(我的)智能电表分析设计报告

课程：计算机组成原理

智

能

电

表

分析设计报告

院系：安徽工程大学机电学院

专业：计算机与软件工程系

班级：软件1402

组长：李和林

组员：秦伟刘宣杨佳伯转转许展邵明

时间：

姓名职责

目录

第一章系统整体方案设计 (4)

1.1智能电表系统设计思路 (4)

1.2方案论证 (4)

1.2.1三相电参数的测试与计量方案论证与比较 (4)

1.2.2多功能化模块的方案论证与比较 (5)

1.2.3电压电流采样方案论证与比较 (6)

1.3通信标准的选择 (7)

1.4系统总体方案确定 (8)

第二章系统硬件设计 (9)

2.1硬件整体系统设计 (9)

2.2电源电路设计 (10)

2.2.1工作原理 (10)

2.2.2变压模块 (11)

2.2.3稳压模块 (11)

2.3电压电流采样处理单元 (12)

2.3.1 ATT7030A简介 (12)

2.3.2 ATT7030A结构框图 (13)

2.3.3电能输出脉冲电路 (13)

2.4 CPU中央处理单元 (14)

2.4.1 CPU功能 (14)

2.4.2 CPU选择 (15)

2.4.3数据存储模块 (16)

2.4.4显示模块 (18)

2.4.5 红外通信模块 (20)

2.4.6键盘模块 (22)

2.4.7 485通讯模块 (23)

第三章系统软件设计 (24)

3.1软件设计的基本原则 (24)

3.2系统软件设计 (25)

3.2.1接收数据与通信的程序设计 (25)

第四章总结 (29)

第一章系统整体方案设计

1.1智能电表系统设计思路

将智能电表系统整体分为电量测量和智能管理两部分。电量测量部分选用高精度、高可靠性的电量测量ASIC实现，能够完成三相电量的准确计量。该部分是设计的关键和基础。智能管理部分除核心元件微处理器外，还需要人机交互模块、数据存储模块及通讯模块。该部分是实现电表“多功能化”的重要组成部分，对其要求是智能化程度高，易于功能扩展。

1.2方案论证

1.2.1三相电参数的测试与计量方案论证与比较

该部分是本系统设计的关键部分，要求电路结构简单、可靠、功能全面，能够完成预定功能。目前，关于三相电参数的测试与计量主要有两种技术方案。

传统的模数转换和相位检测技术

被测三相电压、三相电流通过相应互感器转变为能被后端电路接收的电信号，变化之后的信号需要做两方面的处理，一方面检测电压电流的相位差，确定功率因数，另一方面线性调整信号，传输给后端的A/D转换器。电压、电流转换后的数字量和功率因数值传输给CPU处理器，根据三相功率、三相能量等电参数的计算公式计算相应的各个电参数，并对计算数据做相应处理。

该方案存在电路结构复杂，参数测试误差大，编程复杂、故障排除复杂等缺点。该技术方案已不再适用于工业环境中三相电能表的电参数测量。

专用的三相电参数测试与计量技术

随着大规模集成电路的迅速发展，有关电参数测量的集成电路市场上出现了多种专用产品，针对不同的电参量可以选用不同的产品。目前，在我们国内比较流行的电量测试与计量芯片主要有美国ADI公司生产的ADE7755，美国CIRRUS LOGIC公司生产的CS5460，美国炬力公司生产的ATT7021、ATT7030、ATT7026等，国内上海贝岭公司也生产了相应的电量计量芯片。以上IC芯片在国内电能表行业中得到了广泛的推广应用，多年来的应用表明，这些IC芯片在电参数的测试与计量的应用比较稳定，计量精度满足了国家标准。采用专用的IC测试电参数已成为目前各种电能表制造厂商的首选技术方案。

其中，ATT7026、ATT7030是专用于三相电参数测量的IC芯片，外围电路配置简单，可方便地与CPU连接。

综合考虑本电能表所要实现的功能，我们选用第二种方案。ATT7030A测试计量的电参数能满足本次设计题目提出的技术要求，是一款高精度的三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线。ATT7030A提供有功电能计量输出脉冲，微处理器可方便的对电能实现计量。

1.2.2多功能化模块的方案论证与比较

多功能化模块应包括以下几个组成部分：CPU中央处理器、外部存储器、键盘、显示、485通信接口、红外收发电路、报警电路、负荷控制电路等八部分组成。

CPU中央处理器的选择方案有两种，方案一：选用DSP处理器；方案二：选用单片机。DSP处理器具有运算速度快，处理能力强等优点，但存在价格相对较高，参考资料相对较少等缺点。单片机是目前电能表行业中普遍选用的中央处理器。比较以上两种方案，我们选用ATMEL公司的AT89S52单片机作为中央处理单元，该单片机具有较强的数据处理功能，与MCS-51完全兼容，设计使用方便。

