電能計量插座設計【畢業(yè)論文】

1、<p>　　本科畢業(yè)設計(論文)</p><p><b>　　( 屆)</b></p><p>　　論文題目 電能計量插座 </p><p>　　(英文) Energy metering socket</p><p>　　所在學院 電子信息學院 </p&g

2、t;<p>　　專業(yè)班級 電子信息工程 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 日</p><p>

3、<b>　　摘要</b></p><p>　　電能計量是日常生活中非常重要的一個部分。電能是現(xiàn)代社會中國民經(jīng)濟和人民生活的重要保障，隨著社會的快速發(fā)展往往導致電能的供應與使用之間產(chǎn)生矛盾。為了解決這一矛盾，提高電能利用的合理性和緩解電力供需矛盾具有重要價值。但是傳統(tǒng)的插座沒有電能計量和計費的功能，因此基于單片機技術設計的新型電能計量插座是一個很好的課題。</p><p&g

4、t;　　電能計量插座的設計，主要設計工作內(nèi)容有:通過電壓電流的采樣，基于ADE7753進行電能計量的設計，ADE7753是ADI最新一款功能先進的數(shù)字電度表芯片，這是一種帶串行接口和脈沖輸出的高精度有功和視在能量計量的集成電路。它集成了二階∑△ADCs、一個數(shù)字積分器(在CH1上)、一個參考電壓源，一個溫度傳感器，能對電壓、電流有效值(RMS)計算，有功、無功和視在功率進行測量，在1000：1的動態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.1%，其電壓電流采集

5、電路具有特色和成本的優(yōu)勢。采樣信號通過ADE7753專用的電流、電壓輸入引腳輸入后進行處理運算并把計算結(jié)果自動保存在ADE7753自帶的相應寄存器當中。然后MCU通過SPI同步竄行接口讀取ADE7753的數(shù)據(jù)進行顯示處理，這探索了利用ADE7753的硬件資源與軟件的有機結(jié)合實現(xiàn)。本文也從ADE7753的測量精度、成本、功能等方面闡述了本方案設計的特點及優(yōu)勢。</p><p>　　關鍵詞: 電能計量，ADE7753

6、，軟硬件合成 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Energy metering is a very important part of everyday life. The electrical energy is an important guarantee of the national economy and peopl

7、e's lives in modern society, with the rapid development of society often leads to a contradiction between the supply and use of electricity. In order to solve this problem, improve the rationality of the electric pow

8、er and ease the power supply and demand of great value. Traditional outlet is not the function of energy metering and billing, so the MCU techni</p><p>　　Energy metering socket design, the main design work:

9、voltage and current sampling design based on the ADE7753 energy metering, the ADE7753 is the latest ADI an advanced digital electric meter chip, this is A with serial interface andpulse output of high-precision active an

10、d apparent energy measurement IC. It incorporates a second-order∑△ADCs, a digital integrator (on CH1), a reference voltage source, a temperature sensor, voltage and current rms (RMS) calculation, active, reactive and app

11、arent e</p><p>　　Key word:Energy Metering;ADE7753;Hardware and software synthesis</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p><b>　

12、　2 總體設計2</b></p><p>　　2.1 硬件總體框圖2</p><p>　　2.2 ADE7753芯片特點2</p><p>　　2.3 基本設計方案3</p><p><b>　　3 硬件設計5</b></p><p>　　3.1 硬件電路系統(tǒng)5<

13、/p><p>　　3.1.1電源電路5</p><p>　　3.1.2計量電路6</p><p>　　3.1.3 掉電檢測電路8</p><p>　　3.1.4 MCU及其他相關電路 9</p><p>　　3.2 硬件電路特點9</p><p>　　3.3 系統(tǒng)誤差分析與校正10<

14、;/p><p>　　4 軟件設計13</p><p>　　4.1 總體程序流程圖13</p><p>　　4.2 周波處理子程序流程圖14</p><p><b>　　4.3 中斷14</b></p><p>　　4.4 LCD顯示15</p><p><b&

15、gt;　　4.4 按鍵16</b></p><p>　　5 制作和調(diào)試17</p><p>　　5.1 實物圖17</p><p><b>　　5.2 電壓17</b></p><p><b>　　5.3 電流18</b></p><p><b&

16、gt;　　5.4 頻率18</b></p><p><b>　　5.5 功率18</b></p><p><b>　　5.6 電量19</b></p><p>　　5.7 操作說明19</p><p><b>　　6 結(jié)論20</b></p>

17、<p><b>　　致 謝21</b></p><p><b>　　參考文獻22</b></p><p>　　附錄 硬件總原理圖23</p><p>　　附錄 應用程序源代碼24</p><p><b>　　1引言</b></p>&l

18、t;p>　　隨著社會的不斷發(fā)展，對電能消耗的精度要求越來越高，而且，還要求這些插座能準確計量有很好的可靠性。這當中，電能插座就扮演了一個非常重要的角色。但是也正由于插座應用面廣，作用大，更要求廣大電能插座設計者和生產(chǎn)廠商從美觀實用、精確可靠、成本低廉等多方面來詳加考慮，所以對電能插座的研究是非常急需和必要的【1】。而電能計量插座的方案也是多種多樣的，例如采用SOC芯片SD3003的方案，還有采用ADE7753的設計方案，而本文主要

