【正文】 .................... 21 數(shù)碼管與 AT89C51 的接口 ..................................................... 22 按鍵組功能及與 AT89C51 總線口的連接 .................................. 22 SPI 接口型 EEPROM 與 AT89C51 的接口 ................................. 23 X5045 管腳分布 ...................................................................... 23 X5045 功能描述 ...................................................................... 24 X5045 硬件連接 ...................................................................... 25 時鐘模塊 ........................................................................................ 26 DS13O2 的引腳分布見圖 。 本文主要完成以下工作：提出了智能電表總體設計方案，設計了數(shù)據(jù)采集電路，運用 Protel DXP 軟件繪制了原理圖及生成了 PCB 板，焊制了數(shù)據(jù)采集電路板，運用 Keil uVision2 編寫了程序。最終達到削峰填谷，節(jié)約用電 的效果。 傳統(tǒng)電表只能顯示總體用電量，而且需要人工抄表，浪費了大量的人力物力。在不久的將來，智能電表必將在全國范圍內(nèi)安裝。 基于單片機的智能電表設計 基于單片機的智能電表的設計 I 摘 要 隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們生活水平不斷地提高，傳統(tǒng)的電網(wǎng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代社會的需求。現(xiàn)在智能電網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展，作為智能電網(wǎng)的一個重要組成部分，智能電表也得到很大發(fā)展。所以智能電表技術(shù)的研究具有重大的現(xiàn)實意義。智能電表的研究主要為了實現(xiàn)供需雙方的實時通信，供方可以根據(jù)需求負荷調(diào)節(jié)電價，需方可以根據(jù)電價調(diào)節(jié)用電量。本文針對電表現(xiàn)狀，提出了基于單片機的智能電表的總體設計方案。經(jīng)過調(diào)試，電路板能較準確地顯示輸入的電壓、電流的有效值，他們的功率因數(shù)角以及實時功率。 .......................................... 26 DS1302 與 AT89C51 的硬件連接 .......................................... 26 通斷電控制電路 ............................................................................ 27 4 電能表的軟件設計 .................................................................................. 29 電能表的軟件實現(xiàn) ........................................................................ 29 CS5460A 與單片機的數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)方法 ............................. 29 對日歷 /時鐘 DS1302 的讀寫操作的軟件實現(xiàn) ..................... 33 在電能表中對串行 EEPROM 的讀寫 ................................... 33 矩陣鍵盤鍵功能處理程序 ..................................................... 36 八段數(shù)碼管在電能表中顯示功能實現(xiàn) ................................. 37 打印機驅(qū)動程序 ..................................................................... 38 總結(jié) .............................................................................................................. 40 致謝 .............................................................................................................. 