智能電表的設(shè)計(jì)[驕陽教學(xué)]

1、 四 川 理 工 學(xué) 院課 程 設(shè) 計(jì) 書 學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院 專業(yè) 物聯(lián)網(wǎng)工程20121班 課程 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 題目 現(xiàn)代小區(qū)智能電表課程設(shè)計(jì) 教師 符長友 學(xué)生 胥玉環(huán) 劉依粒 胡偉杰 宋治樺 設(shè)計(jì)時(shí)間：2014年7月5日 至2017年7月11日習(xí)題yu教育前言近年來，在低碳經(jīng)濟(jì)、綠色節(jié)能及可持續(xù)發(fā)展思想的推動(dòng)下，如何進(jìn)一步提高電網(wǎng)效率，積極應(yīng)對環(huán)境挑戰(zhàn)，提高供電可靠性和電能質(zhì)量，完善電力用戶服務(wù)，適應(yīng)更加開放的能源及電力市場化環(huán)境需要，對未來電網(wǎng)的發(fā)展提出了更高的要求。智能電網(wǎng)的概念應(yīng)運(yùn)而生并成為全球電力行業(yè)共同研究和探討的熱點(diǎn)，支撐中國乃至全球智能電網(wǎng)的將是通信技術(shù)、信息處理技術(shù)和控制

2、技術(shù)。智能電表作為智能電網(wǎng)建設(shè)的重要基礎(chǔ)裝備，加快智能電表產(chǎn)業(yè)鏈整合，促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化，對于電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息化、自動(dòng)化和互動(dòng)化具有支撐作用。基于以上分析， 本文研究旨在基于AT89C51單片機(jī)的智能電表的設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)基于單片機(jī)AT89C51是以微處理器或微控制器芯片為核心的可以存儲(chǔ)大量的測量信息并具有對測量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、綜合和做出各種判斷能力的儀器。一般具有自動(dòng)測量功能，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零和單位換算功能，能進(jìn)行簡單的故障提示，具有操作面板和顯示器，有簡單的報(bào)警功能。本文主要包括以下三個(gè)方面的工作：(1)智能電表的設(shè)計(jì)背景、優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀本文首先分析智能電表的設(shè)計(jì)背景，其次討論智能電

3、表的優(yōu)點(diǎn)及相關(guān)的應(yīng)用。(2)智能電表的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)分析智能電表應(yīng)該具備的功能，給出該儀表的總體設(shè)計(jì)框圖；詳細(xì)討論了該電路的核心芯片選取、數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)、通信電路及輸入輸出系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)并給出了核心芯片AT89C51的詳細(xì)參數(shù)；使用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)手段，利用單片機(jī)C語言程序?qū)崿F(xiàn)按鍵的掃描并處理程序、數(shù)據(jù)的采集及后續(xù)的算法程序、紅外或RS485通信方式的自動(dòng)抄表程序、CPU卡的讀寫操作程序以及段式LCD的顯示驅(qū)動(dòng)程序。(3)設(shè)計(jì)的結(jié)論分析、不足及未來的展望闡述了設(shè)計(jì)的測試結(jié)果并對結(jié)論進(jìn)行了分析，給出了設(shè)計(jì)中的不足之處，并提出了將來的修改意見及改進(jìn)之處，對智能電表的未來進(jìn)行展望。 目錄前言I目錄II

4、I1 智能電表緒論11.1 智能電能表的概念11.2 智能電能表的典型結(jié)構(gòu)11.3 智能電能表的主要特點(diǎn)22 智能電能表的設(shè)計(jì)方法32.1 智能電能表的硬件設(shè)計(jì)方法22.1.1 微處理器或微控制器42.1.2 傳感器52.1.3 信號調(diào)理52.1.4 A/D轉(zhuǎn)換器52.1.5 D/A轉(zhuǎn)換器62.1.6 智能電能表的通信接口62.2 智能電能表的軟件設(shè)計(jì)方法63 智能電能表的硬件設(shè)計(jì)73.1 電能表概述73.2 電能表的總體方案設(shè)計(jì)73.3 電能表的控制芯片93.4 電能計(jì)量專用芯片103.4.1 CS5460A的性能103.4.2 CS5460A管腳說明103.4.3 CS5460A外圍電路及

