【正文】 種是鍵盤鏈接適用于按鍵比較多的連接，通過行列掃描來判斷是那個(gè)鍵按下，但程序編寫比較復(fù)雜。圖37 DS1302接口電路原理圖167。芯片內(nèi)部具有可編程日歷時(shí)鐘和31個(gè)字節(jié)的靜態(tài)RAM，日歷時(shí)鐘可自動(dòng)進(jìn)行閏年補(bǔ)償，計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，接口簡單，工作電壓范圍(2．5V5．5V)，功耗低芯片自身還具有對(duì)備份電池進(jìn)行涓流充電的功能，有效延長了備用電池的使用壽命。另一種是以串行方式與MCU接口，這種芯片通常為8腳DIP封裝，占用空間小，連線簡單，一般只需占用CPU的23條I／o口線，可有效減小儀表體積，提高工作可靠性。由于芯片可獨(dú)立工作，主電源掉電時(shí)備份電源只需為該時(shí)鐘芯片供電，可有效降低儀表功耗。芯片還具有主電源掉電情況下的時(shí)鐘保護(hù)電路和備份電源自動(dòng)切換控制電路，可以保證在主電源掉電和其他一些惡劣環(huán)境下系統(tǒng)實(shí)時(shí)實(shí)鐘的定時(shí)準(zhǔn)確性。主電源掉電時(shí)為了維持時(shí)鐘不停，必須要有外接電池給整個(gè)單片機(jī)供電，導(dǎo)致儀表本身功耗增大。但是這種做法有很多缺點(diǎn)。167。三端穩(wěn)壓器是一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡捷方便等特點(diǎn)，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。此直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓和C3的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。它由電源變壓器B，橋式整流電路D1～D4，濾波電容CC3，防止自激電容CC3和一只固定式三端穩(wěn)壓器(7805)極為簡捷方便地搭成的。167。為了防止系統(tǒng)采樣電壓過高而損壞芯片，本設(shè)計(jì)采用在采樣輸入端并聯(lián)瞬態(tài)電壓抑制二極管(Transient Voltage Suppressors)的辦法進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)由于系統(tǒng)電源不正?；蛘咂渌蛞鸩蓸与妷荷邥r(shí)，TVS管擊穿，將采樣電壓限制在可靠的采樣電壓范圍內(nèi)。因此本設(shè)計(jì)中選用的500V的壓敏電阻。30％的浮動(dòng)，壓敏電阻177。500A是其直流擊穿電壓。壓敏電阻是一種能對(duì)過電壓可靠保護(hù)的器件，平時(shí)不導(dǎo)通，當(dāng)加在其上的電壓超過其導(dǎo)通電壓時(shí)將其擊穿，電流急劇增加，使系統(tǒng)電壓限制在可靠的范圍。1. 過壓保護(hù)本設(shè)計(jì)在系統(tǒng)電源輸入采用串聯(lián)熱敏電阻保護(hù)措施，當(dāng)系統(tǒng)電壓過高時(shí)，由于電流會(huì)相應(yīng)增高，導(dǎo)致熱敏電阻發(fā)熱，熱敏電阻的阻值會(huì)相應(yīng)升高，根據(jù)分壓原理，在熱敏電阻上分壓保護(hù)，使整個(gè)電能表工作在可靠的電壓范圍內(nèi)，從而起到保護(hù)作用。167。當(dāng)電網(wǎng)停電時(shí)，作為后備電源給實(shí)時(shí)時(shí)鐘供電以保證時(shí)鐘的連續(xù)性的備用電源。需要供電的硬件模塊有：(1)芯片ADC0832的+5V的直流電源。由于電能表屬于不問斷工作的電力計(jì)量產(chǎn)品，因而其電源電路是其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。 3. 多路輸出電壓電路：這種電路可同時(shí)滿足不同芯片對(duì)于不同電壓的需要，但電路時(shí)機(jī)比較復(fù)雜。 電源模塊直流穩(wěn)壓電源[13]分為三種： 1. 固定電壓輸出電路：這種電路是最長用的直流穩(wěn)壓電源電路，設(shè)計(jì)制作簡單，成本比較低，應(yīng)用十分方便。圖35 電流采樣模塊原理圖2. 電壓通道電壓通道采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)獲得采樣電壓。如圖35所示通道l的共模電壓是AGND，它是通過負(fù)載電阻的中間抽頭接至UAGND上的，對(duì)VIP和VIN上的模擬電壓起到互補(bǔ)作用。最大共模信號(hào)為100mV。