基于单片机的智能电能表的设计

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1、 1 / 23第一章第一章 智能电能表概述智能电能表概述1.11.1 智能电能表的概念智能电能表的概念智能电能表是以微处理器或微控制器芯片(如单片机)为核心的可以存储大量的测量信 息并具有对测量结果进行实时分析、综合和做出各种判断能力的仪器。智能电能表一般具 有自动测量功能，强大的数据处理能力，进行自动调零和单位换算功能，能进行简单的故 障提示，具有操作面板和显示器，有简单的报警功能。 1.21.2 智能电能表的典型结构智能电能表的典型结构从结构上来说，智能电能表是一个专用的微型计算机系统，它主要由硬件和软件两部 分组成。硬件部分主要包括信号的输入通道，微控制器或微控制器及其外围电路、标准通信

2、接 口、人机交换通道，输出通道。输入通道和输出通道用来输入输出模拟量信号和数字量信 号，它们通常由传感器元件、信号调理电路、A/D 转换器、D/A 转换器等组成。微控制器及 其外围电路用来存储程序、数据并进行一系列的运算和处理，通常包括程序存储器、数据 存储器、输入输出接口电路等组成。人机交换通道是人与仪器相互沟通的主要渠道，它主 要由键盘、数码拨盘、打印机、显示器等组成。标准通信接口电路用于实现仪器与计算机 的联系，以使仪器可以接受计算机的程控指令，目前用于智能电能表的通信接口主要有 GPIB、RS-232C 等。 智能电能表的软件部分主要包括监控程序和接口管理程序两部分。其中监控程序面向

3、仪器面板键盘和显示器，通过键盘操作输入并存储所设置的功能、操作方式与工作参数;通 过控制工/0 接口电路进行数据采集，对数据进行预定的设置;对数据存储器所记录的数据 和状态进行各种处理;以数字、字符、图形等形式显示各种状态信息以及测量数据的处理结 果。接口管理程序主要面向通信接口，其内容是接受并分析来自通信接口总线的各种有关 功能、操作方式与工作参数的程控操作码，并通过通信接口输出仪器的现行工作状态及测 量数据的处理结果，以响应计算机的远控命令。 1.31.3 智能电能表的主要特点智能电能表的主要特点 与传统电能表相比，智能电能表具有以下几个主要特点:测量精度高，可以利用微处理器执行指令的快速

4、性和 A/D 转换的时间短等特点对被 测量进行多次测量，然后求其平均值，就可以排除一些偶然的误差与干扰，还可以通过数 字滤波，剔除粗大误差和随机误差的方法提高测量精度;能够进行间接测量，智能电能表可以利用内含的微处理器通过测量几种容易测量的 参数，间接地求出某种难以测量的参数;能够自动校准，智能电能表在使用前进行自动校准，在测量过程中进行校准，从而 减少误差;具有自动修正误差的能力;具有自诊断的能力，智能电能表若发生了故障，可以自检出来，仪器本身还能协助 诊断发生故障的根源;能够实现复杂的控制功能;允许灵活地改变仪器的功能;智能电能表一般都配有 GPIB 或 RS232 等接口，使智能电能表具

5、有可程控操作的能力。 从而可以很方便地与计算机和其他仪器组成用户需要的多种功能的自动测量系统，来完成 更复杂的测试任务。2 / 23第二章第二章 智能电能表的设计方法智能电能表的设计方法2.12.1 智能电能表的硬件设计方法智能电能表的硬件设计方法 智能电能表中均含有微处理器或微控制器，在微处理器或微控制器的外围进行设备的 扩展如程序存储器 ROM、数据存储器 RAM、键盘、显示器、报警装置和通信口。作为一个完 整的智能电能表还应包括输入通道和输出通道。图 2.1 表述了智能电能表的硬件结构组成 原理图。 智能电能表实际上是一个微型计算机系统，它是具有微处理器或微控制器的，并有标 准总线接口的

