AD7755在电表有功电能测量中的应用

第一章绪论 ........................................................... 1 第二章电能测量理论基础 ........................................... 2 2.1电能测量原理 .................................................. 2 2.1.1 模拟输入 ....................................................... 3 2.1.2 电源监控电路 ................................................... 4 2.1.3数/频转换 ........................................................ 4 2.1.4传输函数 ........................................................ 5 2.2

AD7755与微控制器的接口 ...................................... 5

2.2.1 高通滤波和失调影响 ......................................... 5 第三章设计方案 ....................................................... 6 3.1设计方案介绍 ...................................................... 6 3.2方案的设定 ....................................................... 6 第四章硬件设计 ...................................................... 7 4.1 AD7755电路图及其功能介绍 ........................................ 7 4.1.1 AD7755中基电能测量分析 ..................................... 7 4.1.2 输入电路的设计 ............................................... 10 4.1.3 输出电路的设计 ............................................... 10 4.2 4.3 4.4 4.5

CPUfe路图 ................................................ 11 时间和电表读数显示电路 ....................................... 12 键盘部分电路图 ............................................... 14 串行接口及远程抄表电路图 ..................................... 15

4.5.1对芯片RS485进行介绍 .......................................... 15 4.5.2基本控制器的设计及功能 ........................................... 18 4.5.3通讯CPU的功能主要有 ........................................... 18 4.5.4 以下就是RS-485芯片的电路图 .................................... 20 4.6

时钟信号芯片简介及作用 ......................................... 21

4.6.1 DS12C887的作用和性能 ....................................... 21 4.6.2时钟信号芯片的内部结构和管脚图 ................................... 22

4.6.3管脚功能表 ....................................................... 23 464 DS12C887 应用

25

465硬件电路 ......................................................... 26 466软件设计 ......................................................... 27 4.6.7储存功能 ........................................................ 28 4.7.1 工作原理 ...................................................... 29 第五章软件流程图 .................................................... 30 5.1软件流程图叙述 ................................................... 5.2软件流程图 ....................................................... 结论 致谢 参考文献

30 31 第一章绪论

目前，许多国家的电力工业机制都在引入竞争机制、建立电力市场的电力体制改革， 目的在于更合理地配置资源，提高资源利用率，促进电力工业与社会、经济、环境的协 调发展。

在我国，随着改革的深入和电力市场供求状况的变化，现行的电力体制已难以适应 社会主义市场经济体制的要求。电力工业快速发展的同时，电力体制改革也逐步深入， 电力工业以“公司制改组、商业化运营、法制化管理”为改革目标的基本取向。电力工 业管理体制由计划经济向市场经济转变。政府宏观调控、企业自主经营、行业协会提供 服务，适应市场经济要求和电力生产特点的新型电力工业管理体制正在逐步建立。

电力市场的引入迫使各电力企业的经营管理，相关的政策、法规以及技术支持必须 进行相关调整，以适应我国电力市场的需要。

为了促进电力销售，一些供电企业开始探索市场经济条件下供电企业的工作模式， 不断转变思想，按市场经济规律的要求加强电力调度和检修工作，加快城乡电网的建设 和改造，提高服务水平。电力企业的这种促销行为，在客观上加快了其进入电力市场的 步伐。

近年来，由于城乡电网改造，一户一表政策、国家西电东送等跨世纪工程的实施， 巨大的经济利润促使电能表生产企业数量剧增。一位业内人士告诉记者，电能表生产企 业由两网改造之前的400多家，剧增至两网改造时的1200多家，两网改造后又回落至 600多家。目前，我国对电能表的年需求量稳定在 8000万〜9000万台，而生产能力已 达到年产2亿台，产能严重过剩，今后市场的格局基本上是供大于求。

电子式产品的过渡自20世纪90年代即有所迹象，进入21世纪之后则近乎势不可挡。 而电子表相较于机械表的突出优点，更成为产品转型的源动力。电子表具有的实时计费 功能，多参数测量谐波电能计量，可以自动进行断电检测，可以自动读表、并通过

GPRS

系统、以太网等通信网络将读表结果发送到接收端，以及高精度、高稳定性、高可靠性 等特点，为其替代传统的机械表打下了基础。而且，对于大规模制造工厂等工业用户而 言，只有电子式电能表才能帮助他们进一步降低成本、改进电能监控功能。不仅工业、 商业用表以多功能等电子表为主，在国内民用电能表的市场，电子表的市场占有率也已 从5年前的10%上升到40%，从普通功能型向多费率、多功能等科技型电能表方向过 渡。

由此可见本次设计是具有一定的社会价值。

第二章电能测量理论基础

P= PP

P1 = V 1 I1 (h“ h_ h)

2. 1电能测量原理

AD7755是把从电流通道和电压通道中进来的模拟信号， 各自送到一个16位的乞一△ 模/数转换器中进行模/数转换，转换后的数字信号经过处理后直接相乘得到瞬时功率信 号。瞬时功率是由瞬时有功功率和瞬时无功功率组成，为了得到有功功率分量（即直流 分量）要对瞬时功率信号进行低通滤波。

AD7755不但能正确计算正弦电压和正弦电流的有功功率，而且还能计算非正弦电压 和非电流的功率的有功功率。数学上已证明：当电压和电流波形是非正弦时，可以通过 傅立叶分解，而得到电压和电流的正弦谐波成分：

v(t) =Vo 2 ' Vh sin(hwt ah)

( 1)

h却

i (t) = Io ' Ih sin( hwt h)

h#0

式（i）中v（t）是瞬时电压，VO是电压平均值，vh是h次电压谐波的有效值，ak是 h次电压谐波的相位角。式（2）中i（t）是瞬时电流，IO是电流平均值，|h是h次电流谐

波的有效值， ，是h次电流谐波的相位角。根据理论分析，有功功率 P可以用电压和 电流的基波有功功率P1和谐波有功功率PH之和表示:

COS「1

(：

1 =「1 - 1 1)

(3)

QO

Ph 二 '

Vh Ih COS h

h 二0

(

4)

