基于ADE7878的智能三相电度表的设计(任务书)
武汉大学本科毕业论文（设计）任务书
学院：电气工程学院学号：201*302540101姓名：黄鹤鸣一、毕业论文（设计）题目的来源
本次毕业设计题目非真实项目
二、毕业论文（设计）应完成的主要内容
1.查阅有关智能三相电度表的文献；
2.了解智能三相电度表的工作原理，并选择构建一种类型的智能电表（预付费电表、复费率电表等）；
3．选取构建智能电表的基本元件型号，包括电能计量芯片、单片机、显示模块、存储芯片、时钟芯片等；
4.掌握一种画图软件用于电路图的绘制。三、毕业论文（设计）的基本要求及应完成的成果形式
1.熟练地掌握智能电表的工作原理；
2.设计出一种切实可行的智能电表构建方案；3.熟悉构建智能电表的主要模块；
4.熟练地掌握电路图绘制软件，并绘制出正确的系统硬件电路图；5.设计出系统软件程序流程图。
6.归纳、总结并按要求撰写科研报告、论文。四、毕业论文（设计）的进度安排
1.201*.3.1~201*.3.7，查阅相关文献，学习相关知识，提交开题报告；2.201*.3.8~201*.4.1，了解掌握智能三相电表的工作原理，确定要设计的电表类型，并提交综述；
3.201*.4.1~201*..4.20，掌握相关电路图绘制工具，确定构成电表的管个功能模块；
4.201*.4.21~201*.6.1，构建智能电表的硬件电路及软件程序流程图，拟出论文结构；
毕业论文（设计）题目智能三相电度表的设计
5.201*.6.2~201*.6.8，总结完成毕业论文、论文答辩，提交最终论文和PPT五、毕业论文（设计）应收集的资料及主要参考文献
[1]高锋．单片微机应用系统设计及实用技术[M]北京：机械工业出版社，201*．7980[2]赵晶．电路设计与制版Protel99高级应用[M]．北京：人民邮电出版社，201*．11[3]胡志刚，许凯，崔永丰.电能计量芯片ADE7878在智能表中的应用[J].ElectricalMeasurement＆Instrumentation，201*(9)：101-105
[4]张晓东，屈百达.基于ADE7758的复费率三相电能表设计[J].电子技术，201*（1）：28-31
[5]邹玲，楚思红.基于计量芯片ADE7878的费控智能表设计[J].数字技术与运用，201*（1）：17-20
六、其他要求（此项为可选项）
指导教师签名：_______________________年月日
扩展阅读：基于ADE7878的智能三相电度表的设计
学号_201*302540101__
密级________________
武汉大学本科毕业论文
基于ADE7878的智能三相电度表的设计
院（系）名称：电气工程学院专业名称：电气工程与自动化学生姓名：黄鹤鸣指导教师：蒋云峰副教授
二○一二年六月
武汉大学本科生毕业论文
基于ADE7878的智能三相电度表的设计
College：电气工程学院Subject：电气工程与自动化Name：黄鹤鸣
Director：蒋云峰Professor
二○一二年六月
BACHELOR"SDEGREETHESISOFWUHANUNIVERSITY
Thedesignofsmartthree-phaseelectricitymeterbasedonADE7878
College：ElectricalEngineeringCollegeSubject：ElectricalEngineeringandautomationName：HemingHuang
Director：YunfengJiangProfessor
June201*
郑重申明
本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。
本人签名：日期：
摘要
随着电网的大规模的改造与建设，电力系统对三相智能电度表的需求不断增长，提出了高精度、多参数测量、谐波功率电能计量，实时测量等技术要求。
本文以智能三相电表为研究对象，采用电能计量芯片ADE7878和单片机AT89S52设计三相电度表，介绍了计量电路原理、系统结构特点及硬件电路设计。针对配电网正常负荷情况下的精确计量，提出了分时段计量的远程通信电度表设计方案。
本文中智能三相电度表实现的基本思路概述为:1、通过CT与PT，实现七路模拟信号输入计量芯片ADE7878；2、ADE7878通过模数转换、数字信号处理、电能计量、数频转换，实现电量的SPI输出和脉冲输出；3、单片机AT89S52通过对瞬时有功功率的检测，实现了功率的精确计量；通过对时间参数的检测，实现了定时存储和分时计量。
本文包括以下三个方面的具体设计：1、实现三相电参量的测量，即电压和电流信号的精确采集；2、系统结构框图的设计；3、系统硬件电路设计，具体包括计量电路的设计，计量芯片ADE7878与单片机AT89S52的接口电路设计，单片机外围电路设计以及显示模块、数据存储、时钟芯片和电源模块的设计。
本次设计重点完成了智能三相电度表硬件部分的理论设计和软件部分程序流程图设计。鉴于能力和实验环境的局限，未分别进行各个模块的软件设计、样表的设计及仿真调试。但提出了一种高精度的配电网电力负荷计量电表的设计方案，具有一定的参考性。
关键词：ADE7878，AT89S52，精确计量，分时段计量
I
ABSTRACT
Withthelarge-scaleupgradingandconstructionofthepowergrid,powersystemasksforagrowingdemandofthethree-phasesmartenergymeter,andputsforwardahigh-precision,multi-parametermeasurement,harmonicpowerenergymetering,real-timemeasurementoftechnicalrequirements.
Theintelligentthree-phaseenergymeterisstudiedanddiscussedinthispaper．WithADE7878aselectricalenergymeasurementICandAT89S52ascontrolunit，theprincipiumofmeasuringcircuit,thedesignofhardwarecircuit,andcharactersofsystemstructureareintroduced．Astoachievingaccuratemeteringundernormalloadforpowersystem，thisPaperpresentsanewstrategyofthree-phaseenergymeterwiththefunctionofsub-periodmeteringandremotecommunication.Inthisarticle,thebasicideawhichsmartthree-phasewatt-hourmeteristoachieveissummarizedasfollows:1、WiththeuseofCTandPT,sevenchannelsofanalogsignalsinputthemeasurementchipADE7878；2、Withtheuseofanalog-to-digitalconversion,digitalsignalprocessing,energymeasurement,anddigital-to-frequencyconversion,themeasurementchipADE7878achieveselectricitySPIoutputandpulseoutput；3、MCUAT89S52achievesaccuratemeteringofpowerbythedetectionoftheinstantaneousactivepower,andcompliestimingstorageandinstantaneousmeasurementbythedetectionoftimeparameter.
Thisarticleincludesthefollowingthreeaspectsofthespecificdesign：1、achievingthemeasurementofthethree-phasepowerparameters,whichincludetheaccurateacquisitionofvoltageandcurrentsignals；2、thedesignofthesystemblockdiagram；3、thesystemhardwarecircuitdesign,specificallyincludingthedesignofthemeteringcircuit,theinterfacecircuitbetweenthemeasurementchipADE7878andtheMCUAT89S52,MCUperipheralcircuitdesign,andthedesignofthedisplaymodule,datastorage,theclockchipandpowersupplymodules.
Thisdesigncompletedthetheoreticaldesignofthehardwarepartofthesmartwatt-hourmeter.Giventhecapabilitiesandlimitationsoftheexperimentalenvironment,wehaven"tdonethedesignofsoftwarepart,thesamplemeterandsimulationdebugging.However,weproposedakindofdistributiongridelectricityloadmeasurementprogramforthedesignofenergy-meteringmeter,whichhashighaccuracyandsomekindofreferringvalue.
