基于CAN总线的电能损失监测仪的设计说明书

毕业设计题 目 基于CAN总线的电能损失监测仪的设计 学生姓名 学 号 专业班级 指导教师 学 院 答辩日期 毕业设计摘要社会的发展对于电能质量的要求越来越高，电能质量参数的实时、准确监控分析也日趋重要。借助CAN 数据通信突出的可靠性，实时性和灵活性的技术特点，设计一套基于CAN总线的电能质量监测通信系统，它可以监测到用户供电线路上的异常状态，发现非法用电行为，避免事故的发生和经济损失。可以实现对供电线路的工作状态和用户电能表计量的实时监测，监测信息显示，发出报警，并且可以根据监控中心需要，上传监测到的信息。关键词：电能质量；报警；CAN总线AbstractThe development of the society is increasingly high demand for power quality，Power quality parameters in real time ，accurate monitoring and analysis are becoming increasingly important . With outstanding reliability of the CAN data communication, the technical characteristics of real-time and flexibility, The design of a power quality detection communication systems based on CAN bus, it can monitor the abnormal state to the user on the power lines, illegal electricity consumption behavior, avoiding accidents and economic loss. The working status of the supply line and real-time monitoring of user METER monitoring information display, alarm, and upload monitoring information to the monitoring center needs. Keywords：the quality of electric energy；alarm；CAN Bus目录摘要1第一章 概述11.1设计背景11.2 电能量监测系统发展方向11.3设计的目的及意义21.4设计内容21.5电能计量设备异常及分析2第二章 方案论证52.1设计任务要求的分析52.1.1功能要求分析52.1.2性能指标分析62.1.3系统结构框图72.2电网信号采集单元72.2.1方案的提出72.2.2方案论证72.3总体方案的比较、论证与选择92.3.1方案一-感应-电子式测量92.3.2方案二-感应-机械式测量92.3.3方案的论证与确定102.4其他部分设计方案102.4.1电能表电量采集102.4.2显示单元选择10第三章 系统的硬件设计113.1单片机外围电路设计113.1.1单片机的选择113.1.2简介113.1.3 C8051F040最小系统电路设计133.1.4总结133.2电网电能测量电路硬件设计143.3电源213.3.1 ±5V、±12V直流电源213.3.2 +3.3V直流电源和+AV233.3.3 部分参数计算243.4 CAN总线单元243.4.1 CAN总线技术简介243.4.2 CAN总线的特点253.4.3 CAN总线控制器接口芯片PCA82C250253.4.4和其他通信方式的比较263.5 RS-232串行通信单元263.5.1设计思路及目的263.5.2 RS-232简介273.5.3 MAX232芯片简介273.5.4 小结283.6显示单元283.6.1设计思路与方案确定293.6.2 LCM12864ZK液晶模块简介293.7键盘303.7.1设计思路及方案确定313.7.2键盘电路单元323.8报警电路单元323.8.1设计思路及目的323.8.2硬件原理图33第四章 系统软件设计34第五章 设计总结43参考文献44英文原文45英文翻译51致 谢55附 录564毕业设计第一章 概述1.1设计背景电的发现和应用极大的节省了人类的体力劳动和脑力劳动，使人类的力量长上了翅膀，使人类的信息触角不断延伸。电对人类生活的影响有两方面：一是能量的获取转化和传输，二是电子信息技术的基础。当今世界人类生活已经离不开电能，随着我国经济的发展，电网已经遍布城乡，电能已经成为人们生产生活中必不可少的重要能源。电能量是供用电双方电贸易结算的依据，其计量的准确性直接影响到双方的贸易关系。在电能计量过程中，使电能表不能正确反映用电量而出现错误电量的情况，称为非正常计量。非正常计量问题不仅困扰电力企业的发展，也给国家造成了巨大的经济损失，年损失电量大于几十亿千瓦时。在我国一些地区或单位，偷漏电量竞超过了总用电量的30，其经济损失非常严重，据有关部门统计，我国每年因窃电而造成的电费损失超过50亿。另外，一些用户为了偷电，私自改接线路，这些情况不能被及时地发现，给供电线路以及用户自身埋下了可怕的安全隐患。而引起上述问题的根本原因在于线路和设备运行时实时数据缺乏，虽然目前一些系统有部分实时数据，如负荷管理的各种遥测量，但大多数管理系统中使用的还是非实时性数据，大多数情况下，都无法采取有效措施，及时避免设备和线路运行问题发生，阻止非法用电现象，为用户提供服务，从而直接或间接地影响了电力系统经济效益和社会效益的实现。