5、供電電路設(shè)計(jì)103.4.4 微控制器AT89C51與CS5460A的接口103.4.5 電源模塊103.4.6 電壓電流采樣模塊103.5 液晶顯示芯片與AT89C51的接口113.5.1 SMS0601的接口信號說明113.5.2 SMS0601與AT89C51的接口113.7 SPI接口型EEPROM與AT89C51的接口123.7.1 X5045管腳分布133.7.2 X5045功能描述133.8 時(shí)鐘模塊14 3.9 wifi模塊.14 4 智能電表的軟件設(shè)計(jì). 16總結(jié)18參考文獻(xiàn).18一、智能電能表概述1.1 智能電能表的概念智能電能表是一種新型電能表，它由測量單元、數(shù)據(jù)處理單元等

6、組成，具有電能量計(jì)量、信息存儲(chǔ)及處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測、自動(dòng)控制、信息交互等功能。相對以往的普通電能表，除具備基本的計(jì)量功能外，智能電能表是全電子式電能表，帶有硬件時(shí)鐘和完備的通信接口智能電表是以微處理器或微控制器芯片(如單片機(jī))為核心的可以存儲(chǔ)大量的測量信息并具有對測量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、綜合和做出各種判斷能力的儀器。智能電能表一般具有自動(dòng)測量功能，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零和單位換算功能，能進(jìn)行簡單的故障提示，具有操作面板和顯示器，有簡單的報(bào)警功能。此次設(shè)計(jì)的電表利用微機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)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(yīng)了現(xiàn)代用戶的需求1.2

7、智能電表研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景中國是電能表生產(chǎn)大國，目前感應(yīng)式電能表、電子式電能表和智能化電能表等主要產(chǎn)品都已經(jīng)達(dá)到或接近發(fā)達(dá)國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)和研發(fā)能力也已經(jīng)能夠滿足國際市場的不同需求，而且價(jià)格優(yōu)勢明顯，在國際市場上具有較強(qiáng)的競爭力。隨著我們國智能電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)以及相應(yīng)的居民遞增式階梯電價(jià)改革模式的提出，對電能表等相關(guān)電能計(jì)量工具的要求也隨之提高。我們國的智能電網(wǎng)技術(shù)與國外先進(jìn)水平在技術(shù)上差距相對較小，加上其屬于低碳經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，因此具有穩(wěn)定的高增長前景。與國外相比，我們國智能電能表功能完備、規(guī)范，階梯電價(jià)、負(fù)荷控制等功能相對領(lǐng)先，更能滿足我們國智能電網(wǎng)建設(shè)工作需要。中國政府計(jì)劃未

8、來五年在全國范圍內(nèi)，安裝2.4億塊智能電表。這意味著在2012年到2015年之間的三年內(nèi)，中國每年新安裝的智能電表將高達(dá)到8000萬塊。中國將成為全球最大智能電表消費(fèi)市場。2 智能電能表的設(shè)計(jì)方法2.1 智能電能表的硬件設(shè)計(jì)方法智能電能表中均含有微處理器或微控制器，在微處理器或微控制器的外圍進(jìn)行設(shè)備的擴(kuò)展如程序存儲(chǔ)器ROM、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、鍵盤、顯示器、報(bào)警裝置和通信口。作為一個(gè)完整的智能電能表還應(yīng)包括輸入通道和輸出通道。圖2.1表述了智能電能表的硬件結(jié)構(gòu)組成原理圖。2.1 智能電能表硬件原理圖單片機(jī)AT89S52RS-485通信模塊時(shí)鐘模塊看門狗復(fù)位模塊計(jì)量模塊存儲(chǔ)模塊顯示模塊計(jì)量回路選通

