【導(dǎo)讀】本次設(shè)計的智能電表以美國炬力公司生產(chǎn)的高性能電量芯片。成三相電能參數(shù)的精確測量，且具有三相三線和三相四線轉(zhuǎn)換功能。計能夠較為容易的轉(zhuǎn)化為工業(yè)、民用計量產(chǎn)品，滿足計量測試需要。本設(shè)計的主要工作包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面。AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)處理核心，提高三相智能電度表的多功能化程度；選用X5045作為看門狗電路，完成對CPU運(yùn)行狀態(tài)、電源電壓等監(jiān)控；置了38KHz的紅外發(fā)送/接收電路，完成紅外抄表功能，傳輸距離大于4米。通信子程序、紅外通信子程序等五部分。

　　

【正文】 ， Vi=，電流互感器互感系數(shù)為 1，則 Un=220V， Ib=1A， Hfreq =5760000000****(220*5 *400) =109938/400 =275 由表 333 可得，此時 Hfreq 選擇為 256。 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。 此時 Hreq 為 256， SCF、 S S0=000。 第三步：確定采樣電壓 由公式 Vu=Hfreq*N*Un*Ib/(5760000000*Vi*G*G) =256*400*220*5/(5760000000***) = 此值在 和 之間，符合設(shè)計要求。 第四步：確定分壓電阻 分壓電阻的選擇通常要考慮一 下因數(shù)： 分壓電阻的功耗， 分壓電阻的耐壓值， 誤差可調(diào)范圍。 由于電壓回路抗混疊濾波器參數(shù)要求。電壓采樣回路接地電阻為 ，這樣分壓電阻大約為 220*，考慮實際中參考電壓的不同，山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????25 一般預(yù)留 25%的調(diào)整范圍，取樣電阻取 450K560K，其中 450K 左右為固定電阻， 110K 為可調(diào)電阻。 考慮過壓一倍能力，固定電阻承受越 400V 電壓，每個貼片電阻耐壓50V，固定電阻需要放 8 顆，每個電阻的阻值為 450/8=56K。若最小調(diào)整精度約為 %，則最小的可調(diào)電阻可取 680 歐姆。 下表是可調(diào)電阻對應(yīng)的調(diào)整精度表。 表 33 電阻調(diào)整精度表 可調(diào)電阻 680 10K 20K 47K 調(diào)整精度 % % % % 1% 2% 4% 9% 下圖是一相用電阻分壓式采樣的電壓輸入電路。 圖 318 電阻分壓式采樣的電壓輸入電路 CPU 中央處理單元 CPU 中央處理單元但由于需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、顯示、鍵盤、通信等功能，因此電路較為復(fù)雜，元件較多。設(shè)計原理圖見圖 319。 由圖 341可知， CPU 選用 AT89S52，外部存儲器選用 X5045，一方面存儲數(shù)據(jù)滿足掉電數(shù)據(jù)不丟失，其次 X5045 具有看門狗功能，監(jiān)視 CPU 運(yùn)山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????26 行狀態(tài)及電源電壓，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。 485 通信選用 75LBC184 集成電路，具有帶載能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)的特點。紅外采用 38KHz 調(diào)制方式，傳輸距離超過 5 米，誤碼率低。 CPU 有功電量采樣使用光電耦合器隔離，提高其采樣的可靠性。校表通過光電耦合器輸出校表脈沖，方便與校表試驗臺連接 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。使用 ATMEL 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 AT89S52 主要功能特點： 與 MCS51產(chǎn)品兼容； 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????27 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器； 1000 次擦寫周期； 全靜態(tài)操作： 0Hz33MHz。 