【正文】 D2D3D4D5D6D7V C C 圖 DS12887接線圖 圖 為時(shí)鐘芯片 DS12887 的連線圖，其中 DS 與單片機(jī) 的 口連接， R/W 與單片機(jī) 的 口連接， AS 與單片機(jī) 的 口連接， CS 與單片機(jī) 的 口連接。 ADE7758 集成了二階模數(shù)轉(zhuǎn)換器 , 數(shù)字積分器，基準(zhǔn)電路，溫度傳感器， 以及所有進(jìn)行有功，無功和視在電能計(jì)量以及有效值計(jì)量所需的信號(hào)處理元件。如果二次側(cè)開路，二次電流的去磁作用消失，其一次電流完全變 為勵(lì)磁電流，會(huì)引起鐵芯內(nèi)磁通劇增，鐵芯處于高度飽和狀態(tài)，加之二次繞組的匝數(shù)很多，就會(huì)在二次繞組兩端產(chǎn)生很高甚至可達(dá)數(shù)千伏的電壓，不但可能損壞二次繞組的絕緣，再者，由于磁感應(yīng)強(qiáng)度劇增，使鐵芯損耗增大，嚴(yán)重發(fā)熱，甚至 可能 燒壞絕緣。因此，電壓互感器二次側(cè)嚴(yán)禁短路。 第三章 器件介紹和單元模塊設(shè)計(jì) 14 信號(hào)采集電路 本次設(shè)計(jì)為智能電表，所以要對(duì)用戶的電壓和電流都進(jìn)行采樣，再通過 ADE7758 芯片來得到一個(gè)較為準(zhǔn)確的功率值并輸入單片機(jī)中，因此電流 和 電壓的采集電路 分別 如下圖所示： 圖 采集電路 圖 為電流 和 電壓 的 采集電路，在電流采集電路中，通過將電流互感器 TA32BM 串聯(lián)到用戶電路中，以采集用戶的電流信息， TA32BM 額定輸入輸出為 5A/,通過電流互感器將大電流轉(zhuǎn)換到 ADE7758 可以接受的小電流范圍內(nèi)，然后通過濾波降低信號(hào)的干擾，最終輸入芯片，在電壓采集電路中，通過將電壓互感器 TV31B02 并聯(lián)到用戶的負(fù)載上，采集用戶的電壓信息， TV31B02 是一款電流型電壓互感器，額定電流是 2mA/2mA,所以要在電壓互感器的緣邊串聯(lián)一個(gè) 51K的電阻 來 降低互感器原邊的電流值到可承受的范圍，最后通過 RC 電路濾波后， 得到一個(gè)近似 ADE7758 芯片，和前面的電流值一起，計(jì)算出用戶的功率。對(duì) IC 卡操作的命令分為控制，地址，數(shù)據(jù)三個(gè)部分，傳送從控制字節(jié) LSB 開始，其具體命令如下面所示： 表 IC卡命令格式及功能 字節(jié) 1 字節(jié) 2 字節(jié) 3 控制 地址 數(shù)據(jù) 操作 00110000 輸入地址 無效 讀主存儲(chǔ)器 00111000 輸入地址 輸入數(shù)據(jù) 升級(jí)主存儲(chǔ)器 00110100 無效 無效 讀保護(hù)存儲(chǔ)器 00111100 輸入地址 輸入數(shù)據(jù) 寫保護(hù)存儲(chǔ)器 00110001 無效 無效 讀加密存儲(chǔ)器 00111001 輸入地址 輸入數(shù)據(jù) 升級(jí)加密存儲(chǔ)器 00110011 輸入地址 輸入數(shù)據(jù) 比較數(shù)據(jù)校驗(yàn) 單元模塊設(shè)計(jì) 電源模塊電路 電源模塊電路從電網(wǎng) 220V電壓作為輸入，通過該電路后，輸出端輸出大小為 5V的電壓，作為單片機(jī)及其他芯片的 VCC 電源，具體的電路圖如下圖所示： 南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 13 T3T R A N S 11234D1B R I D G E 1 C 1 01 0 0 u fC 1 10 .0 1 u fV in1GND2V o u t3U27 8 L 0 5C 1 20 .0 1 u fR61kV C C12J3C O N 2 圖 電源接線圖 如 圖 所示 為電壓模塊的電路圖，該模塊以電網(wǎng) 220 交流電作為輸入，通過整流橋整流后，再經(jīng)過濾波，最后通過一塊 78L05 穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，得到一個(gè)穩(wěn)定的 5V電源，78L05 的輸出電流可達(dá)到 100mA，無需外接元件，內(nèi)部本身帶有熱過載保護(hù)，自帶內(nèi)部短路電流限制。 ADE7758 的管腳圖如下圖所示： 圖 ADE7758管腳圖 ADE7758 通過 SPI 串口讀寫時(shí)序圖： 圖 ADE7758寫時(shí)序 南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 圖 ADE7758讀時(shí)序 DS12887 DS12887 為一款時(shí)鐘芯片，該器件可以提供 RTC/日歷，鬧鐘，三個(gè)可屏蔽中斷和一個(gè)可編程方波以及一個(gè) 114 字節(jié)的 RAM，此 RAM 有電池備份，不會(huì)導(dǎo)致斷電后時(shí)鐘停止的現(xiàn)象，該器件把石英晶體和電池集成在了一起，少于 31 天的月份月末日期可自動(dòng)調(diào)整，其中包括閏年補(bǔ)償，該芯片還有一個(gè)精密的溫度補(bǔ)償電路用來監(jiān)視 VCC 的狀態(tài)，如果檢測(cè)到主電源故障可自動(dòng)轉(zhuǎn)換到備用供電，該芯片接口支持 Intel 和 Motorola 