19、闡述的是采用ADE7753的設計方案。ADE7753是ADI最新一款功能先進的數(shù)字電度表芯片，這是一種帶串行接口和脈沖輸出的高精度有功和視在能量計量的集成電路。它集成了二階∑△ADCs、一個數(shù)字積分器(在CH1上)、一個參考電壓源，一個溫度傳感器，能對電壓、電流有效值(RMS)計算，有功、無功和視在能量的測量。在1000：1的動態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.1%。家用電參數(shù)插座是適用于家用電器電參數(shù)檢測的一個測量工具，主要可以用來測量并顯示市電電

20、壓/電流有效值、有功/視在功率、有功電能/價格、周波及功率因數(shù)。它與國家電力部門統(tǒng)一規(guī)劃使用的電子式電能表不同，電能表充當?shù)氖请娏Σ块T對用</p><p><b>　　2 總計設計</b></p><p><b>　　2.1硬件總體框圖</b></p><p><b>　　圖2.1設計總框圖</b>

21、</p><p>　　如圖2.1所示，硬件部分主要分為電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、計量模塊、MCU顯示及數(shù)據(jù)存儲模塊。經(jīng)過電壓和電流采樣后，將數(shù)據(jù)傳輸給ADE7753進行電能計量方面的數(shù)據(jù)處理，將處理好的數(shù)據(jù)一方面?zhèn)鬏斀oEEPROM進行存貯，一方面通過SPI同步竄行接口交給MCU進行顯示處理，而按鍵可以轉(zhuǎn)換顯示的內(nèi)容。</p><p>　　2.2ADE7753芯片特點</p>&

22、lt;p>　　ADE7753是美國ADI公司生產(chǎn)的帶串行接口和脈沖輸出的高精度有功和視在能量計量芯片。該芯片支持IEC61036和IEC61268協(xié)議，它集成了二階Σ△ADCs、1個數(shù)字積分器(在CH1上)、1個參考電壓源，1 個溫度傳感器,能測量交流電壓和電流的有效值、有功功率、無功功率和視在功率等參數(shù)；能夠進行有功功率的有效累計，并能對能量、相位和輸入偏移進行數(shù)字校正，保證了精確輸出；測量誤差在l000：1的動態(tài)范圍內(nèi)小于0.

23、1%；片內(nèi)集成有過壓欠壓檢測電路、參考電壓源和溫度傳感器，絕對誤差在±30℃以內(nèi)。</p><p>　　圖2.2ADE7753引腳圖 </p><p>　　ADE7753內(nèi)部共有42個用于與外部進行數(shù)據(jù)交換的寄存器，有的只能讀，有的既能讀又能寫；有的數(shù)據(jù)長度只有6位，有的長度為24位；有的用于存儲測量數(shù)據(jù)。有的用于完成芯片的設定，有的用于指示芯片的工作狀態(tài)。從圖2.3可看到，電流

24、信號經(jīng)放大AD轉(zhuǎn)換后，經(jīng)數(shù)字高通濾波器處理(可選功能)，如電流信號采集用的是di/dt傳感器，還需經(jīng)積分器對其進行積分。才得到可用于電流有效值和電能計算的電流數(shù)據(jù)；電壓信號經(jīng)放大A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)相位校正(根據(jù)電流、電壓之間相位的實際失調(diào)情況進行校正設置)處理．才得到可用于電壓有效值和電能計算的電壓數(shù)據(jù)。電流數(shù)據(jù)與電壓數(shù)據(jù)相乘并進行低通濾波,再累計。并用APOS寄存器中的設定值進行有功失調(diào)校正．再用WGAIN寄存器中的設定值進行有功誤差校

25、正，即得到滿足精度要求的有功電能值。該值經(jīng)CFNUM寄存器和CFDEN寄存器的值進行乘除處理后，送出與表計電脈沖常數(shù)相對應、與實際電功率成比例的電脈沖信號。電流數(shù)據(jù)經(jīng)移相90【2】。后與電壓數(shù)據(jù)相乘得到無功電能數(shù)據(jù)。ADE7753芯片本身對該數(shù)據(jù)既不進行失調(diào)校正，也不進行誤差校正。CPU讀出該值后。需進行校正計算，才可得到與實際相符</p><p>　　圖2.3ADE7753內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p>&l

26、t;p><b>　　2.3基本設計方案</b></p><p>　　電流采樣電路從成本、體積、磁飽和程度方面考慮選用錳銅合金分流電阻采樣，采樣后的微弱交流小信號送到ADE7753電流差分輸入端口；電壓采樣電路采用簡單的電阻分壓網(wǎng)絡，電壓信號送到ADE7753電壓差分輸入端口【4】。集成電能計量芯片ADE7753是ADI最新一款功能先進的數(shù)字電度表芯片，這是一種帶串行接口和脈沖輸出的高精

27、度有功和視在能量計量的集成電路。它集成了二階∑△ADCs、一個數(shù)字積分器(在CH1上)、一個參考電壓源，一個溫度傳感器，能對電壓、電流有效值(RMS)計算，有功、無功和視在能量進行測量，在1000：1的動態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.1%。采樣信號通過ADE7753專用的電流、電壓輸入引腳輸入后進行處理運算并把計算結(jié)果自動保存在ADE7753自帶的相應寄存器當中。然后MCU通過SPI同步串行接口讀取ADE7753內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)進行顯示處理【5】

