【正文】 目錄 2 5 串行 E2PROM芯片 AT24CXX…………………………… 26 、 AT24CXX 系列的基本功能 …………………………………… 26 、 AT24CXX 的工作原理 ………………………………………… 27 、 AT24XX 接口電路 …………………………… … ……………… 29 6 RS485 接口與應(yīng)用 ……………………………… 31 、 RS485 簡介 ……………………………… ………………… 31 、 RS485 電平與 TTL 電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路 …………………… 31 、多機通信 ………………………………………………… 32 7 抄表集中器 …………………………………… 35 、 GPRS 通訊技術(shù)介紹 ……………………………………… 35 、 GPRS 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ………………………………………… 35 7． GPRS 技術(shù)優(yōu)勢 …………………………………………… 37 、 GPRS 工作原理 …………………………………………… 38 、終端系統(tǒng)硬件設(shè)計 …………………… ………………… 38 、 GPRS 模塊主要性能簡介 ………………………………… 39 、 GPRS 通信流程 …………………………………………… 41 8 其他部分 ……………………………………… 43 、光電隔離電路 ……………………………………… 43 、穩(wěn)壓電源 …………………………………………… 43 、 電源的設(shè)計 …………………………………… 44 、 LM317T 穩(wěn)壓 ………………………………………… 45 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 目錄 3 9 軟件部分 ……………………………………… 46 ……………………………………………… .46 、電能計量 ………………… ...………………………….. 47 ……………………………………………… 49 . 多機通信 ……………………………………………… 54 的讀寫 … ………………………………………… 56 ……………………………………………… 62 10 總結(jié) ………… …………………………………… 64 11 致謝辭 ……………………………………………… 65 12 附錄 …………………………………………………… 66 設(shè)計原理接線圖 …………………………………… 66 外文文獻翻譯 ……………………………………… 67 13 參考文獻 ………………………………………………… 86 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 1 1 緒論 本課題的研究背景 作為測量電能的專用儀表電能表 ,自誕生至今已有 100 多年的歷史。電能表在電能管理儀 器儀表中占有很大比例 ,它的性能直接影響著電能管理的效率和科學(xué)化水平。 伴隨著我國工業(yè)化進程的前進步伐，工業(yè)及居民用電急劇增加，龐大的供電網(wǎng)絡(luò)給用電管理單位帶來了巨大挑戰(zhàn)，也給居民、工廠帶來了諸多不便。傳統(tǒng)的機械式電能表及電子式電能表無論是在計量精度還是在信息傳遞方面都難以滿足 “ 智能電網(wǎng) ” 的需求，在 這種情況下多功能電能表應(yīng)運而生。 多功能電能表能夠更精確、更快速的完成對電能的計量任務(wù)，而且電表可以通過加密防止用戶竊電，安全性更高。 、 機械式指示電表 結(jié)構(gòu)和原理 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 2 圖 機 械式指示電表的核心部分 機 械式指示電表的核心部分是測量機構(gòu)，它包括固定部分和可動部分。為了區(qū)別被測量值的大小 ,不同的量值應(yīng)當(dāng)有不同的偏轉(zhuǎn)角 ,為此要設(shè)置反抗力矩 Ma。轉(zhuǎn)動力矩 M與反抗力矩 Ma相等時，測量機構(gòu)達到平衡狀態(tài)。為了促使可動部分盡快靜止，需引入與運動速度成比例的阻尼力矩 、電子式電能表 電子式電能表是在數(shù)字功率表的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，采用乘法器實現(xiàn)對電功率的測量，其工作原理框圖 所示。