1、本科毕业设计（20届）双费率数字电度表设计所在学院专业班级电子信息科学与技术学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要【摘要】随着经济和科技的发展，全世界用电量日益增加，全球许多国家面临着用电紧张的的危机。我国采取多费率用电政策，消峰填谷，以达到平衡高效用电的目的。在这种政策下，复费率电表大规模取代了单一费率电表。本论文建立在前人的理论和研究基础上，以AD7755为电能计量芯片和C8051F330单片机为控制芯片，利用简单的单片机技术设计开发了一款双费率电子式电能表，在单片机的控制下实现双费率电表分时段计量功能。【关键词】复费率电表；AD7755；单片机；电子式电能表。IIABSTRACT【A
2、BSTRACT】WITHTHEDEVELOPMENTOFECONOMYANDTECHNOLOGY,THEELECTRICITYCONSUMPTIONOFALLTHEWORLDISINCREASINGMANYCOUNTRIESAREFACINGTHECRISISOFGLOBALPOWERSHORTAGEOURCOUNTRYADOPTTHEPOWERPOLICYOFMULTIRATEDPRICE,ELIMINATINGTHEPEAKSANDTROUGHS,TOACHIEVETHEOBJECTIVEOFBALANCEDANDEFFICIENTUSEOFELECTRICITYUNDERTHISPOLI
3、CY,MULTIRATEDWATTHOURMETERLARGESCALEREPLACESTHESINGLERATEMETERTHISPAPERBUILTONTHEBASEOFPREVIOUSTHEORETICALANDRESEARCH,AD7755ASTHEENERGYMETERINGCHIPANDC8051F330MICROCONTROLLERASTHECONTROLCHIP,USINGSIMPLESINGLECHIPTECHNOLOGYTODESIGNADOUBLERATEDPOWERMETERTHEMETERACHIEVESUBMETERTIMEMEASUREMENTOFDOUBLERA
4、TEFUNCTIONUNDERTHECONTROLOFTHEMICROCONTROLLER【KEYWORDS】MULTIRATEDWATTHOURMETERAD7755SINGLECHIPPOWERMETERIII目录摘要IABSTRACTII目录III1引言111本课题的背景与意义112多费率电子式表的优势12总体方案设计介绍321方案任务及目标322系统基本方案3221电能计量单元3222单片机微控制器4223LED显示模块设计43双费率电表的硬件设计531直流稳压电源的设计632采样电路的设计6321电流采样电路设计6322电压转换电路设计733电能计量模块设计834C8051F330单
5、片机模块设计1335ZLG7289显示模块设计144双费率电表的软件设计1641软件设计思路1642软件流程图17421系统初始化设置17422软件运行过程185系统调试以及数据的记录和计算1951系统调试19511硬件调试19512软件调试19513软硬件联合调试1952数据的记录和计算19521数据记录20522数据计算20523误差的定性分析216总结与展望22参考文献23致谢错误未定义书签。附录2411引言11本课题的背景与意义随着世界科技水平的提升，各行各业经济的迅猛发展使他们对于电能的依赖度越来越高，在电量日益增加的同时也产生了一个现象，就是在不同时间段用电量不均衡的现象日益严重，
6、导致电力系统的负荷曲线变化幅度很大，为电网的稳定以及电能资源的合理分配使用带来了许多不良因素。为了缓解各个时段用电紧张的现状，鼓励各用户能够在电网低谷时段用电，平衡用电量，政府电力部门已经实施了不同时段不同电价的计费方法，这种方法从经济手段上对于用户用电量进行了一定的宏观调控，为节约电量资源起到了不小的贡献。为了更好地适应这种制度，新型的复费率电表已经大规模取代了传统的单一费率电表。随着单片机技术的日益成熟完善及电能需求的日益增加，以单片机为核心的数字电能表已得到了大规模的推广实施，其中的多费率数字电表更是受到了那些比较发达但是用电紧张的当地电力部门和人民群众的青睐。在市场的推动下，电子式电能