這使傳感器接口的設(shè)計(jì)大為簡單。通道1有一個(gè)PGA，其增益可選擇為1，2，8或16。表31電流通道增益選擇表1. 電流通道線路電流傳感器的輸出電壓接到AD0832的通道V1，該通道采用完全差動(dòng)輸入，VIP為正輸入端，VIN為負(fù)輸入端。 電壓電流采樣模塊一方面為了將數(shù)字電能表的計(jì)量芯片與電力線隔離，另一方面又要完成電壓電流的采樣．前置模擬電壓和電流取樣電路一般有兩種，一種是通過電阻分壓和分流的方法獲得的，另一種是通過電壓互感器和電流互感器的方法獲得。但值得注意的是，在進(jìn)行IN+與IN的輸入時(shí)，如果IN的電壓大于IN+的電壓則轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果始終為00H。 作為單通道模擬信號(hào)輸入時(shí)ADC0832的輸入電壓是05V且8位分辨率時(shí) 。當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。但由于DO端與DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。通過DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。 C；圖34 ADC0832芯片接口說明： C，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為40176。 商用級(jí)芯片溫寬為0176。 一般功耗僅為15mW； 5V電源供電時(shí)輸入電壓在0~5V之間； 雙通道A/D轉(zhuǎn)換； ADC0832具有以下特點(diǎn)： 由于它體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。(17腳)RD：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通，低電平有效167。(15腳)T1：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)輸入端。(13腳)INT1：外部中斷1請(qǐng)求端，低電平有效。(11腳)TXD：串行數(shù)據(jù)發(fā)送端。P3口(10～17腳)：P3雙功能靜態(tài)端口。P1口(1～8腳)：P1靜態(tài)通用端口。/Vpp(31腳)：EA為訪問內(nèi)部或外部程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)，EA=0，單片機(jī)只訪問外部程序存儲(chǔ)器，故對(duì)8031此腳只能接地；EA＝1，單片機(jī)訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，固對(duì)8051和8751此腳應(yīng)接高電平，但若程序指針PC值超過4KB(OFFFH)范圍，單片機(jī)將自動(dòng)訪問外部程序存儲(chǔ)器。PROG為編程脈沖輸入端，當(dāng)選用8751單片機(jī)時(shí)，由此腳輸入編程脈沖。3. 控制、選通或電源復(fù)用引腳RST/Vp0(9腳)：復(fù)位信號(hào)輸入；Vcc掉電后，此腳可接上備用電源，在低功耗條件下保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)。圖33 STC89C52RC芯片圖引腳的功能：1. 主電源引腳　　 Vss(20腳)：地線　 　Vcc(40腳)：+5V電源2. 外接晶振或外部振蕩器引腳XTAL1(19腳)：當(dāng)采用芯片內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，接外部晶振的一個(gè)引腳；當(dāng)采用外部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，此腳應(yīng)接地。STC89C52RC單片機(jī)[11]包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元，以及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。 控制芯片STC89C52RC本課程設(shè)計(jì)單片機(jī)采用STC89C52RC單片機(jī)，STC89C51RC/RD+ 系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾/高速/低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)[9]，12 時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可任意選擇，最新的D版本內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。