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怎样设计一个用ADE7755和用AT89S51的单片机设计出一个电能表？

需要一份详细的电路图和外部设备

2024-12-09 08:01:24

推荐回答（5个）

回答（1）：

随着电力的需求越来越大，不同时间段用电量不均衡的现象日趋严重。为了合理地调控电力负荷和节约能源，电力公司已开始鼓励使用多费率电能表。传统的多费率电能表一般采用机械转盘式计量方式，计量精度随机械磨损而降低，时段设置单一，人工抄表劳动强度大，且偶有窃电情况发生等诸多弊端。本文给出基于 AT89S52单片机一种新型多费率单相电能表设计，采用 AD7755电能计量芯片，电能计量准确。该电能表具有分时段计量，液晶显示，自动回抄，时段设置灵活，时间校正及时，新颖的防窃电，功耗低的特点。并对该电能表实验测试数据进行性了误差分析，指出电能计量中减小与消除误差的方法。

1 硬件电路设计

1.1总体结构

基于AT89S52单片机完成多费率单相电能表的设计，AT89S52有以下功能，8k字节Flash 闪速存储器，三级加密程序存储器，256字节内部RAM，32个可编程I/O 口线，3个 16位定时/计数器，一个 6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路，两种低功耗电工作方式。是一个比较适合于以开关量信号输入检测的性价比较高的 8位单片机。电能表硬件设计主要包括六大模块，电压和电流检测电能计量电路 AD7755模块，串行存储与看门狗 X25045电路模块，HT1621液晶显示电路模块，串行时钟 S3530A电路模块，

RS485总线通讯电路模块，防窃电检测电路模块，总体结构如图 1所示。

图1：系统总体结构框图

1.2 电能计量

单相电能计量采用美国 ADI公司的 AD7755低功耗芯片实现。AD7755内部除了 ADC和滤波、相乘电路外都采用了数字电路，有效的消除了尖脉冲等干扰信号，使得它在恶劣的环境条件下仍能保持极高的正确度和稳定性。对单相回路中的电压、电流信号采样，计算出功率并积分将其转换为电能脉冲输出，CPU对来自 AD7755输出端 CF的脉冲进行计量，计算出电能表的累计用电量。电能与脉冲的关系为：W=M/C，式中的W为电能，单位为千瓦时，M为脉冲累计个数，C为电表脉冲常数，选取C=1600，每千瓦时为 1600个脉冲。

1.3 RS485通讯MAX487芯片实现多费率电能表的RS485通讯控制

MAX487芯片具有 RS485通讯协议，可以带下位机 128个、传输间隔大于1km、传输速率达250kb/s。电能表通过 RS485总线与用电治理计算机相连，每只电能表都有一个确定的唯一的八位十六进制的表号，初次安装，电工需要把用户信息与表号记录后输进用电治理计算机中，完成用户与治理计算机的连接。治理计算机采用广播式通讯方式下传时段设置与校时信息，此时不带有地址信息，而电能表中断接收;上位机采用呼唤地址的方式上传信息，即呼唤谁的地址，那只电能表便把信息及其校验码打包向上传送给用电治理计算机，实现电能回抄。MAX487的 DE为发送器使能端，DE为 1时发送器可以工作，DI为输进端，A、B为输出端。当 DE为 0时，停止发送输出端为高阻。RE为输进使能端，RE为 0时答应接收器工作，A、B为输进端，RO为输出端;RE为 1时，接收器被禁止，RO为高阻状态。因此，采用半双工通讯方式，把 DE和 RE相连然后接 AT89S52的P1.4，通过 AT89S52的 P1.4引脚来控制收发工作状态。

1.4 串行存储器

串行存储器采用美国 XICOR公司的 X25045低功耗芯片，它具备看门狗定时器WTD、电源电压监控和具有 512字节的串行 E2PROM存储器三种功能。WTD可以设置为200ms、600ms、1400ms喂狗定时间隔，软件编程写进 X25045中。在程序正常运行期间，WTD在定时间隔内收到触发信号，确保程序正常运行，一端 WTD在定时间隔内没有收到触发信号，X25045便通过 RESET引脚输出一个高电平信号，触发电能表复位来防止程序跑飞。X25045作为串行存储芯片，512字节分别用于存储电能表编码，多费率时段设置，上月和当月分时段的峰、平、谷电量和总累计电量等信息，存储次数可改写十万次，数据可保存一百年，它与 AT89S52可采用 SPI协议总线接口相连。