28、。由于ADE7753是一個模數(shù)混合的集成電路，所以在電源的設計上要盡量避免干擾，因此電源電路分為兩部分：一部用于ADE7753計量電路電源，一部分用于MCU電源。MCU選用廉價40引腳不帶A/D的51單片機AT89S51。此MCU不帶硬件S</p><p>　　整個方案由軟硬件結(jié)合完成。主要分為電流、電壓采樣模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、電參數(shù)顯示模塊、數(shù)據(jù)保存模塊。首先接入線路后，通過分壓、分流電阻或電流、電壓互感器對

29、信號進行采樣，經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換、乘法、積分等處理得出上面顯示參數(shù)所需的數(shù)據(jù)，再由MCU送顯示模塊并定時保存累計電量及累計工作時間，以防止掉電數(shù)據(jù)丟失【6】。對于ADC指標首先需要了解其精度需求，若本設計定義在整個量程范圍要達到1%的測量精度，而測量范圍為1-16A，那么必須能夠分辨最小10mA的電流信號，但是在輸入電流達到16A時，為了保證ADC不進入飽和狀態(tài)，電流比須高達1600:1。這樣ADC的位數(shù)不能低于11位。對于采樣速率指標

30、，根據(jù)奈奎斯特定理，采集最高60Hz的正弦波信號時，120Hz的采樣率既可滿足要求。目前集成ADC模塊的采樣速率則完全能夠勝任。</p><p><b>　　3 硬件設計</b></p><p>　　本系統(tǒng)整個設計電路分為電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、計量模塊、MCU顯示及數(shù)據(jù)存儲模塊。電流采樣電路從成本、體積、磁飽和程度方面考慮選用錳銅合金分流電阻采樣，采樣后的微弱交流

31、小信號送到ADE7753電流差分輸入端口；電壓采樣電路采用簡單的電阻分壓網(wǎng)絡，電壓信號送到ADE7753電壓差分輸入端口。集成電能計量芯片ADE7753是ADI最新一款功能先進的數(shù)字電度表芯片，這是一種帶串行接口和脈沖輸出的高精度有功和視在能量計量的集成電路。它集成了二階∑△ADCs、一個數(shù)字積分器(在CH1上)、一個參考電壓源，一個溫度傳感器，能對電壓、電流有效值(RMS)計算，有功、無功和視在能量進行測量，在1000：1的動態(tài)范圍內(nèi)

32、誤差小于0.1%【7】。采樣信號通過ADE7753專用的電流、電壓輸入引腳輸入后進行處理運算并把計算結(jié)果自動保存在ADE7753自帶的相應寄存器當中。然后MCU通過SPI同步串行接口讀取ADE7753內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)進行顯示處理【8】。由于ADE7753是一個模數(shù)混合的集成電路，所以在電源的設計上要盡量避免干擾，因此電源電路分為兩部分：一部用于ADE7753計量電路電源，一部分用于MCU電</p><p>　　3

33、.1 硬件電路系統(tǒng)</p><p><b>　　3.1.1電源電路</b></p><p>　　電源電路為整個系統(tǒng)的運行提供電源能量，所以要保證原理正確的前提下考慮電源的容量并保證一定的容量。</p><p>　　如圖3.1電源電路所示，則通過C1可以提供給整個電路的電流大概為：,ADE7755工作時的典型消耗電流為5mA.所以整個電路工作所

34、需容量是足夠的。</p><p>　　圖3.1 電源電路圖</p><p><b>　　3.1.2計量電路</b></p><p>　　計量電路部分主要是針對ADE7753計量芯片的電路設計，主要包括：抗混濾波器的設計、電壓通道電路設計、電流通道電路設計和其它電路部分設計。</p><p>　　圖3.2電流采樣電路圖&

35、lt;/p><p>　　圖3.2為電流采樣電路，主要是由低阻值分流電阻器把電流信號轉(zhuǎn)換成ADE7753可以接受范圍的交流電壓信號，包括了信號采樣和抗混濾波器的設計。ADE7753電流輸入通道所能接受的最大差分電壓信號范圍是±1V，然而根據(jù)GB/T 17215-2002（《1級和2級靜止式交流有功電能表》）或ICE1036-2000的規(guī)定，整機的功耗不能超過2W，所以在這里選擇阻值為R10=7mΩ，換算成電壓

36、信號最大為：，這里1.414是√2，16是額定電流，相乘為峰值。分流器的最大功耗為：,ADE7755典型功耗為25mW,所以幅度、功耗可以符合要求。</p><p>　　ADE7753使用的晶振為規(guī)定的3.579545MHz,ADC采樣頻率為3.579545/4=894kHz，然而需要注意的是所有的ADC信號采集系統(tǒng)都存在混疊效應，圖3.3對這種效應做了說明。</p><p>　　圖3.3

