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1、目录1 引言11.1 研究背景11.2 研究现状12 总体设计方案22.1 技术要求22.2 方案论证33 硬件电路设计43.1 单片机的选择及外围电路设计43.2 电流互感器的选择与连接73.3 电能计量芯片的选择73.4 LCD显示接口电路设计123.5 键盘接口电路设计133.6 电源电路设计154 软件设计154.1 主程序设计主程序的主要功能164.2 中断服务程序设计174.3 LCD1602程序设计194.4 CS5490程序设计214.5 键盘扫描程序设计27结 论29致 谢30附录：电路原理图321 引言1.1 研究背景随着社会的发展，人们的生活水平不断提高，家用电器越来越普
2、及，人人用电、家家用电，使用电量大大增加。同时即将实行的分段电费计费制，将使用电大户的电费支出大幅度地增长，各种各样的窃电行为不可避免，对此，供电部门采取多种方法对用户的电能表进行定期校验或不定期的抽查。通常校验用户电能表的方法为：1.1.1、使用钳形电流表和秒表，现场检测电能表：用秒表实测电能表每转时间T1；查看电能表上标明的参数，算出电能表每转一转所需的电能，然后用钳形电流表测量电流求出有功功率，电能表每转1转所需电能与有功功率之比得到的时间即为电能表每转所需时间T2。通过T1与T2的比较，就可以判断电能表是否正常工作，从而达到检测目的。但这种方法的误差很大，主要产生自秒表的掐表误差。1.
3、1.2、通过检验电能表的外观，确定电能表有无破坏痕迹。这种方法包括：1) 检查电能表外壳、封铅及封条是否完好，外壳是否有变形、微小孔洞及铁丝等；2) 检查电能表接线盒是否封闭完好，进出线是否紧固，电压连接片是否压紧。3) 核对电能表铭牌上的型号、出厂编号及所计量负荷性质等是否与抄表卡相同，若不符即有窃电行为。1.1.3、在被测电能表电路中接入标准电能表，然后对被测表和标准表同时采样进行比对。1.1.4、采用专门的检测仪器对电能表进行校验。这种方法分为两种形式，一种方法是将电能表从供电线路上拆下，利用实验室的电能表校验台对电能表进行校验，另一种方法是不拆下电能表，利用电能表现场检测仪器对电能表进
4、行现场校验。电能表的现场检验因不影响用户用电而被供电部门广泛采用，随着电子技术的发展，供电部门迫切需要一种携带方便，操作简单，计量准确的单项电表检测仪，用于用户低压电能表的现场检验。1.2 研究现状电能表的校验是否准确，取决于有功功率的测量是否准确，有功功率的测量属于电气测量范畴，在电气测量方面，国内外已有大量的研究成果，就测量方法和采用的技术手段综述如下。采用的技术手段上，一是采用微机加数据采集卡，二是采用微处理器结合自行设计的数据采集通道。在互感器的选择上，一是在供电电路中接入固定式的电压互感器和电流互感器。二是电压互感器采用固定式，接线端使用线夹，电流互感器采用钳形互感器6。固定式互感器
5、中磁路是封闭的，因而具有较好的线形和较小的相移，可以得到较高的精度。但需要停电接线，不便于现场检测。电压互感器采用固定式，接线端使用线夹，电流互感器采用钳形互感器，现场不用接线。固定式互感器的优点是显而易见的，采用线夹后可直接加在供电线路的母线上，避免了现场检测需要停电接线的麻烦。但钳形电流互感器的接触面存在空气间隙，使互感器磁路的磁阻显著增大，且随工况不同呈现非线形，使互感器的线形变差，且相移较大，给功率因数的测量带来影响，为了弥补这一缺陷，对结果采用分段线性化处理，可以提高测量精度。在有功功率的测量方面，一是采用有效值转换，分别测量出电压、电流和功率因数，利用微处理器计算出功率；二是采用有
6、功功率专用测量集成电路，直接测量出有功功率；三是利用各种电量的传感器，测量出电压、电流、功率因数或直接测量有功功率。采用专用电能计量芯片，直接测量出有功功率，测量方便，硬件电路简单，软件开销小。 2 总体设计方案2.1 技术要求由于目前使用的低压电能表多为电子式电能表，机械式电能表基本已淘汰，所以本设计以电子式电能表为检测对象。本设计以STC公司的MCU为核心，采用电流互感器及电能计量专用芯片对电能进行实时计量，计算出被测电能表的误差，检验电能表计量的准确性。具体要求如下：(1).电量测量范围：电压220VAC，电流040A，单相；(2).检验对象：电子式电能表；(3).测量误差：0.5%FS
7、；(4).测量方式：不拆线不断电；(5).方便野外使用，强阳光下可清晰显示；(6).220VAC供电。2.2 方案论证按照上述技术要求，系统由电流电压互感器、有功功率测量芯片、单片机、显示器、键盘和SD卡几部分组成。系统组成图如图2.1所示。图2.1系统组成图利用互感器将供电电路的电压、电流转换为弱电信号，单片机通过有功功率测量芯片对电参数进行实时采集并计算出电能，通过与被测电能表的显示进行比对，从而计算出被测电能表的相对误差。2.2.1 互感器方案一：在供电电路中接入固定式的电压互感器和电流互感器。固定式互感器中磁路是封闭的，因而具有较好的线形和较小的相移，可以得到较高的精度。但需要停电接线
8、，不便于现场检测。方案二：电压采样使用线夹，电流采样使用钳形电流互感器，现场不接线。线夹可直接加在供电线路的母线上，避免了现场检测需要停电接线的麻烦。但钳形电流互感器的接触面存在空气间隙，使互感器磁路的磁阻显著增大，且随工况不同呈现一定的非线形，使互感器的线形变差，且相移较大，给功率因数的测量带来影响。综上分析，结合低压电能表进行现场检验的特点，确定采用方案二。2.2.2 有功功率测量通道方案一：采用有功功率专用测量集成电路。专用电能计量芯片，直接测量出有功功率。测量方便，硬件电路简单，软件开销小。方案二：采用有效值转换电路，分别测量出电压、电流和功率因数，利用微处理器计算出功率。便于对钳形互
