畢業論文--基于單片機的多費率電表設計-文庫吧

【正文】 優異的穩定性和精度。 由上比較在計量模塊上我選擇了 ADE7758 作為測量電量的模塊。 單片機選擇 單片機是用于接收用電量信息，累計電能脈沖，按時段處理電能數據，控制顯示器按要求顯示和實現通信功能等 常用器件有 PIC16 系列單片機、 MCS－ 51 系列單片機和 BL0938 微控制器等。這些單片機一般都帶有多個 I／ O 口，內含一定字節的 ROM、 RAM，有的單片機還含有實時時鐘、通信口和“看門狗”等。如， BL0938 微控制器，片內嵌有高精度低功耗實時時鐘，采用獨立的電源供電。系統掉電時能自動切換到備用電源，保證時鐘正常工作。高穩定的實時時鐘電路可根據外部環境進行自動校準，通過遠程控制或遙控校表。實時時間可以精確到秒，日均誤差小于 0． 5s。內置時鐘的設計使系統設計簡單化，節省了成本，提高了系統的可靠性。 顯示模塊的對比與選擇 有電量的測量，就相應的也應該要有顯示模塊來顯示，可直觀的說明情況，顯示模塊有 PCF8563T，具有極低功耗，高數據傳輸的特點。 但價格上偏貴點，HC1602 顯示芯片在功耗上也是低功耗，而且 HC1602 芯片以其微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧 所以從實際情況中出發，我選擇了 HC1602 作為本次論文的顯示芯片。3 系統結構框圖與設計要求 系統結構框圖 系統結構框圖是系統產品化的基礎，它包含了系統的硬件選擇及軟件開發，是在對系統功能、技術指標、性價比、元器件的可購性等因素進行可行性分析的基礎上，對多個方案比較權衡后確定。系統結構框圖參考圖 31 所示。 圖 31 系統結構框圖 應用 軟件進行系統原理圖設計和 PCB 電路板設計，參考附錄 A和附錄 B 所示。系統結構框圖有以下幾個模塊組成，計量模塊、主控模塊、顯示模塊、存儲模塊、看門狗復位模塊、時鐘模塊、 RS 一 485 通信模塊、計量回路選通模塊、后備電源和主電源切換電路等。 采用 ADE7758 計量芯片和 AT89C52 設計三相電能表，單片機的 TO、 T1 對ADE7758 的 APCF、 VARCF 端子發出的脈沖計數，實現有功、無功等多個電量參數的計量。單片機通過 12C 總線進行電量參數的定時存儲，通過按鍵進行電量參數的查詢，通過液晶 HCl602 進行電量參數的顯示，通過 RS． 485 總線進 行電量參數的遠程數據傳送，采用 AT24C02 芯片進行電量參數的存儲。考慮到存儲芯片擦寫次數的有限性，電量參數的計量累加在單片機內部完成。 DSl302 為分時段計量和定時存儲提供時間參數；通過三個功能鍵實現 DSl302 芯片時鐘的初值輸入調整。后備電源 LIR2032 為可充電的 鋰電池，充電時電流最大不超過 20mA。單片機復位采用 813L 芯片。單片機的 RXD、 TXD 串口預留作為 RS． 485 通信接口，文獻 [30]具體闡述了 總線通信過程的設計與實現。課題研究采用 485 芯片進行 總線與單片機的 接口電路設計，其中 通信軟件設計留待后續進行。 內容顯示與設計要求 課題內容圍繞三相電能表多個電量參數的計量、存儲、顯示、按鍵查詢展開。顯示分兩行顯示，每行 16 個字符。在參數顯示的同時進行代碼的顯示。若系統無中斷發生 渡晶顯示當前總的有功電量和無功電量，有功電量和無功電量代碼已為 E0、 R0，數據顯示格式如表 31，由 8 個整數位和 1 個小數位組成，顯示范圍 。 EO： RO： 系統配置三個功能按鍵，記為 K K K4．