37、混疊效應示意圖</p><p>　　混疊效應是指高于1/2采樣頻率（也稱作奈奎斯特頻率，即447kHz）的頻率分量鏡像或折疊到低于447kHz區(qū)。從示意圖中可以看出只有接近采樣頻率（即894kHz）的那些頻率才會進入計量有用的頻帶（40～2kHz），所以我們可以用極其簡單的低通濾波器來衰減那些高頻分量，從而防止在有用頻帶內(nèi)的失真。電路中用R3/C3、R4/C4組成一階低通濾波器，它可以在894kHz處產(chǎn)生約40d

38、B的衰減，這個衰減足以消除混疊的影響。</p><p>　　圖3.4為電壓采樣電路，分壓網(wǎng)絡由R8、R9、R10、R11組成，按VRMS=230VAC計算，則最大輸入電壓信號幅度為，也在范圍之內(nèi)，其它的濾波電路跟電流通道完全一致。</p><p>　　圖3.4 電壓采樣電路</p><p>　　圖3.5所示為ADE7753其它部分的電路，這部分主要是ADE7753

39、芯片部分，電能信號采集后的運算、處理都在芯片內(nèi)進行。需要說明的是ADE7753本身屬于模數(shù)混合的集成電路，所以從嚴格意義上講它的模擬地與數(shù)字地應該隔離開來，故本電路中模擬與數(shù)字分開接地。ADE7753電路通過V1P、V1N和V2P、V2N引腳將采樣的電流和電壓模擬信號數(shù)字化，電流通道中高通濾波器(HPF)濾掉了輸人信號中的直流成分，通過數(shù)字積分器還原成電流信號。電壓信號送入電壓通道，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換和相位校正后與調(diào)理過的電流信號相乘即可得到

40、視在功率。電壓和電流的有效值相乘獲得有功功率。有功功率信號通過數(shù)/頻轉(zhuǎn)換由脈沖CF腳輸出，同時與電壓信號、電流信號、視在功率信號一起送入ADE7753的寄存器，與串行接口經(jīng)DOUT腳輸出并連接到AT89S51的I/O口。</p><p>　　圖3.5 ADE7753其它部分電路圖</p><p>　　3.1.3 掉電檢測電路</p><p>　　為了防止突然斷電對當

41、前電量等參數(shù)造成丟失的現(xiàn)象，特別設計了掉電檢測電路。如圖3.6所示在電源的前端12V電壓點處由R11、R12所構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡，正常情況下PWCHK的電壓為5V，如果一掉電PWCHK的電壓迅速降為低電平，但由于電源后級電路中存在大容量濾波電容，MCU的電源不會馬上降下來。此時MCU會產(chǎn)生掉電中斷信號并在中斷處理時及時保存當前數(shù)據(jù)信息。</p><p>　　圖3.6 掉電電路</p><p>

42、;　　3.1.4 MCU及其它相關電路</p><p>　　這里選用AT89S51單片機，主要是其價格低廉、抗干擾能力強、I/O口線多可以直接軟件驅(qū)動LCD顯示，為了節(jié)省I/0口，EEPROM和ADE7753分時共用AT89S51的I/O口模擬SPI總線接口。INT0口與ADE7753的IRQ相連，ZERO（P1.7）也就是周波過零中斷信號，與ADE7753的ZX相連。顯示模塊使用字符型LCD，型號HD4478

43、0，通過單片機AT89S51來控制時序，AT89S51的INT1口控制LCD的RS寄存器選擇INT0口控制R/W讀寫選擇，T1控制E使能信號，顯示比較清晰直觀，價格低廉。見圖3.7。</p><p>　　圖3.7 MCU相關電路圖</p><p>　　3.2 硬件電路特點</p><p>　　用ADE7753設計的成品電路具有計量精度高、電量及時間掉電保存、模數(shù)

44、電源/地分開抗干擾能力強、軟件結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)周期短的優(yōu)點，同時也具有成本相對較高的缺點。</p><p>　　3.3 系統(tǒng)誤差分析與校正</p><p>　　根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)框圖分為通道采樣誤差、通道失調(diào)誤差、相位誤差、功率測量誤差，相對應的就有通道采樣校正、通道失調(diào)校正、相位校準、功率校準。以下對各誤差點分別予以說明：</p><p>　　通道采樣誤差：主要為電壓、電

45、流采樣電路的誤差。電壓采樣可選取精度為1%的貼片電阻，為了減小由電阻的離散度、溫度影響所帶來的電阻阻值的偏移，可以用電阻調(diào)整網(wǎng)絡把電壓采樣精度控制在1%以內(nèi)【9】。電流采樣可選取精度為±5%（單價大概0.6元）或±1%（單價大概1.5元）的分流器，價格相差約為2.5倍。</p><p>　　通道失調(diào)誤差：用模擬輸入的直流失調(diào)電壓表示，指模擬輸入接AGND后，ADC的輸出折合到ADC模擬輸入端的

46、直流電壓值。由圖3.9可以看出通道1和通道2的失調(diào)經(jīng)放大后將產(chǎn)生直流分量，由于這些直流分量被LPF2提取以產(chǎn)生有功功率信息故失調(diào)將對有功功率計算帶來誤差，失調(diào)的大小取決于增益和所選定的輸入范圍。ADE7753可以對失調(diào)校正寄存器（分別為CH1OS和CH2OS）寫入來調(diào)節(jié)通道1和通道2的失調(diào)誤差。這兩個寄存器能消除±20mV～±50mV范圍（根據(jù)增益設置而定）的通道失調(diào)，然而當HPF1接通時在電能測量過程中無需進行失調(diào)