因此，现在急需能够对电能的使用状况和供电线路的工作状态进行有效实时监控的工具，以避免由于非法用电产生不必要的经济损失，发生安全事故。1.2 电能量监测系统发展方向传统电能计量方式误差造成电力部门重大损失，难以满足电力市场计量的要求，今后发展方向应是智能化多功能电能表的分布式直接数字传送模式，数据传输逐步实现网络化。综上所述，电能监测系统正步入成熟发展阶段，向高端延伸。形成集现代数字通信技术、计算机软硬件技术、电能计量技术为一体的综合性实时信息采集与分析处理系统。以公共的通信网络和多种通讯方式实现系统计算机主站和现场计量终端之间的数据通讯。为电力市场提供更加快速、高效的服务，使电能得到合理的利用。1.3设计的目的及意义为了采集到线路和设备运行时的实时数据，以便于及时避免设备和线路运行问题发生，阻止非法用电现象，为用户提供服务。本设计充分析了电能计量，传感器技术，单片机应用技术等技术问题，参考了大量的解决方案，进行总体方案的论证、功能单元电路的分析、设计、整定计算，元器件选型，提出了一整套完整的设计方案。针对常见的一些偷电手段，设置了相应的监测和报警装置，一旦发现了异常状况，系统就会立即发出警报，工作人员从而可以迅速直观地看到故障信息，及时排除故障，制止偷电行为，实现了对供电线路的工作状态和用户电能表计量的实时监测。1.4设计内容采用微电子技术和单片机技术，通过接口电路将PT输出的电压计量信号和CT输出的电流计量信号进行采集处理，微处理器(MCU)对采集来的三相电压、电流计量信号进行各种运算处理，计算出相应三相交流电的有功功率、无功功率、功率因数以及各相的累加电量，这些数据存储在微处理器的存储单元中，可随时通过CAN总线数据包的形式将这些数据传送到远端的电量管理计算机，完成前端数据采集模块的功能。同时微处理器还可以通过RS-232串行通信接口对计量电表的数据采集，两者进行比较，来确定是否有窃电行为发生，以及供电线路是否处于正常工作状态，有何故障等。1、分析设计题目要求，根据系统功能要求，完成总体的设计方案；2、熟悉电能计量原理，传感器技术，单片机应用技术等技术问题，掌握检测、控制、通讯等技术要求；3、完成各个功能单元电路设计的系统进行硬件和软件设计（其中包括设计原理分析、方案比较、部分参数计算等）4、设计并绘制系统的电器原理图及软件流程图；1.5电能计量设备异常及分析造成计量装置异常的原因主要包括: 计量装置故障、系统干扰(主要是谐波) 、窃电。其中，窃电是造成电能计量设备异常的最重要和最经常的原因。(一) 计量装置故障分析如果计量装置的生产质量较差和配置不合理，或者长期在恶劣工况下运行， 就可能造成计量装置的故障，它包括电能表故障、互感器故障和计量回路故障等。计量装置故障最严重的后果就是造成装置本身完全无法工作，但是这种情况是比较少见的。通常情况下计量装置的故障是逐渐形成的，因此它所造成的常见后果就是计量装置综合误差的增大，电能计量设备综合误差包括电能表误差、互感器误差、PT二次回路压降引起的误差等。计量装置综合误差的大小取决于它的设计和制造水平，以及运行环境和运行时间等。正常情况下，计量装置综合误差的值是一定的, 它对于计量准确度的影响也是较小的。但如果有计量装置故障发生的话，其综合误差就可能变得很大，从而严重影响计量的准确性。(二) 系统干扰分析系统的干扰也可能造成计量装置的误差增大，进而对电能的正确计量产生不利影响。这里所说的系统干扰主要是指电力系统谐波的干扰。电力系统内的谐波主要来自于网内大量的电力电子设备和非线性负荷，它的存在给电力系统造成了污染，同时能够引起电能计量设备(主要是感应式电能表) 的计量误差。感应式电能表的设计是按基波情况考虑的，只能保证在工频附近很窄的频带范围内的工作性能，而当它在谐波状态下工作时，就会在谐波影响下产生较大误差。理论表明，感应式电能表的频率响应是下降性的， 即负荷频率增高时，计量误差为负.(三) 窃电分析所谓窃电，是指不法分子通过各种手段人为地造成电能计量设备的异常，导致计量装置对其用电量少计或不计，从而获取经济利益的行为。随着我国经济的快速发展和近几年来电费的提高，窃电犯罪不断增多，已经成为造成电能计量设备异常的最主要原因。窃电具有多种方式和手段, 从原理上分析, 主要包括欠压法窃电、欠流法窃电、移相法窃电、扩差法窃电、机械法窃电、无表法窃电等。窃电的手法很多，最常见的是从电能计量的基本原理。电能计量主要决定于电压、电流、功率因数三要素。因此，改变其中的任何一个或者改变电表本身的结构性能都可以使电表慢转、停转、甚至反转。单片机作为一个实时比较系统，在故障分析上占有很大比重。（1）失压 1）前端无电压，后端无，不进行处理； 2）前端有电压，后端无，故障报警“失压”。 以A相为例： 前端电压Ua=0 , 后端电压Ua=0, 不进行处理（也应报警，线路故障也记录） 前端电压Ua0 , 后端电压Ua60V, 故障报警“A相失压” （2）欠压 以A相为例： 前端电压Ua60V, （也应报警，线路故障也记录）60V< 前端电压Ua85V, 故障报警“A相欠压” （3）电流异常 如果前端电流与后端电流之差大于前端电流的（1%），作为故障，故障报警为“电流异常”。 以A相为例： (前端电流Ia后端电流Ia)/ 前端电流Ia小于1%前端电流Ia,作为故障，故障报警“A相电流异常” （4）错接线 以A相为例： 如果60°（前端A相无功/前端A相有功）<330° 则作为故障，故障报警“A相错接线”。 （5）表计异常 如果前端的总有功电度与用户电表的电度之差，大于前端总有功电度的10%，作为故障，故障报警“电表异常”。 例如： （前端的总有功电度用户电表的电度）/前端的总有功电度10%， 作为故障，故障报警“电表异常”。 在本系统中，关于计量回路异常情况判断的参数，均为系统默认值，可根据用户的实际情况，进行灵活设定，设定值直接输入，精确到1%。第二章 方案论证2.1设计任务要求的分析本设计的题目是“基于CAN总线的电能量损失监测仪的设计”。从任务书的设计背景、设计依据等内容可以看出，本设计的主要目的是要对电贸易结算中的非正常计量问题提出切实可行的解决方案。主要涉及到的设计内容是电能量计量。要想对计量的损失做出监测、计算和评估，首先监测仪本身要能正确测量，将这个“监测值”与计量电能表的“计量值”作比较，这样才能达到监测的目的。因此，本设计的主体应该为一个具备比较、判断、统计、报警及传递数据等功能的电能计量装置。根据毕业设计任务书的要求，本设计要求实现以下主要功能：1、线路电压、电流的幅值、相位的自动采集、转换、存储；2、读取电度表的实时计量值；3、比较计量结果，分析判断出失压、欠压、计量电流短路、开路或分流、错接线等故障；4、可当地显示线路电压值、线路电流值、计量故障信息；5、根据监控中心需要，定时上传线路电压值、线路电流值、计量故障信息；6、具有故障信息报警与越限报警功能；7、按照CAN总线协议，生成标准通信数据包。并且要达到如下的技术指标：1、额定工作电压：AC220V±10%（50Hz）；2、额定功耗：1W；3、工作环境条件：温度-20+55；湿度：95%；4、精度：1%。2.1.1功能要求分析 对各项功能要求作如下简单分析：1、线路电压、电流的幅值、相位的自动采集、转换、存储；要能采集0.38KV线路上的电压、电流幅值和相位的信息，首先要将电网上的大电压，大电流转换成幅值较小的电压，电流信号，这样既可以方便测量，又可以降低对测量设备在绝缘，保护等方面的要求，并且可以给以后的安装、维护等工作都带来很大的方便。要对这些采集、转换好的信息进行存储，则一般由电能表来完成，高新技术直接由计算机来取代电能表。2、读取电度表的实时计量值；要读取电能表的实际计量值，就必然要求电能表的计量值也是可以存储，并且可以被读出。3、比较计量结果，分析判断出失压、欠压、计量电流短路、开路或分流、错接线等故障；能够将监测仪的“监测值”与电能表的“计量值”作出比较，并且根据比较结果判断出各种故障，这要求监测仪具有逻辑判断功能。4、可当地显示线路电压值、线路电流值、计量故障信息；可以显示各种信息，应该具备必要的显示设备和必要的显示管理，从而正确显示功能要求现实的信息。5、根据监控中心需要，定时上传线路电压值、线路电流值、计量故障信息；此功能显然要求监测仪应具备一定的与PC通信的功能，同时也隐含对数据存储的要求。6、具有故障信息报警与越限报警功能；报警功能要根据判断出的故障信息正确报警，应该具备逻辑判断的功能。7、按照CAN总线协议，生成标准通信数据包。此项功能要求监测仪要具有CAN总线通信模块。2.1.2性能指标分析对各项性能指标作如下简单分析：1、额定工作电压：AC220V±10%（50Hz）；需要电源供电的器件，要选用额定工作电压为AC220V的型号，或做一个稳压电源。对于必须使用的器件，如果其额定电压不是将AC220V，要将交流220V降压变成合适的电压或者整流成小幅值直流电源。2、额定功耗：1W；在选用各个器件时，应进行必要的比较，尽量选用功耗小的器件。3、工作环境条件：温度-20+55；湿度：95%；在选用各个器件时，要选择工作环境温度和湿度负荷该项要求的器件。4、精度：1%；在测量和计算环节要考虑该项指标的要求，保证各个环节的精度，以使得设计出的整个系统满足精度要求。2.1.3系统结构框图C8051F040单片机CAN总线控制器PCA82C250 CAN总线用户电能表串行通信单元RS-232键盘输入电压传感器CHV-100/300LCD显示电流传感器ACS750LCA-075上位机键盘输入电压互感器CHG-300VB报警器电流互感器CT-04-30-4-W图21系统结构框图基于设计要求，系统主要由三个单元组成：电能量采集单元，计量分析单元和通讯网络单元。其中电能量采集单元又由两部分组成,电网线路电能量采集和电能表电量采集。通过串口电路的连接，实现电能量采集。按照以上系统图的设计思路，信号采集电路将采集来的幅值信号、相位信号送至到单片机，同时通过RS232将电能表的数据采集来送至单片机，由单片机对电压电流计量信号进行运算处理，计算出相应三相交流电的实际电能量再与从电能表中获取的电量值相比较，判断电能损失的原因，并将这些数据存储再微处理器的存储单元中，按照要求随时进行网络传输。2.2电网信号采集单元2.2.1方案的提出经过对文献资料的查阅参考，本单元拟定了如下的设计方案：方案一：=100V的电压互感器，=5A的电流互感器；方案二：输出为小幅值交流信号或直流信号的电流互感器/传感器。2.2.2方案论证方案一： 采用传统的计量用电压互感器和电流互感器。按照工程经验，对于0.38KV输电线路测量用互感器，一般选择二次侧电压为100V的电压互感器，二次侧电流为5A的电流互感器。然后使用分压网络或其它传感装置对100V和5A信号再次进行采样，取得更小的信号，再进行进一步的变换，使信号大小适合进入到后面的芯片、设备中。