基于ADE7878的智能三相電度表的設(shè)計(jì)(任務(wù)書(shū))
武漢大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū)
學(xué)院：電氣工程學(xué)院學(xué)號(hào)：201*302540101姓名：黃鶴鳴一、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目的來(lái)源
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)題目非真實(shí)項(xiàng)目
二、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）應(yīng)完成的主要內(nèi)容
1.查閱有關(guān)智能三相電度表的文獻(xiàn)；
2.了解智能三相電度表的工作原理，并選擇構(gòu)建一種類(lèi)型的智能電表（預(yù)付費(fèi)電表、復(fù)費(fèi)率電表等）；
3．選取構(gòu)建智能電表的基本元件型號(hào)，包括電能計(jì)量芯片、單片機(jī)、顯示模塊、存儲(chǔ)芯片、時(shí)鐘芯片等；
4.掌握一種畫(huà)圖軟件用于電路圖的繪制。三、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要求及應(yīng)完成的成果形式
1.熟練地掌握智能電表的工作原理；
2.設(shè)計(jì)出一種切實(shí)可行的智能電表構(gòu)建方案；3.熟悉構(gòu)建智能電表的主要模塊；
4.熟練地掌握電路圖繪制軟件，并繪制出正確的系統(tǒng)硬件電路圖；5.設(shè)計(jì)出系統(tǒng)軟件程序流程圖。
6.歸納、總結(jié)并按要求撰寫(xiě)科研報(bào)告、論文。四、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的進(jìn)度安排
1.201*.3.1~201*.3.7，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，提交開(kāi)題報(bào)告；2.201*.3.8~201*.4.1，了解掌握智能三相電表的工作原理，確定要設(shè)計(jì)的電表類(lèi)型，并提交綜述；
3.201*.4.1~201*..4.20，掌握相關(guān)電路圖繪制工具，確定構(gòu)成電表的管個(gè)功能模塊；
4.201*.4.21~201*.6.1，構(gòu)建智能電表的硬件電路及軟件程序流程圖，擬出論文結(jié)構(gòu)；
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目智能三相電度表的設(shè)計(jì)
5.201*.6.2~201*.6.8，總結(jié)完成畢業(yè)論文、論文答辯，提交最終論文和PPT五、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
[1]高鋒．單片微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)用技術(shù)[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，201*．7980[2]趙晶．電路設(shè)計(jì)與制版Protel99高級(jí)應(yīng)用[M]．北京：人民郵電出版社，201*．11[3]胡志剛，許凱，崔永豐.電能計(jì)量芯片ADE7878在智能表中的應(yīng)用[J].ElectricalMeasurement＆Instrumentation，201*(9)：101-105
[4]張曉東，屈百達(dá).基于ADE7758的復(fù)費(fèi)率三相電能表設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，201*（1）：28-31
[5]鄒玲，楚思紅.基于計(jì)量芯片ADE7878的費(fèi)控智能表設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與運(yùn)用，201*（1）：17-20
六、其他要求（此項(xiàng)為可選項(xiàng)）
指導(dǎo)教師簽名：_______________________年月日
擴(kuò)展閱讀：基于ADE7878的智能三相電度表的設(shè)計(jì)
學(xué)號(hào)_201*302540101__
密級(jí)________________
武漢大學(xué)本科畢業(yè)論文
基于ADE7878的智能三相電度表的設(shè)計(jì)
院（系）名稱(chēng)：電氣工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)：電氣工程與自動(dòng)化學(xué)生姓名：黃鶴鳴指導(dǎo)教師：蔣云峰副教授
二○一二年六月
武漢大學(xué)本科生畢業(yè)論文
基于ADE7878的智能三相電度表的設(shè)計(jì)
College：電氣工程學(xué)院Subject：電氣工程與自動(dòng)化Name：黃鶴鳴
Director：蔣云峰Professor
二○一二年六月
BACHELOR"SDEGREETHESISOFWUHANUNIVERSITY
Thedesignofsmartthree-phaseelectricitymeterbasedonADE7878
College：ElectricalEngineeringCollegeSubject：ElectricalEngineeringandautomationName：HemingHuang
Director：YunfengJiangProfessor
June201*
鄭重申明
本人呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實(shí)可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本學(xué)位論文的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。
本人簽名：日期：
摘要
隨著電網(wǎng)的大規(guī)模的改造與建設(shè)，電力系統(tǒng)對(duì)三相智能電度表的需求不斷增長(zhǎng)，提出了高精度、多參數(shù)測(cè)量、諧波功率電能計(jì)量，實(shí)時(shí)測(cè)量等技術(shù)要求。
本文以智能三相電表為研究對(duì)象，采用電能計(jì)量芯片ADE7878和單片機(jī)AT89S52設(shè)計(jì)三相電度表，介紹了計(jì)量電路原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及硬件電路設(shè)計(jì)。針對(duì)配電網(wǎng)正常負(fù)荷情況下的精確計(jì)量，提出了分時(shí)段計(jì)量的遠(yuǎn)程通信電度表設(shè)計(jì)方案。
本文中智能三相電度表實(shí)現(xiàn)的基本思路概述為:1、通過(guò)CT與PT，實(shí)現(xiàn)七路模擬信號(hào)輸入計(jì)量芯片ADE7878；2、ADE7878通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理、電能計(jì)量、數(shù)頻轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)電量的SPI輸出和脈沖輸出；3、單片機(jī)AT89S52通過(guò)對(duì)瞬時(shí)有功功率的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了功率的精確計(jì)量；通過(guò)對(duì)時(shí)間參數(shù)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)存儲(chǔ)和分時(shí)計(jì)量。
本文包括以下三個(gè)方面的具體設(shè)計(jì)：1、實(shí)現(xiàn)三相電參量的測(cè)量，即電壓和電流信號(hào)的精確采集；2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖的設(shè)計(jì)；3、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，具體包括計(jì)量電路的設(shè)計(jì)，計(jì)量芯片ADE7878與單片機(jī)AT89S52的接口電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)以及顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、時(shí)鐘芯片和電源模塊的設(shè)計(jì)。
本次設(shè)計(jì)重點(diǎn)完成了智能三相電度表硬件部分的理論設(shè)計(jì)和軟件部分程序流程圖設(shè)計(jì)。鑒于能力和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的局限，未分別進(jìn)行各個(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì)、樣表的設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試。但提出了一種高精度的配電網(wǎng)電力負(fù)荷計(jì)量電表的設(shè)計(jì)方案，具有一定的參考性。
關(guān)鍵詞：ADE7878，AT89S52，精確計(jì)量，分時(shí)段計(jì)量
I
ABSTRACT
Withthelarge-scaleupgradingandconstructionofthepowergrid,powersystemasksforagrowingdemandofthethree-phasesmartenergymeter,andputsforwardahigh-precision,multi-parametermeasurement,harmonicpowerenergymetering,real-timemeasurementoftechnicalrequirements.
Theintelligentthree-phaseenergymeterisstudiedanddiscussedinthispaper．WithADE7878aselectricalenergymeasurementICandAT89S52ascontrolunit，theprincipiumofmeasuringcircuit,thedesignofhardwarecircuit,andcharactersofsystemstructureareintroduced．Astoachievingaccuratemeteringundernormalloadforpowersystem，thisPaperpresentsanewstrategyofthree-phaseenergymeterwiththefunctionofsub-periodmeteringandremotecommunication.Inthisarticle,thebasicideawhichsmartthree-phasewatt-hourmeteristoachieveissummarizedasfollows:1、WiththeuseofCTandPT,sevenchannelsofanalogsignalsinputthemeasurementchipADE7878；2、Withtheuseofanalog-to-digitalconversion,digitalsignalprocessing,energymeasurement,anddigital-to-frequencyconversion,themeasurementchipADE7878achieveselectricitySPIoutputandpulseoutput；3、MCUAT89S52achievesaccuratemeteringofpowerbythedetectionoftheinstantaneousactivepower,andcompliestimingstorageandinstantaneousmeasurementbythedetectionoftimeparameter.
Thisarticleincludesthefollowingthreeaspectsofthespecificdesign：1、achievingthemeasurementofthethree-phasepowerparameters,whichincludetheaccurateacquisitionofvoltageandcurrentsignals；2、thedesignofthesystemblockdiagram；3、thesystemhardwarecircuitdesign,specificallyincludingthedesignofthemeteringcircuit,theinterfacecircuitbetweenthemeasurementchipADE7878andtheMCUAT89S52,MCUperipheralcircuitdesign,andthedesignofthedisplaymodule,datastorage,theclockchipandpowersupplymodules.
Thisdesigncompletedthetheoreticaldesignofthehardwarepartofthesmartwatt-hourmeter.Giventhecapabilitiesandlimitationsoftheexperimentalenvironment,wehaven"tdonethedesignofsoftwarepart,thesamplemeterandsimulationdebugging.However,weproposedakindofdistributiongridelectricityloadmeasurementprogramforthedesignofenergy-meteringmeter,whichhashighaccuracyandsomekindofreferringvalue.