47、校正。所以可以通過啟動通道1中的HPF1（工作方式寄存器MODE[15：0]的位0置0）使通道失調(diào)誤差幾乎減小為0。</p><p>　　圖3.8通道失調(diào)對有功功率計算的影響</p><p>　　相位誤差：通道1內(nèi)的HPF（高通濾波器）使相位超前，為了補償這兩個相位差并使兩個通道間的相位均衡，在通道1內(nèi)還置有一個相位校正網(wǎng)絡。該相位校正網(wǎng)絡確保相位匹配誤差在45Hz～65Hz范圍內(nèi)為

48、77;0.1°，ADE7753盡管從內(nèi)部做了相位補償?shù)饨觽鞲衅鲿r還會帶來固有的相位誤差【10】。例如本設計中所使用的分流器可能含有10nH的感性成分，因此會帶來大約0.1°～0.2°的相位誤差。ADE7753提供了對這些微小的相位誤差進行數(shù)字校準的方法，它能將一個小的時間延遲或超前引入信號處理鏈路以便對小的相位誤差進行補償。相位校準寄存器（PHCAL[5：0]）是一種帶符號位的二進制補碼6位寄存器，它以

49、OX0D為中心點，所以寫入0X0D將產(chǎn)生0時間延遲。改變寄存器的內(nèi)容將使通道2信號路徑中的時延從-102.12US變化到+39.96US（CLKIN=3.579545MHZ）。一個LSB相當于2.22US，在線電壓頻率為50Hz的情況下，將給出0.040°的相位分辨率（即）。圖3.10說明了如何利用相位補償來消除通道1中由外部分流器引起的0.040°相位超前【11】。為了抵消通道1中的這種相位超前，還</p&g

50、t;<p><b>　　圖3.9相位校準</b></p><p>　　功率失調(diào)誤差：指的是由于PCB板上或集成電路本身通道之間的串擾可能會在功率計算中產(chǎn)生失調(diào)。為此ADE7753配備了一個有功功率失調(diào)寄存器（AP0S[15：0]），這是一個帶符號位的二進制補碼16位寄存器，它可用來消除有功功率計算中的失調(diào)誤差（如圖3.11）。寫入有功功率失調(diào)寄存器中的256個LSBs（APOS

51、=0X0100）等效于波形取樣寄存器中的1個LSB。假定通道1和2上的輸入均處于滿度時，從LPF2貯存到波形寄存器中的平均值輸出是0XCCCCD（838861d）。當通道1下降到-60dB時（滿度輸入的1/1000），則來自LPF2的平均值輸出是838.861（83861/1000）。波形寄存器中的1LSB有1/838.861×100%=0.119%平均值的測量誤差。有功功率失調(diào)寄存器具有等于波形寄存器的1/256LSB的分辨

52、率，因此在-60dB處功率失調(diào)校正分辨率為0.00047%/LSB（0.119%/256）。</p><p>　　圖3.10功率失調(diào)校正</p><p>　　由以上誤差分析可知整個系統(tǒng)的主要誤差來源是電壓、電流采樣誤差和ADE7753本身固有的測量誤差，若按分流器±5%、分壓電阻±1%、測量誤差1‰計算，經(jīng)均方根后的總體視在誤差為5%；若按分流器±1%、分壓電

53、阻±1%、測量誤差1‰計算，經(jīng)均方根后的總體視在誤差為1%。</p><p><b>　　4軟件設計</b></p><p>　　軟件系統(tǒng)主要完成的是ADE7753各存儲器的初始化設置、計量參數(shù)讀取、計量參數(shù)轉(zhuǎn)換、LCD驅(qū)動顯示、數(shù)據(jù)存儲及其它附屬模塊的功能。</p><p>　　4.1總體程序流程圖</p><p

54、>　　圖4.1為主程序流程圖，說明了整個軟件設計的基本思路，主要完成對ADE7753的通信、按鍵檢測及周波數(shù)據(jù)處理模塊的處理。</p><p>　　圖4.1 主程序流程圖</p><p>　　由圖4.1所示，在接通電源后。ADE7753和MCU的寄存器及輸入、輸出接口初始化，這里的ADE7753寄存器包括：有功電能寄存器，工作模式寄存器，增益寄存器，CF分頻寄存器，通道1和2電流有效

55、值寄存器，線電壓周期寄存器等，初始化有INT0中斷，T0中斷，INT1中斷，T1中斷，串口中斷，中斷允許寄存器初始化并且I/O口全部設為輸入及工作模式寄存器等，EEPROM通電，進行數(shù)據(jù)存貯。然后讀取定義的ADE7753的寄存器地址，進行電壓、電流、頻率等數(shù)據(jù)進行計算處理。在經(jīng)過ADE7753的數(shù)據(jù)處理后通過SPI同步竄行接口，將數(shù)據(jù)交給MCU進行顯示的處理。然后看是否有按鍵，如果有，就返回ADE7753進行相對的數(shù)據(jù)處理，再到LCD上