外部存储器选择方案主要有两种。方案一：选择RAM存储器；方案二：选择FLASH存储器。RAM存储器速度快，可读写操作，但存在掉电数据丢失的缺点，

为了保证数据不丢失，一般需要设计电池供电，增加了设备的体积，成本等。外部FLASH存储器具有掉电数据不丢失的优点，速度相对较慢，可以进行读写操作。由于电能表对数据存储的速度较低，数据量较少，因此，FLASH存储器是电能表行业中选择的主流芯片。我们选用X5045作为外部数据存储器，选用该型号的存储器不仅可以方便数据的存储，而且具有看门狗功能，监视CPU的运行状态和系统的电压，保证系统的安全运行。

负荷控制电路设计具有预付费功能，即用户应先购电，后用电，用户购剩余电量达到报警值或剩余电量为零时，都要操作继电控制装置，提醒用户及时购电。

1.2.3电压电流采样方案论证与比较

目前，电能表行业中，关于电源电压、电流的采样方案主要有三种：第一种是采用电流互感器、电压互感器采样；第二种电压采用电阻分压网络采样，电流采用锰铜电阻采样；第三种方案以上两种方案的交叉组成。电流取样使用电流互感器具有过载能力强，精度高，抗干扰能力强的优点，但存在成本高，体积大的缺点；电压取样采用电压互感器同样具有过载能力强，精度高，抗干扰能力强的优点，存在成本高，体积大，校表难度高的缺点；与采用互感器取样比较电流采用锰铜电阻具有取样方便，成本低的优点，但存在过载能力弱，抗干扰能力差的缺点；电压采用电阻分压网络取样具有取样容易，校表方便、成本低的优点，但存在过载能力弱的缺点。

比较以上几种方案，结合本表的计量精度要求，电流取样采用高精度（0.1级）的电流互感器，电压取样采用电阻分压网络。该方案既提高了本系统的抗干扰能力，又方便了电能表的校验。

根据上述方案论证，智能电表系统的实现方案如下：

AT89S52(CPU)+ATT7030A(电量测量IC)+X5045（Flash存储器）+MAX7219 (LED 显示IC)+独立式键盘+75LBC184（485通讯IC）+红外调制管+MC7805(DC稳压电源IC)。

1.3通信标准的选择

本系统的一个重要的问题就是通信问题。要根据系统的通信距离来选择合适的通信标准。如果通信距离要求太高的话，可以采用电话线公网或者无线 GPS 等方式来进行通信。

在通信方式中，大多数采用串行通信方式。这里先对常见的串行总线标准作一个比较。常用的总线标准有 RS-232、RS-422 和 RS-485 等等[6]，RS-232 是异步串行通信中应用最广泛的一种标准总线，其单向数据传输最大速率为了20Kbps，最大传送距离为 15m，显然这种总线标准是无法满足本系统的技术要求的，且其数据传输速率较慢，易产生干扰。RS-422 传输距离较远，最短为 12m，数据传输最大速率为 10Mbps；当速率为 1Mbps 时，传输距离可达 120m；当速率为 100Kbps 时，传输距离可达 1200m；RS-422 抗干扰能力强，传输速率快，且为全双工的。

RS-232 和 RS-422 有一个显著特点，即 RS-232 接口与 RS-422 接口通常吸用于点对点通信系统中，若系统中需要相互通信的节点数超过两个时，他们都无法直接满足要求。

因此，EIA 制定了新的接口标准 RS-485，它能支持一点对多点的通信，RS-485 电气标准与 RS-422 完全一样，只是 RS-485 工作于半双工方式。

RS-485 标准总线是一种平衡传输方式的串行口接口标准，它允许在电路中有多个发送器，且允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器的组合单元。RS-485 的共线电路结构是一对平衡传输的两端都配置终端电阻，其发送器、接收器、组合收发器可以挂在平衡传输线上任何位置，在数据传输中实现多个驱动器与接收器通用同一传输线的多点应用。RS-485 通信接口的信号传输是用两根线之间的电压差来表示逻辑“1”或“0”的，因为发送端仅需两根传送线，而接收端也只需要两根传送线，这样，RS-485 接收端与发送端公需两根线就能完成信号传输。RS-485 标准总线的特点是：抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远，在采用双绞线，不用 Modem 的情况下，在100Kbps 的传输速率时可传送 1200m，若速率为 960Kbps 时，可以传送 1500m，甚至更远。