1.5时钟电路

时钟电路采用 S3530A芯片完成，它是一种支持 I2C总线的低功耗时钟芯片，它按照 CPU经 RS485通讯接收校时的数据来设置时钟和日历，靠自身的振荡继续走时。在 S3530A的 Xin和 Xout引脚之间跨接 32.768kHz的晶体器振荡器。它通过两线式与 CPU连接，SDA脚和 SCL脚分别接 AT89S52的 P2.0和P2.1，并有两个中断报警引脚可设置为输出秒或分同步脉冲，向 AT89S52提供周期为 1秒的中断信号，单片机系统将根据该信号通过 I2C通讯接口读取当前的时间，计算出该时刻所属的时段，实现多费率电能表的分时段计量电能。该时钟电路带有备用锂电池，正常工作时有电源 Vcc供电，同时给 3.6V锂电池充电;当出现停电时，自动切换锂电池为时钟电路供电，即使停电时钟走时也正确。

1.6液晶显示

采用 HOLTEK公司 HT1621的 LCD显示驱动芯片,实现十六位 LCD数字显示。HT1621是具有 128段(32×4)内置存储器的 LCD驱动器，它片内包括控制与计时电路、显示RAM、LCD驱动及偏置、监视定时器等，采用了 48脚 SSOP封装,具有体积小和功耗低的优点,非常适合于应用电能表中，其接口电路和外围电路简单，它和 AT89S52之间采用串行接口，只需三根线。AT89S52的P2.4 、P2.5、P2.6分别接到它的 CS片选、WR写答应、DATA串行数据三个引脚上，来控制刷新显示 RAM缓冲区。另外应用中，在VDD、VLCD间接一个20kΩ可调电阻，用来调节 LCD显示对比度，调节电阻，使得VDD=5V，VLCD=4V对比度较好。

1.7 防窃电检测等

记录电能表接线端子盖被人为打开的次数而分析是否窃电。电能表被安装好后将表壳打上铅封，用户不能私自打开电能表接线的表盖破坏铅封，否则属于窃电行为。因此我们采用霍尔传感器，检测接线端子盖是否被打开。假如接线端子盖被打开，AT89S52的 P1.6引脚的电平变化，就检测到开盖一次，记录表的接线端子盖被人为打开和破环的次数，判定是否有窃电发生，当发现有窃电现象时，给出报警、断电并及时上传到上位治理计算机。实践证实该新奇的防窃电技术有效的防止窃电情况发生，效果较好。检测电路框图如图 2所示。

图2：防窃电检测框图

掉电保护电路，用 AT89S52的 P1.7输进引脚检测掉电信号，当系统正常工作是 P1.7位高电平，当忽然发生断电时，P1.7变成低电平，采用查询方式检测到 P1.7的变为低电平后，将进进掉电保护程序。电源电路中有个大滤波电容1000uf/25v，当掉电后能维持系统十多秒的工作时间，确保电能表存储好重要数据。光电隔离电路，在系统中 AD775的脉冲输出端，继电器控制端，RS485通讯端分别使用了 4N35光电隔离器。通过光的耦合作用传递电信号，把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，进步系统抗干扰的能力。

2 软件程序设计

2.1 软件程序资源分配

多费率单相电能表软件程序共包括初始化及主程序，X25045读写程序，RS485串行通讯处理程序，中断处理程序，定时器处理程序，HT1621显示控制程序，电能分时段计量与掉电处理程序，系统自检与软件抗干扰处理八大程序模块。系统的中断资源分配为 INT0中断用于 AD7755脉冲检测，INT1用于秒同步检测，定时器 T0用于定时100ms，T1未使用，T2用于串行通讯程序波特率发生器，串行口中断设置为 RS485异步通讯接收中断。

