(我)智能电表分析设计报告

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　课程：计算机组成原理 智

　 分析设计报告 院系：安徽工程大学机电学院 专业：计算机与软件工程系 班级：软件 1402 组长：李和林 组员：秦伟刘宣杨佳伯转转许展邵明 时间:

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　 姓名 职责

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　 目录 第一章系统整体方案设计 ...................................................... 4. 1.1 智能电表系统设计思路

　............................................... 4. 1.2 方案论证 ............................................................ 4. 1.2.1 三相电参数的测试与计量方案论证与比较

　.......................... 4 1.2.2 多功能化模块的方案论证与比较

　.................................. 5 1.2.3 电压电流采样方案论证与比较 ..................................... 6 1.3 通信标准的选择

　..................................................... 7. 1.4 系统总体方案确定 .................................................... 8. 第二章系统硬件设计 .......................................................... 9. 2.1 硬件整体系统设计

　................................................... 9. 2.2 电源电路设计 ....................................................... 1.0 2.2.1 工作原理 ...................................................... 1.0 2.2.2 变压模块 ..................................................... .1.1 2.2.3 稳压模块 ..................................................... .1.1 2.3 电压电流采样处理单元 ............................................... 12 2.3.1 ATT7030A 简介 ............................................... 12 2.3.2 ATT7030A 结构框图 .......................................... 13 2.3.3 电能输出脉冲电路 .............................................. 1.3 2.4 CPU 中央处理单元

　................................................ 14 2.4.1 CPU 功能 .................................................... 1.4 2.4.2 CPU 选择 .................................................... 1.5 2.4.3 数据存储模块 .................................................. 16 2.4.4 显示模块 ...................................................... 1.8 2.4.5 红外通信模块 .................................................. 20 2.4.6 键盘模块 ...................................................... 22 2.4.7 485 通讯模块 ................................................. 23 第三章系统软件设计 ......................................................... 24 3.1 软件设计的基本原则

　................................................ 24 3.2 系统软件设计

　...................................................... 25 3.2.1 接收数据与通信的程序设计

　..................................... 25 第四章总结 ................................................................. 29

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　 第一章系统整体方案设计 1.1 智能电表系统设计思路 将智能电表系统整体分为电量测量和智能管理两部分。电量测量部分选用高 精度、高可靠性的电量测量 ASIC 实现，能够完成三相电量的准确计量。该部分 是设计的关键和基础。智能管理部分除核心元件微处理器外，还需要人机交互模 块、数据存储模块及通讯模块。该部分是实现电表“多功能化”的重要组成部分, 对其要求是智能化程度高，易于功能扩展。

　1.2 方案论证 1.2.1 三相电参数的测试与计量方案论证与比较 该部分是本系统设计的关键部分，要求电路结构简单、可靠、功能全面，能 够完成预定功能。目前，关于三相电参数的测试与计量主要有两种技术方案。

　传统的模数转换和相位检测技术 被测三相电压、三相电流通过相应互感器转变为能被后端电路接收的电信 号，变化之后的信号需要做两方面的处理， 一方面检测电压电流的相位差，确定 功率因数，另一方面线性调整信号，传输给后端的 A/D 转换器。电压、电流转换 后的数字量和功率因数值传输给 CPU 处理器，根据三相功率、三相能量等电参数 的计算公式计算相应的各个电参数，并对计算数据做相应处理。

　该方案存在电路结构复杂，参数测试误差大，编程复杂、故障排除复杂等缺 点。该技术方案已不再适用于工业环境中三相电能表的电参数测量。

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　 专用的三相电参数测试与计量技术 随着大规模集成电路的迅速发展，有关电参数测量的集成电路市场上出现了 多种专用产品，针对不同的电参量可以选用不同的产品。