7、表发展迅速，中国目前已成为世界电能计量行业最有活力的市场。同时，单片机为核心的复费率电表也接受着社会的层层考验，现有的电表不足以满足未来的发展，价格更低，稳定性更好，抗干扰能力更强，精准度更高的电表有待开发出来1。在电力系统中，电力负荷是指电力系统中所有用电设备所耗用的功率，简称负荷，随着时间的推移，负荷是不断发生变化的，通过负荷曲线可以对于这种变化进行具体描述。电力负荷的大量增加会导致电网负载高峰的形成，同样，电力负荷的大量减少会导致电网负载低谷的形成。在这样的情况下，若峰值负荷与谷值负荷差距较大，则会导致电力得不到充分利用，运行不经济。为了合理解决这个问题，极大高效地利用电能，国家采用了不
8、同时段不同电价的政策，复费率电表无疑能更好地与这个政策相适应，单一费率电表因为无法实现这个功能而被电表市场所淘汰。随着新时代电子技术和通信技术的快速发展，红外电脑自动抄表系统的开发更是受到了用户的极大关注和欢迎。随着电表市场需求的不断加大，新型稳定、多功能和精确度高的智能型电表急需被开发出来2。12多费率电子式表的优势如今用户电表正在朝着高精度、多功能、多费率和智能型的方向发展，电子式电表也逐步取代了传统的机械式电表。传统的机械电表存在着它不可避免的局限性，首先，尽管机械式电表经过了一个多世纪后人的不断完善和改良，在精度方面已经能够比较精确地测量出电能，但是，它始终是一个机械装置仪器，它的精度
9、会随着电表的长时间的使用而导致器件受到磨损并最终导致电表损坏不能使用。其次，在于多费率电表功能的多样性。机械电表只能记录旋转数，并不能记录时间。我们知道2在现实中随着时间的不同，用户的用电量是会发上变化的，白天的电力需求量远远大于晚上的需求量。特别是夏天，因为空调等大功率电器的大量使用导致傍晚的电量激增。为了满足用户的电量需求，电力公司必须输送大量的电能。但是，由于电能是不能存储的，因此在非峰值的时间段内，电能大量富余，会对电能造成巨大的浪费和损失。因此，电力公司会采用不同的电价政策来平衡用电需求，而机械式电表无法完成这项功能，在能源紧缺的当代无疑是被打上了淘汰的标记。第三，机械式电表的抄表计
10、费工作是一项繁琐的工作。人力抄表既浪费了人力和时间，又容易产生错误。电子式电表不但能够电脑自动抄表，而且准确度高，不但能够提高工作效率，避免了人力资源浪费，又能减少人为错误，由此可见，机械式电表被取代将是一个不可阻拦的趋势。综合上面的因素，显示了机械式电能表有着诸多局限，它已经不能够完成现代电表用户和电力公司的需求，电子式电能表以其灵活性高、功能多、精确度高的性能将征服整个电表市场3。32总体方案设计介绍21方案任务及目标主要任务利用基本电路理论、模拟电路、数字电路等基础知识，应用相关的专用芯片、单片机等，设计一款具有费率管理、功耗比较低、稳定性好、寿命长等特点的双费率数字电度表。目标将不同时
11、段的电能分开记费，实现双费率的要求。不同时段的电能读取由键盘切换实现。22系统基本方案本方案中该系统主要由5V稳压直流电源模块、电流电压采样模块、AD7755为核心的电能计量模块、单片机控制模块和LED显示模块这五个模块组成。采样电路中电流采样使用变比为20001的电流互感器，将主网中的大电流转化为小电流，利用取样电阻采样电流信号。电压采样使用电阻分压的原理，对220V电压进行分压，经采样变换后的信号以差动电压的形式接到AD7755。其中取样电阻的阻值由计量芯片的最大输入信号即通道1和2的最大额定输入决定，然后经AD7755转换后将功率信号转化为脉冲信号并传送给单片机，利用单片机内部的计数器给
12、输入脉冲进行计数，按照公式即可计算出所消耗的电能。LED显示模块采用ZLG7289显示模块，将单片机计算出的电能显示在LED数码管上，同时可以通过切换键盘上的按键，对不同时段进行电能的计算，实现双费率的功能。221电能计量单元电能计量电路是双费率电表设计的关键部分，它的准确与否直接关系到电表的稳定性与精确度，所以在选择芯片时应从多方面考虑其性能。AD7755是ANALOGDEVICE公司生产的一款电能计量芯片，是一种高准确度电能测量集成电路，被广泛用于功率和电能的精确测量以及计算。由于AD7755芯片只有在基准源和ADC中使用到了模拟电路，在其他信号处理电路中，如乘法器和滤波器中等都是使用数字
