基于单片机的智能电能表的设计.docx
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基于单片机的智能电能表的设计
第一章智能电能表概述
1.1智能电能表的概念
智能电能表是以微处理器或微控制器芯片（如单片机）为核心的可以存储大量的测量信息并具有对测量结果进行实时分析、综合和做出各种判断能力的仪器。
智能电能表一般具有自动测量功能，强大的数据处理能力，进行自动调零和单位换算功能，能进行简单的故障提示，具有操作面板和显示器，有简单的报警功能。
1.2智能电能表的典型结构
从结构上来说，智能电能表是一个专用的微型计算机系统，它主要由硬件和软件两部分组成。
硬件部分主要包括信号的输入通道，微控制器或微控制器及其外围电路、标准通信接口、人机交换通道，输出通道。
输入通道和输出通道用来输入输出模拟量信号和数字量信号，它们通常由传感器元件、信号调理电路、A/D转换器、D/A转换器等组成。
微控制器及其外围电路用来存储程序、数据并进行一系列的运算和处理，通常包括程序存储器、数据存储器、输入输出接口电路等组成。
人机交换通道是人与仪器相互沟通的主要渠道，它主要由键盘、数码拨盘、打印机、显示器等组成。
标准通信接口电路用于实现仪器与计算机的联系，以使仪器可以接受计算机的程控指令，目前用于智能电能表的通信接口主要有GPIB、RS-232C等。
智能电能表的软件部分主要包括监控程序和接口管理程序两部分。
其中监控程序面向仪器面板键盘和显示器，通过键盘操作输入并存储所设置的功能、操作方式与工作参数;通过控制工/0接口电路进行数据采集，对数据进行预定的设置;对数据存储器所记录的数据和状态进行各种处理;以数字、字符、图形等形式显示各种状态信息以及测量数据的处理结果。
接口管理程序主要面向通信接口，其内容是接受并分析来自通信接口总线的各种有关功能、操作方式与工作参数的程控操作码，并通过通信接口输出仪器的现行工作状态及测量数据的处理结果，以响应计算机的远控命令。
1.3智能电能表的主要特点
与传统电能表相比，智能电能表具有以下几个主要特点:
①测量精度高，可以利用微处理器执行指令的快速性和A/D转换的时间短等特点对被测量进行多次测量，然后求其平均值，就可以排除一些偶然的误差与干扰，还可以通过数字滤波，剔除粗大误差和随机误差的方法提高测量精度;
②能够进行间接测量，智能电能表可以利用内含的微处理器通过测量几种容易测量的参数，间接地求出某种难以测量的参数;
③能够自动校准，智能电能表在使用前进行自动校准，在测量过程中进行校准，从而减少误差;
④具有自动修正误差的能力;
⑤具有自诊断的能力，智能电能表若发生了故障，可以自检出来，仪器本身还能协助诊断发生故障的根源;
⑥能够实现复杂的控制功能;
⑦允许灵活地改变仪器的功能;
⑧智能电能表一般都配有GPIB或RS232等接口，使智能电能表具有可程控操作的能力。
从而可以很方便地与计算机和其他仪器组成用户需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。
第二章智能电能表的设计方法
2.1智能电能表的硬件设计方法
智能电能表中均含有微处理器或微控制器，在微处理器或微控制器的外围进行设备的扩展如程序存储器ROM、数据存储器RAM、键盘、显示器、报警装置和通信口。
作为一个完整的智能电能表还应包括输入通道和输出通道。
图2.1表述了智能电能表的硬件结构组成原理图。
智能电能表实际上是一个微型计算机系统，它是具有微处理器或微控制器的，并有标准总线接口的新型仪器。
不同功能的智能电能表由不同部件组合而成。
智能电能表的监控程序固化在程序存贮器EPROM、ROM、EEPROM等中，被测参量通过传感器将非电量变换成电量，然后经过信号处理和模数转换后变为微处理器能直接识别的数字信号。
所采集的数据或从键盘上输入的数据以及经过一定的算法运算后的数据均暂存于片内数据存储器RAM中。
智能电能表的控制部分一般分两种情况，一是微处理器接受键盘输入的命令后，不需经过数模转换器，直接由接口输出控制信息和数据信息，去控制一些执行机构。
微处理器
键盘
LCD/LED
A/D转换
信号调理
传感器
被测量参量
报警装置
ROM或EPROM或EEPROM
SRAM或DRAM或NVSRAM或FLASHMemory
D/A