Keywords：ADE7878，AT89S52，accuratemetering，sub-periodmetering
II
目录
第1章绪论..............................................................................................................1
1.1概述..................................................................................................................11.2智能电度表技术现状与发展趋势..................................................................21.3本文设计方案的特点和相应需要解决的问题..............................................31.4电度表参数配置..............................................................................................31.5论文组织结构..................................................................................................4
第2章电能计算的理论基础.............................................................................5
2.1电压、电流有效值及谐波参数的计算..........................................................52.2功率与电能的计算..........................................................................................72.4频率的计算......................................................................................................9
第3章系统结构框图与设计要求..................................................................10
3.1结构框图........................................................................................................103.2电表显示内容及其设计要求........................................................................11
第4章系统硬件电路设计与实现..................................................................12
4.1计量芯片ADE7878......................................................................................12
4.1.1ADE7878引脚配置及功能描述......................................................124.1.2计量电路原理......................................................................................174.2单片机外围电路设计与器件选择.................................................................18
4.2.1单片机AT89S52概述、引脚配置及功能描述................................184.2.2接口电路设计......................................................................................214.2.3AT89S52外围电路设计...................................................................224.2.4显示模块HCl602................................................................................234.2.5数据存储AT24C02和时钟芯片DS1302.........................................234.2.6RS-485通信接口电路设计..............................................................244.2.7电源模块设计......................................................................................25
第5章系统软件程序设计................................................................................26第6章总结与展望..............................................................................................31参考文献...................................................................................................................33致谢............................................................................................................................34
III
第1章绪论
1.1概述
随着我国经济的发展，电力供应呈现出紧张的局面，尤其是在沿海地区，工业、经济发达的城市尤为严峻对电能计量的要求也逐步升高。电子技术和计算机的高速更新换代改变了当前社会，也使电表的设计有了突破性的变化。目前，对电表的要求已经不再是简单的数值计算，而是集合了计量、管理、自动抄表等功能于一体的高科技新技术产品。大规模集成电路的运用使电表自身寿命和准确度均有极大提高。
电度表技术正向复费率、多功能、网络化的方向发展。美国ADI公司生产的电能计量芯片ADE7758、ADE7878、ADE7880等在电度表设计中的应用，提高了电能计量精度，简化了电度表设计结构。随着电能计量芯片的推陈出新，复费率电度表、防窃电电度表、配置RS-485通信及红外通信接口的电度表以及三相多功能电度表发展迅速。电度表的计量精度、功能扩展、抄表方式等发生了深刻变化，电能的科学管理和合理利用进入实施和操作阶段。在这种背景下，电度表的功能、性能、以及可靠性设计等都有了显著提高与改进，电度表技术面临难得的发展机遇
[1]
。电力已经成为国家的最重要能源。但是,当前居民用电的管理过于落后,居民用电管理收费多年来一直采用先用电、后抄表、再付费的传统作业方式，绝大多数实行“分表制”。这种用电管理模式,给居民带来诸多不便,而且增加了管理人员的工作。为了适应社会的需要,保证用户安全、合理、方便地用电,对传统的电表和用电的管理模式进行改造,使之符合社会发展的需要就显得很有必要。
长期以来,我国生产的交流电度表均为感应式机械电度表,几十年来不得不采用人工抄读电表的原始方式。在社会走向信息化,网络化,电力系统大踏步现代化的今天,手工抄表更是与无人值班等高度的自动化形成了鲜明对比,成为制约供电系统现代化管理的一大障碍。就系统的完整性而言,电力系统从发电、输电、配电，一直到区域变电所都已基本实现网络化管理,而唯独用户终端没有和网络连接上,造成了系统的不完整，或间接的影响了系统潜能的发挥。