此方案的技术比较成熟，一般在互感器后接电压表、电流表、功率表等仪表做测量元件。但是，电压、电流互感器的选择、接线，以及其保护装置，二次侧导线截面积，长度都有要求，在计算选型，安装，运行维护等方面都比较繁琐，前期和后期的工作量都较大，需要投入的人力物力也较大。更为关键的是其输出电压、电流仍然较大，一般还需要经过二次变换，这样做会使系统更复杂，出现故障的几率增加。方案二：使用新型的电压、电流互感器。现在市场上有很多这样的互感器产品，产品的标称就是“电度表专用互感器”，它可以将交流电网上的电压、电流信号直接转换成小幅值的交流信号，甚至是小幅值的直流信号，对这样的小信号处理起来显然更为方便，方法也可以更为灵活。不难想象，实际经验也证明，这样的产品比起传统的电压、电流互感器，在选择、安装、调试等方面要方便和容易许多，还可以省去传统互感器对电网信号两次变换的繁琐，对测量精度提高有帮助，而且省去了许多复杂的保护设备，在经济性上也更胜一筹。随着电子计量技术的成熟，电子式电能表早已被广泛应用，方案二其实也已经非常常用，又因为它在选型、安装、调试、维护以及经济性等方面几乎全面优于方案一，因此选用方案二。方案二又可以有两种选择：1、分开采集信号的幅值信息和相位信息2、同时采集信号的幅值信息和相位信息下面来进行进一步分析：1、分开采集幅值信息和相位信息由于新型的电压、电流互（传）感器能输出直流和交流两种信号。对于幅值测量来说，直流信号更方便测量，因为互（传）感器输出的05V信号可以直接进入A/D转换器。因此使用可以输出直流信号的传感器来做信号的幅值检测，其输出直接进入A/D转换器。使用交流输出的互感器来做信号的相位检测，其输出直接进入后面的相位检测环节。这样做能使得信号在被测量之前经过尽量少的环节，保证测量的准确性，也避免了在纵向上系统的进一步复杂化。不足也是显而易见的，如果使用单相的互（传）感器的话，每相就要用到4个互（传）感器，三相就需要12个，在经济上的花费较大。2、同时采集幅值信息和相位信息就是在互感器输出的信号上对相位和幅值信息一次采集完，对相位信息来说，只能从交流信号上获得，因此，若要同时采集，就只能用交流输出的互感器。交流信号尽管就其幅值大小来说，可以直接进入单片机，但A/D转换器只能对单极性信号进行转换，因此，若使用交流信号输出的互感器，也还要再对信号进行必要的调理，才能用A/D转换器对其进行幅值的测量。信号的调理可以用加法器对交流信号进行电位抬升，给其加上一个直流信号，使其输出幅值从-+变为02。这时如果2超出了AD芯片的输入电压范围，可以比例缩小到合适的电压范围内。同样假设使用单相互（传）感器，这样做的好处是可以省掉六个互（传）感器，至多只需多添加六组电位抬升电路和放大电路，在花销上会带来节省。它的不足之处正如使用传统的电压、电流互感器一样，系统在纵向上变得复杂，不稳定因素增加，且精度容易受到影响。为了提高系统的稳定性和测量精度，选用分开采集相位和幅值信息的方案。2.3总体方案的比较、论证与选择设计的主体是具有一系列附加功能的电能计量装置，那么电能计量的设计方案自然应该成为本设计整个方案的核心，电能计量方案决定着其它的诸如电量采集、数据存储、数据通信、数据比较、信息显示、报警等功能的方案。目前常用的电能计量装置有两种，一是基于感应-机械式测量原理的，一种是基于感应-电子式测量原理的。下面对这两种电能表方案做出比较，论证。2.3.1方案一-感应-电子式测量首先要通过电压信号源器件将高压信号成正比的变为低压电信号，通过电流信号源器件将大电流信号成正比地变成小电流信号；然后通过传输线将这个低电压、小电流信号传输给AD转换器转换为数字量，再由计算机完成数据计算，存储，送显示器显示等功能，并可以完成通信的功能，是一种数字式测量方法。2.3.2方案二-感应-机械式测量该方案使用铝盘来对电功率进行采样。它的电压、电流铁芯线圈分别位于铝盘的上下两侧，将铝盘夹在中间，线圈上产生的电压、电流交变磁通穿过铝盘时会在铝盘上产生感应电流，磁通和感应电流相互作用，使铝盘转动起来。铝盘的转速与电功率P成正比，实现了对电功率的采样，电功率大，转一圈的时间就少，电功率小，转一圈用的时间就多，每转一圈代表的电能量是一样大的，用计度器的机械传动机构将铝盘所转圈数记录下来，所以计度器所记录的铝盘转的总圈数正比于电能量W。电能量采样、测量、计算、显示、存储一般由电能表来完成，是一种模拟式测量方法。2.3.3方案的论证与确定对于功能要求，两种方案都可以满足要求，但对于其它的涉及逻辑判断或通信的功能，方案二实现起来会很困难。并且在功耗和精度的控制方面，方案二也不如方案一容易容易。因此选择方案一。2.4其他部分设计方案2.4.1电能表电量采集监测仪要能“读取电度表的实时计量值”，这是设计任务的要求，只有这样才能真正达到监测的目的。要读取电度表的实时计量值，一方面要求计量电能表具有数据存储功能，另一方面需要监测仪能和计量电能表之间进行数据传输，及能够实现通信。目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，许多电子式电能表上就带有RS-232接口，本设计单元就以读取带由RS-232接口的电能表的计量值为目标进行设计。2.4.2显示单元选择为了达到“当地显示线路电压值、电路电流值、计量故障信息”的设计要求，设计了本单元的显示电路。电压、电流值为数字，在目前的电子产品设计中一般有两种备选方案，一种是七段LED数码管显示，另一种是LCD液晶显示。七段LED数码管显示方案在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。