6、新型仪器。不同功能的智能电能表由不同部件组合而成。智能电能表的监控 程序固化在程序存贮器 EPROM、ROM、EEPROM 等中，被测参量通过传感器将非电量变换成电 量，然后经过信号处理和模数转换后变为微处理器能直接识别的数字信号。所采集的数据 或从键盘上输入的数据以及经过一定的算法运算后的数据均暂存于片内数据存储器 RAM 中。 智能电能表的控制部分一般分两种情况，一是微处理器接受键盘输入的命令后，不需经过 数模转换器，直接由接口输出控制信息和数据信息，去控制一些执行机构。智能电能表硬件设计各功能环节如下: 2.1.1 微处理器或微控制器 微处理器和微控制器在智能电能表中都是智能电能表的心脏

7、，它们的结构、特性对智 能电能表的性能影响很大。微处理器也是一种通用器件，如果给予足够的外部支持电路和 处理时间，它几乎可以完成任何任务，数据处理和控制是微处理器的两个主要用途。根据 智能电能表控制功能和测量功能的不同选用合适的单片机作为智能电能表的核心，从而提 高智能电能表的整体性能。 2.1.2 传感器 传感器是将外界输入的被测量信号变换成电信号的元器件或装置。它作为信息获取的 工具和手段，在测量控制型智能电能表中占据了极其重要的地位。传感器能转换信息存在 的能量形式，通常是将其他能量形式转换成电量形式，以便进一步加工处理，传感器的输 出往往总是电信号。这主要是电信号较容易地进行放大、反馈

8、、滤波、积分、微分、存储 及远距离传送等操作。微处理器键盘LCD/LEDA/D转换信号调理传感器被测量参量报警装置ROM 或EPROM 或EEPROMSRAM 或DRAM 或NVSRAM 或FLASHMemoryD/A驱动器模拟执行装置RS232（接口）图图 2.1 智能电能表硬件原理图智能电能表硬件原理图3 / 232.1.3 信号调理 信号调理装置是通过电子线路来实现模拟信号处理，一般包括放大、滤波、整形、检 波、信号转换等功能环节。信号调理的目的是对传感器输出的电信号进行必要的处理以满 足信号处理后继环节的需要，使其输出信号适应 A/D 转换等环节的工作。信号调理可以改 善信号质量，还可

9、以补偿传感器的非线性，提高信噪比，增强信号的环境抗干扰能力等。 2.1.4 A/D 转换器 微处理器能处理的信号应是数字信号，因此，在智能电能表的输入通道中加入能把模 拟信号转换成数字信号的芯片即 A/D 转换器。但并不是所有的输入通道都要加入 A/D 转换 器，而是只有模拟量输入通道，而且输入微处理器的信号不是频率量而是数字码时，才用 到 A/D 转换器。使用 A/D 转换器时应先根据输入通道的总误差，选择 A/D 转换器的精度及 分辨率。根据信号对象的变化率及转换精度要求，确定 A/D 转换速度，以保证智能电能表 的实时性要求，对快速信号必须考虑采样/保持电路。在选用 A/D 时还应考虑智

10、能电能表所 处的环境选择 A/D 转换器的环境参数。不同 A/D 转换器有不同的输出状态，应根据计算机 的接口特性选择输出状态。 2.1.5 D/A 转换器 微处理器输出的数字控制信号通过 D/A 转换，将离散时刻输出的控制信号转换成为离 散模拟信号，为实现智能控制创造了必要条件。在 D/A 转换接口设计中主要考虑的问题是 D/A 转换芯片的选择、数字量的码输入及模拟量的极性输出、参考电压电流源、模拟电量 输出的调整与分配等。选择 D/A 芯片时，主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能 上必须满足 D/A 转换的技术要求:在结构和应用特性上应满足接口方便，外围电路简单，价 格低廉等要求。

11、2.1.6 智能电能表的通信接口 智能电能表一般都设置有通信接口，以便能够实现程控、方便地构成自动测试系统。 目前国际上采用的智能电能表的标准接口有 GPIB，RS232 等,本设计采用 RS232 接口。 2.1.6.1 RS-232C 标准通信接口 RS-232C 总线标准接口是目前最常用的串行通信总线接口，其逻辑电平是对地对称的， 与 TTL、MOS 逻辑电平完全不同。逻辑 0 电平规定为+5+15V 之间，逻辑 1 电平是-5V-15v 之间。因此，RS-232C 驱动器与 TTL 电路连接必须经过电平转换。转换芯片有 MC1488，75188(从 TTL 到 RS-232C 的电平转

