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
2、路原理图 .3211 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
3、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。1.1.2、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
4、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2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
5、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
6、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
7、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；(4).测量方式：不拆线不断电；3(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。计量专用芯片电流电压显示器S T C单片机键盘P C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
8、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，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
9、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4计算出功率。便于对钳形互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
10、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
11、 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、68000 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 STC12
12、LE5A60S2 可以满足设计要求。3.1.2 STC 系列单片机 STC12LE5A60S2 的简介5STC12LE5A60S2 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。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
13、）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 20mA，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
14、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
15、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, 6T1/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)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
16、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,LQ
17、FP-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11.0592MHz 晶体，以方便和 PC 编程和采集测量数据。复位采用片内复位电路，外接一个 1K 下拉电阻。单片机外围电路如图 3.17图 3.1 单片机 STC12LE5A60S2 外围电路设计图3.2 电流互感器的选择与连接
18、3.2.1 电流互感器的选择在测量中，一般规定它的二次绕组的额定电流为5A。其主要特点是：它的一次绕组的匝数比二次绕组少得多，并且串于一次电路中。有些电流互感器仅有铁芯和二次绕组，测量时将被测电路的导线直接穿过铁芯。这些电流互感器称为穿心式互感器。一次绕组中的电流几完全取决于一次电路中的负载电流，而与二次侧无关。电流互感器有固定式与钳形供电互感器几种。在供电电路中接入固定式的电流互感器，其优点是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，但需要停电穿线，不便于现场检测。若采用钳形互感器，则现场不用停电接线，避免了现场检测需要停电接线的麻烦。考虑到方便检测这一
19、要求，可选择钳形电流互感器。本设计中，采用淄博元星电子有限公司()生产的 CTC0080N 钳形电流互感器，外型如图 3.6 所示。8图 3.2 CTC0080N 钳形电流互感器3.2.2 电流互感器主要参数1) 一次电流: 1-50A；2) 匝比: 1:1000，1:2000，1:2500；3) 等级: 0.1 级；4) 负载: 50。5) 频率: 50-400Hz3.3 电能计量芯片的选择CS5490是Cirrus Logic公司()新近推出的带有RS232接口的单相双通道电能计量芯片。3.3.1 CS5490芯片有如下功能特点(1) 在4000:1动态范围内，有功和无功电能的测量精度都为
20、0.1%。(2) 具有两个独立通道24位-的AD转换器，可精确测量瞬时电压、电流、功率以及电压、电流有效值。(3) 计算视在、有功和无功功率，基波有功、谐波功率和功率因数。(4) 具有瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电流有效值、电压有效值、功率有效值测量及电能计量功能；(5) 具有片内看门狗定时器（Watch Dog Timer）与内部电源监视器；(6) 提供了外部复位引脚；(7) 带有温度传感器；(8) RS232串行接口与内部寄存器阵列可以方便地与单片机相连接；(9) 低能耗13mW。(10) 具有功率方向输出指示。(11) 极高的信噪比和超低的噪声。(12) 简单的2线RS232串行接口。
21、3.3.2 基本结构与技术指标(1) 内部结构CS5490 内部集成了两个-A/D 转换器、高、低通数字滤波器、能量计算单元、串行接口、数字-频率转换器、寄存器阵列和看门狗定时器等模拟、数字信号处理单元。9CS5463 的内部结构框图如图 3.3 所示，图 3.3 CS5490 芯片结构框图它由 2 个放大器、2 个 -调制器、配套的高速滤波器、功率计算引擎、偏置和增益校正、功率监测、串行接口及相应功能寄存器等组成。2 个可编程放大器采集电压和电流数据，-调制器对模拟量采样处理，高速数字低通或可选的高通滤波器滤取可用电压电流数字信号，功率计算引擎计算各类型的功率、电压、电流，并将计算的功率值通过 RS232 接口对外输出，也可以接微控制器。该电路还有可编程数字输出信号。(2) 引脚排列及功能CS5490 的引脚排列如图 3.4 所示。图 3.4 CS5490 芯片引脚排列图XOUT（Pin 1）：晶体振荡器输出；XIN（Pin 2）：晶体振荡器输入。 RESET（Pin 3）：复位输入；IIN-（Pin 4）：差分电流负输入端；
