【正文】 D2D3D4D5D6D7V C C 圖 DS12887接線圖 圖 為時鐘芯片 DS12887 的連線圖，其中 DS 與單片機 的 口連接， R/W 與單片機 的 口連接， AS 與單片機 的 口連接， CS 與單片機 的 口連接。 ADE7758 集成了二階模數(shù)轉換器 , 數(shù)字積分器，基準電路，溫度傳感器， 以及所有進行有功，無功和視在電能計量以及有效值計量所需的信號處理元件。如果二次側開路，二次電流的去磁作用消失，其一次電流完全變 為勵磁電流，會引起鐵芯內(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，就會在二次繞組兩端產(chǎn)生很高甚至可達數(shù)千伏的電壓，不但可能損壞二次繞組的絕緣，再者，由于磁感應強度劇增，使鐵芯損耗增大，嚴重發(fā)熱，甚至 可能 燒壞絕緣。因此，電壓互感器二次側嚴禁短路。 第三章 器件介紹和單元模塊設計 14 信號采集電路 本次設計為智能電表，所以要對用戶的電壓和電流都進行采樣，再通過 ADE7758 芯片來得到一個較為準確的功率值并輸入單片機中，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 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， 得到一個近似 ADE7758 芯片，和前面的電流值一起，計算出用戶的功率。對 IC 卡操作的命令分為控制，地址，數(shù)據(jù)三個部分，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 讀主存儲器 00111000 輸入地址 輸入數(shù)據(jù) 升級主存儲器 00110100 無效 無效 讀保護存儲器 00111100 輸入地址 輸入數(shù)據(jù) 寫保護存儲器 00110001 無效 無效 讀加密存儲器 00111001 輸入地址 輸入數(shù)據(jù) 升級加密存儲器 00110011 輸入地址 輸入數(shù)據(jù) 比較數(shù)據(jù)校驗 單元模塊設計 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： 南昌工程學院本科畢業(yè)設計 (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)壓芯片進行穩(wěn)壓，得到一個穩(wěn)定的 5V電源，78L05 的輸出電流可達到 100mA，無需外接元件，內(nèi)部本身帶有熱過載保護，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 串口讀寫時序圖： 圖 ADE7758寫時序 南昌工程學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 9 圖 ADE7758讀時序 DS12887 DS12887 為一款時鐘芯片，該器件可以提供 RTC/日歷，鬧鐘，三個可屏蔽中斷和一個可編程方波以及一個 114 字節(jié)的 RAM，此 RAM 有電池備份，不會導致斷電后時鐘停止的現(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調(diào)整，其中包括閏年補償，該芯片還有一個精密的溫度補償電路用來監(jiān)視 VCC 的狀態(tài)，如果檢測到主電源故障可自動轉換到備用供電，該芯片接口支持 Intel 和 Motorola 兩種模式，在本次設計中，采用的是 Intel 模式，具體讀寫時序圖如下： 圖 DS12887寫時序 第三章 器件介紹和單元模塊設計 10 圖 DS12887讀時序 LCD1602 LCD1602 是一款工業(yè)字符型液晶顯示屏，能夠同時顯示 32 個字符，內(nèi)部帶有 80*8 位的內(nèi)部 RAM 緩沖區(qū)，可顯示阿拉伯數(shù)字，引文字母大小寫，常用符號和日文 的 片假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，在本次設計中，可以通過 LCD 顯示萬年歷，分時電價，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量芯片，具有高準確度，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)串行接口和單片機進行連接，模擬電源端第三章 器件介紹和單元模塊設計 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 場合。芯片上的 EEPROM 允許在線（＋ 5V）電 才擦 除，點寫入或采用通用的非易失存儲器對程序存儲器重復編程。 器件介紹 AT89C51單片機 本設計采用低功耗，高性能的 AT89C51 單片機 , AT89 系列單片機（簡稱 89 系列單片機）是 ATMEL 公司的 8 位 Flash 單片機。 南昌工程學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 7 第三章 器件介紹和單元模塊設計 只有各個系統(tǒng)單元模塊的有機結合，才可以構成一個完整的系統(tǒng)。 