【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 定值計(jì)算用戶總的用電量和峰時(shí)、平時(shí)、谷時(shí)的用電量的電能表，使供電局能實(shí)施峰時(shí)、平時(shí)、谷時(shí)各時(shí)段不同的計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。用經(jīng)濟(jì)手段鼓勵(lì)用戶在低谷時(shí)段用電。這也正好符合電力計(jì)費(fèi)系統(tǒng)提出的分時(shí)段計(jì)費(fèi)的要求。電子式的復(fù)費(fèi)率電能表一般使用單片機(jī)對(duì)電能脈沖進(jìn)行分時(shí)段計(jì)算處理，同 時(shí)具有有效的參數(shù)設(shè)定。 電能表的總體方案設(shè)計(jì) 此多功能復(fù)費(fèi)率電能表具有如下功能 : (1)通過單片機(jī)擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)本月、上月、上上月的各月電量，能存儲(chǔ)各月峰時(shí)、平時(shí)、谷時(shí)各時(shí)段的用電量，并能通過液晶顯示器顯示各自的數(shù)值 ； (2)具有欠壓斷電保護(hù)、欠費(fèi)停電保護(hù)功能 ； (3)具有在過電壓、過電流和欠壓斷電保護(hù)后用戶自己送電的功能 ； 本次設(shè)計(jì)中所設(shè)計(jì)的整個(gè)電能計(jì)量系統(tǒng)主要由電能表構(gòu)成。電能表部分應(yīng)包括電流傳感器、電壓傳感器、電能計(jì)量芯片、顯示器件、按鍵開關(guān)時(shí)鐘 /日歷芯片、看門狗電路、擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以 及用于通斷電控制用的小功率交流開關(guān)。 圖 電能表硬件整體框圖 上圖 。其中，電能表部分需要電流互感器、電壓互感器把照明電路中的 22OV 電壓和大電流 (10A)變換成電能計(jì)量芯片所要求的輸入電壓和輸入電流范圍之內(nèi)。電能計(jì)量芯片根據(jù)其內(nèi)部的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流計(jì)算瞬時(shí)功率，再輸出脈沖驅(qū)動(dòng)機(jī)械式計(jì)數(shù)器或者步進(jìn)電機(jī)計(jì)算用電電量。根據(jù)此方案設(shè)計(jì)的復(fù)費(fèi)率電能表系統(tǒng)的硬件原理在以下幾節(jié)詳細(xì)說明。 電能表的控制芯片 AT89C51是一種帶 4K字節(jié)閃存可編程可擦除 只讀存儲(chǔ)器 的低電壓、高性能 CMOS 8位微微控制器 液晶顯示器 按鍵組 日歷 /時(shí)鐘芯片 電力線 電力線 電力線 電力線 電能計(jì)量芯片 三態(tài)門 供電線路 電流互感器 電 壓 互感器 晶閘管保護(hù)回路 12 / 32 處理器，俗稱 單片機(jī) ， 很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案 ，其 引腳排列如圖 ： AT89C51主要特性為： 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命： 1000寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10年 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 1288 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I/O線 兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 5 個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 圖 AT89C51 引腳結(jié)構(gòu)圖 AT89C51各主要引腳功能： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口： P0口為一個(gè) 8位漏級(jí)開路雙向 I/O口，每腳可吸收 8TTL門電流。當(dāng) P0 口的管腳第一次寫 1時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0輸出原碼，此時(shí) P0外部必須被拉高。 P1口： P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P1口緩沖器能接收輸出 4TTL門電流。 P1口管腳寫入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平 時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口作為第八位地址接收。 P2口： P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P2口緩沖器可接收，輸出 4個(gè) TTL門電流，當(dāng) P2口被寫 “1” 時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2口輸出其特 殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2口在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口： P3口管腳是 8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O口，可接收輸出 4個(gè) TTL門電流。當(dāng) P3口寫入 “1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P 1 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 78INT I13P 2 122A T 8 9 C 5 1P 1 67INT O12T115T014E A /V P31X119X218RE S E T9RD17WR16P X D10P 2 728P 2 627P 2 324P 2 425P 2 526P 2 223P 2 021P 0 732P 0 633P 0 534P 0 435P 0 336P 0 237P 0 138P 0 039T X D11P S E N29 13 / 32 P3口也可作為 AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3口管腳 備選功能 P30 RXD（串行輸入口） P31 TXD（串行輸出口） P32 /INT0（外部中斷 0） P33 /INT1（外部中斷 1） P34 T0（記時(shí)器 0外部輸入） P35 T1（記時(shí)器 1外部輸入） P36 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） P37 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 EA/VP：當(dāng) /EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1時(shí)， /EA將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源（ VPP）。 