毕业设计终稿基于微控制器的插座式智能电表

2011届毕业生毕业论文题目: 插座式节能智能电表设计院系名称：专业班级：学生：学号：指导教师：教师职称： 教 授 2011 年 05 月 30 日37 / 41摘 要插座式电能表是一种可带插座的电子式电能计量仪表，计量插座为负载电器设备提供接插用电的同时，实时捕获电器设备的各项参数，并可按需要随时设置测量容、同步观察电器设备的各项工作参数，让人们更为方便地监测电器设备的工作状况，为科学节能、安全合理地使用、维护和调校电器设备提供有效帮助。本设计基于ADI公司的ADE7755单相电能计量芯片,并以飞思卡尔公司的MC9S08AW60作为微控制器，设计了一款新型的单相插座式电能表实现方案。完成了插座式节能智能电表各个硬件模块电路的设计，包括电源稳压电路、电能计量电路、LCD显示电路、实时时钟电路、外扩EEPROM电路、继电器保护电路等。电能计量芯片检测的电能以脉冲的形式送给MCU，MCU经过运算处理后，将数据送给LCD、外扩EEPROM进行显示和存储。本设计完成了插座式节能智能电表的软硬件设计，可用于实时监测负载的工作状态，测量交流型电器的功率和记录消耗的电能，并根据需要可设置自动断电（限制负荷大小和按定时器设定时间控制拉闸）。关键词：电能计量；ADE7755；智能电能表TitleDesign of the Socket Energy-saving Smart MeterAbstractThe Socket Smart Meter is an electronic energy measurement instruments which has a socket, with which the socket smart meter can provide measureoutlet plug for the electricity load, and can also catch various kinds of parameters of electrical equipment. Whats more, the content and working parameters in synchronization observation of the electrical equipment can be set according to the needing at any time. Therefore, it makes people monitor the working condition of electrical equipment more easily and provide effective help for scientific energy saving, safe and reasonable use, maintenance and adjustment.Based on ADIs single-phase energy metering IC ADE7755and MC9S08AW60 as Freescales microcontroller, the design aims tocreating a new type of single-phase power meter socket implementations. Various smart meter socket hardware module circuit designsare completed, including the power regulator circuit, power measuring circuitry, LCD display circuit, real-time clock circuit, external expansion EEPROM circuit and so on. The power of the detection of energy metering chipsare sent to MCU in the form of pulses, and then the data deal with MCU can sent to LCD and external EEPROM for expanding display and storage. Both hardware and software of smart meter socket are completely designed for monitoring of the operating parameters of the work load, measuring the exchange-type electrical power and recording of power consumption, and automatic power-off can be set as needed (limit load size and control the brake according to timer.) 朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典Keywords：Energy Measurement； ADE7755； Smart Meter目 次1 绪论11.1 插座式节能智能电表研究的背景与意义11.2 