强光下仍具有较好的可视效果。在低温条件下，比LCD的工作更稳定。它的缺点是，只能显示数字，一个数码管只能显示一位数字，多位显示需要的数码管数量较多，造成电路接线比较繁琐。对应地，LCD既可以显示数字，还可以显示字母、汉字、图形等信息，可以根据要显示信息的多少，灵活的选择液晶屏幕的大小。另外，它的电路接线不会随着显示信息的复杂而变得复杂。不足的是，可视角度较小，强光下显示效果差，低温条件下工作易出现不稳定的情况。结合本设计的显示要求及性能指标，综合考虑以上因素，决定使用LCD液晶显示屏作为显示设备。第三章 系统的硬件设计基于设计要求，系统主要由几个单元组成：电能量采集单元，计量分析单元，通讯网络单元，报警电路单元，显示电路单元和键盘电路单元。其中电能量采集单元又由两部分组成,电网线路电能量采集和电能表电量采集。通过串口电路的连接，实现电能量采集。信号采集电路将采集来的幅值信号、相位信号送至到单片机，同时通过RS232将电能表的数据采集来送至单片机，由单片机对电压电流计量信号进行运算处理，计算出相应三相交流电的实际电能量再与从电能表中获取的电量值相比较，判断电能损失的原因，并将这些数据存储再微处理器的存储单元中，按照要求随时进行网络传输。3.1单片机外围电路设计系统的核心部分是单片机，它起到启动A/D转换，测算电压、电流相位差，计算电压、电流幅值、功率因数、有功功率，并保存这些数据，定时上传数据至监控中心，发出警报等功能，是整个系统的核心。3.1.1单片机的选择稳定的性能是对一个系统的最基本的要求。本设计中，单片机作为系统核心，它能否稳定工作，直接影响整个系统，所以单片机必须能长时间稳定工作。又由于本设计中单片机要承担大量的计算任务，需要消耗一定时间，同时又要保持对电能量信息采集的实时性，因此快速性也是重要指标之一。基于以上考虑，本设计中选择Silicon Lab公司的C8051F040单片机。3.1.2简介C8051F040是完全集成的混合信号片上系统型 MCU，具有 64 个数字 I/O 引脚，片内集成了一个 CAN2.0B 控制器。·高速、流水线结构的 8051 兼容的 CIP-51 内核（可达 25MIPS）·控制器局域网（CAN2.0B）控制器，具有 32 个消息对象，每个消息对象有其自己的标识·全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）·真正 12 位、100 ksps 的 ADC，带 PGA 和8 通道模拟多路开关 ·允许高电压差分放大器输入到 12/10 位 ADC（60V 峰-峰值），增益可编程 ·真正 8 位 500 ksps 的 ADC，带 PGA 和 8 通道模拟多路开关·两个 12 位 DAC，具有可编程数据更新方式·64KB可在系统编程的 FLASH 存储器 ·4352（4K+256）字节的片内 RAM ·可寻址 64KB 地址空间的外部数据存储器接口 ·硬件实现的 SPI、SMBus/和两个UART 串行接口 ·5 个通用的16位定时器 ·具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列 ·片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器 具有片内 VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的 C8051F04x 系列器件是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。 每个 MCU 都可在工业温度范围（-45到+85）工作，工作电压为 2.7 3.6V。端口 I/O、/RST和 JTAG 引脚都容许 5V 的输入信号电压。 C8051F040单片机的引脚图如下：图31C8051F040单片机的引脚图3.1.3 C8051F040最小系统电路设计单片机的较小系统是指单片机能正常工作所必须的外围元件，首先根据单片机的片内存储空间来判断是否需要扩展存储，其次是时钟电路和复位电路，单片机的时钟由一个22.1184MHz的石英晶体振荡器和一个10uF电解电容一个0.1uF的小电容组成，时钟电路决定了单片机工作的时间精度为1s；复位电路一般采用下图电路，该电路能显著增强单片机复位电路的抗干扰性能。C8051F040单片机的最小系统接法与80C51、80C32系列单片机都是非常类似的，差异不大。电路如下图：图32 C8051F040最小系统电路3.1.4总结C8051F040的优点是功能强大：集成了CAN模块，增益可编程的片内A/D等部件，并且具有高速的特点。不仅免去了片外扩展CAN总线控制器模块和A/D转换器，提高了系统稳定性，也满足了系统对快速性的要求。但缺点在于比起其它单片机（如PIC18F系列单片机），其价格要高出一倍，花费较大。3.2电网电能测量电路硬件设计一、传感器选择线性电流传感器选择ACS750LCA-075，它是高速电流传感器，为工业自动化系统中的电流信号传感（sensing），提供了即经济又精确的解决方案，集成化设计使得应用更加简易。典型应用有电机控制，负载管理，开关电源和过流保护。传感器内包括一个精确的线性霍尔集成芯片，该芯片针对传感器内部的磁路被优化，从而提高了传感器的灵敏度。被精确控制的自校准生产过程技术和线性霍尔传感器的工厂程控化生产带来的可靠精度保障带来了产品的高精度表现和一致性。