【正文】 1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 單相電子式電能表的軟件設(shè)計(jì) 30半小時(shí)事件發(fā)生 N 程序初始化 Y 置時(shí)段費(fèi)率檢測標(biāo)志電量數(shù)據(jù)檢測并修正數(shù)據(jù) 時(shí)鐘配置設(shè)置N 。在時(shí)鐘和顯示處理模塊中，它包含秒事件、分事件、半小時(shí)事件及小時(shí)事件，秒事件是通過 MCU 中 RTC 定時(shí)器 1S 來激發(fā)的。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(shí)效性。它涵蓋了整個(gè)軟件系統(tǒng)的各個(gè)部分：初始化部分、顯示刷新處理部分、日期時(shí)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(yùn)算及儲(chǔ)存部分、電量結(jié)算處理部分及其他事件處理部分。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(gè)模塊相互聯(lián)系，形成整個(gè)電表的軟件系統(tǒng)。它包括 MCU 上電對(duì)各電量值的恢復(fù)處理、對(duì)各電量脈沖的累計(jì)、對(duì)各電量小數(shù)及整數(shù)累計(jì)處理。 圖 電量處理模塊 電量處理模塊是電能表實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量的程序，是實(shí)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。當(dāng)通訊接受到一幀正確的數(shù)據(jù)時(shí)，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(dāng)命令要求發(fā)生數(shù)據(jù)通訊時(shí)，通訊發(fā)送事件發(fā)送，進(jìn)行通訊數(shù)據(jù)發(fā)送。它包括時(shí)鐘及相關(guān)處理、顯示處理、電能反向處理和費(fèi)率、電量結(jié)算處理等部分組成。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(shí)時(shí)時(shí)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(shí)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(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 單相電子式電能表的軟件設(shè)計(jì) 28圖 時(shí)鐘、顯示處理模塊程序初始化時(shí)鐘、顯示處理模塊是程序系統(tǒng)中進(jìn)行時(shí)鐘和顯示處理的部分。其中 MCU 初始化是對(duì) MCU 各部件進(jìn)行初始化，為各個(gè)部件在程序工作時(shí)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(shí)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。它是根據(jù)整個(gè)程序的算法來制定的，同時(shí)一個(gè)好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)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(gè)電能表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)部分：MCU 內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和 EEPROM 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。各個(gè)部分都有其特定的任務(wù)，完成他們相應(yīng)的任務(wù)。它詳細(xì)地介紹了各部分的具體任務(wù)和功能，使大家對(duì)電能表的基本結(jié)構(gòu)和組成有個(gè)大概地了解。指示燈電路包括峰指示、谷指示、通訊指示，當(dāng) MCU 對(duì)應(yīng)腳輸出低電平時(shí)，電流經(jīng)限流電阻，LED ，流入 MCU 腳，指示燈亮。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(dāng)電源電壓下降到一定時(shí)，MCU 比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，發(fā)生掉電事件。采用低功耗 CMOS 技術(shù)，同時(shí)具有寫保護(hù)，執(zhí)行寫操作時(shí)，在主器件產(chǎn)生停止信號(hào)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(qǐng)求，因此在執(zhí)行存儲(chǔ)器寫操作之后，應(yīng)延時(shí)一定的時(shí)間再對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作，改寫數(shù)據(jù)時(shí)間較長，一般在幾到幾十毫秒。