电能表的发展11.3 研究的容22 插座式节能智能电表方案整体设计32.1 方案整体结构32.2 方案硬件的选择32.3 软件开发环境与开发工具63 电能计量芯片83.1 ADE7755的特点83.2 ADE7755工作原理93.3 模拟输入103.4 ADE7755的测试曲线124 插座式节能智能电表硬件电路设计134.1 电能计量电路134.2 LCD显示电路144.3 实时时钟电路144.4 外扩EEPROM电路155 插座式智能电表软件设计165.1 电能计量程序165.2 LCD显示程序175.3 外部数据存储器程序185.4 实时时钟程序196 插座式智能电表方案设计展示和展望216.1 硬件实物展示216.2 插座式智能电表展望22总结23致24参考文献25附录A 方案总电路图27附录B 方案软件总流程图28附录C 方案设计展示29附录D 主要元器件参数表30附录E 部分程序清单311 绪论电能表作为电能计量的专用仪表,它起着计量负载消耗的或电源发出的电能的作用，在电能管理仪器仪表中占有很大比例,其性能直接影响着电能管理的效率和科技水平。本章主要介绍了插座式智能电表的背景、意义、发展的状况，以与本设计要研究的容。1.1 插座式节能智能电表研究的背景与意义随着居民生活水平的提高，越来越多的家用电器进入千家万户，居民用电量节节攀升，但各种家用电器的耗电量到底是多少呢，为什么会用这么多电，是不是有些电器出现故障了，一般家庭缺少简单有效的监测电器工作情况的工具，不能做到明白用电、安全用电和节约用电。众所周知，很多节能电器设备上，只是标定了一个功率，其实不然，很多电器设备在运行和待机状态下的功耗是不一样的。比如，我们家的冰箱，工作的时候是127W左右，静待状态是5W；遥控电扇的工作状态，低风52W,中风56W，高风64W，待机状态5W。现在市场上节能产品很多，但如何辨别节能产品的真伪与效果呢？想知道自己电脑用了多少电量吗？想知道现在的电压稳定吗？想了解我们用电磁炉做饭每天使用多少度的电量吗？电视机、电脑处于待机状态还在用电吗？空调如何使用最省电？冰箱压缩机怎么一直在工作？制冷温度设在多少度既能满足要求，又省电？插座式智能电表可在为电器设备提供接插用电的同时，还可实时监测电器设备，能直观、方便地了解电器设备的工作状况（如：工作电压、功率、累积电量等），为科学、合理地使用和维护电器设备、节约用电提供有效帮助。1.2 电能表的发展我国的电能表的生产始于50年代，经过几十年的努力，电能测量技术和仪表的开发、生产得到了飞速发展。各类电能表（感应式、全电子式）在品种和质量上得到了扩展与提高，为满足推行峰谷电价制的需要，开发与生产了各种复费率电能表；为满足一户一表制的需要，开发了IC卡预付费电表；为防窃电，开发了防窃电电能表；为满足用电营业管理的需要，开发了多功能电能表、管理系统；为满足负荷监控的需要，开发了无线电力负荷监控系统；为实现抄表自动化、远程化，开发了远程自动化抄表系统，为了实时监控负载电能消耗，开发了插座式智能电能表1。电能表作为计量管理和用电管理的终端,它所提供的各种功能是实现电力系统自动化管理必不可少的。传统的测量都是采用A/D转换电路,但这种方法使部分电参量测量精度欠佳,性价比不理想,且软件编程相对复杂,微控制器必须对采样电路进行数据处理（如电压、电流的平均值、有效值,有功、无功计算等）。而随着现代电子产业的高速发展，测量电路的集成化、模块化成为未来发展的趋势，各大器件公司也纷纷推出自己的电能计量芯片。这种集成芯片不仅精确度高,而且硬件、软件设计简单，价格便宜,性价比高,极具市场潜力。目前国单相电子式电能表大部分都是采用电能计量模块，外扩少量元器件而组成的，各种单相电子式电能表所使用计量芯片的基本原理大致一样，因此，全电子、多功能、低功耗、小体积的电表研发逐渐成为了一种趋势。1.3 研究的容本课题要设计并制作出一台插座式智能电能表，要实现电能电量的采集，存储和输出显示，实时监测负载的用电状态，同步观察电器设备的各项工作参数，让人们更为方便地监测电器设备的工作状况，为科学节能、安全合理地使用、维护和调校电器设备提供有效帮助。本设计要实现的目标是：（1） 设计电能计量方案，选择电能计量芯片； （2） 构建方案的整体框图；（3） 设计电能采集电路、实时时钟电路、电源和备用电源电路等硬件电路；（4） 设计电量采集、数据存储、实时时钟产生、键盘输入和LCD显示程序；（5） 完成硬件的制作和软件的调试；2 插座式节能智能电表方案整体设计本设计的各个硬件模块相对独立，彼此间的工作互不影响和干扰，这保证了系统运行的稳定性；软件采用分支循环方式。本章主要介绍了方案的整体结构、硬件各个模块的选择和软件编译环境。2.1 方案整体结构电能计量芯片从家用220V交流电线路上采集电压、电流信号，经处理后进行乘积运算，运算的结果通过功率频率转换器转换成与平均功率成正比的脉冲信号输出，MCU在一个计数周期进行计数，并转换为功率传给LCD和外扩存储器，存储器在记录电量的同时，也记录此时刻的时间，以便以后查询。当线路过载或定时时间到时，MCU控制继电器，断开线路。系统总体框图如2.1所示。 图 2.1 方案整体设计框图2.2 方案硬件的选择本设计中的集成电路包括：微控制器、电源稳压芯片、电能计量芯片、实时时钟、外扩存储芯片和LCD。2.2.1 微控制器的选择控制器是一个设备的大脑，控制器的性能直接关系到控制质量，同时也是整台设备占用成本比较多的部分，因此微控制器的选型非常重要。