【正文】 時鐘頻率為 400HZ，通信速率較高，它的 I2C地址是 60H。8025 引腳說明：NC空引腳；SCLI2C 數(shù)據(jù)串行傳輸同步時鐘輸入； FOUT32768HZ 時鐘頻率輸出；TEST測試用，正常使用時接到 VDD；VDD 工作電源輸入；FOE控制 FOUT 的輸出：當(dāng)為高時，輸出 32768HZ 時鐘信號；當(dāng)為低時，不輸出時鐘信號；/INTA 定時輸出 A 腳，輸出鬧鐘中斷（ALARMW ）或定時到信號地；SDAI2C 數(shù)據(jù)串行傳輸數(shù)據(jù)引腳（輸入/輸出）圖 顯示電路 I/O 分配1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 26 存儲器選用的是支持 I2C 總線的可檫寫 E2PROM，型號是 24WC08，可以隨時讀寫，而且在掉電后數(shù)據(jù)仍然保存不變。采用低功耗 CMOS 技術(shù)，同時具有寫保護(hù)，執(zhí)行寫操作時，在主器件產(chǎn)生停止信號后開始內(nèi)部數(shù)據(jù)的擦寫，在內(nèi)部擦寫過程中，器件不應(yīng)答主器件的請求，因此在執(zhí)行存儲器寫操作之后，應(yīng)延時一定的時間再對存儲器進(jìn)行操作，改寫數(shù)據(jù)時間較長，一般在幾到幾十毫秒。指示燈電路包括峰指示、谷指示、通訊指示，當(dāng) MCU 對應(yīng)腳輸出低電平時，電流經(jīng)限流電阻，LED ，流入 MCU 腳，指示燈亮。各個部分都有其特定的任務(wù)，完成他們相應(yīng)的任務(wù)。其中 MCU 初始化是對 MCU 各部件進(jìn)行初始化，為各個部件在程序工作時提供合適的初始狀態(tài)，它包括配置 I/O 口工作模式、看門狗初始化、定時器初始化、鍵盤中斷初始化、串口初始化、比較器中斷初始化等等。它包括時鐘及相關(guān)處理、顯示處理、電能反向處理和費率、電量結(jié)算處理等部分組成。 圖 電量處理模塊 電量處理模塊是電能表實現(xiàn)電能計量的程序，是實現(xiàn)基本功能的程序，這部分是電能表系統(tǒng)中關(guān)鍵的一部分。由上可知，組成電能表軟件系統(tǒng)的五大部分是缺一不可的，各個模塊相互聯(lián)系，形成整個電表的軟件系統(tǒng)。這種執(zhí)行方式能保證 CPU 的執(zhí)行速度足夠快，從而保證事件響應(yīng)的時效性。 1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的軟件設(shè)計 30半小時事件發(fā)生 N 程序初始化 Y 置時段費率檢測標(biāo)志電量數(shù)據(jù)檢測并修正數(shù)據(jù) 時鐘配置設(shè)置N 。在時鐘和顯示處理模塊中，它包含秒事件、分事件、半小時事件及小時事件，秒事件是通過 MCU 中 RTC 定時器 1S 來激發(fā)的。它涵蓋了整個軟件系統(tǒng)的各個部分：初始化部分、顯示刷新處理部分、日期時間及與其相關(guān)操作處理部分、通訊幀命令處理部分、電量運算及儲存部分、電量結(jié)算處理部分及其他事件處理部分。它包括 MCU 上電對各電量值的恢復(fù)處理、對各電量脈沖的累計、對各電量小數(shù)及整數(shù)累計處理。當(dāng)通訊接受到一幀正確的數(shù)據(jù)時，通知程序通訊命令處理事件的發(fā)生，執(zhí)行通訊命令操作，當(dāng)命令要求發(fā)生數(shù)據(jù)通訊時，通訊發(fā)送事件發(fā)送，進(jìn)行通訊數(shù)據(jù)發(fā)送。內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) EEPROM 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MCU 初始化 電能表部件初始化指示燈初始化LCD 初始化實時時鐘初始化電量恢復(fù)通訊通道歷史電量處理配置 I/0 口工作模式看門狗初始化定時器初始化鍵盤中斷初始化串口初始化比較器中斷初始化1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的軟件設(shè)計 28圖 時鐘、顯示處理模塊程序初始化時鐘、顯示處理模塊是程序系統(tǒng)中進(jìn)行時鐘和顯示處理的部分。它是根據(jù)整個程序的算法來制定的，同時一個好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對整個程序的編寫起著非常重要的作用，所以制定好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是很有必要的，這個電能表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括兩個部分：MCU 內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和 EEPROM 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它詳細(xì)地介紹了各部分的具體任務(wù)和功能，使大家對電能表的基本結(jié)構(gòu)和組成有個大概地了解。