由于 RS-485 具有上述优点，能够支持一点对多点的通信，便于组网通信距

离也能满足本系统的设计要求；且电表联网远程抄表系统对实时性要求不高，能耗的抄取也是不经常发生的，一般情况下仅需要每月抄一次。所以本系统选择了半双工的 RS-485 的通信标准。

1.4系统总体方案确定

在我们确定了通信标准之后，就可以对整个系统进行设计了。既要充分考虑RS-485 通信标准中对传输距离和波特率的限制，又要兼顾到系统的带载能力，来确保系统运行的可靠性，在基表与上层管理微机之间，采用了采集器、集中器两级结构形式，系统的总体分布结构如下图

系统总体结构图

上位微机与集中器之间可通过 RS-485总线进行数据传输，采集器通过屏蔽双绞线采集用户各种远传能耗基表的信息，并进行换算和存储；采集器对电量的采集可以直接通过DF型电能表上的 RS-485 接口接受用户的电量信息，也可以通过采集器上的红外接口，利用专用红外抄表器对采集器进行各种能耗信息的读取等

第二章 系统硬件设计

2.1硬件整体系统设计

根据方案比较与论证，三相智能电度表的整体电路主要包括：电源电路、电压电流采样处理单元、CPU 中央处理单元等三部分组成。其中采样电路又分为电压采样模块、电流采样模块；CPU 中央处理器单元又分为CPU 中央处理器、键盘、显示、外部存储器、485接口、红外收发、负荷控制、报警模块。整体设计方案见图

CPU 中央 处理器 键盘 显示

外部存

储器 485接口 红外收发 报警 负荷控制

CPU 中央处理单元 电 压 取

样 电流取

样 A U

B U

C U A I B I C I 电 源 电 路

系统整体电路原理图

系统工作原理：

第一步接通电源电路，CPU 中央处理单元上电，系统进入待机状态。此状态下，CPU 取出存于外部存储器中的剩余电量数据和本电表机号并显示于显示模块上。当按下键盘“设置键”时，系统进入功能设置状态，按“确定键”则退出该状态。

第二步采样单元发出电量计量脉冲信号，系统进入工作状态。次状态下，CPU 对脉冲进行计数及计算电量，经过一段时间运算后得到这段时间中用户消耗的电量。用户上次预购电量减去剩余电量，得到用户新的预购电量剩余值。如果该值小于某一值时，通过报警模块通知用户及时购电。

有两种事件是随机发生的：485通信和红外通信事件。当上位机向电表发出通信请求时，系统进入485通信状态，通信结束退出该状态。当红外抄表器向电表发出通信请求时，系统进入红外通信状态，通信结束退出该状态。

系统状态转换图如图：

系统状态转换图2.2电源电路设计

三相电压、电流采集处理电路与CPU中央处理单元均需要5V直流电源供电，为提高系统工作可靠性及适应现场电压波动范围大的情况，本系统采用三相电源变压-整流-滤波-稳压方式。具体设计电路见图

系统电源电路图

2.2.1工作原理

系统直流电源AVCC直接由三相交流电源转换而来。以A相位例，A相220V

交流电经变压器变压得到交流电V1，V1经过整流桥整流得到含有较大纹波系数的直流电V2，V2经C13、C14滤除纹波后进入三端稳压器件LM7805稳压处理得到V3，V3经C15、C16滤波得到系统需要的直流电源AVCC。B相、C相原理于A 相相同。

由Multisim软件仿真得到V1、V2、V3波形如图

系统电源部分电压波形图

2.2.2变压模块

由220V交流电得到5V直流电第一步需要选用变压器进行降压处理，变压器两端的匝数比决定着降压系数。三端稳压电源LM7805最大输入电压为30V，正常范围为5～18V，所以变压器副边输出电压V1可以选择15V。根据变压器两侧电压比，可计算出变压器的原副边匝数比：

N1:N2=VA:V1=220:15

2.2.3稳压模块

稳压电源分为线性稳压电源和开关稳压电源两类，其中：线性稳压电压优点是稳定性高、波纹小、电路简单，缺点是体积大、效率低、驱动电流小；开关电源优点是体积小、效率高、驱动能力强；缺点是波纹系数大，稳定性不如线性稳压电源好。本系统电源直接供给IC，对驱动电流要求不大，且ATT7030A对电源稳定性要求较高，所以这里我们选择线性稳压电源。

三端稳压集成电路LM7805所需的外围元件极少，电路内部有过流、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，所以被广泛应用。LM7805如图3-6所示，1脚为输入端，2脚为输出端，3脚为接地端。

