【正文】 管顯 示fxo(a)ABC(b) 圖 分頻計數(shù)器原理框圖（a ）框圖；（b）脈沖波形 電源電路部分 單相電子式電能表的電源電路為三個部分：電量計量電源電路、RS485 通訊電源電路、MCU 及其相關(guān)部分電源電路。電源是保證電能表正常運行的先決條件，因此在進行電源電路設(shè)計時要考慮1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 22多方面因素，如設(shè)計原理的正確性、電源容量的冗余量，要選擇合適的元件參數(shù)。不能以馬馬虎虎的態(tài)度去解決。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。整個電源電路是以 78L05 這個穩(wěn)壓芯片進行設(shè)計的，是一種串聯(lián)的穩(wěn)壓電路。圖 電量計量電源電路 圖 RS485 通訊電源電路1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 23圖 MCU 及相關(guān)部分電源電路 通過電網(wǎng)輸入 220V 的交流電源，通過變壓器 TR1 降壓，在 6 端產(chǎn)生12V 的交流電壓，通過 AB1 全波整流及 CTR C E 1 濾波，其中CTR C 2 構(gòu)成濾波網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生一個帶有一定脈動分量的直流電。然后通過并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路 LM317，同時調(diào)整 RR 2 的比值，以得到所需的電壓值—。 圖 電源監(jiān)測電路在上電的時候，如果上電緩慢，單片機會出現(xiàn)復(fù)位錯誤，從而導(dǎo)致程序不能正確運行。為了解決這個問題，必須采用快速上電的方法，我采用 MAX809 電源監(jiān)控芯片，當上電電源達到電壓門檻時，T 1 三極管導(dǎo)通，開通電源通道，達到MCU 快速上電的目的，VCC 的電壓為 =。1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 24 通訊部分本次設(shè)計的單相電子式電能表采用 RS—485 通訊信道， RS—485 通訊信道是用來和其他電能表組成 RS—485 通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)抄表。 RS—485 通訊接口距離遠、抗干擾能力強、半雙工通信以及可以實現(xiàn)總線方式傳送數(shù)據(jù)，非常簡單實用，在電能表通信中得到了廣泛的使用。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。發(fā)送器 接收器數(shù)據(jù) 圖 傳送簡圖RS—485 通訊電路是通過 3 個光耦器件對單片機電路和 RS485 總線電路進行隔離的，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，電路中的 TVS1 管并聯(lián)在 RS485A 總線和 RS485B總線的兩端，對電路瞬態(tài)起保護作用。R39 和 R40 是偏置電阻，進行網(wǎng)絡(luò)失效保護。JP2 接口是要進行瞬變脈沖和靜電干擾的。 圖 光電隔離簡圖A B1 學院本科畢業(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，這部分電路有 LCD 顯示電路、實時時鐘電路、存儲器及掉電保護等組成。實時時鐘選用的是日本 EPSON 公司于 2022 推出的 8025 時鐘芯片，內(nèi)置高精度頻率可調(diào)整的 32768HZ 的水晶振子，無須外接晶體，使用簡便、精度高。它是一個 I2C 總線接口的芯片，最高時鐘頻率為 400HZ，通信速率較高，它的 I2C地址是 60H。具有定時功能和鬧鐘功能。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。8025 芯片應(yīng)設(shè)置輸出 1S 中的時鐘脈沖信號，為了保證時間和工作的連續(xù)性，應(yīng)保證電源不斷電。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：當為高時，輸出 32768HZ 時鐘信號；當為低時，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。這種存儲器的數(shù)據(jù)寫入是通過提高電壓來完成的，其存儲器內(nèi)部有電壓泵起著泵高電壓的作用。這種存儲器非常適合電能表作數(shù)據(jù)存儲，當電能表有電時可以隨時改寫數(shù)據(jù)，而當?shù)綦姾髷?shù)據(jù)保持不變。 存儲容量為 8K 位、1K 字節(jié)、10 位地址線，工作電壓范圍是 —。采用低功耗 CMOS 技術(shù)，同時具有寫保護，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行操作，改寫數(shù)據(jù)時間較長，一般在幾到幾十毫秒。 掉電檢測電路是一個 R4R44 組成的分壓電路，C23 用來濾波，提高抗干擾性。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。由于有 C23的存在，管理芯片的電源不會馬上消失，以提供電源方便管理部分進行數(shù)據(jù)保護。指示燈電路包括峰指示、谷指示、通訊指示，當 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。以上是電能表硬件各部分獨立的電路原理圖。