2.2 程序模块的设计

电能表的工作过程主程序模块如图 3所示，每次上电要进行初始化，初始化包括对AT89S52单片机定时器、串行口、中断等工作方式的设定，写进串行存储芯片 X25045的控制字，串行时钟芯片 S3530A控制字，串行液晶驱动芯片 HT1621控制字。新电能表的初次工作要对 X25045初始值设定，包括电能表表号的设置，时段的设置，时钟的设置，存储地址的分配等。本系统设置了三个时段，单片机每秒从时钟芯片 S3530A中读取时钟值，然后根据串行存储芯片 X25045中预先设置好的时段，分析该时刻属于哪个时段，根据相应的时段把电能存储 AT89S52的 RAM存储器中，然后电能每累计够 1度便写进到 X25045相应的地址中。16位液晶显示器轮流显示时段与电能信息。若有通讯请求将采用中断方式与上位机进行数据通讯。若停电，将执行掉电保护程序。其它程序模块流程图略。

图3：主程序流程图

测试结果

该电能表在淄博贝林电子有限公司进行了误差测试和运行试验，上位计算机完成用电治理时段设置，设置三个费率时段，第一时段 00点 00分点到 06点 30分，为谷电量时段，第二时段 06点 30点到 22点 30分，为峰电量时段，第三时段 22点 30点到 24点 00分，为平电量时段。费率时段设置由电力供电公司根据国家政策规定设定到计算机治理系统中，通过RS485串行通讯传送到电能表中，并存储于 X25045中。每月峰、平、谷、累计电量存进电能表中，并打包传送到上位计算机治理系统，通讯波特率设为9600 bit/s。用 0.1级标准电子式电能表校验台作为标准表，该多费率电能表为被测表，贝林电子有限公司针对不同负荷的情况下进行测试，限于篇幅仅列出负荷为 5KW时的实测数据如表1 所示。测试结果表明该复费率电能表误差小于1%，属于 1.0级标准。经实验得知减小电能计量误差方法，一是通过调节 AD7755的匹配电阻调整到精确值;二是该匹配电阻阻值要求随温度变化阻值变化较小;三是在电能计量过程中，在时间段的切换时，计量电能的尾数部分不足 0.01度的电能计进下一个时间段中，避免了不足 0.01度的电能丢失而造成累计电量有误差。

表1：标准表与被测表丈量值符合5KW

结束语

多费率电能表根据不同的时段设置，实现电能分时计量，采用 RS485串行通讯，实现电量自动回抄，实时校时。该电能表经淄博贝林电子有限公司生产表明，设计技术新奇，计量正确，走时精确，时段设置灵活，防窃电设计新奇，各项技术指标均达到国家多费率电能表的技术标准，具有广阔的应用远景。

本文作者创新点在于采用 AD7755电能计量芯片计量正确;串行 X25045存储灵活可靠，串行时钟 S3530A走时精确，RS485总线传输可靠性高，防窃电新奇设计。采用 I2C总线结构多费率单相电能表设计更加公道，具有性价比高的特点

回答（2）：

ADE7755是一种单相表记录芯片，将ADE7755记录的数据与AR89S51单片机进行数据传输，然后再用单片机输出给lcd屏幕显示即可设计出一个电能表；
ADE7755是一款适用于单相配电系统的高精度电能计量IC。它可提供基于输电线电压和电流计算的瞬时有功功率和平均有功功率。该器件规范超过IEC61036标准规定的精度要求。ADE7755中使用的唯一模拟电路是ADC和参考电压电路。所有其它信号处理（例如乘法和滤波）都是在数字域实现的。这种信号处理方法可在随环境条件和时间变化的很大范围内提供优异的稳定性和精度。
电流通道提供高增益模式,可直接连接低阻值分流电阻器而不损失动态范围。两通道之间的增益校准在器件外部进行调整。ADE7755采用SSOP封装。在各种负载条件下提供低频（F1/F2）和高频（CF）同步输出。
ADE7755是一种高准确度电能测量集成电路,其技术指标超过IEC1036 规定的准确度要求。ADE7755只在 ADC 和基准源中使用模拟电路,所有其它信号处（如相乘和滤波）都使用数字电路, 这使ADE7755 在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。ADE7755 引脚 F1 和 F2 以较低频率形式输出有功功率平均值,能直接驱动机电式计度器或与微控制器（MCU）接口。引脚CF 以较高频率形式输出有功功率瞬时值,用于校验或与MCU 接口。ADE7755内部包含一个对 AVDD 电源引脚的监控电路。在 AVDD 上升到 4V 之前,ADE7755一直保持在复位状态。当AVDD 降到 4V 以下,ADE7755也被复位,此时 F1,F2 和 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（HPL）是接通的还是断开的。内部的空载阈值特性保证 ADE7755在空载时没有潜动。