　目前，在我们国内比较 流行的电量测试与计量芯片主要有美国 ADI 公司生产的 ADE7755 美国 CIRRUS LOGIC 公司生产的 CS5460 美国炬力公司生产的 ATT7021 ATT7030 ATT7026 等，国内上海贝岭公司也生产了相应的电量计量芯片。以上 IC 芯片在国内电能 表行业中得到了广泛的推广应用，多年来的应用表明，这些 IC 芯片在电参数的 测试与计量的应用比较稳定，计量精度满足了国家标准。采用专用的 IC 测试电 参数已成为目前各种电能表制造厂商的首选技术方案。

　其中， ATT7026 ATT7030 是专用于三相电参数测量的 IC 芯片，外围电路配 置简单，可方便地与 CPU 连接。

　综合考虑本电能表所要实现的功能，我们选用第二种方案。

　ATT7030A 测试 计量的电参数能满足本次设计题目提出的技术要求， 是一款高精度的三相电能专 用计量芯片，适用于三相三线和三相四线。

　ATT7030A 提供有功电能计量输出 脉冲，微处理器可方便的对电能实现计量。

　1.2.2 多功能化模块的方案论证与比较 多功能化模块应包括以下几个组成部分：

　CPU 中央处理器、外部存储器、键 盘、显示、 485 通信接口、红外收发电路、报警电路、负荷控制电路等八部分组 成。

　CPU 中央处理器的选择方案有两种，方案一：选用 DSP 处理器；方案二：选 用单片机。

　DSP 处理器具有运算速度快，处理能力强等优点，但存在价格相对较 高，参考资料相对较少等缺点。单片机是目前电能表行业中普遍选用的中央处理 器。比较以上两种方案，我们选用 ATME 公司的 AT89S52 单片机作为中央处理单 元，该单片机具有较强的数据处理功能，与 MCS-51 完全兼容，设计使用方便。

　外部存储器选择方案主要有两种。方案一：选择 RAM 存储器；方案二：选择 FLASH 存储器。

　RAM 存储器速度快，可读写操作，但存在掉电数据丢失的缺点，

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　 为了保证数据不丢失，一般需要设计电池供电，增加了设备的体积，成本等。外 部 FLASH存储器具有掉电数据不丢失的优点，速度相对较慢，可以进行读写操作。

　由于电能表对数据存储的速度较低，数据量较少，因此， FLASHY 储器是电能表 行业中选择的主流芯片。我们选用 X5045 作为外部数据存储器，选用该型号的存 储器不仅可以方便数据的存储，而且具有看门狗功能，监视 CPU 勺运行状态和系 统的电压，保证系统的安全运行。

　负荷控制电路设计具有预付费功能， 即用户应先购电，后用电，用户购剩余 电量达到报警值或剩余电量为零时，都要操作继电控制装置，提醒用户及时购电。

　123 电压电流采样方案论证与比较 目前，电能表行业中，关于电源电压、电流的采样方案主要有三种：第一种 是采用电流互感器、电压互感器采样；第二种电压采用电阻分压网络采样， 电流 采用锰铜电阻采样；第三种方案以上两种方案的交叉组成。

　电流取样使用电流互 感器具有过载能力强，精度高，抗干扰能力强的优点，但存在成本高，体积大的 缺点；电压取样采用电压互感器同样具有过载能力强， 精度高，抗干扰能力强的 优点，存在成本高，体积大，校表难度高的缺点；与采用互感器取样比较电流采 用锰铜电阻具有取样方便，成本低的优点，但存在过载能力弱，抗干扰能力差的 缺点；电压采用电阻分压网络取样具有取样容易，校表方便、成本低的优点，但 存在过载能力弱的缺点。

　比较以上几种方案，结合本表的计量精度要求，电流取样采用高精度（ 0.1 级）的电流互感器，电压取样采用电阻分压网络。该方案既提高了本系统的抗干 扰能力，又方便了电能表的校验。

　根据上述方案论证，智能电表系统的实现方案如下：

　AT89S52（CPU）+ATT7030 电量测量 IC）+X5045（ Flash 存储器）+MAX721QLED 显示 IC）+ 独立式键盘 +75LBC184（485 通讯 IC ）