Keywords：ADE7878，AT89S52，accuratemetering，sub-periodmetering
II
目錄
第1章緒論..............................................................................................................1
1.1概述..................................................................................................................11.2智能電度表技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)..................................................................21.3本文設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)和相應(yīng)需要解決的問(wèn)題..............................................31.4電度表參數(shù)配置..............................................................................................31.5論文組織結(jié)構(gòu)..................................................................................................4
第2章電能計(jì)算的理論基礎(chǔ).............................................................................5
2.1電壓、電流有效值及諧波參數(shù)的計(jì)算..........................................................52.2功率與電能的計(jì)算..........................................................................................72.4頻率的計(jì)算......................................................................................................9
第3章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與設(shè)計(jì)要求..................................................................10
3.1結(jié)構(gòu)框圖........................................................................................................103.2電表顯示內(nèi)容及其設(shè)計(jì)要求........................................................................11
第4章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)..................................................................12
4.1計(jì)量芯片ADE7878......................................................................................12
4.1.1ADE7878引腳配置及功能描述......................................................124.1.2計(jì)量電路原理......................................................................................174.2單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)與器件選擇.................................................................18
4.2.1單片機(jī)AT89S52概述、引腳配置及功能描述................................184.2.2接口電路設(shè)計(jì)......................................................................................214.2.3AT89S52外圍電路設(shè)計(jì)...................................................................224.2.4顯示模塊HCl602................................................................................234.2.5數(shù)據(jù)存儲(chǔ)AT24C02和時(shí)鐘芯片DS1302.........................................234.2.6RS-485通信接口電路設(shè)計(jì)..............................................................244.2.7電源模塊設(shè)計(jì)......................................................................................25
第5章系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)................................................................................26第6章總結(jié)與展望..............................................................................................31參考文獻(xiàn)...................................................................................................................33致謝............................................................................................................................34
III
第1章緒論
1.1概述
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力供應(yīng)呈現(xiàn)出緊張的局面，尤其是在沿海地區(qū)，工業(yè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市尤為嚴(yán)峻對(duì)電能計(jì)量的要求也逐步升高。電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的高速更新?lián)Q代改變了當(dāng)前社會(huì)，也使電表的設(shè)計(jì)有了突破性的變化。目前，對(duì)電表的要求已經(jīng)不再是簡(jiǎn)單的數(shù)值計(jì)算，而是集合了計(jì)量、管理、自動(dòng)抄表等功能于一體的高科技新技術(shù)產(chǎn)品。大規(guī)模集成電路的運(yùn)用使電表自身壽命和準(zhǔn)確度均有極大提高。
電度表技術(shù)正向復(fù)費(fèi)率、多功能、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的電能計(jì)量芯片ADE7758、ADE7878、ADE7880等在電度表設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，提高了電能計(jì)量精度，簡(jiǎn)化了電度表設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。隨著電能計(jì)量芯片的推陳出新，復(fù)費(fèi)率電度表、防竊電電度表、配置RS-485通信及紅外通信接口的電度表以及三相多功能電度表發(fā)展迅速。電度表的計(jì)量精度、功能擴(kuò)展、抄表方式等發(fā)生了深刻變化，電能的科學(xué)管理和合理利用進(jìn)入實(shí)施和操作階段。在這種背景下，電度表的功能、性能、以及可靠性設(shè)計(jì)等都有了顯著提高與改進(jìn)，電度表技術(shù)面臨難得的發(fā)展機(jī)遇
[1]
。電力已經(jīng)成為國(guó)家的最重要能源。但是,當(dāng)前居民用電的管理過(guò)于落后,居民用電管理收費(fèi)多年來(lái)一直采用先用電、后抄表、再付費(fèi)的傳統(tǒng)作業(yè)方式，絕大多數(shù)實(shí)行“分表制”。這種用電管理模式,給居民帶來(lái)諸多不便,而且增加了管理人員的工作。為了適應(yīng)社會(huì)的需要,保證用戶(hù)安全、合理、方便地用電,對(duì)傳統(tǒng)的電表和用電的管理模式進(jìn)行改造,使之符合社會(huì)發(fā)展的需要就顯得很有必要。
長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)生產(chǎn)的交流電度表均為感應(yīng)式機(jī)械電度表,幾十年來(lái)不得不采用人工抄讀電表的原始方式。在社會(huì)走向信息化,網(wǎng)絡(luò)化,電力系統(tǒng)大踏步現(xiàn)代化的今天,手工抄表更是與無(wú)人值班等高度的自動(dòng)化形成了鮮明對(duì)比,成為制約供電系統(tǒng)現(xiàn)代化管理的一大障礙。就系統(tǒng)的完整性而言,電力系統(tǒng)從發(fā)電、輸電、配電，一直到區(qū)域變電所都已基本實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理,而唯獨(dú)用戶(hù)終端沒(méi)有和網(wǎng)絡(luò)連接上,造成了系統(tǒng)的不完整，或間接的影響了系統(tǒng)潛能的發(fā)揮。
正是由于以上背景,智能電度表應(yīng)運(yùn)而生。所謂智能電表,就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)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(jì)量計(jì)時(shí)、記費(fèi)、與上位機(jī)通訊、用電管理等功能的電度表。
第1頁(yè)
1.2智能電度表技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
隨著信息化的高速發(fā)展和智能電網(wǎng)研究的逐步展開(kāi)，配電網(wǎng)的電能計(jì)量表計(jì)也在逐漸適應(yīng)信息化的發(fā)展要求。當(dāng)前，傳統(tǒng)的感應(yīng)式電表已不能滿(mǎn)足電網(wǎng)建設(shè)的需求。鑒于電子式電度表在可靠性、準(zhǔn)確度、功能擴(kuò)展、性?xún)r(jià)比等方面顯著優(yōu)于感應(yīng)表，因此已有全面取代感應(yīng)表的趨勢(shì)。
早在本世紀(jì)初，電子式電度表就已經(jīng)取代感應(yīng)式表，成為工商業(yè)用表的主流。隨著電力系統(tǒng)在不斷擴(kuò)展智能三相多功能表的應(yīng)用領(lǐng)域，智能三相多功能表的需求呈明顯上升趨勢(shì)。功能的擴(kuò)展提升了供電部門(mén)對(duì)居民用電的現(xiàn)代化管理，為將來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模自動(dòng)抄表提供了基礎(chǔ)。其中復(fù)費(fèi)率表得到了很多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)而電力緊張的地區(qū)供電部門(mén)的青睞，復(fù)費(fèi)率表的技術(shù)因此也得以迅速提高和發(fā)展。