驱动器
模拟执行装置
RS232（接口）
图2.1智能电能表硬件原理图
智能电能表硬件设计各功能环节如下:
2.1.1微处理器或微控制器
微处理器和微控制器在智能电能表中都是智能电能表的心脏，它们的结构、特性对智能电能表的性能影响很大。
微处理器也是一种通用器件，如果给予足够的外部支持电路和处理时间，它几乎可以完成任何任务，数据处理和控制是微处理器的两个主要用途。
根据智能电能表控制功能和测量功能的不同选用合适的单片机作为智能电能表的核心，从而提高智能电能表的整体性能。
2.1.2传感器
传感器是将外界输入的被测量信号变换成电信号的元器件或装置。
它作为信息获取的工具和手段，在测量控制型智能电能表中占据了极其重要的地位。
传感器能转换信息存在的能量形式，通常是将其他能量形式转换成电量形式，以便进一步加工处理，传感器的输出往往总是电信号。
这主要是电信号较容易地进行放大、反馈、滤波、积分、微分、存储及远距离传送等操作。
2.1.3信号调理
信号调理装置是通过电子线路来实现模拟信号处理，一般包括放大、滤波、整形、检波、信号转换等功能环节。
信号调理的目的是对传感器输出的电信号进行必要的处理以满足信号处理后继环节的需要，使其输出信号适应A/D转换等环节的工作。
信号调理可以改善信号质量，还可以补偿传感器的非线性，提高信噪比，增强信号的环境抗干扰能力等。
2.1.4A/D转换器
微处理器能处理的信号应是数字信号，因此，在智能电能表的输入通道中加入能把模拟信号转换成数字信号的芯片即A/D转换器。
但并不是所有的输入通道都要加入A/D转换器，而是只有模拟量输入通道，而且输入微处理器的信号不是频率量而是数字码时，才用到A/D转换器。
使用A/D转换器时应先根据输入通道的总误差，选择A/D转换器的精度及分辨率。
根据信号对象的变化率及转换精度要求，确定A/D转换速度，以保证智能电能表的实时性要求，对快速信号必须考虑采样/保持电路。
在选用A/D时还应考虑智能电能表所处的环境选择A/D转换器的环境参数。
不同A/D转换器有不同的输出状态，应根据计算机的接口特性选择输出状态。
2.1.5D/A转换器
微处理器输出的数字控制信号通过D/A转换，将离散时刻输出的控制信号转换成为离散模拟信号，为实现智能控制创造了必要条件。
在D/A转换接口设计中主要考虑的问题是D/A转换芯片的选择、数字量的码输入及模拟量的极性输出、参考电压电流源、模拟电量输出的调整与分配等。
选择D/A芯片时，主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。
在性能上必须满足D/A转换的技术要求:
在结构和应用特性上应满足接口方便，外围电路简单，价格低廉等要求。
2.1.6智能电能表的通信接口
智能电能表一般都设置有通信接口，以便能够实现程控、方便地构成自动测试系统。
目前国际上采用的智能电能表的标准接口有GPIB，RS232等,本设计采用RS232接口。
2.1.6.1RS-232C标准通信接口
RS-232C总线标准接口是目前最常用的串行通信总线接口，其逻辑电平是对地对称的，与TTL、MOS逻辑电平完全不同。
逻辑0电平规定为+5~+15V之间，逻辑1电平是-5V~-15v之间。
因此，RS-232C驱动器与TTL电路连接必须经过电平转换。
转换芯片有MC1488，75188（从TTL到RS-232C的电平转换）;MC1489，75189（从RS-232C到TTL的电平转换）。
还有MAXIM的MAXZOZ、MAX232等等。
在当今的信息化时代，用于其他信息装置的通信技术也同样可用于嵌入式智能电能表。
它主要有这样一些通信技术:
2.1.6.2PCI总线
PCI总线技术为CPU和板上外设之间提供方便的高速通信连接，工作频率为33MHz（rev2.1支持66MHz）。
PCI对于连接到它上面的器件是具有即插即用的高速总线。
从理论上来说，可以有多达256个PCI功能器件同时挂到一个PCI总线上。
但由于总线负载问题，同一个PCI总线上只能挂4到8个器件。
价廉的PCI芯片组和广泛应用的PCI外设可以促使PCI总线成为嵌入式领域的事实上的总线标准。
2.1.6.3USB总线
通用串行总线（USB）是一种外设总线标准。
它为所有的USB外设提供一种通用的连接，其数据率为12Mbits/S。
