中出發(fā)，我選擇了 HC1602 作為本次論文的顯示芯片。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖有以下幾個模塊組成，計量模塊、主控模塊、顯示模塊、存儲模塊、看門狗復位模塊、時鐘模塊、 RS 一 485 通信模塊、計量回路選通模塊、后備電源和主電源切換電路等。 DSl302 為分時段計量和定時存儲提供時間參數(shù)；通過三個功能鍵實現(xiàn) DSl302 芯片時鐘的初值輸入調(diào)整。課題研究采用 485 芯片進行 總線與單片機的 接口電路設(shè)計，其中 通信軟件設(shè)計留待后續(xù)進行。若系統(tǒng)無中斷發(fā)生 渡晶顯示當前總的有功電量和無功電量，有功電量和無功電量代碼已為 E0、 R0，數(shù)據(jù)顯示格式如表 31，由 8 個整數(shù)位和 1 個小數(shù)位組成，顯示范圍 。 通過對時問參數(shù)的檢測，實現(xiàn)電量參數(shù)的定時存儲和有功電量的分時段計量 。圍繞 ADE7758外圍電路設(shè)計，闡述了電能計量原理．并進行有關(guān)電路參數(shù)計算；圍繞 AT89S52外圍電路設(shè)計，闡述了各功能模塊與單片機的接口電路設(shè)計；最后介紹了電源模塊設(shè)計及其特點。 引腳功能描述參考表 41 所示。 IBP,IBN。 13， 14 15, 16 VN,VCP VBP,VAP 電壓 通道模擬信號單端輸入。 21,22 23,24 CS,DIN, SCLK,DOUT 4 線 SPI 串行接口，實現(xiàn)片內(nèi)寄存器的寫入及電量參數(shù)、中斷數(shù)據(jù)的獨處； CS 低電平選通， DIN 端口時鐘下降沿數(shù)據(jù)輸入， DOUT 端子時鐘上升沿數(shù)據(jù)輸出。頻率混疊是 A/D 信號采樣處理中的特有現(xiàn)象，混疊會產(chǎn)生假頻率假信號，影響測量結(jié)果。計量芯片 ADE7758 對取樣信號進行處理，計算出瞬時有功、無功功率。脈沖輸出頻率與能量寄存器中累加的能量成正比，通過對脈沖計數(shù)實現(xiàn)電量參數(shù)的累加。電壓通道采用單端方式輸入，設(shè)計額定電壓輸入時為 。在進行電流信號檢測時， 兩組計量回路彼此獨立，通過 CD4053 芯片進行選通。 ADE7758 與單片機接口電路設(shè)計如圖 43所示。 R R9 為限流電阻，對單片機的 I/O 口起到限流保護作用。 9C52 AT89C52 是一款單片封裝的微控制器，具有 8k 的程序存儲和 256 個字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲，可以滿足中小規(guī)模軟件編程需要。 DB0DB7 為 HCl602的數(shù) 據(jù)線，與單片機的 ～ 端子相接。 圖 44 單片機與 HC1602 的接口電路設(shè)計 顯示與按鍵相結(jié)合，用來實現(xiàn)電量參數(shù)的查詢顯示、異常事件記錄查詢顯示以及時鐘參數(shù)韌值輸入調(diào)整結(jié)果顯示。通過控制端子 Rs、 R/W 的狀態(tài)組合實現(xiàn)指令的寫入以及數(shù)據(jù)的讀、寫操作，操作說明參考表 32 所示?？紤]到 AT24C02 芯片擦寫次數(shù)的有限性．能量的累加在單片機的洲存儲空間中完成。當 ADE7758 檢測到過流、過壓、斷相等事件時，向單片機發(fā)出中斷申請。比如考慮到這種情況．在進行電量存儲時突然發(fā)生掉電事故，新的數(shù)據(jù)存儲尚未完成，而原有數(shù)據(jù)已經(jīng)被覆蓋，造成數(shù)據(jù)的丟失。 口芯片 485 電能表配備通信 RS485 接口具有成熟性和性價比高的優(yōu)勢，硬件設(shè)計時預留出 RS485 通信接口，采用 485 接口芯片。當 DE 為高電平時，單片機向 RS485 總線發(fā)送數(shù)據(jù)； DE 為低電平時單片機從 RS485 總線接收數(shù)據(jù)。 