电能表的校验系统论文24768

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1、毕业设计论文题 目：电能表的校验系统 摘 要 该系统主要由显示模块、键盘模块、时钟模块、存储模块、通讯模块、CPU模块、CS5460A电能表芯片模块和前端电路调理模块部分组成。前端电路调理模块采用2mA/2mA的电流互感器和5A/2.5mA电流互感器和精密电阻实现对市电的转换，并采用RC滤波网络滤波,然后采用由美国CRYSTAL 公司的新型电能计量芯片CS5460芯片实现对电流、电压和电能的测量与转换；时钟模块采用DS1302时钟芯片为系统提供时钟基准，存储模块采用AT24C16，为系统提供数据存储；显示模块用OCMJ4X8CM液晶，通信模块采用Max232芯片，并利用AT89S52组成的CP

2、U模块控制所有芯片的工作、测量、计算电能，送往显示模块和存储模块进行实时显示和存储，并通过标准232接口送往PC上位机进行同步显示，并且本电能表还设有GPIB 地址，以便于电能管理系统对电能的管理。关键字：CS5460A；AT89S52；232通讯；OCMJ4X8CM； AbstractThis system is mainly revealed the module, keyboard module, clock module, store module, communicate module, CPU module, CS5460A electric energy meter chip m

3、odule and front circuit look after the part of the module to make up. The front circuit recuperates the module and adopts electric current mutual inductor and 5A/2.5mA electric current mutual inductor and accurate resistance of 2mA/2mA to realize the conversion of the city electricity, and adopt RC

4、to strain the wave network and strain the wave, then adopt measure chip, CS5460 of chip, realize to electric current, voltage, measurement and conversion of electric energy by new electric energy of Company, CRYSTAL of U.S.A.; The clock module adopts DLS1302 clock chip to offer the clock basis for s

5、ystem, stores the module and adopts AT24C16, offer the data for system to store; Reveal the module uses OCMJ4X8CM liquid crystal, the communication module adopts Max232 chip, and utilize CPU module that AT89S52 makes up to control the work of all chips; Measure, calculate electric energy, send to is

6、 shown the module and stores the module and pays revealing and storing in real time, send PC to location plane go on reveal and this electric energy meter have GPIB address also synchronously through standard 232 interface, so that the control over electric energy of administrative system of electri

7、c energy. Keywords: CS5460A; AT89S52; 232communication;OCMJ4X8C； 目 录摘要IABSTRACTI第一章 数字电能表校验系统的简单介绍11.1电能表校验系统的发展概况21.2 电能表校验系统设计背景41.3电能表的特点及部件介绍51.4 电能表的发展趋势6第2章 总体方案设计72.1功能要求92.2 方案论证122.2.1核心芯片的选择142.2.2 模数转换芯片的选择及其连接原理162.2.3设计方案182.3 CS5460A的概述192.3.1 基本结构及功能202.3.2 主要特征222.3.3 操作时序24第3章 系统硬件设

8、计与实现253.1 直流稳压电源的设计 263.2 前端电路调理模块的设计273.3 电能表测量模块的设计283.4 通讯模块的设计293.5 液晶显示的设计30第4章 系统软件设计324.1主程序流程图334.2系统初始化子程序344.3 系统子程序模块35第5章 系统调试355.1硬件调试365.2软件调试375.3 系统整体电路图375.4 误差分析及改进措施38第6章 总结与展望39致谢40参考文献41第1章 数字电能表检验系统的简单介绍1.1 电能表检验系统的发展概况最近十几年来，随着半导体技术，集成电路（IC）和微处理器的发展，数字电路和数字化测量技术也有了巨大的进步，从而促使了数

9、字电能表检验系统的日新月异，并不断出现新的类型。数字电能表检验系统自1952年问世以来，大致经历了五代产品。第一带是电子管数字电能表检验系统，第二代属于晶体管数字电能表检验系统，第三代是中小规模集成电路的DVM。由大规模集成电路或超大规模集成电路构成的数字电能表检验系统，智能数字电能表检验系统属于第四代和第五代产品。经历了不断改进的过程，从最早采用继电器，电子管的型式发展到了现在的全固态化，集成化（IC化）,另一方面，精度也大大提高，而且从实验空用的高价的所谓的样品开始已发展到了现在的廉价型，进而出现了能够用于安装板上作指示仪表的安装型。近年来，许多厂家通过积极引进，吸引国外先进技术，努力赶超