USB特别适合于需要高数据率和易于即插即用的应用。
需要保证带宽和有限执行时间的应用包括PC电话和其他语音及视频通信应用。
除了这些新的多媒体设备外，USB也用于传统的I/O设备。
2.1.6.4IEEE1394高速串行总线
IEEE1394是高速串行总线，其数据率为25-400Mbits/s，它是作为通用外设串行总线而设计的。
缆线型1394总线可支持63个器件。
缆线越长它所能够处理的数据率就越低。
一般长度为几米，IEEE1394和USB都是串行协议，然而USB和IEEE1394比其竞争技术由更大的技术互补性，USB属于低带宽到中带宽，而IEEE1394属于中到高带宽。
2.2智能电能表的软件设计方法
智能电能表硬件电路确定之后，仪器的主要功能由软件实现。
相应的软件有采集、采集控制、数据处理、显示、结果打印等。
智能电能表的软件设计需要有一个细致全面的过程。
一般先是清楚的列出智能电能表系统各系统部件与软件设计的有关特点，并进行定义和说明，以作为软件设计的根据。
在此基础上写出软件的功能流程图，程序流程图。
再将程序流程图的一列操作用机器码或汇编语言或高级语言译成处理器能处理的机器代码。
查错和调试是智能电能表软件设计中找出并改正逻辑错误或与硬件有关的程序错误的关键。
在所有的工作完成之后还要进行文件编制。
置A转移
···
上电复位
初始化
系统测试
正常？
提示符显示
键扫描
键按下？
散转
#01键功能程序
········
#N键功能程序
#02键功能程序
键功能程序
准备程序
命令状态查询
条件控制转移
系统控制程序
循环转移
等待转移
复位转移
图2.2智能电能表的典型结构
如图2.2所示智能电能表的软件结构按功能可分为准备程序、键功能程序和系统控制程序。
同时，为了与软件结构相配合，还必须将程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）实现规划。
2.3智能电能表的抗干扰方法
智能电能表是以微处理器为核心的微机测量控制系统，因此智能电能表在许多场合都是与计算机控制系统或DCS（集散控制系统）联系在一起的。
智能电能表在不同的应用场合所受到干扰也各不相同，当仪器在运行时所受到的干扰超过一定限度时就会严重影响智能电能表的可靠性，甚至严重影响工业生产现场，因此在设计智能电能表时要注意智能电能表的抗干扰设计。
微机测控系统的抗干扰技术在智能电能表的抗干扰技术中是同样适用的，主要分为硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术。
硬件抗干扰技术主要包括滤波技术（无源滤波和有源滤波）、去耦技术、屏蔽技术、隔离技术、接地技术等。
窜入智能电能表的干扰，其频谱往往很宽，且具有随机性，采用硬件抗干扰方法，只能抑制某个频率段的干扰，仍有一些干扰会侵入系统。
因此，除了采取硬件抗干扰方法外，还要采取软件抗干扰措施。
为确保CPU中的程序正常运行，常常采用如下抗干扰措施:
软件滤波（数字滤波技术）可以剔除模拟输入信号中的虚假信号，求取真值；除了可以使用硬件看门狗电路强制单片机从死机状态回复到正常运行外，还可以采用软件看门狗电路或软硬结合的看门狗技术。
软件看门狗技术的基本思路是:
在主程序中对T0中断服务程序进行监视;在T1中断服务程序中对主程序进行监视；T0中断监视T1中断。
第三章智能电能表的硬件设计
3.1电能表概述
电能表是一种计量某一段时间内通过的电能的累积值的表计。
电子式电能表，也称为静止式电能表，它也就是“电流和电压在固态（电子）器件中作用而产生与瓦时数成比率输出的仪表”。
这里主要介绍根据智能小区家庭型用户电能计量系统的要求设计的一种智能型多功能复费率电能表。
复费率电能表是一种根据用电的峰时、平时、谷时各时段的设定值计算用户总的用电量和峰时、平时、谷时的用电量的电能表，使供电局能实施峰时、平时、谷时各时段不同的计费标准。
用经济手段鼓励用户在低谷时段用电。
这也正好符合电力计费系统提出的分时段计费的要求。
电子式的复费率电能表一般使用单片机对电能脉冲进行分时段计算处理，同时具有有效的参数设定。
3.2电能表的总体方案设计
此多功能复费率电能表具有如下功能:
（1）通过单片机扩展的数据存储器可以存储本月、上月、上上月的各月电量，能存储各月峰时、平时、谷时各时段的用电量，并能通过液晶显示器显示各自的数值；