41 參考文獻 ...................................................................................................... 42 基于單片機的智能電表的設計 1 前言 智能電表已經(jīng)開始慢慢取代傳統(tǒng)的電表進行正式使用。有了智能電表，每戶的電力需求可以詳細把握，并可以根據(jù)需要只啟動必要數(shù)量的發(fā)電與配電設備。此外，近年來智能電表控制高峰需求期電力消費量的效果也越來越明顯。同時智能開關(guān)也給居民們的生活帶去了極大的方便。因為智能電表需要使用專用的電池，如果智能電表很耗電，電池的壽命就會縮短，表內(nèi)電池電量不足還會影響計量和用戶用電。但是，當前居民用電的管理過于落后，一直采 用的先用表后抄表再付費的傳統(tǒng)作業(yè)模式。為了適應社會的需求，保證用戶安全，方便，合理的用電，對傳統(tǒng)的電表和用電模式進行改造?；趩纹瑱C的智能電表的設計 2 1 智能電表的概述 智能電表的定義 所謂智能電表，就是應用計算機技術(shù)，通訊技術(shù)等，形成以智能芯片 (如 CPU)為核心，具有電功率計量計時、記費、與上位機通訊、用電管理等功能的電度表。并對用戶的購電信息實行微機管理，方便進行查詢、統(tǒng)計、收費及打印票據(jù)等。機電一體式，即在原機械式電度表上附加一定的部件，使其既能完成所需功能，又能降低造價且易于安裝，一般而言其設計方案是在不破壞現(xiàn)行計量表原有物理結(jié)構(gòu)，不改變其國家計量標準的基礎上加裝傳感裝置變成在機械計度的同時亦有電脈沖輸出的智能電表，全電子式則從計量到數(shù)據(jù)處理都采用以集成電路為 核心的電子器件，從而取消了電表上長期使用的機械部件，與機電一體化電度表相比具有電表體積減小，可靠性增加，更加精確，耗電量減少，并且生產(chǎn)工藝大大改善，不必只在原有意義上的專業(yè)電度表廠生產(chǎn)等優(yōu)越性，最終會取代帶有機械部件的計量表。其基本結(jié)構(gòu)是在原有機械電度表的轉(zhuǎn)盤上打孔或涂 (貼 )上能吸收光線的材料。 另一類機電結(jié)合的電度表則是采用電子式計量電路在獲得數(shù)字式脈沖信號后，通過微型電機驅(qū)動字碼轉(zhuǎn)輪得到電能計數(shù) 值，這種結(jié)構(gòu)是最簡潔可行的電子式電度表的方案，但遺憾的是其對計量電路的要求較高，即要求所有的表都按一個固定的比例將電能值轉(zhuǎn)換為對應數(shù)量的數(shù)字脈沖，才能按正確的速度驅(qū)動微電機以轉(zhuǎn)動字輪。另外這種結(jié)構(gòu)的電度表在數(shù)據(jù)收集和用戶繳費方式上與老式的機械表沒什么區(qū)別，應屬淘汰產(chǎn)品。一種是用互感器采樣，另一種為直接采樣。直接采樣則是用熱穩(wěn)定性高的 電阻分壓網(wǎng)絡來取得電壓信號，而用電阻溫度系數(shù)非常小的錳銅片進 行電流直接采樣。 例如：額定電流為 20A 時，直接采樣的啟動電流為 20mA，互感器采樣的啟動電流為 40 mA。利用互感器采樣的的優(yōu)點是抗干擾性較強，線路簡單，成本低。當表內(nèi)剩余電量等于報警電量時，拉閘斷電報警 (或蜂鳴器報警 )，此時用戶在感應區(qū)刷卡即可恢復供電 。 基于單片機的智能電表的設計 4 電子式智能電表，是在電子式電表的基礎上，近年來開發(fā)面世的高科技產(chǎn)品，它的構(gòu)成、工作原理與傳統(tǒng)的感應式電能表有著很大的差別。 通常我們把智能電表計量一度電時 A/D 轉(zhuǎn)換器所發(fā)出的脈沖個數(shù)稱之為脈沖常數(shù)，對于智能電表來說，這是一個比較重要的常數(shù)，因為 A/D 轉(zhuǎn)換器在單位時間內(nèi)所發(fā)出脈沖數(shù)個的多少，將直接決定著該表計量的準確度。 基于單片機的智能電表的設計 5 2 智能電能表的設計方法 智能電能表的硬件組成 智能電能表中均含有微處理器或微控制器，在微處理器或微控制器的外圍進行設備的擴展如程序存儲器 ROM、數(shù)據(jù)存儲器 RAM、鍵盤、顯示器、報警裝置和通信口。圖 表述了智能電能表的硬件結(jié)構(gòu)組成原理圖。不同功能的智能電能表由不同部件組合而成。所采集的數(shù)據(jù)或從鍵盤上輸入的數(shù)據(jù)以及經(jīng)過一定的算法運算后的數(shù)據(jù)基于單片機的智能電表的設計 6 均暫存于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 RAM 中。 智能電能表硬件設計各功能環(huán)節(jié)如下 : 微處理器或微控制器 微處理器和微控制器在智能電能表中都是智能電能表的心臟，它們的結(jié)構(gòu)、特性對智能電能表的性能影響很大。根據(jù)智能電能表控制功能和測量功能的不同選用合適的單片機作為智能電能表的核心，從而提高智能電能表的整體性能。它作為信息獲取的工具和手段，在測量控制型智能電能表中占據(jù)了極其重要的地位。這主要是電信號較容易地進行放大、反饋、濾波、積分、微分、存儲及遠距離傳送等操作。