10、先进水平，现在能够大批量生产多种，精，尖的数字电能表检验系统以相应的标准源，校验仪。新单片数字电能表检验系统以其高准确度，高可靠度，高分辨力，高性价比等优良特性倍受人们的青睐。本设计在分析研究和总结了单片机技术的发展历史及趋势的基础上，以使用可靠，经济，精度高等设计原则为目标，设计出基于单片机的数字测量电能表检验系统。单片机有着微处理所具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可用软件控制来实现，并能够实现智能化。由于单片机具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点

11、，因此，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品，家用电器，智能化仪器仪表，过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。1.2 数字电能表检验系统的设计背景计算机已经广泛的运用于我们的日常生活中，在自动控制领域，计算机是检测，控制的核心。而计算机所采集的数据，很大一部分是跟电压有关，此时所需要的电压值并不是模拟电能表检验系统所能提供的，数字电能表检验系统此时便油然而生，数字电能表检验系统不但是提供数字信号的电压值，很大程度上比传统的电能表检验系统更为精确，也更加容易的操作。1.3 数字电能表检验系统的特点及部件介绍数字电能表检验系统（digital-voltmeter）简称DVM，

12、它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流电压输入）转换成不连续的，离散的数字形式并加以显示的仪表。数字电能表检验系统是诸多数字化仪表的核心与基础，电能表检验系统的数字化是将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示的，跟以前传统的指针型的电能表检验系统有很大的不同，避免了读数的视差和视觉疲劳。目前数字电能表检验系统的核心部件是A/D转换器，转换器的精度很大程度上影响着数字电能表检验系统的准确度，数字式电能表检验系统是又高阻抗电能表检验系统头与分压电路组成的。以下是各个功能部件的介绍：AD转换器：将输入的模拟信号转换成数字信号。基准电压：提供精密电压，供A/D转换器作参考电

13、压。译码器：将2-10进制（BCD）码转换成七段码。驱动器：驱动显示的a、b、c、d、e、f、g七个发光段，驱动发光数码管（LED），进行显示。显示器：将译码输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换的结果。电路工作：数字电能表检验系统通过位选信号进行动态扫描，由于A/D转换结果是采用BCD码多路调制方法输出，只要配上一块译码器，就可以将转换结果以数字方式实现四位数字的LED发光管动态扫描显示，输出的多路调制选通信号DS选通脉冲搞电平宽度为18个时钟脉冲周期，两个相邻选通脉冲之间间隔2个时钟脉冲周期。DS和EOC的时序关系式在EOC脉冲结束后，紧接着是DS1输出正脉冲。一下依次为DS2，DS3

14、和DS4选通期间，Q0到Q3输出BCD全位数据，即以8421码方式输出对应的数字0-9.在DS1选通期间，Q0-Q3输出十位的半位数0或1及过程量程，欠量程和极性标志信号。1.4 数字电能表检验系统的发展趋势数字电能表检验系统(以下简写为DVM)从1952年问世以来,经历了不断改进的过程,从最早采用继电器、电子管的型式发展到了现在的全固态化、集成化(IC化), 另一方面, 精度也从0.1%提高到了现在的0.01%0.005%,而且从实验室用的高价的所谓的样品开始已发展到了现在厂矿企业广为利用的所谓的廉价型, 进而出现了能够用于开关板上作指示仪表的开关板型。在此，将根据数字电能表检验系统各种型式

15、所出现。在电量的测量中，电压，电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常。电学参量测量技术涉及范围广，使用于学校，工业，科研等各个领域，供实验室和工业现场测试用。而且随着电子技术的发展，在数字化，智能化，科技化为主的今天，数字电能表检验系统已成为电能表检验系统设计的主要方向，在当前电压测量系统中占有非常重要的位置。更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电能表检验系统就成为一种必不可少的测量仪器。在电气测量中，电压是一个很重要的参数。如何准确测量模拟信号的电压值，一直是一个研究的课题。第2章 系统设计2.1 功能要求拟用微控制器，A/D转换器，逻辑门电路，七段数码显示器等设计一个数