（2）具有欠压断电保护、欠费停电保护功能；
（3）具有在过电压、过电流和欠压断电保护后用户自己送电的功能；
本次设计中所设计的整个电能计量系统主要由电能表构成。
电能表部分应包括电流传感器、电压传感器、电能计量芯片、显示器件、按键开关时钟/日历芯片、看门狗电路、扩展数据存储器以及用于通断电控制用的小功率交流开关。
微控制器
液晶显示器
按键组
日历/时钟芯片
电力线
电力线
电力线
电力线
电能计量芯片
三态门
供电线路
电流互感器
电压互感器
晶闸管保护回路
图3.1电能表硬件整体框图
上图3.1表明了电能表的硬件设计方案。
其中，电能表部分需要电流互感器、电压互感器把照明电路中的22OV电压和大电流（10A）变换成电能计量芯片所要求的输入电压和输入电流范围之内。
电能计量芯片根据其内部的瞬时电压和瞬时电流计算瞬时功率，再输出脉冲驱动机械式计数器或者步进电机计算用电电量。
根据此方案设计的复费率电能表系统的硬件原理在以下几节详细说明。
3.3电能表的控制芯片
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机，很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，其引脚排列如图3.2所示：
3.3.1AT89C51主要特性为：
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命：
1000写/擦循环
·数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
图3.2AT89C51引脚结构图
3.3.2AT89C51各主要引脚功能：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3口管脚备选功能
P30RXD（串行输入口）
P31TXD（串行输出口）
P32/INT0（外部中断0）
P33/INT1（外部中断1）
P34T0（记时器0外部输入）
P35T1（记时器1外部输入）
P36/WR（外部数据存储器写选通）
P37/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
X1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
X2：
来自反向振荡器的输出。
3.4电能计量专用芯片
在电子式电能表中使用得比较多的电能计量专用芯片有：
CS546OA以及AD7755等等。
从性能上来比较CS546OA比AD7755增加了如下功能:
具有片内看门狗定时器与内部电源监视器；具有瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电流有效值、电压有效值、功率有效值测量及电能计量功能；提供了外部复位引脚；双向串行接口与内部寄存器阵列可以方便地与微处理器相连接；外部时钟最高频率可达20MHz；具有功率方向输出指示。
这些增加的功能更加便于与微控制器接口，并能方便地实现电压、电流、功率的测量和用电量累积等功能。
据此选择CS5460A作为电能计量芯片更能实现各种电参数的测量。
3.4.1CS5460A的性能
（1）能量数据精确度:
在1000:
1动态范围内精确度为0.1%；
（2）芯片功能:
可以测量电能，I·U，
、和
，具有电能与脉冲转换功能；
（3）通过串行EEPROM实现智能“自引导”，不需要微控制器；
（4）AC或DC系统校准；
（5）可驱动机计度器/步进马达；
（6）能量消耗小于12mw；
（7）为分流传感器提供优化的接口；
（8）具有相补偿功能；
（9）为单电源提供地参考信号；
（10）芯片上带有2.5V基准电压（最大温漂60Ppm/
）；
（11）具有简单的三线数字串行接口；
（12）具有看门狗定时器，电源监视器和电源配置功能。
3.4.2CS5460A管脚说明
CS546OA芯片有24个引脚。
它的管脚分布如图3.3所示。
各管脚功能说明如下:
图3.3CS5460A的引脚图
XOUT、XIN:
系统时钟输出引脚和系统时钟输入引脚。
这两个引脚接2.5-20MHZ的晶振CS5460A提供系统时钟，并通过片内的分频单元的分频得到相应的时钟频率。
