【正文】 industrial and civil measurement products to satisfy the measurement need. The main work of the design includes hardware design and software design. The hardware design chooses AT89S52 singlechipputer as system processing core, improving the multifunction degree of the three phase smart ammeter. The ammeter chooses X5045 as watchdog circuit to achieve monitoring CPU running condition and power supply voltage. There are 256 bytes of FLASH memory in X5045, which can storage related parameters and the data will not lose when power down .System petes RS485 munication function by 75LBC184 and its transmission distance beyond 1200 meters. The design configurations 38 KHz infrared Transmit/receive circuit, to plete infrared reading function with transmission of 4 meters. The software design mainly includes main procedure, power acquisition procedure, keyboard and display procedure, network munication procedure, infrared munication procedure, ECT. By the experiment test, the design achieve the precise measurement of the electrical energy, data storage, data display, 485 munication, infrared munication and other functions, satisfying the design requirements, shows that this design program is correct.Keywords: The threephase smart ammeter；ATT7030A；singlechipputer；Infrared munication； RS485 munication目錄摘要 1ABSTRACT 21 緒論 5 5 國內(nèi)外研究狀況 5 課題設(shè)計研究方法 62 系統(tǒng)整體方案設(shè)計 7 系統(tǒng)設(shè)計思路 7 方案論證 7 三相電參數(shù)的測試與計量方案論證與比較 7 8 電壓、電流采樣方案論證與比較 9 本設(shè)計的主要工作 103 系統(tǒng)硬件設(shè)計 11 硬件整體系統(tǒng)設(shè)計 11 電源電路設(shè)計 12 13 變壓模塊 14 整流模塊 14 濾波模塊 14 穩(wěn)壓模塊 15 電壓電流采樣處理單元 17 ATT7030A 簡介 17 ATT7030A 引腳定義 18 ATT7030A 結(jié)構(gòu)框圖 20 電壓電流輸入電路 21 有功功率、有功電能測量 22 功率極性判斷 24 電壓失調(diào)檢測 24 24 25 校準(zhǔn) 26 CPU中央處理單元 29 CPU選擇 30 數(shù)據(jù)存儲模塊 32 顯示模塊 37 鍵盤模塊 42 485通訊模塊 43 紅外通信模塊 464 系統(tǒng)軟件設(shè)計 50 系統(tǒng)主程序 50 鍵盤程序 51 電能脈沖計量程序 53 MAX7219初始化及顯示程序 55 MAX7219 初始化 55 顯示程序 56 X5045相關(guān)程序 57 485通信程序 59 紅外通信程序 615 測試結(jié)果與分析 636 結(jié)論及前景展望 65課題設(shè)計參考文獻(xiàn) 66致謝 67附錄一：系統(tǒng)程序 68附錄二：英文文獻(xiàn)及譯文 861 緒論 伴隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的前進(jìn)步伐，工業(yè)及居民用電急劇增加，龐大的供電網(wǎng)絡(luò)給用電管理單位帶來了巨大挑戰(zhàn)，也給居民工廠帶來了諸多不便。摘要隨著整個社會用電量的劇增，傳統(tǒng)電表已經(jīng)難以完成復(fù)雜的電量測量管理任務(wù)。為此我國在“十二五規(guī)劃”中提出建設(shè)“智能電網(wǎng)”的解決方案，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)、計算機(jī)網(wǎng)、電信網(wǎng)三網(wǎng)融合。