圖 46 RS485 通信接口電路設(shè)計 關(guān) CD4053 采用 CD4053 芯片實現(xiàn)電流傳感器高、低變比檢測信號的選通。單片機根據(jù)瞬時功率檢測結(jié)果，通過對 端口狀態(tài)設(shè)置，進行高低變比電流檢測信號的選通控制。 CD4053 真值關(guān)系參考表 43 所示。當 JP5 閉合時，系統(tǒng)處于上電工作狀態(tài)，此時二極管 LED4 導通發(fā)光。硬件調(diào)試基于 PCB 電路板進行，首先進行模塊電路的分級調(diào)試，使組 成系統(tǒng)的各個模塊電路正常工作；然后進行系統(tǒng)總體調(diào)試，使其達到預定的技術(shù)要求。 電路板規(guī)格與焊接操作 電路板設(shè)計為普通雙面板，尺寸大小 。電路板設(shè)計規(guī)則一般包括電路板的布線規(guī)則、制作規(guī)則、有關(guān)高頻的設(shè)計規(guī)則以及其他設(shè)計規(guī)則等幾個方面。該電容去耦了來自電源的噪聲，保證芯片有持續(xù)、穩(wěn)定的電壓源。其他 DIP 封裝的芯片也是通過插座接入電路板。焊接前應在電路板的焊接區(qū)域均勻涂上一層焊錫膏，然后用帶有焊錫的烙鐵頭輕輕觸及焊接區(qū)域上的金屬焊接點，則焊接點上均勻的結(jié)晶一層焊錫。 系統(tǒng)硬件電路測試 塊測試 首先進行系統(tǒng)短路測試。因此，應避免短路，在確保系統(tǒng)安全的前提下進行功能模塊的仿真測試?？梢岳眠@特點判斷仿真對象是否存在短路故障。參考圖 39 主電源模塊設(shè)計，閉合跳線 JP5；在兩路 50Hz 正弦交流 9v 信號輸入下，用萬用 表測量 780 7905 輸出電壓分別為 +5V和 5V；在單路 50Hz 交流輸入時，實際測得 7805 輸出在 4v 左右，而 7905 輸出保持為 5V。利用 ME300B 的在線仿真功能，編寫測試源程序；參考 RS485 接口電路設(shè)計圖 46，結(jié)合 KeilC51 的斷點調(diào)試命令，用萬用衷測 試相應端子電壓，檢測單片機能否向 RS。 RS485 總線數(shù)據(jù)收發(fā)原理及羽 4 試結(jié)果分析。當 A、 B 端子之間電壓大于 +200mV 時，輸入為邏輯 1；小于 200mV 時輸入為邏輯 0。定義三個顯示函數(shù)，分別實現(xiàn)電量參數(shù)的查詢顯示、異常事件記錄的查詢顯示、時鐘初值輸入調(diào)整的顯示。問題轉(zhuǎn)換為如何進行顯示函數(shù)的設(shè)計與仿真調(diào)試。 Void write2402_char char add,char dat ； //單片機通過 I2C 總線存儲一個宇節(jié)的數(shù)據(jù) char read2d02_char char add 。通過對 ADE7758 片內(nèi)寄存器的寫訪問，實現(xiàn)芯片的初始化功能設(shè)置。這部分代碼 ADE7758 在進行數(shù)據(jù)接收時被屏蔽掉。 軟件總體設(shè)計 主程序設(shè)計流程主要圍繞電量參數(shù)的計量展開。對每一個電量參數(shù)分配兩組存儲單元。電量參數(shù)采用定時方式存儲。在主程序連續(xù)的兩次循環(huán)中，若 flagl 兩次賦值結(jié)果不同，就認為存儲時間到。定義兩個位變量 flag3 和 flag4。通過設(shè)置兩個切換閾值 P0 和 90％ 1D0,避免 CD4053 選通開關(guān)過于頻繁的切換。單片機對脈沖輸出進行計數(shù)，實現(xiàn)對這部分能量的有效計量。接下來分析時間分段計量以及功率分段計量的軟件具體實現(xiàn)問題。定 義兩個位變量 flag3 和flag4。 圖 62 功率參數(shù)檢測 主程序每循環(huán)一次，就進行函數(shù) bitpowercheck 的調(diào)用，不斷對 功率參數(shù)進 行檢測。其中 E E4 為小負荷計量以及正常負荷計量下的有功電量參數(shù)； CT CT4 為相應的脈沖計數(shù)變量。