16、字电能表检验系统，通过编程实现测量输入的电压量，并以数字形式显示。2.2 方案论证2.2.1 核心芯片的选择本系统选择AT89S52作为核心芯片，主要性能如下：1、与MCS-51单片机产品兼容2、8K字节在系统可编程Flash存储器3、1000次擦写周期4、全静态操作：0Hz33Hz5、三级加密程序存储器6、32个可编程I/O口线7、三个16位定时器/计数器8、八个中断源9、全双工UART串行通道10、低功耗空闲和掉电模式l1、掉电后中断可唤醒l2、看门狗定时器l3、双数据指针l4、掉电标识符功能特性描述：1、AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K在系统可编程Fla

17、sh存储器，32位I/O口线，三个16位定时器/计数器，另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。2、引脚结构及作用如图5所示，为AT89S52管脚图。VCC: 电源GND: 地P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口

18、，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。 P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数

19、据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制

20、信号。RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1

21、”，ALE操作将无效。这一位置 “1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP

22、 电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。2.2.2 模数转换芯片的选择及其连接原理本系统采用A/D0809转换器，ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。A/D转换器如下图2所示。图2 ADC0809的内部逻辑结构由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的

23、数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。下面简单介绍下ADC0809的内部结构，如图3所示. 图3 引脚结构IN0IN7：8条模拟量输入通道ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道

24、选择表如下表1所示。表1 通道选择表CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线：11条ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号

25、必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（），VREF（）为参考电压输入。ADC0809应用说明：（1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S52单片机直接相连。（2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。（3）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。（5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。（6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。 单片机的P0口作为地址、数据总线分时使用，P3口的片外读写端子通过指令控制ADC0809启动、停止、数据的读取等，0809的ALE锁定选通的通

26、道进行转换，START是启动转换，CLOCK是转换速度控制器，通过脉冲频率的大小来控制速度，单片机的ALE信号直接连到ADC0809的CLK引脚，P2.7口作读/写口的选通地址线。 2.2.3 设计方案 本文运用AT89S52和AD0809进行A/D转换,根据数据采集的工作原理,设计实现数字电能表检验系统,最后完成单片机与PC的数据通信,传送所测量的电压值 数字电能表检验系统的设计和开发,已经有多种类型和款式。传统的数字电能表检验系统各有特点,它们适合在现场做手工测量,要完成远程测量并要对测量数据做进一步分析处理,传统数字电能表检验系统是无法完成的。然而基于PC通信的数字电能表检验系统,既可以

27、完成测量数据的传递,又可借助PC,做测量数据的处理。所以这种类型的数字电能表检验系统无论在功能和实际应用上,都具有传统数字电能表检验系统无法比拟的特点,这使得它的开发和应用具有良好的前景。新型数字电能表检验系统的整机设计,该新型数字电能表检验系统测量电压类型是直流,测量范围是0+5V。整机电路包括:数据采集电路的单片机最小化设计、单片机与PC接口电路、单片机时钟电路、复位电路等。下位机采用AT89S52芯片,A/D转换采用AD0809芯片。通过RS232串行口与PC进行通信,传送所测量的直流电压数据。数据采集电路的原理 在单片机数据采集电路的设计中,做到了电路设计的最小化,即没用任何附加逻辑器

28、件做接口电路,实现了单片机对AD0809转换芯片的操作。AD0809是一种高档的、多功能的12位ADC,由于其内部自带有采样保持器、高精度参考电源、内部时钟和三态缓冲数据输出等部件,所以只需要很少的外部元件就可以构成完整的数据采集系统,而且一次A/D转换仅需要5ms。在电路应用中,AD0809采用同步工作方式,12位数字量输出采用8位操作模式,即12位转换数字量采用两次读取的方式,先读取其高8位,再读取其低4位。根据时序关系,在芯片选择/CS=0时,转换端/SC由高到低变化一次,即可启动A/D转换一次。再查询转换结束端/EOC,看转换是否已经结束,若结束则使输出使能/OE变低,输出有效。12位

29、数字量的读取则要控制高字节有效端/HBE,先读取高字节,再读取低字节。整个A/D操作大致如此,在实际开发应用中调整。 由于电路中采用AD0809的双极性输入方式,输入电压范围是0+5V,根据公式Vx10(V)/4096*Dx,即可计算出所测电压Vx值的大小。式中Dx为被测直流电压转换后的12位数字量值。RS232接口电路的设计AT89S52与PC的接口电路采用芯片Max232。Max232是德州仪器公司(TI)推出的一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含2个驱动器、2个接收器和1个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。Max232芯片起电平转换的功能,使单片机的TTL电平与PC的

