基于单片机的智能电表设计(编辑修改稿)

基于单片机的智能电表设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 智能电能表硬件设计各功能环节如下: 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。 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。 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。 A/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。 D/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。 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。 1. RS232C标准通信接口RS232C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，RS232C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RS232C的电平转换)。 MC1489，75189(从RS232C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. PCI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()。 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。 3. USB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。 4. IEEE1394高速串行总线IEEE1394是高速串行总线，其数据率为25400Mbits/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。 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。 图4 智能电能表的典型结构图如图4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。 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 电源模块设计电源模块由变压、整流、滤波、稳压、四部分组成使干扰脉冲的数量和幅度有所减少，并加装专用的电源监控电路由于智能电表要求能够停电唤醒，智能电表的电源供给: 一是由火线和零线的主电压提供电源，另一部分是由在主电源无效的情况下提供备用锂电池电源，以满足电表 时钟芯片和液晶显示的需要 电表提供多种省电模式: 睡眠深度睡眠掉电深度掉电，以满足各种优先级中断的唤醒。 电源电路是整个系统能稳定工作的前提和关键，系统中的各个单元电路都需要使用直流电源供电，本设计采用自制电源供电方式，将220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路整流和滤波，在固定式三端稳压器的两端形成一个并不十分稳定的直流电压，此直流电压经过W7805的稳压和电容的频率补偿，便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。 自制电源原理如图5所示：图5 +5V直流电源的设计 前端电路调理模块的设计对于系统的前端电压调理部分，我们采用变比为2mA/2mA的电流互感器和高精度电阻作为输入电路部分电路如图6所示。 系统设计采用220V的市电电压输入，首先外接Rx=110k电阻得到2mA的电流，然后通过变比为2mA/2mA的互感器，然后在二次侧连接1个125Ω的定值电阻得到所需的输入电压，可以为CS5460A提供电压信号，不超出芯片的测量范围。 当然电阻R2值可以根据不同的电压来调整。 并加入RC滤波网络对信号初步滤波，并加入放抖动电容保护芯片。 电流调理部分采用变比2000：1 的电流互感器，然后经一精密电阻将电流信号转变成电压信号。 并加入RC滤波网络对信号初步滤波，并加入放抖动电容保护芯片。 经变换后的补测信号以差模电压的形式接到CS5460A的模拟信号输入端。 由于互感器角差的影响，可能造成输入信号的相移，使功率测量的误差增大。 而CS5460A 具有相位补偿功能（176。 至+176。 的相位补偿，176。 ），可以大大减小互感器角差的影响。 图6前端调理电路第四章 数据存储智能电表的功能众多，实现复杂，在运行过程中会产生大量的数据，如 12月历史电量数据事件记录数据冻结量数据等 所选用的存储芯片必须容量够大，可靠性高，保存时间长，功耗低 所以采用的存储单元不仅应具有低功耗待机工作电流小，而且需要有存储容量大擦写次数多过电能表使用年限数据保存时间长的特点。 Ⅰ、AT24C01简介 AT24C01是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它内含2568位存储空间，具有工作电压宽（～）、擦写次数多（大于10 000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。 AT24C01中带有片内寻址寄存器。 每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个存储单元的操作。 所有字节都以单一操作方式读取。 为降低总的写入时间，一次操作可写入多达8字节的数据。 图7为AT24C01的引脚图。 各引脚功能如下：图7 AT24C01的引脚图SCL:串行时钟。 在该引脚的上升沿时，系统将数据输入到每个EEPROM器件，在下降沿时输出。 SDA：串行数据。 该引脚为开漏极驱动，可双向传送数据。