【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鐘和31個字節(jié)的靜態(tài)RAM，日歷時鐘可自動進行閏年補償，計時準確，接口簡單，工作電壓范圍(2．5V5．5V)，功耗低芯片自身還具有對備份電池進行涓流充電的功能，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。由于芯片可獨立工作，主電源掉電時備份電源只需為該時鐘芯片供電，可有效降低儀表功耗。芯片還具有主電源掉電情況下的時鐘保護電路和備份電源自動切換控制電路，可以保證在主電源掉電和其他一些惡劣環(huán)境下系統(tǒng)實時實鐘的定時準確性。主電源掉電時為了維持時鐘不停，必須要有外接電池給整個單片機供電，導(dǎo)致儀表本身功耗增大。但是這種做法有很多缺點。167。三端穩(wěn)壓器是一種標準化、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，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)的辦法進行保護，當由于系統(tǒng)電源不正?；蛘咂渌蛞鸩蓸与妷荷邥r，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)計中選用的500V的壓敏電阻。30％的浮動，壓敏電阻177。500A是其直流擊穿電壓。壓敏電阻是一種能對過電壓可靠保護的器件，平時不導(dǎo)通，當加在其上的電壓超過其導(dǎo)通電壓時將其擊穿，電流急劇增加，使系統(tǒng)電壓限制在可靠的范圍。1. 過壓保護本設(shè)計在系統(tǒng)電源輸入采用串聯(lián)熱敏電阻保護措施，當系統(tǒng)電壓過高時，由于電流會相應(yīng)增高，導(dǎo)致熱敏電阻發(fā)熱，熱敏電阻的阻值會相應(yīng)升高，根據(jù)分壓原理，在熱敏電阻上分壓保護，使整個電能表工作在可靠的電壓范圍內(nèi)，從而起到保護作用。167。當電網(wǎng)停電時，作為后備電源給實時時鐘供電以保證時鐘的連續(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量產(chǎn)品，因而其電源電路是其設(shè)計的關(guān)鍵部分。 3. 多路輸出電壓電路：這種電路可同時滿足不同芯片對于不同電壓的需要，但電路時機比較復(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，它是通過負載電阻的中間抽頭接至UAGND上的，對VIP和VIN上的模擬電壓起到互補作用。最大共模信號為100mV。這使傳感器接口的設(shè)計大為簡單。通道1有一個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輸入，VIP為正輸入端，VIN為負輸入端。 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，在進行IN+與IN的輸入時，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輸入時ADC0832的輸入電壓是05V且8位分辨率時 。當要進行A/D轉(zhuǎn)換時，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端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設(shè)計時可以將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，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達256級，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)級芯片溫寬為40176。 商用級芯片溫寬為0176。 一般功耗僅為15mW； 5V電源供電時輸入電壓在0~5V之間； 雙通道A/D轉(zhuǎn)換； ADC0832具有以下特點： 由于它體積小，兼容性強，性價比高而深受單片機愛好者及企業(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)存儲器讀選通，低電平有效167。(15腳)T1：定時器/計數(shù)器1計數(shù)輸入端。(13腳)INT1：外部中斷1請求端，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)部或外部程序存儲器選擇信號，EA=0，單片機只訪問外部程序存儲器，故對8031此腳只能接地；EA＝1，單片機訪問內(nèi)部程序存儲器，固對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，單片機將自動訪問外部程序存儲器。PROG為編程脈沖輸入端，當選用8751單片機時，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)：當采用芯片內(nèi)部時鐘信號時，接外部晶振的一個引腳；當采用外部時鐘信號時，此腳應(yīng)接地。STC89C52RC單片機[11]包含中央處理器、程序存儲器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(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)計單片機采用STC89C52RC單片機，STC89C51RC/RD+ 系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾/高速/低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機[9]，12 時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇，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)缺點方面考慮我們選用液晶顯示器（LCD），達到節(jié)約用電和安全用電的效果。本設(shè)計只需要按鍵來調(diào)時間，通過設(shè)計只需要三個按鍵來完成。5. 實時時鐘為復(fù)費率電能表提供準確的時間信息，以便于實現(xiàn)不同費率下電能的計量。4. 電源模塊為整個電能表硬件系統(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)進行隔離，使強電和弱電分開。2. ADC0832是雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片，在整個硬件電路中發(fā)揮著重要作用。各個硬件模塊具體如下：1. STC89C52RC單片機是整個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)下進行工作的。各種硬件模塊構(gòu)成了整個數(shù)字電能表，每個硬件模塊都有著不同的功能，在整個電表硬件系統(tǒng)中都承擔著一定的作用。 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現(xiàn)對電功率的測量，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)便于標準化和模塊化。FIR濾波器的頻率采樣型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點: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為抽樣時間間隔，為抽樣頻率。因此它本身就是一臺數(shù)字式的處理設(shè)備。因此離散時間LTI系統(tǒng)也稱為數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理的一個重要組成部分，數(shù)字濾波器實際上是一種運算過程。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)濾波器或者兩個的組合。降低輸出數(shù)據(jù)速率的方法是通過對每輸出M個數(shù)據(jù)抽取1個數(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，然后對整形的量化噪聲進行數(shù)字濾波，數(shù)字濾波的作用有兩個：一是對于最終采樣速率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)可以看出當頻率F接近于0時，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優(yōu)點是可以利用代數(shù)形式表示信號。其中積分器模擬一個具有給定傳遞函數(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)生噪聲的頻譜嚴格的依賴于采樣速率，積分器的時間常數(shù)以及電壓反饋誤差。根據(jù)反饋理論，當反饋環(huán)路的增益足夠深，DAC輸出的平均值接近輸入信號的平均值。 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)的隨機序列：e(n)本身的任意兩值之間不相關(guān)，且與信號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t足夠小時，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。當階梯波上升，△編碼為“1”；階梯波下降，△編碼為“0”。此階梯有兩個特點：一是在應(yīng)間隔內(nèi)xl(t)值相等；二是兩個相鄰采樣點幅值之差為△。這個相鄰間隔采樣點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，則必須進行K=倍過采樣，為了使采樣不超過一個合理的界限，需要對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的采樣速率對輸入信號采樣(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。如果在這個直流信號上疊加一個交流信號，并且用比這個交流信號高很多的頻率采樣，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，因為輸入量是任意的，輸出的數(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，這種量化誤差會產(chǎn)生量化噪聲。電路結(jié)構(gòu)是由簡單的模擬電路(一個比較器，一個開關(guān)，一個或幾個積分器及模擬求和電路)和復(fù)雜的數(shù)字信號處理電路構(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為模擬信號，為了將模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機能夠處理的數(shù)字信號，設(shè)計中需要一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 非正弦波形的電壓電流不同功率因數(shù)下的功率的測量在實際應(yīng)用中，電壓和電流波形都要含有一定的諧波成分，對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=對于純正弦波有功功率的計算是精確的，而對于非正弦波形來說，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，這種從瞬時功率信號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，那么瞬時功率信號中的有功功率分量(直流分量)為：P（t）=v(t)(1—) (23)采用對瞬時功率信號