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 3 圖 電子式電能表工作原理框圖 、 智能電能表 智能電能表是以最新的計算機應(yīng)用技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)、量測技術(shù)為基礎(chǔ)的進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和管理的先進計量設(shè)備。 先通過對用戶供電電壓和電流的實時采樣，再采用專用的電能表集成電路，對采樣的電壓和電流信號進行處理，并轉(zhuǎn)換成與電能成正比的脈沖輸出，最后通過單片機處理、控制， 把脈沖顯示為用電量并輸出。每一位科技工作者都有義務(wù)鉆研各種新技術(shù)、新原理，為推動社會進步貢獻自己的力量。 電壓變換器 電流變換器 乘 法 器 U/F 變換 計數(shù) 顯示 控制 u i U F Fu Fi 電能 采樣 電能轉(zhuǎn)換（ A/D 轉(zhuǎn)換器） 模擬控制開關(guān) 單片機控制系統(tǒng) 顯示 聯(lián)通通信 用戶 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 4 本系統(tǒng) 的整體結(jié)構(gòu) 本電能表系統(tǒng)以 FM3307／ 8 單片機為核心，對 8 戶居民的用電量進行測量。 74HC164 串入并出 8 位移位寄存器和 LED 顯示器能夠?qū)崟r循環(huán)顯示 8戶居民的用電量 。 電能表通過 RS485 總線與抄表集中器相連，接收抄表集中器下達的抄表（或預(yù)付費）、清零等命令。 中心計算機根據(jù)一天中電費價格不同的時間分割點讀取用戶的用電量，從而可以實現(xiàn)電能表的復(fù)費率功能。中心計算機將用戶提前購買的電量寫入電能表中，當(dāng)電量減到 0 時，控制口（ P4）動作切斷供電。有關(guān) IEC1306 電能表參考設(shè)計方案介紹 （ 請參見 ADI 公司應(yīng)用筆記 AN559） 。 AD7755 的引腳 F1 和 F2 以較低頻率形式輸出有功功率平均值，能直接驅(qū)動機電式計度器或與微控制器接口。 AD7755 內(nèi)部包含一個對 AVDD 電源引腳的監(jiān)控電路，在 AVDD 上升到 4V 之前， AD7755 一直保持在復(fù)位狀態(tài)。內(nèi)部相位匹配電路使電壓和電流通道的相位始終是匹配的，無論通道 1 內(nèi)的高通濾波器（ HPL）是接通的還是斷開的。 圖 AD7755 功能框圖 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 脈沖輸出的電能計量集成電路 8 工作原理 兩個 ADC 對來自電流和電壓傳感器的電壓信號進行數(shù)字化，這兩個 ADC都是 16 位二階 Σ－ Δ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，過采樣速率達 900kHz。電流通道中的 PGA 進一步簡化了傳感器接口。 有功功率的計算 圖 信號處理框圖 ． 不考慮功率角 有功功率是從瞬時功率信號推到計算出來的，瞬時功率信號是用電流和電壓信號直接相成得到的。 上圖 示出了瞬時有功功率信號如何通過對瞬時有功功率信號進行低通濾波來獲取有功功率，這個設(shè)計方案也能正確計算非正弦電流和電壓波形在不同功率因數(shù)情況下的有功功率。 ． 考慮功率角 在工業(yè)現(xiàn)場 ,電流和電壓信號經(jīng)常存在不同相的情況 ,電流信號滯后電壓山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 脈沖輸出的電能計量集成電路 9 信號 Φ,相移功率因數(shù)為 cosΦ，則利用 上述從瞬時功率信號獲取有功功率信息的方法（即低通濾波） 也是 有效的。 輸入的電壓信號為 ： V ( t)=V sinωt； 瞬時功率 為： p ( t)=V I [cosΦ cos2ωt ]/2； （ 1） 對式 (1) 瞬時功率進行低通濾波 , 低通濾波讓直 流分量通過 , 濾去交流分量即可得到瞬時有功功率 .下 圖示出了相移功率因數(shù)（ PF）等于 1和，后者也就是電流信號滯后于電壓信號 60度。 ． 非正弦電壓和電流 對于非正弦電壓和電流 ,瞬時電壓和電流可用富里葉變換表達成它們諧波分量之 和 ： v(t)=V0+ ??? ??? 