【正文】 計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，包括主程序流程、各中斷處理流程、有功和無(wú)功電能分時(shí)計(jì)量模塊、鍵盤(pán)、顯示及通信模塊等設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電能表多功能要求。 (a)負(fù)載三相三線(xiàn)連接(b)負(fù)載的三線(xiàn)四線(xiàn)連接以上討論了三相電源和負(fù)載的接線(xiàn)方法，這些知識(shí)有利于理解三相多功能電能表的參數(shù)采集電路和外部接線(xiàn)方式。測(cè)量三相四線(xiàn)電路的有功電能經(jīng)常用三只單相有功電能表（DD型）,即三表法或三相四線(xiàn)式有功電能表（DT型），三表法就是在三根相線(xiàn)與零線(xiàn)之間分別跨接一只單相有功電能表，總能量即為三只單相表計(jì)量值之和，三相四線(xiàn)式有功電能表可以直接通過(guò)外部接線(xiàn)計(jì)量三相電能。瞬態(tài)功率信號(hào)通過(guò)變換很容易產(chǎn)生有功電能、無(wú)功電能等所需的數(shù)據(jù)。2）采用軟件乘法器。通信模塊包括RS485通信及紅外發(fā)射接收單元。 256*8位內(nèi)部RAM216。AT89C52單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的可控高增益反向放大器。為了保障單片機(jī)的可靠運(yùn)行，本設(shè)計(jì)使用該芯片的看門(mén)狗功能，只要將和直接連在一起即可。SEL：輸入端口，輸入為低電平時(shí)選擇三相三線(xiàn)方式、高電平時(shí)選擇三相四線(xiàn)方式，內(nèi)部300K上拉電阻。采用精密電阻電路不會(huì)引起相角誤差，但對(duì)電阻要求較高，電阻要求具有足夠高的準(zhǔn)確度、足夠大的功率溫度系數(shù)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。ATT7022B的數(shù)據(jù)寫(xiě)入與讀出采用四線(xiàn)制的SPI總線(xiàn)方式，軟件編程考慮采取I/O口模擬SPI總線(xiàn)時(shí)序的方式，所以ATT7022B的四條SPI總線(xiàn)連接到CPU的任意四個(gè)雙向的I/O口就可以了。 FM24C16總線(xiàn)頻率最高可達(dá)1MHz，10億次以上的讀寫(xiě)次數(shù)，工耗低。RS485數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱(chēng)作平衡傳輸，具有抑制共模干擾的能力。其特性阻抗為120 Ω左右，所以線(xiàn)路設(shè)計(jì)時(shí)，在485網(wǎng)絡(luò)傳輸線(xiàn)的始端和末端應(yīng)各接1只120 Ω的匹配電阻（），以減少線(xiàn)路上傳輸信號(hào)的反射。在發(fā)射端，對(duì)發(fā)送的數(shù)字信號(hào)經(jīng)適當(dāng)?shù)木幋a和調(diào)制后，送入電光變換電路，驅(qū)動(dòng)紅外二極管發(fā)射紅外光脈沖，在接收端，紅外接收器對(duì)收到的紅外信號(hào)進(jìn)行光電變換，并進(jìn)行解調(diào)和譯碼后，恢復(fù)出原信號(hào)。(2)超敏感度和傳送距離。(DIP封裝)：：Vcc1：芯片主電源；Vcc2：備用電源；X1，X2：晶振；SCLK：同步時(shí)鐘；I/O：數(shù)據(jù)輸入/輸出；RST：片選；GND：接地端。：按鍵功能對(duì)應(yīng)I/O口電量歷史查詢(xún)鍵上移(或數(shù)字加l)鍵下移(或數(shù)字減l)鍵，1KΩ和100Ω的電阻串聯(lián)，連接到單片機(jī)的三個(gè)I/O口,按鍵面板為薄膜按鍵。 器件選擇 由于在穩(wěn)壓電源中所選穩(wěn)壓器LM78M05的輸入電壓范圍725V，典型值為10V，所以選擇在橋式整流電路整流后的電壓平均值Uo為4V。 繼電器驅(qū)動(dòng)單元XC2023是主要用于JMK94F系列磁保持繼電器的專(zhuān)用壓高，自身靜態(tài)功耗低，輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有輸入端“1”狀態(tài)時(shí)的判別保護(hù)電路，輸出二極管保護(hù)電路。下面就幾個(gè)主要模塊的功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。先傳低位，后傳高位。