預(yù)付費(fèi)表技術(shù)趨于完善。一方面由于供電部門(mén)加大對(duì)欠費(fèi)用戶(hù)的管理力度，使市場(chǎng)需求升溫，另一方面由于技術(shù)改進(jìn)，特別是使用了IC卡和非接觸式卡等最新技術(shù)，使預(yù)付費(fèi)表的性能尤其是安全性和可靠性方面已逐步趨于完善。
自動(dòng)抄表技術(shù)發(fā)展頗具前景。近幾年來(lái)，隨著通信技術(shù)的不斷進(jìn)步以及電力市場(chǎng)應(yīng)用的需要，國(guó)內(nèi)自動(dòng)抄表技術(shù)水平取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。低壓電力線載波技術(shù)逐步被越來(lái)越多的電力部門(mén)所采納，短距離紅外抄表技術(shù)得到應(yīng)用和推廣。在無(wú)線抄表方式中，紅外方式用于短距離通信，而GPRS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程長(zhǎng)距離通信。隨著社會(huì)需求的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)線通信技術(shù)和遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。
防竊電要求進(jìn)一步加強(qiáng)。隨著竊電方式的更加多樣化和隱蔽化，對(duì)電度表防竊電的要求也越來(lái)越高，電子式電度表表現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。
模塊化設(shè)計(jì)成為趨勢(shì)。隨著電力市場(chǎng)改造力度加大，對(duì)電度表的技術(shù)更新速度也提出了更高的要求。電度表的硬件和軟件可以采用模塊化設(shè)計(jì)，將技術(shù)相對(duì)成熟和標(biāo)準(zhǔn)的部分進(jìn)行封裝入庫(kù)，如計(jì)量模塊、電源模塊、RS485模塊、RTC模塊、顯示模塊、繼電器控制模塊、IC卡模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等。當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)新的產(chǎn)品時(shí)，開(kāi)發(fā)人員只需要將精力集中于產(chǎn)品的新模塊、新功能的開(kāi)發(fā)，以及模塊的集成上，進(jìn)而有效縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性
[2]
。測(cè)量電路的集成化、模塊化是計(jì)量芯片的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前，各大型器件公司紛紛推出自己的計(jì)量芯片，并不斷的進(jìn)行產(chǎn)品更新?lián)Q代。比較典型的有美國(guó)ADI公司推出的ADE7878系列計(jì)量芯片，珠海炬力公司推出的ATT7026A和北京福星曉程電子公司推出的PL3223。上述三種芯片都集成了DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，支持硬件和軟件兩種校表方式，計(jì)量精度高，且外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。
其中，ADE7878是美國(guó)ADI公司推出的三相高精度多功能電能計(jì)量芯片，超越
第2頁(yè)
[3]
了工業(yè)上對(duì)電能計(jì)量0.2級(jí)表的精度和動(dòng)態(tài)的要求。ADE7878的突出的功能主要
包括：1、防竊電功能。提供電池供電模式下的電流監(jiān)測(cè)，通過(guò)檢測(cè)中性電流與三相電流代數(shù)和是否匹配，進(jìn)行防竊電檢測(cè)。2、系統(tǒng)校準(zhǔn)功能。提供有效值偏移校正，相位校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)。3、成熟的電能計(jì)量功能。三路可配置脈沖輸出CF1，CF2和CF3提供多種輸出選擇：基波有功功率和無(wú)功功率、總(基波+諧波)有功和無(wú)功功率，視在功率計(jì)量。ADE7878的DSP還能提供諧波能量的計(jì)量。
目前，雖然我國(guó)感應(yīng)式電度表仍占據(jù)相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)。但隨著電網(wǎng)的發(fā)展智能電網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的研究，三相高精度多功能表也將得到重點(diǎn)發(fā)展。該電度表目前主要用于發(fā)電廠、變電站和各大用戶(hù)，并不斷擴(kuò)大到普通三相表用戶(hù)中。智能三相電度表有多功能、高精度、多費(fèi)率、自動(dòng)抄表等優(yōu)勢(shì)，必將逐步成為電度表發(fā)展的主流
[4]
。1.3本文設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)和相應(yīng)需要解決的問(wèn)題
本文提出了基于ADE7878電能計(jì)量芯片和單片機(jī)AT89S52的具有遠(yuǎn)程通信功能的智能三相電度表的原理圖和硬件電路設(shè)計(jì)方案。該方案構(gòu)建的智能電度表在普通單顯示電表基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)了以下擴(kuò)展功能：
1、更為精確的計(jì)量功能；采用ADE7878作為電能計(jì)量芯片，且配合電壓、電流模擬信號(hào)采樣電路元件參數(shù)設(shè)計(jì)及濾波網(wǎng)絡(luò)，具有更高的計(jì)量精度。
2、電能分時(shí)段計(jì)量功能。
3、遠(yuǎn)程通信功能；通過(guò)RS-485總線進(jìn)行電量參數(shù)的遠(yuǎn)程傳送。
4、按鍵查詢(xún)功能；按鍵與顯示相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電量參數(shù)和異常事件記錄的查詢(xún)顯示以及時(shí)鐘參數(shù)初值輸入調(diào)整結(jié)果顯示。
5、主/從電源供電功能；保證掉電后，仍能通過(guò)電池為電表供電。針對(duì)以上四條擴(kuò)展功能，本文需要解決以下問(wèn)題：1、模擬信號(hào)采樣電路元件參數(shù)的計(jì)算與濾波網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)；2、分時(shí)段計(jì)量的軟件實(shí)現(xiàn)；
3、遠(yuǎn)程通信端口的設(shè)計(jì)及其與單片機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)；
4、功能按鍵的設(shè)計(jì)以及軟件部分主程序?qū)崿F(xiàn)按鍵查詢(xún)與顯示的配合；5、主/從電源切換電路的設(shè)計(jì)。
1.4電度表參數(shù)配置
電度表參數(shù)配置如表1.1和表1.2所示。
第3頁(yè)
表1.1電度表參數(shù)設(shè)計(jì)1
電度表規(guī)格脈沖常數(shù)電流電壓變換電阻/Ω150（250）A201*.3CT規(guī)格150/5A電流傳感器5A/500mAPT規(guī)格500/5V表1.2電度表參數(shù)設(shè)計(jì)2
Imax250A
Vn500VIfullscale353.6AVfullscale0.83KV電度表配置量程為150A(250A)。有功、無(wú)功脈沖常數(shù)設(shè)計(jì)分別為200impulses／kWh和200impulses／Kvar；匹配電阻為電流傳感器二次端的串聯(lián)分流電阻，其作用是把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；Vn、Imax對(duì)應(yīng)額定電壓值和負(fù)荷最大額定電流值，Ifullscale、Vfullscale為ADE7878滿(mǎn)刻度輸入時(shí)對(duì)應(yīng)的負(fù)荷電流、電壓值。根據(jù)電度表參數(shù)設(shè)置和ADE7878計(jì)量芯片特點(diǎn)，計(jì)算公式如下：
Ifullscale0.5V300/(0.32)353.6A(1.1)
式中O．5V為ADE7878電流通道滿(mǎn)刻度輸入信號(hào)，300為兩級(jí)電流傳感器變比，0.3Ω為電流傳感器二次端分流電阻大小，電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考計(jì)量原理圖4.3。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T15283--94和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC5211988，電度表標(biāo)有兩個(gè)電流值，如150(250)A。這里150A為基本電流(basiccurrent)，符號(hào)Ib，是確定儀表有關(guān)特性的電流值，也稱(chēng)此電流值為標(biāo)定電流。括號(hào)內(nèi)所標(biāo)250A為額定最大電流(ratedmaximumcurrent)，符號(hào)Imax，為滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的準(zhǔn)確度的最大電流值。設(shè)計(jì)時(shí)在外加額定電壓Vn=500V時(shí)，ADE7878電壓通道信號(hào)輸入為0.3V。在負(fù)荷電流Imax=250A時(shí)，ADE7878電流通道信號(hào)輸入為0.3V。
1.5論文組織結(jié)構(gòu)
本設(shè)計(jì)分為6個(gè)章節(jié)進(jìn)行論述。第1章闡述了電度表技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，提出設(shè)計(jì)方案的特色以及本文擬解決的問(wèn)題，并說(shuō)明了電度表參數(shù)配置；第2章介紹了電能計(jì)算的理論基礎(chǔ)；第3章介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，提出電表顯示內(nèi)容的設(shè)計(jì)方案；第4章分析了硬件電路結(jié)構(gòu)，闡述了以ADE7878為核心的計(jì)量電路設(shè)計(jì)和以單片機(jī)AT89S52為核心的外圍電路設(shè)計(jì)，并展示了通過(guò)Protel99軟件繪制的六個(gè)部分電路圖；第5章進(jìn)行系統(tǒng)軟件部分主程序流程圖的設(shè)計(jì)；第6章進(jìn)行論文總結(jié)工作，闡述了本次設(shè)計(jì)工作中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，并對(duì)個(gè)人設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)和不足進(jìn)行了分析，最后對(duì)智能電表的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
第4頁(yè)
第2章電能計(jì)算的理論基礎(chǔ)
電能表不僅要能精確的計(jì)量用戶(hù)有功電能的消耗，還應(yīng)能夠記錄顯示電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量的參數(shù)，這些參數(shù)包括有功功率、無(wú)功功率、總功率、有功電能、無(wú)功電能、視在電能、電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)、工作頻率等
[5]
。對(duì)于理想的三相交流電，A、B、C三相電壓信號(hào)可以表示為下列函數(shù)：