MC9S08AW602美国Freescale公司生产的一款8位微控制器,拥有62KB片上在线可编程FLASH存储器和2KB片上RAM，具有模块保护与安全选项功能，支持2.75.5V电源。片总线时钟最高可达20MHz，可选择宽围的时钟频率。其部集成了高性能模/数转换器（ADC），AD单次8位转换最短时间是20个ADCK周期+5个总线时钟周期，按20MHz的主频ADCK分频系数为1来计算的话约为1.25毫秒。由于本设计要连续采集数据和存储，因此需要较高的时钟频率。MC9S08AW60可以通过后台调试模式进行程序下载，可在线观看寄存器变化，便于调试，因此选用MC9S08AW60作为本设计的微控制器。2.2.2 显示器的选择电表将需要显示的信息通过LCD显示出来，较常用的LCD有JCM12864M和1602JCM12864M液晶显示器是常用的小型显示器3。它的资源很丰富，自带字库，操作也比较简单，因此得到了广泛的应用。显示RAM提供642 字节的空间，最多可以控制4 行16 字的中文字型显示。当写入显示资料RAM 时，可以分别显示CGROM，HCGROM 与CGRAM 的字型。提供6432字节的空间（由扩充指令设定绘图RAM 地址），最多可以控制25664 点阵的二维绘图缓冲空间。16024是以16列2行=32个510点阵块组成的显示字符群，每个点为一个字符，具有字符发生器ROM，可以显示192种字符，具有80字的RAM，+5V供电，低功耗，可靠性高。MCU从电能计量芯片采集的数据经处理后，送给LCD显示，根据需要，LCD需显示中文字符。经比较，选用含中文字库的JCM12864M为本设计的显示器。2.2.3 电能计量芯片的选择市场上单相电能计量芯片的品种较多，以适应不同电表功能的需要。如：ATT7023、CS5463、ADE7755等。ATT70235是炬力公司生产的一种单相多功能、多费率的电能计量芯片，部是由高准确精度的电路、CPU、存储器、时钟单元、LCD驱动电路、逻辑接口电路等几部分组成，支持IEC687/1036,国标GB/T 17883和GB/T 17215。它适合于单相复费率电能表，单相复费率IC卡表的应用。CS5463是美国CRYSTAL公司生产的一款多功能电能计量芯片，含两个模-数转换器(ADC)、高速电能计算功能和一个串行接口的高集成模转转换器。它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、无功功率、IRMS和VRMS，可用于研制开发单相2线或3线电表。CS5463可以使用低成本的分流器或电流互感器来测量电流，并使用分压电阻或电压互感器来测量电压。具有与微控制器通讯的双向串口，其芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比。CS5463具有方便的片上ACDC系统校准功能。ADE7755是ADI公司生产的一款单相电能计量芯片，它将有功功率的信息以频率的形式输出，在50/60Hz输入信号时都能满足IEC687/1036标准规定的测试精度要求，在1000:1的输入动态围，测试误差都小于0.1%。ADE7755只在ADC和基准源中使用模拟电路，所有其他信号处理（如相乘和滤波）都使用数字电路，这使ADE7755在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。经过以上比较，结合本设计的要求和价格，选用ADE7755作为本设计的计量芯片。2.2.4 实时时钟芯片的选择实时时钟为整个装置提供时钟基准，实时时钟芯片的选择需要考虑其功耗、稳定性、与MCU通信方式。NJU6355是新日本株式会社生产的一种实时时钟芯片,它是目前实时时钟芯片中功耗最小,外部元件最少的一种。当工作电压为3V时,其工作电流小于3uA,仅为OKI生产的低功耗实时时钟芯片M6242的三十分之一,全部外部元件仅一只石英晶体。和其它时钟芯片相比较,除了功耗低、外部元件较少外, 它还含电源电压监视电路和数据保护电路。当电源电压小于允许值时,NJU6355将在部寄存器中自动记录。只有电源电压在5V10%,CPU才能NJU6355读写,如果电源电压超过5V10%时, NJU6355禁止数据的输入输出。M6242是OKI公司生产的实时时钟,为18脚DIP封装，在正常的情况下由单一5V电源供电，此时功耗为150uW,在+2V电池供电时，功耗仅为20uW,其部拥有32.768Hz的振荡器，可产生秒、分、时、日、月、年与星期等数据，分别存于可寻址的相应寄存器中，这些寄存器可由外部微处理器进行读写操作。DS13024 美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟电路，它能够提供秒、分、时、日、月、年，包括星期的信息, 并且能够自动调整月份和闰年。时钟可以工作于24小时模式或AM/PM 的12小时模式。其部数据分为10个时钟寄存器和31字节RAM,对时钟寄存器初始化可以设定当前时间,控制芯片的运行,时间是用BCD 码保存的,RAM 可以用来存取用户数据,在用了备用电池后RAM的数据在系统掉电时能够保持不丢失。芯片采用了简单的IIC三线通信方式,便于节省芯片和与之接口的微处理器引脚。芯片有着2.05.5V的宽供电电压围,在5V供电时其接口与TTL电平兼容，并且有着很低的功耗,在2.0V 供电时仅耗300nA 的电流。