兩種模式，在本次設(shè)計(jì)中，采用的是 Intel 模式，具體讀寫時(shí)序圖如下： 圖 DS12887寫時(shí)序 第三章 器件介紹和單元模塊設(shè)計(jì) 10 圖 DS12887讀時(shí)序 LCD1602 LCD1602 是一款工業(yè)字符型液晶顯示屏，能夠同時(shí)顯示 32 個(gè)字符，內(nèi)部帶有 80*8 位的內(nèi)部 RAM 緩沖區(qū)，可顯示阿拉伯?dāng)?shù)字，引文字母大小寫，常用符號(hào)和日文 的 片假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，在本次設(shè)計(jì)中，可以通過 LCD 顯示萬年歷，分時(shí)電價(jià)，剩余金額等數(shù)據(jù)信息，可以通過鍵盤來切換顯示。C 至 +85176。 圖 AT89C51和 AT89C2051管腳圖 ADE7758 ADE7758 是一款高精度的電能計(jì)量芯片，具有高準(zhǔn)確度，適用于三相 /三線，三相 /四線和其他各種三相系統(tǒng)，該芯片通過 SPI 數(shù)據(jù)串行接口和單片機(jī)進(jìn)行連接，模擬電源端第三章 器件介紹和單元模塊設(shè)計(jì) 8 （ AVDD） =數(shù)字電源（ DVDD） =5V177。非常適用于電池供電或其他要求低 功 耗 的 場(chǎng)合。芯片上的 EEPROM 允許在線（＋ 5V）電 才擦 除，點(diǎn)寫入或采用通用的非易失存儲(chǔ)器對(duì)程序存儲(chǔ)器重復(fù)編程。 器件介紹 AT89C51單片機(jī) 本設(shè)計(jì)采用低功耗，高性能的 AT89C51 單片機(jī) , AT89 系列單片機(jī)（簡(jiǎn)稱 89 系列單片機(jī)）是 ATMEL 公司的 8 位 Flash 單片機(jī)。 南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 第三章 器件介紹和單元模塊設(shè)計(jì) 只有各個(gè)系統(tǒng)單元模塊的有機(jī)結(jié)合，才可以構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。 方案選擇 通過對(duì)以上兩種方案的具體描述 和對(duì)比 ，對(duì)他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)有了一定的了解。當(dāng)有功功率為正，且達(dá)到最大值時(shí)，有功功率的數(shù)值將反轉(zhuǎn)到達(dá)滿刻度的負(fù)值 0X800，并繼續(xù)增加，當(dāng)有功功率為負(fù)值，且持續(xù)減小到達(dá)最小時(shí)，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)為正的對(duì)大刻度 0X7FFF，并繼續(xù)降低。 另外 ADE7758 的各相有擁有一個(gè)空載閥值，如果有功公功率的測(cè)量值低于滿刻度的%，則該值不會(huì)被累加，有效的避免了電表的淺動(dòng)。 LSB ＝1/100% = 測(cè)量值的 % 。在滿刻度信號(hào)采集 ADE7758 處理器 鍵盤輸入 信號(hào)濾波 LCD 顯示報(bào)警警 時(shí)鐘芯片 IC 卡 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 6 輸出時(shí)，如果乘法器的輸出為 XCCCCS（ 838861d）， LPF2 輸出端的 1 個(gè) LSB 相當(dāng)于在電流通道滿刻度－ 60dB 計(jì)量誤差的 ％。同時(shí)，由于該智能電表采用分時(shí)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，方案二中特 別 采用一塊時(shí)鐘芯片以提高對(duì)于時(shí)間的計(jì)時(shí)準(zhǔn)確程度，以確保該電表可以準(zhǔn)確計(jì)費(fèi)，同時(shí)，由于時(shí)鐘芯片本身集成有微型電池，可以在斷電的情況下繼續(xù)運(yùn)行，保證了在智能電表斷電的同時(shí)，計(jì)時(shí)系統(tǒng)不至于停止工作。 信號(hào)采集 信號(hào)濾波 A/D 轉(zhuǎn)換 微處理器 LCD 顯示報(bào)警 鍵盤控制 IC 卡 南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 方案二： 圖 方案二 本方案的設(shè)計(jì)思路與方案一大致相同，選用 AT89C51 單片機(jī) 作為微處理器，通過電壓傳感器，電流傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的電壓 和 電流 信息的 采集，并在單片機(jī)中進(jìn)行電價(jià)的計(jì)算，與方案一的不同之處在于，方案二中功率計(jì)算部分和 A/D 轉(zhuǎn)換采集部分被一塊電能計(jì)量芯片 ADE7758 進(jìn)行代替，該芯片是以一款高準(zhǔn)確度的三相電能 采集芯片，適用于計(jì)量各種三相，單項(xiàng)配置條件下的有功，無功，視在電能 。