电流采集用电源线（引脚4，5）专为极低电压损失设计。电源引脚和传感器输出引脚之间是电气隔离的。隔离可以使传感器用于既无光电隔离原件和其他隔离反馈技术，而又需要隔离的应用场合。传感器的外形及引脚如下图所示： 图3-3ACS750LCA-075外形图及引脚说明不同温度下的输入输出特性曲线：图3-4ACS750LCA-075输入输出特性曲线工作电压工作电流测量范围工作温度隔离电压静态输出精度5V7mA-100100A-401502500V（60Hz，5分钟）Vcc/2（mV）1%表3-1ACS750LCA-075部分电气参数传感器与电网的硬件连接图如下：图3-5 ACS750LCA-075硬件连接图接线原理说明：Ip+，Ip-分别接电网的一相和中线。D21，D22为箝位二极管，当输出电压超过5V时，电位被钳制在5V；当输出电压小于0V时，电位被钳制在0V。目的是使输出电压在单片机端口能承受的电压范围05V之内，起到保护单片机的目的。线性电压传感器选用北京森社公司的CHV-100/300。其产品参数特性如下：额定电压（有效值），300V；测量范围，-450450（V）；工作电压，DC±12±15V；工作电流，10mA；工作温度，-2570；输出额定电压，5V；精度，0.5%；线性度，0.1%。接线图及产品实物图片： 图3-6 CHV-100/300引脚及产品实物图端子说明：IN+(+HT)：输入正电压；IN(HT)：输入负电压；+：电源正：电源负；M：输出端：公共地传感器与电网的硬件接线图如下：图3-7 CHV-100/300硬件接线图接线原理说明：In+，IN-分别接电网的一相和中线。D12，D13的作用同图3-3中的D21，D22。 二、互感器电流互感器选用的为上海涌纬自控成套设备有限公司的CT-04-30-4-W型精密电流互感器。该产品具有线性好，精度高，线性范围宽；耐高温，耐腐蚀；隔离性能好，抗冲击性强；体积小，安装方便等特点。产品参数特性：额定输入电流，30A；额定输出，4V；非线性度，0.1%；线性范围(RL0)，0A15A；相移 (RL0)，5(补偿后)。 图38 CT04304W外观图产品的型号描述及参数 ：表3-2 产品的型号描述及参数表电压互感器选用北京森社公司的CHG-300VB型精密电压互感器，其部分产品参数特性如下：额定电压，30（RMS）；测量范围，0360V（RMS）；输出额定电压，5V；精度，0.5%；线性度，0.1%；绝缘电压，3KV（RMS）/50Hz/1分钟；工作温度，-4085。电路连线图及产品外观图片： 图3-9 CHG-300VB引脚及产品实物图三、相位检测单元电度表的计量单位是千瓦时，要将监测值与计量值比较，监测仪也要能测出电度数，千瓦时是有功功率与时间的乘积。因此，要测出三相电网每相的有功功率P=i×u×cos。电压值u、电流值i可以通过电压传感器、电流传感器和ADC来完成测量。要计算功率因数cos，则先要测出电压与电流的相位差。本单元电路就是为了测量而设计的。（一）设计思路及分析单片机很难直接测量正弦信号的相角差或过零时刻，但很容易测量脉冲信号的宽度或发生时刻。因此，首先要把正弦电压和正弦电流经过零电压比较器处理成与之对应的方波信号。如图3-11所示。利用单片机的定时计数器可以测量脉冲信号的发生时刻，为了跟踪电网频率以提高测量精度，还可以把电压、电流两路脉冲信号相异或，形成一路与相角差对应的脉冲信号作为定时计数器T的外部事件。异或的作用，一方面是产生相位脉冲，其高电平时间对应于待测的两个正弦信号的过零时间差T；另一方面，可以利用连续两个脉冲宽度的平均值去逼近T，而这两个脉冲是一个周期的正弦信号由正负两个方向经由过零比较器产生的，采用逻辑异或运算保留了这种双向特性，这种测量方法被称为双向过零鉴相法。其优点是消除了波形变换中因过零比较器零点漂移产生的偏移误差。图3-10相位检测电路的原理框图 图3-11正弦信号及其经正相输入的过零比较器后的调理波形 对于一般的过零电压比较器，输入电压在阈值附近的任何微小变化，都将引起输出电压的跃变，不管这种微小变化是来源于输入信号还是外部干扰。因此，过零比较器很灵敏，但同时抗干扰能力较也差。严重时不能正常工作。然而实际当中，三相发电机产生的电压波形或多或少与正弦波有些差别，因此，含有一定的谐波分量；变压器的励磁电流是非正弦周期波，含有高次谐波分量。所以，一般在对称三相电路中，电压、电流都可能含有高次谐波分量。这种情况下，若使用过零比较器对互感器输出的信号进行波形变换，当正弦输入电压过零时，由于谐波的作用或干扰的影响，比较器的输出会发生多次翻转，从而使脉冲信号与正弦信号不能对应。这时单片机无论采用中断计数还是采用查询计数都将导致错误的测量结果。 （二）设计方案本设计中采用小回差的滞回比较器来代替过零比较器。其基本电路组成如下： 图3-12反相输入的滞回比较器  从集成运放输出端的限幅电路可以看出, 。集成运放反相输入端电位，同相输入端电位 ：根据“虚短”，求出的就是阈值电压,因此得出 当，因而，所以=+，>+，当>+，因而，所以=，<-，可见, 从跃变为和从跃变为的阈值电压是不同的。小回差将引起一个小的相位移，由于元件参数的分散性，在硬件上要保证电压、电流两路信号的整形相位移严格相等等是很困难的，可以考虑采用软件修正的方法尽量减小这一误差。（三）OP07C简介由电路组成可以看出，运算放大器是滞回比较器的主要部件，它的性能直接影响到整个滞回比较器的性能。本设计中选用低噪声、低失调、高精度运算放大器运算放大器OP07C。