9、模塊后備電源和主電源切換電路模塊智能電能表實(shí)際上是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它是具有微處理器或微控制器的，并有標(biāo)準(zhǔn)總線接口的新型儀器。不同功能的智能電能表由不同部件組合而成。智能電能表的監(jiān)控程序固化在程序存貯器EPROM、ROM、EEPROM等中，被測參量通過傳感器將非電量變換成電量，然后經(jīng)過信號處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)槲⑻幚砥髂苤苯幼R(shí)別的數(shù)字信號。所采集的數(shù)據(jù)或從鍵盤上輸入的數(shù)據(jù)以及經(jīng)過一定的算法運(yùn)算后的數(shù)據(jù)均暫存于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM中。智能電能表的控制部分一般分兩種情況，一是微處理器接受鍵盤輸入的命令后，不需經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器，直接由接口輸出控制信息和數(shù)據(jù)信息，去控制一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)。智能電能表硬件設(shè)計(jì)各

10、功能環(huán)節(jié)如下:2.1.1 微處理器或微控制器微處理器和微控制器在智能電能表中都是智能電能表的心臟，它們的結(jié)構(gòu)、特性對智能電能表的性能影響很大。微處理器也是一種通用器件，如果給予足夠的外部支持電路和處理時(shí)間，它幾乎可以完成任何任務(wù)，數(shù)據(jù)處理和控制是微處理器的兩個(gè)主要用途。根據(jù)智能電能表控制功能和測量功能的不同選用合適的單片機(jī)作為智能電能表的核心，從而提高智能電能表的整體性能。2.1.2 傳感器傳感器是將外界輸入的被測量信號變換成電信號的元器件或裝置。它作為信息獲取的工具和手段，在測量控制型智能電能表中占據(jù)了極其重要的地位。傳感器能轉(zhuǎn)換信息存在的能量形式，通常是將其他能量形式轉(zhuǎn)換成電量形式，以便進(jìn)

11、一步加工處理，傳感器的輸出往往總是電信號。這主要是電信號較容易地進(jìn)行放大、反饋、濾波、積分、微分、存儲(chǔ)及遠(yuǎn)距離傳送等操作。2.1.3 信號調(diào)理信號調(diào)理裝置是通過電子線路來實(shí)現(xiàn)模擬信號處理，一般包括放大、濾波、整形、檢波、信號轉(zhuǎn)換等功能環(huán)節(jié)。信號調(diào)理的目的是對傳感器輸出的電信號進(jìn)行必要的處理以滿足信號處理后繼環(huán)節(jié)的需要，使其輸出信號適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)的工作。信號調(diào)理可以改善信號質(zhì)量，還可以補(bǔ)償傳感器的非線性，提高信噪比，增強(qiáng)信號的環(huán)境抗干擾能力等。2.1.4 A/D轉(zhuǎn)換器微處理器能處理的信號應(yīng)是數(shù)字信號，因此，在智能電能表的輸入通道中加入能把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的芯片即A/D轉(zhuǎn)換器。但并不是

12、所有的輸入通道都要加入A/D轉(zhuǎn)換器，而是只有模擬量輸入通道，而且輸入微處理器的信號不是頻率量而是數(shù)字碼時(shí)，才用到A/D轉(zhuǎn)換器。使用A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)應(yīng)先根據(jù)輸入通道的總誤差，選擇A/D轉(zhuǎn)換器的精度及分辨率。根據(jù)信號對象的變化率及轉(zhuǎn)換精度要求，確定A/D轉(zhuǎn)換速度，以保證智能電能表的實(shí)時(shí)性要求，對快速信號必須考慮采樣/保持電路。在選用A/D時(shí)還應(yīng)考慮智能電能表所處的環(huán)境選擇A/D轉(zhuǎn)換器的環(huán)境參數(shù)。不同A/D轉(zhuǎn)換器有不同的輸出狀態(tài)，應(yīng)根據(jù)計(jì)算機(jī)的接口特性選擇輸出狀態(tài)。2.1.5 D/A轉(zhuǎn)換器微處理器輸出的數(shù)字控制信號通過D/A轉(zhuǎn)換，將離散時(shí)刻輸出的控制信號轉(zhuǎn)換成為離散模擬信號，為實(shí)現(xiàn)智能控制創(chuàng)造了必要條