但是此設(shè)計(jì)有諸多缺陷，首先，在信號(hào)采集方面，由于智能電表對(duì)于功率的計(jì)算，如果單純的使用單片機(jī)，會(huì)造成功率計(jì)算不準(zhǔn)確，如果要提高計(jì)算的精度，對(duì)于信號(hào)的 A/D轉(zhuǎn)換就必須采用高精度期間，成本費(fèi)用增加，其次即便使用了高精度的 A/D，在功率計(jì)算，補(bǔ)償方面的程序也想當(dāng) 麻煩 ，再則，由于使用分時(shí)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，只用單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行粗略的計(jì)時(shí)，產(chǎn)生的時(shí)間誤差比較大，長(zhǎng)時(shí)間的使用下會(huì)導(dǎo)致計(jì)時(shí)不準(zhǔn)確，而使得電費(fèi)的計(jì)算出現(xiàn) 比較大的 誤差。而對(duì)于非正弦波形的計(jì)算，第二章 總體方案設(shè)計(jì) 4 只有通過積分運(yùn)算來完成。 方案比較 智能電表的設(shè)計(jì)，是基于對(duì)用戶電壓電流信號(hào)進(jìn)行采集，并通過微處理器進(jìn)行核心運(yùn)算，當(dāng)電壓電流信號(hào)通過采集以后，通過高精度的 A/D 采樣保持，最終輸入微處理器，另一方面，通過 IC 卡座實(shí)現(xiàn)對(duì) IC 卡內(nèi)部金額的讀取，輸入單片機(jī)，并且要求通過功率和電費(fèi)的計(jì)算，進(jìn)行顯示與報(bào)警。 (6)數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)與顯示功能：用戶數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在 EEPROM 中。 (4)保密功能：通過 IC 卡加密，實(shí)現(xiàn) IC 卡與電能表的唯一對(duì)應(yīng)，可以嚴(yán)格有效地防止偽造和復(fù)制 IC卡的行為，在一定程度上便于電力部門的管理與監(jiān)督。 (2)電量報(bào)警功能：當(dāng)電能表剩余電量低于告警電量時(shí)，通過報(bào)警指示燈和蜂鳴器告警。 因此我們可以 采用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)智能 IC卡電表， 采用低功耗設(shè)計(jì)，正常工作時(shí)關(guān)閉顯示功能，當(dāng)有 IC 卡插入時(shí)輪流顯示當(dāng)前的用戶信息。隨著我國(guó)提出發(fā)展智能堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)的提出，為我國(guó)電網(wǎng)設(shè)施的發(fā)展提供了機(jī)遇，未來，智能儀器儀表將向著數(shù)字化，智能化，網(wǎng)絡(luò)化，微型化的趨勢(shì)發(fā)展，并進(jìn)一步與微處理器， PC 技術(shù)融合，使儀器儀表技術(shù)的數(shù)字化，智能化水平不斷提高 。全電子式則是采用集成電路為核心，取消了老式電表的機(jī)械結(jié)構(gòu)，減少了機(jī)械摩擦，使得計(jì)價(jià)更加準(zhǔn)確，可靠性高，耗電少，體積小。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，應(yīng)選擇配有通信接口的智能電表，通常有 RS— 48 RS— 23 CAN總線收發(fā)器或紅外等幾種接口形式 。機(jī)電式智能電表成本較低，主要用于單相第一章 引言 2 電表，適合于居民用戶使用。 智能化電表，大體上可分為兩種類型：帶有微處理器的機(jī)電式和全電子式。智能電表利用微機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)等等，減少了能量的消耗，把采集，處理集中于一體，節(jié)省成本和人力資源，提高了工作效率，適應(yīng)了現(xiàn)代用戶的需求。在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中，電能已經(jīng)發(fā)展成為一種重要的能源資源，我國(guó)電力事業(yè)在改革開放的 30 年中，發(fā)展極為迅猛，所以相應(yīng)的電能計(jì)量?jī)x表制造業(yè)的進(jìn)步也必須與之相適應(yīng)，這對(duì)于電力事業(yè)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)電力事業(yè)穩(wěn)定，健康的發(fā)展有著極其重要的意義。因此研究本課題具有重要的實(shí)用意義 。 隨著高新技術(shù)尤其是電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，電子式、多功能、高精度、多費(fèi)率、自動(dòng)抄表等產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)突顯，且已經(jīng)逐步成為電能表發(fā)展的主流，在未來幾年里，這種趨勢(shì)將更加明顯。Electricity measurement. 南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 目 錄 摘 要 ...........................................