　+ 红外调制管+MC7805（DC 急压电 源 IC）

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　 1.3 通信标准的选择 本系统的一个重要的问题就是通信问题。要根据系统的通信距离来选择合适 的通信标准。如果通信距离要求太高的话，可以采用电话线公网或者无线 GPS 等 方式来进行通信。

　在通信方式中，大多数采用串行通信方式。这里先对常见的串行总线标准作 一个比较。常用的总线标准有 RS-232 、 RS-422 和 RS-485 等等⑹， RS-232 是 异步 串行通信中应用最广泛的一种标准总线，其单向数据传输最大速率为了 20Kbps, 最大传送距离为 15m ，显然这种总线标准是无法满足本系统的技术要 求的，且其 数据传输速率较慢，易产生干扰。

　RS-422 传输距离较远，最短为 12m ， 数据传输 最大速率为10Mbps ；当速率为 1Mbps 时，传输距离可达 120m ；当速 率为 100Kbps 时，传输距离可达 1200m ； RS-422 抗干扰能力强，传输速率快， 且为全双工的。

　RS-232 和 RS-422 有一个显著特点，即 RS-232 接口与 RS-422 接 口通常 吸用于点对点通信系统中，若系统中需要相互通信的节点数超过两个时， 他们 都无法直接满足要求。

　因此， EIA 制定了新的接口标准 RS-485 ，它能支持一点对多点的通信， RS-485电气标准与 RS-422 完全一样，只是 RS-485 工作于半双工方式。

　RS-485 标准总线是一种平衡传输方式的串行口接口标准，它允许在电路中 有多个发送器，且允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是被动发送 器、接收器或收发器的组合单元。

　RS-485 的共线电路结构是一对平衡传输的两 端都配置终端电阻，其发送器、接收器、组合收发器可以挂在平衡传输线上任何 位置，在数据传输中实现多个驱动器与接收器通用同一传输线的多点应用。

　RS-485 通信接口的信号传输是用两根线之间的电压差来表示逻辑 “ 1 ” 或“ 0 ” 的, 因为发送端仅需两根传送线，而接收端也只需要两根传送线，这样， RS-485 接 收端与发送端公需两根线就能完成信号传输。

　RS-485 标准总线的特点是：抗干 扰能力强、传输速率高、传输距离远，在采用双绞线，不用 Modem 的情况下，在 100Kbps 的传输速率时可传送 1200m ，若速率为 960Kbps 时，可以传送 1500m, 甚至更远。

　由于 RS-485 具有上述优点，能够支持一点对多点的通信，便于组网通信距 第 7 页共 30 页

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　 离也能满足本系统的设计要求；且电表联网远程抄表系统对实时性要求不高，能 耗的抄取也是不经常发生的，一般情况下仅需要每月抄一次。所以本系统选择了 半双工的 RS-485的通信标准。

　1.4 系统总体方案确定 在我们确定了通信标准之后，就可以对整个系统进行设计了。既要充分考虑 RS-485 通信标准中对传输距离和波特率的限制，又要兼顾到系统的带载能力， 来确保系统运行的可靠性，在基表与上层管理微机之间，采用了采集器、集中器 两级结构形式，系统的总体分布结构如下图

　系统总体结构图

　上位微机与集中器之间可通过 RS-485 总线进行数据传输，采集器通过屏蔽 双绞线采集用户各种远传能耗基表的信息，并进行换算和存储；采集器对电量的 采集可以直接通过 DF 型电能表上的 RS-485 接口接受用户的电量信息，也可以 通过采集器上的红外接口，利用专用红外抄表器对采集器进行各种能耗信息的读 取等

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　 第二章系统硬件设计 2.1 硬件整体系统设计 根据方案比较与论证，三相智能电度表的整体电路主要包括：

　电源电路、电 压电流采样处理单元、 CPU 中央处理单元等三部分组成。其中采样电路又分为电 压采样模块、电流采样模块； CPU 中央处理器单元又分为 CPU 中央处理器、键盘、 显示、外部存储器、 485 接口、红外收发、负荷控制、报警模块。整体设计方案 见图