UA2Ucos(t)(2.1)UB2Ucos(t120)(2.2)
UC2Ucos(t+120)(2.3)
2.1電壓、電流有效值及諧波參數(shù)的計(jì)算
信號(hào)的有效值也叫均方根值（RMS），是表示信號(hào)發(fā)送功率的能力，不管什么樣的波形，具有相同均方根值的信號(hào)發(fā)送到阻性負(fù)載上的功率是相同的。在三相電路中，電壓、電流的測(cè)量一般均為有效值的測(cè)量。根據(jù)電壓有效值、電流有效值的定義：
URMS1T2u(t)dt(2.4)0TIRMS1TT0i2(t)dt(2.5)
由于A/D轉(zhuǎn)換器是對(duì)電信號(hào)離散采樣的，假設(shè)對(duì)電壓u(t)、i(t)分別進(jìn)行N次采樣，u(k)、i(k)相應(yīng)為第k個(gè)采樣點(diǎn)，總采樣點(diǎn)數(shù)為N，則
URMS1N1Nuk1nn2(k)(2.6)
IRMS2i(k)(2.7)k1在三相電路中，A、B、C相的電壓有效值分別為：
UARMS1Nuk1nn2A(k)(2.8)
UBRMS1Nuk12B(k)(2.9)
第5頁(yè)
UCRMS1Nuk1nn2C(k)(2.10)
A、B、C相的電流有效值分別為：
IARMS1N1N1Nik1n2A(k)(2.11)
IBRMSik1n2B(k)(2.12)
ICRMSik12C(k)(2.13)
在進(jìn)行諧波分析時(shí)，常用一些特征量來(lái)表示畸變波形偏離正弦波形的程度，最常用的特征量有諧波含量、電壓總畸變率、電流總畸變率和n次諧波的含有率等。
諧波電壓含量UH可表示為：
UHUn=22n(2.14)
諧波電流含量IH可表示為：
IHIn=22n(2.15)
諧波總畸變率用THD表示，等于諧波含量與基波分量比值的百分?jǐn)?shù)。電壓總畸變率為：
THDUUH100%(2.16)U1電流總畸變率為：
THDIIH100%(2.17)I1諧波含有率記為HR，通常以某次諧波的有效值與基波有效值的比值來(lái)表示。第n次諧波電壓含有率為：
HRUn=Un100%（2.18）U1第n次諧波電流含有率為：
HRInIn100%（2.19）I1含有諧波時(shí)，電力系統(tǒng)的平均功率為：
第6頁(yè)
P=1Tu(t)i(t)dtUnIncosn（2.20）0Tn其中，n為n次諧波電流落后于n次諧波電壓的相位角。含有諧波時(shí)的視在功率可以表示為：
SUI2nn1n1NM2n（2.21）
含有諧波時(shí)，功率因數(shù)可已表示成：
cosAPP(2.22)
22S(AP)(AQ)其中，AP和AQ分別代表電度表上顯示的有功電能和無(wú)功電能。
2.2功率與電能的計(jì)算
功率是電流做功的速率，通常用字母P表示。在交流電路中
1Puidt(2.23)
0由于儲(chǔ)能元件的存在，交流電路的功率分為有功功率、無(wú)功功率和視在功率。
1、有功功率的計(jì)算
有功功率又叫平均功率，即瞬時(shí)功率在一個(gè)周期內(nèi)的平均值。它是指電路中耗能元件所消耗的功率。在正弦交流電路中，設(shè)瞬間電壓為u(t)，瞬間電流為i(t)，則瞬間功率P(t)=u(t)×i(t)
P(t)是個(gè)隨時(shí)間變化的函數(shù)，它在某個(gè)周期內(nèi)的平均值應(yīng)等于該函數(shù)對(duì)時(shí)間積分后，除以時(shí)問(wèn)間隔，所以平均功率應(yīng)為：
1TP(t)u(t)i(t)dt(2.24)
0T當(dāng)用計(jì)算機(jī)處理時(shí)，需要將連續(xù)量離散化，用和式代替積分。若以△t的時(shí)間間隔對(duì)電壓和電流進(jìn)行采樣，用N表示每周期采樣的次數(shù)（即T＝N×△t），則有功功率可以表示為：
1P有Nu(k)i(k)(2.25)
k1n式中，u(k)、i(k)分別代表電壓、電流的第k次采樣值，N為采樣總點(diǎn)數(shù)，芯片就可按公式2.25計(jì)算出有功功率�！鱰取得越小，離散采樣的波形就越接近實(shí)際值，則計(jì)算結(jié)果越精確。
第7頁(yè)
在三相交流電中，A、B、C三相的有功功率分別為：
1PAN1PBNuk1nnA(k)iA(k)(2.26)
uk1B(k)iB(k)(2.27)
1PCNuk1nC(k)iC(k)(2.28)
在三相電路中，總功率等于每相功率之和。所以，三相電路的總功率可表示為：
1n1n1nPuB(k)iB(k)uC(k)iC(k)uA(k)iA(k)NAPBPC總PNk1Nk1k1
(2.29)
2、視在功率的計(jì)算
在具有復(fù)阻抗的交流電路中，電壓有效值與電流有效值的乘積值稱(chēng)為視在功率，它反映的是額定功率的大小，即
SURMSIRMS(2.30)
通常，為了電路設(shè)計(jì)的方便性，芯片內(nèi)部使用公式2.30的方法實(shí)現(xiàn)視在功率的計(jì)算。即先計(jì)算出電壓有效值和電流有效值，然后相乘得到視在功率。三相交流電的總視在功率為各相視在功率之和：
S總SASBSCUARMSIARMSUBRMSIBRMSUBRMSIBRMS(2.31)
3、無(wú)功功率的計(jì)算
無(wú)功功率是視在功率中不消耗電能的部分，它的產(chǎn)生與儲(chǔ)能元件有關(guān)。在實(shí)際的電路中，一般采用先計(jì)算有功功率、視在功率，然后通過(guò)三者的關(guān)系式來(lái)計(jì)算無(wú)功功率。視在功率、無(wú)功功率、有功功率滿(mǎn)足下面的關(guān)系：
22S2P有+P無(wú)(2.32)
所以，無(wú)功功率的計(jì)算方法如下：
2P無(wú)=S2P有(2.33)
4、功率因數(shù)的計(jì)算
在交流電路中，電壓與電流之間的相位差()的余弦叫做功率因數(shù)，用符號(hào)cos表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即
cosP有/S(2.34)
由上式可以看出，功率因數(shù)的最高值為1。功率因數(shù)的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)，具有電感或電容性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1。功率因數(shù)是電力系統(tǒng)
第8頁(yè)
的一個(gè)重要的技術(shù)數(shù)據(jù)，也是衡量電氣設(shè)備效率的一個(gè)系數(shù)。功率因數(shù)低，說(shuō)明電路用于交變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的無(wú)功功率大，從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損失。
5、電能是消耗的能量的累積，是時(shí)變函數(shù)功率對(duì)時(shí)間的累積，到時(shí)刻T時(shí)的電能為：
TWPdt(2.35)
0將公式2-16帶入上式得：
W有功u(k)i(k)t(2.36)
k1N所以三相電流所消耗的總有功電能為：
W總有功uA(k)iA(k)tuB(k)iB(k)tuC(k)iC(k)t(2.37)
k1k1k1NNN三相總視在電能為：
W總視功=S總tUARMSIARMSUBRMSIBRMSUCRMSICRMS(2.38)
三相總無(wú)功電能為：
W總無(wú)功=W總視功W總有功(2.39)
2.4頻率的計(jì)算
頻率的測(cè)量一般采用過(guò)零檢測(cè)法，設(shè)電壓信號(hào)每個(gè)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻ti，由此可得到周期T滿(mǎn)足：
1NTtiti1(2.40)
Ni1由周期與頻率之間的關(guān)系ffN1得到頻率的計(jì)算公式：Tti1N(2.41)
iti1
第9頁(yè)
第3章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與設(shè)計(jì)要求
3.1結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖是系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它包含了系統(tǒng)的硬件選擇及軟件開(kāi)發(fā)，是在對(duì)系統(tǒng)功能、技術(shù)指標(biāo)、性?xún)r(jià)比、元器件的可購(gòu)性等因素進(jìn)行可行性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)多個(gè)方案比較權(quán)衡后確定。
本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖參考圖3.1所示。電力線NCBA
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由以下幾個(gè)模塊組成：計(jì)量模塊、主控模塊、RS-485通信模塊、顯示模塊、存儲(chǔ)模塊、看門(mén)狗復(fù)位模塊、時(shí)鐘模塊、主/從電源供電模塊等。
采用ADE7878計(jì)量芯片和AT89S52設(shè)計(jì)三相電度表，單片機(jī)的TO、T1、T2端子對(duì)ADE7878的CF1、CF2、CF3端子發(fā)出的脈沖計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功等電量參數(shù)的計(jì)量。單片機(jī)通過(guò)12C總線并采用AT24C02芯片進(jìn)行電量參數(shù)的定時(shí)存儲(chǔ)，通過(guò)按鍵進(jìn)行電量參數(shù)的查詢(xún)，通過(guò)液晶HCl602進(jìn)行電量參數(shù)的顯示，通過(guò)RS-485總線進(jìn)行電量參數(shù)的遠(yuǎn)程傳送。DSl302為實(shí)時(shí)計(jì)量和定時(shí)存儲(chǔ)提供時(shí)間參數(shù)，通過(guò)三
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電壓信號(hào)變換(PT)電壓通道SPISCIRS-485接口計(jì)CF1CF2CF3IRQ單信號(hào)衰減采樣量芯片片機(jī)液晶顯示HC1602INT0ADE7878電流通道AT89S52按鍵掃描及復(fù)位電流信號(hào)變換(CT)I2C數(shù)據(jù)存儲(chǔ)AT24C02復(fù)位看門(mén)狗MAX813LSPI實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302后備電源LIR2032圖3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)
個(gè)功能鍵實(shí)現(xiàn)DSl302芯片時(shí)鐘的初值輸入調(diào)整。后備電源LIR2032為可充電的3．6V鋰電池。單片機(jī)復(fù)位采用MAX813L芯片。
單片機(jī)的SPI接口復(fù)用，所以AT89S52要對(duì)ADE7878和DS1302進(jìn)行片選。
3.2電表顯示內(nèi)容及其設(shè)計(jì)要求
課題內(nèi)容圍繞三相電度表多個(gè)電量參數(shù)的計(jì)量、存儲(chǔ)、顯示、按鍵查詢(xún)展開(kāi)。顯示分兩行顯示，每行16個(gè)字符。在參數(shù)顯示的同時(shí)進(jìn)行代碼的顯示。若系統(tǒng)無(wú)中斷發(fā)生,液晶顯示當(dāng)前總的有功電量和無(wú)功電量，有功電量和無(wú)功電量代碼已為E0、R0，數(shù)據(jù)顯示格式如下：
EO：00000000.1
RO：00000000.1
由8個(gè)整數(shù)位和1個(gè)小數(shù)位組成，顯示范圍O-99999999．9。
系統(tǒng)配置三個(gè)功能按鍵，記為K1、K2、K3．功能描述參考表3.l所示.
表3.1按鍵的功能描述
按鍵類(lèi)型K1顯示界面示例E1:00000000.0R1:00000000.0K2E2:00000000.0R2:00000000.0K3P:00000000.0V:00000000.0K1、K2組合K1、K3組合1206/01/00:00:00H1:00021206/01/00:00:00K2、K3組合E0:00000000.1R0:00000000.1退出時(shí)鐘初值調(diào)整并返回主顯示進(jìn)入時(shí)鐘初值調(diào)整，光標(biāo)指示調(diào)整對(duì)象異常事件記錄查詢(xún)顯示瞬時(shí)有功功率P、無(wú)功功率V顯示時(shí)段2內(nèi)計(jì)量的有功、無(wú)功電量功能描述顯示時(shí)段1內(nèi)計(jì)量的有功、無(wú)功電量