這種存儲(chǔ)器非常適合電能表作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，當(dāng)電能表有電時(shí)可以隨時(shí)改寫數(shù)據(jù)，而當(dāng)?shù)綦姾髷?shù)據(jù)保持不變。8025 引腳說明：NC空引腳；SCLI2C 數(shù)據(jù)串行傳輸同步時(shí)鐘輸入； FOUT32768HZ 時(shí)鐘頻率輸出；TEST測試用，正常使用時(shí)接到 VDD；VDD 工作電源輸入；FOE控制 FOUT 的輸出：當(dāng)為高時(shí)，輸出 32768HZ 時(shí)鐘信號(hào)；當(dāng)為低時(shí)，不輸出時(shí)鐘信號(hào)；/INTA 定時(shí)輸出 A 腳，輸出鬧鐘中斷（ALARMW ）或定時(shí)到信號(hào)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(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計(jì) 26 存儲(chǔ)器選用的是支持 I2C 總線的可檫寫 E2PROM，型號(hào)是 24WC08，可以隨時(shí)讀寫，而且在掉電后數(shù)據(jù)仍然保存不變。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(dāng)前時(shí)間和日期，8025 時(shí)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(shí)，工作電流為 ，在 正常工作，同時(shí)能夠檢測晶振的情況和微調(diào)晶振的頻率。它是一個(gè) I2C 總線接口的芯片，最高時(shí)鐘頻率為 400HZ，通信速率較高，它的 I2C地址是 60H。 圖 光電隔離簡圖A B1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計(jì) 25 MCU及其它相關(guān)部分MCU 是選用 89LPC931 這種單片機(jī)，這部分電路有 LCD 顯示電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器及掉電保護(hù)等組成。R39 和 R40 是偏置電阻，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù)。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(shí)刻只能是一個(gè)方向。1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計(jì) 24 通訊部分本次設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)抄表。 圖 電源監(jiān)測電路在上電的時(shí)候，如果上電緩慢，單片機(jī)會(huì)出現(xiàn)復(fù)位錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致程序不能正確運(yùn)行。圖 電量計(jì)量電源電路 圖 RS485 通訊電源電路1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計(jì) 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(gè)帶有一定脈動(dòng)分量的直流電。下面為各部分電路的電源電路設(shè)計(jì)圖：電量計(jì)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(gè)環(huán)節(jié)，得到 5V 的直流電壓。電源是保證電能表正常運(yùn)行的先決條件，因此在進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)時(shí)要考慮1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計(jì) 22多方面因素，如設(shè)計(jì)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)。計(jì)數(shù)器可記錄時(shí)間 T 內(nèi)通過控制門的脈沖數(shù)，每一個(gè)脈沖所代表的電量數(shù)經(jīng)計(jì)算確定后，便可經(jīng)譯碼電路由顯示器顯示出來。把由石英晶體振蕩器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖信號(hào)經(jīng)分頻后作為時(shí)間基準(zhǔn)。圖 為分頻計(jì)數(shù)器原理框圖和脈沖波形。在電子式電能表中，分頻器和計(jì)數(shù)器一般采用 CMOS 集成電路器件。這樣做，一方面是為了便于取出電能計(jì)量單位的位數(shù)（如百分之一度位） ；另一方面是考慮到計(jì)數(shù)器長期計(jì)數(shù)的容量問題。 在機(jī)電式電能表中，由光電轉(zhuǎn)換器將電能信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)；而在電子式電能表中，電能信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)脈沖信號(hào)的工作是由乘法器及電壓／頻率轉(zhuǎn)換器完成的。