13、电路，这保证了该芯片在外界环境变化较大的情况下也能够保证有较好的稳定性，实现了低成本、高精度、复费率电能表的设计可行性。AD7755电能计量芯片有以下优点有较高的准确度，动态范围在5001之内时能够保证误差小于01。当外部环境发生较大的变化时，内部的模数转换电路和数字信号处理电路仍保证高精确度和稳定性。芯片内部设置有电源监控电路，对电源发生变化进行监控，保证芯片正常工作不被损坏。该芯片正常工作电源为5V，而且功耗较小。采用了低成本CMOS工艺，价格比较便宜，适合推广。该芯片还有防潜动功能。芯片的基准电压为258V，并能够通过引脚给外部电路进行供电。电流通道的增益放大器使得对芯片的使用更加简单。
14、逻辑输出引脚REVP能指示负功率或错线。芯片4引脚F1和F2为平均有功功率输出引脚，输出的脉冲频率与平均有功功率成正比，而CF为瞬时有功功率输出引脚，输出的脉冲频率和瞬时有功功率成正比4。222单片机微控制器单片机是整个电表的控制核心，电表系统通过下载在单片机中的程序对其他的各个模块起到协调操作作用，实现电子式电表电表的各项功能。在选择单片机时要偏向于选择功能比较强大，精度以及稳定性较高，应用广泛以及编程简单易懂的单片机。方案中拟用的单片机是C8051F330芯片，C8051F330器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU，其主要具有以下的特性具有高速流水线结构的CIP51内核，并与MCS51
15、TM指令集完全兼容；10位速度可达200KSPS的十六通道单端/差分ADC；芯片内部拥有高精度并可用于编程的25MHZ振荡器；4个通用16位定时器/计数器；17个I/O端口；10位电流输出DAC；拥有通过硬件来使用的SMBUS/I2C以及增强型UART和SPI串行接口；拥有768BYTE的片内RAM等。它的这一系列特性决定了它可以独自构成一个独立的小系统，可以被用于仪表设计5。223LED显示模块设计显示模块可以采用LED数码管显示的电路，它具有控制操作简单、温度范围宽、在弱光背景下显示醒目和低成本等优点。而且由于在本实验中需显示的数据较少，数码管完全可以满足需求。实验中用到的显示模块核心为周
16、立功公司自行设计研发的ZLG7289芯片，使用方法简单方便。ZLG7289芯片具有很宽的工作电压范围，276V的电压都能驱使芯片进行正常工作；工作温度范围为4085；能够同时驱动8位共阴式数码管或者64只独立的LED灯；同时管理最多64个按键，并具有自动防抖功能；功能强大，拥有左移、右移、闪烁等作用；与微控制器之间进行连接时采用串行总线接口，操作方便，占用I/O资源较少。由于ZLG7289有以上诸多优点，可被大范围地用在条形显示器，仪器仪表，控制面板，工业控制器等电子领域4。53双费率电表的硬件设计电表的总体设计方案图如图31所示，整个电表的硬件电路主要由电源、计量芯片电路、采样电路、单片机微
17、控制器和显示电路五个部分组成，每个部分都完成其特定的功能，然后以单片机为核心有机组合在一起，完成电表的计费功能。图31硬件总体设计方案图【1】C8051F330单片机的作用是通过下载在其中的程序，控制协调其他的硬件模块完成整个系统的各种功能。【2】AD7755作为电能计量芯片，是电能计量模块的核心部分。本模块完成输入电能的计量功能，将模拟电能信息经一系列转换转化为脉冲信号传给单片机进行计数和计算。【3】电能采样分为电流采样与电压采样，此采样模块是将主网中的大电压，大电流转化为适合AD7755电压和电流通道输入的较小电信号，并将这些模拟信号提供给电能计量模块实现模数之间的转换以及计算。【4】数据
18、显示模块主要将电能表产生的用电信息准确地显示在数码管上，以供用户和抄表人员参考使用。同时用于通过按键对费率进行切换，实现电表的双费率功能。【5】电源模块为整个电能表系统提供所需要的电量。它可以将主网中的220V通过电能变换，降压整流等方法成为电能表可以使用的5V的直流稳压电源。C8051F330单片机AD7755电能计量芯片电源电压采样电流采样LED显示631直流稳压电源的设计在电能表中，电能表的工作需要进行不间断地供电，电源是否稳定会直接影响电表的工作性能和精确度，因此，一个好的直流稳压电源是保证整个系统能够稳定工作的前提和关键。设计中首先将交流电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流
19、电路对交流低压进行整流和滤波，使得在三端稳压器的两端形成一个不是十分稳定的直流电压，最后经过7805的稳压效果，产生一个稳定性较好、精度较高的5V直流稳压电源。在实验的设计中，稳压电源用于AD7755电能计量芯片、单片机微控制器模块和LED显示模块的电能供电。电路图如图32所示12J1CON21234D1BRIDGE1C101UFC301UFC21000UFC4100UF1133227805U17805VCC图325V直流稳压电源32采样电路的设计采样电路完成将主网中的大电压和大电流转化成为可供电能计量模块直接使用的小电压和小电流，同时将主网的电力线和电能计量芯片进行隔离的作用。实现采样后的交