正是由于以上背景,智能电度表应运而生。所谓智能电表,就是应用计算机技术、通讯技术等,形成以智能芯片(如CPU)为核心,具有电功率计量计时、记费、与上位机通讯、用电管理等功能的电度表。
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1.2智能电度表技术现状与发展趋势
随着信息化的高速发展和智能电网研究的逐步展开，配电网的电能计量表计也在逐渐适应信息化的发展要求。当前，传统的感应式电表已不能满足电网建设的需求。鉴于电子式电度表在可靠性、准确度、功能扩展、性价比等方面显著优于感应表，因此已有全面取代感应表的趋势。
早在本世纪初，电子式电度表就已经取代感应式表，成为工商业用表的主流。随着电力系统在不断扩展智能三相多功能表的应用领域，智能三相多功能表的需求呈明显上升趋势。功能的扩展提升了供电部门对居民用电的现代化管理，为将来实现大规模自动抄表提供了基础。其中复费率表得到了很多经济发达而电力紧张的地区供电部门的青睐，复费率表的技术因此也得以迅速提高和发展。
预付费表技术趋于完善。一方面由于供电部门加大对欠费用户的管理力度，使市场需求升温，另一方面由于技术改进，特别是使用了IC卡和非接触式卡等最新技术，使预付费表的性能尤其是安全性和可靠性方面已逐步趋于完善。
自动抄表技术发展颇具前景。近几年来，随着通信技术的不断进步以及电力市场应用的需要，国内自动抄表技术水平取得了长足的进步。低压电力线载波技术逐步被越来越多的电力部门所采纳，短距离红外抄表技术得到应用和推广。在无线抄表方式中，红外方式用于短距离通信，而GPRS技术可以实现远程长距离通信。随着社会需求的发展和科学技术的进步，无线通信技术和远程管理系统得到了广泛应用。
防窃电要求进一步加强。随着窃电方式的更加多样化和隐蔽化，对电度表防窃电的要求也越来越高，电子式电度表表现出强大的优势。
模块化设计成为趋势。随着电力市场改造力度加大，对电度表的技术更新速度也提出了更高的要求。电度表的硬件和软件可以采用模块化设计，将技术相对成熟和标准的部分进行封装入库，如计量模块、电源模块、RS485模块、RTC模块、显示模块、继电器控制模块、IC卡模块、数据存储模块等。当设计一个新的产品时，开发人员只需要将精力集中于产品的新模块、新功能的开发，以及模块的集成上，进而有效缩短产品的开发周期，提高产品设计的可靠性
[2]
。测量电路的集成化、模块化是计量芯片的发展趋势。当前，各大型器件公司纷纷推出自己的计量芯片，并不断的进行产品更新换代。比较典型的有美国ADI公司推出的ADE7878系列计量芯片，珠海炬力公司推出的ATT7026A和北京福星晓程电子公司推出的PL3223。上述三种芯片都集成了DSP数字信号处理技术，支持硬件和软件两种校表方式，计量精度高，且外围电路设计简单。
其中，ADE7878是美国ADI公司推出的三相高精度多功能电能计量芯片，超越
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[3]
了工业上对电能计量0.2级表的精度和动态的要求。ADE7878的突出的功能主要
包括：1、防窃电功能。提供电池供电模式下的电流监测，通过检测中性电流与三相电流代数和是否匹配，进行防窃电检测。2、系统校准功能。提供有效值偏移校正，相位校准和增益校准。3、成熟的电能计量功能。三路可配置脉冲输出CF1，CF2和CF3提供多种输出选择：基波有功功率和无功功率、总(基波+谐波)有功和无功功率，视在功率计量。ADE7878的DSP还能提供谐波能量的计量。
目前，虽然我国感应式电度表仍占据相当的市场。但随着电网的发展智能电网应用技术的研究，三相高精度多功能表也将得到重点发展。该电度表目前主要用于发电厂、变电站和各大用户，并不断扩大到普通三相表用户中。智能三相电度表有多功能、高精度、多费率、自动抄表等优势，必将逐步成为电度表发展的主流
[4]
。1.3本文设计方案的特点和相应需要解决的问题
本文提出了基于ADE7878电能计量芯片和单片机AT89S52的具有远程通信功能的智能三相电度表的原理图和硬件电路设计方案。该方案构建的智能电度表在普通单显示电表基础之上实现了以下扩展功能：
1、更为精确的计量功能；采用ADE7878作为电能计量芯片，且配合电压、电流模拟信号采样电路元件参数设计及滤波网络，具有更高的计量精度。
2、电能分时段计量功能。
3、远程通信功能；通过RS-485总线进行电量参数的远程传送。
4、按键查询功能；按键与显示相结合，实现电量参数和异常事件记录的查询显示以及时钟参数初值输入调整结果显示。
5、主/从电源供电功能；保证掉电后，仍能通过电池为电表供电。针对以上四条扩展功能，本文需要解决以下问题：1、模拟信号采样电路元件参数的计算与滤波网络的设计；2、分时段计量的软件实现；
3、远程通信端口的设计及其与单片机接口电路的设计；
4、功能按键的设计以及软件部分主程序实现按键查询与显示的配合；5、主/从电源切换电路的设计。
1.4电度表参数配置
电度表参数配置如表1.1和表1.2所示。
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表1.1电度表参数设计1
电度表规格脉冲常数电流电压变换电阻/Ω150（250）A201*.3CT规格150/5A电流传感器5A/500mAPT规格500/5V表1.2电度表参数设计2
Imax250A
Vn500VIfullscale353.6AVfullscale0.83KV电度表配置量程为150A(250A)。有功、无功脉冲常数设计分别为200impulses／kWh和200impulses／Kvar；匹配电阻为电流传感器二次端的串联分流电阻，其作用是把电流信号转换为电压信号；Vn、Imax对应额定电压值和负荷最大额定电流值，Ifullscale、Vfullscale为ADE7878满刻度输入时对应的负荷电流、电压值。根据电度表参数设置和ADE7878计量芯片特点，计算公式如下：
Ifullscale0.5V300/(0.32)353.6A(1.1)
式中O．5V为ADE7878电流通道满刻度输入信号，300为两级电流传感器变比，0.3Ω为电流传感器二次端分流电阻大小，电路结构设计参考计量原理图4.3。根据国家标准GB／T15283--94和国际标准IEC5211988，电度表标有两个电流值，如150(250)A。这里150A为基本电流(basiccurrent)，符号Ib，是确定仪表有关特性的电流值，也称此电流值为标定电流。括号内所标250A为额定最大电流(ratedmaximumcurrent)，符号Imax，为满足标准规定的准确度的最大电流值。设计时在外加额定电压Vn=500V时，ADE7878电压通道信号输入为0.3V。在负荷电流Imax=250A时，ADE7878电流通道信号输入为0.3V。
1.5论文组织结构
本设计分为6个章节进行论述。第1章阐述了电度表技术现状和发展趋势，提出设计方案的特色以及本文拟解决的问题，并说明了电度表参数配置；第2章介绍了电能计算的理论基础；第3章介绍了系统结构框图，提出电表显示内容的设计方案；第4章分析了硬件电路结构，阐述了以ADE7878为核心的计量电路设计和以单片机AT89S52为核心的外围电路设计，并展示了通过Protel99软件绘制的六个部分电路图；第5章进行系统软件部分主程序流程图的设计；第6章进行论文总结工作，阐述了本次设计工作中的重点和难点，并对个人设计方案的优点和不足进行了分析，最后对智能电表的发展前景进行了展望。
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第2章电能计算的理论基础
电能表不仅要能精确的计量用户有功电能的消耗，还应能够记录显示电网运行质量的参数，这些参数包括有功功率、无功功率、总功率、有功电能、无功电能、视在电能、电压有效值、电流有效值、功率因数、工作频率等
[5]
。对于理想的三相交流电，A、B、C三相电压信号可以表示为下列函数：
UA2Ucos(t)(2.1)UB2Ucos(t120)(2.2)
UC2Ucos(t+120)(2.3)
2.1电压、电流有效值及谐波参数的计算
信号的有效值也叫均方根值（RMS），是表示信号发送功率的能力，不管什么样的波形，具有相同均方根值的信号发送到阻性负载上的功率是相同的。在三相电路中，电压、电流的测量一般均为有效值的测量。根据电压有效值、电流有效值的定义：