如美國ADI公司的ADE78%,而且具備各種防竊電功能；荷蘭的恩智浦公司推出的基于ARM Cortex的MCU解決方案——LPC1700系列功能更加強(qiáng)大；此外還有美國飛思卡爾半導(dǎo)體公司的9S08MZ60、MZ9MZ128MCU，炬力公司的ATT70系列等電表IC，及德國西門子公司基于Blackfin的智能電表都以其豐富的功能為智能電表的設(shè)計提供了方案。此處涉及到電量計量芯片的選擇、CPU的選擇、軟件算法的構(gòu)架、PCB布局等影響測量精度因素的研究。智能管理部分除核心元件微處理器外，還需要人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊及通訊模塊。 專用的三相電參數(shù)測試與計量技術(shù)隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，有關(guān)電參數(shù)測量的集成電路市場上出現(xiàn)了多種專用產(chǎn)品，針對不同的電參量可以選用不同的產(chǎn)品。多功能化模塊應(yīng)包括以下幾個組成部分：CPU中央處理器、外部存儲器、鍵盤、顯示、485通信接口、紅外收發(fā)電路、報警電路、負(fù)荷控制電路等八部分組成。RAM存儲器速度快，可讀寫操作，但存在掉電數(shù)據(jù)丟失的缺點(diǎn)，為了保證數(shù)據(jù)不丟失，一般需要設(shè)計電池供電，增加了設(shè)備的體積，成本等。比較以上幾種方案，結(jié)合本表的計量精度要求，電流取樣采用高精度（）的電流互感器，電壓取樣采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件整體系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)方案比較與論證，三相智能電度表的整體電路主要包括：電源電路、電壓電流采樣處理單元、CPU中央處理單元等三部分組成。用戶上次預(yù)購電量減去剩余電量，得到用戶新的預(yù)購電量剩余值。圖33 系統(tǒng)電源電路如圖321所示，系統(tǒng)直流電源AVCC直接由三相交流電源轉(zhuǎn)換而來。圖35 電容等效模型設(shè)某信號頻率為，則電容在該頻率下產(chǎn)生的阻抗計算如下：（1）當(dāng)電容為電容值較小的陶瓷電容時，其等效電感量很小，可忽略不記，電容產(chǎn)生阻抗為： 式（） （2）當(dāng)電容為電容值較大的電解電容時，其等效電感不能忽略，電容產(chǎn)生阻抗值為： 式（） 由上述兩式可見，濾除低頻信號用大電容，濾除高頻信號用小電容。圖36 LM7805引腳圖LM7805主要電參數(shù)：高精度，%；三相合電能計算模式是可選擇的； 最大輸入信號電平177。5%。6V過電壓保護(hù)，防止器件被損毀。內(nèi)部上拉300K電阻。40REVPO任何一相有功功率為負(fù)時為高電平，所有相有功功率都正時為低電平。圖313所示的是某一相電流采樣輸入電路，左側(cè)省略了電流互感器。單相有功電能的計算公式：Ep=∫P(t)dt， 三相總有功電能可以根據(jù)設(shè)置選擇代數(shù)和模式或絕對值和模式進(jìn)行相加，見圖315。功率缺相指示信號PA、PB、PC分別代表A、B、C三相電狀態(tài)，若輸出高電平表明A、B、C三相電壓低于設(shè)置的閾值電壓，輸出低電平表明A/B/C三相電壓高于設(shè)置的閾值電壓。當(dāng)脈沖寬度小于180ms時，電能輸出脈沖周期占空比為1：1。系統(tǒng)有效誤差可以被校準(zhǔn)到1S/。第二步：選擇計度器變比本系統(tǒng)因采用單片機(jī)處理計數(shù)任務(wù)，無需計度器，因此計度器變比不需計算。下表是可調(diào)電阻對應(yīng)的調(diào)整精度表。校表通過光電耦合器輸出校表脈沖，方便與校表試驗(yàn)臺連接圖319 CPU中央處理單元 CPU選擇AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。全靜態(tài)操作：0Hz33MHz。掉電后中斷可喚醒；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障而超過設(shè)置時間時，電路中的看門狗將通過RESET信號向CPU作出反應(yīng)。（2）低電壓監(jiān)視 工作時X5045對Vcc電平進(jìn)行監(jiān)測，若電源電壓跌落至預(yù)置的最小Vtrip一下時，系統(tǒng)及確認(rèn)RESET，從而避免微處理器在電源失效或斷開的情況下工作。 X5045主要通過一個8位的指令寄存器來控制器件的工作，其指令代碼通過SI輸入端（MSB在前）寫入寄存器。狀態(tài)寄存器的格式如下（缺省值為00H）：表35 X5045狀態(tài)寄存器格式7654321000WD1WD0BL1BL0WELWIP其中：WIP（WriteInProgress）位是易失性只讀位，用于指明器件是否忙于內(nèi)部非易失性寫操作。這連個非易失性可用WRSR指令來編程，并允許用戶保護(hù)EEPROM陣列的1/1/全部或0。