基于cs5463单相智能电表的设计.docx

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基于cs5463单相智能电表的设计

摘要

随着国民经济的发展,智能电表应用愈来愈广泛,智能电表在日本和欧美等发达国家已有了广泛的应用。

本系统以高精度电表集成电路CS5463为计量核心、以51单片机为控制核心，并辅以必要的外围电路，可以精确地测量电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数、电量等各种单相电参数。

系统主要包括采集模块、信号调理模块、计量模块、控制模块、时钟模块、显示模块等。

同时还可以进一步实现预购置电量设置、分时段计量、超限保护、语音报警、打印以及与上位机通信功能。

关键词：

高精度、电测量、51单片机系统

目录

1.绪论4

1.1课题来源及背景4

1.2国内外智能电表应用现状5

1.3主要研究内容5

2.系统的总体设计方案6

2.1总体系统方案设计选择6

2.2硬件方案设计10

2.2.1信号的采集与调理10

2.2.2显示模块12

2.2.3电源模块15

2.2.4充电时钟模块16

2.2.5语音模块17

2.3软件功能设计18

2.3.1系统主程序设计18

2.3.2SPI串行总线19

3.系统测试22

3.1系统测试概述22

3.2系统测试指标23

4.总结23

5.致谢24

6.参考文献25

1.绪论

1.1课题来源及背景

IC卡是集成电路卡（IntegratedCircuitCard）的英文简称。

在有些国家和地区也称之为智能卡、灵巧卡（SmartCard）、智慧卡，甚至微电路卡、微芯片卡（MicrochipCard）等。

将一微电子芯片镶嵌于符合IS078l6标准的PVC（或ABS等）塑料基片中封装成外形尺寸与磁卡类似的卡片形式，即制成一张IC卡。

当然也可封装为钮扣、钥匙、饰物等特殊形状f4]。

1972年法国人罗兰·莫雷诺首先提出IC卡的设想，l976年法国布尔（BULL）公司研制出世界第一枚IC卡产品，并将这项技术应用到金融、交通、医疗、身份证明等多个行业，它将微电子技术与计算机技术结合在一起，提高了人们生活和工作的现代化程度。

从此，IC卡技术迅速发展，已经形成一个涉及全球众多著名电子巨头的新兴技术产业。

国际标准化组织（ISO）与国际电工委员会（IEC）的联合技术委员会为之制定了一系列国际标准、规范极大地推动了IC卡的研究和发展。

目前，IC卡的应用已遍布全球。

小小卡片与相关设备组成系统，就能为人类提供非常丰富的服务功能，产生意想不到的奇迹，创造出巨大经济效益和社会效益。

1.2国内外智能电表应用现状

在信息技术迅速发展的今天，公共事业收费实现网络化、智能化的呼声越来越高，特别是住宅小区，将个人用户的电表、水表、煤气表，实现远程集中式抄表，形成家庭智能化管理，提高物业管理水平，减少劳动强度是未来发展的必然选择。

随着电子技术的快速发展和国家相关政策的推动，民用计量仪表的智能化是必然的发展方向。

这不仅是我国的一种趋势，也将成为世界性的一种趋势。

国家要求在电表改造方面要实现供电部门和用电部门、居委会或物业管理部门在供用电管理的规范化、自动化和收费网络化。

IC卡智能电表解决了传统手工抄表方法存在的速度慢、可靠性差、自动化程度低等问题。

经过几年的实际应用，收到了较好的效果，已成为我国用电管理的主流。

政府也肯定了近几年，IC卡智能电表呈现出健康、稳定的发展态势。

因此，智能IC卡表将是发展的主流。

IC卡预付费电能表以IC卡安全技术为核心，实现了售电和供电的智能化管理，达到一户一表、先买后用的目的，杜绝了费用拖欠和流失现象，同时保证了销售和供应过程的可靠性和安全性，防止恶意攻击和欺诈行为，使得整个预付费系统应用置于供电局的安全控管之下。

1.3主要研究内容

本系统以高精度电表集成电路CS5463为计量核心、以51单片机为控制核心，并辅以必要的外围电路，可以精确地测量电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数、电量等各种单相电参数。