13、件。在D/A轉(zhuǎn)換接口設(shè)計(jì)中主要考慮的問題是D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇、數(shù)字量的碼輸入及模擬量的極性輸出、參考電壓電流源、模擬電量輸出的調(diào)整與分配等。選擇D/A芯片時(shí)，主要考慮芯片的性能、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特性。在性能上必須滿足D/A轉(zhuǎn)換的技術(shù)要求:在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特性上應(yīng)滿足接口方便，外圍電路簡單，價(jià)格低廉等要求。2.1.6 智能電能表的通信接口智能電能表一般都設(shè)置有通信接口，以便能夠?qū)崿F(xiàn)程控、方便地構(gòu)成自動(dòng)測試系統(tǒng)。目前國際上采用的智能電能表的標(biāo)準(zhǔn)接口有GPIB，RS232等,本設(shè)計(jì)采用RS232接口。1. RS-232C標(biāo)準(zhǔn)通信接口RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)接口是目前最常用的串行通信總線接口，其邏輯電平是對地對

14、稱的，與TTL、MOS邏輯電平完全不同。邏輯0電平規(guī)定為+5+15V之間，邏輯1電平是-5V-15v之間。因此，RS-232C驅(qū)動(dòng)器與TTL電路連接必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換芯片有MC1488，75188(從TTL到RS-232C的電平轉(zhuǎn)換);MC1489，75189(從RS-232C到TTL的電平轉(zhuǎn)換)。還有MAXIM的MAXZOZ、MAX232等等。在當(dāng)今的信息化時(shí)代，用于其他信息裝置的通信技術(shù)也同樣可用于嵌入式智能電能表。它主要有這樣一些通信技術(shù):2.2 智能電能表的抗干擾方法 微機(jī)測控系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)在智能電能表的抗干擾技術(shù)中是同樣適用的，主要分為硬件抗干擾技術(shù)和軟件抗干擾技術(shù)。硬件抗干擾

15、技術(shù)主要包括濾波技術(shù)(無源濾波和有源濾波)、去耦技術(shù)、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)、接地技術(shù)等。竄入智能電能表的干擾，其頻譜往往很寬，且具有隨機(jī)性，采用硬件抗干擾方法，只能抑制某個(gè)頻率段的干擾，仍有一些干擾會(huì)侵入系統(tǒng)。因此，除了采取硬件抗干擾方法外，還要采取軟件抗干擾措施。為確保CPU中的程序正常運(yùn)行，常常采用如下抗干擾措施:軟件濾波(數(shù)字濾波技術(shù))可以剔除模擬輸入信號中的虛假信號，求取真值； 除了可以使用硬件看門狗電路強(qiáng)制單片機(jī)從死機(jī)狀態(tài)回復(fù)到正常運(yùn)行外，還可以采用軟件看門狗電路或軟硬結(jié)合的看門狗技術(shù)。軟件看門狗技術(shù)的基本思路是:在主程序中對T0中斷服務(wù)程序進(jìn)行監(jiān)視;在T1中斷服務(wù)程序中對主程序進(jìn)行監(jiān)