OP07C高精度运算放大器具有极低的输入失调电压、失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。可广泛应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确放大，尤其适应于宇航、军工及要求微型化、高可靠的精密仪器仪表中。1) 低的输入噪声电压幅度：最大0.6 (0.1Hz 10Hz)2) 极低的输入失调电压：10 V3) 极低的输入失调电压温漂：0.2 V/4) 宽范围的输入电压：-14+14V5) 宽的电源电压范围：±3V±18V6) 工作温度：-4080图3-13 OPO7C引脚图3.3电源本设计中用到了许多集成芯片，这些集成芯片都要用到直流电压。芯片以及它们各自的工作电压如下所示：单片机C8051F040：DC 2.73.6V CAN总线驱动器：PCA82C250T：DC 4.5V5.5V双通道RS-232线性驱动接收器的MAX232：DC +5V±10%串行实时时钟芯片DS1307Z：DC 5V，3V电池液晶显示器：LCM12864ZK：DC 5V，3V电池两输入四异或门74LS86：DC 5V，74LS86运算放大器OP07C：DC±3V±18V电流传感器ACS750LCA-075：DC +5V电压传感器CHV-100/300：DC ±12±15V因此，系统有DC +3.3V 、±5V和±12V电源即可工作。3.3.1 ±5V、±12V直流电源±5V、±12V直流电源是在电子线路中经常用到的直流电源，常用的解决方案是使用变压器和78××、79××系列三端稳压器。本设计中也采用这种方案。+5V电源使用国家半导体公司（National Semiconducter）的集成三段稳压器LM78L05：Vin最大为35V，最小输入电压为6.7V，一般需在7V20V，输出电流100mA，最大输出电流140mA。-5V电源使用国家半导体公司（National Semiconducter）的集成三段稳压器LM79L05：Vin最大为-35V，一般应在-20V-7.5V的范围内，典型值为-10V。输出电流100mA，最大输出电流140mA。 图3-14 ±5V 电源硬件接线图接线原理说明：电网电压经变压器降压，经整流整成直流电压信号。但这样的信号有纹波，脉动较大，不能适应需要。图中电解滤波电容起到滤波的作用，是脉动的直流电压变得平滑。电解电容的两端再并接一个无极性的容量范围在0.010.47F的小电容，用以滤除频率较高的开关转换纹波电压分量。+12V电源使用国家半导体公司（National Semiconducter）的集成三段稳压器LM78L12AC：Vin最大为35V，最小为13.7V，一般需在14.5V27V，典型值为19V。输出电流100mA，最大输出电流140mA。-12V电源使用国家半导体公司（National Semiconducter）的集成三段稳压器LM79L12AC：Vin最小为-35V，最大为13.7V，一般需在-27V-14.8V，典型值为-17V。输出电流100mA，最大输出电流140mA。±12V电源电路如图3-15所示：图3-15 ±12V 电源硬件接线图接线原理说明：原理同图3-15。使用78××、79××芯片有一个明显缺点，就是这些芯片属于线性稳压，发热浪费很厉害。如常用的7805，如果输入 12V，就有7V电压是完全的发热浪费掉，当输入电压大于12伏时，发热会很厉害。解决这个问题的有效方法是改用开关式的电源IC，如LM2575系列电源IC。开关式的电源IC的优点在于其效率高，缺点是其纹波系数较大，不能直接用于A/D转换芯片作为参考电压，还要多设计一个参考电压源，故不予选择。 3.3.2 +3.3V直流电源和+AV+3.3V电源也是常用的直流电源，相关技术也比较成熟。常用的是使用DC-DC模块将稍大一些的直流电压变为3.3V。本设计中选用实际中较为常用的REG1117-3.3。REG1117-3.3 - 800毫安1A低压差正稳压1.8V，2.5V，2.85，3.3V，5V和可调 - 伯尔 - 布朗公司将220V市电经LM78L05得到的+5V电压作为REG1117-3.3的输入，输出端即可得到3.3V电压。输入输出端分别对地接电容，起到滤波的作用。电路图如下：接线原理说明：REG1117-3.3模块，Vcc为5V直流电源，作为REG1117-3.3的输入。3.3V为输出直流电压。电容C34可以将电源端上瞬间的尖峰、毛刺对地短路掉，C35能抑制电压的波动，使电压变得平稳光滑。 图3-16 +3.3V和+AV电源硬件接线图3.3.3 部分参数计算根据78XX，79XX三端稳压器的输入电压要求，输入它们的输入电压在幅值应在14.520V和-14.8-20V之间，选±17V ，即要求整流桥输出直流电压为±17V。桥式整流电路输出电压平均值Uo（AV）0.9U2=17V（U2为变压器二次侧电压），则U2=17/0.918.89，取19V，变压器变比取为220：19，选双抽头型。这样，变压器二次侧电压为19V，经整流桥堆整流后的输出电压平均值为17.1V，满足78XX的要求。考虑电网电压有±10%的波动，最高反向电压=29.6V，选30V。电容的耐压值>=29.6V，选30V。电容值：根据经验值选取。3.4 CAN总线单元3.4.1 CAN总线技术简介CAN 是Controller Area Network（控制器局域网）的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。