【正文】 高電平， 顯示“ P”字符的字形代碼應(yīng)為10001100（ 8CH）。 8 個(gè)筆劃段 hgfedcba 對(duì)應(yīng)于一個(gè)字節(jié)（ 8 位）的 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,于是用 8 位二進(jìn)制碼就能表示欲顯示字符的字形代碼。 共陰和共陽(yáng)結(jié) 構(gòu)的 LED 數(shù)碼管顯示器各筆劃段名和安排位置是相同的。 LED 數(shù)碼管顯示器有兩種不一樣的形式：一種是 8 個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極都連在一起的，稱(chēng)之為共陽(yáng)極 LED 數(shù)碼管顯示器；另一種是 8 個(gè)發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱(chēng)之為共陰極 LED 數(shù)碼管顯示器。通過(guò)電腦下 flash、動(dòng)畫(huà)、文字等文件，或使用動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)個(gè)性化動(dòng)畫(huà)，播放各種動(dòng)感變色的圖文效果； 基于單片機(jī)的智能電表的設(shè)計(jì) 21 八段數(shù)碼管顯示器 圖 數(shù)碼管顯示器結(jié)構(gòu) 八段 LED 數(shù)碼管顯示器由 8 個(gè)發(fā)光二極管組成。 顯示模塊 LED 數(shù)碼管以發(fā) 光二極管作為發(fā)光單元，顏色有單紅，黃，藍(lán)，綠，白，七彩效果。 和的典型值取 47O 歐，C1 放入典型值取 。 如圖 ，在電流輸入通道中，電阻 有兩個(gè)作用 :一是和配合與 C1構(gòu)成一階低通濾波器，這個(gè)濾波器除了濾除遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)有用頻率的寬帶噪聲還作為抗混疊濾波器以阻止 A/D 轉(zhuǎn)換器接收高于其采樣頻率一半的輸入信號(hào) 。計(jì)算電流增益 Ki=15OmV/30A=。因此輸入通道的輸入電壓最大值就應(yīng)為 25OmV=150mV，其在規(guī)定的 25OmV范圍內(nèi)。對(duì)于正弦曲線的交流信號(hào)，電壓 /電流有效值以最大直流輸入電平的 倍進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。在采用互感器隔離措施后， CS5460A 的數(shù)字接口不必再采用隔離技術(shù)。 基于單片機(jī)的智能電表的設(shè)計(jì) 20 電壓電流采樣模塊 在能量測(cè)量中使用電壓互感器和電流互感器與電力線隔離，減小電力線上交流信號(hào)中竄入 CS5460A 電壓、電流輸入通道的各種干擾信號(hào)。電源失效監(jiān)控引腳 (PFMON)監(jiān)控模擬電源，相對(duì) VA 引 腳電平其典型閥值電壓為 。變壓器次級(jí)接二極管的作用是為后繼電路提供直流電壓 (即起全波整流作用 )。電源電路負(fù)責(zé)給各個(gè)硬件模塊供電，以保證整個(gè)電能表的正常運(yùn)行。 CS5460A 的復(fù)位引腳接 AT89C51 的 P14， CS5460A 的復(fù)位信號(hào)由 AT89C51 提供。 AT89C51 的 P P1 P12 引腳分別與 CS5460A 的 SDI、SDO、 SCLK 引腳交換數(shù)據(jù)。 CS546OA 的片選 引腳 接地，使其始終保持有效狀態(tài)。在 SPI 總線上傳送的數(shù)據(jù)和命令字都是高位在先的方式傳送。其工作原理同 8031 微控制器。 微控制器 AT89C51 與 CS5460A 的接口 微控制器 AT89C51 與 Intel 系列的 80C51 微控制器的指令集和管腳兼容，微控制器內(nèi)有 4K 字節(jié)的可擦寫(xiě)閃爍只讀程序存儲(chǔ)器和 256 字節(jié)基于單片機(jī)的智能電表的設(shè)計(jì) 19 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這使得片上模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電壓為 O 伏，并且使用變換器內(nèi)部 的基準(zhǔn)電壓， 的電容起作電源抗干擾的作用。當(dāng)此引腳電平為低時(shí)， CS5460A 的所有內(nèi)部寄存器都被設(shè)置為缺省值。用于監(jiān)控模擬電源。 VA+、 VA :正模擬電源和負(fù)模擬電源。 VD+:正數(shù)字電源。輸入此引腳的電壓作為調(diào)節(jié)器的參考電壓。