16、視；T0中斷監(jiān)視T1中斷。三、智能電能表的硬件設(shè)計(jì)3.1 電能表概述電能表是一種計(jì)量某一段時(shí)間內(nèi)通過的電能的累積值的表計(jì)。電子式電能表，也稱為靜止式電能表，它也就是“電流和電壓在固態(tài)(電子)器件中作用而產(chǎn)生與瓦時(shí)數(shù)成比率輸出的儀表”。這里主要介紹根據(jù)智能小區(qū)家庭型用戶電能計(jì)量系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)的一種智能型多功能復(fù)費(fèi)率電能表。復(fù)費(fèi)率電能表是一種根據(jù)用電的峰時(shí)、平時(shí)、谷時(shí)各時(shí)段的設(shè)定值計(jì)算用戶總的用電量和峰時(shí)、平時(shí)、谷時(shí)的用電量的電能表，使供電局能實(shí)施峰時(shí)、平時(shí)、谷時(shí)各時(shí)段不同的計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。用經(jīng)濟(jì)手段鼓勵(lì)用戶在低谷時(shí)段用電。這也正好符合電力計(jì)費(fèi)系統(tǒng)提出的分時(shí)段計(jì)費(fèi)的要求。電子式的復(fù)費(fèi)率電能表一般使用單片

17、機(jī)對電能脈沖進(jìn)行分時(shí)段計(jì)算處理，同時(shí)具有有效的參數(shù)設(shè)定。3.2 電能表的總體方案設(shè)計(jì)此多功能復(fù)費(fèi)率電能表具有如下功能:1. 通過單片機(jī)擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)本月、上月、上上月的各月電量，能存儲(chǔ)各月峰時(shí)、平時(shí)、谷時(shí)各時(shí)段的用電量，并能通過液晶顯示器顯示各自的數(shù)值；2. 具有欠壓斷電保護(hù)、欠費(fèi)停電保護(hù)功能；3. 具有在過電壓、過電流和欠壓斷電保護(hù)后用戶自己送電的功能；本次設(shè)計(jì)中所設(shè)計(jì)的整個(gè)電能計(jì)量系統(tǒng)主要由電能表構(gòu)成。電能表部分應(yīng)包括電流傳感器、電壓傳感器、電能計(jì)量芯片、顯示器件、按鍵開關(guān)時(shí)鐘/日歷芯片、看門狗電路、擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及用于通斷電控制用的小功率交流開關(guān)。圖3.1 電能表硬件整體框圖

18、上圖3.1表明了電能表的硬件設(shè)計(jì)方案。其中，電能表部分需要電流互感器、電壓互感器把照明電路中的22OV電壓和大電流(10A)變換成電能計(jì)量芯片所要求的輸入電壓和輸入電流范圍之內(nèi)。電能計(jì)量芯片根據(jù)其內(nèi)部的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流計(jì)算瞬時(shí)功率，再輸出脈沖驅(qū)動(dòng)機(jī)械式計(jì)數(shù)器或者步進(jìn)電機(jī)計(jì)算用電電量。根據(jù)此方案設(shè)計(jì)的復(fù)費(fèi)率電能表系統(tǒng)的硬件原理在以下幾節(jié)詳細(xì)說明。3.3 電能表的控制芯片圖3.2 AT89C51引腳結(jié)構(gòu)圖AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)，很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案，其引腳排列如圖3.2所示：3.4 電

19、能計(jì)量專用芯片在電子式電能表中使用得比較多的電能計(jì)量專用芯片有：CS546OA以及AD7755等等。從性能上來比較CS546OA比AD7755增加了如下功能:具有片內(nèi)看門狗定時(shí)器與內(nèi)部電源監(jiān)視器；具有瞬時(shí)電流、瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)功率、電流有效值、電壓有效值、功率有效值測量及電能計(jì)量功能；提供了外部復(fù)位引腳；雙向串行接口與內(nèi)部寄存器陣列可以方便地與微處理器相連接；外部時(shí)鐘最高頻率可達(dá)20MHz；具有功率方向輸出指示。這些增加的功能更加便于與微控制器接口，并能方便地實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率的測量和用電量累積等功能。據(jù)此選擇CS5460A作為電能計(jì)量芯片更能實(shí)現(xiàn)各種電參數(shù)的測量。3.4.4 微控制器AT89