另外也可通过XIN引脚使用外部的CMOS时钟为CS5460A提供系统时钟。
CPUCLK:
片内振荡器输出引脚。
输出的时钟频率可以驱动一个标准的CMOS负载。
SCLK:
串行时钟输入引脚。
在这个引脚上输入的时钟信号确定SDI和SDO引脚上的数据输入输出速率。
在片内与此引脚相连的是一个施密特触发器，其允许通过具有慢上升时间的信号通过。
仅在
有效时才识别时钟信号。
SDO:
串行数据输出引脚。
:
片选引脚。
MODE:
模式选择引脚。
当为逻辑高电平时，CS5460A可在一个外部串行EEPROM的帮助下执行自引导功能接收命令和设置;当为逻辑低电平时，CS546OA可与微处理器或微控制器进行数据交换。
此引脚悬空时为低电平。
:
中断输出引脚。
:
电能输出引脚。
:
电能方向指示引脚。
当电能输出为负时此引脚输出一脉冲。
SDI:
串行数据输入引脚。
VIN+、VIN-:
电压通道的差分模拟输入引脚。
VREFOUT:
参考电压输出引脚。
此引脚的电压相对于VA-为2.5V。
VREFIN:
参考电压输入引脚。
输入此引脚的电压作为调节器的参考电压。
IIN+、IIN-:
电流通道的差分模拟输入引脚。
VD+:
正数字电源。
DGND:
数字地。
VA+、VA-:
正模拟电源和负模拟电源。
PFMON:
电源故障监测引脚。
用于监控模拟电源。
:
复位引脚。
当此引脚电平为低时，CS5460A的所有内部寄存器都被设置为缺省值。
3.4.3CS5460A外围电路及供电电路设计
图3.4CS5460A外围电路、供电电路及与AT89C51的接口电路
在电路图3.4中，参考电压输入端（VREFIN）和参考电压输出端（VREFOUT）直接相连并通过0.1pF电容接地，模拟电源负引脚（VA-）也直接接地。
这使得片上模/数转换器的参考电压为O伏，并且使用变换器内部2.5V的基准电压，0.1pF的电容起作电源抗干扰的作用。
根据单相电子式电能表使用的具体情况在系统时钟输出引脚（XOUT）和系统时钟输入引脚（XIN）之间选择4.096MHz的晶振和K=1的分频系数为CS546OA提供系统时钟。
3.4.4微控制器AT89C51与CS5460A的接口
微控制器AT89C51与Intel系列的80C51微控制器的指令集和管脚兼容，微控制器内有4K字节的可擦写闪烁只读程序存储器和256字节的数据存储器。
它具有掉电模式和闲置状态两种工作方式。
其工作原理同8031微控制器。
由于CS546OA提供了SPI串行接口，减少了单片机的总线使用数，为微控制器的外围电路的扩展提供了更多的总线。
在SPI总线上传送的数据和命令字都是高位在先的方式传送。
由图3.4可知使用AT89C51的P10、P11、P12引脚分别与CS546OA的SDI、SDO、SCLK引脚交换数据。
CS546OA的片选引脚
接地，使其始终保持有效状态。
另外，使用AT89C51的外部中断12（INTO）接收CS546OA的电能输出引脚（
）输出的表示电能的脉冲信号，当AT89C51接收到一个脉冲时发生中断使存放累计电能值的存储单元的值按一个脉冲所代表的电能数增加。
AT89C51的P10、P11、P12引脚分别与CS5460A的SDI、SDO、SCLK引脚交换数据。
CS5460A的
输出的低电平信号说明CS5460A发生了一个激活的事件，单片机AT89C51接收到这个信号就发生中断向CS5460A写入正确地命令字并使CS5460A的
变为逻辑高电平。
CS5460A的复位引脚接AT89C51的P14，CS5460A的复位信号由AT89C51提供。
3.4.5电源模块
由于电能表属于不间断工作的电力计量产品，因而其电源电路是其设计的关键部分之一。
电源电路负责给各个硬件模块供电，以保证整个电能表的正常运行。
CS5460A的电源电压提供方式可以采用外接直流稳压电源供电，或通过变压器Tl变压成12V直流电压后再用分压的方式供电也可使用锂电池供电三种方式，从可靠性和实用性来说选择通过变压器降压的方式为CS5460A供电，变压器Tl变比选择220V/12V，因此在变压器的次级可得到12v的交流电压。
变压器次级接二极管的作用是为后继电路提供直流电压（即起全波整流作用）。
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