此引腳的電壓相對(duì)于 VA 為 。 VIN+、 VIN:電壓通道的差分模擬輸入引腳。當(dāng)電能輸 出為負(fù)時(shí)此引腳輸出一脈沖。 :電能輸出引腳。此引腳懸空時(shí)為低電平。當(dāng)為邏輯高電平時(shí)， CS5460A 可在一個(gè)外部串行 EEPROM的幫助下執(zhí)行自引導(dǎo)功能接收命令和設(shè)置 。 :片選引腳。僅在 有效時(shí)才識(shí)別時(shí)鐘信號(hào)。在這個(gè)引腳上輸入的時(shí)鐘信號(hào)確定 SDI和 SDO 引腳上的數(shù)據(jù)輸入輸出速率。輸出的時(shí)鐘頻率可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 負(fù)載。另外也可通過(guò) XIN 引腳使用外部的CMOS 時(shí)鐘為 CS5460A 提供系統(tǒng)時(shí)鐘。各管腳功能說(shuō)明如下 : 圖 CS5460A 的引腳圖 基于單片機(jī)的智能電表的設(shè)計(jì) 17 XOUT、 XIN:系統(tǒng)時(shí)鐘輸出引腳和系統(tǒng)時(shí)鐘輸入引腳。 基于單片機(jī)的智能電表的設(shè)計(jì) 16 CS5460A 的性能 1. 能量數(shù)據(jù)精確度 :在 1000:1 動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)精確度為 %； 2. 芯片功能 :可以測(cè)量電能， I?U， 、和 ，具有電能與脈沖轉(zhuǎn)換功能； 3. 通過(guò)串行 EEPROM 實(shí)現(xiàn)智能“自引導(dǎo)”，不需要微控制器； 4. AC 或 DC 系統(tǒng)校準(zhǔn)； 5. 可驅(qū)動(dòng)機(jī)計(jì)度器 /步進(jìn)馬達(dá)； 6. 能量消耗小于 12mw； 7. 為分流傳感器提供優(yōu)化的接口； 8. 具有相補(bǔ)償功能； 9. 為單電源提供地參考信號(hào)； 10. 芯片上帶有 基準(zhǔn)電壓 (最大溫漂 60Ppm/ )； 11. 具有簡(jiǎn)單的三線數(shù)字串行接口； CS5460A 管腳說(shuō)明 CS546OA 芯片有 24 個(gè)引腳。這些增加的功能更加便于與微控制器接口，并能方便地實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率的測(cè)量和用電 量累積等功能。 電能計(jì)量芯片 在電子式電能表中使用得比較多的電能計(jì)量專(zhuān)用芯片有： CS546OA以及 AD7755 等等。 X1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。注意加密方式 1 時(shí)，/EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電 流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流。在給出地址“ 1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě)“ 1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。 P1 口管腳寫(xiě)入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FIASH編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。當(dāng) P0 口的管腳第一次寫(xiě) 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 GND：接地。隨著電子技術(shù)和制造工藝的飛速發(fā)展，單片微控制器行業(yè)百花齊放，并已滲入到人類(lèi)生活中的各個(gè)角落。 基于單片機(jī)的智能電表的設(shè)計(jì) 13 電能表的控制芯片 AT89C51 圖 AT89C51 引腳結(jié)構(gòu)圖 AT89C51 是一種帶 4K 字 節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)，很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案，其引腳排列如圖 所示： 單片微控制器、微處理器 單片微控制器 (microcontroller)是將計(jì)算機(jī)的基本環(huán)節(jié)如中央處理器 (CPU)、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口等集成在一起，并能協(xié)調(diào)完成獨(dú)立控制、運(yùn)算等工作。