標(biāo)準(zhǔn)速率：300，600，1200，2400，4800，9600bps。3）記錄時(shí)段號(hào)，查找當(dāng)前費(fèi)率，將對(duì)應(yīng)的總功電量、以及正向有功電量和正向無(wú)功電量存儲(chǔ)到相應(yīng)位置。軟件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)能很大程度上抑制外來(lái)干擾。由于個(gè)人的閱歷、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有限，以及主觀性綜合考慮欠妥等，在課題研究設(shè)計(jì)和論文闡述中也存在一些不足?，F(xiàn)在，電子式液晶顯示電能表的技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)相當(dāng)成熟，居民用表實(shí)行單相復(fù)費(fèi)率、三相復(fù)費(fèi)率表改造也是當(dāng)務(wù)之急。本文將多功能電能表整體設(shè)計(jì)分成3部分：系統(tǒng)硬件各個(gè)模塊部分，軟件各個(gè)模塊部分，系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)部分。 2）電源和地線(xiàn)盡量設(shè)計(jì)較粗的導(dǎo)線(xiàn)，而且平行鋪線(xiàn)。計(jì)算完電流后，可以將所得電流值與預(yù)先設(shè)置的限定電流值比較，若用戶(hù)電流大于限定值，則通過(guò)斷開(kāi)繼電器，給用戶(hù)斷電，保護(hù)線(xiàn)路安全。3) 傳輸響應(yīng)：每次通信都是由主站向按信息幀地址域選擇的從站發(fā)出請(qǐng)求命令幀開(kāi)始，請(qǐng)求的從站根據(jù)命令幀中控制碼的要求作出響應(yīng)。通信鏈路的建立與解除均由主站發(fā)出的信息幀來(lái)控制。 主程序流程圖電能表軟件采用C51編寫(xiě),主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、電能計(jì)量、485總線(xiàn)與紅外通信、顯示鍵盤(pán)、異常檢測(cè)處理、復(fù)費(fèi)率、需量計(jì)量和校表處理等基本功能. 而這些功能中需要立即處理的任務(wù)，包括按鍵與顯示、通訊處理，異常檢測(cè)處理；有功無(wú)功電量的計(jì)量，事件記錄及報(bào)警處理等可以每秒執(zhí)行一次；時(shí)段投切、需量處理設(shè)定每分鐘執(zhí)行一次。經(jīng)過(guò)整流濾波的電壓還不能直接給裝置內(nèi)部器件供電，需要經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路得到一個(gè)穩(wěn)定輸出的電壓。為了防止由于電網(wǎng)電壓過(guò)高對(duì)電路造成損害，在三相和零線(xiàn)之間接上一個(gè)壓敏電阻，來(lái)衰減大能量、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的干擾(如閃電)。 用戶(hù)按鍵是用戶(hù)與電能表交互的主要通道之一。DS1302與單片機(jī)之間采用同步串行的方式進(jìn)行通信，僅需用到三跟口線(xiàn)，分別是：RESET(復(fù)位)；I/O數(shù)據(jù)線(xiàn)；SCLK串行時(shí)鐘。接收電路的設(shè)計(jì)中采用一種高效能的紅外接收器——德律風(fēng)根TFMS5380。 圖中，、DD6都是用來(lái)保護(hù)RS485總線(xiàn)的，避免RS485總線(xiàn)在受外界干擾時(shí)（雷擊、浪涌）產(chǎn)生的高壓損壞RS485收發(fā)器。 75LBC184引腳圖RS485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一方處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。本電能表通信模塊包括RS485接口和紅外通信接口。本設(shè)計(jì)中選擇FM24C16來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器單元功能?；ジ衅麟娏鞅葹?A/5mA，次級(jí)電路不允許開(kāi)路使用，使用時(shí)初級(jí)線(xiàn)圈應(yīng)串聯(lián)于被測(cè)電流回路中。VCC：數(shù)字電源引腳；正常工作電源電壓應(yīng)保持在5V177。完全差動(dòng)輸入方式，正常工作最大輸入電壓為177。RESET高電平有效的復(fù)位輸出，觸發(fā)后產(chǎn)生200ms的負(fù)脈沖。