20、流小电压应满足峰值小于等于电能通道所能承受的满额峰值电压470MV和660MV。321电流采样电路设计电流采样可以通过两种方法进行实现。第一种锰铜片作为采样器，第二种是通过电流互感器达到采样的目的。由于采用互感器可以提高电子式电能表的抗干扰能力，因此实验中选择了第二种方案。根据实验课题要求的需要，电流采样部分采用变比为20001的30A/15MA电流互感器进行处理，将互感后的电流经过一精密采样电阻将电流信号转换成为电压信号。然后电压信号直接输入到电能计量芯片AD7755的电流通道中。该通道采用完全差动式输入，V1P是正端输入，V1N为负端输入。此通道的最大差动峰值为470MV，输入峰值应小于这
21、个值。同时，在AD7755计量芯片的电流通道中有一个PGA可以对输入电压进行增益，增益可以选择为1、2、8或16，用户可根据自己的需要进行选择，如表31所示7表31电流通道的增益选择G0G1增益最大差动信号001470MA012235MA10860MA111630MA设计电路原理图如图33所示V1PV1NT130A/15MAR23R13R41KR31KC1001UFC2001UFLN图33电流互感器采样电路在实际制作电路板前，为了选择比较合适的电阻以及电容，以及对产生的结果进行验证，需要对以上电路进行仿真，图34为电路仿真图，由图可知，在如下情况下，当输入电流为最大额定电流25A时，输出电压有
22、效值为75MV，算得电压峰值为105MV，满足小于470MV的要求。图34电流互感器采样电路仿真图322电压转换电路设计8电压转换同样可以用两种方法实现。第一种是使用电流互感器达到采样目的，第二种是采用电阻网络分压的方法，考虑成本等原因，本方案中电压转换采用电阻分压的方法实现。如图356所示，电压采样电路采用简单的串联电阻分压网络。在实际电路中，当由于电阻的精度而导致电路测得的数据和理论上有较小的偏差时，可以短接或者松开接点可以很方便地完成增益调节，使得电压实测值与理论值达到一致。这种方法相对于互感器采样来说，体积和重量大大减少，小巧轻便。R150KR225KR312KR45KR52KR61K
23、R7500R8250R9200KR10200KR111KC130NFC230NFR121KS1SWS2SWS3SWS4SWS8SWS7SWS6SWS5SWV2PV2N图35分压网络电压采集电路与电流采样一样，经仿真，可得在图36情况下，对开关进行控制，输出电压有效值为4667MV，则峰值为660MV，可以满足对通道2进行满额输入的要求。图36分压网络电压采集电路仿真图33电能计量模块设计9AD7755功能图如图37所示图37AD7755功能图AD7755的内部结构原理如图331所示，两个ADC对输入电流和电压通道的信号进行数字化处理，这两个ADC都是16位二阶一模数转换器，过采样速率可以达到9
24、00KHZ，AD7755的模拟输入在结构上具有动态范围较宽的特点，这样大大简化了传感器接口可以与传感器直接连接，也简化了抗混叠滤波器的设计。对电流通道中PGA的设置进一步简化了传感器接口6。信号处理部分包括相位校正、高通滤波器HPF、乘法器、低通滤波器LPF和数字频率转换电路对信号进行处理。AD7755只有在ADC和基准源为模拟电路，乘法器和滤波器等都为数字电路，这使得AD7755具有极高的准确度和长期稳定性2。有功功率是从瞬时功率中推导出来的。瞬时功率信号是电压通道输入的信号与电流通道输入的信号相乘产生的，这个信号再经过低通滤波器滤掉其中的交流分量提取出瞬时有功功率。图38显示了如何通过对瞬
25、时功率信号进行低通滤波器来获取瞬时有功功率。10图38信号处理框图此瞬时功率信号经过数字/频率转换器转换成与瞬时有功功率成正比的高频脉冲信号并从CF引脚输出。AD7755的低频输出F1和F2是通过对瞬时有功功率信息的累计产生的，即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功率，由于它输出的是脉冲信号，所以CPU通过中断引脚可以方便准确地进行电量的累计。由于CF输出的频率较高，累加时间较短，因此CF的输出正比于瞬时有功功率7。AD7755内部包含一个对AVDD电源引脚的监控电路。在AVDD上升到4V之前，AD7755一直保持在复位状态。当AVDD下降到4V以下，AD7755也