電能計(jì)量芯片根據(jù)其內(nèi)部的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流計(jì)算瞬時(shí)功率，再輸出脈沖驅(qū)動(dòng)機(jī)械式計(jì)數(shù)器或者步進(jìn)電機(jī)計(jì)算用電電量。 基于單片機(jī)的智能電表的設(shè)計(jì) 12 圖 電能表硬件整體框圖 上圖 表明了電能表的硬件設(shè)計(jì)方案。 電能表的總體方案設(shè)計(jì) 此多功能復(fù)費(fèi)率電能表具有如下功能 : 1. 通過(guò)單片機(jī)擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)本月、上月、上上月的各月電量，能存儲(chǔ)各月峰時(shí)、平時(shí)、谷時(shí)各時(shí)段的用電量，并能通 過(guò)液晶顯示器顯示各自的數(shù)值； 2. 具有欠壓斷電保護(hù)、欠費(fèi)停電保護(hù)功能； 3. 具有在過(guò)電壓、過(guò)電流和欠壓斷電保護(hù)后用戶自己送電的功能； 本次設(shè)計(jì)中所設(shè)計(jì)的整個(gè)電能計(jì)量系統(tǒng)主要由電能表構(gòu)成。這也正好符合電力計(jì)費(fèi)系統(tǒng)提出的分時(shí)段計(jì)費(fèi)的要求。復(fù)費(fèi)率電 能表是一種根據(jù)用電的峰時(shí)、平時(shí)、谷時(shí)各時(shí)段的設(shè)定值計(jì)算用戶總的用電量和峰時(shí)、平時(shí)、谷時(shí)的用電量的電能表，使供電局能實(shí)施峰時(shí)、平時(shí)、谷時(shí)各時(shí)段不同的計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。 電子式電能表，也稱(chēng)為靜止式電能表，它也就是“電流和電壓在固態(tài) (電子 )器件中作用而產(chǎn)生與瓦時(shí)數(shù)成比率輸出的儀表”。在 T1 中斷服務(wù)程序中對(duì)主程序進(jìn)行監(jiān)視； T0 中斷監(jiān)視 T1 中斷。為確保CPU 中的程序正常運(yùn)行，常常采用如下抗干擾措施 :軟件濾波 (數(shù)字濾波技術(shù) )可以剔除模擬輸入信號(hào)中的虛假信號(hào)，求取真值； 除了可以使用硬件看門(mén)狗電路強(qiáng)制單片機(jī)從死機(jī) 狀態(tài)回復(fù)到正常運(yùn)行外，還可以采用軟件看門(mén)狗電路或軟硬結(jié)合的看門(mén)狗技術(shù)。 竄入智能電能表的干擾，其頻譜往往很寬，且具有隨機(jī)性，采用硬件抗干擾方法，只能抑制某個(gè)頻率段的干擾，仍有一些干擾會(huì)侵入系統(tǒng)。 微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)在智能電能表 的抗干擾技術(shù)中是同樣適用的，主要分為硬件抗干擾技術(shù)和軟件抗干擾技術(shù)。 基于單片機(jī)的智能電表的設(shè)計(jì) 10 智能電能表的抗干擾方法 智能電能表是以微處理器為核心的微機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)，因此智能電能表在許多場(chǎng)合都是與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或 DCS(集散控制系統(tǒng) )聯(lián)系在一起的。 基于單片機(jī)的智能電表的設(shè)計(jì) 9 圖 智能電能表的典型結(jié)構(gòu)圖 如圖 所示智能電能表的軟件結(jié)構(gòu)按功能可分為準(zhǔn)備程序、鍵 功能程序和系統(tǒng)控制程序。查錯(cuò)和調(diào)試是智能電能表軟件設(shè)計(jì)中找出并改正邏輯錯(cuò)誤或與硬件有關(guān)的程序錯(cuò)誤的關(guān)鍵。在此基礎(chǔ)上寫(xiě)出軟件的功能流程圖，程序流程圖。智能電能表的軟件設(shè)計(jì)需要有一個(gè)細(xì)致全面的過(guò)程。 智能電能表的軟件設(shè)計(jì)方法 智能電能表硬件電路確定之后，儀器的主要功能由軟件實(shí)現(xiàn)。纜線越長(zhǎng)它所能夠處理的數(shù)據(jù)率就越低。 4. IEEE1394 高速串行總線 IEEE1394 是高速串行總線，其數(shù)據(jù)率為 25400Mbits/s，它是作為通用外設(shè)串行總線而設(shè)計(jì)的。需要保證帶寬和有限執(zhí)行時(shí)間的應(yīng)用包括PC 電話和其他語(yǔ)音及視頻通信應(yīng)用。