智能电子电能表设论文.docx

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智能电子电能表设论文

毕业设计论文

题目：

单相电子式电能表设计

系部：

专业：

电子测量技术与仪器

班级：

姓名：

学号：

指导老师：

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CPU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；

Abstract

Keywords:

CS5460A;AT89S52;232communication;OCMJ4X8C；

目录

摘要I

ABSTRACTI

第1章综述1

第2章总体方案设计2

2.1设计要求2

2.2系统的基本方案2

2.3电能计量部分2

2.4CS5460A概述3

2.5其他模块部分5

第3章系统硬件设计与实现8

3.1直流稳压电源的设计8

3.2前端电路调理模块的设计8

3.3电能表测量模块的设计9

3.4通讯模块的设计10

3.6液晶显示的设计11

第4章系统软件设计12

4.1主程序流程图12

4.2系统初始化子程序12

4.3系统子程序模块12

第5章系统调试14

5.1软、硬件调试14

5.2功能测试15

5.3系统整体电路图16

5.4误差分析及改进措施18

总结18

参考文献19

致谢辞20

第1章综述

1.1电能表的发展概况

作为测量电能的专用仪表电能表,自诞生至今已有100多年的历史。

随着电力系统及其相关产业的发展以及电能管理系统的不断完善,电能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程:

由最初的感应电能表,发展到后来的感应系脉冲电能表,直至现在的纯电子式电能表。

感应系电能表是利用处于交变磁场的金属圆盘中的感应电流与有关磁场形成力的原理制成的。

感应系脉冲电能表仍采用感应系电能表的测量机构作为工作元件,由光电传感器完成电能脉冲转换,然后经电子电路对脉冲进行处理,从而实现对电能的测量。

纯电子式电能表的原理是采用电子电路来实现电能计量,所以电子式电能表的共同特点是采用乘法器,根据所依托的乘法器为模拟的还是数字的分为模拟乘法器型电子电能表和数字乘法器型电子电能表。

随着电能管理的现代化,需要访问电能表很多信息,同时决策还要与电能表进行双向通讯,由于数字乘法器型电能表是以微处理器为核心,所以功能容易扩展,易和配电自动化系统集成,因此本文设计了一种基于电能计量芯片CS5460A的电子式电能表,CS5460A是一种带有串行接口的单相双向功率电能集成电路芯片,极易与微处理器连接。

1.2设计概况

本设计在参阅了大量前人设计的电子式电能表的基础上，利用单片机技术结合电能表芯片CS5460A构建了一个单相电子式电能表。

本文首先简要介绍了设计电能表的主要功能以及系统的总体方案，然后详细介绍了单相电子式电能表的设计流程，以及硬件系统和软件系统的设计，并给出了硬件电路的设计细节，包括各部分电路的走向、芯片的选择以及方案的可行性分析等。

第2章总体方案设计

2.1设计功能要求

设计制作一只交流电能表表，设计的主要要求如下：

（1）该交流电能表能实现对单相交流电能的测量；

（2）电表参数：

额定电压220V,额定电流5A,最大电流10A，最大计度容量：

99999.99Kw.h；

（4）能测量并显示当前的功率、电压和电流的有效值；

（5）显示当前日期和时间，具有分时计量功能；

（6）可以与PC机进行串行通信，并可用键盘控制，便于操作；

（7）电量脉冲输出；

（8）停电不丢失电能数据；

2.2系统的基本方案

该系统主要由显示模块、通讯模块、键盘控制模块、MCU模块、电能表芯片CS5460模块、时钟模块、存储器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变比1：

1的电流型电压互感器，电流模块采用变比2000：

1的电流互感器，利用取样电阻采样信号，经变换后的信号以差模电压的形式接到由CIRRUSLOGIC公司生产的电能表芯片CS5460A，取样电阻的阻值由被测信号的最大值决定，然后经CS5460A转换后将电压、电流、功率、电能等信号传给单片机AT89S52，AT89S52组成的MCU模块控制所有芯片的工作、截止及计算和模块的显示，显示模块采用OCMJ4X8CM液晶模块，液晶正常显示当前测量的电能值、日期、时间，可通过键盘控制显示电压、电流有效值、功率等；通讯模块采用Max232芯片实现电能表与PC机之间的通信。

并接受PC上位机同步控制并与其通信，时钟模块采用DLS1302芯片，为电能表提供时间基准，为实现多费率打下基础，存储模块采用AT24C16，为系统提供数据存储，可以做到掉电不丢失数据，还可以实现电力系统参数的实时记录，该系统可以实现对电能等电参量测量、显示及采集处理的目的。

系统硬件框图如图2-1所示：

2.3电能计量部分

方案一：

采用A/D转换芯片分别对电压、电流回路采样，然后送给单片机，经单片机计算，算出电能、功率等电量。

该方案电路设计较麻烦，并且容易受外部干扰，准确度低，并且编程较麻烦。

方案二：

采用现在比较流行的电能计量芯片CS5460A实现对电能等电量的采集和测量。

CS5460A是Crystal公司推出的用于测电流、电压、功率等的芯片,是CS5460的增强版,精度高、性能强且成本低。

CS5460A包含两个ΔΣ模-数转换器（ADC）、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的ΔΣ模-数转换器。

它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、IRMS和VRMS，用于研制开发单

相2线或3线电表。

CS5460A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。

CS5460A具有与微控制器通讯的双向串口，芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比。

CS5460A具有方便的片上AC/DC系统校准功能。

“自引导”的特点使CS5460A能独自工作，在系统上电后自动初始化。

在自引导模式中，CS5460A从一个外部EEPROM中读取校准数据和启动指令。

使用该模式时，CS5460A工作时不需要外加微控制器，因此当电表用于大批量住宅电能测量时，可降低电表的成本。

并且本芯片集成度较高便于编程控制，故本设计采用此方案。

2.4CS5460A概述

2.4.1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SRAM

2.4.2主要特性

（1）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2.5V基准（60×10-6/OC）,单电源+5V或双向2.5V±10℅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：

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2-2CS5460内部结构图

2.4.3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。

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

图2-3CS5460A操作时序图

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。

2.5其他模块部分

2.5.1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。

2.5.2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CMOS8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RA