20、C51與CS5460A的接口微控制器AT89C51與Intel系列的80C51微控制器的指令集和管腳兼容，微控制器內(nèi)有4K字節(jié)的可擦寫閃爍只讀程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。它具有掉電模式和閑置狀態(tài)兩種工作方式。其工作原理同8031微控制器。由于CS546OA提供了SPI串行接口，減少了單片機(jī)的總線使用數(shù)，為微控制器的外圍電路的擴(kuò)展提供了更多的總線。在SPI總線上傳送的數(shù)據(jù)和命令字都是高位在先的方式傳送。由圖3.4可知使用AT89C51的P10、P11、P12引腳分別與CS546OA的SDI、SDO、SCLK引腳交換數(shù)據(jù)。CS546OA的片選引腳 接地，使其始終保持有效狀態(tài)。3.4.5 電

21、源模塊由于電能表屬于不間斷工作的電力計(jì)量產(chǎn)品，因而其電源電路是其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分之一。電源電路負(fù)責(zé)給各個(gè)硬件模塊供電，以保證整個(gè)電能表的正常運(yùn)行。CS5460A的電源電壓提供方式可以采用外接直流穩(wěn)壓電源供電，或通過變壓器Tl變壓成12V直流電壓后再用分壓的方式供電也可使用鋰電池供電三種方式，從可靠性和實(shí)用性來說選擇通過變壓器降壓的方式為CS5460A供電，變壓器Tl變比選擇220V/12V，因此在變壓器的次級可得到12v的交流電壓。變壓器次級接二極管的作用是為后繼電路提供直流電壓(即起全波整流作用)。電源電路中設(shè)計(jì)由兩個(gè)一階無源RC濾波網(wǎng)絡(luò)組成的二階濾波電路濾掉直流電壓中的噪聲信號，再通過一個(gè)0

22、.1F的電容提高抗干擾能力。電源失效監(jiān)控引腳(PFMON)監(jiān)控模擬電源，相對VA-引腳電平其典型閥值電壓為2.45V。當(dāng)達(dá)不到閥值電壓時(shí)，在電源監(jiān)控單元就會(huì)使CS5460A復(fù)位。3.4.6 電壓電流采樣模塊在能量測量中使用電壓互感器和電流互感器與電力線隔離，減小電力線上交流信號中竄入CS5460A電壓、電流輸入通道的各種干擾信號。電壓互感器具有高精度、低阻抗特性，并且即使在高次諧波情況下具有很小的相延遲。在采用互感器隔離措施后，CS5460A的數(shù)字接口不必再采用隔離技術(shù)。在照明電力干線中，相電壓有效值為22Ov，線電流可以選擇10A的有效值，在這種條件下，假定電力線上的最大額定電壓為30OV，

23、最大額定電流為30A。對于正弦曲線的交流信號，電壓/電流有效值以最大直流輸入電平的0.7071倍進(jìn)行準(zhǔn)確測量。但是在實(shí)際使用中，交流信號的波形通常不是以準(zhǔn)確的正弦曲線形式出現(xiàn)，為了在兩個(gè)輸入通道允許有一些超范圍的信號進(jìn)入，常用最大電壓有效值和最大電流有效值的0.6倍作為兩個(gè)通道的輸入電壓范圍。因此輸入通道的輸入電壓最大值就應(yīng)為0.625OmV=150mV，其在規(guī)定的25OmV范圍內(nèi)。由此計(jì)算電壓Kv=15OmV/300V=0.0005，此時(shí)電壓互感器T2的變比為2000/1;計(jì)算電流增益Ki=15OmV/30A=0.005Ohms。Rs=50歐時(shí)，電流互感器T3的變比為1/1000。3.5 液