30、RS232电平达到匹配。串口通信的RS232接口采用9针串口DB9,串口传输数据只要有接收数据针脚和发送针脚就能实现:同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连,两个串口相连或一个串口和多个串口相连。在实验中,用定时器T1作波特率发生器,其计数初值X按以下公式计算: 串行通信波特率设置为1200b/s,而SMOD=1,fosc=6MHz,计算得到计数初值X=0f3H。在编程中将其装入TL1和THl中即可。为了便于观察,当每次测量电压采集数据时,单片机有端口输出时,用发光二极管LED指示。软件编程 软件程序主要包括:下位机数据采集程序、上位机可视化界面程序、单片机与PC串口通信程序。单片机采用C语言

31、编程,上位机的操作显示界面采用VC+6.0进行可视化编程。在串口通信调试过程中,借助“串口调试助手”工具,有效利用这个工具为整个系统提高效率。单片机编程：下位机单片机的数据采集通信主程序流程、中断子程序、采集子程序。单片机的编程仿真调试借助WAVE2000仿真器,本系统有集成的ISP仿真调试。在采集程序中,单片机的编程操作要完全符合AD0809的时序规范要求,在实际开发中,要不断加以调试。最后将下位机调试成功而生成的.bin文件固化到AT89S52的Flash单元中。人机界面编程：打开VC+6.0,建立一个基于对话框的MFC应用程序,串口通信采用MSComm控件来实现。其他操作此处不赘述,编程

32、实现一个良好的人机界面。数字直流电能表检验系统的操作界面便可实现。运行VC+6.0编程实现的Windows程序,整个样机功能得以实现。2.3CS5460A概述2.3.1 基本结构及功能 CS5460A的内部组成模块如下： 一个电流通道可编程增益放大器其增益为10和50可选一个电压通道固定增益放大器，其增益为10两个同时采样的AD模数转换器两个高速数字滤波器两个可选用的高通滤波器一个功率计算引擎一个片内电压基准一个可以检测电力不足或电源故障的电源监视器 一个持续监视串口通讯的看门狗 一个可选的内部时钟发生器 一个双向串行接口 一个电能、脉冲变换器 一个校准用SRAM2.3.2 主 要 特 性（1

33、）在片计算和处理功能；（2）可以从串行E2PROM 智能“自引导”,不需要微控制器,具有电能-脉冲转换功能；（3）具有AC或DC系统校准功能；（4）具有简单的三线数字串行接口,可以方便地进行读写；（5）看门狗定时器；（6）片上 2.5 V 基准（6010-6/OC）,单电源 +5 V 或双向 2.5V10电源；（7）具有功率方向输出指示；（8）能够测量瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率、电能、电压有效值和电流有效值，能完成电能/脉冲转换；（9）电能测量精度：0.1%；（10）具有相位补偿和系统校准功能；（11）具有机械计度器/步进电机驱动器；（12）内带电源监视器；（13）电能数据线性度：在1000

34、 ：1 动态范围内线性度为 0.1%；（14）功率消耗12mW；（15）电源配置： VA+=+5V,VA-=0V;VD+=+3V+5V或VA+=2.5V,VA-=-2.5V;VD+=+3V 图2-2 CS5460内部结构图2.3.3 操作时序CS5460A串行口包括4条控制线：串行时钟（SCLK）、串行数据输入（SDI）、串行数据输出（SDO）和片选（CS），器读写时序如图2-3所示：CS5460A的串行接口部分集成了一个带有发送/接收缓冲器的状态机，状态机在SCLK的上升沿解释8位命令字。根据对命令的解码，状态机将执行相应的操作，或者为被寻址的寄存器的数据传输做准备。读操作需将被寻址的内部寄

35、存器的数据传送到发送缓存区，写操作在数据传输前要等24个SCLK周期。内部寄存器用于控制ADC的功能，所有寄存器都是24位。上电复位后，串行状态机初始化为命令模式，等待接收有效的命令（输入串口的前8为数据）。在完成对有效命令的接收和解码后，状态机将指示转换器执行系统操作或从内部寄存器输入输出数据。当启动了读命令，串口将在下8个、16个或24个SCLK周期启动SDO脚上的寄存器内容的转移（从高位开始）。寄存器读指令可以终止在8 位的边界上（例如，读出时可只读8，16或24位）。同样，数据寄存器读出允许采用“命令链”。 因此读寄存器时，微控制器可同时发送新指令，新指令将被立即执行，并可能终止读操作