其中「是电压和电流的相位差

由式（4）可以看出，电压和电流的各次谐波都产生谐波有功功率。又因为 AD7755 对纯正弦波的功率因数和有功率的计算是精确的，而谐波是由一系列纯正弦波组成，所 以，AD7755从测量的机理上已经充分考虑了电网谐波的存在和影响因素。因此，利用 它制作的系统的测量精度和抗干扰能力将大大提高。

2. 1 .1模拟输入:

通道V1 （电流通道）

线路电流传感器的输出电压接到 AD7755的通道V1,该通道采用完全差动输入，VIP

为正输入端，VIN为负输入端。通道1的最大差动峰值电压应小于 470mV应当注意, 通道1有一个PGA其增益可由用户选择1, 2, 8或16。

VIP和VIN引脚的最大信号电平，最大差动电压 470mV由增益选择而定。在这两引 脚上的差动信号必须以一个共模端作为参考点，最大共模信号为 100mV其典型接线电 路如下图所示：

相AGKD*性线 弋7

图2—1通道VI的典型连接

通道V2 （电压通道）

线路电压传感器的输出接到 AD7755的通道V2,该通道的最大差动峰值电压为土

660mV

加在通道2上的差动电压信号必须以一个共模端作为参考点

（通常是AGND），最大

共模电压为（100mV）。然而，当共模电压为0V时能获得最好的测量结果。其典型接线 电路

如下图所示：

图2—2通道V2的典型连接电路

2. 1 . 2电源监控电路

AD7755片包含一个电源监控电路，连续对模拟电源（ AVDD ）进行监控。当电源电 压低于4V 土 5%时，AD7755将被复位。这对于确保上电和掉电时芯片的正确启动和正 常工作有用。电源监控电路被安排在延时和滤波环节中，这在最大程度上防止了由电源 噪声引发的错误。

如下图所示，电源监控电路的正常触发电平为 4V,触发电平的允许误差为土 5%为

保证芯片的正常工作应对电源去耦，使 AVDD的波动不超过5V ± 5%

2. 1. 3数/频转换

如前所述，低通滤波器(LPF)的数字输出中包括有功功率信息。然而由于 LPF不是理 想的滤波器，因此输出信号还包括有削弱了的线频率及其谐波成分 1,

由于瞬时功率计算的原因，主要谐波成分为线频率的两倍，即

上, LPF输出的瞬时有功功率信号仍包括了大量的瞬时功率信息，例如

COS(h(ot)，其中h:

2, 3……。lu。实际

COS(N t) o

此信号被送人数字频率转换器并经过积累，即可得到输出频率。信号的积累可以减 少瞬时有功功率信号中的任何非直流成分。另外，由于正弦信号的平均值为 AD7755产生的频率与平均有功功率成比例。

频率输出CF随着时间而变化的原因主要是瞬时有功功率信号中的

COS(20t)成分所

0,因此

致o CF输出的频率可以达到n和F2输出频率的2048 倍,这个高频输出是在数字转换为 频率时积累了很短的时间而产生的。积累时间很短意味着只包括很少的 COS(2D t)成分, 这就使得一些瞬时有功功率信号通过了数字频率转换器。这在实际应用中不成问题，因 为当CF用作校准时，频率将会通过频率计数器来平均，由此去掉波纹。

由于n和F2的输出频率很低，因此引入了很多的瞬时有功功率信号的平均值，所以 输出的是大大削弱了正弦成分的频率。

2. 1.4传输函数

P1和F2的频率输出

如前所述，P1和F2的频率输出是对有功功率信号较长时间的积累， 它与平均有功功

率成比例。输出频率与输入电压和电流信号的关系如下： Freq=（515.84V1msV2msF1-4）/V2ref

其中，Freq为F1和F2的输出频率，单位为Hz, Vims和V2rms是通道V1和V2的差 分电压信号输入（V），y对为参考电压（2.5V ± 8%） , F1-4是表2中由逻辑输入SO和S1 选择的四种可能的频率之一。 CF的频率输出

CF最大输出频率与F1、F2之间的关系。当逻辑输入 SCF为0,而S1和S0为1时， 其最大值为2. 867kHz。

2. 2 AD7755与微控制器的接口

AD7755与微控制器最简易的连接方式可利用 CP的高频输出来完成。连接时，可将 CF设置为最大输出频率（如图所示），并将CF连接至MCI计数器或接口，然后在 MCI内 部定时器规定的时间内计数脉冲，并取平均功率等于平均频率，同时，该值也等于计数 所得值与计数时间的比值。这样，此计数时间内所消耗的能量为平均功率与时间的乘积， 也就是说计数值/时间与时间乘积的计数值。

2. 2 .1高通滤波和失调影响

由上可知通道1和通道2的失调信号相乘后将产生一个直流分量。由于这个直流分 量要通过低通滤波器（LPF）产生有功功率，因此失调将对有功功率产生一个固定的误 差。为避免这个问题，只要把通道 1中的HPF设置成选通（即引脚 AC/DC置高电平） 就行了。至少一个通道的失调被消除后，相乘就不会产生直流误差分量。对于含有

cos

（wt）的误差项通过LPF和数字频率转换器消除。通道1的HPF与相位响应相关联， 但它在片内已得到补偿。当HPF设置为选通时，相位补偿自动起作用，当HPF无效时， 相位补偿也无效。

第三章设计方案

3. 1设计方案介绍

本次设计的题目是AD7755在电表有功电能测量中的应用。 能实现该项设计方案有很 多，其中包括以下几种方法：（1） 8031+AD7755+485+LED8采用单片机作为cpu控制芯 片，用模数转换器AD7755进行转换，用数码管进行显示）；（2） 8031+AD7755+485液晶 （显示部分是液晶）;（3） 8031+AD+485+LED8用 AD 作为乘法器）;（4） 8031+AD+485+ 液晶。就设计方案来说可以通过上面讲述的四种方法来实现