　系统工作原理：

　第一步接通电源电路， CPL 中央处理单元上电，系统进入待机状态。此状态 下，CPU 取出存于外部存储器中的剩余电量数据和本电表机号并显示于显示模块 上。当按下键盘“设置键”时，系统进入功能设置状态，按“确定键”则退出该 状态。

　第二步采样单元发出电量计量脉冲信号，系统进入工作状态。次状态下， CPU 对脉冲进行计数及计算电量，经过一段时间运算后得到这段时间中用户消耗的电 量。用户上次预购电量减去剩余电量， 得到用户新的预购电量剩余值。

　如果该值 小于某一值时，通过报警模块通知用户及时购电。

　有两种事件是随机发生的：

　485 通信和红外通信事件。当上位机向电表发出 通信请求时，系统进入 485 通信状态，通信结束退出该状态。当红外抄表器向电 表发出通信请求时，系统进入红外通信状态，通信结束退出该状态。

　CPU 中央处理单元 I C

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　U B I B 系统整体电路原理图

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　 系统状态转换图如图：

　 2.2 电源电路设计 三相电压、电流采集处理电路与 CPU 中央处理单元均需要 5V 直流电源供电, 为提高系统工作可靠性及适应现场电压波动范围大的情况， 本系统采用三相电源 变压 - 整流 - 滤波 -稳压方式。具体设计电路见图

　系统电源电路图

　221 工作原理 系统直流电源 AVCC 直接由三相交流电源转换而来。以 A 相位例， A 相 220V 交流电经变压器变压得到交流电 V1 , V1 经过整流桥整流得到含有较大纹波系数

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　 的直流电 V2, V2 经 C13 C14 滤除纹波后进入三端稳压器件 LM7805 稳压处理得 到 V3, V3 经 C15 C16 滤波得到系统需要的直流电源 AVCC B 相、 C 相原理于 A 相相同。

　由 Multisim 软件仿真得到 VI 、 V2 、 V3 波形如图

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　II \ 1 II ■■■■■■■■■ \ J " VI ； 青色绿色 ¥3 紫色 系统电源部分电压波形图

　2.2.2 变压模块 由 220V 交流电得到 5V 直流电第一步需要选用变压器进行降压处理， 变压器 两端的匝数比决定着降压系数。三端稳压电源 LM7805 最大输入电压为 30V, 正 常范围为 5 〜18V, 所以变压器副边输出电压 V1 可以选择 15V 。根据变压器两侧 电压比，可计算出变压器的原副边匝数比：

　N1: N2=VA V1=220:15 2.2.3 稳压模块 稳压电源分为线性稳压电源和开关稳压电源两类， 其中：线性稳压电压优点 是稳定性高、波纹小、电路简单，缺点是体积大、效率低、驱动电流小；开关电 源优点是体积小、效率高、驱动能力强；缺点是波纹系数大，稳定性不如线性稳 压电源好。本系统电源直接供给 IC ,对驱动电流要求不大，且 ATT7030A 对电源 稳定性要求较高，所以这里我们选择线性稳压电源。

　三端稳压集成电路 LM7805 所需的外围元件极少，电路内部有过流、过热及

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　 调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜，所以被广泛应用。

　LM7805 如图 3-6 所示， 1 脚为输入端， 2 脚为输出端， 3 脚为接地端。

　V2 经过电容滤波进入 LM7805 输出电压 V3 稳定为 5V ， LM7805 后仍需接大 小两个电容输出电压才能真正稳定。

　其中，大电容的作用是增强负载特性（输出 阻抗随频率增加基本保持不变）和瞬变响应（利用电容电压不能瞬间改变特性）， 小电容的作用则是滤除高频干扰，两者耐压值选择 15V 。