通過 MCU 內(nèi)部比較器，比較器內(nèi)部參考電壓和 PWRCHK 腳的電壓相比較，當(dāng)電源電壓下降到一定時，MCU 比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，發(fā)生掉電事件。這種存儲器非常適合電能表作數(shù)據(jù)存儲，當(dāng)電能表有電時可以隨時改寫數(shù)據(jù)，而當(dāng)?shù)綦姾髷?shù)據(jù)保持不變。MCU 通過 I2C 總線讀寫 8025 芯片的寄存器，設(shè)置芯片的工作狀態(tài)，校正當(dāng)前時間和日期，8025 時鐘芯片是一種低功耗、寬電壓范圍工作的芯片，在工作電源為 3V 時，工作電流為 ，在 正常工作，同時能夠檢測晶振的情況和微調(diào)晶振的頻率。 圖 光電隔離簡圖A B1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 25 MCU及其它相關(guān)部分MCU 是選用 89LPC931 這種單片機(jī)，這部分電路有 LCD 顯示電路、實時時鐘電路、存儲器及掉電保護(hù)等組成。半雙工通信是指可以雙向通信，數(shù)據(jù)傳送方向可以從 A 到 B，也可以從 B到 A，但同一時刻只能是一個方向。 圖 電源監(jiān)測電路在上電的時候，如果上電緩慢，單片機(jī)會出現(xiàn)復(fù)位錯誤，從而導(dǎo)致程序不能正確運行。下面為各部分電路的電源電路設(shè)計圖：電量計量電源電路和 RS485 通訊電源電路都通過將壓、整流、穩(wěn)壓和濾波四個環(huán)節(jié)，得到 5V 的直流電壓。計數(shù)器可記錄時間 T 內(nèi)通過控制門的脈沖數(shù)，每一個脈沖所代表的電量數(shù)經(jīng)計算確定后，便可經(jīng)譯碼電路由顯示器顯示出來。圖 為分頻計數(shù)器原理框圖和脈沖波形。這樣做，一方面是為了便于取出電能計量單位的位數(shù)（如百分之一度位） ；另一方面是考慮到計數(shù)器長期計數(shù)的容量問題。2121RCU???iiT??)(221 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 20倒 相 器 上 下 電 平比 較 器+UiRsCNo圖 雙向積分式電壓／頻率轉(zhuǎn)換器的原理電路圖 圖 雙向積分式電壓／頻率轉(zhuǎn)換器的波形圖這種電壓／頻率轉(zhuǎn)換器的主要特點是輸出頻率較低，選擇高穩(wěn)定性的 R、C元件，可使其準(zhǔn)確度長期保持在177。輸出電壓波形如圖 所示。使用微處理器技術(shù)制造全電子式電能表的前景十分看好，但成本高是其商品化的一個主要障礙；數(shù)字乘法器的發(fā)展還要依靠于電路的集成和芯片價格的降低，但其功能強大、性能優(yōu)越，在未來先進(jìn)的電能管理領(lǐng)域中一定會廣為應(yīng)用。通過軟件來完成采樣及乘法計算的準(zhǔn)確度與△t 的選取有關(guān)。平均功率表示為 式 式中 T——交流電壓、電流的周期。采用數(shù)字乘法器，由計算機(jī)軟件來完成乘法運算，可以在功率因數(shù)為 0～1 的全范圍內(nèi)保證電能表的測量準(zhǔn)確度。其主要缺點是帶寬較窄，僅為數(shù)百赫茲。經(jīng)濾波器輸出后，得到電壓 U0為 u 的反向平 均值 式 即輸出電壓 U0 與 ui 成正比，因此整個電路是一個實現(xiàn)了 u、 i 乘積運算的乘法器，它的輸出相應(yīng)于 ui 乘積的平均值，亦即平均功率。如此反復(fù)，積分器輸出電壓 u1 呈鋸齒波形。乘法器的輸出電壓 U0 就是由 S2 的動作所得到的幅度為士 uy 的不等寬方波電壓經(jīng)濾波后的直流成分。被測電壓轉(zhuǎn)換為 ux，被測電流轉(zhuǎn)換成電壓 uy。它在提供的節(jié)拍信號的周期 T 里，對被測電壓信號 ux 作脈沖調(diào)寬式處理，調(diào)制出一正負(fù)寬度 TT 2 之差（時間量）與 ux 成正比的不等寬方波脈沖，即 T2－ T1＝K1ux ；再以此脈沖寬度控制與 ux 同頻的被測電壓信號 uy 的正負(fù)極性持續(xù)時間，進(jìn)行調(diào)幅處理，使 u＝K2uy；最后將調(diào)寬調(diào)幅波經(jīng)濾波器輸出，輸出電壓 U0 為每個周期 T 內(nèi)電壓 u 的平均值，它反映了 ux、u y 兩同頻電壓乘積的平均值，實現(xiàn)了兩信號的相乘，輸出的調(diào)寬調(diào)幅方波如圖 所示。