系统主要包括采集模块、信号调理模块、计量模块、控制模块、语音模块、通信模块等。

同时还可以实现预购置电量设置、分时段计量、超限保护、语音报警、打印以及与上位机通信功能。

2.系统的总体设计方案

2.1总体系统方案设计选择

方案一：

利用单片机采样信号并且计算得出相应参数

（1）简要框图：

图1方案一系统框图

（2）原理概述

单相电电压、电流经调理电路调整为ADC可以采样的电压，然后用两个AD在一个信号的周期内采样固定的点，采样时钟由锁相倍频电路提供。

将采样的得到的数据进运算，得出相应的电能参数。

相关公式有：

电压有效值

，电流有效值

，

有功功率

，视在功率

功率因数

……

频率测量采用测周法，调理信号经过零比较给FPGA或单片机中断，计算单位时间内脉冲次数，从而得到频率。

这种方案是通常的信号分析与处理的方法，可以方便地得出题目所要求的电流、电压、有功、无功等参数。

但是采用这种方案要求MCU进行大量的数学运算，且单片机的截断误差影响较大，使得最终的结果不会很精确。

此外，数学运算会占用大量的MCU时间，使得我们很难去完成其他的附加功能。

而且该方案使用了较多的硬件模块，不仅不便于调试，而且成本较高。

方案二采用集成的电参数测试芯片CS5463

（1）芯片介绍

CS5463是CirrusLogic公司推出的高精度电表集成电路，可用于单相或多相多功能电能表的计量处理。

CS5463内部集合两通道ΔΣ模-数转换器、功率计算、电能到频率的转换和一个串行口等，可以精确测量瞬时电压、电流和计算IRMS、VRMS、瞬时功率、有功功率和无功功率等，还具有温度传感器、电压下降检测、相位补偿功能，而且微控制器很方便用双向串行接口控制。

