【正文】 電表利用微機技術，通訊技術等等，減少了能量的消耗，把采集，處理集中于一體，節(jié)省成本和人力資源，提高了工作效率，適應了現代用戶的需求。 2 智能化測控應用系統(tǒng)設計報告 2 總體方案設計 本電表采用分時計費原則，將電壓，電流等參數 進行 采集，并 通過處理后輸入微處理器 STC89C52，進行運算，并最終實現對于電能的準確計量和控制顯示 。下面將首先對這兩種方案的組成框圖和實現原理分別進行說明，并分析比較它們的特點，然后闡述最終選擇方案的原因。 對于電力參數的測試，例如電壓，電流，有功功率，無功功率等，現在都有成熟的測量計算方法，對于電壓有效值的測量，可以利用積分電路來實現，也可以利用時間采樣信號，將信號值平方，去均值以后，得到平方根，通過 AD，進行采樣， 有功功率定義為 ?UICOSP? ， U 和 I 為電壓和電流的有效值， ?COS為功率因數。 方案一 在本設計方案中，核心器件為微處理器，這里我們選用是 STC89C52 單片機，當信號采樣后通過 AD 轉換，送入微處理器，進行數據的分析和計算，智能電表的實現必須對用戶的功率進行準確的計算，在信號采集模塊中，通過電壓互感器和電流互感器，對用戶的電壓和電流信號進行采集，微處理器進行功率和電費的計算，可通過 LCD 顯示，并可以通過鍵盤對分時電價進行調整，實現顯示 的轉換和調整，并運用單片機內部時鐘設計計時系統(tǒng)，以實現分時的控制。 3 智能化測控應用系統(tǒng)設計報告 軟件系統(tǒng)方面，其核心是編寫功率計算程序 和 AD 采樣程序，并通過鍵盤掃描實現顯示的切換 。同時，由于該智能電表采用分時計費系統(tǒng)，方案二中采用一塊時鐘芯片以提高對于時間的計時準確程度，以確保該電表可以準確計費，同時，由于時鐘芯片本身集成有微型電池，可以在斷電的情況下繼續(xù)運行，保證了在智能電表斷電的同時，計時系統(tǒng)不至于停止工作。在滿刻度輸出時，如果乘法器的輸出為 XCCCCS（ 838861d）， LPF2輸出端的 1個 LSB相當于在電流通道滿刻度－ 60dB計量誤差的 信號采集 信號濾波 AD7755 轉換 微處理器 LCD 顯示 鍵盤控制 4 智能化測控應用系統(tǒng)設計報告 ％。 LSB＝ 1/100% = 測量值 的 % 。 方案二如圖 所示 圖 另外 AD7755的各相擁有一個空載閥值，如果有功功率的測量值低于滿刻度的 %，則該值不會被累加，有效的避免了電表的淺動。當有功功率為正，且達到最大值時，有功功率的數值將反轉到達滿刻度的負值 0X800，并繼續(xù)增加，當有功功率為負值，且持續(xù)減小到達最小時，會自動轉為正的對大刻度 0X7FFF，并繼續(xù)降低。但是 在軟件系統(tǒng)上，方案 二 與方案一的區(qū)別重點在對于 AD7755 和 DS1302 兩塊芯片的程序的書寫，在硬件的搭建上降低了難度，但是在程序書寫上難度有所增加。 通 過對以上兩種方案的具體描述，對他們各自的優(yōu)缺點有了一定的了解。 信號采集 AD7755 轉換 微處理器 鍵盤輸入 信號濾波 LCD 顯示 時鐘芯片 5 智能化測控應用系統(tǒng)設計報告 3 單元模塊設計 本系統(tǒng)主要包括以下部分：電源模塊電路、信號采集電路、計量模塊電路、時鐘及 LCD 顯示模塊電路。 先對各模塊分別作具體介紹： 電源模塊電路 電源模塊電路從電網 220V電壓作為輸入，通過該電路后，輸出端 輸出大小為 5V 的電壓，作為單片機及其他芯片的 VCC 電源，具體的電路圖如圖 所示： T3T R A N S 11234D1B R I D G E 1 C 1 01 0 0 u fC 1 10 .0 1 u fV in1GND2V o u t3U27 8 L 0 5C 1 20 .0 1 u fR61kV C C12J3C O N 2 圖 電源模塊接線圖 圖 為電壓模塊的電路圖，該模塊以電網 220 交流電作為輸入，通過整流橋整流后，再經過濾波，最后通過一塊 78L05 穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓，得到一個穩(wěn)定的 5V電源， 78L05 的輸出電流可達到 100mA，無需外接元件，內部本身帶有熱過載保護 ， 內部短路電流限制。 然后此 5V 的電壓就可以供給 STC89C52 和時鐘 芯片 DS1302。 