URMS1T2u(t)dt(2.4)0TIRMS1TT0i2(t)dt(2.5)
由于A/D转换器是对电信号离散采样的，假设对电压u(t)、i(t)分别进行N次采样，u(k)、i(k)相应为第k个采样点，总采样点数为N，则
URMS1N1Nuk1nn2(k)(2.6)
IRMS2i(k)(2.7)k1在三相电路中，A、B、C相的电压有效值分别为：
UARMS1Nuk1nn2A(k)(2.8)
UBRMS1Nuk12B(k)(2.9)
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UCRMS1Nuk1nn2C(k)(2.10)
A、B、C相的电流有效值分别为：
IARMS1N1N1Nik1n2A(k)(2.11)
IBRMSik1n2B(k)(2.12)
ICRMSik12C(k)(2.13)
在进行谐波分析时，常用一些特征量来表示畸变波形偏离正弦波形的程度，最常用的特征量有谐波含量、电压总畸变率、电流总畸变率和n次谐波的含有率等。
谐波电压含量UH可表示为：
UHUn=22n(2.14)
谐波电流含量IH可表示为：
IHIn=22n(2.15)
谐波总畸变率用THD表示，等于谐波含量与基波分量比值的百分数。电压总畸变率为：
THDUUH100%(2.16)U1电流总畸变率为：
THDIIH100%(2.17)I1谐波含有率记为HR，通常以某次谐波的有效值与基波有效值的比值来表示。第n次谐波电压含有率为：
HRUn=Un100%（2.18）U1第n次谐波电流含有率为：
HRInIn100%（2.19）I1含有谐波时，电力系统的平均功率为：
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P=1Tu(t)i(t)dtUnIncosn（2.20）0Tn其中，n为n次谐波电流落后于n次谐波电压的相位角。含有谐波时的视在功率可以表示为：
SUI2nn1n1NM2n（2.21）
含有谐波时，功率因数可已表示成：
cosAPP(2.22)
22S(AP)(AQ)其中，AP和AQ分别代表电度表上显示的有功电能和无功电能。
2.2功率与电能的计算
功率是电流做功的速率，通常用字母P表示。在交流电路中
1Puidt(2.23)
0由于储能元件的存在，交流电路的功率分为有功功率、无功功率和视在功率。
1、有功功率的计算
有功功率又叫平均功率，即瞬时功率在一个周期内的平均值。它是指电路中耗能元件所消耗的功率。在正弦交流电路中，设瞬间电压为u(t)，瞬间电流为i(t)，则瞬间功率P(t)=u(t)×i(t)
P(t)是个随时间变化的函数，它在某个周期内的平均值应等于该函数对时间积分后，除以时问间隔，所以平均功率应为：
1TP(t)u(t)i(t)dt(2.24)
0T当用计算机处理时，需要将连续量离散化，用和式代替积分。若以△t的时间间隔对电压和电流进行采样，用N表示每周期采样的次数（即T＝N×△t），则有功功率可以表示为：
1P有Nu(k)i(k)(2.25)
k1n式中，u(k)、i(k)分别代表电压、电流的第k次采样值，N为采样总点数，芯片就可按公式2.25计算出有功功率。△t取得越小，离散采样的波形就越接近实际值，则计算结果越精确。
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在三相交流电中，A、B、C三相的有功功率分别为：
1PAN1PBNuk1nnA(k)iA(k)(2.26)
uk1B(k)iB(k)(2.27)
1PCNuk1nC(k)iC(k)(2.28)
在三相电路中，总功率等于每相功率之和。所以，三相电路的总功率可表示为：
1n1n1nPuB(k)iB(k)uC(k)iC(k)uA(k)iA(k)NAPBPC总PNk1Nk1k1
(2.29)
2、视在功率的计算
在具有复阻抗的交流电路中，电压有效值与电流有效值的乘积值称为视在功率，它反映的是额定功率的大小，即
SURMSIRMS(2.30)
通常，为了电路设计的方便性，芯片内部使用公式2.30的方法实现视在功率的计算。即先计算出电压有效值和电流有效值，然后相乘得到视在功率。三相交流电的总视在功率为各相视在功率之和：
S总SASBSCUARMSIARMSUBRMSIBRMSUBRMSIBRMS(2.31)
3、无功功率的计算
无功功率是视在功率中不消耗电能的部分，它的产生与储能元件有关。在实际的电路中，一般采用先计算有功功率、视在功率，然后通过三者的关系式来计算无功功率。视在功率、无功功率、有功功率满足下面的关系：
22S2P有+P无(2.32)
所以，无功功率的计算方法如下：
2P无=S2P有(2.33)
4、功率因数的计算
在交流电路中，电压与电流之间的相位差()的余弦叫做功率因数，用符号cos表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即
cosP有/S(2.34)
由上式可以看出，功率因数的最高值为1。功率因数的大小与电路的负荷性质有关，具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统
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的一个重要的技术数据，也是衡量电气设备效率的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。
5、电能是消耗的能量的累积，是时变函数功率对时间的累积，到时刻T时的电能为：
TWPdt(2.35)
0将公式2-16带入上式得：
W有功u(k)i(k)t(2.36)
k1N所以三相电流所消耗的总有功电能为：
W总有功uA(k)iA(k)tuB(k)iB(k)tuC(k)iC(k)t(2.37)
k1k1k1NNN三相总视在电能为：
W总视功=S总tUARMSIARMSUBRMSIBRMSUCRMSICRMS(2.38)
三相总无功电能为：
W总无功=W总视功W总有功(2.39)
2.4频率的计算
频率的测量一般采用过零检测法，设电压信号每个过零点的时刻ti，由此可得到周期T满足：
1NTtiti1(2.40)
Ni1由周期与频率之间的关系ffN1得到频率的计算公式：Tti1N(2.41)
iti1
第9页
第3章系统结构框图与设计要求
3.1结构框图
系统结构框图是系统硬件电路设计的基础，它包含了系统的硬件选择及软件开发，是在对系统功能、技术指标、性价比、元器件的可购性等因素进行可行性分析的基础上，对多个方案比较权衡后确定。
本次设计的系统结构框图参考图3.1所示。电力线NCBA
系统结构框图由以下几个模块组成：计量模块、主控模块、RS-485通信模块、显示模块、存储模块、看门狗复位模块、时钟模块、主/从电源供电模块等。
采用ADE7878计量芯片和AT89S52设计三相电度表，单片机的TO、T1、T2端子对ADE7878的CF1、CF2、CF3端子发出的脉冲计数，实现有功、无功等电量参数的计量。单片机通过12C总线并采用AT24C02芯片进行电量参数的定时存储，通过按键进行电量参数的查询，通过液晶HCl602进行电量参数的显示，通过RS-485总线进行电量参数的远程传送。DSl302为实时计量和定时存储提供时间参数，通过三
第10页
电压信号变换(PT)电压通道SPISCIRS-485接口计CF1CF2CF3IRQ单信号衰减采样量芯片片机液晶显示HC1602INT0ADE7878电流通道AT89S52按键扫描及复位电流信号变换(CT)I2C数据存储AT24C02复位看门狗MAX813LSPI实时时钟DS1302后备电源LIR2032图3.1系统结构框图设计
个功能键实现DSl302芯片时钟的初值输入调整。后备电源LIR2032为可充电的3．6V锂电池。单片机复位采用MAX813L芯片。
单片机的SPI接口复用，所以AT89S52要对ADE7878和DS1302进行片选。
3.2电表显示内容及其设计要求
课题内容围绕三相电度表多个电量参数的计量、存储、显示、按键查询展开。显示分两行显示，每行16个字符。在参数显示的同时进行代码的显示。若系统无中断发生,液晶显示当前总的有功电量和无功电量，有功电量和无功电量代码已为E0、R0，数据显示格式如下：
EO：00000000.1
RO：00000000.1
由8个整数位和1个小数位组成，显示范围O-99999999．9。
系统配置三个功能按键，记为K1、K2、K3．功能描述参考表3.l所示.