由于DS1302在数据读写方面较简单，且完全满足本设计的要求，因此选用DS1302作为实时时钟源。2.2.5 存储芯片的选择从计量芯片读取的电能数据要进行存储，以便下次使用，为此选用AT24C02B作为本设计的外部存储EEPROM。AT24C02B拥有2048位存储空间，工作电压为1.55.5V，8字节页写方式，可擦写100万次，数据可保存100年。2.3 软件开发环境与开发工具本设计的软件开发环境采用Metrowerk公司开发的CodeWarrior IDE。CodeWarrior IDE支持深入的C语言和汇编语言调试、启动/停止、单步、设置跟踪触发器、校验/修改存储器和C变量、结构与阵列、以与全功能的软件模拟调试等仿真功能，这为本设计的软件调试提供了极便利。CodeWarrior IDE的开发界面如图2.2所示。图2.2 CodeWarrior IDE操作界面2.3.1 软件开发工具只有开发环境和处理器是不能写程序的，还要有调试器，通过调试器下载程序或是进行程序的调试。本设计采用后台调试器BDM进行程序的下载和调试，BDM采用了Freescale 一款具有USB接口的8位机MC68HC90816。BDM的一端通过6针插头接AW60核心板，另一端通过USB电缆接PC机，5V电源连接到S08MCU核心板的电源插口。S08AW60MCU与BDM以与PC机的连接如图2.3所示。图2.3 BDM与PC机的连接图3电能计量芯片ADE7755是ADI公司生产的一款用于电能计量的芯片，其技术指标超过了IEC1036规定的准确度要求7。它将有功功率的信息以频率的形式输出。在50 / 60Hz 输入信号时都能满足IEC687 / 1036标准规定的测试精度要求，在1000：1的输入动态围，测试误差小于 0.1%。其功能框图如图3.1所示，实物图如图3.2所示。图3.1 ADE7755功能框图图3.2 ADE7755芯片实物图3.1 ADE7755的特点ADE7755 应用了过采样ADC和DSP相结合的技术，对温度的敏感度很低，即使在很高的环境温度下也能维持较高的测试精度。ADE7755只在ADC和基准源中使用模拟电路，所有其他信号处理（如相乘和滤波）都使用数字电路，这使其在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。其主要特点如下：（1）工作温度围4085。（2）低阈值启动，启动电流小于 0.2%Ib。（3）低成本 CMOS 工艺。（4）片设有电源监控电路。（5）片带有防潜动功能（空载阈值）。（6）片带有抗混叠滤波器。（7）+5V 单电源、低功耗（典型值 15mW）。（8）具有负功率或错线指示功能。（9）5V 单电源工作，正常工作时芯片功耗 30Mw。（10）1Vpeak-peak 的最大模拟信号输入围。（11）电流通道具有 1/2/8/16 四种增益选择，以便灵活选用不同大小的锰铜采样电阻。（12）2.5V 片高精度参考电压源，绝对偏差小于!4%，温漂小于!20ppm/。（13）片基准电压 2.5V8%（温度系数典型值 30ppm/）,能为外部电路提供基准。（14）带有电源电压检测功能，当电源电压降低到 80VDD 时芯片自动复位。（15）灵活的模拟信号输入电路，既可单端输入也可全差分输入并且输入共模电压可在 0V 和2V 之间选择，由管脚 SCOM 控制。（16）有功功率平均值从 ADE7755 引脚 F1 和 F2 以频率方式输出，且F1、F2能直接驱动步进电机。（17）有功功率瞬时值从引脚 CF 以较高频率方式输出,能用于仪表校验;逻辑输出引脚 REVP 能指示负功率或错线;FI 和 F2 能直接驱动机电式计度器和两相步进电机;电流通道中的可编程增益放大器（PGA）使仪表能使用小阻值的分流电阻。3.2 ADE7755工作原理ADE7755部拥有两个16位的二阶-模数转换器，这两个ADC对来自电流和电压传感器的电压信号进行数字化，过采样速率达900KHz。AD7755的模拟输入结构具有宽动态围，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。电流通道PGA进一步简化了传感器接口。电流通道中的HPF滤掉电流信号中的直流分量，从而消除了由于电压或电流失调所造成的有功功率计算上的误差。有功功率是从瞬时功率信号推导计算出米的，瞬时功率信号是用电流和电压信号直接干相乘得到的。为了得到有功功率分量(即直流分量)，只要瞬时功率信号进行低通滤波就行了。图3.3示出了瞬时有功功率信号如何通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获取有功功率，这个设计方案也能正确计算非正弦电流和电压波形在不同功率因数情况下的有功功率。所有的信号处理都是由数字电路完成的，因此具有优良的温度和时间稳定性。图3.3 信号处理框图AD7755的低频输出是通过对上述有功功率信息的累计产生，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。当这个平均有功功率信息进一步被累加(例如通过计度器累加)，就能获得电能计量信息。CF输出的频率较高，累加时间较短，因此CF输出频率正比于瞬时有功功率，这对于在稳定负载条件下进行系统校验是很有用的。3.3 模拟输入 模拟输入是电能计量芯片对用电线路电压、电流信号进行采集的部分，包括电流通道和电压通道。