電能計(jì)量結(jié)果通過(guò)三個(gè)功能按鍵進(jìn)行查詢(xún)顯示，具體設(shè)計(jì)要求如下。①通過(guò)按鏈查詢(xún)實(shí)現(xiàn)總的有功、無(wú)功等電能的計(jì)量與顯示。②通過(guò)對(duì)時(shí)間參數(shù)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)電量參數(shù)的定時(shí)存儲(chǔ)。③通過(guò)按鍵進(jìn)行時(shí)鐘初值輸入調(diào)整。
④實(shí)現(xiàn)異常事件的中斷記錄，其中異常事件包括斷相、過(guò)流、過(guò)壓等三種情況。⑤可采集瞬時(shí)分相電壓、電流、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示
第11頁(yè)
[6]
。
第4章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本章節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、功能模塊劃分和元器件選型。圍繞ADE7878外圍電路設(shè)計(jì)，闡述了電能計(jì)量原理，并進(jìn)行了有關(guān)電路參數(shù)的計(jì)算；圍繞AT89S52外圍電路設(shè)計(jì)，闡述了各功能模塊與單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)；最后介紹了電源模塊設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)。
4.1計(jì)量芯片ADE7878
ADE7878是美國(guó)ADI公司推出的三相高精度多功能電能計(jì)量芯片，超越了工業(yè)上對(duì)電能計(jì)量0.2級(jí)表的精度和動(dòng)態(tài)的要求。ADE7878的電壓和電流通道為24bitΣ-△型ADC，電壓和電流有效值在動(dòng)態(tài)范圍為1000：1的動(dòng)態(tài)下小于0.1%，電能在動(dòng)態(tài)1000：1下小于0.1%，在動(dòng)態(tài)3000：1下小于0.2%。ADE7878提供I2C，SPI，HSDC多種數(shù)據(jù)接口和3個(gè)靈活的脈沖輸出，ADE7878可以同時(shí)提供基波有功和無(wú)功功率，總（基波+諧波）有功和無(wú)功功率，視在電能計(jì)量，基波有功和無(wú)功電能計(jì)量和均方根值（RMS）計(jì)算
[7]
。ADE7878適合測(cè)量各種三相配置下有功，無(wú)功和視在電能，如三相三線（角接）、三相四線（星形）以及其他的計(jì)量方式，同時(shí)也支持電流互感器（CT）和微分線圈電流傳感器，支持所有通道的波形數(shù)據(jù)輸出。該ADE7878支持多種校表方式，每一相階段，也就是有效值偏移校正，相位校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)。該CF1，CF2和CF3邏輯輸出提供了多種可供選擇：總/基波有功/無(wú)功功率，總視在功率，或總當(dāng)前有效值。ADE7878包含一個(gè)內(nèi)部的信號(hào)處理器（DSP）用來(lái)計(jì)算所有功率和有效值。
4.1.1ADE7878引腳配置及功能描述1、計(jì)量芯片ADE7878引腳配置如圖4.1所示：
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圖4.1ADE7878引腳配置
表4.1ADE7878引腳功能表
引腳234567,89,1213,1415,1617標(biāo)號(hào)PM0PM1RESETDVDDDGNDIAP,IANIBP,IBNICP,ICNINP,INNREFINOUT描述空腳運(yùn)行模式控制腳0，此引腳配合PM1控制ADE7878的運(yùn)行模式運(yùn)行模式控制腳0，此引腳配合PM1控制ADE7878的運(yùn)行模式復(fù)位輸入腳，低電平有效該引腳連接到對(duì)片內(nèi)數(shù)字部分供電的LDO2.5V輸出，此引腳對(duì)地接一個(gè)10uF和100nF的電容ADE7878的數(shù)字參考地電流通道的模擬輸入。該通道與電流轉(zhuǎn)換器一起使用，在本文中稱(chēng)之為電流通道。這些輸入引腳是全差分電壓輸入，最大差分輸入信號(hào)為±0.5V，帶兩個(gè)PGA：一個(gè)用于IA,IB,IC，一個(gè)用于IN通道。該引腳提供對(duì)片上基準(zhǔn)電壓的訪問(wèn)，片上基準(zhǔn)電壓額定標(biāo)稱(chēng)值為1.2V±0.075%,典型溫度系數(shù)第13頁(yè)
1,10,11,20,21,30,31,40NC
為10ppm/℃。外部參考源1.2V±0.8%也可以與該腳相連。如論是否連接外部電壓端，該引腳都應(yīng)該用一個(gè)10uF的瓷片電容跟AGND端連接去耦。18,1922,23VN,VCPVBP,VAP電壓通道的模擬輸入。這些通道與電壓轉(zhuǎn)換器一起使用，在本文中稱(chēng)之為電壓通道。這些輸入是單端電壓輸入，標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行時(shí)最大信號(hào)電壓為±0.5V（相對(duì)于VN端）這些通道內(nèi)部也有三個(gè)同步調(diào)整的PGA該引腳連接到對(duì)片內(nèi)模擬部分供電的LDO2.5V輸出，此引腳對(duì)地接一個(gè)10uF和100nF的陶瓷電容該引腳提供ADE7878中模擬電路部分的接地參考點(diǎn)，即數(shù)模轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、基準(zhǔn)電壓源、電壓電流傳感器、抗混疊濾波器。該引腳為ADE7878提供電源，在PSM0（正常運(yùn)行模式）電源電壓應(yīng)保持在3.3V±10%的工作電壓。在PSM1（降低功耗模式），PSM2（低功耗模式）和PSM3（睡眠模式），ADE7878的供電可以來(lái)自電池，電源電壓應(yīng)保持2.4V和3.7V，此引腳應(yīng)該對(duì)DGND接10uF的電容和100nF的陶瓷電容。ADE7878時(shí)鐘輸入端可按照上述方式在該引腳上連接一個(gè)晶體，為ADE7878提供一個(gè)時(shí)鐘源，當(dāng)CLKIN提供有外部時(shí)鐘或者連接了一個(gè)晶體時(shí)，該引腳能驅(qū)動(dòng)一個(gè)CMOS負(fù)載。ADE7878中斷輸出口，低電平有效校準(zhǔn)脈沖輸出口SPI/I2C的時(shí)鐘輸入端口SPI的數(shù)據(jù)輸出口/I高速SPORT接口的數(shù)據(jù)端口SPI的數(shù)據(jù)輸入口/I2C接口的數(shù)據(jù)端口。SPI/高速SPORT接口使能端24AVDD25AGND26VDD2728CLKINCLKOUT29,3233,34,3536373839IRQ0,IRQ1CF1，CF2，CF3/HSCLKSCLK/SCLMISO/HSDMOSI/SDASS/HAS
2、ADE7878計(jì)量芯片的功能描述：
ADE7878是一種高精確度的，支持EN50470-1，EN50470-3的標(biāo)準(zhǔn)，兼容三相三線，三相四線以及其他接線的多功能測(cè)量IC，帶有二路獨(dú)立的中斷申請(qǐng)輸出口，三路獨(dú)立的脈沖輸出口，更多的通訊接口（I2C，SPI，HSDC）。ADE7878集成了數(shù)字積分、參考基準(zhǔn)電壓源、溫度敏感元件等，內(nèi)置成熟的專(zhuān)用電能計(jì)量功能數(shù)字信號(hào)處理器，有可用于電流/電壓有效值測(cè)量，基波有功功率和無(wú)功功率、總(基波+諧波)有功和無(wú)功功率，視在功率計(jì)量，同時(shí)提供有功和無(wú)功(基波+諧波)
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總能量，和基波有功和無(wú)功能量，諧波能量可通過(guò)簡(jiǎn)單減法運(yùn)算獲得。提供電池供電模式下的電流監(jiān)測(cè)，通過(guò)檢測(cè)中性電流與三相電流代數(shù)和是否匹配，進(jìn)行防竊電檢測(cè)。ADE7878大部分內(nèi)部電路工作在2.5V電源上(芯片內(nèi)置的LDO)，寬電源輸入范圍2.4-3.7V供電。
ADE7878有七路模擬量輸入，分成電流和電壓兩個(gè)通道。電流通道由四對(duì)差分電壓輸入，分別是IAP，IAN；IBP，IBN；ICP，ICN，INP，INN。INP，INN可提供零線電流的有效值及瞬時(shí)值測(cè)量
[8]
。這四個(gè)電流通道最大的信號(hào)電壓變化范圍
為±0.5V。電流通道有一個(gè)可編程增益放大器（PGA1），放大器增益為1，2，4，8或16。除了PGA功能外，用于A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，通道1還具有輸入信號(hào)滿(mǎn)刻度選擇的功能。
電壓通道具有三路單端電壓輸入通道，分別為VAP，VBP和VCP。這些單電壓輸入端的最大輸入電壓變化范圍為±0.5V。相對(duì)于VN來(lái)說(shuō)，電壓通道有一個(gè)可編程放大器PGA3，放大器增益為1，2，4，8或16。由用戶(hù)編程來(lái)決定，所有的輸入通道的增益相同。
ADE7878提供系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，每一相階段，也就是有效值偏移校正，相位校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)，提供了三路可配置脈沖輸出CF1，CF2和CF3，他們的邏輯輸出提供了多種可供選擇：總/基波有功/無(wú)功功率，總視在功率，或總的當(dāng)前有效值，在IRQ0中有三個(gè)獨(dú)立的中斷標(biāo)志位對(duì)應(yīng)3路脈沖，當(dāng)CF脈沖發(fā)生時(shí)，能量寄存器中的內(nèi)容可以被鎖存，從而確保多個(gè)相關(guān)的能量寄存器的內(nèi)容和CF發(fā)生時(shí)刻同步。ADE7878提供四種不同的電源模式，引腳PM0和PM1可以控制ADE7878進(jìn)入不同的功耗模式，如下表4.2所示：
表4.2ADE7878的功耗模式
電源模式PSM0-正常模式PSM1-省電模式PSM2-低功耗模式PSM3-睡眠模式PM1001PM0100電流消耗17mAmax3mAmax200uAmax1uAmax備注復(fù)位RESET引腳只有在PSM0模式下有效測(cè)量三相電流絕對(duì)值的平均值提供三相電流采樣值和設(shè)定門(mén)限值進(jìn)行比較，可以在掉電模式下進(jìn)行電流檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)防竊電電路休眠，配置寄存器保持不變。11ADE7878提供了防竊電功能，可以在全失壓情況下提供電流信息，其零線可以提供瞬時(shí)值和有效值電流檢測(cè)，可計(jì)算各相電流瞬時(shí)值總和并與零線電流比較
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是否匹配。所有角度測(cè)量使用電壓和電流從負(fù)到正時(shí)的過(guò)零點(diǎn)，同時(shí)提供3個(gè)角度寄存器，可通過(guò)不同配置方式以獲取各種角度測(cè)量信息。
ADE7878提供三種串行通訊口:復(fù)位后默認(rèn)為I2C接口，其最高的通訊速度為400KHz,讀操作最大64位數(shù)據(jù)被傳送速率=64/400KHz=160us.在上電或硬件復(fù)位后,通過(guò)SS引腳上連續(xù)拉高置地三次,ADE7878進(jìn)入SPI通訊模式，其最高的通訊速度為2.5MHz.主模式HSDC接口的最高的通訊速度為8MHz,可以采集電壓、電流瞬時(shí)值以用于諧波分析計(jì)算,HSDC模式可以配置成只傳送三相電流＋零線電流＋三相電壓模式，也可以配置成只傳送九相功率瞬時(shí)值,在8MHz的時(shí)鐘下最快通訊耗時(shí)=16*32/8MHz=64us.