功能描述參考表 31 所示 表 31 計量數據顯示格式 按鍵類型 顯示界面示例 功能描述 K2 E1: E2: 顯示分時段計量的有功功率 K3 E3: E4: 顯示實時分段計量的有功電量 K4 P: V: 顯示瞬時有功功率 P、無功功率 V K2 、 K3 組合 0805/04/00:00:00 進入時鐘初值調整，光標指示調整對象 K K4 組合 H1:0002 0805/04/00:00:00 異常事件記 錄查詢 K K4 組合 E0: R0: 退出時鐘初值調整并返回主顯示 其中 R0、 E0、 EE E E P、 V、 H H H3 參考符號約定部分說明。顯 示碼在進行 LCD 顯示時表示顯示參數的物理意義，在源程序設計時，對應全局變量名電能計量結果通過三個功能按鍵進行查詢顯示，系統具體設計要求如下。 實現總的有功、無功等電能計量與顯示 z 通過按鏈查詢顯示分時段電量、功率分段電量和瞬時有功、無功功率。 通過對時問參數的檢測，實現電量參數的定時存儲和有功電量的分時段計量 。 通過按鍵進行時鐘初值輸入調整。 實現異常事件的中斷記錄，其中異常事件包括斷相、過流、過壓等三種情況。 4 系統硬件電路設計及介紹 本章節進行系統硬件電路設計、功能模塊劃分和元器件選型。圍繞 ADE7758外圍電路設計，闡述了電能計量原理．并進行有關電路參數計算；圍繞 AT89S52外圍電路設計，闡述了各功能模塊與單片機的接口電路設計；最后介紹了電源模塊設計及其特點。 圖 41 ADE7758 引腳配置 計量芯片 ADE7758 置及功能描述 計量芯片 ADE7758 引腳配置如圖 41 所示。該芯片采用 SOIC 封裝，有 24個引腳， 76 個寄存囂 :電壓通道采用 16 位∑ △型 ADC，動態范圍 20:1；電流通道采用 24 位∑ △型 ADC，動態范圍 500:1。在 10MHz 晶振驅動下，最大采樣速率 25ksps。 引腳功能描述參考表 41 所示。 表 41 ADE7758 引腳功能描述 ADE7758 pin function description 引腳編號 助記符 功能及應用 1， APCF, 有功脈沖輸出，與單片機的 T0 口相接，通過計數實現有功電量的累加； 17 VARCF 無功脈沖輸出，與單片機 T1 端口相接，通過計數實現無功無量的累加， 2,11 DGND,AGND 分別為模擬部分，數字部分接地引腳，需直接接地。 分別為模擬部分，數字部分 5V 電源引腳，對地接 10μ F 和 F 并聯電容去耦。 ； IAP,IAN 。 IBP,IBN。 電流通道模擬信號差動輸入；本方案選擇輸入信號最大為177。 。 ICP,ICN 12 REF in/out AD 采樣參考電壓，對地接 10μ F 和 F 并聯電容去耦。 13， 14 15, 16 VN,VCP VBP,VAP 電壓 通道模擬信號單端輸入。方案選擇輸入信號最大為177。 18 IRQ 中斷輸出引腳，外接 10K 上啦電阻，低電平有效；與單片機 INT1 端口相接。 19,20 CLKIN, CLKOUT 10MHz 輸入、輸出引腳。 21,22 23,24 CS,DIN, SCLK,DOUT 4 線 SPI 串行接口，實現片內寄存器的寫入及電量參數、中斷數據的獨處； CS 低電平選通， DIN 端口時鐘下降沿數據輸入， DOUT 端子時鐘上升沿數據輸出。 路原理 計量電路采用 ADE7758 專用電能計量芯片，由信號衰減網絡和濾波網絡兩部分組成。衰減網絡用來實現負荷電流、電壓信號的衰減，由電流傳感器、電壓互感器組成；濾波網絡用來實現抗混疊濾波，由電阻、電容元器件組成。文獻 [31]提出不對稱的三相四線系統的濾波設計方案。