3.3.1 通道1（电流通道）线路电流传感器的输出电压接到AD7755的通道V1，该通道采用完全差动输入，V1P为正输入端，V1N为负输入端。通道1的最大差动峰值电压应小于470mV(纯正弦电压有效值为330mV)。应当注意，通道1有一个PGA，其增益可由用户选择为l，2，8或16(见表3.1)，这使传感器的接口设计大为简单。表3.1 通道1的增益选择G1G0增益最大差动信号004470mV012235mV 10860mV111630mV表3.1示出了V1P和V1N引脚的最大差动电压是470mV，由增益选择而定。在这两引脚上的差动信号必须以同一个共模端作为参考点，如AGND，最大共模信号为100mV，如图3.4所示。图3.4 通道1的最大信号电平（G=1）3.3.2 通道2（电压通道）线路电压传感器的输出接到AD7755的通道V2，该通道的最大差动峰值电压为660mV，图3.5示出了允许连接到AD7755通道2的最大信号电平。图3.5 通道2的最大信号电平 加在通道2上的差动电压信号必须以一个共模端作为参考点(通常是AGND)，最大共模电压为100mV。然而，当共模电压为0V时能获得最好的测量结果。3.4 ADE7755的测试曲线ADE7755支持频率50Hz/60Hz准确度要求，在 500:1 的动态围误差小于 0.1%，其技术指标超过了IEC1036 规定的准确度要求；电流通道具有 1/2/8/16 四种增益选择，以便灵活选用不同大小的锰铜采样电阻；2.5V 片高精度参考电压源，绝对偏差小于4%，温漂小于20ppm/。在不同的频率下，电能计量会产生一定得误差，其相应曲线如图3.6所示。图3.6 读数百分比误差与频率关系在本设计中，选用片基准源，电流通道增益选择1。在不同的温度下，其读数误差分布如图3.7所示：图3.7 读数的百分比误差（G=1）4 插座式节能智能电表硬件电路设计硬件电路是任何一套设备的基础，稳定的、合理布局的电路能使系统工作的更稳定。本设计的硬件电路包括电源稳压电路、电能计量电路、LCD显示电路、实时时钟电路、外扩EEPROM电路和44键盘输入电路、继电器定时保护电路。4.1 电能计量电路220V交流电经过变压器T1降压后产生12V的交流电压，经整流桥全波整流后输出11V左右的直流电压，此后经过电容C7、C8滤波，将直流电压传给LM2940CT，经过LM2940CT的稳压，输出+5V的直流电压供电能计量芯片使用。电能计量芯片通过电压互感器T3获取电压信号，通过电流互感器T2获取电流信号。ADE7755使用3.58M的外接晶振，部的参考电压。在本设计中，能检测的最大电流I为40A，通道1的最大差动信号为470mV，通道2的最大差动信号为660mV。在半满度输入时，F1-4为3.4Hz，CF输出的最高频率为21.76Hz。其硬件电路图如图4.1所示。图4.1 电能计量芯片外围电路连接图4.2 LCD显示电路JCM12864M可以进行并行、串行通信选择，本设计选用并行通信。MCU的B口和LCD的8位数据端相连，PSB（并/串行通信选择端）直接接高电平，选用并行通信，由D3口控制使能信号端，D2口控制读写选择信号，D1控制指令/数据选择信号。其硬件电路如图4.2所示。图4.2 MCU与LCD连接电路图4.3 实时时钟电路DS1302通过外接晶振提供时钟，并使用双电源配置。当系统上电时，DS1302直接使用+5V电源，当总系统断电时，DS1302自动调节使用备用电源，备用电源经过电阻限流和AMS1117稳压后输出3.3V的直流电压给DS1302。MCU通过D7、D6、D5与DS1302相连，进行控制和数据的传送。在首次对DS1302的时间进行写数据操作后，制高写保护位，以后若需要时间量则可直接对DS1302进行读取。 图4.5 DS1302外围电路 图4.6 DS1302连线实物图4.4 外扩EEPROM电路AT24C02B与MCU采用IIC通信，MCU对AT24C02B的读写操作在传输开始信号结束后要求一个8 位的EEPROM地址，AT24C02B的地址前四位是固定的（1010），在本设计中，A2、A1、A0选择0，直接接地，最后一位决定读或写操作（如表4.1所示）。AT24C02B提供了硬件数据保护功能，在本设计中直接把WP端接地，不进行硬件保护操作。 表4.1 EEPROM设备地址1010A2A1A0R/W图4.7 AT24C02B与MCU连接电路图5 插座式智能电表软件设计本设计的软件部分由四部分组成：数据采集、数据显示、数据存储和数据处理8。MCU把 ADE7755的CF引脚传过来的高频脉冲进行周期计数，把每个周期计数的数据存储到存储器里，同时对数据进行串行更新，至少使存储器保留1个月的用电数据，当要显示一月中的某一天或某一天的某一时间段的用电记录时，通过按键输入相关信息，微处理器立即从存储器里取出相关数据并进行累加，并将结果传给LCD显示出来。而在平时LCD只显示总的电能使用累加数值。本设计同时设计了实时时钟电路，可以为系统提供精确地年、月、日、时、分、秒等时间量，在应用时，存储电量的同时，也存储时间量，且将实时时间在LCD上显示出来。且在微处理器外围扩展了定时拉闸控制电路，当想要用电设备通电一段时间后自动断电，则可通过定时拉闸控制电路，由微处理器计算时间并发出指令断开用电设备电路。5.1 电能计量程序系统时钟设定为32MHz，总线频率为16MHz，定时器1进行64分频。