26、被复位，此时F1，F2和CF都没有输出。在AD7755与微控制器MCU接口最简单的方法是使用CF高频输出。如图39所示，频率输出CF端连接到MCU的计度器或端口，MCU在内部定时器设定的积分时间内对CF输出的脉冲计数，由于平均功率正比于平均频率，两者之间的关系可以表达如式312设K为比例常数，在电表中K表示仪表常数的倒数，在本实验具体电路中，K1/3200平均功率K平均频率K脉冲个数/积分时间31由此可得在一个积分周期内所消耗的电能为式32电能平均功率积分时间K脉冲个数/积分时间积分时间K脉冲个数32这表示，在设计的具体电路中，AD7755的CF端每输出3200个脉冲，电能增加一度。11图39
27、AD7755和MCU接口图AD7755引脚如图310所示DVDD1AC/DC2AVDD3NC4V1P5V1N6V2N7V2P8RESET9REF10AGND11SCF12S113S014G115G016CLKIN17CLKOUT18NC19REVP20DGND21CF22F223F124ADE7755图310AD7755引脚图引脚介绍如下DVDD为数字电源引脚。电源通过此引脚给AD7755计量芯片内的数字电路进行供电，输入电源电压应为5V5并保持不变，为了抗干扰，在此引脚上应接入10UF电容并联100NF电解电容对电源进行去耦。ACDC为高通滤波器选择引脚。此引脚为高电平时，电流通道内的高通滤
28、波器选通，表示滤波器在45HZ至LKHZ范围内的相位响应已得到补偿。在频率测量中，高通滤波器应被选通。AVDD为模拟电源引脚。通过此引脚给AD7755芯片内的模拟电路进行供电，输入电源电压应为5V5并保持不变，与数字电源引脚一样，为了防止干扰，需要进行去耦处理。NC不需要连线V1P，V1N为电流通道模拟输入引脚，方式上采用差动输入，最大输入电压信号为470MV。V2P，V2N为电压通道模拟输入引脚。方式上也是差动输入，最大输入电压信号为660MV。12RESET为芯片的复位引脚。此引脚输入为低电平时，芯片内的ADC和数字电路处于复位状态，当在下降沿时，将清除芯片的内部寄存器。REFIN/OUT
29、为基准电压引脚。该引脚的标称值应在25V8。AGND为计量芯片内的模拟电路的接地点，在印刷电路板上，此引脚应连接到模拟接地面。SCF为频率选择引脚。CF引脚的输出频率是通过对此引脚的输入来实现的。S1，S2V/F转换系数是通过这两个引脚的输入来选择实现的。G0，G1电流通道上的增益是通过这两个引脚上的输入用来确定的，可选的增益有1,2,8和16。CLKIN，CLKOUT从这两个引脚输入上外部时钟，可把一个3579545MHZ的晶振接到CLKIN和CLKOUT之间给芯片提供时钟信号。REVP当检测到有负功率产生时，从这个引脚输出高电平。若输出没有被锁存时，又检测到有正功率产生时，从这个引脚输出复
30、位信号。随着CF引脚产生输出，这个引脚的输出也发生变化。DGND该引脚为芯片数字电路的接地点。在印刷电路板上，此引脚应连接到数字接地面。CF为校验频率输出引脚。该引脚输出频率显示瞬时有功功率。F1，F2为低频输出引脚，该引脚输出频率显示平均有功功率7。输出频率CF端的输出主要用于仪表的校验和MCU输入，CF与F1，F2之间的关系取决于逻辑输入S0，S1和SCF，如表32所示表32CF与F1,F2频率关系表SCFS1S0F14HZCF的最高输出频率10017128F1,F20001764F1,F21013464F1,F20013432F1,F21106832F1,F20106816F1,F211
31、113616F1,F20111362048F1,F2在本实验中，由于F14选为34，因此选择SCF0，S10，S21，CF输出频率为F1和F2的32倍。13根据上述对AD7755芯片引脚和原理的介绍以及本实验的要求，电能计量电路原理图设计如311所示C2100NFC4100NFC530PFC630PFC1220UFC310UFR120VCCY13579M123456J1CON6VCCC2100NFC110UFDVDD1AC/DC2AVDD3NC4V1P5V1N6V2N7V2P8RESET9REF10AGND11SCF12S113S014G115G016CLKIN17CLKOUT18NC19RE