三級加密程序存儲器； 32 個可編程 I/O 口線； 三個 16 位定時器 /計數(shù)器； 八個中斷源； 全雙工 UART 串行通道； 低功耗空閑和掉電模式； 掉電后中斷可喚醒； 看門狗定時器； 雙數(shù)據(jù)指針； 掉電標(biāo)識符。 AT89S52 引腳圖見圖 320： 圖 320 AT89S52 DIP 封裝引腳圖 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????28 數(shù)據(jù)存儲模塊 因本系統(tǒng)需要存儲用戶電量等數(shù)據(jù)，且要求掉電數(shù)據(jù)不丟失，該系統(tǒng)選擇 X5045器件。 X5045 是一種集看門狗、電壓監(jiān)控和串行 EEPROM 三種功能于一身的可編程電路。這種組合設(shè)計減少了電路對電路板空間的需求。 X5045中的看門狗對系統(tǒng)提供了保護(hù)功能。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)。 X5045 提供了三個時間值供用戶選擇使用。它所具有的電壓監(jiān)控功能還可以保護(hù)系統(tǒng)免受低電壓的影響，當(dāng)電源電壓降到允許范圍以下時，系統(tǒng)將復(fù)位，直到電源電壓返回到穩(wěn)定值為止 。 X5045的存儲器與 CPU可通過串行通信方式接口，共有 4096個位，可以按 512 8個字節(jié)來放置數(shù)據(jù)。 引腳 介紹 X5045采用 DIP8封裝形式，其管腳排列如圖 320所示，共有 8個引腳，各引腳功能如下： CS ：電路選擇端，低電平有效； SO：串行數(shù)據(jù)輸出端； SI：串行數(shù)據(jù)輸入端； SCK:串行時鐘輸入端； WP ：寫保護(hù)輸入端，低電平有效； RESET：復(fù)位輸出端； VCC：電源端； VSS：接地端。 工作原理 （ 1）上電復(fù)位 向 X5045加電時會激活其內(nèi)部的上電復(fù)位電路，從而使 RESET引腳有山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????29 效。該信號可避免系統(tǒng)微處理器在電壓不足或振蕩器未穩(wěn)定的情況下工作。當(dāng) Vcc超過器件的 Vtrip門限值時，電路將在 200ms（典型）延時后釋放 RESET以允許系統(tǒng)開始工作。 （ 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。當(dāng) RESET被確認(rèn)后，該 RESET信號將一直保持有效，知道電壓跌到低于 1V。當(dāng) Vcc返回并超過 Vtrip達(dá)到 200ms時，系統(tǒng)重新開始工作。 （ 3）看門狗定時器 看門狗定時器的作用是通過監(jiān)視 WDI輸入來監(jiān)視微處理器是否激活。由于微處理器必須周期性的觸 發(fā) CS /WDI引腳以避免 RESET信號激活而使電路復(fù)位，所以 CS /WDI引腳必須在看門狗超時時間終止之前受到由高到低信號的觸發(fā)。 （ 4）重新設(shè)置 Vcc門限 X5045出廠時設(shè)置的 Vcc門限電壓為 Vtrip，但在應(yīng)用時，如果標(biāo)準(zhǔn)值不恰當(dāng)，用戶可以重新調(diào)整。 （ 5） SPI穿行存儲器 器件存儲器部分是帶塊保護(hù)的 CMOS串行 EEPROM陣列，陣列的內(nèi)部組織是 8位。 X5045可提供最少為 1000000次擦寫和 100年的數(shù)據(jù)保存期，并具有穿 行外圍接口（ SPI）和軟件協(xié)議的特點，允許工作在簡單的四總線。 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。表 34所列為 X5045的指令格式及其操作。 （ 6）時鐘和數(shù)據(jù)時序 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????30 當(dāng) CS 變低以后， SI線上的輸入數(shù)據(jù)在 SCK的第一個上升沿時被鎖存。而 SO上的數(shù)據(jù)則有 SCK的下降沿輸出。用戶可以停止時鐘，然后再啟動它，以便在它停止的地方恢復(fù)操作。在整個工作期間， CS 必須為低。 