24、晶顯示芯片與AT89C51的接口液晶顯示器選用SMSO6O1，該液晶顯示器可直接與AT89C51單片機(jī)采用兩個(gè)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行傳送而不需要單獨(dú)的顯示器驅(qū)動(dòng)芯片，從而減少了整個(gè)電能表的空間。SMSO601一體化顯示器具有6位數(shù)字顯示功能，并提供兩個(gè)時(shí)間分隔符(如圖3.5)。3.5.1 SMS0601的接口信號說明圖3.5 SMSO601外形圖圖3.5中的SMS0601有四根接口信號線，它們分別是:1. DI:串行數(shù)據(jù)輸入引腳。顯示數(shù)據(jù)和命令字從此引腳串行輸入。2. CLK:串行移位脈沖輸入引腳。此引腳輸入脈沖為在D1引腳上的數(shù)據(jù)和命令輸入提供時(shí)序。另：VDD:電源正極，模塊工作電壓位2.7-5

25、.5V。VSS:電源地。3.5.2 SMS0601與AT89C51的接口圖3.6 SMS0601與AT89C51的接口電路利用AT89C51的P23、P24分別與SMS06O1的串行數(shù)據(jù)輸入引腳(DI)、串行移位脈沖輸入引腳(CLK)連接。3.7 SPI接口型EEPROM與AT89C51的接口3.7.1 X5045管腳分布X5045的管腳圖如圖3.8所示。/WDI:片選引腳/看門狗輸入引腳。SO、SI:串行數(shù)據(jù)輸出引腳和輸入引腳。:寫保護(hù)輸入引腳。當(dāng)其為低電平時(shí)，寫操作被禁止;在寫操作過程中，除必須保持低電平外，必須保持高電平。圖3.8 X5045管腳分布圖RESET:復(fù)位輸出引腳。只要Vcc

26、低于Vcc檢測電平，RESET即變?yōu)楦唠娖?，并保持高電平直至Vcc高于Vcc最小檢測電平200ms為止?？撮T狗定時(shí)器超過時(shí)也會(huì)引起RESET變?yōu)楦唠娖?。SCK:串行時(shí)鐘輸入引腳。輸入數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿被鎖存，輸出數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的下降沿被同步輸出。Vcc、Vss:電源正極和電源負(fù)極。3.7.2 X5045功能描述X5045把上電復(fù)位控制、看門狗定時(shí)器、電源監(jiān)控和塊鎖存保護(hù)的串行的EEPROM四種功能集成在單個(gè)封裝內(nèi)，從而提高了自身可靠性，降低了系統(tǒng)成本，并減少了對電路板空間的要求。上電復(fù)位控制的功能是在電源穩(wěn)定和振蕩器可靠振蕩條件下允許處理器執(zhí)行代碼?？撮T狗定時(shí)器對CPU(或MCU)提供了獨(dú)立的保護(hù)

27、機(jī)制。當(dāng)在可選的超時(shí)周期之內(nèi)控制器不能重啟定時(shí)器時(shí)，X5045看門狗激活RESET信號，使系統(tǒng)重新復(fù)位，退出故障。可選的三個(gè)超時(shí)周期有三個(gè)預(yù)置值(l.4s、600ms、200ms)，其預(yù)置方法是給狀態(tài)寄存器的看門狗位賦值的方式完成，賦值為00則看門狗定時(shí)周期為1.4s，賦值為01則看門狗定時(shí)周期為600ms，賦值為10則看門狗定時(shí)周期為2OOms，賦值為11則禁止看門狗功能。一旦通過編程預(yù)置，這個(gè)超時(shí)值將保持不變。X5045的電源監(jiān)控電路提供在VCC低于限值時(shí)，響應(yīng)RESET信號的功能，可使系統(tǒng)在開機(jī)、關(guān)機(jī)過程中穩(wěn)定可靠，不出意外。X5045的存貯器部分是CMOS的4K位串行EEPROM，結(jié)構(gòu)