從成本和優(yōu)缺點(diǎn)方面考慮我們選用液晶顯示器（LCD），達(dá)到節(jié)約用電和安全用電的效果。本設(shè)計(jì)只需要按鍵來調(diào)時(shí)間，通過設(shè)計(jì)只需要三個(gè)按鍵來完成。5. 實(shí)時(shí)時(shí)鐘為復(fù)費(fèi)率電能表提供準(zhǔn)確的時(shí)間信息，以便于實(shí)現(xiàn)不同費(fèi)率下電能的計(jì)量。4. 電源模塊為整個(gè)電能表硬件系統(tǒng)正常工作供電，它通過電能變換將主電網(wǎng)中的220V交流降壓、整流為5V的直流。3. 電能采樣模塊是將電能表硬件系統(tǒng)與主電網(wǎng)進(jìn)行隔離，使強(qiáng)電和弱電分開。2. ADC0832是雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片，在整個(gè)硬件電路中發(fā)揮著重要作用。各個(gè)硬件模塊具體如下：1. STC89C52RC單片機(jī)是整個(gè)電子式電能表硬件的核心部分，它是電能表的“大腦”，外圍所有的硬件模塊都是在它的控制協(xié)調(diào)下進(jìn)行工作的。各種硬件模塊構(gòu)成了整個(gè)數(shù)字電能表，每個(gè)硬件模塊都有著不同的功能，在整個(gè)電表硬件系統(tǒng)中都承擔(dān)著一定的作用。 圖31 數(shù)字電能表工作原理框圖167。 數(shù)字電能表的工作原理采用乘法器實(shí)現(xiàn)對(duì)電功率的測(cè)量，其工作原理框圖如圖31所示。此外，只要濾波器的N階數(shù)相同，對(duì)于任何頻率響應(yīng)形狀，其梳狀濾波器部分的結(jié)構(gòu)完全相同，只是各支路的增益H(k)不同，因此頻率采樣型結(jié)構(gòu)便于標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。FIR濾波器的頻率采樣型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):首先,它的系數(shù)H(k)直接是濾波器在=（／N）由于頻率響應(yīng)的周期性，頻率變量以數(shù)字頻率來表示，==／fs，fs為模擬角頻率，T為抽樣時(shí)間間隔，為抽樣頻率。因此它本身就是一臺(tái)數(shù)字式的處理設(shè)備。因此離散時(shí)間LTI系統(tǒng)也稱為數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理的一個(gè)重要組成部分，數(shù)字濾波器實(shí)際上是一種運(yùn)算過程。數(shù)字濾波器既可以用有限脈沖響應(yīng)濾波器，也可以用無限脈沖響應(yīng)濾波器或者兩個(gè)的組合。降低輸出數(shù)據(jù)速率的方法是通過對(duì)每輸出M個(gè)數(shù)據(jù)抽取1個(gè)數(shù)字的數(shù)字重采樣辦法，這種方法叫做輸出速率降為1／M的采樣抽取。 數(shù)字濾波Σ一△調(diào)制器對(duì)量化噪聲整形后，將量化噪聲移到所關(guān)心的頻帶以外，然后對(duì)整形的量化噪聲進(jìn)行數(shù)字濾波，數(shù)字濾波的作用有兩個(gè)：一是對(duì)于最終采樣速率Fs，它必須起到抗混疊的作用，二是它必須清除Σ一△調(diào)制器在噪聲整形的過程中產(chǎn)生的高頻噪聲。 和一般的濾波器一樣，濾波器的階數(shù)越高其濾波性能越好。對(duì)于高頻輸入，輸出主要是量化噪聲。 圖22 頻域線形化模型如果：g=1，H(f)=1／F (210)則有：Y=(x—y)／F+Q (211)整理得：Y=Xf／(F+1)+QF／(F+1) (212)由式(212)可以看出當(dāng)頻率F接近于0時(shí)，輸出y接近于x并且沒有噪聲分量。使用頻域分析方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以利用代數(shù)形式表示信號(hào)。其中積分器模擬一個(gè)具有給定傳遞函數(shù)H(f)的模擬濾波器，H(f)表明其幅頻響應(yīng)特性與輸入頻率成反比。這種情況下產(chǎn)生噪聲的頻譜嚴(yán)格的依賴于采樣速率，積分器的時(shí)間常數(shù)以及電壓反饋誤差。根據(jù)反饋理論，當(dāng)反饋環(huán)路的增益足夠深，DAC輸出的平均值接近輸入信號(hào)的平均值。 