頻率混疊是 A/D 信號采樣處理中的特有現象，混疊會產生假頻率假信號，影響測量結果。在進行電流、電壓信號衰減后，要進行抗混疊濾波設計。 計量電路原理參考圖 4― 2 所示。電流回路由電流傳感器進行信號取樣，電壓回路由電壓互感器進行信號取樣。計量芯片 ADE7758 對取樣信號進行處理，計算出瞬時有功、無功功率。平均有功、無功功率通過瞬時功率 的直流分量獲得。在電量累加寄存器中對平均功率進行累加得到分相電量；分相電量可以通過 SPI端口讀出，也可以轉換為計量脈沖輸出。 ADE7758 有兩路脈沖輸出，對應端子為APCF 和 VARCF。脈沖輸出頻率與能量寄存器中累加的能量成正比，通過對脈沖計數實現電量參數的累加。 圖 42 計量電路原理圖 以 ADE7758 的 A 相電流、電壓通道為例分析。參考圖 4― 2 所示，電流通道采用差動方式輸入，信號電壓小于 ；設計最大負荷電流時為 。 IAP 為差動信號的正極性輸入端子， IAN 為負極性輸入端子：各端子的抗混疊濾波網絡由 lkQ 的電阻和 10nF 的電容組成。電壓通道采用單端方式輸入，設計額定電壓輸入時為 。發光二極管 LEDl 指示功率分段和變比切換情況。 為高電平時， CD4053 的 ay 端子與 a 選通， A 相小變比電流檢測信號選通，對應低負荷計量模式 : 為低電平時， ay 端子與 a 選通，高變比電流檢測信號選通，對應正常負荷計量模式，此時 LEDl 導通發光。 電流傳感器在工作時二次端不允許斷路，在設計時采用 Rbl、 Rb2， Rb Rb4作為 二次端高低變比計量回路的分流電阻，阻值大小為 Q。在進行電流信號檢測時， 兩組計量回路彼此獨立，通過 CD4053 芯片進行選通。對于 B、 C 兩相電路結構，設計與 A 相同。虛線框內電路已完成 PCB 電路設計，框外衰減網絡在仿真試驗時通過分壓電阻網絡進行等效替代。 路設計 接口電路用來實現 ADE7758 與單片機的數據通信，一方面可以通過 SPI 口進行計量芯片 ADE7758 的初始化，另一方面 ADE7758 把數據處理的結果以脈沖形式或 SPI 口送出，供單片機進行計量處理。 ADE7758 與單片機接口電路設計如圖 43所示。與接口電路有關的全局變量說明如下：長整型變量， RO,EO、 E E EE P、 V，字符型變量， H H H3。去耦電容 C C6 的作用是濾除芯片電源輸入中的尖峰脈沖成分，旁路電容 C29 的作用是使 ADE7758 電源電壓輸入保持基本穩定。在進行 PCB 電路設計時，在每一芯片的電源輸入端子外接 心的去耦電容，以提高電路的抗干擾性能。 R R9 為限流電阻，對單片機的 I/O 口起到限流保護作用。 ADE7758 每產生一個有功或無功脈沖，對應的 LED3 或 LED2 會閃亮一次。 IRQ 為 ADE7758 中斷輸出端子，低電平有效，漏極開路，外接 lOkQ 的上拉電阻。當 ADE7758 檢測到中斷發生時， IRQ 向低電平跳變，發出 INTl 中斷申請；單片機通過讀取 ADE7758 狀態復位寄存器內容，判斷中斷事件的類型。 9C52 AT89C52 是一款單片封裝的微控制器，具有 8k 的程序存儲和 256 個字節的數據存儲，可以滿足中小規模軟件編程需要。 主要功能特性 兼容 MCS51 指令系統 8k 可反復擦寫 大于 1000 次） Flash ROM； 32 個雙向 I/O 口； 256x8bit 內部 RAM； 3 個 16 位可編程定時 /計數器中斷； 時鐘頻率 024MHz； 2 個串行中斷，可編程 UART 串 行通道； 2 個外部中