表3.1按键的功能描述
按键类型K1显示界面示例E1:00000000.0R1:00000000.0K2E2:00000000.0R2:00000000.0K3P:00000000.0V:00000000.0K1、K2组合K1、K3组合1206/01/00:00:00H1:00021206/01/00:00:00K2、K3组合E0:00000000.1R0:00000000.1退出时钟初值调整并返回主显示进入时钟初值调整，光标指示调整对象异常事件记录查询显示瞬时有功功率P、无功功率V显示时段2内计量的有功、无功电量功能描述显示时段1内计量的有功、无功电量
电能计量结果通过三个功能按键进行查询显示，具体设计要求如下。①通过按链查询实现总的有功、无功等电能的计量与显示。②通过对时间参数的检测，实现电量参数的定时存储。③通过按键进行时钟初值输入调整。
④实现异常事件的中断记录，其中异常事件包括断相、过流、过压等三种情况。⑤可采集瞬时分相电压、电流、功率因数等数据，并进行显示
第11页
[6]
。
第4章系统硬件电路设计与实现
本章节进行系统硬件电路设计、功能模块划分和元器件选型。围绕ADE7878外围电路设计，阐述了电能计量原理，并进行了有关电路参数的计算；围绕AT89S52外围电路设计，阐述了各功能模块与单片机的接口电路设计；最后介绍了电源模块设计及其特点。
4.1计量芯片ADE7878
ADE7878是美国ADI公司推出的三相高精度多功能电能计量芯片，超越了工业上对电能计量0.2级表的精度和动态的要求。ADE7878的电压和电流通道为24bitΣ-△型ADC，电压和电流有效值在动态范围为1000：1的动态下小于0.1%，电能在动态1000：1下小于0.1%，在动态3000：1下小于0.2%。ADE7878提供I2C，SPI，HSDC多种数据接口和3个灵活的脉冲输出，ADE7878可以同时提供基波有功和无功功率，总（基波+谐波）有功和无功功率，视在电能计量，基波有功和无功电能计量和均方根值（RMS）计算
[7]
。ADE7878适合测量各种三相配置下有功，无功和视在电能，如三相三线（角接）、三相四线（星形）以及其他的计量方式，同时也支持电流互感器（CT）和微分线圈电流传感器，支持所有通道的波形数据输出。该ADE7878支持多种校表方式，每一相阶段，也就是有效值偏移校正，相位校准和增益校准。该CF1，CF2和CF3逻辑输出提供了多种可供选择：总/基波有功/无功功率，总视在功率，或总当前有效值。ADE7878包含一个内部的信号处理器（DSP）用来计算所有功率和有效值。
4.1.1ADE7878引脚配置及功能描述1、计量芯片ADE7878引脚配置如图4.1所示：
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图4.1ADE7878引脚配置
表4.1ADE7878引脚功能表
引脚234567,89,1213,1415,1617标号PM0PM1RESETDVDDDGNDIAP,IANIBP,IBNICP,ICNINP,INNREFINOUT描述空脚运行模式控制脚0，此引脚配合PM1控制ADE7878的运行模式运行模式控制脚0，此引脚配合PM1控制ADE7878的运行模式复位输入脚，低电平有效该引脚连接到对片内数字部分供电的LDO2.5V输出，此引脚对地接一个10uF和100nF的电容ADE7878的数字参考地电流通道的模拟输入。该通道与电流转换器一起使用，在本文中称之为电流通道。这些输入引脚是全差分电压输入，最大差分输入信号为±0.5V，带两个PGA：一个用于IA,IB,IC，一个用于IN通道。该引脚提供对片上基准电压的访问，片上基准电压额定标称值为1.2V±0.075%,典型温度系数第13页
1,10,11,20,21,30,31,40NC
为10ppm/℃。外部参考源1.2V±0.8%也可以与该脚相连。如论是否连接外部电压端，该引脚都应该用一个10uF的瓷片电容跟AGND端连接去耦。18,1922,23VN,VCPVBP,VAP电压通道的模拟输入。这些通道与电压转换器一起使用，在本文中称之为电压通道。这些输入是单端电压输入，标准运行时最大信号电压为±0.5V（相对于VN端）这些通道内部也有三个同步调整的PGA该引脚连接到对片内模拟部分供电的LDO2.5V输出，此引脚对地接一个10uF和100nF的陶瓷电容该引脚提供ADE7878中模拟电路部分的接地参考点，即数模转换器、温度传感器、基准电压源、电压电流传感器、抗混叠滤波器。该引脚为ADE7878提供电源，在PSM0（正常运行模式）电源电压应保持在3.3V±10%的工作电压。在PSM1（降低功耗模式），PSM2（低功耗模式）和PSM3（睡眠模式），ADE7878的供电可以来自电池，电源电压应保持2.4V和3.7V，此引脚应该对DGND接10uF的电容和100nF的陶瓷电容。ADE7878时钟输入端可按照上述方式在该引脚上连接一个晶体，为ADE7878提供一个时钟源，当CLKIN提供有外部时钟或者连接了一个晶体时，该引脚能驱动一个CMOS负载。ADE7878中断输出口，低电平有效校准脉冲输出口SPI/I2C的时钟输入端口SPI的数据输出口/I高速SPORT接口的数据端口SPI的数据输入口/I2C接口的数据端口。SPI/高速SPORT接口使能端24AVDD25AGND26VDD2728CLKINCLKOUT29,3233,34,3536373839IRQ0,IRQ1CF1，CF2，CF3/HSCLKSCLK/SCLMISO/HSDMOSI/SDASS/HAS
2、ADE7878计量芯片的功能描述：
ADE7878是一种高精确度的，支持EN50470-1，EN50470-3的标准，兼容三相三线，三相四线以及其他接线的多功能测量IC，带有二路独立的中断申请输出口，三路独立的脉冲输出口，更多的通讯接口（I2C，SPI，HSDC）。ADE7878集成了数字积分、参考基准电压源、温度敏感元件等，内置成熟的专用电能计量功能数字信号处理器，有可用于电流/电压有效值测量，基波有功功率和无功功率、总(基波+谐波)有功和无功功率，视在功率计量，同时提供有功和无功(基波+谐波)
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总能量，和基波有功和无功能量，谐波能量可通过简单减法运算获得。提供电池供电模式下的电流监测，通过检测中性电流与三相电流代数和是否匹配，进行防窃电检测。ADE7878大部分内部电路工作在2.5V电源上(芯片内置的LDO)，宽电源输入范围2.4-3.7V供电。
ADE7878有七路模拟量输入，分成电流和电压两个通道。电流通道由四对差分电压输入，分别是IAP，IAN；IBP，IBN；ICP，ICN，INP，INN。INP，INN可提供零线电流的有效值及瞬时值测量
[8]
。这四个电流通道最大的信号电压变化范围
为±0.5V。电流通道有一个可编程增益放大器（PGA1），放大器增益为1，2，4，8或16。除了PGA功能外，用于A/D转换时，通道1还具有输入信号满刻度选择的功能。
电压通道具有三路单端电压输入通道，分别为VAP，VBP和VCP。这些单电压输入端的最大输入电压变化范围为±0.5V。相对于VN来说，电压通道有一个可编程放大器PGA3，放大器增益为1，2，4，8或16。由用户编程来决定，所有的输入通道的增益相同。
ADE7878提供系统校准功能，每一相阶段，也就是有效值偏移校正，相位校准和增益校准，提供了三路可配置脉冲输出CF1，CF2和CF3，他们的逻辑输出提供了多种可供选择：总/基波有功/无功功率，总视在功率，或总的当前有效值，在IRQ0中有三个独立的中断标志位对应3路脉冲，当CF脉冲发生时，能量寄存器中的内容可以被锁存，从而确保多个相关的能量寄存器的内容和CF发生时刻同步。ADE7878提供四种不同的电源模式，引脚PM0和PM1可以控制ADE7878进入不同的功耗模式，如下表4.2所示：
表4.2ADE7878的功耗模式
电源模式PSM0-正常模式PSM1-省电模式PSM2-低功耗模式PSM3-睡眠模式PM1001PM0100电流消耗17mAmax3mAmax200uAmax1uAmax备注复位RESET引脚只有在PSM0模式下有效测量三相电流绝对值的平均值提供三相电流采样值和设定门限值进行比较，可以在掉电模式下进行电流检测，实现防窃电电路休眠，配置寄存器保持不变。11ADE7878提供了防窃电功能，可以在全失压情况下提供电流信息，其零线可以提供瞬时值和有效值电流检测，可计算各相电流瞬时值总和并与零线电流比较
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是否匹配。所有角度测量使用电压和电流从负到正时的过零点，同时提供3个角度寄存器，可通过不同配置方式以获取各种角度测量信息。
ADE7878提供三种串行通讯口:复位后默认为I2C接口，其最高的通讯速度为400KHz,读操作最大64位数据被传送速率=64/400KHz=160us.在上电或硬件复位后,通过SS引脚上连续拉高置地三次,ADE7878进入SPI通讯模式，其最高的通讯速度为2.5MHz.主模式HSDC接口的最高的通讯速度为8MHz,可以采集电压、电流瞬时值以用于谐波分析计算,HSDC模式可以配置成只传送三相电流＋零线电流＋三相电压模式，也可以配置成只传送九相功率瞬时值,在8MHz的时钟下最快通讯耗时=16*32/8MHz=64us.