32、VP20DGND21CF22F223F124ADE7755S1ADE7755VCC图311电能计量模块原理图34C8051F330单片机模块设计具有片内时钟振荡器、定时器/计数器、ADC、DAC等功能的C8051F330单片机真正能够在片上进行独自工作的系统。除此之外，FLASH程序存储器还具有在系统进行重新编程的能力，可用于非易失性数据存储，并允许在现场8051硬件进行更新。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗5。C8051F330单片机是以33V作为输入电压VDD，而稳压直流电源产生的电压为5V，因此，需要对此电压进行降压处理。如图312所示，这是单片机最
33、小模块的电压转换部分，能够将5V电压转换成为供单片机使用的33V稳定电压，VDD33为电压输出口。14C210UFC410UFVIND2IN5819VDD33VIN34VOUT2GND1U1SPX1117M333C101UFC301UF12J1CON2图312最小单片机电压转换电路如图313所示，这是单片机最小系统电路原理图，包括C8051F330单片机芯片、单片机复位电路、JTAG程序加载引脚以及电源测试电路。电源测试电路用于测试电源是否有电压输入单片机，LED发光则表示有电源输入。JATG接口用于将电脑上经编译后的程序下载入单片机。12345678910JP2JATGC2DC2CKVDD3
34、3R210KC5104C622UFS2VDD33D41N4148VDD331A2KD3LEDR11KP031P022P004GND5VDD6/RST7P0519P0618P1115P179P1610P208P013P0420P1016P1214P0717P1313P1412P1511JP3C8051F330P03P02P01P00C2DP17P16P15P14P13P12P11P10P07P06P05P04C2CKVDD3312345678J3CON812345678J4CON8P03P02P01P00P15P14P13P12P11P10P07P06P05P04P17P1612J2CON2VD
35、D331A2KD8LEDR71KP17R61K图313最小单片机系统35ZLG7289显示模块设计ZLG7289芯片是周立功公司独自设计并研发的一款在功能上具有数码管显示和键盘扫描管理作用的芯片，是一款比较优秀而且操作简单的芯片，受到许多人的青睐。此芯片可以直接驱动最多8个共阴式数码管，以及最多同时扫描64个按键。该芯片内部本身含有显示译码器，可以接受BCD码或者十六进制码，并同时具有2种译码方式。除此之外，由于它还具有如消隐段寻址左移右移闪烁等控制指令，所以可以实现上述功能。通过对片选信号的利用和选择，还可以对ZLG7289进行扩展，可以将多个芯片进行组合使用，实现在超过8个数码管或者64个
36、按键时情况下的要求。15图314ZLG7289数码管显示模块原理图图314中U1就是ZLG7289芯片。VCC和GND之间一般情况下要接入47470UF的电解电容以使电源更加稳定。J1是单片机处理器和ZLG模块接触的通道。ZLG7289模块的晶振一般在4到16MHZ之间，普通电容P3和P4一般情况下可取值10PF。复位引脚是低电平时对芯片进行复位，外部电路一般为简单的复位电路，当然，也可以直接对RST引脚进行电平拉低实现复位目的。8个数码管都是共阴极数码管，不可以用共阳极的代替。上图中用到2个4位联体数码管，完成八个数码管的作用，除此之外还有其他各种组合方式。由于数码管工作时工作电流较大，上图
37、中R9R16电阻实现限流目的，其阻值是270。可通过减小阻值实现数码管亮度调节，最低不得低于200。按键上，对于键盘能正常扫描并工作，下拉电阻和位选电阻是必须的，上图中分别为R1R8和R17R24。它们的阻值有一定程度的比例关系，比值在51和501中选择，其典型值是101。下拉电阻和位选电阻取值范围分别是10100K和110K。在本课题的实际应用中，因为用不到太多的按键，对键盘进行了减少处理，同时也减少了位选电阻，但下拉电阻不可省去4。164双费率电表的软件设计在应用单片机的系统中，软件的重要性和硬件是同等的，硬件和软件，就好比是一个人的躯体和灵魂，没有软件，硬件就只是一个没有任何功能的空壳而