56、顯示。如果沒有就進行周波的處理，周波是交流電完成一次完整的變化(即一個正弦波形)叫一個周波，在這里我們看看有沒有刷新標志，有就返回到ADE7753，進行數(shù)據(jù)刷新，然后通過LCD顯示，沒有就結(jié)束。</p><p>　　4.2 周波處理子程序流程圖 </p><p>　　圖4.2是周波數(shù)據(jù)處理模塊流程，它對周期數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，即與前幾次所測的數(shù)據(jù)進行求和平均，最后得出最近幾次測量數(shù)據(jù)的平均

57、數(shù)，在倒數(shù)運算求出電源頻率。</p><p>　　圖4.2 周波處理子程序流程圖 </p><p>　　由圖4.2所示，在子程序中，開始后先清周波刷新標志，再進行數(shù)字濾波，然后與前幾次的數(shù)據(jù)進行求和平均，算出周波。而每一秒鐘交流電變化的周波數(shù)稱為頻率，也就是周波的倒數(shù)，這樣就可以求出頻率。</p><p><b>　　4.3 中斷</b>&

58、lt;/p><p>　　中斷模塊包括周波過零中斷和掉電中斷，如圖4.3和圖4.4所示。圖4.3中描述的是周波過零中斷，它是利用交流電完成一次完整的變化來產(chǎn)生中斷，在判斷是否為測量前沿后。是就RTCC進行計時，然后返回。不是就清標志，讀取RTCC已經(jīng)計時的值。圖4.4中描述的是掉電中斷，它是利用掉電檢測信號產(chǎn)生中斷，而利用大電容放電時間來實現(xiàn)數(shù)據(jù)保存的。所以必須要在電容上的電壓從VCC降至MCU最低允許工作電壓之前完成

59、數(shù)據(jù)保存，那么這就需要在掉電時MCU盡量減少功耗，在掉電中斷流程中可以看到MCU已經(jīng)關掉了所有外部中斷，目的就是減少MCU功耗，為數(shù)據(jù)保存贏得更多充裕的時間。</p><p>　　圖4.3周波中斷程序流程圖 圖4.4掉電中斷程序流程圖</p><p><b>　　4.4 LCD顯示</b></p><p>　　程序開始運

60、行后，要對液晶顯示進行初始化。初始化后清屏，為輸出數(shù)據(jù)做準備。然后數(shù)據(jù)通過顯示程序，在顯示屏上顯示數(shù)據(jù)。如果有按鍵的話，程序會進行相應處理。如此循環(huán)。</p><p>　　圖4.5 LCD顯示流程</p><p><b>　　4.5按鍵流程圖</b></p><p>　　圖4.6 按鍵流程圖</p><p>　　如圖4.

61、6所示，開始后，系統(tǒng)初始化，掃描按鍵程序，然后看是否有按鍵按下，如果沒有，就繼續(xù)掃描，，有的話就跳至相應的程序段進行處理。</p><p><b>　　5 制作與調(diào)試</b></p><p><b>　　5.1實物圖</b></p><p>　　家用電能計費裝置采用先進的低功耗固態(tài)集成電路技術和SMT及熱風回流焊工藝設計制

62、造。精度基本不受頻率、溫度、電壓、高次諧波的影響</p><p>　　圖5.1實物圖一 圖5.2實物圖二</p><p>　　技術參數(shù)：正常工作電壓：0.9Un～1.1Un（Un=230V）</p><p>　　極限工作電壓：0.7Un～1.2Un</p><p><b>　　工作電流：≤16A&l

63、t;/b></p><p>　　工作額定頻率：50Hz</p><p>　　正常工作溫度：-20℃～50℃</p><p>　　存儲和運輸溫度：-40℃～70℃</p><p>　　存儲和工作濕度：≤85%</p><p><b>　　測量精度：</b></p><p&g

64、t;<b>　　5.2電壓</b></p><p><b>　　圖5.3電壓</b></p><p>　　由圖5.3可以看出，測得的電壓是230V左右，和普通的電壓表測得的電壓基本一致。</p><p><b>　　5.3電流</b></p><p><b>　　圖5

65、.4電流</b></p><p>　　由圖5.4可以看出測得的電壓是0A，這是因為沒有電器插座插入的原因。</p><p><b>　　5.4頻率</b></p><p><b>　　圖5.5頻率</b></p><p>　　由圖5.5可以看出測得的頻率是50HZ，和交流電的頻率是一致的

66、</p><p><b>　　5.5功率</b></p><p><b>　　圖5.6功率</b></p><p>　　由圖5.6可以看出測得的有功功率是0W,因為沒有用電器，所以沒有電流，功率為0W。</p><p><b>　　5.6電量</b></p>&l

67、t;p><b>　　圖5.7電量</b></p><p>　　由圖5.7所示，已消耗電量2.55KWH。</p><p><b>　　5.7操作說明</b></p><p>　　按MENU鍵，會進入下一個菜單的顯示，每按一下?lián)Q一次參數(shù)顯示，所有的參數(shù)顯示完畢后再返回重復剛才的輪回顯示。參數(shù)依次顯示電壓，電流，頻率，功