AD7755 集成了二 階 ΣD 模數轉換器 , 數字積分器，基準電路，溫度傳感器，以及所有進行 6 智能化測控應用系統(tǒng)設計報告 有 功，無功和視在電能計量以及有效值計量所需的信號處理元件。 時鐘及 LCD 顯示模塊 本次設計中，該電表要實現分時計費，既必須引入時鐘系統(tǒng)，該時鐘系統(tǒng)必須準確，且在電表短時間斷電之內，不會停止工作，因此，該模塊采用了一塊時鐘芯片 DS1302，該芯片為一款使用很廣泛的時鐘芯片，具體電路圖如 圖 所示： 圖 DS1302接線圖 圖 DS1302 的連線圖，其中 SCLK 與單片機 口連接 ，RST 與單片機 口連接， IO 與單片機 口連接。 同時智能電表的顯示模塊選用 LCD 顯示，下圖為 LCD1602 顯示電路： 圖 LCD1602接線圖 通過該 LCD 液晶顯示器，顯示我們需要的一些信息。 8 智能化測控應用系統(tǒng)設計報告 信號采集電路模塊 本次設計為智能電表，所以要對用戶的電壓和電流都進行采樣，再通過 AD7755 芯片來得到一個較為準確的功率值并輸入單片機中，因此電壓電流的采集電路如圖 所示： 圖 信號采集電路 圖 為電流電壓采集電路，在電流采集電路中，通過將電流互感器TA32BM 串聯(lián)到用戶電路中，以采集用戶的電流信息， TA32BM 額定輸入輸出為 5A/,通過電流互感器將大電流 轉換到 AD7755 可以接受的小電流范圍內，然后通過濾波降低信號的干擾，最終輸入芯片，在電壓采集電路中，通過將電壓互感器 TV31B02 并聯(lián)到用戶的負載上，采集用戶的電壓信息， TV31B02是一款電流型電壓互感器，額定電流是 2mA/2mA,所以要在電壓互感器的緣邊串聯(lián)一個 51K 的電阻 以 降低互感器原邊電流值到可承受的范圍，最后通過 RC電路濾波后，得到一個近似 AD7755 芯片，和前面的電流值一起，計算出用戶的 功率。因此，電壓互感器二次側嚴禁短路。如果二次側開路，二次電流的去磁作用消失，其一次電流完全變?yōu)閯畲烹娏鳎瑫痂F芯內磁通劇增，鐵芯處于高度飽和狀態(tài)，加之二次繞組的匝數很多，就會在二次繞組兩端產生很高 (甚至可達數千伏 )的電壓， 9 智能化測控應用系統(tǒng)設計報告 不但可能損壞二次繞組的絕緣，再者 ，由于磁感應強度劇增，使鐵芯損耗增大，嚴重發(fā)熱，甚至燒壞絕緣 。 AD7755 介紹 AD7755是一種高準確度電能測量集成電路，其技術指標超過了 IEC1036準確度的指標要求。這使 AD7755在惡劣的環(huán)境下然能保持極高的準確度和長期穩(wěn)定性。 內部的空載伐值特性保證 AD7755在空載時沒有潛動。兩個 ADC對來自電流和電壓傳感器的電壓信號進行數字化 ,這兩個 ADC 都是 16二階模擬轉換器。 AD7755的模擬輸入結構具有寬動態(tài)范圍，大大簡化了傳感器接口，也簡化了傳感器接口，電流通道中的 HPF 濾掉電流信號中的直流分量，從而消除了由于電壓或電流失調造成的有功功率計算上的誤差。為了等到有功功率分量，只要對瞬時功率信號 進行低通濾波就行。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小與 31天時可以自動調整，且具有閏年補償功能。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設置備用 電源充電方式，提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。 DS1302 用于數據記錄，特別是對某些具有特殊意義的數據點的記錄上，能實現數據與出現該數據的時間同時記錄，因此廣泛應用于測量系統(tǒng)中。部分主要指令說明如下： 表 LCD1602指令碼 指令碼 功能 00111000 設置 16*2顯示， 5*7點陣， 8位數據接口 00001DCB D=1 開顯示； D=0關顯示 C=1顯示光標； C=0不顯示光標 B=1光標閃爍； B=0光標不閃爍 000000NS N=1當讀或寫一個字符后地址加一，光標加一 N=0當讀或寫一個字符后地址減一，光標減一 S=1時 寫一個字符，整屏顯示左移（ N=1）或右移（ N=0），以得到屏幕移動光標不移動的效果 S=0時 寫 一個字符，整屏顯示不移動 80H+地址碼 設置地址數據指針 01H 顯示清屏：所有指針清零，所有顯示清零 02H 顯示回車：數據指針清零 LCD1602 讀寫時序圖如圖 3. 