回答（3）：

电子电能表在日常生活和工业生产中已经得到了广泛的应用，尤其是一户一表制的普及，使其需要具备低功耗高线性度误差小温度特性好过载能力强以及运输安装方便的特点，这就更加提高了对于电表计量精度的要求电表计量的核心是一块计量芯片，配以一些外围器件实现电能计量功能此类芯片主要基于模拟乘法器和频率变换原理的设计，代表产品之一是美国ADI公司出品的ADE7755.
ADE7755的基本特性及工作原理
ADE7755是ADI公司推出的脉冲输出的高精度电功率测量芯片内部集成了两个2阶16位的 - 模数转换器电压基准和计量有功功率所需的数字信号处理电路 ADE7755 的内部结构如图1 所示，ADE7755主要包括两路16位 - ADC，用于将电流传感器和电压传感器输出的电压信号转换成数字量通道1（电流通道）的ADC前端带一个可编程增益放大器（ PGA ），其输出通过一个相位校正电路（用来消除高通滤波器的相位导前）接一个高通滤波器（ HPF ），以滤掉电流信号的直流分量，从而提高有功功率的计算精度 HPF输出的数字量与电压通道ADC转换后的数字量相乘后再经过一个低通滤波器（ LPF ），以便提取有功功率分量最后，LPF输出的数字量经过数字频率转换器产生输出频率F1，F2 和CF（ F1 和F2 表示平均有功功率CF表示校准频率，用来对瞬时功率进行校准），电源检测电路对模拟电压连续监控，如果其值低于4+0.05V时，ADE7755将被复位，以保证器件在上电和断电时能正确启动.
电能测量电路如图 2 所示,主要是由电压检测电路电流检测电路和电能计量芯片 ADE7755 及其外围电路组成首先,负载电流经过电流传感器再通过滤波电路后转换成合适的电压信号送入到电能计量芯片 ADE7755 的电流通道, 即 V1P 和V1N 端;而 220V 相电压则通过电压传感器降压后,再通过滤波电路送入电能计量芯片 ADE7755 的电压通道, 即 V2P 和 V2N端二者经过 ADE7755 转换成有功功率以高频脉冲形式从 CF端输出然后接入到单片机 AT89C51 的外部中断信号输入端,即单片机控制电路从 ADE7755 的 CF 端采集脉冲经过处理后得到的数据送到 LCD 显示电路进行显示,并通过远程通讯电路把数据传送到上位机本文中电压传感器和电流传感器均采用了霍尔传感器,尔传感器是利用半导体霍尔元件的霍尔效应实现磁电转换的一种传感器,具有灵敏度高线性度好稳定性好体积小和耐高温等特性,现在已经得到非常广泛的应用本文中整个电能计量电路的控制系统是由单片机AT89C51 来完成的,AT89C51 控制着整个电能计量电路的正常运行:监控 ADE7755 的工作状态,从 ADE7755 寄存器中读取有功无功视在功率和电流电压值,输出到数码管显示电路,保存数据到存储器中以防止停电时数据的丢失, 实现对键盘操作的响应,以及处理与远程计算机的数据通讯等.

回答（4）：

我用cs5460做的，差不多，你要就给你一份参考。

回答（5）：

看说明书吧，不难的。或者打个电话给供货商。

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