AD7755在电表有功电能测

量中的应用。各种设计方案的不同一个在与显示部分的不同，还有就是在进行电能和脉 冲交换的方法不同，在其他cpu控制处理方面，还有串行通路及远程控制方面都是一样 的。本次设计本人所才用的方法是 8031+AD7755+485+LED8T面就简要的介绍此种设计 的特点和优点。

3. 2方案的设定

本次设计通过AD7755进行电能与脉冲的转换，用中心控制器进行：码管显示的控制； 对时钟信号进行控制；对外部存储器进行控制；对远程控制系统进行控制。从而完成本 次设计的，框图的设计和构思是设计的初衷，为以后的设计定下了一个模式，以后的设 计就是围绕整体框图来实现设计的。

AD7755是用于功率测量或电能计量的专用集成电路，是目前电子式电度表的核心芯 片通过采样电阻（锰铜合金制成）获取的电流采样信号和电压采样信号在芯片内部实现 能量计量累加，并在内部实现 A/D转换，以脉冲方式输出给机械计度器及单片机数据处 理使用，本系统采用CF输出为3200 imp/kwh供单片机进行计量处理，电量采样板上另 一部分电路是磁保持继电器控制，磁保持继电器用于过断负载控制，采用正负脉冲信号 进行开关驱动。驱动电路可用晶体管电路，也可用专用集成芯片实现。

单片机数据采集处理板采用卡式结果插在母板上，巡回采集处理采样板的用电量数 据，并可实现对房间电源的通断控制。芯片采用 89S52单片机，内置看门狗电路，利用 P0 口进行地址编码，P1 口进行显示，数据存储，采样板的地址译码与继电器驱动等， 为保证掉电后数据不丢失，设置一个外部存储器，存储器采用总线结构芯片，可节省单 片机口线，简化电路结构及节约成本，利用 75LBC184芯片实现485通信接口。

本系统采用8位LED显示器通过联线安置于控制面板上，本系统采用三片

74HC595A

芯片实现8位串行输入，并行输出。使用时在串行时钟的控制下，可将显示位控码逐位 串行输入至三个芯片中，然后利用锁存信号实现并行输入，完成

8位数码管显示更新。

利用此显示方式仅占用单片机三根口线，极大节约单片机口线资源。采用串行数据输入， 显示速度相对比较慢，实现使用时显示效果稳定可靠。

采用此种设计的优点是比其他的设计电路更简单，在编写软件更容易实现，成本更 低，更适合市场适用与家庭用户

第四章硬件设计

4. 1 AD7755电路图及其功能介绍

4. 1. 1 AD7755 中基电能测量分析：

(1)概述

AD7755是美国AD公司推出的高精度电能测量集成芯片。与原有的同系列的芯片相 比，其芯片引脚较少，且内置了一个精确的振荡器电路来给芯片提供时钟。这就使得使 用AD7755的仪表省掉了外部晶体或者共振器，因此可以降低总体成本。

AD7757可在低频输出引脚F1、F2上输出平均有功功率，并可直接驱动一个机电计 数器或与MCIU勺接口。而高频CF逻辑则可输出用于校准的瞬时有功功率，用于校验或 与 MCU接口。

AD7755内部包含一个对A\\DD电源引脚的监控电路。在AVDD上升到4V之前，AD7755 一直保持在复位状态。当AVDD降到4V以下，AD7755也被复位，此时F1, CF都没有输出。

内部相位匹配电路使电压和电流通道的相位始终是匹配的， 无论通道1内的高通滤 波器是接通还是断开。内部的空载阀值特性保证 AD7755在空载时没有潜动。 AD7757的基本特性和参数如下： •带有片内振荡器，可作为时钟源；

•精度高，且与501-Iz /60Hz的IEC521/1036标准兼容； •逻辑输出引脚REVF可用来指示可能的接线错误或负功率； •带有片内电源监视器； •采用单5V电源，功耗较低； •采用交流输入。

VPD AGMD DGND

V2P V2N VIP

REF IN/OUT RCLKIN REVP SCF SO 81 CF Fl F2

图4— 1 AD7755内部结构图

以下是AD7755各参数技术指标表 (2)技术指标

(AVDD=DVDD=5V ± 5%，AGND=DGND=OV，使用片内基准源，CLKIN=3。58MHz , 温范围=—40〜+85 C） 参数 尾标A7 尾标 B111 J12 单位 8 测试条件及注释10 9 14 16 15 通道1的测量误差1 G=1 （G 为 PGA的增益） 0. 1 0.1 %读数typ 通道2为满度输入（土 660mV , +25 G=2 0.1 0.1 %读数typ 动态范围500: 1 G=8 0.1 0.1 %读数typ 动态范围500: 1 G=16 0.1 0.1 %读数typ 动态范围500: 1 两个通道间的相位误差 1 动态范围500: 1 V1超前37度（PF=Q 8容性） + 0.1 + 0.1 度(°) max 线路频率45〜65Hz V1滞后60度（PF=Q 5感性） + 0.1 + 0.1 度(°) max AC/DC补=0 和 AC/DC补=1 交流电源抑制 AC/DC补=0 和 AC/DC补=1 输岀频率变化（CF） 0.2 0.2 %读数typ AC/DC补=1, So=S1=1, Go=G1=0 V仁V2=100mVrms 50Hz 直流电源抑制 AV)D加有 200mV rms, 100Hz 纹波 输岀频率变换（CF） + 0.3 + 0.3 %读数typ AC/DC补=1, So=S1=1, Go=G1=0 V仁 V2=100mV rms 高模拟输入 最大信号电平 直流输入阻抗 —3dB带宽 ADC失调误差 增益误差 见输入部分 Vmax K欧 kHz mV % VIP，VIN，Y2N和对AGND的电压 CLKIN=3.58MHz CLKIN/256，CLKIN=3.58MHz 见术语解释 外基准源2.5V，G=1 V1=470mVdc，V2=660mV dc ± 1 390 14 ± 16 ± 4 ± 1 390 14 ± 16 ± 4 增益匹配误差 基准输入 REFIN/OUT输入电压范围 ± 0.2 ± 0.2 % 外基准源2.5 2.7 2.3 2.7 2.3 3.2 10 V max V min 2.5V+8% 2.5V — 8% 输入阻抗 输入电容 片内基准源 基准电压误差 温度系数 3.2 10 k min pF max 标称值2.5V ± 200 ± 200 mV max 30 30 60 PP厂C typ pp厂C max 时钟输入 时钟输入频率 注意：所有指标CLKIN均为3.58MHz 4 1 4 1 MHz MHz 逻辑输入 SCF，SO, S1，AC/DC 补， RESET 补，GO 和 G1 输入高电平，VINH 输入低电平，VINL 输入电流，IIN 输入电容，CIN 2.4 0.8 ± 3 10 2.4 0.8 ± 3 10 V min V max uA max DVDD=5V ± 5% DVDD=5V ± 5% 典型值10uAV=0V 至DVDD pF max 逻辑输岀 F1 和 F2 输出高电平，VOH 输出低电平，VOL CF 和 REVP 输出高电平，VOH 输出低电平，VOL 4.5 0.5 4.5 0.5 V min V max |SOURCE=10mA DV DD=5V ISINK = 10 mA DV DD=5V ISOURCE=10mA DV DD=5V ISINK=5mA DV DD=5V 4 0.5 4 0.5 V min V max 电源 AVDD 为达到规定指标对电源的要求 4.75 5.25 4.75 5.25 4.75 5.25 3 V min V mav V min V mav mAmax 5V — 5% 5V+5% 5V — 5% 5V+5% 典型值2mA DVDD 4.75 5.25 AI DD 3 DIDD 2.5 2.5 mAmax 典型值1.5mA 4. 1 .2输入电路的设计:

AD7755差动输入的通道分别是电流通道和电压通道，其中电流通道内设置了一个可 编程增益放大器（PGA，由对GO和G1编程实现。每个通道的最大输入电压是有限的， 电压通道对应的是土 660mV根据系统制作的实践来看，考虑到电网波动可能引起电网电 压变高，进而引起输入电压过高，高出芯片的承受限度，就有可能对芯片造成危害。所 以，输入电压要留有裕量。

电压的取样可以采用纯电阻分压网络，也可以采用隔离式变压器降压的办法。为了 完全隔离强电和芯片的直接电联系，也为了安全，本设计采用了隔离变压器。变压器的 选择要注意精确度和变压比的数值，以确保采样的精度。电路的采样可以采用小组值分 流器和电流互感器。由于 AD7755的输入电路和内部基准源是模拟的，所以要注意共地 问题，要将所有的模拟地接到一块，再和数字地共地，这样可以减少干扰。

4. 1 .3输出电路的设计

CF输出的频率正比与瞬时有功功率，通过设置 SCF=0 SO=S1=1就可以把CF设置 为高频输出方式。当模拟输入端加上满度交流信号时，

CF输出频率达到5.5kHz左右，

CF

这个数值方便计数器计数。在测量系统中采用一个定时器进行定时，定时时间内对

输出的脉冲进行计数。在一个积分周期内消耗的电能等于脉冲个数。

nn 图4—3频率输出时序图

4. 2 CPU电路图:

R12

VDD

]GND

VCC

VCC

Ul 40 31 VCC EA/VP F1.0 P1.1 PL2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 FI 7 PIO Pll P12 |R11 10k

1 2 3 POD PD.I P02 P0；3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 ALE/P 39 POO 38 PPI 37 P02 36 P03 35 P D4 34 P05 33~^06 VO

10K

PI3 P14 Pl 5 P16 Pl 7 RESET 9 4 5 6 7 8 銘 PO7 ~ 30 ALE 2] P3D 22 P2) 23^2 24 P23 25 P24 26 P25 27 P26 .28 P27 RESET SSWC58 RZD TXD INTO IHT1 TO T1 10 RXD 11 TXD 12 c OTTO 13」 IHT) U * TO 15 T1 P2.0 P21 P22 P2.3 P2.4 P25 P2.7 RD WR XI J?RD 16 WR D 29 PSEN PSEN X2 GDH 20

上图是中心控制器的电路图，本次设计所用的中心控制器是单片机的芯片，主要功 能是把通过AD7755的电信号和脉冲信号转换后通过中心处理控制器，

对时钟信号进行

控制，使其能够准确的显示在数码管上，同时也要控制数码管的显示。在停电时对外部 存储器进行控制，使的电表在停电时也能保持原来得状态，让电表起到一个停电保护的 作用。

中心处理控制器是本系统的核心部分是本系统的大脑， 控制这整个系统的正常运行。 下图是单片机的示意图：

4. 3 时间和电表读数显示电路：

本电路主要是才用数码管来显示时间和电表读数， 主要是是方便电力部门核对住户 所用的电量和所用的时间。

虽然显示分为液晶显示和数码管显示两中，从方便读表这一方面来说液晶更好更 能把时间和电量读的更清楚，但是从设计的容易程度以及成本方面来说数码管有明显的 优势。就适合家庭住户这一点来说数码管更贴近生活更能让家庭接受，

所以本次设计采

用数码管更适合。在单片机系统中，显示器显示的主要方式的静态显示方式，动态显示 方式。当系统要驱动N位显示器时需要进行段选和位选，段选由字型确定，位选由 COM 引脚确定。静态显示方式是指每位显示器同时进行的方式，此时位选为全选，即所有 N 个显示器的COM接地，段选采用N个8位I/O 口进行驱动。动态显示方式是族位轮流显 示的方式，其特点：对位选，让当前被选位 COMS接地，用I/O线提供，需占用的I/O 口位数为显示器的个数；对段选，使各位断码线并联，用一个

显示优点就是节省了 I/O 口，简化了电路。

此电路中，芯片用于驱动LED的8位段码，8位LED相应的\"a\"-\"g\"段连在一起，它 们的公共端分别连至由芯片（点击芯片型号可浏览其详细的技术手册）译码选通后经 芯片反相驱动的输出端。这样当选通某一位 LED时，相应的地址线（芯片输出端）输出