圖321 X5045與CPU連接電路圖 顯示模塊 本智能電表系統(tǒng)需要顯示電表機(jī)號、電流互感器系數(shù)、電量等數(shù)據(jù)，無需文字顯示，八位LED數(shù)碼管即可完成顯示任務(wù)，故我們選擇8位LED數(shù)碼管驅(qū)動器MAX7219。數(shù)字的譯碼和非譯碼選擇 它不僅要向寄存器寫入控制字，還需要讀取相應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)，MAX7129的控制字格式如表39。實(shí)際應(yīng)用中可以按位設(shè)置選擇B譯碼或是非譯碼方式。調(diào)制器將段電流平均分為16個階次，最大值為由Rset設(shè)置的最大電流為31/32，最小值為電流峰值的1/32。在此狀態(tài)下，8個數(shù)據(jù)都將被掃描，工作周期為31/32，表313列出了顯示檢測寄存器的格式。 表格314列出了三種串行通信標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別。同時，RS485 電路具有控制方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。在接收發(fā)送器的接收平衡線上，電平范圍通常在200mV至6V 之間。 75LBC184與單片機(jī)連接圖如圖328所示圖328 75LBC184與單片機(jī)連接圖 紅外通信模塊 本智能電表系統(tǒng)需要完成與抄表器數(shù)據(jù)傳輸功能，紅外通信具有控制簡單、實(shí)施方便、傳輸可靠性高的特點(diǎn)，是一種較為常用的通信方式。其中脈沖振蕩器選用38K晶振，用于產(chǎn)生載波信號；紅外發(fā)射管用來發(fā)射950nm的紅外光束。圖330 紅外發(fā)射模塊電路圖 圖331 紅外發(fā)射調(diào)制時序圖 （2）紅外接收模塊的實(shí)現(xiàn) 圖332為紅外接收的工作方塊圖，其主要控制組件為紅外接收模塊，其內(nèi)部含有高頻載波電路，專門用來濾除紅外線合成信號的載波信號（38KHz）而送出發(fā)射器的控制信號。 系統(tǒng)主程序系統(tǒng)主程序流程圖如圖41所示，主程序首先完成對X504MAX7219的初始化，設(shè)置串口工作方式，開中斷，然后重復(fù)調(diào)用鍵盤掃描程序，計量脈沖程序，數(shù)據(jù)對EEPROM寫入程序等。設(shè)置位置計數(shù)器鍵盤程序可分為鍵值判斷程序和鍵盤處理程序兩部分。7219數(shù)據(jù)裝載信號輸入端 MAX7219 初始化MAX7219的初始化需要對顯示位數(shù)、顯示亮度、譯碼方式、顯示模式等寄存器的設(shè)置，具體如表42所示。7219顯示緩沖區(qū)2NYNYR1=RAM0，R3=08寫數(shù)位及顯示數(shù)據(jù)R3=0?R0+1，R1+1，R31返回FLAG=0?R0=BFLED1首地址R0=BFLED2首地址開始圖 46 顯示程序流程圖 X5045相關(guān)程序X5045集串行EEPROM、電壓監(jiān)控、看門狗于一體，采用SPI總線驅(qū)動，有SCLK、SI、SO、CS四根驅(qū)動線。其中EEPROM讀寫程序流程圖見圖47和圖48。電能表紅外通信采用串口通信，并采用串口中斷方式。開串口中斷 CLR 。由此可知，紅外通信功能擴(kuò)展基本實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。單片機(jī)C語言編程，可讀性好，但代碼效率低，適合編較大程序和整體程序；單片機(jī)匯編語言代碼執(zhí)行率高，但可讀性差，適合編較小程序和子程序。6 結(jié)論及前景展望本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對電能的精確測量及智能化管理，可以正常顯示電量、存儲數(shù)據(jù)、鍵盤控制、串行通信及紅外通信，基本完成了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)，證明了該設(shè)計方案的可行性及正確性。紅外中斷服務(wù)程序的流程如圖410所示。MOV SCON, 50H 。串口通信的的起始位為低電平，恰好可以作為單片機(jī)外部中斷源，此處485通信采用INT0中斷方式。程序中X5045與單片機(jī)所連接的引腳定義成如下變量。表42 MAX7219 各寄存器初始化表寄存器 選項(xiàng)地址寫入數(shù)據(jù)功能掃描邊界寄存器0BH 07H 8位LED顯示亮度控制寄存器0AH04H10/32亮度顯示顯示檢測寄存器0CH01H正常顯示狀態(tài)譯碼方式寄存器09H0FFHBCD譯碼方式設(shè)置0CH設(shè)置09H設(shè)置0CH設(shè)置0AH開始返回圖 45 MAX7219初始化流程圖 顯示程序 該智能電表系統(tǒng)顯示模塊中，顯示界面有兩種顯示狀態(tài)：第一種是顯示機(jī)號和電量狀態(tài)，第二種時設(shè)置機(jī)號和互感器原副邊系數(shù)狀態(tài)。低電平為有效脈沖。開始初始化X5045初始化7219設(shè)置串口工作方