信號調(diào)理的目的是對傳感器輸出的電信號進行必要的處理以滿足信號處理后繼環(huán)節(jié)的需要，使其輸出信號適應 A/D 轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)的工作。 A/D 轉(zhuǎn)換器 微處理器能處理的信號應是數(shù)字信號，因此，在智能電能表的輸入基于單片機的智能電表的設計 7 通道中加入能把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的芯片即 A/D 轉(zhuǎn)換器。使用 A/D 轉(zhuǎn)換器時應先根據(jù)輸入通道的總誤差，選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度及分辨率。在選用 A/D 時還應考 慮智能電能表所處的環(huán)境選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器的環(huán)境參數(shù)。 D/A 轉(zhuǎn)換器 微處理器輸出的數(shù)字控制信號通過 D/A 轉(zhuǎn)換，將離散時刻輸出的控制信號轉(zhuǎn)換成為離散模擬信號，為實現(xiàn)智能控制創(chuàng)造了必要條件。選擇 D/A 芯片時，主要考慮芯片的性能、結(jié)構(gòu)及應用特性。 智能電能表的通信接口 智能電能表一般都設置有通信接口，以便能夠?qū)崿F(xiàn)程控、方便地構(gòu)成自動測試系統(tǒng)。 1. RS232C 標準通信接口 RS232C 總線標準接口是目前最常用的串行通信總線接口，其邏輯電平是對地對稱的，與 TTL、 MOS 邏輯電平完全不同。因此， RS232C 驅(qū)動器與 TTL電路連接 必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。MC1489， 75189(從 RS232C 到 TTL 的電平轉(zhuǎn)換 )。 在當今的信息化時代，用于其他信息裝置的通信技術(shù)也同樣可用于嵌入式智能電能表。 PCI 對于連接到它上面的器件是具有即插即用的高速總線。但由于總線負載問題，同一個 PCI總線上只能掛 4 到 8 個器件。 3. USB 總線 通用串行總線 (USB)是一種外設總線標準。 USB 特別適合于需要高數(shù)據(jù)率和易于即插即用的應用。除了這些新的多媒體設備外， USB也用于傳統(tǒng)的 I/O 設備。纜線型 1394 總線可支持 63 個器件。一般長度為幾米， IEEE1394 和 USB都是串行協(xié)議，然而 USB 和 IEEE1394 比其競爭技術(shù)由更大的技術(shù)互補性， USB 屬于低帶寬到中帶寬，而 IEEE1394 屬于中到高帶寬。相應的軟件有采集、采集控制、數(shù)據(jù)處 理、顯示、結(jié)果打印等。一般先是清楚的列出智能電能表系統(tǒng)各系統(tǒng)部件與軟件設計的有關(guān)特點，并進行定義和說明，以作為軟件設計的根據(jù)。再將程序流程圖的一列操作用機器碼或匯編語言或高級語言譯成處理器能處理的機器代碼。在所有的工作完成之后還要進行文件編制。同時，為了與軟件結(jié)構(gòu)相配合，還必須將程序存儲器 (ROM)和數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)實現(xiàn)規(guī)劃。智能電能表在不同的應用場合所受到干擾也各不相同，當儀器在運行時所受到的干擾超過一定限度時就會嚴重影響智能電能表的可靠性，甚至嚴重影響工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，因此在設計智能電能表時要注意智能電能表的抗干擾設計。 硬件抗干擾技術(shù)主要包括濾波技術(shù) (無源濾波和有源濾波 )、去耦技術(shù)、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)、接地技術(shù)等。因此，除了采取硬件抗干擾方法外，還要采取軟件抗干擾措施。軟件看門狗技術(shù)的基本思路是 :在主程序中對 T0 中斷服務程序進行監(jiān)視 。 基于單片機的智能電表的設計 11 3 智能電能表的硬件設計 電能表概述 電能表是一種計量某一段時間內(nèi)通過的電能的累積值的表計。這里主要介紹根據(jù)智能小區(qū)家庭型用戶電能計量系統(tǒng)的要求設計的一種智能型多功能復費率電能表。用經(jīng)濟手段鼓勵用戶在低谷時段用電。電子式的復費率電能表一般使用單片機對電能脈沖進行分時段計算處理，同時具有有效的參數(shù)設定。電能表部分應包括電流傳感器、電壓傳感器、電能計量芯片、顯示器件、按鍵開關(guān)時鐘 /日歷芯片、看門狗電路、擴展數(shù)據(jù)存儲器以及用于通斷電控制用的小功率交流開關(guān)。其中，電能表部分需要電流互感器、電壓互感器把照明電路中的 22OV 電壓和大電流 (10A)變換成電能計量芯片所要求的輸入電壓和輸入電流范圍之內(nèi)。根據(jù)此方案設計的復費率電能表系統(tǒng)的硬件原理在以下幾節(jié)詳細說明。我們常常也叫它單片機。其組成為： ?