3、ADE7878电能计量芯片的内部功能块如图4.2所示：
图4.2ADE7878内部功能块图
结合上述内部功能图，电能计量芯片ADE7878的电能计量原理简述为：通过电流互感器实现电流采样，通过电压互感器和分压电阻网络实现电压采样后，采样信号经信号放大PGA1、PGA2、PGA3和模数变换ADC转换为对应的数字信号。之后，电流信号经电流通道内的高通滤波器HPF滤除DC分量并且数字积分后，与经相位校正的电压信号相乘，产生瞬时功率。瞬时功率信号经过低通滤波LPF后分离出平均功率，平均功率在能量累加器中不断累加，再经过数频转换DFC后转换为脉冲输出
[10]
。AT89S52通过对脉冲计数，从而实现能量的计算。
第16页
4.1.2计量电路原理
计量电路采用ADE7878专用电能计量芯片，由信号衰减网络和滤波网络两部分组成
[9]
。衰减网络用来实现负荷电流、电压信号的衰减，由电流传感器、电压
互感器组成；滤波网络用来实现抗混叠滤波，由电阻、电容元器件组成。频率混叠是A/D信号采样处理中的特有现象，混叠会产生假频率假信号，影响测量结果。在进行电流、电压信号衰减后，要进行抗混叠滤波设计。
计量电路原理参考图4.3所示。电流回路由两级电流传感器进行信号取样，电压回路由电压互感器进行信号取样。计量芯片ADE7878内部对取样信号进行处理，计算出瞬时有功、无功功率，再通过瞬时功率的直流分量获得平均功率。平均功率在电量累加寄存器中进行累加得到分相电量；分相电量可以通过SPI端口读出，也可以转换为计量脉冲输出。ADE7878有三路脉冲输出，对应端子为CF1，CF2，CF3。脉冲输出频率与能量寄存器中累加的能量成正比，通过对脉冲计数实现电量参数的累加。
图4.3ADE7878构建的计量电路
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参考图4.3所示，ADE7878的IAP/IAN,IBP/IBN,ICP/ICN,INP/INN对应A、B、C三相电流和零线电流四对差分电压输入，这四个电流通道最大的信号电压变化范围为±0.5V。VAP,VBP,VCP对应三路单端电压输入通道，这些单电压输入端的最大输入电压变化范围为±0.5V。电流、电压通道各端子的抗混叠滤波网络由lkΩ的电阻和33nF的电容组成。
电流传感器在工作时二次端不允许断路，在设计时采用R1与R2作为二次端计量回路的电流电压转换电阻，R1、R2阻值大小均为0.3Ω。电压电流转换电阻的选取要考虑阻值大小和额定功率两个因素，阻值选取与负荷额定最大电流Imax、传感器变比CTRN有关。设计额定最大电流输入时ADE7878电流通道为Vf=0.5V。根据电度表参数配置,Imax=250A，CTRN=300。转换电阻的计算如下：
R1R2VfCTRN/(2Imax)=0.5V300/(2250A)0.3(4.1)
最大额定电流输入时，电压电流转换电阻R1与R2消耗功率P计算为：
P(Imax/CTRN)2(R1R2)(250A/300)20.60.42w(4.2)
实现了在外加额定电压Vn=500V时，ADE7878电压通道信号输入为0.3V。在负荷电流Imax=250A时，ADE7878电流通道信号输入为0.3V。这样既满足了高精度的要求，电流、电压通道的电压输入又在ADE7878允许的范围±0.5V之内。
4.2单片机外围电路设计与器件选择
4.2.1单片机AT89S52概述、引脚配置及功能描述
AT89S52是一款单片封装的微控制器，具有8k的程序存储和256字节RAM，可以满足中小规模软件编程需要。
AT89S52主要功能列举如下：1、拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash；2、晶片内部具有时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）；3、内部程序存储器（ROM）为8KB；4、内部数据存储器（RAM）为256字节；5、32个可编程I/O口线；6、八个中断向量源；7、三个16位定时器/计数器；8、三级加密程序存储器；9、全双工UART串行通道
[11]
。第18页
图4.4AT89S52引脚配置图
AT89S52各引脚功能如下：
VCC：AT89S52电源正端输入，接+5V。VSS：电源地端。
XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。
XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一个20PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。
RESET：AT89S52的重置引脚，高电平动作。
EA/Vpp："EA"为英文"ExternalAccess"的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用8751内部程序空间时，此引脚要接成高电平。此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。
ALE/PROG：ALE是英文"AddressLatchEnable"的缩写，表示地址锁存器启用信号。AT89S52可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为AT89S52是以多工的方式送出地址
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及数据。平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。
PSEN：此为"ProgramStoreEnable"的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。AT89S52可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。
PORT0（P0.0～P0.7）：端口0是一个8位宽的开路汲极（OpenDrain）双向输入输出端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当作I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0～A7）及数据总线（D0～D7）。设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0～A7，再配合端口2所送出的A8～A15合成一完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。
PORT2（P2.0～P2.7）：端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在AT89S52扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。
PORT1（P1.0～P1.7）：端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当作定时/计数器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。
PORT3（P3.0～P3.7）：端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能
[12]
。其引脚分配如下：P3.0：RXD，串行通信输入。P3.1：TXD，串行通信输出。P3.2：INT0，外部中断0输入。P3.3：INT1，外部中断1输入。P3.4：T0，计时/
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计数器0输入。P3.5：T1，计时/计数器1输入。P3.6：WR，外部数据存储器的写入信号。P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。4.2.2接口电路设计