2121RCU???iiT??)(221 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計(jì) 20倒 相 器 上 下 電 平比 較 器+UiRsCNo圖 雙向積分式電壓／頻率轉(zhuǎn)換器的原理電路圖 圖 雙向積分式電壓／頻率轉(zhuǎn)換器的波形圖這種電壓／頻率轉(zhuǎn)換器的主要特點(diǎn)是輸出頻率較低，選擇高穩(wěn)定性的 R、C元件，可使其準(zhǔn)確度長期保持在177。由于 ab 段和 cd 段的積分斜率是一樣的，故積分時(shí)間也相等，均為 T/2。輸出電壓波形如圖 所示。電子式電能表常用的雙向積分式電壓／頻率轉(zhuǎn)換器的原理電路如圖 所示。使用微處理器技術(shù)制造全電子式電能表的前景十分看好，但成本高是其商品化的一個(gè)主要障礙；數(shù)字乘法器的發(fā)展還要依靠于電路的集成和芯片價(jià)格的降低，但其功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越，在未來先進(jìn)的電能管理領(lǐng)域中一定會(huì)廣為應(yīng)用。由采樣理論可知，連續(xù)信號(hào)離散后得到的時(shí)間序列不丟失原信號(hào)的信息，不僅采樣頻率要滿足奈奎斯特定律，而且必須等分連續(xù)的信號(hào)周期，否則會(huì)產(chǎn)生測量誤差。通過軟件來完成采樣及乘法計(jì)算的準(zhǔn)確度與△t 的選取有關(guān)。從上式可以看出，平均功率的計(jì)算與功率求解過程與功率因數(shù)無關(guān)，因此，可以得出采用數(shù)字乘法器的全電子式電能表的電能測量與功率因數(shù)無關(guān)的結(jié)論，這是這類電能表的一個(gè)重要特點(diǎn)。平均功率表示為 式 式中 T——交流電壓、電流的周期。采用數(shù)字乘法器的全電子式電能表的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。采用數(shù)字乘法器，由計(jì)算機(jī)軟件來完成乘法運(yùn)算，可以在功率因數(shù)為 0～1 的全范圍內(nèi)保證電能表的測量準(zhǔn)確度。隨著芯片速度的提高和外部接口電路的更加成熟，微處理器的功能將得到充分發(fā)揮和擴(kuò)展。其主要缺點(diǎn)是帶寬較窄，僅為數(shù)百赫茲。 目前在全電子式電能表制造業(yè)中，采用時(shí)分割模擬乘法器的占有相當(dāng)大比例。經(jīng)濾波器輸出后，得到電壓 U0為 u 的反向平 均值 式 即輸出電壓 U0 與 ui 成正比，因此整個(gè)電路是一個(gè)實(shí)現(xiàn)了 u、 i 乘積運(yùn)算的乘法器，它的輸出相應(yīng)于 ui 乘積的平均值，亦即平均功率。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)， 積分器在 TT 2 時(shí)間段內(nèi)的總積分電荷 量應(yīng)為零，即 式 式 式 02121 ???????????????RuRxx xNuURTT1221??)()(2121uNx1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計(jì) 17即開關(guān) S1 接通 ﹣UN、﹢U N 的時(shí)間差（T 2－T 1）與輸入電壓 ux 成正比。如此反復(fù)，積分器輸出電壓 u1 呈鋸齒波形。1．調(diào)寬功能單元假定輸入電壓 ux 為正值，積分器接通 ux 和﹢U N，輸出電壓 u1 從 a 點(diǎn)（見圖）逐漸向下變化（a b 段） ，在 a b 段內(nèi)，u 1u2，達(dá)到 b 點(diǎn)時(shí)，u 1＝u 2。乘法器的輸出電壓 U0 就是由 S2 的動(dòng)作所得到的幅度為士 uy 的不等寬方波電壓經(jīng)濾波后的直流成分。由運(yùn)算放大器 N1 和電容 C1 組成積分器，對(duì)經(jīng) RR 2 輸入的電流作求和積分；﹢ UN 和﹣ UN 是正、負(fù)基準(zhǔn)電壓，在電路的設(shè)計(jì)中，基準(zhǔn)電壓UN 的幅值應(yīng)比輸入電壓 ux 大得多；S S 2 為兩個(gè)受電平比較器控制并同時(shí)動(dòng)作的開關(guān)；電平比較器是具有兩個(gè)穩(wěn)態(tài)的直流觸發(fā)器；運(yùn)算放大器 N電阻 R4 和電容 C2 組成了濾波器。被測電壓轉(zhuǎn)換為 ux，被測電流轉(zhuǎn)換成電壓 uy。前者稱為電壓平衡型時(shí)分割乘法器，后者稱為電流平衡型時(shí)分割乘法器。它在提供的節(jié)拍信號(hào)的周期 T 里，對(duì)被測電壓信號(hào) ux 作脈沖調(diào)寬式處理，調(diào)制出一正負(fù)寬度 TT 2 之差（時(shí)間量）與 ux 成正比的不等寬方波脈沖，即 T2－ T1＝K1ux ；再以此脈沖寬度控制與 ux 同頻的被測電壓信號(hào) uy 的正負(fù)極性持續(xù)時(shí)間，進(jìn)行調(diào)幅處理，使 u＝K2uy；最后將調(diào)寬調(diào)幅波經(jīng)濾波器輸出，輸出電壓 U0 為每個(gè)周期 T 內(nèi)電壓 u 的平均值，它反映了 ux、u y 兩同頻電壓乘積的平均值，實(shí)現(xiàn)了兩信號(hào)的相乘，輸出的調(diào)寬調(diào)幅方波如圖 所示。乘法器是電子式電能表的核心部分，并非