:程序儲(chǔ)存器輸出使能端。 8k字節(jié)可重復(fù)擦寫(xiě)Flash閃速存儲(chǔ)器216。3 系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計(jì)由于多功能電能表的功能要求實(shí)現(xiàn)的功能非常多，MCU外圍芯片的電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，模塊化設(shè)計(jì)方案。數(shù)字乘法器是將數(shù)字量相乘，首先將被測(cè)電壓、電流的模擬量變?yōu)閿?shù)字量，然后相乘?；魻柍朔ㄆ魇且粋€(gè)四象限乘法器，其相乘精度甚佳，%左右。由式()，用兩只單相電能表測(cè)量三相三線(xiàn)電路的總電能，稱(chēng)為二表法。當(dāng)發(fā)電機(jī)繞組按星形方式連接時(shí)，負(fù)載也接成星形方式，(b)所示，稱(chēng)為三相四線(xiàn)制。第2章 分析了電能表的基本測(cè)量原理 ，包括對(duì)三相電路電源負(fù)載接線(xiàn)方式的介紹，對(duì)電子式電能表測(cè)量原理的介紹，著重介紹了幾種乘法器的原理及應(yīng)用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后，可以軟件進(jìn)行校表，軟件校表參數(shù)通過(guò)程序內(nèi)部進(jìn)行設(shè)置，確保出廠(chǎng)時(shí)更好的準(zhǔn)確性。經(jīng)過(guò)技術(shù)的引進(jìn)、消化和吸收，我國(guó)電子式電能表開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。 1889年，匈牙利崗茲公司的布勒泰制成了第一臺(tái)交流感應(yīng)式電能表。在軟件設(shè)計(jì)方面，采用模塊化軟件設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了有功和無(wú)功的能量分時(shí)計(jì)量、RS485通訊、紅外通訊、按鍵顯示、異常檢測(cè)及記錄等功能。同時(shí)，微電子技術(shù)和單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展和普及，為電能表多功能高精度的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了有利條件，電子式電能表得以出現(xiàn)并得到了飛速發(fā)展。這種電能表和機(jī)械禍合式多費(fèi)率電能表都是感應(yīng)式電能表向全電子式電能表過(guò)渡過(guò)程中的電能計(jì)量品種，它們對(duì)分時(shí)電價(jià)、需量電價(jià)制度的實(shí)施起了積極的推動(dòng)作用。目前還存在著GPRS無(wú)線(xiàn)抄表方式，GPRS是通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)(General PacketRadio Service)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來(lái)的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶(hù)提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。此外，紅外、顯示及鍵盤(pán)單元均做出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程。（a）。則在一個(gè)周期內(nèi)平均有功功率P為 ()一個(gè)周期內(nèi)的電能W為 ()對(duì)于三相電路，總能量可以表示為三個(gè)分相能量之和： (25)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)，而是含有很多諧波信號(hào)。電子式電能表中起主要作用的是電能測(cè)量單元，而乘法器是該單元的核心組成部分，乘法器是實(shí)現(xiàn)被測(cè)電壓、電流相乘，輸出為功率的器件。 時(shí)分割乘法器[11]時(shí)分割乘法器的工作基于計(jì)算式 () 式中 ：在一個(gè)周期內(nèi)電流、電壓的采樣次數(shù)。其主要采用了增量調(diào)制、噪聲整形、數(shù)字濾波、和采樣抽取等技術(shù)，使其在測(cè)量精度、線(xiàn)性度、穩(wěn)定性和抗干擾能力等方面得到顯著改善，具有更好的發(fā)展前景?？刂颇K使用XC2023繼電器驅(qū)動(dòng)芯片配合JMX94F系列繼電器，最大電流30A。 