28、為512*8的十六字節(jié)頁寫方式，串口協(xié)議為SPI.3.8 時(shí)鐘模塊圖3.10 DS13O2的管腳分布圖對電能表來說，它需要根據(jù)時(shí)間段的劃分來計(jì)量各時(shí)段的電能值，因此在電能表中需要一個(gè)時(shí)鐘芯片計(jì)時(shí)。DS1302是一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，它工作電壓寬達(dá)2.55.5V,采用三線接口與單片機(jī)進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè)318的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。3.9 wifi模塊3.9.1產(chǎn)品綜述我們這次設(shè)計(jì)用到的HLK-RM04是海凌科電子新推出的低成本嵌入式UART-ETH-WIFI(串口-以太網(wǎng)-無線網(wǎng))模塊，是

29、基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng) （WIFI）3個(gè)接口之間的轉(zhuǎn)換，其結(jié)構(gòu)功能圖如圖1。 產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格：表4-1產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無線標(biāo)準(zhǔn)：802.11g 802.11n 802.11b有線標(biāo)準(zhǔn)：802.3 802.3u 無線傳輸速率11n 150Mbps11g 54Mbps11b 11Mbps信道數(shù)114 頻率范圍2.4-2.4835G 發(fā)射功率1215DBM接口1個(gè)10/100Mbps LAN/WAN復(fù)用接口 接口天線類型板載天線/外載天線功能參數(shù)Wifi工作模式Client /AP /RouterWDS功能支持WDS無線

30、橋接無線安全無線MAC地址過濾無線安全功能開關(guān)64/128/152為WEP加密WPA-PSK/WPA2-PSK、WPA/WPA2安全機(jī)制網(wǎng)絡(luò)管理遠(yuǎn)程Web管理配置文件導(dǎo)入與導(dǎo)出Web軟件升級串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)最高傳輸速率230400bps TCP連接最大連接數(shù)20 UDP連接最大連接數(shù)20串口波特率50-230400bps 其他參數(shù)狀態(tài)指示燈狀態(tài)指示環(huán)境指示 工作溫度 -2070工作濕度 10%90%RH 不凝結(jié)儲(chǔ)存溫度 -4080儲(chǔ)存濕度 5%90%RH 不凝結(jié)其他性能頻段帶寬可選：20M 40M 自動(dòng)4 電能表的軟件設(shè)計(jì)4.1 電能表的軟件實(shí)現(xiàn)根據(jù)電能表的硬件電路設(shè)計(jì)，電能表運(yùn)行的過程可以表述為:

31、1. 當(dāng)CS5460A未輸出電能脈沖和方向脈沖以及中斷脈沖時(shí)，單片機(jī)AT89C51循環(huán)執(zhí)行清看門狗程序、執(zhí)行顯示本月累計(jì)電量值的顯示程序、判斷是否更新時(shí)段值、判斷是否有紅外線通信發(fā)生、讀CS5460A的電流瞬時(shí)寄存器和電壓瞬時(shí)寄存器的值以判斷是否該過電流或過電壓或欠壓斷電保護(hù)。完成以上功能后程序隨時(shí)準(zhǔn)備接收外部中斷和，每循環(huán)一次程序就查詢一次按鍵開關(guān)的狀態(tài)，根據(jù)所按的開關(guān)執(zhí)行相應(yīng)的程序。2. 當(dāng)CS5460A的電能輸出引腳（）和電能方向指示器引腳（）輸出脈沖時(shí)，中斷服務(wù)程序根據(jù)記憶在時(shí)鐘芯片DS1302中的時(shí)段參數(shù)以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘的值來判斷當(dāng)前的時(shí)段類型，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷進(jìn)行電量的累加。將結(jié)果存放到擴(kuò)展的數(shù)據(jù)