分壓網(wǎng)絡由電阻元器件組成，保證了 ADE7758 電流、電壓通道功率因數(shù)為 l。 根據(jù)上述衰減倍率，在圖 61 中，電阻 Rf4 分壓信號轉(zhuǎn)換為圖 32 中電流傳感器一次端電流信號 I 和電壓互感器一次端電壓信號 Vn，計算公式分別如下： 電阻 Rf Rf4 串聯(lián)分壓信號轉(zhuǎn)換為圖 32 中電流傳感器一次端電流信號 L，計算公式分別如下： 根據(jù)式 、式 、式 計算出轉(zhuǎn)換后的負荷電流、電壓參數(shù)，瞬時有功功率理論值計算結(jié)果如下： 當 A 與 A2 端子連接時： 當 A 與 A1 端子連接時： 另一方面， lkWh 電量等效為 200 個有功能量脈沖，若負荷電流為 30A，額定電壓為 10kV，功率因數(shù)為 1，則有功脈沖輸出頻率 f 計算如下： 電費的計算 該設(shè)計電路是為計算普通用戶在一個月內(nèi)所用的用電量，由及得出用戶的電費，而本次多費率電表設(shè)計實驗的電費計算方式則采用目前比較流行的計算方法，具體的運算方法如下： 假設(shè)用戶一個月所用的電量即用電度數(shù)為 M，用戶該月所需交的費用為 N，每度電的費用 X,Y,Z. 計算公式如下： 200 時， N MX 元 。 按鍵處理與按鍵狀態(tài)檢測 系統(tǒng)配置了三個功能按鍵，與單片機的接口定義如下： K2 ， K3 ；分別用來實現(xiàn)電量參數(shù)查詢，進行時鐘初值輸入調(diào)整等功能。鍵盤掃描子程序流程參考圖 63 所示。在延時之后，進行按鍵的掃描，根據(jù)掃描結(jié)果進行功能按鍵處理。由于 K日、 K4 分別接入 單片機的 、 、 口，當沒有鍵按下時， P2 P2 F2 2 為高電平 t 此時條件 P2amp。當有鍵按下時，進行按鍵狀態(tài)掃描并根據(jù)掃描結(jié)果，進行功能函數(shù)的調(diào)用，實現(xiàn)具體的按鍵功能。 P2amp。0x14 0x14 功率分段電量顯示 K4 按下 P2amp。0x18 0 amp。 P2amp。0x08 0x08 異常事件記錄查詢 基于 ADE7758 的斷相、過流、過壓檢測 與斷相、過流、過壓等事件有關(guān)的 ADE7758 中斷屏蔽寄存器位設(shè)置如表 64所示。在 ADE7758 初始化過程中，對中斷屏蔽寄存器相應的標志位置 l，進行中斷使能設(shè)置。在中斷屏蔽寄存器中，把 SAGA、 SAGB、 SAGC 標志位置 1，進行中斷使能設(shè)置；單片機檢測到中斷復位寄存器中 SAGA 標志位為 l，則可以初步判斷 A 相電壓掉電。當 ADE7758 檢測到三相中的一路電壓通道信號輸入小于該寄存器設(shè)置的閾值時，中斷復位寄存器中對應的 SAGA、 SAGB 或 SAGC 標志位 置 l。 總結(jié) 智能儀器儀表作為一種智能系統(tǒng)，智能型費率電能表作為一個智能型器件十分適用于高層建筑密集的住宅區(qū)等密集用戶區(qū)的集中管理本設(shè)計方案采用低功耗器件成本較低便于集成 A/D 轉(zhuǎn)換、 D/A 轉(zhuǎn)換等基本功能部件 ,但 本論文工作對基于 ADE7758 系列單片機的數(shù)字電能表的設(shè)計進行了研究具體工作可歸納如下：基于 ADE7758 進行了電能表的完整設(shè)計，所采用的電壓電流采集電路具有特色和成本優(yōu)勢：以電能表為對象，重點探討了基于低功耗單片機的低功耗儀表的基本原理和設(shè)計技術(shù)，探索了利用 ADE7758 的有限硬件資源與軟件的有機結(jié)合，實現(xiàn)實時時鐘、 I2C 和串行通信等接口的設(shè)計方法及電費的計算。單片機與嵌入式系統(tǒng)應用。全電子式預付費磁卡電能表的應用及其效益分析?；诘蛪弘娏d波單相電子式電能表的設(shè)計?；?GPRS 電力無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。 RS 一 485 電路的匹配和保護性設(shè)計研究。高精度三相電量計量芯片的比較