它詳細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。1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的軟件設(shè)計 274 單相電子式電能表的軟件設(shè)計 電能表的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖電能表的軟件系統(tǒng)有五大部分組成，包括程序初始化模塊、程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊、時鐘及顯示處理模塊、通訊處理模塊和電量處理模塊。各個部分都有其特定的任務(wù)，完成他們相應(yīng)的任務(wù)。下面逐一介紹以下各部分的功能： 圖 程序數(shù)據(jù)模塊程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊是對程序中的數(shù)據(jù)進行分析，合理的分配數(shù)據(jù)內(nèi)存，定義程序涉及的變量。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)。圖 程序初始化由上圖可見，程序初始化模塊包括 MCU 初始化和電能表部件初始化兩部分，是對整個程序進行初始化。其中 MCU 初始化是對 MCU 各部件進行初始化，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。電表各部件初始化是對電能表系統(tǒng)各部件進行配置工作狀態(tài)，初始化它們的工作方式，為程序工作提供電能表部件初始狀態(tài)，它包括指示燈初始化、LCD 初始化、實時時鐘初始化、電量恢復(fù)、通訊通道、歷史電量處理等等部件的初始化。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)中進行時鐘和顯示處理的部分。是通過對當前時鐘的比較，對有關(guān)時鐘時間是否發(fā)生進行判斷，程序?qū)r鐘事件進行處理，可以說時鐘是這個程序模塊的節(jié)奏，告訴程序什么時候發(fā)生什么事。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 通訊處理模塊 通訊處理模塊是電能表系統(tǒng)進行外界通訊的模塊，它包括通訊接受處理、通訊命令執(zhí)行處理和通訊發(fā)送處理三部分。當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，進行通訊數(shù)據(jù)發(fā)送。通訊通道為 RS—485。 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。其計量的正確性、可靠性和電量數(shù)據(jù)儲存的正確性關(guān)系到整個電能表的成敗，因此這部分計量的算法要設(shè)計正確，合理。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。當電量脈沖累計一定值時，電量小數(shù)加 1 事件發(fā)生；當電量小數(shù)累計到一定值時，電量整數(shù)加 1 事件發(fā)生，執(zhí)行電量整數(shù)累計程序。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)。時鐘及相關(guān)處理 電能反向時間處理顯示處理 費率、電量結(jié)算 通訊命令執(zhí)行處理 通訊發(fā)送處理 電量恢復(fù)處理 電量脈沖累計處理電量小數(shù)及整數(shù)累計處理1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的軟件設(shè)計 29 電能表的程序流程圖電能表主程序算法分析：電能表軟件系統(tǒng)的主程序在電能表整個程序當中非常重要的，它是電能表的執(zhí)行部分。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。整個程序我是采用查詢方式執(zhí)行的，通過查詢電表事件發(fā)生的條件，判斷電能表事件是否發(fā)生，來執(zhí)行相應(yīng)的操作。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。在電量處理模塊算法中，它包含電量小數(shù)事件和電量整數(shù)事件，當對應(yīng)類型電量脈沖累計到 ，電量小數(shù)事件發(fā)生，電量小數(shù)加 1 及保存電量小數(shù)數(shù)據(jù)，當電量小數(shù)發(fā)生進位時，電量整數(shù)事件發(fā)生同時應(yīng)進行電量整數(shù)部分及相關(guān)事件處理。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。在通訊處理模塊算法中，它包含通訊接收幀事件和通訊發(fā)送幀事件，當程序查詢到通訊接收幀完標志位置時，通訊接收幀事件發(fā)生，程序進行通訊格式的判斷，如果通訊幀格式正確，再進行通訊地址的比較，如果通訊幀中的地址域時本機的地址或廣播地址，表示是對本機通訊，則程序進行通訊命令的解釋及執(zhí)行，同時如果要返回數(shù)據(jù)幀，置通訊發(fā)送標志，準備好發(fā)送數(shù)據(jù)幀，則通訊發(fā)送數(shù)據(jù)幀事件發(fā)生，啟動發(fā)送數(shù)據(jù)幀。 1 學院本科畢業(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 置時段費率檢測標志電量數(shù)據(jù)檢測并修正數(shù)據(jù) 時鐘配置設(shè)置N