LM7805引脚图V2经过电容滤波进入LM7805，输出电压V3稳定为5V，LM7805后仍需接大小两个电容输出电压才能真正稳定。其中，大电容的作用是增强负载特性（输出阻抗随频率增加基本保持不变）和瞬变响应（利用电容电压不能瞬间改变特性），小电容的作用则是滤除高频干扰，两者耐压值选择15V。

2.3电压电流采样处理单元

系统电压电流采样处理单元采用ATT7030A作为核心处理芯片，外围辅以电源、电压电流模拟输入、脉冲输出等电路。

2.3.1 ATT7030A简介

ATT7030A是一款对三相有功电能进行高精度测量的芯片，其特点如下：·高精度，在1000到1的动态范围内误差小于0.1%；

·电能测量符合1S、0.5S级，支持IEC 687/1036标准，GB/T 17215-1988；

·提供有功电能测量

·当任意一相功率反向时，提供功率反向指示信号 REVP；

·当三相合功率为负时提供反相指示信号NEGP，可以用于止逆场合；

·提供缺相指示PA/PB/PC；

·提供有功电能校准输出脉冲：CF1；

·提供输出脉冲F1/F2，用于驱动电量计度器和步进电机；

·三相合电能计算模式是可选择的；

·提供校准电阻网络；

·+5V单电源供电

2.3.2 ATT7030A结构框图

ATT7030A内部结构框图

ATT7030A信号处理流程图

2.3.3电能输出脉冲电路

ATT7030A 提供两种输出脉冲：高频输出脉冲CF1和低频输出脉冲F1/F2。在功率测量信号处理电路中，开关电压和电流信号相乘得到瞬时功率，瞬时功率

对时间积分转换为电能。A/B/C相电能根据代数和模式或者绝对值和模式相加，通过改变频率信号和分频信号，我们得到高频电能脉冲输出信号，该信号可以用来进行校正。在此基础上，分频信号也可以得到低频输出脉冲信号用于驱动步进电机。

2.4 CPU中央处理单元

2.4.1 CPU功能

CPU中央处理单元由于需要实现数据存储、显示、键盘、通信等功能，因此电路较为复杂，元件较多。

CPU选用AT89S52，外部存储器选用X5045，一方面存储数据满足掉电数据不丢失，其次X5045具有看门狗功能，监视CPU运行状态及电源电压，保证系统可靠运行。485通信选用75LBC184集成电路，具有带载能力强，传输距离远的特点。红外采用38KHz调制方式，传输距离超过5米，误码率低。CPU有功电量采样使用光电耦合器隔离，提高其采样的可靠性。校表通过光电耦合器输出校表脉冲，方便与校表试验台连接。

CPU中央处理单元设计原理

2.4.2 CPU选择

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8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，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。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，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

AT89S52主要功能特点：

·与MCS-51产品兼容；

·8K字节在系统可编程Flash存储器；

·1000次擦写周期；

·全静态操作：0Hz-33MHz;

·三级加密程序存储器；

·32个可编程I/O口线；

·三个16位定时器/计数器；

·八个中断源；

·全双工UART串行通道；

·低功耗空闲和掉电模式；

·掉电后中断可唤醒；

·看门狗定时器；

·双数据指针；

·掉电标识符。

AT89S52引脚图如图：

2.4.3数据存储模块

因本系统需要存储用户电量等数据，且要求掉电数据不丢失，该系统选择

X5045器件。X5045是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM三种功能于一身的可编程电路。这种组合设计减少了电路对电路板空间的需求。

X5045中的看门狗对系统提供了保护功能。当系统发生故障而超过设置时间时，电路中的看门狗将通过RESET信号向CPU作出反应。X5045 提供了三个时间值供用户选择使用。它所具有的电压监控功能还可以保护系统免受低电压的影响，当电源电压降到允许范围以下时，系统将复位，直到电源电压返回到稳定值为止。X5045的存储器与CPU可通过串行通信方式接口，共有4096个位，可以按512×8个字节来放置数据。

2.4.

3.1引脚介绍

X5045采用DIP8封装形式，其管脚排列如图3-20所示，共有8个引脚，各引脚功能如下：

CS：电路选择端，低电平有效；

SO：串行数据输出端；

SI：串行数据输入端；

SCK:串行时钟输入端；

WP：写保护输入端，低电平有效；

RESET：复位输出端；

VCC：电源端；

VSS：接地端。

2.4.