另外，CS5463可以增益调整，自带温度传感器、数字滤波器分别消除温漂误差和滤出高次谐波，CS5463还可已自动增益校准、偏移校准和相移校准。

引脚功能

∙VA+/VA-：

正负模拟电源，+5V/0V或+2.5V/-2.5V供电；

∙VD+/DGND：

和数字地，+5V/0V供电；

∙PFMON：

掉电监视器，监视模拟电源状况。

∙VIN+/VIN-：

电压通道的差模模拟输入，范围是±250mV；

∙IIN+/IIN-：

电流通道的差模模拟输入，范围是±50mV（PGA设置为50×时）；

∙VREFIN/VREFOUT：

参考电压输入/输出，为片上调制器提供参考电压及其输出，通常为2.5V。

∙MODB模式选择，用于配置CS5463自引导模式；

∙RESET/INT：

复位及中断；

∙CS：

片选信号，为低电平时，端口可识别串行时钟等信号。

∙SCLK：

串行时钟输入，该时钟信号确定SDI、SDO的输入/输出速率，只在CS低电平时有效；

∙SDI/SDO：

串行数据输入/输出；

∙E1/E2/E3（EOUT）：

能量输出，输出低电平有效、频率和能量成比例关系的脉冲，3个引脚分别对应有功功率、视在功率和无功功率。

图2CS5463内部原理图

如上为CS5463的内部原理图，从上图易知：

CS5463的测量原理其实是对方案一的一种集成。

从信号的采集到存储、滤波调理、运算，全部由芯片自动完成，单片机只需要通过串行接口对CS5463进行合理的初始化即可。

（2）简要框图

图3方案二系统框图

如图，电流、电压信号经调理电路后直接输入CS5463集成芯片中。

MCU通过对CS5463进行操作，即可方便地完成要求参数的测量。

这样大大地减轻了单片机的负担，从而可以节省出指令周期来完成一些其他的更加实用的功能。

而且外部的调理可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。

与方案一相比，大大的降低了信号调理的难度和复杂度。

从稳定性方面考虑，集成芯片的性能往往更为可靠。

综上所述，我们决定采用方案二。

2.2硬件方案设计

2.2.1信号的采集与调理

信号调理分为电流调理和电压信号调理两部分，原理图如图4。

测量仪同两个电流式互感器将单相电中的电压、电流信号转为小的电流信号，OP07和一个电阻I/V转换，得到可供CS5463测量的低压信号。

选用的OP07是一种低噪声高精度运放，±3V～±22V宽电压供电而且失调电压小。

图4

（1）电压调理电路，大电压信号通过2A/2mA的互感器SPT204B转为小电压，经实验该互感器在10KHz以下无明显衰减，不会对电信号50次内谐波成分有影响。

互感器一次侧接2个150K的电阻，副边上通过OP07负输入和输出端之间的电阻R1将电流信号转化为电压信号。

考虑到CS5463差模输入电压为150mv，R1取100Ω，便可实现0～450v范围测量，互感器原、副边电流为1.5mA。

增加C1是为了对互感器产生的相位变化进行补偿，另外CS5463也可进行小角度校验。

R3和C2可滤除15KHz以上的信号。

低通滤波截止频率

=

=15.9K

（2）电流调理电路，为扩展0～20A的测量范围，经输入电流按0～1A、1～20A分为两档。

CS5463测电流一路内带

10、

50两档，因此外部硬件不必再分档就可实现宽范围精确测量。

系统设计中，0～20A电流经20A/20mA互感器SCT220B缩小，R2进行I/V转化，R2取7.5Ω，CS5463电流测量差模输入电压为0～150mV，0～1A时采用

50。

两档用继电器T3和中间继电器T2切换，小电流一路接LM311组成的过压比较器，当电流超过小档位上限时，单片机中断迅速切换档位。

电路中C4、C3、R5作用与电压调理电路部分的相同。

CS5463模拟电源输入端口VA+接5V,为与TTL电平匹配，数字电源输入端口VD+接3.3V。

电压差模输入负端VIN-接地，正端接调理后电压信号；

CS5463接线图

电流差分输入负端与地相连，正端接调理后电流信号。

CS5463控制引脚以及串口引脚、能量脉冲数出引脚（E1、E2、E3）与单片机相应端口相连。

原理图中T1为关断电路供电的继电器，由P2.6端口控制，实现预购电量不足或过压、过流时切断电路。

T1为中间继电器驱动大继电器模式，原理图中只为示意。

2.2.2显示模块

液晶显示模块采用HS-12864，该液晶的特性主要由ST7920决定，

ST7920同时作为控制器和驱动器，它可提供33路com输出和64路seg输出。

在驱动器ST7921的配合下，最多可以驱动256×32点阵液晶。

HS12864的指令集如下图所示：

Hs-12864指令集

该液晶具有SPI串口，其串口的时序图如下图所示：

液晶串口时序图

PSB接低时,串口模式被选择。

在该模式下，只用两根线（SID与SCLK）来完成数据传输。

当同时使用多颗ST7920时，CS线被配合使用，CS是高有效。

ST7920的他不时钟SCLK有独立的操作时序，当多个连续的指令需要被送入时，指令执行时间需要被考虑。

必须等待上一个指令执行完毕才送入下一个指令，因为ST7920内部没有传送/接收缓冲区。

一个完整的串行传输周期由以下部分组成：

首先送入启动字节，送入5个连续的“1”用来启动一个周期，此时传输计数被重置，并且串行传输被同步。

紧接的两个位指定传输方向（RW，确定读还是写）和传输性质（RS，确定是命令寄存器还是数据寄存器），最后的第八位是一个“0”。

送完启动字节之后，可以送入指令或是显示数据（或是字型代码）。

指令或者代码是以字节为单位的，每个字节的内容（指令或数据）在被送入时分为两个字节来处理：

高四位放在第一个字节的高四位，低四位放在第二个字节的高四位。

无关位都补“0。

液晶的串行接线图如下图5

图5

图5

2.2.3电源模块

电源模块主要采用芯片7808、7905芯片构成，用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。

图6

上图为电源模块的接线图，由上图可知我们可以得到+5/-5v的电源电压，以便给单片机供电。

其中3.3v的电压可通过1.6k和3.3k的电阻分压得到。

2.2.4充电时钟模块

系统要求分时计量以及延时报警，就需要时钟保持芯片，模块采用DS1302。

DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片内含有一个实时时钟/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、日期、月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方式进行通信仅需用到三个口线1RES复位2I/O数据线3SCLK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DS1302工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mW。