0h hths i n2 ）（ ??V h i(t)=I0+ ??? ??? 0h hh ths i n2 I ）（ ?? P 可以用它們的基波有功功率 P1 和諧波有功功率 PH 之和表達 . P = P1+ PH 式中 P1= V1I1cosΦ1,Φ1= α1 β1。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 脈沖輸出的電能計量集成電路 10 模擬輸入 通道 V1（電流通道） 線路電流傳感器的輸出電壓接到 AD7755 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。應(yīng)當(dāng)注意，通道 1 有一個 PGA，其增益可由用戶選擇 1， 2，8 或 16。 470mV 0 1 2 177。 60mV 1 1 16 177。在這兩引腳上的差動信號必須以一個共模端作為參考點，最大共模信號為 100mV。 660mV。然而，當(dāng)共模電壓為 0V時能獲得最好的測量結(jié)果。當(dāng)電源電壓低于 4V177。這對于保證上電和掉電時芯片的正確啟動和正常工作是有用的。 下 如圖所示，電源監(jiān)控電路的正常觸發(fā)電平為 4V，觸發(fā)電平的允許誤差約為 177。為保證芯片正常工作應(yīng)對電源去耦，使 AVDD 的波動不超過 5V177。 高通濾波和失調(diào)影響 通道 1 和通道 2 的失調(diào)信號相乘后將產(chǎn)生一個直流分量。為避免這個問題，只要把通道 1 中的 HPF 設(shè)置成選通（即引腳 AC/DC 置高電平）就行了。 [Vcos（ ωt） +Vos]? [ Icos（ ωt） +Ios]=(V? I)/2+Vos? Ios+ Vos? I cos（ ωt） + Ios Vcos（ ωt） +(V? I)/2? cos（ 2ωt） 通道 1 的 HPF 與相位響應(yīng)相關(guān)聯(lián)，但它在片內(nèi)已得到補償。 數(shù)字－頻率轉(zhuǎn)換 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 脈沖輸出的電能計量集成電路 12 如前所述，電流電壓信號相乘后低通濾波器的數(shù)字輸出包含有有功功率信息， ，這個 LPF 不是理想濾波器，因此輸出信號仍含有經(jīng)衰減的線路基波和諧波頻率成分，即 cos(hωt)，其中 h=1,2,3,4…. 。 下 圖給出了 LPF 輸出的瞬時有功功率信號還包含了相當(dāng)大的瞬時功率信息，即 cos(2ωt)。這種累加起到平均作用，將抑制了瞬時有功功率信號中的非直流成分，正弦信號的平均值等于零。在穩(wěn)定負載（即恒定電壓和電流）條件下的數(shù)字－頻率轉(zhuǎn)換如圖所示。 CF 輸出頻率能高達 F1 和 F2 輸出頻率的2048 倍。較短的累加世間意味著減弱了對 cos(2ωt)的平均作用，于是部分瞬時功率信號成分通過了數(shù)字－頻率轉(zhuǎn)換器，但這在實際應(yīng)用中不成為問題。如果 CF 用于帶微處理器的電能計量場合， CF 也 應(yīng)該進行平均后再計算功率。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 脈沖輸出的電能計量集成電路 13 圖 有功功率到頻率的轉(zhuǎn)換 傳遞函數(shù) AD7755 通過計算通道 1 和通道 2 兩個輸入電壓的乘積，然后對乘積進行低通濾波，獲取有功功率信 息。這個脈沖信號的頻率是相當(dāng)?shù)偷?，例如，?S0=S1=1， 交流輸入的情況下，最高頻率僅 。輸出頻率與輸入電壓大小有關(guān)，由下式確定： VFVV R E FGF 24121 /)( ?????? 式中： F―― 引腳 F1， F2 輸出的脈沖頻率（ Hz） V1―― 通道 1 差動輸入電壓有效值（ V） V2―― 通道 2 差動輸入電壓有效值（ V） G――1 ， 2， 8， 16，取決于 PGA 的增益，由 G0 和 G1 的邏輯輸入確定 VREF―― 基準(zhǔn)電壓（ 177。表 列出了所有可能的最高輸出頻率。 CF 端輸出的脈沖頻率可高達 F1和 F2 的輸出脈沖頻率的 2048 倍。表 給出了兩者之間的關(guān)系，它們?nèi)Q于邏輯輸入 S0， S1 和 SCF 的狀態(tài)。如同 F1 和 F2 一樣， CF 輸出頻率也是在相乘后經(jīng)低通濾波器獲得的。由于對有功功率信號的平均作用較小，所以 CF