8位I/O 口来控制，动态

的是高电平，所以我们的LED选用共阳LED数码管。

动态扫描的频率有一定的要求，频率太低， LED将出现闪烁现象。如频率太高，由于 每个LED点亮的时间太短，LED的亮度太低，肉眼无法看清，所以一般均取几个 右为宜，这就要求在编写程序时，选通某一位

ms左

LED使其点亮并保持一定的时间，程序

上常采用的是调用延时子程序。在 C51指令中，延时子程序是相当简单的，并且延时 时间也很容易更改，可参见程序清单中的 DELAY延时子程序。

为简单 起见，我们只是编写了 8位LED同步显 示\"00000000\"-\"11111111\"直到 \"99999999\"

CLOCK

OUT

ra-' ll\"!>

数字，并且反复循环。

4. 4 键盘部分电路图

TOT |呻峠呻

r'-牛7 4 必ID

图4 — 7

本次设计键盘部分是采用4*4的键盘，这样更能方便操作者。

4. 5

串行接口及远程抄表电路图：

4. 5 . 1 对芯片RS485进行介绍：

集散型控制系统是一种昂贵的先进自动化装置， 为适应我国中小企业自动化的需要， 我们设计成功了一种利用RS-485总线把PC机和多台集散系统基本控制器互联构成的既 经济，又实用的小型集散系统。国内外集散系统制造公司，在生产大型集散系统的同时， 都推出了同系列的小型集散系统，即使这样，其价格对国内小企业而言仍然偏高。我们 从我国中小企业的实际情况出发，以个人计算机做操作站，通过RS-485总线与多台DCS 基本控制器组成了一种简易集散系统，经济实用。其系统的组成及其框图如下所示：

P(或 C IPC

)

通信接口

RS--4S5 RS-485

[ R44?5 「尺匚址5 控制 I 控制§ § 控制器 图4 — 8

（1） RS---485 简介：

RS-485总线速度快（最大10MB/S ,传送距离远（90KB/S下可传1200米），以差 分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力，允许一对双绞线上一个发送器驱 动多个负载设备。因此工业现场控制系统中一般采用该总线标准进行数据传输。通信网 络各节点均带有RS-485串行通信接口。在总线末端接一个匹配电阻，吸收总线上的反 射信号，保证正常传输信号干净、无毛刺。匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当 （120欧）。整个通信系统具体连接如下图所示：

（2） MAX485攵发器介绍:

基本控制器的网络接口均采用了 MAXIM公司的半双工485总线收发器MAX485其控

制十分简单，RE为接受控制端，DE为发送控制端。用80C196KC勺一个输出口 P1.0与 两个控制端相连，平时置 P1.0为低，使控制器串口处于侦听状态，当要发送数据时使 P1.0为高。收发器的网络连接，MAX485连接示意图如下图所示：

（3）网络通信协议：

PC与各下位机实行严格的广播式的主从通信方式。从机不主动发送命令或数据，一 切都由主机控制。从机之间通信不能直接进行，而必须由主机中转。数据通信波特率为 9600b/s。每个控制器都有唯一的地址号，此地址号唯一区别各控制器。帧格式为

8位

数据位，无奇偶校验位，1位停止位。 数据格式采用数据包的形式，数据包格式如下：

起始标志位 源机地址 目的机地址 散据长 貌据内 厂 结束 E F 1个字节 1个字 2个字节 2个字节 N个字 汁字节 1卅字节 PC（或IPC）通过RS- 485网络广播自己所要求的下位机地址，所有下位机都收听广 播，记下广播地址。各下位机把收到的地址与自己的地址进行比较，地址相同的下位机 为被选中的下位机，其余下位机皆为未选中的下位机，暂时从网络上隔离。网络上只剩 下主机与选中的下位机，按主从式双机的通信过程进行通信。下位机通信流程如下：

关中園 保沪现场 扌 T^SBUF中的数据 Z — * No —k 目的3址是迪 彳 本机相后 — — — — / Ye 5 ■ 检弓 No 棍扌 m F字AJ容-发制 1 打 包 E 亍上位1 、Z X Ye S 发濮信』 息通 一i 立L重发 , 知 上1 材 / \\ / \\ / ,■ P 断 / 返回 Z 图4 — 9

4. 5 .2基本控制器的设计及功能：

基本控制器是控制的软硬件核心，它设计的好坏将直接影响系统的可用性、实时性 和可靠性。为满足实时性高，数据处理量大的要求。选用8位单片机作为控制器的CPU 整个控制器采用双CPU吉构，一个CPU主管数据采集、实时控制，一个 CPU主管数据通 信，它们之间数据交换通过双端口 RAM :

主控CPI主管数据采集以及信号的处理，接受上位机发来的组态程序进行现场的控 制。由于采用了整个组态程序完全由上位机下传至控制器的

RAh中执行的方式，使得控

制非常灵活，主控CPU除了能进行基本的控制之外，还能进行先进的控制算法。另外还 具有在线调整控制参数功能、多种报警功能。

4. 5 .3通讯CPU勺功能主要有：

1. 完成串并行数码的互换。

2. 用串行通讯方式发送本地信息，识别本地地址并接受通讯数据。 3. 对发送数据加上检验段，并检查接收数据的检验段。

课题设计（论文）

4.利用地址译码 ROME高速数据通道的目的地址和存储器目的地址翻译成对应的内部存 储器地址。

5. 通过向主CPI发出中断，完成数据的内部传送，并产生读写脉冲，地址和各数据位。 6. 数据通道电平和内部TTL电平的匹配。

系統监控 协议实现 刚络通佰

工作 系建监控 任务管理 信号釆集耳孙理 渺匱袪

等等

以上就是对芯片RS-485的基本描述，在本次设计中该芯片的作用是起到串行接口 和远程抄表的作用，是一个远程的控制芯片。就现在的发展的趋势来看远程控制是越来 越多的运用到我们的实际生活中，来方便我们的日常生活，提高我们的生活质量。远程 系统的 运用不但可以提高生产效率，保证工作系统的正常运做，更能方便我们对系统 的整体化管理，有利与我们的社会生产，由此可以看到远程控制的深远意义。