36、。例如，命令字送入状态机读取某一输出寄存器，进行了16 个连续的读数据串行时钟脉冲后，执行写命令字（如状态寄存器清零命令），数据从SDI 引脚输入，同时剩下的8 位读出数据被传送到SDO 引脚。又如，用户仅需从读操作中获取16位有效位时，可在SDO读出8位数据后从SDI输入第二个读命令。在读周期，当从SDO 引脚输出数据时，必须用SYNC0指令（NOP ）使SDI 引脚处于选通态。 图2-3 CS5460A操作时序图2.4其他模块部分2.4.1前端调理电路部分方案一：采用电阻网络分压、分流的方式将大电压、大电流转换成CS5460A能接收的电压信号，该方案电路复杂，难于调试，精度低，且不能实现芯

37、片与电网的隔离，故不采用。方案二：采用电流互感器与精密电阻网络组成调理电路，将电压和电流转换为芯片可以就收的电压信号。该方案设计简单，精度高，且实现了芯片与电网的隔离，保证了芯片的安全，故本设计采用此方案。2.4.2主控芯片电子式多功能电能表硬件的核心MCU主控制器,它负责按键输入扫描、工作状态检测,计量数据的读入、计算和存储、电表参数的现场配置以及与外界的通信控制等。本系统采用AT89S52单片机实现，AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，片上Flash允许程序存储器在系统可

38、编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，具有双工UART串行通道，可实现ISP在线编程功能，内部集成了看门狗定时器、双数据指针、全新的加密运算，使程序的保密性增强，兼容性强，软硬件调试方便。内部RAM和ROM可满足逻辑控制和算数运算。因此，使用该MCU作为主控芯片可以方便的设计电路。2.4.3 显示部分由于本设计显示的参数较多，显示部分采用OCMJ4X8C液晶。OCMJ4X8C液晶示模块可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。提供三种控制接口，分别8位微处理器接口，4位微处理器接口及串行接口（OCMJ4X16A/B无

39、串行接口）。所有的功能，包含显示RAM，字型产生器，都包含在一个芯片里面，只要一个最小的微处理系统，就可以方便操作模块。内置2M-位中文字型ROM (CGROM)总共提供8192个中文字型(16x16 点阵)，16K-位半宽字型ROM (HCGROM)总共提供126 个符号字型(16x8点阵)，64 x 16-位字型产生RAM (CGRAM)，另外绘图显示画面提供一个64x256点的绘图区域（GDRAM），可以和文字画面混和显示。提供多功能指令：画面清除（Display clear）、光标归位（Return home）、显示打开/关闭（Display on/off）、光标显示/隐 藏 （Cur

40、sor on/off）、显示字符闪烁（Display character blink）、光标移位（Cursor shift）、显示移位（Display shift）、垂直画面卷动（Vertical line scroll ）、反白显示（By_line reverse display）、待命模式（Standby mode）。 主要参数： 1、工作电压(VDD):4.55.5V 2、逻辑电平:2.75.5V 3、LCD 驱动电压(Vo):07V 4、工作温度(Ta):055(常温)/-2075（宽温）保存温度(Tstg):-1065(常温)/-3085(宽温) 本液晶不仅可以显示汉字，而且可以显示

41、多行，可以同时显示多测量量，便于观看和读取；还可以串行通信，占用I/O口少，便于控制。2.4.4 通信模块同步通信占用的资源较多，而且需要外部时钟提供同步信号以提高接受数据的准确性，外围电路比较复杂，传输中出现错误，则成批数据报废，而异步通信外围电路简单，传输速度快。所以我们采用串口异步通信。使用RS-232C做接口标准的通讯模块，传输速率为20kbps,在15m范围之内，可进行有效通讯，而且可直接和PC机相接，有利于进一步的功能扩展，使用也比较方便。由于89S52单片机输入、输出电平为TTL 电平, 而PC机配置的是RS- 232C 标准串行接口, 两者的电气规范不一致,单片机中的信号电平是

42、TTL 型的,而RS-232C采用负逻辑，为了完成与RS- 232C 通信总线数据通信的功能,必须进行电平转换。两种电平转换电路通常是由专用电平转换芯片MAX232来实现的,可实现RS- 232C 与TTL电平的转换。2.4.5时钟模块 时钟模块采用DALLAS 公司推出的DS1302 。它内部含有一个实时时钟/日历和31 字节静态RAM ，通过简单的串行接口与单片机进行通信，实时时钟/日历电路提供秒分、时、日期、月 2-4 1302管脚图年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式，。DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的