12、换);MC1489，75189(从 RS-232C 到 TTL 的电平 转换)。还有 MAXIM 的 MAXZOZ、MAX232 等等。 在当今的信息化时代，用于其他信息装置的通信技术也同样可用于嵌入式智能电能表。 它主要有这样一些通信技术: 2.1.6.2 PCI 总线 PCI 总线技术为 CPU 和板上外设之间提供方便的高速通信连接，工作频率为 33MHz(rev2.1 支持 66MHz)。PCI 对于连接到它上面的器件是具有即插即用的高速总线。从 理论上来说，可以有多达 256 个 PCI 功能器件同时挂到一个 PCI 总线上。但由于总线负载 问题，同一个 PCI 总线上只能挂 4 到

13、8 个器件。价廉的 PCI 芯片组和广泛应用的 PCI 外设 可以促使 PCI 总线成为嵌入式领域的事实上的总线标准。 2.1.6.3 USB 总线 通用串行总线(USB)是一种外设总线标准。它为所有的 USB 外设提供一种通用的连接， 其数据率为 12Mbits/S。USB 特别适合于需要高数据率和易于即插即用的应用。需要保证带 宽和有限执行时间的应用包括 PC 电话和其他语音及视频通信应用。除了这些新的多媒体设 备外，USB 也用于传统的 I/O 设备。 2.1.6.4 IEEE1394 高速串行总线4 / 23IEEE1394 是高速串行总线，其数据率为 25-400Mbits/s，它是

14、作为通用外设串行总线 而设计的。缆线型 1394 总线可支持 63 个器件。缆线越长它所能够处理的数据率就越低。 一般长度为几米，IEEE1394 和 USB 都是串行协议，然而 USB 和 IEEE1394 比其竞争技术由 更大的技术互补性，USB 属于低带宽到中带宽，而 IEEE1394 属于中到高带宽。 2.22.2 智能电能表的软件设计方法智能电能表的软件设计方法 智能电能表硬件电路确定之后，仪器的主要功能由软件实现。相应的软件有采集、采 集控制、数据处理、显示、结果打印等。智能电能表的软件设计需要有一个细致全面的过 程。一般先是清楚的列出智能电能表系统各系统部件与软件设计的有关特点，

15、并进行定义 和说明，以作为软件设计的根据。在此基础上写出软件的功能流程图，程序流程图。再将 程序流程图的一列操作用机器码或汇编语言或高级语言译成处理器能处理的机器代码。查 错和调试是智能电能表软件设计中找出并改正逻辑错误或与硬件有关的程序错误的关键。 在所有的工作完成之后还要进行文件编制。置 A 转移上电复位初始化系统测试正常？提示符显示键扫描键按下？散转#01 键 功能程 序#N 键 功能程 序#02 键 功能程 序键 功 能 程 序准 备 程 序命令状态查询条件控制转移系统控制程序循环转移等待转移复位转移图图 2.2智智 能能 电电 能能 表表 的的 典典 型型 结结 构构5 / 23如图

16、 2.2 所示智能电能表的软件结构按功能可分为准备程序、键功能程序和系统控制 程序。同时，为了与软件结构相配合，还必须将程序存储器(ROM)和数据存储器(RAM)实现 规划。 2.32.3 智能电能表的抗干扰方法智能电能表的抗干扰方法 智能电能表是以微处理器为核心的微机测量控制系统，因此智能电能表在许多场合都 是与计算机控制系统或 DCS(集散控制系统)联系在一起的。智能电能表在不同的应用场合 所受到干扰也各不相同，当仪器在运行时所受到的干扰超过一定限度时就会严重影响智能 电能表的可靠性，甚至严重影响工业生产现场，因此在设计智能电能表时要注意智能电能 表的抗干扰设计。 微机测控系统的抗干扰技术在智能电能表的抗干扰技术中是同样适用的，主要分为硬 件抗干扰技术和软件抗干扰技术。 硬件抗干扰技术主要包括滤波技术(无源滤波和有源滤波)、去耦技术、屏蔽技术、隔 离技术、接地技术等。 窜入智能电能表的干扰，其频谱往往很宽，且具有随机性，采用硬件抗干扰方法，只 能抑制某个频率段的干扰，仍有一些干