4. 5.4以下就是RS-485芯片的电路图:

TIKI A? VCC B RXD I RO 2 48518 HEADER

图 4 —10

4. 6

时钟信号芯片简介及作用：

4. 6.1 DS12C887的作用和性能：

DS12C887实时时钟芯片能丰富，可以用来直接代替

IBM PC上的时钟日历芯片

DS12887同时，它的管脚也和 MC146818B DS12887相兼容。由于 DS12C887能自动产 生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，其内部又增加了世纪寄存器，从而利用 硬件电路解决了“前年”问题；DS12C88冲自带有锂电池，外部掉点时，其内部时间信 息还能够保持10年之久；对于一天内的时间记录，有12小时制和24小时制两种模式。 在12小时制模式中，用AM和PM区分上午和下午；时间的表示方法也有两种，一种是 用二进制数表示，一种是用 BCD码表示；DS12C887中带有128字节RAM其中有11字 节RAM用来存储时间信息，4字节RAM用来存储DS12C887勺控制信息，称为控制寄存器， 113字节通用RAM供用户使用；此外用户还可以对DS12C887进行编程以实现多种方波输 出，并可以对其内部的三路中断通过软件进行屏障。 (1)

时钟、闹钟及到2100年的日历功能，可选择12小时制或24小时制计时，有AM

和PM星期、夏令时间操作，闰年自动补偿等功能。

（2） 具有可编程选择的周期性中断方式和多频率输出的方波发生器功能。

（3） DS12887内部有14个时钟控制寄存器，包括10个时标寄存器，4个状态寄存器和 114bit作掉电保护用的低功耗 RAM

（4） 由于该芯片具有多种周期中断速率时钟中断功能，因此可以满足各种不同的待机 要求，最长可达24小时，使用非常方便。 （5） 时标可选择二进制或BCD码表示。 （6） 工作电压：+4.5~5.5V。

（7） 工作电流：7~15mA工作温度范围：0~70C。

4. 6 .2时钟信号芯片的内部结构和管脚图：

廉荡

器

周期性中断厉;

cs

电原切换

Text

时钟刷新

BCD匚进制

可户RAMS元114字节

图 4 —11

[>；s 1 L3<

图 4 —12 二-1

zu

4. zu6.3管脚功能表：

4QO

NN

M3 tS0\\AZ ZU

MOT计算机总线选择端：0/不接：INTEL; 1: MOTOROLA SQWV方波输出，速率 A和是否输出BSQV；

OS13SSV

N 1

卜；U

ZU

IKQ

KESEAD0~AD7地址/数据（双向）总线，由 AS/ALE的下降沿锁存8位地址*T ;

R/W WR（读/写）数据； AS: ALE地址锁存信号端； DS RD数据读信号端； CZSTM n> CS选通信号端，低电平有效； IRQ;中断申请，由专用寄存器决定； RESET复位端，低电平有效；可接 VCC NC空引脚。

OS

Zb

Ft W

（1）内部地址表: 地址 功能 二进 十进 制 制 秒 00H 00/3B 00/59 秒闹 00/3B 00/59 C0H到FFH之间的数据，则为不关心状态 01H 02H — 分 00/3B 00/59 分闹 00/3B 00/59 C0H到FFH之间的数据，则为不关心状态 03H 时 04 00/17 00/23 时闹 00/17 1 00/23 C0H到FFH之间的数据，则为不关心状态 05 星期06 01/07 01/07 几 「 日期 07 08 09 0A 月 年 A 01/1F 01/31 01/0C 01/12 00/63 00/99 0B B UIP只读/更新标志，1不读，0： 244uS内可读 DV0 DV1 DV2芯片内部振荡器 RTC控制位。 当芯片解除复位状态，并将010写入DV0DV1 DV2后，另一个更新周期将在500ms后开始。 RS3 RS2 RS1 RS0周期中断可编程方波输 出速率选择位 SET 0:芯片正常工作，每秒更新。1:停止 工作，可初始化芯片的各个时标寄存 器。 PIE、AIE、UIE：分别为周期中断、报警中断、 更新周期结束中断允许位。各位为“ 1” 时，允许心片发相应的中断 SQWE方波输出允许。1:按寄存器A速率选 择位确定的频率输出方波；0:脚SQV 保持低电平 DM进制选择位。0: BCD码；1:为二进制码 24/12 :小时模式设置。1: 24小时；0: 12小 时模式。 DSE夏令时服务位。1:夏时制；0:无效 IRQFPF AF UF 0 0 0 0 IRQF:中断申请标志。变1,引脚变0引发中 断申请 IRQF=PF- PIE+AF- AIE+UF- UIE。 PF、AF、UF:分别为周期、报警、更新周期结 束中断标志位 VRT位 :芯片内部RAM与寄存器内容有效标志 位。该位为“ 1”时，指芯片内部RAM和寄 存器内容有效。读该寄存器后，该位将自动 置“ 1”。 BIT6~BIT0位：保留位。读出的数值始终为 0 0C C 只读 读清 0 0D D 只读

0E~31H RAM 世纪 NA 32H 33H~7FH RAM 19/20

(2) 寄存器 A 输出速率选择位 ： 寄存器A输出速率选择位 RS3 0 32768Hz 时基 中断周期 无 3.96625ms SQW输出频率 无 256Hz 0 1 RS2 0 0 RS1 0 0 RS0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1

0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 7.8125ms 122.07us 244.141us 488.281us 976.562us 1.953125ms 3.90625ms 7.812ms 15.625ms 31.25ms 62.5ms 125ms 250ms 500ms 128Hz 8.192kHz 4.096kHz 2.048kHz 1.024kHz 512Hz 256Hz 128Hz 64Hz 32Hz 16Hz 8Hz 4Hz 2Hz 1 表4 — 4