68、率，電能等。上面幾個參數(shù)顯示如圖5.2～圖5.6所示。</p><p><b>　　6　結(jié)論</b></p><p>　　本方案按照任務書的要求進行了設計。方案重點在于ADE7753的PGA（程控增益放大器）和ADC（模數(shù)自動轉(zhuǎn)換模塊）的增益設置、ADE7753 SPI接口通信時序規(guī)范、讀取數(shù)據(jù)的比例轉(zhuǎn)換、LCD顯示接口的軟件驅(qū)動。所以基本上都集中在ADE7753這款

69、電能計量芯片上，因此詳細了解ADE7753的工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)是做好上述重點問題的基礎。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　值此文論付梓之際，首先向?qū)煴硎局孕牡母兄x和崇高的敬意。本論文是在導師方老師的悉心指導和熱情關懷下完成的。導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和務實的工作作風令我敬佩至深，受益匪淺。</p><p><

70、b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 孔建云，鐘銳，蔡娟，基于ADE7753的高精度多功能電能計量系統(tǒng)[J]．電子技術應用，2009，35(1)：78—79．</p><p>　　[2] 李宏偉,基于GPRS的智能家用多功能安全監(jiān)控系統(tǒng)[J]．儀表技術</p><p>　　[3] 范巧成主編．測量不確定度評定的簡化方法與應用實例

71、[M]．中國電力出版社．</p><p>　　[4] 陳亞科.基于ADE7753和MSP430單片機電能表的設計[J].自動化儀表.2011</p><p>　　[5] 吳安嵐. 電能計量基礎及新技術[M]. 中國水利水電出版社,2006.</p><p>　　[6] 潘長東;陶永法;張迎春IC卡式多用戶電能表的現(xiàn)狀分析與改進IJ][J]-電測與儀表 2006

72、(01)3.AN559.PDF 1996</p><p>　　[7] 許明圣;錢政;羅承沐電子式互感器中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]-高電壓技術 2003(03)</p><p>　　[8] 趙文斌. 基于ADE7753的單相多功能電能表設計[J]. 電測與儀表, 2007</p><p>　　[9] D. Ramirez Munoz；D. Moro Per

73、ez；J. Sanchez Moreno；S. Casans Berga；E. Castro Montero. Design and experimental verification of a smart sensor to measure the energy and power consumption in a one-phase AC line[J]Measurement 2009, 42(3)</p>

74、<p>　　[10] V. I. Lachkov. New instrument for commercial metering of heat carriers and heat energy [J] Measurement technology, 1996,10：1142～1145 .</p><p>　　[11] A. K. KarpovichO. N. Ust'yantseva .M

75、etrological Aspects of Improving the Accuracy in Heat Energy Metering [J] . Measurement technology，2003,2：; 191～197</p><p><b>　　附錄 硬件總原理圖</b></p><p>　　附錄 應用程序源代碼</p><p>

76、;　　#include<ADE7753.h></p><p>　　#include<stdio.h></p><p>　　#include<reg52.h></p><p>　　sbit IRQ = P1^4;</p><p>　　sbit CS = P1^7;</p><p>

77、;　　sbit CLK = P1^6;</p><p>　　sbit DIN = P2^0;</p><p>　　sbit DOUT = P1^9;</p><p>　　/*****************************************************</p><p><b>　　串口初始化</b

78、></p><p>　　*******************************************/</p><p>　　void Init_RS232()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　ES = 0;</b></p><p

79、>　　TMOD = 0x20;//</p><p>　　SCON = 0x50;</p><p>　　TH1 = 0xfd;</p><p>　　TL1 = 0xfd;//9600</p><p><b>　　RI = 0;</b></p><p><b>　　TI = 0;<

80、;/b></p><p><b>　　TR1 =1;</b></p><p><b>　　EA = 1;</b></p><p><b>　　ES = 1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　

81、/******************************************************</p><p>　　功能：從ADE7753中讀取數(shù)據(jù) 返回值為 8位無符號型</p><p>　　********************************************************/</p><p>　　unsigned c

82、har shift_out()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned char out_i=0,data_out=0;</p><p><b>　　DOUT = 0;</b></p><p><b>　　CLK = 0;</b><

83、/p><p>　　for(out_i=0;out_i<8;out_i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　CLK = 1; //上升沿移出數(shù)據(jù)</p><p><b>　　_nop_();</b></p><p>　　data_out<

84、<=1;//</p><p>　　if(DOUT == 1)</p><p>　　data_out |= 0x01;</p><p><b>　　else </b></p><p>　　data_out &= 0xfe;</p><p><b>　　_nop_();<

85、/b></p><p><b>　　CLK = 0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　return data_out;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/***************

86、**************************************************</p><p>　　電壓有效值（RMS）測量</p><p>　　ADC 部分的參考電壓為2.385V </p><p>　　*****************************************************************/

87、</p><p>　　unsigned long M_Volt_Init(unsigned char PH_X)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned long Vrms = 0;</p><p>　　unsigned int Voffset = 0;</p><

88、;p>　　unsigned char flag = 0;</p><p>　　unsigned int tee = 0;</p><p><b>　　CS = 0;</b></p><p>　　// 操作寄存器配置</p><p>　　//shift_in(OPMODE&0xff);</p>