43、方式进行通信，仅需用到三个口线：1 RES 复位，2 I/O 数据线，3 SCLK串行时钟时钟，RAM 的读/写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信，DS1302 工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW，DS1302 是由DS1202 改进而来增加了 以下的特性，双电源管脚用于主电源和备份电源供应，Vcc1 为可编程涓流充电电源附加七个字节存储器，它广泛应用于电话传真便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域，其管脚功能图如图2-4所示。如图2-4 1302管脚图2.5.6存储部分存储部分采用AT24C16存储芯片，其具有以下特性特性：* 与400KHz I2C 总线兼

44、容* 1.8 到6.0 伏工作电压范围* 低功耗CMOS 技术* 写保护功能当WP 为高电平时进入写保护状态* 页写缓冲器* 自定时擦写周期* 1,000,000 编程/擦除周期 * 8 脚DIP SOIC 或TSSOP 封装 * 温度范围商业级工业级和汽车级AT24C16支持C总线数据传送协议,I2C总线协议规定,任何将数据传送到总线的器件作为发送器,任何从总线接收数据的器件为接收器,数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的,主器件和从器件都可以作为发送器或接收器,但由主器件控制传送数据发送或接收的模式。由于其控制引脚较少，占用单片机口线较少，在少量数据存储中有非常大优势，因

45、为在本设计中，我们只需将校表数据及少量的电能数据存储其中，以做到系统掉电时不丢失数据，免除每次开机时的校表过程，故选用控制引脚简洁的AT24C16将非常的合适。 如图2-5 AT24C16存储芯片第3章 系统硬件设计与实现3.1直流稳压电源的设计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。

46、自制电源原理如图3-1所示：图3-1 +5V直流电源的设计3.2 前端电路调理模块的设计3.2.1电压调理部分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2-2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125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。3.2.2电流调理部分 电流调理部分采用变比

47、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（可进行-2.4至+2.5的相位补偿，步进0.34），可以大大减小互感器角差的影响。图2-2 前端调理电路3.3 电能测量模块的设计经调理电路调理的电压信号、电流信号通过IIN+、IIN-、VIN+、VIN-接口送入电能表芯片CS5460，芯片经放大、滤波、采样、计算，计算出瞬时功率，并根据周期计

48、数寄存器内设定的计数周期计算出电能值、电流有效值、电压有效值，并将其存入相应的寄存器中，然后单片机通过与芯片通信将相应寄存器中的电能值、电压有效值、电流有效值读出，并送予液晶显示。CS5460也可将电能转化成与电能成正比的脉冲，由EOUT口输出，以便于电能表的检定。CS5460与单片机的连接图如图3-2所示：3.4 通讯模块的设计Max232是德州仪器公司(TI)推出的一款兼容RS-232C标准的芯片。Max232芯片起电平转换的功能,使单片机的TTL电平与PC的RS-232C电平达到匹配。串口通信的RS-232C接口采用9针串口DB9,串口传输数据只要将两个串口的“发送数据”与“接收数据”交

49、叉连接，再加上信号地线就能实现。串口通信又分查询和中断两种方式，在本系统中，通讯数据不固定，数据量大，所以采用中断方式进行通讯,具体电路图3-3所示：图3-2 CS5460A与单片机连接图图3-3 通讯模块硬件接线图在设计中,使用的是12MHz晶振，以定时器T1的方式1制定波特率，此时定时器T1相当于一个16位的计数器,其波特率计算公式如下:方式1的波特率=定时器T1的溢出率 （1）定时器T1的溢出率计算公式为：定时器T1的溢出率= （2）3.5 液晶显示的设计本设计采用液晶的串行接口，单片机通过液晶的串行口SIO向液晶寄存器写命令，进而实现对液晶显示的控制。其与单片机的连接图如图3-4：图3

50、-4 显示电路表2-1：串行模式引脚说明引脚名称方向说明引脚名称方向说明1VSS-GND(0V)5SDIIData2VDD-VCC(3/5V)6CSIEnable Signal3PSB-0:串行；1：并行7BLK-背光源负极（0V）4SCLKI串行时钟8BLA-背光源正极(+5V)3.6 键盘的设计 键盘用四个按键和四个下拉电阻构成简单的键盘，四个按键分别与单片机的平P2.4、 P2.5、 P2.6、 P2.7口连接，当键盘被按下后相应口被拉低为低图3-5键盘电平，进而实现对单片机的控制。连接图如图3-5：第4章 系统软件设计在单片机测量系统中，软件的重要性与硬件同等重要。硬件是躯体，软件是灵