38、已。在设计一个系统的时候，系统的功能主要是通过对软件的编写来实现的，可以说，软件的设计很大程度上决定了整个系统的性能。本实验设计的软件是在KEILUVITION的软件环境下采用C语言来进行编程和调试的。41软件设计思路软件部分是用C语言实现单片机控制程序，让主程序下载入单片机中并调用各个子程序模块来实现整个系统的各项功能，本方案中的双费率电表程序包括测量主程序模块、数据计算模块、转换数据格式模块和显示模块，如图41所示图41软件设计思路【1】测量主程序模块主要作用是对单片机系统进行初始化和脉冲电量的检测，即对AD7755提供的计量脉冲进行计数，将脉冲转化为电量，达到对电量进行测量的目的。【2】
39、数据计算模块的作用是在峰或者谷的时段时，将同属于峰的电量或者同属于谷的电量进行累加，这样就可以分别知道两个时段所用的电量【3】数据转换模块是用程序将累加所得到的两个电量分别都转换成能够直接显示到ZLG7289的数据格式。【4】显示模块是将用户的用电量信息，包括峰与谷时段用电量分别显示到数码管上，供用户与抄表人员参考。测量主程序模块数据计算模块转换数据格式模块显示模块输入1742软件流程图方案基本流程图如图42所示图42软件设计流程图421系统初始化设置在本方案中，C8051F330系统的使用到的初始化程序主要包括系统的初始化、端口I/O的初始化、定时器的初始化和中断服务程序。在对定时器/计数器
40、的初始化中，每个计数器/定时器都是一个16位的寄存器，当被访问的时候，它们以两个字节的形式出现低字节TL0或TL1和高字节TH0或TH1。定时器0、1以及它们的状态通过对计数器/定时器控制寄存器的设置来实现。通过将IE寄存器中的ET0位置1来允峰值电量累加谷值电量累加数据转换显示电量是开始初始化配置电能脉冲采集峰时段否18许定时器0中断，通过将ET1位置1来允许定时器1中断。定时器0和1都有四种工作方式，这些工作方式通过对计数器/定时器方式寄存器进行设置来进行选择，每个定时器都可以被独立配置5。电表软件需要对输入脉冲进行计数，因此需要用一个定时器来实现计数器的功能，计数通过引脚T0的脉冲信号，
41、如果外部引脚有输入脉冲，T0就会计数。同时对TH0和TL0进行置数，当T0计数满溢出时进入中断服务程序。如果能进入中断，说明已经记录外部引脚输入8。端口I/O初始化包括以下几点用端口输入方式寄存器（PNMDIN）对端口引脚的输入方式即模拟输入或者数字输入进行选择。用端口跳过寄存器（PNSKIP）对被交叉开关跳过的那些引脚进行选择，将引脚分配给要使用的外设。用端口输出方式寄存器（PNMDOUT）对所有端口引脚的输出方（漏极开路或推挽）进行选择选择。使能交叉开关XBARE15。脉冲信号为TTL电平，选择输入的端口应设置为数字输入，在设置交叉开关时对于输入的引脚不跳过8。当TL0计数满溢出时，产生中
42、断，中断服务程序完成一定的功能。422软件运行过程完成了对系统的初始化之后，首先用计数器对脉冲信号进行计数，脉冲通过T0口进入单片机，当计数器计数满导致溢出时，会产生一个中断，同时对TL0重新置数。由于电能和脉冲个数成正比，在中断服务程序中可以完成从脉冲个数到电能的转化，转化完之后可以输出一个标志信号，当主程序接收到这个信号时，将电能信号进行累加，然后将电能数据进行编程，转换成为ZLG7289能够直接显示的数据，显示与数码管上。由于本实验设计的电表具有双费率功能，显示模块上应该显示出不同的时段所对应的电量，以便于计费，根据要求，对ZLG7289模块进行键盘设置，在设置中完成切换按键实现时段转换
43、的功能。195系统调试以及数据的记录和计算51系统调试系统的调试可以分为硬件调试、软件调试和软硬件联合调试。511硬件调试硬件调试时首先应该对照电路原理图查看电路连线和原理图是否一致，然后用万用表测量是否出现短路或者断路情况，查看电解电容等正负极是否接错。在排除以上情况之后，对模块分开逐个进行调试，对输入信号用信号发生器以及电源进行模拟输入，观察实际输出的各项参数与理想条件下的输出是否有差距，若没有差距，则说明此模块可以进行使用。以此类推对各个模块进行类似的调试512软件调试由于C8051F330的软件程序是在KEIL软件的环境下完成的，因此，在对软件的初步检查调试比较容易，KEIL软件会在编
44、写程序的语法和逻辑上进行检查，在无误的情况下可以将程序下载入单片机完成最后的软硬件联合调试。513软硬件联合调试在以上硬件和软件分开基本上都能调通的情况下，进行软硬件的联合调试。根据系统模块化的思想，当程序输入单片机后，首先可以将单片机和LED显示模块进行组合调试，输入脉冲用信号发生器代替，观察LED显示模块是否有数据显示和变化，成功之后就在上面的情况下放入计量模块，用信号发生器模拟电压和电流通道的差动电压输入，依此类推，当整个模块连接成一个电表系统并成功时，联合调试结束9。52数据的记录和计算拟设设计的电表的仪表常数为100IMP/KWHR，表示F1和F2每产生100个脉冲，电表数据增加一度