更新周期：每秒钟将产生一个更新周期，芯片处于更新周期的中的

UIP位为“1”。

读时间：方法1:利用更新周期结束发出的中断，中断 UF=1,可读并送到RAM

方法2： A中的UIP位

A B C D RAM任何时刻读写

初始化：B的SET先写1、DM数据方式设置以避免更新写/设置00~09 A，

读C清中断标志

读D, VRT位将自动置“ 1”，

最后将状态寄存器B中的SET位置“ 0”，芯片开始计时工作。

初始化后应清除SET实现计时

闹钟：时、分、秒有效：每天到刻会产生中断不关心码，在时闹钟单元写入 C0H~FFI之 间的数据，可每小时产生一次中断；在时、分闹钟单元写入 C0H~ FFI之间的数据，可每 分钟产生一次中断；时、分、秒闹钟单元全部写入 FFH则每秒钟产生一次中断。

4. 6 .4 DS12C887 应用：

在各种设备、家电、仪器、工业控制系统中，可以很容易地用 DS12C887来组成时间 获取单元，以实现各种时间的获取。下图是用8031单片机和DS12C887勺基地址为7F00H, 相应的程序采用C51语言编写（以INTEL工作模式为例）。

由8031单片机和DS12C88构成时间获取电路的初始化程序如下:

XBY TE[0x7F00+0x08]=0x82; XBY TE[0x7F00+0x0A]=0Xa0 XBY TE[0x7F00+0x0A]=0X20

；

P1Q 刃1 P12 Fl i FZ PIW PDl PC2 PD3 P15 F16 Pl? IMT1 IMT4 T1 卩 P护 FM Pl>7 P20 P2： P21 TO 8031 ■ B tA/vp XI 叩 P沖 Phi >2 RESCT m 1JCD TID >J E PSBN

XBY TE[0x7F00+0x0B]=0X02 由8031单片怨.和D!S12C囲7楫战的时问庶取电路

图 4 —13

4. 6. 5硬件电路：

本系统中DS12C887勺RAM和各专用寄存器的访问，可以用片选地址选中DS12C887 其与AT89C51接线图：时钟芯片DS12C88共有24个引脚，主要引脚分别为： DS R/W AS CS MOT RESET

数据读信号端

P2S

数据与信号端 地址锁存信号端 选通信号端，低电平有效 计算机总线选择端 复位端

DS12C®^

7

Ut

ADL AD7地址/数据（双向）总线。

硬件电路框架图：

图 4 —14

4. 6.6软件设计：

在使用DS12C887寸，首先要初始化，以后除校时外，上电时不用每次都初始化，在 第一次初始化时，应禁止芯片内部的更新周期操作，即先将寄存器

B的SET位置“1”,

然后初始化时标寄存器（00H〜09H）和寄存器A，再通过读寄存器 C,消中断标志，读 寄存器D将VRT位置“1”，最后将寄存器B的SET位清“ 0”，芯片开始计时工作。

4. 6 .7储存功能：

DS12C88芯片作为时钟芯片，同样具有储存功能，以下就是是

DS12C887功能表：

DS 12（^7的存储功維 址 • ft 二进別 BO码 0 挣 O>39 00-JR W~59 1 or OO-JB 00-59 2 0-5? 00-3B 00^59 3 0-59 00-3B 0fl-59 卩小时豪盍 0H0CAM, 01-12 AM, 4 o-uSH«C PM 8t-92 PM 124 小时複玄 D 00*1? 00-23 Ol*4CAM时■■卫尔时制 r 1-12 Ol-HAM, 5 SHIC RA 81 -92 PM 0-2J 00* i? (W小 序 星剧几（星贈天・1-7 0J*(J7 01-07 r 1）u 1*31 AH IF OU 8 月 卜口 GI-OC 0M2 9 早 0-W 00-6? IMN 知 山 輕封寄涨A 11 酬春存辭日 12 ftMr^Kc U fitir 存胖D 世紀 50 W,20 表4-5

U6 DS12C887

VCC VCC 21T ■'Ip 2 MOI 0 23 NC Jlfl； >QW 22~ POO 3 4 NC NC P01 5 ADO NC 20~

P02 6 ADI NC P03 7 AD2 IRQ P04 8 AD3 VC( :RES ITRD-HVCC

P05\" 9 AD4 KI) DS 16

P06 10 ADS NC IT\"WR P07 11 ADS WR 14 ALE AD7 ALI R；/ASW 13 CS3

12 GNE cs 图 4 —14

上图就是DS12C887的电路图，在本次设计中起到的作用对时间进行控制并记数，

使得

数码管能够准确的显示用电的时间。4. 7 .1工作原理：

电路是充分利用芯片的储电功能， 在掉电后，通过芯片的存储电量给整个系统供 电，

以维持一段系统工作时间，在这个过程中将需要保护的数据写入中心控制处理器中。 处理器进行中断处理，对需要保护的数据通过总线写入中心处理器中，

写入过程所需要

的时间同写入的数据量有关。来电后，微处理器必须延时一段时间，保证外围芯片也达 到正常工作电压，然后读出数据，恢复掉电前的状态。在系统开机过程中，电源电压上 升到系统复位门限电压Vrst之前，比较器一直输入低电平的复位信号 RESET使单片机 系统处于复位状态，系统程序没有运行，不会出现CPU对外部扩展RAM的非法写操作。 此复位信号还使RAM芯片的片选信号CS的传输门出入断开状态，使 RAM的片选信 号的传输被禁止，这时RAM芯片的片选引脚的状态与系统地址译码器的输出无关，而 被上拉电阻拉至高电平状态。所以在电源电压上升过程中，

RAM中的数据不会被非法

改写。电源电压上升超过复位门限电压之后，比较器输出的复位信号释放，程序开始运 转，同时连接到地址译码器与 RAM片选信号之间的开关导通，系统可以完成对

RAM

芯片的正常读写操作。须说明的是，由于单片机系统的很多接口芯片从复位状态到工作 状态需要一定的时间，不同的芯片恢复时间往往不同为了保证系统硬件能够正常运转， 很多实际系统在电源电压上升至复位门限电压之后，不立即运行工作程序，