表 34 X5045指令格式及其操作 指令名稱 指令格式 操作 WREN 00000110 設(shè)置寫使能鎖存器 WRDI 00000100 復(fù)位寫使能鎖存器 RSDR 00000101 讀狀態(tài)寄存器 WRSR 00000001 寫狀態(tài)寄存器（看門狗及塊鎖） READ 0000A800 從選定地址開始讀 存儲器 陣列的數(shù)據(jù) WRITE 0000A8010 從選定地址開始寫入數(shù)據(jù)至存儲器陣列 （ 7）狀態(tài)寄存器 狀態(tài)寄存器包含四個非易失性狀態(tài)位和兩個易失性狀態(tài)位?？刂莆挥糜谠O(shè)置看門狗定時器的操作和存儲器的塊鎖保護(hù)。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 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 WD1 WD0 BL1 BL0 WEL WIP 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。 WIP位可用 RDSR指令讀出。當(dāng)該位為“ 1”時，表示非易失性寫操作正在進(jìn)行；為“ 0”時，表示沒有進(jìn)行寫操作。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31 WEL（ WriteEableLatch）位用于指出“寫使能”鎖存的狀態(tài)。 WEL=1時，表示是易失性只讀位?？梢杂?WREN指令設(shè)置 WEL位；用 WRDI指令復(fù)位 WEL位。 用 BL0， BL1（ Block Lock）位可設(shè)置塊鎖存保護(hù)的范圍。任何被塊鎖保護(hù)的存儲器都只能讀出不能寫入。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。參見表 36. 表 36 受保護(hù)的 EEPROM陣列地址表 狀態(tài)寄存器 受保護(hù)陣列地址 BL1 BL0 0 0 無 0 1 180~1FF 1 0 100~1FF 1 1 000~1FF WD0、 WD1（ WatchdogTimer）位于 擇看門狗的超時周期。見表 37. 表 37 看門狗超時周期選擇表 狀態(tài)寄存器 看門狗超時周期 （典型值） WD1 WD0 0 0 0 1 600毫秒 1 0 200毫秒 1 1 禁止 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32 當(dāng) CS 選中器件后，送 8位 RDSR指令，并由 CLK信號觸發(fā)即可將狀態(tài)寄存器的內(nèi)容從 S0線上讀出。而在寫狀態(tài)寄存器時，應(yīng)先將 CS 拉低，然后送WREN指令，再拉高 CS 。 然后再次拉低 CS ,最后送入 WRSR指令及對應(yīng)狀態(tài)寄存器內(nèi)容的 8位數(shù)據(jù)即可。該操作由 CS 變高結(jié)束。 WEL位及 WP 引腳的狀態(tài)對器件內(nèi)的存儲器及狀態(tài)寄存器各部分保護(hù)影響 見表 38 表 38WEL及 WP 與狀態(tài)寄存器關(guān)系表 WREN命令（ WEL） 器件引腳 （ WP ） 存儲器模塊 狀態(tài)寄存器（ BL0，BL1， WD0， WD1） 保護(hù)區(qū) 不保護(hù)區(qū) 0 X 保護(hù) 保護(hù) 保護(hù) X 0 保護(hù) 保護(hù) 保護(hù) 1 1 保護(hù) 可寫入 可寫入 應(yīng)用電路 利用 X5045可以很方便地與各類 CPU芯片進(jìn)行連接。它與 AT89S52的連接電路圖如圖 321所示。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????33 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。 MAX7219概述 MAX7219是 MAXIM公司 生產(chǎn)的串行輸入 /輸出共陰極 數(shù)碼管顯示 驅(qū)動芯片， 一片 MAX7219可驅(qū)動 8個 7段（包括小數(shù)點共 8段）數(shù)字 LED、 LED條線圖形顯示器 、 或 64個分立的 LED發(fā)光二級管 。 該芯片具有 10MHz傳輸率的三線串行接口可與任何微處理器相連，只需一個外接電阻即可設(shè)置所有 LED的段電流。 。它的操作很簡單， MCU只需通過 模擬 SPI三線 接口就可以將相關(guān)的指令寫入 MAX7219的內(nèi)部指令和數(shù)據(jù)寄存器 ，同時它還允許用 戶選擇多種譯碼方式和譯碼位。此外 它還支持多片 7219串聯(lián)方式，這樣 MCU就可以通過 3根線（即 串行 數(shù)據(jù)線、 串行 時鐘線和芯片選通線）控制更多