89、;<p>　　//shift_in(0x03);//有功，無功對應管腳輸出計數(shù)脈沖</p><p>　　//設置可編程增益寄存器 這個放大器位于輸入端</p><p>　　shift_in(GAIN|0x80);delay(5);</p><p>　　shift_in(0x20);delay(5);//input*2->ADC Block

90、</p><p>　　//0x00：input*1 0x20：input*2 0x40：input*4 for voltage channel</p><p>　　//A相有效值測量增益寄存器設置 該寄存器為12位</p><p>　　shift_in((AVRMSGAIN+PH_X)|0x80);delay(10);</p><p>

91、;　　shift_in(0x07);delay(10);</p><p>　　shift_in(0xff);delay(5); //ADC_OUTPUT = input*1.5 */</p><p><b>　　/* */</b></p><p>　　shift_in(AVRMSGAIN+PH_X);delay(5);</p>

92、<p>　　tee = shift_out();delay(5);</p><p>　　tee <<=8; </p><p>　　tee |= shift_out();delay(10); </p><p>　　shift_in(0x0d+PH_X);delay(5);</p><p>　　Vrms =

93、 (unsigned long)shift_out();delay(5);</p><p>　　Vrms <<=8;</p><p>　　Vrms |= (unsigned long)shift_out();delay(5);</p><p>　　Vrms <<=8;</p><p>　　Vrms |= (unsign

94、ed long)shift_out();delay(5);</p><p>　　//讀取校正寄存器的值對電壓RMS校正 注意這個校正結(jié)果是個有符號數(shù)</p><p>　　shift_in(AVRMSOS+PH_X);delay(5);</p><p>　　Voffset = (unsigned int)shift_out();delay(5);</p>

95、<p>　　Voffset <<= 8;</p><p>　　Voffset |= (unsigned int)shift_out();delay(5);</p><p>　　if(Voffset&0x0800)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Voffset

96、 &= 0x07ff;//消去符號位的影響</p><p>　　Vrms -= (unsigned long)Voffset*64;</p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　else</b></p><p>　　Vrms += (unsigned long)Vo

97、ffset*64; </p><p>　　Vrms /= 3;</p><p><b>　　CS = 1;</b></p><p>　　return Vrms;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/**************************

98、******************************</p><p>　　/********************************************************</p><p>　　電流有效值（CRMS）測量</p><p>　　**************************************************

99、*******/</p><p>　　unsigned long M_Cur_Init(unsigned char PH_X)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned long Crms;</p><p>　　unsigned int Coffset = 0;</p>

100、<p>　　unsigned char flag = 0;</p><p><b>　　CS = 0;</b></p><p>　　//設置可編程增益寄存器 這個放大器位于輸入端</p><p>　　shift_in(GAIN|0x80);delay(10);</p><p>　　shift_in(0x8

101、0);delay(10);//input*1->ADC Block 0.5V input gain = 1</p><p><b>　　//</b></p><p>　　shift_in((AIGAIN+PH_X)|0x80);delay(10);</p><p>　　shift_in(0x07);delay(10);</p>

102、;<p>　　shift_in(0xFF);delay(10);//ADC_OUTPUT*1.5</p><p><b>　　//讀取電流有效值</b></p><p>　　shift_in(AIRMS+PH_X);delay(10);</p><p>　　Crms = (unsigned long)shift_out();d

103、elay(10);</p><p>　　Crms <<= 8;</p><p>　　Crms |= (unsigned long)shift_out();delay(10);</p><p>　　Crms <<= 8;</p><p>　　Crms |= (unsigned long)shift_out();delay

104、(10);</p><p>　　Crms /= 15;</p><p>　　Crms *= 10;</p><p><b>　　CS = 1;</b></p><p>　　return Crms;</p><p><b>　　}</b></p><p>

105、;　　/*****************************************************</p><p><b>　　頻率測量</b></p><p>　　*********************************************************/</p><p>　　unsigned int

106、M_freq(void)</p><p>　　{ unsigned int m_freq=0;</p><p>　　//unsigned char ee3=0;</p><p><b>　　CS = 0;</b></p><p>　　//先寫測量寄存器 確定用哪一相電壓作為基準</p><p&g

107、t;　　shift_in(MMODE|0x80);</p><p>　　delay(10);</p><p>　　shift_in(0x02); delay(10); //0x00 Phase A 0x01 Phase B 0x02 Phase C </p><p><b>　　/*測試</b></p><p&g

108、t;　　shift_in(LCYCMODE);delay(10);</p><p>　　ee3 = shift_out();delay(10);*/</p><p>　　// 再寫測量項目寄存器</p><p>　　shift_in(LCYCMODE|0x80);delay(10);</p><p>　　shift_in(0x80);de

109、lay(10);// 0x80 測周期 0x00 測頻率</p><p><b>　　//讀取頻率值</b></p><p>　　shift_in(FREQ);</p><p>　　delay(10); </p><p>　　m_freq = (unsigned int)shift_out();//</p>

110、<p>　　m_freq <<=8;</p><p>　　m_freq = m_freq+(unsigned int)shift_out(); //</p><p><b>　　CS = 1;</b></p><p>　　return m_freq;</p><p><b>　　}&