可編程串行UART通道 AT89C52引腳圖216。該方式一般用于一些特殊場(chǎng)合如多CPU系統(tǒng)等。 ATT7022B芯片介紹[12]ATT7022B芯片特性：1) 高精度，在輸入動(dòng)態(tài)工作范圍(1000:1)內(nèi)，%。OSCI：系統(tǒng)晶振的輸入端，或是外灌系統(tǒng)時(shí)鐘輸入。 TV31B電流型電壓互感器，一次側(cè)串接功率電阻后并聯(lián)與線(xiàn)路中，互感器電流比為2mA/2mA，次級(jí)電路不允許開(kāi)路使用。SIG信號(hào)是用來(lái)通知外部MCU的一個(gè)握手信號(hào)。從比較中看出，F(xiàn)M24C16包含了RAM技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)擁有ROM技術(shù)的非易失性特點(diǎn)。平衡雙絞線(xiàn)的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，一般100米長(zhǎng)雙絞線(xiàn)最大傳輸速率僅為1Mb/s。這樣RXD的電平在485總線(xiàn)不發(fā)送期間（總線(xiàn)懸浮時(shí)）呈現(xiàn)唯一的高電平，89C52單片機(jī)就不會(huì)被誤中斷而收到亂字符。 紅外通信接口電路單片機(jī)的異步串行口TX輸出的串行數(shù)據(jù)信號(hào),送到與非門(mén)74HC00的輸入端，與非門(mén)的另一輸入端接38KHZ的載波信號(hào)， KHZ的方波作為載波。(7)可選頻率由30KHZ至56KHZ。DS1302外圍電路及與單片機(jī)的接口如下圖所示： 圖 DS1302外圍電路及與單片機(jī)的接口。無(wú)論那種電源方式，都應(yīng)該著重解決如下幾題：[24](1)將50Hz的電網(wǎng)220V交流高電壓變換成所需的直流+5V電壓；(2)將電表與外界交流電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電氣隔離，避免電網(wǎng)噪聲的侵入；(3)提供后備電源，確保電網(wǎng)停電時(shí)重要數(shù)據(jù)不丟失；(4)將電網(wǎng)瞬時(shí)的掉電信號(hào)提供給單片機(jī)進(jìn)行處理。在整流電路中，每只二極管只在輸入交流電壓的半個(gè)周期通過(guò)電流，所以每只二極管的平均電流為負(fù)載電流的一半。本設(shè)計(jì)采用方法二，這種方法所需投資少，快捷方便。用于參數(shù)設(shè)置及抄表，兩種接口在物理層上相互獨(dú)立。(e)數(shù)據(jù)域DATA：數(shù)據(jù)域包括數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)和數(shù)據(jù)、密碼等，其結(jié)構(gòu)隨控制碼的功能而改變。 顯示、鍵盤(pán)模塊本設(shè)計(jì)采用的是LED數(shù)碼管顯示，顯示處理子程序，在主循環(huán)中每次刷新一次顯示數(shù)據(jù)，另外通過(guò)掃描按鍵來(lái)決定顯示內(nèi)容，沒(méi)有按鍵按下時(shí)，顯示循環(huán)顯示預(yù)設(shè)的內(nèi)容。主要為電磁干擾。如果程序跳到這些未用區(qū)域，就會(huì)執(zhí)行無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序出錯(cuò)“跑飛”處理程序。系統(tǒng)顯示采用了LED顯示，顯示資源有限，可以研究使用LCD液晶顯示。 當(dāng)前GPRS無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的發(fā)展相當(dāng)迅速，而新型的電能表的自動(dòng)抄表也是一個(gè)研究的主要方向，將日漸成熟的GPRS無(wú)線(xiàn)通訊模塊加入到多功能電子式電能表當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸，無(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄表將會(huì)有很大的應(yīng)用前景。 3）軟件看門(mén)狗看門(mén)狗電路在系統(tǒng)中已經(jīng)有硬件支持，這里提到的軟件看門(mén)狗，是和協(xié)同工作的，也就是在關(guān)鍵周期性執(zhí)行程序模塊中，可以設(shè)計(jì)多個(gè)軟件看門(mén)狗標(biāo)志，在定時(shí)程序中，不斷掃描這些標(biāo)志，看是否正常的運(yùn)行，如果連續(xù)幾個(gè)周期沒(méi)有運(yùn)行到該模塊，也即程序發(fā)生異常，可以使用硬件看門(mén)狗進(jìn)行復(fù)位操作，確保程序不會(huì)跑飛。