3、ADE7878電能計(jì)量芯片的內(nèi)部功能塊如圖4.2所示：
圖4.2ADE7878內(nèi)部功能塊圖
結(jié)合上述內(nèi)部功能圖，電能計(jì)量芯片ADE7878的電能計(jì)量原理簡(jiǎn)述為：通過(guò)電流互感器實(shí)現(xiàn)電流采樣，通過(guò)電壓互感器和分壓電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電壓采樣后，采樣信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大PGA1、PGA2、PGA3和模數(shù)變換ADC轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。之后，電流信號(hào)經(jīng)電流通道內(nèi)的高通濾波器HPF濾除DC分量并且數(shù)字積分后，與經(jīng)相位校正的電壓信號(hào)相乘，產(chǎn)生瞬時(shí)功率。瞬時(shí)功率信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波LPF后分離出平均功率，平均功率在能量累加器中不斷累加，再經(jīng)過(guò)數(shù)頻轉(zhuǎn)換DFC后轉(zhuǎn)換為脈沖輸出
[10]
。AT89S52通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)能量的計(jì)算。
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4.1.2計(jì)量電路原理
計(jì)量電路采用ADE7878專(zhuān)用電能計(jì)量芯片，由信號(hào)衰減網(wǎng)絡(luò)和濾波網(wǎng)絡(luò)兩部分組成
[9]
。衰減網(wǎng)絡(luò)用來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷電流、電壓信號(hào)的衰減，由電流傳感器、電壓
互感器組成；濾波網(wǎng)絡(luò)用來(lái)實(shí)現(xiàn)抗混疊濾波，由電阻、電容元器件組成。頻率混疊是A/D信號(hào)采樣處理中的特有現(xiàn)象，混疊會(huì)產(chǎn)生假頻率假信號(hào)，影響測(cè)量結(jié)果。在進(jìn)行電流、電壓信號(hào)衰減后，要進(jìn)行抗混疊濾波設(shè)計(jì)。
計(jì)量電路原理參考圖4.3所示。電流回路由兩級(jí)電流傳感器進(jìn)行信號(hào)取樣，電壓回路由電壓互感器進(jìn)行信號(hào)取樣。計(jì)量芯片ADE7878內(nèi)部對(duì)取樣信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出瞬時(shí)有功、無(wú)功功率，再通過(guò)瞬時(shí)功率的直流分量獲得平均功率。平均功率在電量累加寄存器中進(jìn)行累加得到分相電量；分相電量可以通過(guò)SPI端口讀出，也可以轉(zhuǎn)換為計(jì)量脈沖輸出。ADE7878有三路脈沖輸出，對(duì)應(yīng)端子為CF1，CF2，CF3。脈沖輸出頻率與能量寄存器中累加的能量成正比，通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)電量參數(shù)的累加。
圖4.3ADE7878構(gòu)建的計(jì)量電路
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參考圖4.3所示，ADE7878的IAP/IAN,IBP/IBN,ICP/ICN,INP/INN對(duì)應(yīng)A、B、C三相電流和零線電流四對(duì)差分電壓輸入，這四個(gè)電流通道最大的信號(hào)電壓變化范圍為±0.5V。VAP,VBP,VCP對(duì)應(yīng)三路單端電壓輸入通道，這些單電壓輸入端的最大輸入電壓變化范圍為±0.5V。電流、電壓通道各端子的抗混疊濾波網(wǎng)絡(luò)由lkΩ的電阻和33nF的電容組成。
電流傳感器在工作時(shí)二次端不允許斷路，在設(shè)計(jì)時(shí)采用R1與R2作為二次端計(jì)量回路的電流電壓轉(zhuǎn)換電阻，R1、R2阻值大小均為0.3Ω。電壓電流轉(zhuǎn)換電阻的選取要考慮阻值大小和額定功率兩個(gè)因素，阻值選取與負(fù)荷額定最大電流Imax、傳感器變比CTRN有關(guān)。設(shè)計(jì)額定最大電流輸入時(shí)ADE7878電流通道為Vf=0.5V。根據(jù)電度表參數(shù)配置,Imax=250A，CTRN=300。轉(zhuǎn)換電阻的計(jì)算如下：
R1R2VfCTRN/(2Imax)=0.5V300/(2250A)0.3(4.1)
最大額定電流輸入時(shí)，電壓電流轉(zhuǎn)換電阻R1與R2消耗功率P計(jì)算為：
P(Imax/CTRN)2(R1R2)(250A/300)20.60.42w(4.2)
實(shí)現(xiàn)了在外加額定電壓Vn=500V時(shí)，ADE7878電壓通道信號(hào)輸入為0.3V。在負(fù)荷電流Imax=250A時(shí)，ADE7878電流通道信號(hào)輸入為0.3V。這樣既滿(mǎn)足了高精度的要求，電流、電壓通道的電壓輸入又在ADE7878允許的范圍±0.5V之內(nèi)。
4.2單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)與器件選擇
4.2.1單片機(jī)AT89S52概述、引腳配置及功能描述
AT89S52是一款單片封裝的微控制器，具有8k的程序存儲(chǔ)和256字節(jié)RAM，可以滿(mǎn)足中小規(guī)模軟件編程需要。
AT89S52主要功能列舉如下：1、擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash；2、晶片內(nèi)部具有時(shí)鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至12MHz）；3、內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ROM）為8KB；4、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）為256字節(jié)；5、32個(gè)可編程I/O口線；6、八個(gè)中斷向量源；7、三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；8、三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器；9、全雙工UART串行通道
[11]
。第18頁(yè)
圖4.4AT89S52引腳配置圖
AT89S52各引腳功能如下：
VCC：AT89S52電源正端輸入，接+5V。VSS：電源地端。
XTAL1：?jiǎn)涡酒到y(tǒng)時(shí)鐘的反相放大器輸入端。
XTAL2：系統(tǒng)時(shí)鐘的反相放大器輸出端，一般在設(shè)計(jì)上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)就可以動(dòng)作了，此外可以在兩引腳與地之間加入一個(gè)20PF的小電容，可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定，避免噪聲干擾而死機(jī)。
RESET：AT89S52的重置引腳，高電平動(dòng)作。
EA/Vpp："EA"為英文"ExternalAccess"的縮寫(xiě)，表示存取外部程序代碼之意，低電平動(dòng)作，也就是說(shuō)當(dāng)此引腳接低電平后，系統(tǒng)會(huì)取用外部的程序代碼（存于外部EPROM中）來(lái)執(zhí)行程序。因此在8031及8032中，EA引腳必須接低電平，因?yàn)槠鋬?nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器空間。如果是使用8751內(nèi)部程序空間時(shí)，此引腳要接成高電平。此外，在將程序代碼燒錄至8751內(nèi)部EPROM時(shí)，可以利用此引腳來(lái)輸入21V的燒錄高壓（Vpp）。
ALE/PROG：ALE是英文"AddressLatchEnable"的縮寫(xiě)，表示地址鎖存器啟用信號(hào)。AT89S52可以利用這支引腳來(lái)觸發(fā)外部的8位鎖存器（如74LS373），將端口0的地址總線（A0～A7）鎖進(jìn)鎖存器中，因?yàn)锳T89S52是以多工的方式送出地址
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及數(shù)據(jù)。平時(shí)在程序執(zhí)行時(shí)ALE引腳的輸出頻率約是系統(tǒng)工作頻率的1/6，因此可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)其他周邊晶片的時(shí)基輸入。此外在燒錄8751程序代碼時(shí)，此引腳會(huì)被當(dāng)成程序規(guī)劃的特殊功能來(lái)使用。
PSEN：此為"ProgramStoreEnable"的縮寫(xiě)，其意為程序儲(chǔ)存啟用，當(dāng)8051被設(shè)成為讀取外部程序代碼工作模式時(shí)（EA=0），會(huì)送出此信號(hào)以便取得程序代碼，通常這支腳是接到EPROM的OE腳。AT89S52可以利用PSEN及RD引腳分別啟用存在外部的RAM與EPROM，使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器可以合并在一起而共用64K的定址范圍。
PORT0（P0.0～P0.7）：端口0是一個(gè)8位寬的開(kāi)路汲極（OpenDrain）雙向輸入輸出端口，共有8個(gè)位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此類(lèi)推。其他三個(gè)I/O端口（P1、P2、P3）則不具有此電路組態(tài)，而是內(nèi)部有一提升電路，P0在當(dāng)作I/O用時(shí)可以推動(dòng)8個(gè)LS的TTL負(fù)載。如果當(dāng)EA引腳為低電平時(shí)（即取用外部程序代碼或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器），P0就以多工方式提供地址總線（A0～A7）及數(shù)據(jù)總線（D0～D7）。設(shè)計(jì)者必須外加一鎖存器將端口0送出的地址栓鎖住成為A0～A7，再配合端口2所送出的A8～A15合成一完整的16位地址總線，而定址到64K的外部存儲(chǔ)器空間。
PORT2（P2.0～P2.7）：端口2是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，每一個(gè)引腳可以推動(dòng)4個(gè)LS的TTL負(fù)載，若將端口2的輸出設(shè)為高電平時(shí)，此端口便能當(dāng)成輸入端口來(lái)使用。P2除了當(dāng)做一般I/O端口使用外，若是在AT89S52擴(kuò)充外接程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，也提供地址總線的高字節(jié)A8～A15，這個(gè)時(shí)候P2便不能當(dāng)做I/O來(lái)使用了。
PORT1（P1.0～P1.7）：端口1也是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載，同樣地若將端口1的輸出設(shè)為高電平，便是由此端口來(lái)輸入數(shù)據(jù)。如果是使用8052或是8032的話(huà)，P1.0又當(dāng)作定時(shí)/計(jì)數(shù)器2的外部脈沖輸入腳，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中斷輸入的觸發(fā)腳位。
PORT3（P3.0～P3.7）：端口3也具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載，同時(shí)還有其他的額外特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)控制及外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?/p>
[12]
。其引腳分配如下：P3.0：RXD，串行通信輸入。P3.1：TXD，串行通信輸出。P3.2：INT0，外部中斷0輸入。P3.3：INT1，外部中斷1輸入。P3.4：T0，計(jì)時(shí)/
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計(jì)數(shù)器0輸入。P3.5：T1，計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器1輸入。P3.6：WR，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫(xiě)入信號(hào)。P3.7：RD，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀取信號(hào)。4.2.2接口電路設(shè)計(jì)