CAN总线属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，主要用于各种过程检测及控制。它最初是由德国BOSCH公司为汽车监测和控制而设计的，目前CAN已逐步应用到其它工业控制中，现已成为ISO-11898国际标准。其典型的应用协议有：SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。3.4.2 CAN总线的特点1、CAN可以是对等结构，即多主机工作方式，网络上任意一个节点可以在任意时刻主动地向 网络上其它节点发送信息，不分主从，通讯方式灵活。 2、CAN网络上的节点可以分为不同的优先级，满足不同的实时需要。 3、CAN采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点自动 停止发送，在网络负载很重的情况下不会出现网络瘫痪。 4、CAN可以点对点、点对多点、点对网络的方式发送和接收数据，通讯距离最远10 km(5 kb/ s)，节点数目可达110个。 5、CAN采用的是短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，具有CRC校验和其它检测措施，数据出错几率小。CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭功能，不会影响总线上其它节点操作。 6、通讯介质采用廉价的双绞线，无特殊要求，用户接口简单，容易构成用户系统。3.4.3 CAN总线控制器接口芯片PCA82C250PCA82C250是控制器与物理总线间的接口，器件的作用是提供对总线的差分发送能力和对CAN控制器的差分接受能力。它与ISO/DIS11898标准完全兼容。CAN总线通过CAN控制器接口芯片PCA82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连。 CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态,CANL端只能是低电平或悬浮状态。最小值典型值最大值单位电源电压4.55.5V电源电流显性位；V11V70mA隐性位；V14V；RS=47K14mA隐性位；V1=4V；V8=1V18mA待机方式；TA<90170A工作大气温度（TA）4025125表3-3 PCA82C250部分电气参数图317 PCA82C250引脚图 引脚图、管脚名称及作用： 1 TXD 发送数据输入端 2 GND 地 3 Vcc 电源电压 4 RXD 接受数据输出端 5 Vref 基准电压输出端 6 CANL 低电平CAN电压输入/输出段 7 CANL 高电平CAN电压输入/输出段 8 Rs 斜率电阻输入端 芯片与单片机的连接图如下：图3-18 PCA82C250硬件接线图3.4.4和其他通信方式的比较在CSMA/CD这样的网络中,如Ethernet,系统往往由于过载而崩溃, 位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题，所以这种情况在CAN中不会发生。较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言,基于CAN总线的分布式控制系统具有明显的优越性：与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。另外,与其它现场总线比较而言,CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点。3.5RS-232串行通信单元3.5.1设计思路及目的监测仪要能“读取电度表的实时计量值”，这是设计任务的要求，只有这样才能真正达到监测的目的。要读取电度表的实时计量值，一方面要求计量电能表具有数据存储功能，另一方面需要监测仪能和计量电能表之间进行数据传输，及能够实现通信。目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，许多电子式电能表上就带有RS-232接口，本设计单元就以读取带由RS-232接口的电能表的计量值为目标进行设计。3.5.2 RS-232简介RS-232-C接口（又称 EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。 3.5.3 MAX232芯片简介Max232产品是由美信（MAXIM）集成产品公司推出的一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。直接从单片机输出的是TTL电平，要使用RS-232接口进行通信，就需要将TTL电平转换成RS-232接口规定的电平。Max232芯片的作用就是起到电平转换的作用。从单片机输出的数据，经Max232被转换成RS-232电平在通信线路上传输，在进入数据接收设备之前又经Max232被转换成TTL电平，从而达到可靠通信的目的。芯片引脚图如下： 图3-19 MAX引脚图引脚功能说明：引脚功能引脚功能C1+电解电容1正极C1-电解电容1负极C2+电解电容2正极C2-电解电容2负极V+发送器输出正电压V-发送器输出正电压T1INTTL/CMOS输入端1T2INTTL/CMOS输入端2T1OUTTTL/CMOS输出端1T2OUTTTL/CMOS输出端2