X1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 X2： 來自反向振蕩器的輸出。 電能計(jì)量專用芯片 在電子式電能表中使用得比較多的電能計(jì)量專用芯片有： CS546OA 以及 AD7755 等等。從性能上來比較 CS546OA比 AD7755增加了如下功能 :具有片內(nèi)看門狗定時(shí)器與內(nèi)部電源監(jiān)視器；具有瞬時(shí)電流、瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)功率、電流有效值、電壓有效值、功率有效值測(cè)量及電能計(jì)量功能；提供了外部復(fù)位引腳；雙向串行接口與內(nèi)部寄存器陣列可以方便地與微處理器相連接；外部時(shí)鐘最高頻率可達(dá) 20MHz；具有功率方向輸出指示。這些增加的功能更加便于與微控制器接口，并能方便地實(shí)現(xiàn)電壓、電流、 功率的測(cè)量和用電量累積等功能。據(jù)此選擇CS5460A作為電能計(jì)量芯片更能實(shí)現(xiàn)各種電參數(shù)的測(cè)量。 CS5460A 的性能 (1)能量數(shù)據(jù)精確度 :在 1000:1動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)精確度為 %； (2)芯片功能 :可以測(cè)量電能， I U， IRMS、和 URMS，具有電能與脈沖轉(zhuǎn)換功能； (3)通過串行 EEPROM實(shí)現(xiàn) 數(shù)字 “自引導(dǎo)”，不需要微控制器； (4)AC或 DC系統(tǒng)校準(zhǔn)； (5)可驅(qū)動(dòng)機(jī)計(jì)度器 /步進(jìn)馬達(dá)； (6)能量消耗小于 12mw； (7)為分流傳感器提供優(yōu)化的接口； (8)具有相補(bǔ)償功能； (9)為單電源提供地參考信號(hào)； (10)芯片上帶有 (最大溫漂 60Ppm/℃)； (11)具有簡(jiǎn)單的三線數(shù)字串行接口； 14 / 32 (12)具有看門狗定時(shí)器，電源監(jiān)視器和電源配置功能。 CS5460A 管腳說明 CS546OA芯片有 24個(gè)引腳。它的管腳分布如圖 。各管腳功能說明如下 : 圖 CS5460A 的引腳圖 XOUT、 XIN:系統(tǒng)時(shí)鐘輸出引腳和系統(tǒng)時(shí)鐘輸入引腳。這兩個(gè)引腳接 CS5460A提供系統(tǒng)時(shí)鐘，并通過片內(nèi)的分頻單元的分頻得到相應(yīng)的時(shí)鐘頻率。另外也可通過 XIN引腳使用外部的 CMOS時(shí)鐘為 CS5460A提供系統(tǒng)時(shí)鐘。 CPUCLK:片內(nèi)振蕩器輸出引腳。輸出的時(shí)鐘頻率可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS負(fù)載。 SCLK:串行時(shí)鐘輸入引腳。在這個(gè)引腳上輸入的時(shí)鐘信號(hào)確定 SDI和 SDO引腳上的數(shù)據(jù)輸入輸出速率。在片內(nèi)與此引腳相連的是一個(gè)施密特觸發(fā)器，其允許通過具有慢上升時(shí)間的信號(hào)通過。僅在 CS???有效時(shí)才識(shí)別時(shí)鐘信號(hào)。 SDO:串行數(shù)據(jù)輸出引腳。 CS???:片選引腳。 MODE:模式選擇引腳。當(dāng)為邏輯高電平時(shí)， CS5460A可在一個(gè)外部串行 EEPROM的幫助下執(zhí)行自引導(dǎo)功能接收命令和設(shè)置 。當(dāng)為邏輯低電平時(shí)， CS546OA可與微處理器或微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。此引腳懸空時(shí)為低電平。 INT?????:中斷輸出引腳。 EOUT????????:電能輸出引腳。 EDIR???????:電能方向指示引腳。當(dāng)電能輸出為負(fù)時(shí)此引腳輸出一脈沖。 SDI:串行數(shù)據(jù)輸入引腳。 VIN+、 VIN:電壓通道的差分模擬輸入引腳。 VREFOUT:參考電壓輸出引腳。此引腳的電壓相對(duì)于 VA為 。 VREFIN:參考電壓輸入引腳。輸入此引腳的電壓作為調(diào)節(jié)器的參考電壓。 IIN+、 IIN:電流通道的差分模擬輸入引腳。 VD+:正數(shù)字電源。 DGND:數(shù)字地。 CP UC L K2V D +3DG ND4S CL K5S DO6CS7M O D E8V IN+9V IN10X O UT1S DI23E DI R22E O UT21INT20RE S E T19NC18P F M O N17IIN+16IIN15X IN24C S5 4 6 0 AV RE F O UT11V RE F IN12VA+14V A 13 15 / 32 VA+、 VA:正模擬電源和負(fù)模擬電源。 PFMON:電源故障監(jiān)測(cè)引腳。用于監(jiān)控模擬電源。 RESET?????????:復(fù)位引腳。當(dāng)此引腳電平為低時(shí)， CS5460A的所有內(nèi)部寄存器都被設(shè)置為缺省值。 CS5460A 外圍電路及供電電路設(shè)計(jì) 圖 CS5460A 外圍電路、供電電路及與 AT89C51 的接口電路 在電路圖 ，參考電壓輸入端 (VREFIN)和參考電壓輸出端 (VREFOUT)直接相連并通過 ，模擬電源負(fù)引腳 (VA)也直接接地。這使得片上模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電壓為 O伏，并且使用變換器內(nèi)部 ， 。根據(jù)單相電子式電能表使用的具體情況在系統(tǒng)時(shí)鐘輸出引腳 (XOUT)和系統(tǒng)時(shí)鐘輸入引腳 (XIN)之間選擇 K=1的分頻系數(shù) 為 CS546OA提供系統(tǒng)時(shí)鐘。 微控制器 AT89C51與 CS5460A 的接口 微控制器 AT89C51與 Intel系列的 80C51微控制器的指令集和管腳兼容，微控制器內(nèi)有4K 字節(jié)的可擦寫閃爍只讀程序存儲(chǔ)器和 256 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。它具有掉電模式和閑置狀態(tài)兩種工作方式。其工作原理同 8031微控制器。 由于 CS546OA提供了 SPI串行接口，減少了單片機(jī)的總線使用數(shù)，為微控制器的外圍電路的擴(kuò)展提供了更多的總線。在 SPI總線上傳送的數(shù)據(jù)和命令字都是高位在先的方式傳送。由