51、魂，但系统的硬件电路确定之后，系统的主要功能还要靠软件来实现，而且软件的设计很大程度上决定了系统的性能。本系统的软件设计是在Keil ULINK的软件环境下采用C语言编程和调试的，Keil系列软件具有良好的调试界面，优秀的编译效果，丰富的使用资料，应用十分广泛，而C语言功能丰富，表达能力强，目标程序效率高，可移植性好，即具有高级语言的优点，又具有低级语言的许多特点，两者的完美结合，很好的实现了软件功能。4.1主流程图为了实现电能表的功能,软件可划分为:功能操作模块及系统参数自校正模块。系统功能操作模块的主要功能为:为系统与操作人员之间提供友好的交互界面,对系统进行有效的管理。因此该功能模块为该

52、电能表的核心部分。其工作流程图如图4 -1所示。MCU初始化硬件初始化软件工作变量初始化各模块初始化系统参数是否初始化ABBA主功能模块系统参数自校正模块初始化系统参数是否进入系统参数自校正NYYNNYY图4-1电能表软件流程图其中系统参数包括波特率、电能常数等,相应的初始化流程包括初始化GPIB 地址及波特率,初始化系统电能常数,初始化电流偏置系数,初始化电压偏置系数,初始化功率系数。设置GPIB 地址对于单个的电能表没有意义,该电能表用于电能管理系统中时,GPIB 地址特别重要,是本电能表区别于其他电能表的标志。系统参数自校正模块主要对该表的系统参数自校正提供一个管理界面,用户可以通过该功

53、能模块对该表的电压、电流、功率等参数进行校正,并把校正后的数据保存。主功能管理模块主要包括电能检定功能模块、电量测量功能模块、背景光开关功能模块、系统参数设置模块及日历时钟显示功能模块。其中电能检定功能模块主要用于送检,处于该状态时,电表把所测电能通过脉冲口输出,以便和标准表比较。4.2.系统初始化系统开始运行后，初始化程序将采集数据存放单元清0，将液晶显示数据存放单元清0,设置串口通信波特率为9600bit/s，并设置中断向量，初始化由边沿触发的外部中断0。4.3系统子程序模块4.3.1系统参数自校正模块满量程信号显示是否正确保存系统参数键盘调整测量显示NY图4-2 系统参数校准流程图系统参

54、数自校正模块主要对该表的系统参数自校正提供一个管理界面,用户可以通过该功能模块对该表的电压、电流、功率等参数进行校正,并把校正后的数据保存。其过程为：给输入通道加满量程信号，观察显示值，然后根据显示值通过键盘调整芯片内电压、电流、功率、等寄存器的参数，从而实现对系统参数进行校准，校准后将系统参数保存，以确保系统的精确测量。其流程图如图4-2所示：4.3.2电量测量功能模块CS5460A测量程序用来控制CS5460A对模拟输入电量的测量、转换和计算，并将相应的测量量，如：瞬时功率、电压有效值、电流有效值读取到单片机相应的寄存器中，然后单片机根据系统程序和键盘命令进行调用、输出、显示。其流程图如图

55、4-3：芯片采样计算存入相应寄存器键盘控制读取显示液晶显示图4-3测量流程图系统初始化进入测量模式第5章 系统调试根据方案设计的要求，测试过程共分为三大部分：硬件调试、软件调试和软硬件联调。电路按模块调试，各模块逐个调试后，再进行联调。单片机软件先在最小系统板上调试，确保外部电路正常工作后，再与硬件系统联调。5.1硬件调试硬件调试，查看个硬件模块电路的连线是否与逻辑图一致，用万用表检测有无短路或短路现象，器件的规格、极性是否有误。检查完毕，用万用表测量一下电路板正负电源端之间的电阻，排除电源短路的可能性。5.2 软件调试本系统的软件调试因AT89S52核心模块的使用而变得相对容易，keilc软