方案選擇 通過對以上兩種方案的具體描述 和對比 ，對他們各自的優(yōu)缺點有了一定的了解。當有功功率為正，且達到最大值時，有功功率的數(shù)值將反轉到達滿刻度的負值 0X800，并繼續(xù)增加，當有功功率為負值，且持續(xù)減小到達最小時，會自動轉為正的對大刻度 0X7FFF，并繼續(xù)降低。 另外 ADE7758 的各相有擁有一個空載閥值，如果有功公功率的測量值低于滿刻度的%，則該值不會被累加，有效的避免了電表的淺動。 LSB ＝1/100% = 測量值的 % 。在滿刻度信號采集 ADE7758 處理器 鍵盤輸入 信號濾波 LCD 顯示報警警 時鐘芯片 IC 卡 第二章 總體方案設計 6 輸出時，如果乘法器的輸出為 XCCCCS（ 838861d）， LPF2 輸出端的 1 個 LSB 相當于在電流通道滿刻度－ 60dB 計量誤差的 ％。同時，由于該智能電表采用分時計費系統(tǒng)，方案二中特 別 采用一塊時鐘芯片以提高對于時間的計時準確程度，以確保該電表可以準確計費，同時，由于時鐘芯片本身集成有微型電池，可以在斷電的情況下繼續(xù)運行，保證了在智能電表斷電的同時，計時系統(tǒng)不至于停止工作。 信號采集 信號濾波 A/D 轉換 微處理器 LCD 顯示報警 鍵盤控制 IC 卡 南昌工程學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 5 方案二： 圖 方案二 本方案的設計思路與方案一大致相同，選用 AT89C51 單片機 作為微處理器，通過電壓傳感器，電流傳感器實現(xiàn)對用戶的電壓 和 電流 信息的 采集，并在單片機中進行電價的計算，與方案一的不同之處在于，方案二中功率計算部分和 A/D 轉換采集部分被一塊電能計量芯片 ADE7758 進行代替，該芯片是以一款高準確度的三相電能 采集芯片，適用于計量各種三相，單項配置條件下的有功，無功，視在電能 。但是此設計有諸多缺陷，首先，在信號采集方面，由于智能電表對于功率的計算，如果單純的使用單片機，會造成功率計算不準確，如果要提高計算的精度，對于信號的 A/D轉換就必須采用高精度期間，成本費用增加，其次即便使用了高精度的 A/D，在功率計算，補償方面的程序也想當 麻煩 ，再則，由于使用分時計費系統(tǒng)，只用單片機內(nèi)部時鐘信號進行粗略的計時，產(chǎn)生的時間誤差比較大，長時間的使用下會導致計時不準確，而使得電費的計算出現(xiàn) 比較大的 誤差。而對于非正弦波形的計算，第二章 總體方案設計 4 只有通過積分運算來完成。 方案比較 智能電表的設計，是基于對用戶電壓電流信號進行采集，并通過微處理器進行核心運算，當電壓電流信號通過采集以后，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 卡座實現(xiàn)對 IC 卡內(nèi)部金額的讀取，輸入單片機，并且要求通過功率和電費的計算，進行顯示與報警。 (6)數(shù)據(jù)自動存儲與顯示功能：用戶數(shù)據(jù)自動保存在 EEPROM 中。 (4)保密功能：通過 IC 卡加密，實現(xiàn) IC 卡與電能表的唯一對應，可以嚴格有效地防止偽造和復制 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)電量報警功能：當電能表剩余電量低于告警電量時，通過報警指示燈和蜂鳴器告警。 因此我們可以 采用單片機設計一個智能 IC卡電表， 采用低功耗設計，正常工作時關閉顯示功能，當有 IC 卡插入時輪流顯示當前的用戶信息。隨著我國提出發(fā)展智能堅強電網(wǎng)的提出，為我國電網(wǎng)設施的發(fā)展提供了機遇，未來，智能儀器儀表將向著數(shù)字化，智能化，網(wǎng)絡化，微型化的趨勢發(fā)展，并進一步與微處理器， PC 技術融合，使儀器儀表技術的數(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械結構，減少了機械摩擦，使得計價更加準確，可靠性高，耗電少，體積小。為了實現(xiàn)遠程自動抄表，應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：帶有微處理器的機電式和全電子式。智能電表利用微機技術，通訊技術等等，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，所以相應的電能計量儀表制造業(yè)的進步也必須與之相適應，這對于電力事業(yè)進行統(tǒng)籌規(guī)劃和發(fā)展，促進我國電力事業(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用意義 。 隨著高新技術尤其是電子信息技術的快速發(fā)展，電子式、多功能、高精度、多費率、自動抄表等產(chǎn)品的優(yōu)勢突顯，且已經(jīng)逐步成為電能表發(fā)展的主流，在未來幾年里，這種趨勢將更加明顯。Electricity measurement. 南昌工程學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 目 錄 摘 要 ...........................................