Σ一△ADC的調(diào)制器和量化噪聲整形一階Σ一△ADC是以K如A／D的編碼為n位，則N=，所以：=／(3x) (29)由式(29)可知，隨著A／D的編碼位數(shù)的增加，量化誤差呈指數(shù)性下降。me代表噪聲的直流分量，代表除去直流分量的量化噪聲的平均功率。其模型如圖21所示。假定量化誤差序列e（n）符合白噪聲分布，即e(n)是一平穩(wěn)的隨機(jī)序列：e(n)本身的任意兩值之間不相關(guān)，且與信號(hào)x(n)不相關(guān)：e(n)具有均勻等概率分布。 Σ一△A／D轉(zhuǎn)換器的量化誤差分析當(dāng)t足夠小時(shí)，xl(t)波形可以近似為連續(xù)波形x(t)，但是t不可能為“0’’， 這樣，編碼過程中xl(t)和x(t)就產(chǎn)生了量化誤差，也稱之為量化噪聲。由于采樣頻率遠(yuǎn)高于基于采樣定理的奈奎斯特采樣頻率，所以稱為過采樣。當(dāng)階梯波上升，△編碼為“1”；階梯波下降，△編碼為“0”。此階梯有兩個(gè)特點(diǎn)：一是在應(yīng)間隔內(nèi)xl(t)值相等；二是兩個(gè)相鄰采樣點(diǎn)幅值之差為△。這個(gè)相鄰間隔采樣點(diǎn)的幅值之差就是增量△。根據(jù)采樣定理，采樣頻率應(yīng)高于被采樣連續(xù)波形頻率的兩倍以上。 Σ一△A／D轉(zhuǎn)換器的量化A／D轉(zhuǎn)換器的量化過程是用一等間隔階梯波函數(shù)xl(t)去逼近一時(shí)間連續(xù)函數(shù)的波形x(t)。噪聲頻譜被整形后，數(shù)字濾波器可以去除大部分的量化噪聲，使總信噪比大大增加。如果簡單的使用過采樣的辦法使分辨率提高N位，則必須進(jìn)行K=倍過采樣，為了使采樣不超過一個(gè)合理的界限，需要對(duì)量化噪聲整形使得大部分噪聲位于Fs／2到(K又由于系統(tǒng)的通帶頻率仍然為Fs，所以可以在ADC之后加一個(gè)數(shù)字濾波器消除幾到(KFs)／2，其有效值降到原來的1／，模擬低通濾波器只要濾除似(KFs的采樣速率對(duì)輸入信號(hào)采樣(K為采樣倍數(shù))，奈奎斯特頻率增至(KFs)／2范圍內(nèi)，其中q是LSB的權(quán)重，磚為采樣速率，模擬低通濾波器[6]將濾除風(fēng)Fs／2以上的噪聲。1／2LSB的量化誤差，所以采樣系統(tǒng)具有量化噪聲。167。如果在這個(gè)直流信號(hào)上疊加一個(gè)交流信號(hào)，并且用比這個(gè)交流信號(hào)高很多的頻率采樣，得到的數(shù)據(jù)應(yīng)該是變化的，用這些結(jié)果的平均值表示ADC輸出的結(jié)果比單純的采樣得到的輸出分辨率要高很多，這種方法稱為過采樣。 過采樣過采樣ADC是一種數(shù)字輸出與模擬輸入成正比的線路，因?yàn)檩斎肓渴侨我獾模敵龅臄?shù)字是有位數(shù)限制的，輸出量是量化的，因此輸出與輸入之間存在著+112LSB的量化誤差，在交流采樣中，這種量化誤差會(huì)產(chǎn)生量化噪聲。電路結(jié)構(gòu)是由簡單的模擬電路(一個(gè)比較器，一個(gè)開關(guān)，一個(gè)或幾個(gè)積分器及模擬求和電路)和復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理電路構(gòu)成。其中Σ一△型[5]A／D轉(zhuǎn)換器精度高、線性好、速度快、功耗低、價(jià)格低廉。 模數(shù)轉(zhuǎn)換經(jīng)過互感器采樣得到的電壓電流信號(hào)為模擬信號(hào)，為了將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)，設(shè)計(jì)中需要一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 非正弦波形的電壓電流不同功率因數(shù)下的功率的測(cè)量在實(shí)際應(yīng)用中，電壓和電流波形都要含有一定的諧波成分，對(duì)于非正弦的電壓電流波形先利用傅立葉變換將電壓電流表達(dá)成諧波分量之和： (25) (26)基波有功功率P1=V1I1cos，諧波有功功率PH=對(duì)于純正弦波有功功率的計(jì)算是精確的，而對(duì)于非正弦波形來說，可以將其看成是頻率不相同的正弦波的疊加，有功功率的計(jì)算同樣是精確的。cos60176。I)／2，176。I =[－] =－ (24)電壓與電流的相位無論相同與否，這種從瞬時(shí)功率信號(hào)中獲得有功功率的方法(低通濾波法)都是有效的。并設(shè)電壓和電流波形都是正弦的，那么瞬時(shí)功率信號(hào)中的有功功率分量(直流分量)為：P（t）=v(t)(1—) (23)采用對(duì)瞬時(shí)功率信號(hào)