ADE7755在采集完电流和电压参数后，会对数据进行A/D转换、滤波，然后通过功率频率转换器将数据以频率的形式从CF管脚输出。在本设计中 ，通过硬件配置设定3200个脉冲为1W的电能，因此MCU的TPM1CH0在一个计数周期测得的脉冲数除以3200就是这一周期负载消耗的电量P，MCU通过部累加计算出电量P，并传给LCD显示，同时传给外扩EEPROM存储，以备将来查询。图5.1 电能计量软件流程图5.2 LCD显示程序MCU与JCM12864M通过并行通信进行数据的读写，在JCM12864M上电后进行初始化。在本设计中，设定显示状态为整体显示,工作模式为8位基本指令集，游标移动的方向为向右。在每次向JCM12864M写地址或数据时，先读取JCM12864M的状态，查看其是否忙碌，若忙碌则等待，若空闲则进行读写操作。流程图如5.2所示，相关时序图如5.3（a）、5.3（b）所示。图5.2 JCM12864M软件工作流程图图5.3（a） MCU从JCM12864M读出资料时序图图5.3（b） MCU向JCM12864M写入资料时序图在程序中自定义的LCD显示函数如表5.1所示：表5.1 LCD显示软件模块中自定义的函数函数名功能描述void Lcd_Init(void)LCD初始化void ICGC_Init()时钟初始化void Lcd_CheckBusy(void)LCD是否忙碌检测函数void Lcd_set_command(unsigned char command)向LCD写命令函数void Lcd_set_date(unsigned char date)向LCD写数据函数void Lcd_set_xy(unsigned char x,unsigned char y)计算写入的地址函数void Lcd_set_string(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char *s)向LCD写字符函数5.3 外部数据存储器程序MCU与AT24C02B通过IIC总线进行读写操作，在本设计中，设定MULT=01(即MUL=02),ICR=0x0B(即分频系数=160)，波特率=16MHz/（2*160）=50kbps。MCU的IIC模块有主设备和从设备两种模式和发送与停止两种状态，且通信时需先检查外扩存储器的状态，只有在外扩存储器空闲时才能进行读写操作。相关流程图如图5.5、5.6所示： 图5.4 MCU向EEPROM写数据流程图 图5.5 MCU从EEPROM接收数据流程图在程序中自定义的IIC模块函数如表5.2所示：表5.2 IIC软件模块中自定义的函数函数名功能描述void IICDelay(void)IIC延时unsigned char ReadEEPROM (unsigned int cAddr)IIC读取EEPROMvoid WriteEEPROM (unsigned int cAddr,unsigned char cData)IIC写EEPROMvoid IICInit()IIC初始化5.4 实时时钟程序MCU通过三个普通I/O口与DS1302的控制管脚相连，三个I/O口配合使用操作DS1302，其中D7口产生同步时钟，D6口传送或接收数据，D5口复位DS1302。在DS1302上电后，先在时钟/日历突发模式下连续写入8字节的初始量，然后写保护位制置高，每次需要时间量时只需读取就行了。每次读取时间量时要先写入相应得寄存器地址，延时一段时间，等数据线上数据稳定了才能读取数据。图5.6 MCU与DS1302通信流程图在程序中自定义的实时时钟模块函数如表5.3所示：表5.3 实时时钟软件模块中自定义的函数函数名功能描述void DS1302_Delay(unsigned char i)时钟延时函数void DS1302_write_byte(unsigned char DSData)向时钟写命令、数据函数unsigned char ReadByte(void)从DS1302读数据函数unsigned char ReadDS1302(unsigned char daddr)从DS1302读数据函数void writemultbyte(unsigned char *pstr)在时钟/日历突发模式下写字符函数unsigned char BCDchange(unsigned char ma)把16进制数转为十进制BCD码函数void WriteDS1302(unsigned char daddr,unsigned char ddata)向DS1302写字符函数6 插座式智能电表方案设计展示和展望在了解了毕业设计课题的相关容和要求后，我查阅了大量的关于电表方面的资料，确定了插座式智能电表的具体功能，同时制定了软硬件的总体框架，经过三个多月的制作和调试，终于完成。所做的主要工作：毕业设计课题的了解和开题报告的形成；电能计量芯片的选型；主要器件的选择；硬件电路的设计；编写程序与调试。6.1 硬件实物展示插座继电器ADE7755 在确定了方案整体结构后，先万用板上确定了硬件各个模块的位置。首先我固定了微控制器最小系统和LCD显示的位置，并调试通信成功，然后键盘、实时时钟（RTC）、外扩存储器、电能计量、继电器等各个模块分别调试，并使程序彼此独立。在所有的各个模块都能正常、稳定工作后，通过软件糅合，使彼融合为一个整体，协调工作。硬件完整电路实物如图6.1所示。