接口電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)ADE7878與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信，一方面可以通過(guò)SPI口進(jìn)行計(jì)量芯片ADE7878的初始化，另一方面ADE7878把數(shù)據(jù)處理的結(jié)果從CF1/CF2/CF3管腳以脈沖形式或從SPI口送出，供單片機(jī)進(jìn)行計(jì)量處理AT89252接口電路設(shè)計(jì)如圖4.5所示。
[13]
。ADE7878與單片機(jī)
圖4.5ADE7878與AT89S52接口電路
去耦電容C1、C3的作用是濾除芯片電源輸入中的尖峰脈沖成分，旁路電容C2的作用是使ADE7878電源電壓輸入保持基本穩(wěn)定。R1、R2、R3為限流電阻，對(duì)單片機(jī)的I／O口起到限流保護(hù)作用。ADE7878每產(chǎn)生一個(gè)功率脈沖，對(duì)應(yīng)的LED1、LED2或LED3會(huì)閃亮一次。IRQ1為ADE7878中斷輸出端子，低電平有效，外接10KΩ的上拉電阻。當(dāng)ADE7878檢測(cè)到中斷發(fā)生時(shí)，IRQ1向低電平跳變，發(fā)出INT1中斷申請(qǐng)；單片機(jī)通過(guò)讀取ADE7878狀態(tài)復(fù)位寄存器內(nèi)容，判斷中斷事件的類(lèi)型。
由于ADE7878正常工作的電源電壓為2.4～3.7V,其VDD引腳接3.3V電源輸入，而AT89S52接+5V電源輸入，所以ADE7878與AT89S52的接口無(wú)法實(shí)現(xiàn)電平匹配。為了解決這個(gè)問(wèn)題，電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245被引入到ADE7878與AT89S52之間以實(shí)現(xiàn)3.3V到5V電平的轉(zhuǎn)換。74LVC4245的CE引腳是收發(fā)使能端，低電平有效。DIR
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引腳控制電平信號(hào)傳輸方向。DIR為高電平時(shí)，A為輸入端；DIR為低電平時(shí)，B為輸入端。此電路中DIR引腳上拉10KΩ電阻，置高電平。CE引腳接地，置低電平。4.2.3AT89S52外圍電路設(shè)計(jì)
單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)參考圖4.6所示。
圖4.6單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)
上圖4.6中單片機(jī)AT89S52連接時(shí)鐘芯片DS1302的SPI接口要和圖4.5中連接ADE7878的SPI接口進(jìn)行復(fù)用。單片機(jī)AT89S52通過(guò)分別控制ADE7878的SPI使能端SS和DS1302的CE端對(duì)兩芯片進(jìn)行片選，從而實(shí)現(xiàn)了SPI復(fù)用。
圖中，K1、K2、K3為三個(gè)功能按鍵，按鍵掃描采用中斷方式進(jìn)行。功能按鍵有兩個(gè)作用，一是電量參數(shù)及事件記錄的查詢(xún)，二是時(shí)鐘參數(shù)的初值輸入調(diào)整。圖中“與"門(mén)邏輯采用74LS08芯片實(shí)現(xiàn)。
主電源與后備電源之間的電路切換通過(guò)兩個(gè)二極管實(shí)現(xiàn)。后備電源采用可充電的3．6V鋰電池LIR2032。主電源上電后，二極管Dl導(dǎo)通，D2截止；主電源通過(guò)10kΩ的電阻對(duì)后備電源充電。主電源掉電后，二極管Dl截止，D2導(dǎo)通；后備電源開(kāi)始對(duì)單片機(jī)進(jìn)行供電。
復(fù)位采用MAX813L看門(mén)狗芯片。為了避免因外界干擾而導(dǎo)致應(yīng)用程序“跑飛”或出現(xiàn)死循環(huán)，MAX813L的WDI電平在1.6s內(nèi)應(yīng)跳變一次，實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX813L內(nèi)部時(shí)鐘寄存器清零，防止因“看門(mén)狗"溢出而導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位
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4.2.4顯示模塊HCl602
顯示采用16x2字符型液晶HC1602，與單片機(jī)的接口電路如圖4.7所示。
圖4.7單片機(jī)與HCl602的接口電路設(shè)計(jì)
圖中C1、C2為單片機(jī)和液晶模塊HCl602的去耦電容。DBO-DB7為HCl602的數(shù)據(jù)線，與單片機(jī)的P0.0-P0.7端子相接。R10為阻值可調(diào)的電位器，用來(lái)調(diào)整液晶顯示的對(duì)比度；當(dāng)VO端子對(duì)地電壓為OV時(shí)液晶顯示最為清晰。A、K為HCl602背光燈的電源端子和接地端子，其中電源端子K通過(guò)跳線S1與主電源相接。正常情況下S1斷開(kāi)以減小電度表能耗；在電量查詢(xún)時(shí)閉合S1，接通背光燈電源。
顯示與鍵盤(pán)掃描相結(jié)合，用來(lái)實(shí)現(xiàn)電量參數(shù)的查詢(xún)顯示、異常事件記錄查詢(xún)顯示以及時(shí)鐘參數(shù)初值輸入調(diào)整結(jié)果顯示。當(dāng)沒(méi)有中斷發(fā)生時(shí)，進(jìn)行總的有功、無(wú)功電量顯示。字符顯示是通過(guò)P0口讀入該字符的ASCII碼實(shí)現(xiàn)。4.2.5數(shù)據(jù)存儲(chǔ)AT24C02和時(shí)鐘芯片DS13021、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)AT24C02
存儲(chǔ)芯片采用AT24C02。該芯片具有I2C串行通信總線接口，具有掉電后數(shù)據(jù)不丟失特點(diǎn)。與單片機(jī)的接口電路參考圖4.5所示。存儲(chǔ)主要包括電量參數(shù)的存儲(chǔ)和異常事件的記錄存儲(chǔ)�？紤]到AT24C02芯片擦寫(xiě)次數(shù)的有限性。能量的累加在單片機(jī)的RAM存儲(chǔ)空間中完成，采用定時(shí)方式進(jìn)行電量參數(shù)的存儲(chǔ)。單片機(jī)不斷檢測(cè)時(shí)間參數(shù)，當(dāng)存儲(chǔ)時(shí)間到，則啟動(dòng)I2C總線把電量參數(shù)存儲(chǔ)到AT24C02中分
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配的地址單元。異常事件采用中斷方式進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)ADE7878檢測(cè)到過(guò)流、過(guò)壓、斷相等事件時(shí)，向單片機(jī)發(fā)出中斷申請(qǐng)。單片機(jī)執(zhí)行中斷服務(wù)程序，把處理的結(jié)果，包括事件的代碼、發(fā)生次數(shù)以及發(fā)生的時(shí)間，存儲(chǔ)到AT24C02中分配的地址單元。
為了保證電量參數(shù)存儲(chǔ)的可靠性,在軟件設(shè)計(jì)上要有充分的冗余和糾錯(cuò)。比如在進(jìn)行電量存儲(chǔ)時(shí)突然發(fā)生掉電事故，新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)尚未完成，而原有數(shù)據(jù)已經(jīng)被覆蓋，造成數(shù)據(jù)的丟失。為了避免這種情況，對(duì)每一個(gè)電量參數(shù)分配兩組存儲(chǔ)單元。即使一組數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)時(shí)被損壞，另一組數(shù)據(jù)則不受影響。2、時(shí)鐘芯片DS1302
時(shí)鐘芯片采用DSl302。該芯片具有SPI總線接口，與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)參考圖4.6所示。時(shí)鐘芯片有兩個(gè)作用：一是為定時(shí)存儲(chǔ)提供時(shí)間參數(shù)；二是為斷相、過(guò)流、過(guò)壓等異常事件記錄提供時(shí)間參數(shù)。
DS1302采用雙電源供電模式，Vcc1為主電源輸入，Vcc2為備份電源輸入。當(dāng)Vcc2Vcc1+O．2V時(shí)，由Vcc2向DSl302供電，工作電壓范圍2.5～5.5V。DSl302寄存器數(shù)據(jù)以BCD碼格式存放。秒寄存器的CH位控制時(shí)鐘的運(yùn)行和停止。當(dāng)CH=1時(shí)，時(shí)鐘停止；CH=0時(shí)，時(shí)鐘運(yùn)行。小時(shí)寄存器的位7用于定義DSl302的時(shí)鐘運(yùn)行模式，為0時(shí)采用24小時(shí)時(shí)鐘模式。在對(duì)DSl302寫(xiě)操作時(shí)，WP位首先應(yīng)設(shè)置為0，寫(xiě)操作允許使能4.2.6RS-485通信接口電路設(shè)計(jì)
電度表配備RS485通信接口具有成熟性和性?xún)r(jià)比高的優(yōu)勢(shì)，硬件設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留出RS-485通信接口。采用MAX485接口芯片作為RS-485通信的低功耗收發(fā)器硬件電路設(shè)計(jì)參考圖4.8所示。
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。。圖4.8RS-485通信接口電路
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MAX485芯片的RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)RE為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可。
圖4.8中，將RE與DE端子連接以控制MAX485芯片的發(fā)送/接收使能。DE端子與單片機(jī)的P1.2口連接。當(dāng)DE為高電平時(shí)，單片機(jī)向RS-485總線發(fā)送數(shù)據(jù)；DE為低電平時(shí)單片機(jī)從RS-485總線接收數(shù)據(jù)。RO和DI端分別為MAX485內(nèi)部接收器的輸出端和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的串行通信輸入RXD和輸出TXD相連即可。
連接至A腳的下拉電阻R3與連接至B腳的上拉電阻R1用于提高該RS-485網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作可靠性。鉗位于6.8V的穩(wěn)壓管D1、D2、D3用來(lái)保護(hù)RS-485總線，避免在受到外界雷擊、浪涌等干擾時(shí)產(chǎn)生高壓，損壞RS-485收發(fā)器。C2、C3用于提高電路的EMI性能。4.2.7電源模塊設(shè)計(jì)
系統(tǒng)電源模塊由主電源和后備電源兩部分組成。主電源模塊由變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成，其中整流電路采用DBl07集成模塊，穩(wěn)壓電路采用LM7805、LM7905集成電路模塊；后備電源采用可充電的LIR2032鋰電池，主電源和后備電源的電路切換參考圖4.6。電源模塊設(shè)計(jì)如圖4.9所示。
LM7805的+5V輸出與系統(tǒng)的+5V網(wǎng)絡(luò)連接。LM1117的+3.3V輸出作為ADE7878的電源VDD輸入。當(dāng)系統(tǒng)處于上電工作狀態(tài)，此時(shí)二極管LED導(dǎo)通發(fā)光。C1、C2、C5、C6為有極性的旁路電容．作用是使穩(wěn)壓器的輸入、輸出電壓保持基本穩(wěn)定；C3、C4、C7、C8、C9為0.1μF的去耦電容，作用是濾除穩(wěn)壓器輸入、輸出信號(hào)中的尖峰脈沖成分。
圖4.9主電源模塊電路
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第5章系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)
軟件的編程設(shè)計(jì)采用嵌套的方法，分為主程序和中斷程序兩個(gè)部分。系統(tǒng)軟件的主程序是系統(tǒng)各模塊功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，用于啟動(dòng)軟件和各個(gè)功能模塊的初始化。中斷主程序可以用于對(duì)各種事件進(jìn)行處理，例如ADE7878響應(yīng)AT89S52、按鍵處理、數(shù)據(jù)通信處理等。
1、智能三相電度表系統(tǒng)的主程序框圖如圖5.1所示。
通信模塊時(shí)鐘模塊參數(shù)管理模塊測(cè)量模塊輸出模塊按鍵處理模塊系統(tǒng)上電復(fù)位液晶顯示模塊系統(tǒng)初始化
圖5.1系統(tǒng)主程序框圖