所示： 12 智能化測控應用系統(tǒng)設計報告 圖 LCD1602 寫時序圖 圖 LCD1602 讀時序圖 13 智能化測控應用系統(tǒng)設計報告 4 軟件設計 本設計中，以 STC89C52 作為微處理器，采用 C 語言進行編程，配合硬件電 路，共同構成了本次設計的核心部分 。 DS1302 控制字節(jié)的最高有效位 (位 7)必須是邏輯 1，如果它為 0，則不能把數據寫入 DS1302 中，位 6 如果為 0，則表示存取日歷時鐘數據，為 1 表示存取RAM 數據 。最低有效位 (位 0)如為 0 表示要進行寫操作，為 1 表示進行讀操作，控制字節(jié)總是從最低位開始輸出。同樣，在緊跟 8 位的控制指令字后的下一個 SCLK 脈沖的下降沿讀出 DS1302 的數據，讀出數據時從低位 0 位到高位 7。此外， DS1302 還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時鐘突發(fā) 寄存器及與 RAM 相關的寄存器等。 DS1302 與 RAM 相關的寄存器分為兩類：一類是單個 RAM單元，共 31 個，每個單元 組態(tài)為一個 8 位的字節(jié)，其命令控制字為 C0H～ FDH，其中奇數為讀操作，偶數為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的 RAM 寄存器，此方式下可一次性讀寫所有的 RAM 的 31 個字節(jié)，命令控制字為 FEH(寫 )、FFH(讀 )。 本次設計的另一個重點就是 顯示 程序， 1602 的顯示程序同樣按照其讀寫時序圖完成，不同的是， 1602 的顯示，需要在主程序的開始寫一個初始化函數用以設定 1602 的顯示方式，光標等等，在本次設計中，只涉及到 1602 的寫程序，寫數據時，同樣需要先寫入 地址，寫地址時，先將 RS,EN 置低，延遲后再將EN 拉高，賦予地址，最后將 EN 拉低，寫數據與讀不同之處在于要將 RS 拉高其余同寫地址時一樣 。 下面對涉及到的軟件作進一步的介紹。 Proteus 軟件有十多年的歷史，在全球廣泛使用，除了其具有和其它 EDA 工具一樣的原理布圖、 PCB 自動或人工布線及電路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的電路仿真是互動的，針對微處理器的應用，還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實現軟件源 代 碼的實時調試，如有顯示及輸出，還能看到運行后輸入輸出的效果，配合系統(tǒng)配置的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀等。 KEIL 8051 開發(fā)工具 Keil C51 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。 Keil C51 軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全Windows 界面。在開發(fā)大型軟件時更能體現高級語言的優(yōu)勢。其程序流程圖如圖 所示： 圖 AD轉換子程序圖 打開 AD 電源 初始化 AD 轉換 停止轉換保存 轉換是否完成 否 是 是 打開電源 程序初始化 檢測信號 傳輸給 AD 轉換端口 關閉電源 否 是 17 智能化測控應用系統(tǒng)設計報告 5 系統(tǒng)調試 隨著各種智能電表的應用與普及，這一技術在科學研究，生產過程等領域中發(fā)揮著越來越重要的作用。因此，對電路的精確調試是必不可少的一步，為保證設計的質量，我們小組對本次設計中的軟硬件進行了分塊調試。 圖 1602仿真圖 由于焊接的問題，首先需要檢測電路是否導通，連接是否通暢。 調試過程中，首先應對電流、電壓互感器的輸出端信號進行檢測，包括信號的大小（是否符合 AD7755 所需信號）、波形是否符合要求，另外則應注意檢查電流電壓互感器與 AD7755 的連接是否正確。其次，應該注意檢查連線過程中的接觸問題，開始時沒有注意，結果發(fā)生了干擾，對于這一問題，就是將各個引腳的連線接牢。 在本次設計中，硬件部分的調試比較順利，軟件部分就相對較難。在軟件的 調試過程中，出現了一些問題