9、感器带来的相移进行修正或补偿，但硬件电路较为繁琐，软件开销大。综上分析，确定采用方案一，有功功率测量通道由既是专用电能计量芯片。2.2.3 显示器方案一：采用LED数码管显示器。传统的数码管具有：低功耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度要求比较高，显示速度快，精确可靠，操作简单。数码管是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。方案二：使用LCD液晶显示器。液晶显示器具有轻薄短小、超低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等优点。LCD符合本设计系统的
10、要求，利用其自带的字符库，进行编程还可以实现各信息的显示，即节省资源又省去了大量编程任务，且在强光照射下的户外进行检测时，LCD可清晰地显示数值。综上分析，本设计系统采用方案二。3 硬件电路设计3.1 单片机的选择及外围电路设计3.1.1 单片机的选择本系统主要从编程方式，IO口数量，功耗等方面选择MCU。编程方式简洁，硬件投资小，与PC连接方式简单。IO口分配：电量测量芯片6个，键盘8个，RS232接口2个，并口1602LCD 11个。共需至少27个IO口。目前8位单片机已有百十个系列，上千个种类，市场上可见到的如Intel公司的MCS-51系列产品，Motorola公司的6800、6800
11、0系列产品，Zilog公司的Z8、Supper8、Z86系列产品，Rockwell公司的6500系列产品，Philips公司的80C51系列产品，Microchip公司的PIC系列，Ateml公司的AT89、AVR系列，华邦公司、松下公司、三星公司、国产的STC等等。基于以上分析，本设计采用STC公司的STC12LE5A60S2可以满足设计要求。3.1.2 STC系列单片机STC12LE5A60S2的简介STC12LE5A60S2单片机是STC宏晶科技()生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
12、内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。3.1.3功能特性概述1.增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统80512.工作电压： 5.5V- 3.3V（5V单片机）3.工作频率范围：0 - 35MHz，相当于普通8051的 0420MHz4.用户应用程序空间62K字节5.片上集成1280字节RAM6.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）,可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏 每个I/O口驱动能力均可达到20
13、mA，但整个芯片最大不要超过55mA7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器 可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片8.有EEPROM功能9. 看门狗10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）11.外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器,5V单片机为1.32V，误差为+/-5%12.时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内) 1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟13.共4个16位定时器：两个
14、与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器14. 2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟15.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2 ),CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到P4.3)
15、16. PWM(2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路） -也可用来当2路D/A使用 -也可用来再实现2个定时器 -也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)17.A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)18.通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口19. STC12LE5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)20.工作温度范围：-40 - +85(工业级) / 0 - 75(商业级)21.封装：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48 I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接 74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口, 还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。3.1.4 单片机外围电路设计本设计选择STC12LE5A60S2的外部时钟方式，在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接11.0592