JCM12864MMC9S08AC60MCU最小系统板44键盘盘图6.1 整体实物图由图6.1可以看到，电能计量部分放在了万用板的最下面，这有效避免了高压电流对数字电路部分可能产生的干扰。在整个装置中，只有电能计量部分的输入部分是模拟信号，因此在本设计中采用了两路电源供电的思路，其中一路电源单独对电能计量芯片供电，这有效保证了装置的稳定性。根据国家电网规定，整个电表装置的实际功率不能大于2W，因此该装置在设计时，尽可能的考虑了节能。在本设计中，消耗电能最大的是LCD显示，因此在设计时尽可能的降低了LCD的背光电压，且在不查看用电设备的相关信息量时可以将LCD关闭。在设计电能计量方案时，首先考虑的是成本较低、电路较复杂且可以自己搭建的基于电阻网络的信号提取法，其实物如图6.2所示。电压信号的提取采用电阻分压网络，电流信号的提取采用低阻值、温度系数小的锰铜电阻，这种方法便于电表的校正，但在实际的硬件电路容易引入外界的干扰，使电表在运行时难以保证精度。因此最后改用了电压、电流互感器信号采取法。图6.2 基于电阻网络的信号提取法实物图电表在矫正时，用标准电表先测量本方案设计的电表的功率，然后再用这两个电表同时测量同一负载工作时的用电量，然后根据标准电表的示数对本方案设计的电表进行矫正和标定。6.2 插座式智能电表展望本设计虽已初步的达到了课题的要求，但还是有很大改进的空间。首先电表功能较单一，智能化程度较低；其次只能通过LCD显示部分相关信息，信息的存储期限较短，且整体布局不是很合理。若插座式电表结合无线通信和计算机，则电表的功能将大大加强。通过计算机的上位机界面操作和直接读取用电信息，并可长时间的存储，以便进行连续的数据分析，为科学、合理地使用和维护电器设备、节约用电提供有效帮助。通过无线通信还可以实现用电设备的智能控制，通过远程控制电表的通断来间接控制用电设备。总 结电能表作为电能计量的专用仪表,在电能管理仪器仪表中占有很大比例,其性能直接影响着电能管理的效率和科技水平。本课题设计的插座式节能智能电表为负载电器设备提供接插用电的同时，也实时捕获电器设备的各项参数，能方便地监测电器设备的工作状况。经过几个月的努力，完成了课题的要求，达到了预期的目标 。本次毕业设计主要做以下几个方面的工作：（1）熟悉MC9S08AW60的硬件部资源，掌握IIC通信、串行通信、并行通信、定时器、系统时钟等模块工作原理。（2）设计方案的整体硬件电路。硬件电路包括控制器最小系统电路、LCD接口电路、电源电路、按键控制电路、实时时钟电路、外扩EEPROM电路、电能计量电路、继电器电路等。（3）设计电压、电流信号采集电路。电压信号采集电路采用电眼互感器，电流信号采集采用电流互感器，两路信号采用完全差动方式输入。（4）分别编写各个模块与MCU通信的软件并调试。（5）方案整体软件的编写与调试。虽然整套装置各项功能并不是很完美，与产品化还有很大一部分距离，不过通过这次毕业设计我学习到了很多。首先是要以工程项目的思路去做设计，做一个东西不仅是要考虑它的可实现性，还要了解其技术背景和商业前景，以工程的思路考虑问题。其次要注意培养良好的开发习惯，比如说硬件电路设计时要注意从基本原理做起，元器件的选型和参数确定都要经过论证和计算。 致 再过几天我的大学生活就要结束了，感觉四年的大学生活似乎有些匆忙，还没来得与品味就已经结束了，也有很多不舍。大学里的前两年一直于校园尝试各种角色，以期获得锻炼，寻找适合自己的位置，大学的第三年开始着重于专业课的学习，同时参加一些比赛，也算是搭上了增强动手能力的末班车。马上就要离开了，有许许多多感的话要说。首先要衷心感指导老师王教授！他对我学习和设计的悉心指导和谆谆教诲令我终身受益。在他的指导下，我在各方面的能力都得到了相应的提高。他严谨的治学态度、广博的知识面和丰富的经验以与他的敬业精神给我留下深刻的印象，使我受益非浅。 再次要感在我大学期间给予我授过课的老师！是他们传授给我各方面的知识，这些知识是我不断成长的源泉，是我以后在工作中发挥所长的根基。最后，还要感学工办的老师和身边的同学，他们理解和包容了我成长路上的缺点和不足，给予我帮助、鼓励和支持，使我能够更快的成长。参 考 文 献1 黄伟电能计量技术M中国电力2004 2许建平ADE7755在电能测量中的应用 2007(01)3 市锦昌电子JCM12964M中文字库液晶显示模块说明书20084 王威嵌入式微控制器S08AW原理与实践M：航空航天大学，200915 谷延军基于ATT78026A的高精度智能电表设计J电网技术2007126宇基于MSP430单片机的多功能付费率三相电能表J微计算机信息，2007，23(82)：80827ADE7755的中文资料 ：/.tai-yan.8许建平ADE7755在电能测量中的应用J职业技术学院学报，2007，19 康华光电子技术基础M：高等教育，200010 邵贝贝单片机嵌入式应用的在线开发方法M.：清华大学，2004 11 丁毓山.电子式电能表与抄表系统M.：中国水利水电.200512 汉方，王新，杜启刚电能计量与其管理M：中国水利水电，200513 叶宁, 继慎. 用ADE7758 设计多功能电能测量表 J. 电子技术, 2005( 5) : 11- 13.14 丽飞马金元.基于ADE7757的高性能电能表的设计.工矿自动化 2007(3)15 君曼，慧君，怀德等.智能预付费电能表设计J .轻工业学院学报：自然科学版. 2009.24( 1)： 9116 鑫, 林山. 电子式电能表技术鉴定与防窃电分析.电力技术，2009(2).17晓亮，杏春，王占国.