它為所有的 USB 外設(shè)提供一種通用的連接，其數(shù)據(jù)率為 12Mbits/S。價(jià)廉的 PCI 芯片組和廣泛應(yīng)用的 PCI 外設(shè)可以促使 PCI 總線成為嵌入式領(lǐng)域的事實(shí)上的總線標(biāo)準(zhǔn)。從理論上來(lái)說(shuō)，可以 有多達(dá) 256 個(gè) PCI功能器件同時(shí)掛到一個(gè) PCI 總線上。它主要有這樣一些通信技術(shù) : 基于單片機(jī)的智能電表的設(shè)計(jì) 8 2. PCI 總線 PCI 總線技術(shù)為 CPU 和板上外設(shè)之間提供方便的高速通信連接，工作頻率為 33MHz( 支持 66MHz)。還有 MAXIM 的 MAXZOZ、 MAX232 等等。轉(zhuǎn)換芯片有 MC1488， 75188(從TTL 到 RS232C 的電平轉(zhuǎn)換 )。邏輯 0 電平規(guī)定為 +5~+15V 之間，邏輯 1 電平是 5V~15v 之間。目前國(guó)際上采用的智能電能表的標(biāo)準(zhǔn)接口有 GPIB，RS232 等 ,本設(shè)計(jì)采用 RS232 接口。在性能上必須滿足 D/A 轉(zhuǎn)換的技術(shù)要求 :在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特 性上應(yīng)滿足接口方便，外圍電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉等要求。在D/A 轉(zhuǎn)換接口設(shè)計(jì)中主要考慮的問(wèn)題是 D/A 轉(zhuǎn)換芯片的選擇、數(shù)字量的碼輸入及模擬量的極性輸出、參考電壓電流源、模擬電量輸出的調(diào)整與分配等。不同 A/D 轉(zhuǎn)換器有不同的輸出狀態(tài)，應(yīng)根據(jù)計(jì)算機(jī)的接口特性選擇輸出狀態(tài)。根據(jù)信號(hào)對(duì)象的變化率及轉(zhuǎn)換精度要求，確定 A/D轉(zhuǎn)換速度，以保證智能電能表的實(shí)時(shí)性要求，對(duì)快速信號(hào)必須考慮采樣/保持電路。但并不是所有的輸入通道都要加入 A/D 轉(zhuǎn)換器，而是只有模擬量輸入通道，而且輸入微處理器的信號(hào)不是頻率量而是數(shù)字碼時(shí)，才用到 A/D 轉(zhuǎn)換器。信號(hào)調(diào)理可以改善信號(hào)質(zhì)量，還可以補(bǔ)償傳感器的非線性，提高信噪比，增強(qiáng)信號(hào)的環(huán) 境抗干擾能力等。 信號(hào)調(diào)理 信號(hào)調(diào)理裝置是通過(guò)電子線路來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)處理，一般包括放大、濾波、整形、檢波、信號(hào)轉(zhuǎn)換等功能環(huán)節(jié)。傳 感器能轉(zhuǎn)換信息存在的能量形式，通常是將其他能量形式轉(zhuǎn)換成電量形式，以便進(jìn)一步加工處理，傳感器的輸出往往總是電信號(hào)。 傳感器 傳感器是將外界輸入的被測(cè)量信號(hào)變換成電信號(hào)的元器件或裝置。微處理器也是一種通用器件，如果給予足夠的外部支持電路和處理時(shí)間，它幾乎可以完成任何任務(wù)，數(shù)據(jù)處理和控制是微處理器的兩個(gè)主要用途。智能電能表的控制部分一般分兩種情況，一是微處理器接受鍵盤(pán)輸入的命令后，不需經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，直接由接口輸出控制信息和數(shù)據(jù)信息，去控制一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)。智能電能表的監(jiān)控程序固化在程序存貯器 EPROM、ROM、 EEPROM 等中，被測(cè)參量通過(guò)傳感器將非電量變換成電量，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)槲⑻幚砥髂苤苯幼R(shí)別的數(shù)字信號(hào)。 智能電能表硬件原理圖 智能電能表實(shí)際上是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它是具有微處理器或微控制器的，并有標(biāo)準(zhǔn)總線接 口的新型儀器。作為一個(gè)完整的智能電能表還應(yīng)包括輸入通道和輸出通道。目前智能電表大多都采用一戶一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)原則，但也有些廠家生產(chǎn)的多用戶集中式智能電表采用多戶