图7

其接线图如图7所示，仅仅需要3个串口线就可以实现对给芯片的控制，大大节省了P口资源。

2.2.5语音模块

系统增加语音功能，用以报警和语音提示。

模块采用ISD4004芯片，无须A/D转换和压缩就可以直接储存，没有A/D转换误差，在一个记录位（BIT）可存储250级声音信号，相当于通常的A/D记录的8倍。

片内集成了晶体振荡器、麦克前置放大器、自动增益控制等，只要很少的外围器件，就可以构成个完整声音录放系统。

芯片接线如下：

图7ISD4004接线图

ISD4004采用3.3V供电，13管脚是模拟语音信号的输出端，输出的语音信号通过LM386功率放大器放大。

SPI串口与单片机相应引脚相连。

如果从00处录音,则按以下时序:

1.发POWERUP命令;

2.等待TPUD（上电延时）;

3.发POWERUP命令

4.等待2倍TPUD;

5.发地址值为00的SETREC命令;

6.发REC命令。

器件便从00地址开始录音,一直到出现OVF（存贮器末尾）时,录音停止。

若从00从处发音,应遵循如下时序:

1.发POWERUP命令;

2.等待TPUD（上电延时）;

3.发地址值为00的SETPLAY命令;

4.发PLAY命令。

器件会从此00地址开始放音,当出现EOM时,立即中断,停止放音。

该芯片也可从指定的地址开始录音/放音，然后到指定的地址结束，即可以实现分段的录放音功能。

2.3软件功能设计

2.3.1系统主程序设计

系统软件的设计具体也可以分为以下几个部分：

CS5463的初始化及数据的读取、51单片机数据处理、数据的显示。

总体框架图如图8：

图8

程序的主流程图如图9

图9

单片机基本部分是对CS5463操作，读取电压电流有效值、功率、功率因数、频率，通过累计CS5463的E1、E2、E3端输出的脉冲得到各种电量，并用LCD或数码管显示。

在此基础上单片机操作相应模块实现分时段计量、超限保护、语音报警、打印以及与上位机通信。

2.3.2SPI串行总线

CS5463的串行接口使用了包括2条控制线CS、SCLK和2条数据线SDI、SDO的外接方式。

串行接口集成了带有发送、接收缓冲器的状态机，状态机在SCLK的上升沿解析8位命令字，根据对命令的解码执行相应的操作，或者为被寻址的寄存器的数据传输做准备，内部寄存器都是24位。

读操作需将被寻址的内部寄存器的数据传送到发送缓冲区；写操作在数据传输前要等24个SCLK周期。

　　所有的命令字长度均为1个字节。

写寄存器命令后必须紧跟1、2或3个字节的寄存器数据；读寄存器命令则发出3字节的寄存器数据。

图2和图3分别示出串口缓冲区的读、写时序。

SDI向外发送数据

子程序：

WRITE：

MOVB，#08H

CLRCS

NOP

WRITE_1:

RLCA

MOVSDI，C

SETBSCLK

NOP

NOP

CLRSCLK

JZB，WRITE_1

RET

SDO接受数据

接受数据子程序：

REDA：

MOVB，#08H

SETBSDI

CLRCS

REDD_1：

MOVC，SDO

RLCA

SETBSCLK

NOP

NOP

CLRSCLK

JZB，READ_1

CLRSDI

NOP

NOP

RET

数据的读和写通过向串口SDI引脚写入相应的8位命令字（高位在前）来启动。

当命令包含写操作时，串口将在下面24个SCLK周期记录SDI引脚的数据（从高位开始）。

寄存器写指令后必须跟24位的数据，一旦收到数据，状态机便将数据写入配置寄存器，然后等待下一个命令。

启动读命令后，串口将在下8个、16个或24个SCLK周期启动SDO引脚上的寄存器进行内容转移（从高位开始），寄存器读指令可以终止在8位的边界上。

读寄存器时，微控制器可以同时发送新指令，并立即执行新指令，同时终止读操作。

3.系统测试

3.1系统测试概述

为将电流测量范围扩展到0～20A，如果单纯采用电流互感器的话会导致在信号较小的时候带来较大的测量误差。

因此电流采用分档测量，当电流在0～1A的时候，自动切换档位至小信号档。

而电压信号则未采取分档，主要是由于电压信号一般较大，而且电压互感器的特性相对较好。

电流、电压信号经调理电路后直接输入CS5463的输入端，CS5463根据初始化的设置自行对信号进行处理，计算出电流、电压、功率等参数，计算完成后产生一个中断。

继而单片机响应中断，在中断服务程序中读出结果，并在液晶上显示出来。

为了使系统具有良好的人机接口，故设计了多种人性化的用户接口模块，这些模块全部挂接在单片机上，由单片机进行统一的操作和调度。

键盘用于显示的切换和功能设置；液晶主要用于测量参数及菜单的显示；语音是为了提供更好的人机交互；可以增加通信接口，可用于驱动微型打印机，实时打印测量结果，也可以设置为上位机通信模式，通过RS232接口将测量结果传送至上位机，以进行更加灵活的处理。

需要注意的是，在系统的测试之前，一定要先对cs5463进行校准，以减小测量误差，提高测量精度。

3.2系统测试指标

根据设计的要求，可以得到各项电参数的测量精度以及要求如下：

电压测量范围0～300V误差

0.23%

电流误差0～10A,误差

0.25%

有功功率测量误差

0.3%

频率测量误差

0.1%

功率因数误差

0.3%

有功功率、无功功率、功率因素的测量。

4.总结

该设计可以实现基本的电压、电流、功率的测量，而且可以扩展部分功能，如语音报警、定时计量等功能。

在使用cs5463的过程中，我发现该芯片还具有很好的线性度，测量精度高，功耗低，测量电压范围可以在0～450V，电流测量范围0～20A。

同时，该芯片还可以测量瞬时电压、瞬时电流、无功功率等各项电参数。

该芯片与cs5460相比，增添了更多的功能，而且具有片上温度传感器，可以测量实时的温度。

在这次的毕业设计中，我学到了很多课本中不成学到的知识，自己的实践能力、动手能力、分析问题、解决问题能力得到了很大的提高。

使我认识到光是学会课本的知识，而不知道、不会应用是毫无用处的，应该理论联系实际，在动手实践中不断的学习、提高。

在这次的毕业设计中，遇到了许多的问题，下面的几个是自己以前忽略但在这次的毕业设计中遇到的几个重要问题：

在信号的采集部分，电阻、电容的大小一定要经过规范的计算，考虑其各项的参数，特别的最大能承受的功率这个问题，不然会很容易烧坏元器件的；在使用一款芯片时，应该搞清该芯片的具体功能，及如何应用，先整体了解然后用到那个功能在研究那个就可以；注意单片级管脚的驱动能力及信号的隔离；在程序的编写过程中，可以在满足系统所要求的精度下，对数据进行简化的处理，这样可以大大的提高程序的执行效率。

5.致谢

这次毕业设计得到了很多老师、同学和同事的帮助，其中刘明老师对我的关心和支持尤为重要，每次遇到难题，我最先做的就是向刘老师寻求帮助，而刘老师每次不管忙或闲，总会抽空来找我面谈，然后一起商量解决的办法。

另外，感谢校方给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课题，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在即将离校的最后一段时间里，能够更多学习一些实践应用知识，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。

再一次对我的母校表示感谢。

感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们。

正是因为有了你们的帮助，才让我不仅学到了本次课题所涉及的新知识，更让我感觉到了知识以外的东西，那就是团结的力量。

最后，感谢所有在这次毕业设计中给予过我帮助的人。

对上述朋友，再一次真诚地表示感谢！

6.参考文献

1、张鑫、单品机原理与应用，电子工业出版社，2008/11

2、赵景波、王劲松Protel2004电路设计，电子工业出版社，2007/4

3、康华光电子技术基础，高等教育出版社，1998/4

4、魏立峰，王宝兴.单片机原理与应用技术.北京大学出版社，2006

5、胡汉才.单片机原理及其接口技术.北京:

清华大学出版社，2002

6、沈德金.CS-51系列单片机接口电路与应用程序实例.北京:

航空航天大学出版社，2001

7、苏凯，刘庆国，陈国平.MCS-51系列单片机系统原理与设计.北京:

冶金工业出版社，2003

附录

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