若乘法器在兩個輸入端分別限定為某一種極性的電壓能正常工作，它就是單象限乘法器。 xyo1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 14圖 乘法器表示方式 從乘法的代數(shù)概念出發(fā)，乘法器具有四個工作區(qū)域，由它的兩個輸入電壓1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 15極性來確定。其電路圖如圖 所示。 1．電阻網(wǎng)絡(luò) 采用電阻網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點是線性好、成本低，缺點是不能實現(xiàn)電氣隔離。L(t)N 2iTR （a） （b）圖 電流互感器電氣原理圖（α）穿線式；（b）接入式I(t)＝KI i T(t) 式 式中 i(t)——流過電能表主回路的電流； iT(t)——流過電流互感器二次側(cè)的電流； KI——電流互感器的變比。 錳銅分流器和普通電流互感器相比，具有線性好和溫度系數(shù)小等優(yōu)點。輸入電路的作用，一方面是將被測信號按一定的比例轉(zhuǎn)換成低電壓、小電流輸入到乘法器中；另一方面是使乘法器和電網(wǎng)隔離，減小干擾。I2C 總線在整個系統(tǒng)中占有重要的作用，它關(guān)系到 LCD 顯示、電量數(shù)據(jù)存儲、時間和日期的讀取等等，它是 MCU 與外部設(shè)備的接口，是 MCU 獲取信息的 窗口 [4]。 1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 電子式電能表 103 單相電子式電能表的硬件設(shè)計本電能表的硬件電路由電源電路設(shè)計、計量電路設(shè)計、通訊電路設(shè)計、MCU（管理電路設(shè)計）及其它部分電路設(shè)計四大部分組成。全電子式電能表因其內(nèi)部沒有可動部件，無機(jī)械摩擦而準(zhǔn)確度高，靈敏度高，使用壽命長，易實現(xiàn)自動化計量，可實現(xiàn)遙測遙控，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動分析統(tǒng)計，計量中可排除人為因素干擾，功能多，數(shù)據(jù)可存儲，便于無紙化抄核收作業(yè)，便于遠(yuǎn)方集中抄表。準(zhǔn)確度等級的數(shù)字越小準(zhǔn)確度等級越高。 二．電能表按相別和接線方式分，可分為單相、三相三線制和三相四線制三種。無功電能表用于計量用戶的無功電能 W 無。一般要求記錄多個月最大需量。國內(nèi)只需要計量有功最大需量，并依此進(jìn)行收費。而計算需量的間隔稱為滑差步進(jìn)時間，一般為 15 min。前者用于多費率分時計費；后者則是指通過接口接收遠(yuǎn)方控制指令或通過表記內(nèi)部的編程控制負(fù)荷。累計計量功能主要包括累計雙向供電的有功電能、無功電能 、視在電能的消耗量、斷電時間、斷電次數(shù)等。它是電子式電能表的大腦，指揮其他部分完成工作。（3）顯示部分：將電能量及其他信息顯示出來。下面簡單的介紹以下各部分的功能：（1）測量部分：它接收交流電壓、電流信號，將其運算后得到相乘的電功率信號，電子式電能表的精度和穩(wěn)定性等主要性能就由此部件決定。在 20 世紀(jì) 80 年代之前，電子式電能表并沒有顯示出它巨大的生命力和活力，它的應(yīng)用局限于高精度電能表、標(biāo)準(zhǔn)表和檢驗裝置，其成本較高，性能和可靠性比機(jī)械表并不優(yōu)越很多。電子式電能表由于其構(gòu)成不同于機(jī)械電能表而得名。電能開發(fā)及利用的加快，對電能管理和電能表性能提出了更高的要求，感應(yīng)系電能表準(zhǔn)確度等級不夠高，為使電能計量儀器儀表適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)代化和電能管理現(xiàn)代化迅速發(fā)展的需要，電子式電能表應(yīng)運而生。選擇內(nèi)部基準(zhǔn)電源，在基準(zhǔn)電源輸出端加上一個濾波電容 C20，防止外界干擾。光耦器件是用來隔離 MCU 電路的。C17 是通過 K10 的合開來選擇是否作用于系統(tǒng)的，它是補償電流信號本身不平衡造成 ADE7755 計量電能出現(xiàn)比較大的誤差，因此通過人為造成不平衡，使得系統(tǒng)達(dá)到平衡的目的。通過電阻分壓確保ADE7755 電壓通道中信號電壓在其工作范圍內(nèi) [6]。ADE7755 內(nèi)部包括兩路數(shù)模轉(zhuǎn)換器（對來自電壓、電流傳感器的電壓信號進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，在電流通道中還設(shè)計了 PGA 電路