2、本文設(shè)計(jì)的智能三相電表的主程序流程圖主要圍繞電量參數(shù)的計(jì)量展開(kāi)，是基于單片機(jī)用能量脈沖計(jì)數(shù)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功能量的計(jì)量這一前提而構(gòu)建的。單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T0、T1工作在外部計(jì)數(shù)方式，對(duì)有功、無(wú)功能量脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。電能計(jì)量芯片ADE7878每發(fā)出一個(gè)能量脈沖就觸發(fā)T0或T1中斷。采用中斷方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證了電能計(jì)量的及時(shí)性。
系統(tǒng)在進(jìn)入主循環(huán)之前，要進(jìn)行與中斷T0、T1、INT0、INT1有關(guān)的AT89S52寄存器初始化、ADE7878初始化、DSl302初始化等操作。
在主程序的一次循環(huán)過(guò)程中，分別進(jìn)行瞬時(shí)有功功率的檢測(cè)和時(shí)間參數(shù)的檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行功率的實(shí)時(shí)計(jì)量。
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本文設(shè)計(jì)的主程序流程如下圖5.2所示。
脈沖累加滿(mǎn)0.1KWh？N脈沖累加滿(mǎn)0.1KVarh？NT0中斷？YE0對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)+1N顯示電量參數(shù)E0，R0按鍵中斷RS485中斷INT0，INT1中斷NT1中斷？YR0對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)+1初始化開(kāi)始
YYE0+0.1KWhR0+0.1KVarh脈沖變量賦值為0脈沖變量賦值為0N存儲(chǔ)時(shí)間到？Y存儲(chǔ)電量參數(shù)圖5.2系統(tǒng)主程序流程圖
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上述流程圖可以實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功電量的定時(shí)存儲(chǔ)與實(shí)時(shí)顯示。若再嵌套進(jìn)各中斷程序即可實(shí)現(xiàn)對(duì)異常事件的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、按鍵查詢(xún)功能，以及RS485通信功能。
3、系統(tǒng)還可以擴(kuò)展出分時(shí)段電能計(jì)量功能，實(shí)現(xiàn)復(fù)費(fèi)率電表的初步設(shè)計(jì)，以適應(yīng)目前“分時(shí)電價(jià)”的要求，達(dá)到“削峰填谷”的目的。
若要進(jìn)行分時(shí)段電能計(jì)量，重點(diǎn)在于電量參數(shù)采用定時(shí)方式存儲(chǔ)。比如在一天中進(jìn)行兩次存儲(chǔ)，分別發(fā)生在00：00和12：00這兩個(gè)時(shí)刻。主程序每循環(huán)一次，就進(jìn)行一次時(shí)間參數(shù)的檢測(cè)。定義位變量flag1：當(dāng)時(shí)間在00：0012：00內(nèi)時(shí)flag1=1，否則flag1=0。在主程序連續(xù)的兩次循環(huán)中，若flag1兩次賦值結(jié)果不同，就認(rèn)為存儲(chǔ)時(shí)間到。通過(guò)調(diào)用函數(shù)進(jìn)行電量參數(shù)的存儲(chǔ)。
實(shí)現(xiàn)有功電量分時(shí)段電能計(jì)量的具體程序流程如圖5.3所示。
返回顯示分段有功電量參數(shù)CT1=0E1+0.1KWhCT1累加滿(mǎn)0.1KWh?YNCT2累加滿(mǎn)0.1KWh?YE2+0.1KWhNFlag1=1?Y脈沖數(shù)CT1+1脈沖數(shù)CT2+1T0中斷總的有功電能計(jì)量NCT2=0圖5.3分時(shí)段有功電能計(jì)量流程圖
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圖中，CT1、CT2分別為兩個(gè)不同時(shí)間段的脈沖計(jì)數(shù)變量；E1、E2分別對(duì)應(yīng)不同時(shí)段里累加的總有功電量。無(wú)功電量的分時(shí)段計(jì)量也可以參照上圖進(jìn)行。
若將上述流程圖5.3嵌套進(jìn)主程序流程圖5.2內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功電量的分時(shí)段計(jì)量、定時(shí)存儲(chǔ)以及實(shí)時(shí)顯示。
在此基礎(chǔ)上，若加入費(fèi)率切換環(huán)節(jié)，即不同時(shí)段的電能計(jì)量結(jié)果采用不同的費(fèi)率，就可以實(shí)現(xiàn)按時(shí)間分段的復(fù)費(fèi)率電表的設(shè)計(jì)。但這種復(fù)費(fèi)率電表有一個(gè)缺點(diǎn)：無(wú)法適應(yīng)負(fù)荷的突然變化。
由于分時(shí)段計(jì)量時(shí)，時(shí)間段是根據(jù)預(yù)測(cè)當(dāng)日負(fù)荷曲線而設(shè)定的。而這種對(duì)負(fù)荷隨時(shí)間變化規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)性預(yù)測(cè)決定了這種電表無(wú)法對(duì)負(fù)荷的突變做出反應(yīng)。因而時(shí)間段不可能分得很細(xì)，從而無(wú)法充分適應(yīng)“階梯電價(jià)”的要求。
若要充分適應(yīng)“階梯電價(jià)”的要求，則需要實(shí)現(xiàn)按功率分段的復(fù)費(fèi)率電表設(shè)計(jì)方案。該方案在硬件方面需要實(shí)現(xiàn)在大負(fù)荷和小負(fù)荷模式下電流模擬信號(hào)采樣電路的實(shí)時(shí)切換，在軟件方面需要設(shè)計(jì)出按功率分段的電能計(jì)量流程圖。
4、實(shí)現(xiàn)按鍵查詢(xún)功能的中斷程序流程如下圖5.4所示。
開(kāi)啟INT0中斷按鍵處理有鍵按下？Y判斷按鍵類(lèi)型并保存鍵值關(guān)閉INT0中斷功能按鍵掃描NINT0中斷入口返回圖5.4按鍵中斷程序流程圖
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參照硬件電路圖4.6，系統(tǒng)配置了三個(gè)功能按鍵K1、K2、K3，與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)如下：K1連P2.4，K2連P2.3，K3連P2.2。按鍵組合用來(lái)實(shí)現(xiàn)電量參數(shù)查詢(xún)，異常事件查詢(xún)等功能。按鍵掃描采用中斷方式進(jìn)行，通過(guò)“與”門(mén)邏輯與單片機(jī)的INT0口連接。
鍵盤(pán)掃描有三種方式：編程掃描，定時(shí)掃描和按鍵中斷掃描。本方案采用中斷掃描，以提高單片機(jī)的執(zhí)行效率。按鍵中斷程序流程參考圖5.4所示。
INT0、INT1中斷采用邊沿觸發(fā)方式，在進(jìn)入INT0中斷入口后，通過(guò)關(guān)閉INT0中斷使能，可以避免鍵盤(pán)掃描時(shí)引起再次中斷。
接著，進(jìn)行按鍵的掃描。檢測(cè)到按鍵按下后，判斷按鍵類(lèi)型，并根據(jù)掃描結(jié)果進(jìn)行功能按鍵處理。若沒(méi)有檢測(cè)到按鍵按下，則不予處理并返回。
按鍵中斷還可以與顯示配合進(jìn)行異常事件的查詢(xún)。在此之前，單片機(jī)需要完成對(duì)異常事件的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。具體的過(guò)程如下：
參照硬件電路圖4.5，計(jì)量芯片ADE7878的IRQ1端子與單片機(jī)的INT1端子連接。當(dāng)計(jì)量芯片檢測(cè)到過(guò)流、過(guò)壓、斷相、掉電等異常事件發(fā)生時(shí)，IRQ1電平向低電平跳變，并向單片機(jī)發(fā)出INT1中斷申請(qǐng)。單片機(jī)AT89S52通過(guò)INT1中斷服務(wù)子程序可以讀取狀態(tài)復(fù)位寄存器中的內(nèi)容，從而進(jìn)行中斷事件處理并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)異常事件。
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第6章","p":{"h":26.999,"w":13.5,"x":412.665,"y":122.636,"z":8},"ps":null,"t":"word","r":[5]}
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)等的飛速發(fā)展，智能三相電度表面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇。基于軟硬件方面的支持，電表的許多擴(kuò)展功能被逐漸開(kāi)發(fā)出來(lái)。
目前，傳統(tǒng)的感應(yīng)式電表正在不停地被淘汰，電度表的升級(jí)換代經(jīng)過(guò)機(jī)電一體式這種暫行型式逐漸在向智能化方向前進(jìn)。IC卡預(yù)付費(fèi)電表已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。為了適應(yīng)“分時(shí)電價(jià)”的改革要求，復(fù)費(fèi)率電表也在積極的推廣之中。在不久的將來(lái)，具有遠(yuǎn)程通信與控制功能的智能電表會(huì)逐漸應(yīng)用于電網(wǎng)、企業(yè)，甚至每一個(gè)家庭。
這些智能電表的應(yīng)用必將實(shí)現(xiàn)電量計(jì)量領(lǐng)域的巨大變革，抄表方式也會(huì)隨之發(fā)生深刻的變化。遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表技術(shù)，如電力載波抄表、總線制集中抄表，甚至無(wú)線抄表技術(shù)都將得到廣泛應(yīng)用。
相應(yīng)地，電能計(jì)量控制的自動(dòng)化程度也會(huì)大幅提高。電量信息的數(shù)字化為通信和控制提供了先決條件。智能電表的應(yīng)用為將來(lái)電網(wǎng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的融合提供了部分技術(shù)支持，電能的計(jì)量與收費(fèi)在未來(lái)必將變得更加方便與快捷。人機(jī)交互能力也會(huì)得到全面的提升。
隨著智能電表通信和控制功能的逐步開(kāi)發(fā)，未來(lái)必將形成功能強(qiáng)大的智能電表管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)集精確計(jì)量、智能抄表系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)于一體，融合各種新型功能模塊，構(gòu)成了將來(lái)智能電網(wǎng)的電能計(jì)量與收費(fèi)平臺(tái)。
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致謝
本人在武漢大學(xué)本科階段的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，經(jīng)歷了畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的選擇、任務(wù)書(shū)的解讀、開(kāi)題、課題的研究、畢業(yè)設(shè)計(jì)周志的撰寫(xiě)，以及畢業(yè)論文的撰寫(xiě)、修改與定稿。其間，我遇到了很多的困難。包括課題研究中知識(shí)的匱乏、模型的設(shè)計(jì)、論文的編輯與修訂等方面遇到的種種障礙。雖然困難重重，但一路下來(lái)，可以說(shuō)受益良多。在此期間，本人得到了畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師蔣云峰教授的悉心指導(dǎo)。首先，籍以此文表達(dá)本人對(duì)蔣老師的感謝。真心地祝愿蔣老師事業(yè)有成，桃李滿(mǎn)天下。
在課題的研究過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室的各位前輩在百忙中仍給予了我熱心的幫助。借此機(jī)會(huì)，向他們表示衷心的感謝，并預(yù)祝兩位學(xué)長(zhǎng)研究生答辯圓滿(mǎn)成功。
再者，感謝室友趙爽、鄧俊杰對(duì)我的敦促和對(duì)論文格式的指導(dǎo)。畢業(yè)在即，希望他們?cè)诮酉聛?lái)的研究生階段的學(xué)習(xí)中取得進(jìn)步。
最后，謹(jǐn)將此文獻(xiàn)給我的家人。正是由于父母的辛勤養(yǎng)育和兄弟姐妹的無(wú)私奉獻(xiàn)，本人才得以進(jìn)入武漢大學(xué)接受高等教育。在此，祝我的家人身體健康，生活和諧美滿(mǎn)。
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