接口电路用来实现ADE7878与单片机的数据通信，一方面可以通过SPI口进行计量芯片ADE7878的初始化，另一方面ADE7878把数据处理的结果从CF1/CF2/CF3管脚以脉冲形式或从SPI口送出，供单片机进行计量处理AT89252接口电路设计如图4.5所示。
[13]
。ADE7878与单片机
图4.5ADE7878与AT89S52接口电路
去耦电容C1、C3的作用是滤除芯片电源输入中的尖峰脉冲成分，旁路电容C2的作用是使ADE7878电源电压输入保持基本稳定。R1、R2、R3为限流电阻，对单片机的I／O口起到限流保护作用。ADE7878每产生一个功率脉冲，对应的LED1、LED2或LED3会闪亮一次。IRQ1为ADE7878中断输出端子，低电平有效，外接10KΩ的上拉电阻。当ADE7878检测到中断发生时，IRQ1向低电平跳变，发出INT1中断申请；单片机通过读取ADE7878状态复位寄存器内容，判断中断事件的类型。
由于ADE7878正常工作的电源电压为2.4～3.7V,其VDD引脚接3.3V电源输入，而AT89S52接+5V电源输入，所以ADE7878与AT89S52的接口无法实现电平匹配。为了解决这个问题，电平转换芯片74LVC4245被引入到ADE7878与AT89S52之间以实现3.3V到5V电平的转换。74LVC4245的CE引脚是收发使能端，低电平有效。DIR
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引脚控制电平信号传输方向。DIR为高电平时，A为输入端；DIR为低电平时，B为输入端。此电路中DIR引脚上拉10KΩ电阻，置高电平。CE引脚接地，置低电平。4.2.3AT89S52外围电路设计
单片机外围电路设计参考图4.6所示。
图4.6单片机外围电路设计
上图4.6中单片机AT89S52连接时钟芯片DS1302的SPI接口要和图4.5中连接ADE7878的SPI接口进行复用。单片机AT89S52通过分别控制ADE7878的SPI使能端SS和DS1302的CE端对两芯片进行片选，从而实现了SPI复用。
图中，K1、K2、K3为三个功能按键，按键扫描采用中断方式进行。功能按键有两个作用，一是电量参数及事件记录的查询，二是时钟参数的初值输入调整。图中“与"门逻辑采用74LS08芯片实现。
主电源与后备电源之间的电路切换通过两个二极管实现。后备电源采用可充电的3．6V锂电池LIR2032。主电源上电后，二极管Dl导通，D2截止；主电源通过10kΩ的电阻对后备电源充电。主电源掉电后，二极管Dl截止，D2导通；后备电源开始对单片机进行供电。
复位采用MAX813L看门狗芯片。为了避免因外界干扰而导致应用程序“跑飞”或出现死循环，MAX813L的WDI电平在1.6s内应跳变一次，实现对MAX813L内部时钟寄存器清零，防止因“看门狗"溢出而导致单片机复位
[14]
。第22页
4.2.4显示模块HCl602
显示采用16x2字符型液晶HC1602，与单片机的接口电路如图4.7所示。
图4.7单片机与HCl602的接口电路设计
图中C1、C2为单片机和液晶模块HCl602的去耦电容。DBO-DB7为HCl602的数据线，与单片机的P0.0-P0.7端子相接。R10为阻值可调的电位器，用来调整液晶显示的对比度；当VO端子对地电压为OV时液晶显示最为清晰。A、K为HCl602背光灯的电源端子和接地端子，其中电源端子K通过跳线S1与主电源相接。正常情况下S1断开以减小电度表能耗；在电量查询时闭合S1，接通背光灯电源。
显示与键盘扫描相结合，用来实现电量参数的查询显示、异常事件记录查询显示以及时钟参数初值输入调整结果显示。当没有中断发生时，进行总的有功、无功电量显示。字符显示是通过P0口读入该字符的ASCII码实现。4.2.5数据存储AT24C02和时钟芯片DS13021、数据存储AT24C02
存储芯片采用AT24C02。该芯片具有I2C串行通信总线接口，具有掉电后数据不丢失特点。与单片机的接口电路参考图4.5所示。存储主要包括电量参数的存储和异常事件的记录存储。考虑到AT24C02芯片擦写次数的有限性。能量的累加在单片机的RAM存储空间中完成，采用定时方式进行电量参数的存储。单片机不断检测时间参数，当存储时间到，则启动I2C总线把电量参数存储到AT24C02中分
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配的地址单元。异常事件采用中断方式进行存储。当ADE7878检测到过流、过压、断相等事件时，向单片机发出中断申请。单片机执行中断服务程序，把处理的结果，包括事件的代码、发生次数以及发生的时间，存储到AT24C02中分配的地址单元。
为了保证电量参数存储的可靠性,在软件设计上要有充分的冗余和纠错。比如在进行电量存储时突然发生掉电事故，新的数据存储尚未完成，而原有数据已经被覆盖，造成数据的丢失。为了避免这种情况，对每一个电量参数分配两组存储单元。即使一组数据在存储时被损坏，另一组数据则不受影响。2、时钟芯片DS1302
时钟芯片采用DSl302。该芯片具有SPI总线接口，与单片机接口电路设计参考图4.6所示。时钟芯片有两个作用：一是为定时存储提供时间参数；二是为断相、过流、过压等异常事件记录提供时间参数。
DS1302采用双电源供电模式，Vcc1为主电源输入，Vcc2为备份电源输入。当Vcc2Vcc1+O．2V时，由Vcc2向DSl302供电，工作电压范围2.5～5.5V。DSl302寄存器数据以BCD码格式存放。秒寄存器的CH位控制时钟的运行和停止。当CH=1时，时钟停止；CH=0时，时钟运行。小时寄存器的位7用于定义DSl302的时钟运行模式，为0时采用24小时时钟模式。在对DSl302写操作时，WP位首先应设置为0，写操作允许使能4.2.6RS-485通信接口电路设计
电度表配备RS485通信接口具有成熟性和性价比高的优势，硬件设计时预留出RS-485通信接口。采用MAX485接口芯片作为RS-485通信的低功耗收发器硬件电路设计参考图4.8所示。
[16]
[15]
。。图4.8RS-485通信接口电路
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MAX485芯片的RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可。
图4.8中，将RE与DE端子连接以控制MAX485芯片的发送/接收使能。DE端子与单片机的P1.2口连接。当DE为高电平时，单片机向RS-485总线发送数据；DE为低电平时单片机从RS-485总线接收数据。RO和DI端分别为MAX485内部接收器的输出端和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的串行通信输入RXD和输出TXD相连即可。
连接至A脚的下拉电阻R3与连接至B脚的上拉电阻R1用于提高该RS-485网络节点的工作可靠性。钳位于6.8V的稳压管D1、D2、D3用来保护RS-485总线，避免在受到外界雷击、浪涌等干扰时产生高压，损坏RS-485收发器。C2、C3用于提高电路的EMI性能。4.2.7电源模块设计
系统电源模块由主电源和后备电源两部分组成。主电源模块由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，其中整流电路采用DBl07集成模块，稳压电路采用LM7805、LM7905集成电路模块；后备电源采用可充电的LIR2032锂电池，主电源和后备电源的电路切换参考图4.6。电源模块设计如图4.9所示。
LM7805的+5V输出与系统的+5V网络连接。LM1117的+3.3V输出作为ADE7878的电源VDD输入。当系统处于上电工作状态，此时二极管LED导通发光。C1、C2、C5、C6为有极性的旁路电容．作用是使稳压器的输入、输出电压保持基本稳定；C3、C4、C7、C8、C9为0.1μF的去耦电容，作用是滤除稳压器输入、输出信号中的尖峰脉冲成分。
图4.9主电源模块电路
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第5章系统软件程序设计