而是通过硬

件或软件延时一定的时间（如10-200ms），等系统充分稳定以后才开始运行工作程序。 在系统掉电或开关机过程中，当电源电压下降到系统复位门限时， 比较器立即输出低电 平的复位信号，使系统进入复位状态，同时使RAM芯片的片选信号CS的传输门断开， RAM的CS引脚通过上拉电阻保持高电平状态，从而使RAM中的数据也不会被非法改 写

本设计利用以上的电路完成对 RAM芯片的片选信号封锁，使RAM芯片中的数据无 论在系统上电或掉电过程中都不会被改写，从而使

RAM的数据得到可靠保护

第五章软件流程图

5. 1软件流程图叙述：

软件流程图是根据以下的思路完成的：用 AD7755对电能和脉冲进行转换，并 传送

到cpu芯片，用cpu芯片对时间和电能的显示进行控制计量， 然后显示在数码管上。 为了能够达到系统的完整和实用性，在系统的外部加上外部寄存器进行断电保护，使系 统能够在断电时保持原来的状态。Cpu控制串行通路和远程控制芯片，使系统能够完成 远程控制，实现系统的自动化。主程序主要系统初使化和进行电力参数数值的计算，同 时判断发送标志字。

如果是发送标志字，则通过串行口发送数据给上位机；否则进行数 码管显示。上位机和单片机采取主问从答方式。定时中断程序中定时关闭，以便进行处 理，和对数据的保存，然后给定时器个计数器清零，打开定时器重新记数。最后进行电 能的显示。

5. 2软件流程图

结论

本次设计是一个历经两个多月的时间的系统设计， 本次设计主要是对AD7755在电表 有功电能测量中的应用的，其中是通过对小区电能的智能管理系统进行分析和研究得来 得，有利于智能小区的建设和供电部门的管理的系统，本次设计最大的特点就是与人们 的生活紧密结合，很好的做到了理论和实际相结合。这次毕业设计使我对电能的测量应 用有了一个感性的认识。

毕业设计共分为五个部分，第一部分介绍了电能测量理论基础；第二部分介绍了设 计方案的制定和选型并应用到智能小区中； 第三部分介绍了整体硬件设计和各芯片的功 能，应用到各实际电路中原理（其中包括：AD7755芯片介绍；主机部分；时钟芯片；显 示电路；键盘电路和串行通信）；第四部分介绍了软件的流程图和相应的软件编程的思 路。

在整个设计环节中，本人是设计的硬件部分。在本次过程中遇到了很多困难，从熟 悉设计课程开始，一步一步的从不了解到对设计有了一点认识。在对课题有了一定认识 后在参考书的帮助下对设计进行初步的构想，确定设计的方案，并开始着手设计。由于 是做硬件设计所以要用到设计软件，在能够熟练的运用软件后，在老师提供的帮助下开 始画硬件图，在画硬件图的过程是一个反复的过程，不断的找参考书确定设计的图和参 数是否能够达到设计的要求，并在老师的指导下一个一个环节的完成设计，最后把每部 分的设计结合起来，完成了硬件图的设计。就是一小部分软件的工作了，在和同组同学 的合力下编出软件流程工程，来达到硬件和软件的结合，使的设计能够应用到设计生活 中，达到本次设计的目的，完成理论和实践的结合。在以上设计完成后，就是后续的设 计论文的传写了。在这一部分的工作中主要是把自己在硬件设计中用到的参考书和设计 过程中的自己的想法整理出来，按照毕业论文的格式书写下来，仔细的描述本次设计的 依据理论各方面的介绍及总结。

本次设计的产品是具有很大的意义， 针对个人来说它适用于家庭电表的每一个用户， 给每一户家庭带来好处；针对社会来说它不但可以节约资源且可以节余人力资源，使社 会生产更加自动化。有了这两大好处就能推断出它的使用价值是很大。本产品不但可以 实现上述的作用，其还具有更大的发展空间，在次产品的设计基础上改进下使其运用到 工业生产上就能实现更大的作用。就现阶段我国资源配置不合理资源浪费严重的情况 下，大力推广次产品具有深远的意义。

所以说本次设计是具有实用性的设计，是具有社会价值的设计。若再加以开发和研 制发挥

其更广的作用，可以想到它会为我们的社会发展带来推动作用。

致谢

课题设计的过程，是对大学阶段性学习的的一次综合性运用，特别是专业课知识的 运用，在本次设计是对我们大学阶段性学习的一次总结，在这个过程中我不仅复习了以 前所学习到的知识，而且从参考书上学习到了更多的知识，让我认识到了电子信息专业 中无穷的奥妙。同时也认识到自己的太多的不足及知识的片面性，通过这一过程的学习 自己也懂得了自己应该不断的提高不断的学习来丰富自己使得自己能够在进入社会后 能容入。本次设计也是把把理论和实践有效的结合起来的过程，对以后的工作具有很重 要的意义，认识到了理论是实现实际的基础，更让我懂得了基础学习的重要行。在本次 设计结束也就意为着我们的大学生活也即将结束了，

的时光，觉得过的很充实和有意义。

能够完成设计我要感谢的人很多，最感谢的是我的指导老师邓建明邓老师，在他的 耐心指导下学习到了很多新知识，使自己从不懂到能够做完本次设计。还有所有任课老 师的教导，使我能够有一定的基础知识来完成设计。设计系统是个大的课题凭个人之力 是渺小的团结的力量才能完成设计，在这里还要感谢我的搭档的大力帮助，使我能够在 设计方面能够思路全面合理。同样感谢那些给我意见帮助的若干同学。在这里由衷的对 给予我帮助的老师同学说一声谢谢了。感谢你们在大学生活和学习上给我的帮助。

这段时间也是我们大学生活的最后

参考文献

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⑸ 季瑞松 高锋。单片机应用系统数据掉电保护技术。浙江：电工技术杂志，

2003

指导教师评语： 指导成绩： 指导教师签字： 年 月曰 评阅教师评语： 评阅教师签字： 评阅成绩：

年 月曰