56、件开发环境，能判断语法差错和逻辑差错，判断程序无误后，可以直接下载到单片机中进行调试。5.1.3 软硬联调在软件和硬件都基本调通的情况下，进行系统的软硬件联调。按照由上向下，模块化设计的理念对模块逐个调试：首先，调通液晶显示模块，接着给芯片CS5460A的电压通道和电流通道通入满量程信号，根据液晶显示对芯片内的校准寄存器进行设置，进而对测量进行校准调试。调好后，即该芯片能正常工作后，再通以交流市电进行进一步校准调试。然后再调通讯模块，等模块逐一调通后，再进行联调。再连接成一个完整的系统调试。系统整体电路图5-1所示：5.3功能测试完成了整体调试后，对本设计进行功能测试，为了检验其精度,采用人工

57、方法对其进行了检定,采用的装置有:深圳科陆公司生产的CL311 多功能标准表,准确度是0. 05 级;深圳科陆公司生产的CL302 多功能电测产品检定装置,额定电压是220V ,标称电流是10A。实验测得数据如表1 所示:表5-1电能表测试数据(cos= 0. 5)电流U（V）I（A）P（W）2A实际表220.2842.0012221.687标准表220.2632.00189221.776误差0.0953%0.03447%0.04013%4A实际表220.2844. 0074442. 61标准表220. 268 4. 01001442. 806误差0. 00726 % 0. 06509 %0.

58、04426 %6A实际表220. 273 6. 0064662. 884标准表220. 263 6. 008663误差0. 00454 % 0. 02663 %0. 01750 %8A实际表220. 278 8. 0102883. 191标准表220. 271 8. 0104883. 48误差0. 00318 %0. 00250 %0. 03271 %10A实际表220. 281 10. 00991103. 252标准表220. 269 10. 00951103. 46误差0. 00545 % 0. 00400 %0. 01885 %12A实际表220. 28 12. 01441323. 50

59、9标准表220. 265 12. 01461323. 84图5-1系统整体电路图5.4误差的定性分析及改进措施由于器件精度的限制，前段调理电路很难做的十分精确，并且各种干扰对仪表的正常工作都是有害的，电子式表的设计中除含有随机误差外，信号线中电流产生的空间磁场，还有共模干扰，信号源中的谐波分量，本身固有的漂移和噪声引起的误差，为了有效地降低系统的误差，提高电子式电能表的精度，可同时采用硬件抗干扰和软件抗干扰技术。1.硬件抗干扰措施：(1) 空间磁场、高次谐波、漂移和噪声引起的误差：可在电压信号进入采样芯片时先通过RC有源低通滤波器，滤除干扰，再送往测试端。(2) 共模干扰：主要是数字地、模拟地

60、的干扰，可将模拟地与数字地分开接地。尽管我们采取了硬件抗干扰措施，但由于干扰信号产生的原因错综复杂，且具有很大的随机性，很难保证系统完全不受干扰。因此，往往在硬件抗干扰措施的基础上，采取软件抗干扰技术加以补充，作为硬件措施的辅助手段，软件抗干扰技术方法简单、灵活方便。 (1)针对前段调理电路很难做得十分精确的缺陷，可通过软件调整设置CS5460A芯片内部寄存器中的值来提高电能表的精确度。(2)对于AD采样时的误差，可通过缩小点间隔，取N次采样的平均值。总结经过不断地努力，坚持不懈的调试，查找并解决设计中出现的问题，系统最终达到了基本的要求，能够实现对电能、电压有效值、电流有效值、及功率的测量，

61、遗憾的是由于时间紧迫，后续的PC的通讯功能模块虽然硬件与软件设计准备工作已经做好也未能调试。串口通讯方面，传输距离增大，RS-232C就不能满足需求，可在后续的设计当中更换为RS-485，予以替代。系统参数自校正模块，校正时手动校正较麻烦，并且精度有限，可以通过编写系统参数自动校正程序，当系统打到系统参数自校正模式时，系统自动完成校正。而且设计的误差和精度方面受到各方面因素影响较大，系统的稳定性较差，有待于进一步的改进，还有很大的提升空间。参考文献:1张羽等. 单片机原理及应用 机械工业出版社 20073楼然苗.单片机课程设计指导 电子工业出版社 20074潘永雄新编单片机原理与应用M西安电子科技大学社 20035李莉等. C语言程序设计教程 科学出版社 20076北 高 智 电 子 有 限 公 司 .单相双向功率/电能IC .CS5460A7邓文,赵伟等.电能自动抄表技术及相关思考.电测与仪表J .2001.(1):58 .508赵伟,庞海波等.电能表技术的发展历程.电测与仪表J .1999.(6):47.55致谢转眼一个