电能计量数据远程传输的研究.中国仪器仪表 2008(2)18淑芬，陆春妹基于ZigBee技术的自动抄表系统的实现仪器仪表用户，2007，(4)：43-4519 唐学忠，胡智喜，成增基于电能表的多路数据采集技术的研究J计算机测量与控制，2007，15(2)：26526720 兵,吕英杰,邹和平.一种新型防窃电装置的设计J电力系统保护与控制，2009 (23)：116- 118. 21 政，桐然，婧，志华电力负荷控制系统现场调试技术分析电子测量技术200932(10)ADI公司 22 ADE7755 DataSheetJ，Rev A，20098 23 FreescaleMC9S08AC60 DataSheetJ200624 ADE7755 Energy Metering IC with Pulse Output，ANALOG DEVICESINC，2008EBOL：/.analog.corn25 Toth E，Franco A M R，Debatin R MPower and energy referencesystem，applying duabchannel samplingJIEEE TransOn Instrumentation and Measurement，2005，54(1)：40440826 National Semicond uctorLM2940CT DataSheetJ200327 CHEN Shun, Bermak Amine, Boussaid Farid. A CompactReconfigurable Counter Memory for SpikingJ.ElectronDevice Letters, 2006,27（4）：255-257.28 Kim yessoon, Mutlu Onur, Stark Jared, et al. Enablingadaptive and Aggressive Prediated ExecutionJ.Micro,2008,26(1)：48-58.29 OVIDIUP，GIBRIELCDSPs based energy meterC/26thInternational Spring Seminar on Integrated Management ofElectronics Materials Production，2003：235238.附录A 方案总电路图附录B 方案软件总流程图附录C 方案设计展示附录D 主要元器件参数表参数名称型号封装工作电压输入电压输出电压微控制器MC9S08AW60QFP+2.7+5.5V+5.0V+5.0VLCD显示JCM12864M+3.3+5.0V+5.0V稳压芯片LM2940CTSOT-223+6.0+26.0V+8.0V+5.0VASM1117SOT-223+3.7+8.7V+5.0V+3.3V实时时钟芯片DS1302DIP+2.2+5.5V+5.0V/+3.3V外扩EEPROMAT24C02BDIP+1.8+5.5V+5.0V电能计量芯片ADE7755SSOP+5.05%V+5.0V继电器JZC-23F(4123)+5.0V220V220V晶振32.768KHz4.00MHz3.58MHz电阻50120K电容27pF330uF整流二极管IN4007按键44发光二极管XP-12D-3R-B0三极管S8050插座普通三脚插座附录E 部分程序清单/*/#include /* for EnableInterrupts macro */#include derivative.h /* include peripheral declarations */#define DS1302_SCLK PTDD_PTDD7 /DS1302时钟信号引脚#define DS1302_DATA PTDD_PTDD6 /DS1302数据引脚#define DS1302_RST PTDD_PTDD5 /DS1302复位引脚#define DATA_DIRECTION PTDDD_PTDDD6 /DS1302数据管脚方向#define Clear_scream 0x01 /清屏指令：清屏且AC值为00H#define Ac_init 0x02 /将AC设置为00H。且游标移到原点位置#define Disp_off 0x08 /显示整体关#define Disp_on 0x0c /显示整体开 #define Cursor_on 0x0e /整体+游标#define Cursor_flicker_on 0x0f /整体+游标+游标位置#define Fun_mode 0x30 /工作模式：8位基本指令集#define Curse_dir_DIR 0x14 /游标向右移动:AC=AC+1#define SET_CG_AC 0x40 /设置AC，围为：00H3FH#define SET_DD_AC 0x80#define PSB PTDD_PTDD0/LCD串/并行通信选择引脚#define RS PTDD_PTDD1/LCD并行通信指令数据选择引脚#define RW PTDD_PTDD2/LCD读写选择引脚#define E PTDD_PTDD3/LCD并行通信使能引脚#define LCD_DATA_PORT PTBD#define W_EEPROM_ADDR 0xA0 /*EEPROM设备地址,且选择写操作*/ unsigned int d