外部干擾是指與儀表結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，是由外部環(huán)境和使用條件決定的，在電表所在系統(tǒng)中，主要指無(wú)線(xiàn)電干擾，雷電干擾，交流電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的起動(dòng)等；內(nèi)部干擾主要由電能表硬件設(shè)計(jì)布局及生產(chǎn)工藝決定，例如模擬數(shù)字部分的共地設(shè)計(jì)，多點(diǎn)接地的電位差引起的干擾，耦合電容，尖峰脈沖等干擾。按鍵判斷前，須進(jìn)行去抖措施，防止干擾造成誤操作。(f)校驗(yàn)碼CS：從幀起始符開(kāi)始到校驗(yàn)碼之前的所有各個(gè)字節(jié)的模256的和，即各字節(jié)的二進(jìn)制算術(shù)和，不計(jì)超過(guò)256的溢出值。有效傳輸距離不小于1200 m。單片機(jī)的開(kāi)發(fā)流程如下：1. 程序編寫(xiě)：可以在開(kāi)發(fā)環(huán)境里錄入程序2. 編譯程序：負(fù)責(zé)把程序翻譯成機(jī)器碼 3. 程序下載：把機(jī)器碼下載到仿真板或開(kāi)發(fā)系統(tǒng)上 開(kāi)發(fā)環(huán)境支持匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。濾波電路經(jīng)過(guò)單項(xiàng)橋式整流電路整流以后的到得是單相脈動(dòng)電壓，包含有直流分量和交流分量。還有，由于它采用的是開(kāi)關(guān)技術(shù)，因此如果在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)可能會(huì)引起測(cè)試電源的波形畸變，造成測(cè)試不準(zhǔn)確，甚至引起測(cè)試電源自激。三個(gè)10KΩ的電阻為通信線(xiàn)提供上拉電阻。 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路 時(shí)鐘芯片DS1302電能表要實(shí)現(xiàn)復(fù)費(fèi)率功能，需要以時(shí)間為基準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)費(fèi)率數(shù)據(jù)處理，所以準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)鐘必不可少。這樣就達(dá)到了用串行口TX輸出的串行數(shù)據(jù)信號(hào)直接調(diào)制載波,進(jìn)行紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。使用DCDC器件可以產(chǎn)生一組與微處理器電路完全隔離的電源輸出，用于向RS485收發(fā)器電路提供+5V電源。為了有效可靠地實(shí)現(xiàn)RS232與RS485之間的轉(zhuǎn)換，在該設(shè)計(jì)中，使用了TI公司生產(chǎn)的一種RS485接口芯片75LBC184,它使用單一電源Vcc，電壓在＋3～＋，能完成TTL與RS485之間的轉(zhuǎn)換。它的性能指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，解決了儀表中的設(shè)計(jì)憂(yōu)慮。當(dāng)外部MCU通過(guò)SPI寫(xiě)入較表數(shù)據(jù)后，SIG將立即變?yōu)楦唠娖?。該方式采用了互感器，可以將芯片與電網(wǎng)進(jìn)行有效地隔離，從而獲得良好的抗干擾性。 REVP：輸出端，當(dāng)檢測(cè)到任意相的有功功率為負(fù)時(shí)，輸出高電平。有功、無(wú)功電能脈沖輸出CFCF2 提供瞬時(shí)有功、無(wú)功功率信息，可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)表，進(jìn)行誤差校正。本設(shè)計(jì)選用帶有看門(mén)狗定時(shí)器和降壓檢測(cè)功能的低價(jià)格監(jiān)控芯片IMP813L[14]。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。常用的8位單片機(jī)有很多種:如Intel公司的8051，8031系列及ATMEL公司的89系列[13]。電