软件的编程设计采用嵌套的方法，分为主程序和中断程序两个部分。系统软件的主程序是系统各模块功能实现的基础，用于启动软件和各个功能模块的初始化。中断主程序可以用于对各种事件进行处理，例如ADE7878响应AT89S52、按键处理、数据通信处理等。
1、智能三相电度表系统的主程序框图如图5.1所示。
通信模块时钟模块参数管理模块测量模块输出模块按键处理模块系统上电复位液晶显示模块系统初始化
图5.1系统主程序框图
2、本文设计的智能三相电表的主程序流程图主要围绕电量参数的计量展开，是基于单片机用能量脉冲计数方式来实现有功和无功能量的计量这一前提而构建的。单片机的计数器T0、T1工作在外部计数方式，对有功、无功能量脉冲进行计数。电能计量芯片ADE7878每发出一个能量脉冲就触发T0或T1中断。采用中断方式进行设计，保证了电能计量的及时性。
系统在进入主循环之前，要进行与中断T0、T1、INT0、INT1有关的AT89S52寄存器初始化、ADE7878初始化、DSl302初始化等操作。
在主程序的一次循环过程中，分别进行瞬时有功功率的检测和时间参数的检测，根据检测结果进行功率的实时计量。
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本文设计的主程序流程如下图5.2所示。
脉冲累加满0.1KWh？N脉冲累加满0.1KVarh？NT0中断？YE0对应的脉冲数+1N显示电量参数E0，R0按键中断RS485中断INT0，INT1中断NT1中断？YR0对应的脉冲数+1初始化开始
YYE0+0.1KWhR0+0.1KVarh脉冲变量赋值为0脉冲变量赋值为0N存储时间到？Y存储电量参数图5.2系统主程序流程图
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上述流程图可以实现有功、无功电量的定时存储与实时显示。若再嵌套进各中断程序即可实现对异常事件的实时存储、按键查询功能，以及RS485通信功能。
3、系统还可以扩展出分时段电能计量功能，实现复费率电表的初步设计，以适应目前“分时电价”的要求，达到“削峰填谷”的目的。
若要进行分时段电能计量，重点在于电量参数采用定时方式存储。比如在一天中进行两次存储，分别发生在00：00和12：00这两个时刻。主程序每循环一次，就进行一次时间参数的检测。定义位变量flag1：当时间在00：0012：00内时flag1=1，否则flag1=0。在主程序连续的两次循环中，若flag1两次赋值结果不同，就认为存储时间到。通过调用函数进行电量参数的存储。
实现有功电量分时段电能计量的具体程序流程如图5.3所示。
返回显示分段有功电量参数CT1=0E1+0.1KWhCT1累加满0.1KWh?YNCT2累加满0.1KWh?YE2+0.1KWhNFlag1=1?Y脉冲数CT1+1脉冲数CT2+1T0中断总的有功电能计量NCT2=0图5.3分时段有功电能计量流程图
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图中，CT1、CT2分别为两个不同时间段的脉冲计数变量；E1、E2分别对应不同时段里累加的总有功电量。无功电量的分时段计量也可以参照上图进行。
若将上述流程图5.3嵌套进主程序流程图5.2内，即可实现有功、无功电量的分时段计量、定时存储以及实时显示。
在此基础上，若加入费率切换环节，即不同时段的电能计量结果采用不同的费率，就可以实现按时间分段的复费率电表的设计。但这种复费率电表有一个缺点：无法适应负荷的突然变化。
由于分时段计量时，时间段是根据预测当日负荷曲线而设定的。而这种对负荷随时间变化规律的经验性预测决定了这种电表无法对负荷的突变做出反应。因而时间段不可能分得很细，从而无法充分适应“阶梯电价”的要求。
若要充分适应“阶梯电价”的要求，则需要实现按功率分段的复费率电表设计方案。该方案在硬件方面需要实现在大负荷和小负荷模式下电流模拟信号采样电路的实时切换，在软件方面需要设计出按功率分段的电能计量流程图。
4、实现按键查询功能的中断程序流程如下图5.4所示。
开启INT0中断按键处理有键按下？Y判断按键类型并保存键值关闭INT0中断功能按键扫描NINT0中断入口返回图5.4按键中断程序流程图
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参照硬件电路图4.6，系统配置了三个功能按键K1、K2、K3，与单片机的接口设计如下：K1连P2.4，K2连P2.3，K3连P2.2。按键组合用来实现电量参数查询，异常事件查询等功能。按键扫描采用中断方式进行，通过“与”门逻辑与单片机的INT0口连接。
键盘扫描有三种方式：编程扫描，定时扫描和按键中断扫描。本方案采用中断扫描，以提高单片机的执行效率。按键中断程序流程参考图5.4所示。
INT0、INT1中断采用边沿触发方式，在进入INT0中断入口后，通过关闭INT0中断使能，可以避免键盘扫描时引起再次中断。
接着，进行按键的扫描。检测到按键按下后，判断按键类型，并根据扫描结果进行功能按键处理。若没有检测到按键按下，则不予处理并返回。
按键中断还可以与显示配合进行异常事件的查询。在此之前，单片机需要完成对异常事件的实时存储。具体的过程如下：
参照硬件电路图4.5，计量芯片ADE7878的IRQ1端子与单片机的INT1端子连接。当计量芯片检测到过流、过压、断相、掉电等异常事件发生时，IRQ1电平向低电平跳变，并向单片机发出INT1中断申请。单片机AT89S52通过INT1中断服务子程序可以读取状态复位寄存器中的内容，从而进行中断事件处理并实时存储异常事件。
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第6章","p":{"h":26.999,"w":13.5,"x":412.665,"y":122.636,"z":8},"ps":null,"t":"word","r":[5]}
随着计算机技术、通信技术、控制技术等的飞速发展，智能三相电度表面临前所未有的发展机遇。基于软硬件方面的支持，电表的许多扩展功能被逐渐开发出来。
目前，传统的感应式电表正在不停地被淘汰，电度表的升级换代经过机电一体式这种暂行型式逐渐在向智能化方向前进。IC卡预付费电表已经得到了广泛的应用。为了适应“分时电价”的改革要求，复费率电表也在积极的推广之中。在不久的将来，具有远程通信与控制功能的智能电表会逐渐应用于电网、企业，甚至每一个家庭。
这些智能电表的应用必将实现电量计量领域的巨大变革，抄表方式也会随之发生深刻的变化。远程自动抄表技术，如电力载波抄表、总线制集中抄表，甚至无线抄表技术都将得到广泛应用。
相应地，电能计量控制的自动化程度也会大幅提高。电量信息的数字化为通信和控制提供了先决条件。智能电表的应用为将来电网与计算机网络的融合提供了部分技术支持，电能的计量与收费在未来必将变得更加方便与快捷。人机交互能力也会得到全面的提升。
随着智能电表通信和控制功能的逐步开发，未来必将形成功能强大的智能电表管理系统。该系统集精确计量、智能抄表系统、人机交互系统、远程控制系统于一体，融合各种新型功能模块，构成了将来智能电网的电能计量与收费平台。
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致谢
本人在武汉大学本科阶段的毕业设计中，经历了毕业设计课题的选择、任务书的解读、开题、课题的研究、毕业设计周志的撰写，以及毕业论文的撰写、修改与定稿。其间，我遇到了很多的困难。包括课题研究中知识的匮乏、模型的设计、论文的编辑与修订等方面遇到的种种障碍。虽然困难重重，但一路下来，可以说受益良多。在此期间，本人得到了毕业设计指导老师蒋云峰教授的悉心指导。首先，籍以此文表达本人对蒋老师的感谢。真心地祝愿蒋老师事业有成，桃李满天下。
在课题的研究过程中，实验室的各位前辈在百忙中仍给予了我热心的帮助。借此机会，向他们表示衷心的感谢，并预祝两位学长研究生答辩圆满成功。
再者，感谢室友赵爽、邓俊杰对我的敦促和对论文格式的指导。毕业在即，希望他们在接下来的研究生阶段的学习中取得进步。
最后，谨将此文献给我的家人。正是由于父母的辛勤养育和兄弟姐妹的无私奉献，本人才得以进入武汉大学接受高等教育。在此，祝我的家人身体健康，生活和谐美满。
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