3.2工作原理

（1）上电复位

向X5045加电时会激活其内部的上电复位电路，从而使RESET引脚有效。该信号可避免系统微处理器在电压不足或振荡器未稳定的情况下工作。当Vcc超过器件的Vtrip门限值时，电路将在200ms（典型）延时后释放RESET以允许系统开始工作。

（2）低电压监视

工作时X5045对Vcc电平进行监测，若电源电压跌落至预置的最小Vtrip一下时，系统及确认RESET，从而避免微处理器在电源失效或断开的情况下工作。当RESET被确认后，该RESET信号将一直保持有效，知道电压跌到低于1V。当Vcc返回并超过Vtrip达到200ms时，系统重新开始工作。

（3）看门狗定时器

看门狗定时器的作用是通过监视WDI输入来监视微处理器是否激活。由于微处理器必须周期性的触发CS/WDI引脚以避免RESET信号激活而使电路复位，所以CS/WDI引脚必须在看门狗超时时间终止之前受到由高到低信号的触发。

（4）重新设置Vcc门限

X5045出厂时设置的Vcc门限电压为Vtrip，但在应用时，如果标准值不恰当，用户可以重新调整。

（5）SPI穿行存储器

器件存储器部分是带块保护的CMOS串行EEPROM阵列，阵列的内部组织是×8位。X5045可提供最少为1000000次擦写和100年的数据保存期，并具有穿行外围接口（SPI）和软件协议的特点，允许工作在简单的四总线。

X5045主要通过一个8位的指令寄存器来控制器件的工作，其指令代码通过

SI输入端（MSB在前）写入寄存器。表3-4所列为X5045的指令格式及其操作。（6）时钟和数据时序

当CS变低以后，SI线上的输入数据在SCK的第一个上升沿时被锁存。而SO上的数据则有SCK的下降沿输出。用户可以停止时钟，然后再启动它，以便在它停止的地方恢复操作。在整个工作期间，CS必须为低。

2.4.4显示模块

本智能电表系统需要显示电表机号、电流互感器系数、电量等数据，无需文字显示，八位LED数码管即可完成显示任务，故我们选择8位LED数码管驱动器MAX7219。

2.4.4.1 MAX7219概述

MAX7219是MAXIM公司生产的串行输入/输出共阴极数码管显示驱动芯片，一片MAX7219可驱动8个7段（包括小数点共8段）数字LED、LED条线图形显示器、或64个分立的LED发光二级管。该芯片具有10MHz传输率的三线串行接口可与任何微处理器相连，只需一个外接电阻即可设置所有LED的段电流。。它的操作很简单，MCU只需通过模拟SPI三线接口就可以将相关的指令写入MAX7219的内部指令和数据寄存器，同时它还允许用户选择多种译码方式和译码位。此外它还支持多片7219串联方式，这样MCU就可以通过3根线（即串行数据线、串行时钟线和芯片选通线）控制更多的数码管显示。

2.4.4.2 功能特点

·10MHz连续串行口

·独立的LED段控制

·数字的译码和非译码选择

·150uA的低功耗关闭模式

·亮度的数字和模拟控制

·高电压中断显示

·共阴极LED驱动

·24脚的DIP和SO封装

2.4.4.3寄存器介绍

（1）数据寄存器和控制寄存器

MAX7219内部的寄存器主要有：译码控制寄存器、亮度控制寄存器、扫描界限寄存器、关断模式寄存器、测试控制寄存器。编程时只有正确操作这些寄存器，MAX7219才可工作。

（4）亮度控制寄存器（0AH）

MAX7219通过加在V+和ISET之间的外部电阻来控制显示亮度。段驱动电流一般是流入ISET端电流的100倍。这个电阻可以是固定的，也可以是可变电阻，通过前面板控制以选择合适的亮度：其最小值为9.53Kohm。它设定段电流为40mA。显示亮度可以通过亮度寄存器来控制。

数字控制显示亮度是通过亮度寄存器的低四位来控制的脉宽调制器来控制。调制器将段电流平均分为16个阶次，最大值为由Rset设置的最大电流为31/32，最小值为电流峰值的1/32。

2.4.4.4 MAX7219与单片机连接电路

MAX7219与单片机连接如下图，单片机通过P2.0（CLK）、P2.1（LOAD）、P2.2（DIN）三根控制线完成显示操作。

MAX7219与单片机连接图

2.4.5 红外通信模块

本智能电表系统需要完成与抄表器数据传输功能，红外通信具有控制简单、实施方便、传输可靠性高的特点，是一种较为常用的通信方式。使用手持红外抄表器通过遥控的方式，来完成电度表用电量的抄录、设置表电流互感器系数等工作。实现单片机系统红外通信的关键在于红外接口电路的设计以及接口驱动程序的设计。

2.4.5.1红外通信的基本原理

红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。发送端采用脉时调制（PPM）方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送出去；接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。