45、电。这样设置仪表常数，则F1和F2每输出1个脉冲，则电量增加001度电，显示数字加一，这样可以避免小数省略带来的误差。当最大额定输入电流为25A时，可以计算得到F1和F2的频率HZIMPSWAV1530100/3600000/25220根据公式241/21608REFVFGVVF其中F为引脚F1和F2输出的脉冲频率V1为通道1差动输入电压有效值V2为通道2差动输入电压有效值，在实验中为电压通道满额电压VM2/66020G为PGA的增益，由G0和G1的逻辑输入决定VREF为基准电压25V8F14由分S1，S0产生的分频系数决定可以计算得到MVV2/471052，即电流通道峰值应为10574毫伏用
46、同样的方法可得外部电流分别为20A、15A、10A和5A时候的电流通道峰值。521数据记录通过对负载的改变，可以得到输入电表电流的变化。改变外部负载，分别在电流为25A、20A、15A、10A和5A的情况下对结果进行记录，外部电压220V保持不变，在调节开关使得电压采样后电压为满额输入的660MV。如表51所示，对每产生001度电的时间进行记录，每个电流记录5个。表51时间数据表外部电流A经采样输出电压峰值MV每产生001度电所用时间S第一次第二次第三次第四次第五次25105639629635633626208479579780578980115631095108510891087109210
47、421623162916221625163152132343293331432903287522数据计算根据公式平均测量TWP/，可以计算出测得的电表功率。根据UIP实际，可以计算出实际的用电功率。最后根据公式实际实际测量PPP/|可得出误差。如表52所示表52实际功率和测量功率比较表外部电流A经采样输出电压峰值MV平均时间S测量功率W实际功率W误差2510563356872550034020847984511344002531563108933058330001751042162622140220006375213290109421100052521由以上数据可以看出，当外部负载电流较大时，
48、误差比较大，当外部电流较小时，误差较小，在可以接受的范围之内。523误差的定性分析在前面的电压采样部分中，虽然可以通过调节开关使得误差减小，但是由于受到器件电阻、互感器等精度的限制，采样部分总是存在着误差。另外，在电表工作时，各种干扰对仪表都是有害的，除了随机误差以及电流产生的磁场外，电能计量芯片内部的共模干扰、谐波分量、本身的噪声干扰都会导致电表误差的产生10。在数据显示过程中，从电量数据的产生到ZLG7289数码管的显示，由于本身内部晶振存在的原因，执行程序时会在时间上产生延时，这也是产生误差的一个重要原因。226总结与展望本课题设计建立在电能计量理论的基础上，是将AD7755作为电能计量
49、芯片，结合单片机设计开发的一款简单复费率电表。此电表结构和原理简单，操作容易，稳定性较好，精度较高，而且具有分时段计费的功能，可以分时段显示电量。本课题设计的电表较为基础，在科学技术日益发展的今天，单一功能的电表已经很难满足当今不断提高的市场需求，新的智能电表有待开发。本课题设计的电表还是建立在人力抄表的基础上，这样既浪费了劳动力资源，又容易产生错误，因此可以向这个方面进行改进，可以通过无线通信，完成电脑自动抄表的功能。此外，也可以将数码管显示改成液晶显示，液晶可以显示的数据较多，可以显示年份、月份，可以达到费率功能不仅仅限制于双费率，可以向多费率发展，甚至还可以实现提取上月份使用电量等功能。随着时代的进步和能源的进一步紧缺，节约用电的思想将升入人心，可以想象地出来，多费率电表必将成为未来电表界地主流。23参考文献1赵伟，庞海波，刘灿涛电能表技术的发展历程J电测与仪表，1999,6472李剑单相智能复费率电能表的设计与开发DHTTP/WWWDOCINCOM/P50740083HTML3姚振低功耗多费率电表专用集成电路的设计DHTTP/WWWDOCINCOM/P193424080HTML4广州周立功单片机发展有限公司ZLG7289YINGYONGZ5新华龙电子有限公司C805
