基于单片机的智能电能表的设计

基于单片机的智能电能表的设计内容摘要：

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。 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。 图 电能表硬件整体框图 上图。 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。 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 CMOS 8位微微控制器 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 12 / 32 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 ： AT89C51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： 0Hz24MHz 三级程序存储器锁定 1288 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 AT89C51 引脚结构图 AT89C51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。 P 1 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 78INT I13P 2 122A T 8 9 C 5 1P 1 67INT O12T115T014E A /V P31X119X218RE S E T9RD17WR16P X D10P 2 728P 2 627P 2 324P 2 425P 2 526P 2 223P 2 021P 0 732P 0 633P 0 534P 0 435P 0 336P 0 237P 0 138P 0 039T X D11P S E N29 13 / 32 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 P30 RXD（串行输入口） P31 TXD（串行输出口） P32 /INT0（外部中断 0） P33 /INT1（外部中断 1） P34 T0（记时器 0外部输入） P35 T1（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（ 0000HFFFFH），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。 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。 CS5460A 的性能 (1)能量数据精确度 :在 1000:1动态范围内精确度为 %； (2)芯片功能 :可以测量电能， I U， IRMS、和 URMS，具有电能与脉冲转换功能； (3)通过串行 EEPROM实现 数字 “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 (最大温漂 60Ppm/℃)； (11)具有简单的三线数字串行接口； 14 / 32 (12)具有看门狗定时器，电源监视器和电源配置功能。 CS5460A 管脚说明 CS546OA芯片有 24个引脚。 它的管脚分布如图。 各管脚功能说明如下 : 图 CS5460A 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 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 CS̅̅̅有效时才识别时钟信号。 SDO:串行数据输出引脚。 CS̅̅̅: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。 INT̅̅̅̅̅:中断输出引脚。 EOUT̅̅̅̅̅̅̅̅:电能输出引脚。 EDIR̅̅̅̅̅̅̅: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。 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。 CP UC L K2V D +3DG ND4S CL K5S DO6CS7M O D E8V IN+9V IN10X O UT1S DI23E DI R22E O UT21INT20RE S E T19NC18P F M O N17IIN+16IIN15X IN24C S5 4 6 0 AV RE F O UT11V RE F IN12VA+14V A 13 15 / 32 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。 RESET̅̅̅̅̅̅̅̅̅: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。 CS5460A 外围电路及供电电路设计 图 CS5460A 外围电路、供电电路及与 AT89C51 的接口电路 在电路图 ，参考电压输入端 (VREFIN)和参考电压输出端 (VREFOUT)直接相连并通过 ，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 ，。 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 K=1的分频系数 为 CS546OA提供系统时钟。 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。