　2.3 电压电流采样处理单元 系统电压电流采样处理单元采用 ATT7030A 乍为核心处理芯片，外围辅以电 源、电压电流模拟输入、脉冲输出等电路。

　2.3.1 ATT7030A 简介 ATT7030A 是 一款对三相有功电能进行高精度测量的芯片，其特点如下：

　•高精度，在 1000 到 1 的动态范围内误差小于 0.1% ; •电能测量符合 1S 、 0.5S 级，支持 IEC 687/1036 标准， GB/T 17215-1988 ; •提供有功电能测量 •当任意一相功率反向时，提供功率反向指示信号 REVP •当三相合功率为负时提供反相指示信号 NEGP 可以用于止逆场合； •提供缺相指示 PA/PB/PC •提供有功电能校准输出脉冲：

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　 LM7805 引脚图 z

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　 •提供输出脉冲 F1/F2 ，用于驱动电量计度器和步进电机; -三相合电能计算模式是可选择的； -提供校准电阻网络; -+5V 单电源供电 2.3.2 ATT7030A 结构框图

　2.3.3 电能输出脉冲电路 ATT7030A 提供两种输出脉冲：高频输出脉冲 CF1 和低频输出脉冲 F1/F2 。

　在功率测量信号处理电路中，开关电压和电流信号相乘得到瞬时功率， 瞬时功率 VI P 1T1FT V3P V3N V5F VSN V2T W V4T v«r VBF ven REVF FD □SCO OS CI SEL suw S3G KE SET SO 51 3CF 电能——濒 FA VLC IffiFOUT 电跆 ATT7O30A 樺块闻 AVCC VDD 并常电 IF

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　 对时间积分转换为电能。

　A/B/C 相电能根据代数和模式或者绝对值和模式相加， 通过改变频率信号和分频信号，我们得到高频电能脉冲输出信号，该信号可以用 来进行校正。在此基础上，分频信号也可以得到低频输出脉冲信号用于驱动步进 电机。

　2.4 CPU 中央处理单元 241 CPU 功能 CPU 中央处理单元由于需要实现数据存储、显示、键盘、通信等功能，因此 电路较为复杂，元件较多。

　CPU 选用 AT89S52 外部存储器选用 X5045, —方面存储数据满足掉电数据 不丢失，其次 X5045 具有看门狗功能，监视 CPU 运行状态及电源电压，保证系统 可靠运行。485 通信选用 75LBC184 集成电路，具有带载能力强，传输距离远的 特点。红外采用38KHZ 调制方式，传输距离超过 5 米，误码率低。

　CPU 有功电量 采样使用光电耦合器隔离，提高其采样的可靠性。校表通过光电耦合器输出校表 脉冲，方便与校表试验台连接。

　CPU 中央处理单元设计原理

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　 242 CPU 选择 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash存储器。使用 ATME 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产 品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规 编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash ，使得 AT89S52 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

　AT89S52 主要功能特点：

　•与 MCS-51 产品兼容； • 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器； • 1000 次擦写周期； •全静态操作：

　0HZ-33MH z; •三级加密程序存储器； • 32 个可编程 I/O 口线； •三个 16 位定时器 / 计数器； •八个中断源； •全双工 UART 串行通道； •低功耗空闲和掉电模式； •掉电后中断可唤醒； •看门狗定时器； •双数据指针； •掉电标识符。

　AT89S52 引脚图如图：

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　243 数据存储模块 因本系统需要存储用户电量等数据，且要求掉电数据不丢失，该系统选择 X5045 器件。

　X5045 是一种集看门狗、电压监控和串行 EEPRCOM 种功能于一身的可 编程电路。这种组合设计减少了电路对电路板空间的需求。

　X504 沖的看门狗对系统提供了保护功能。当系统发生故障而超过设置时间 时，电路中的看门狗将通过 RESE 信号向 CPU 作出反应。

　X5045 提供了三个时间值 供用户选择使用。它所具有的电压监控功能还可以保护系统免受低电压的影响， 当电源电压降到允许范围以下时，系统将复位，直到电源电压返回到稳定值为止。

　X5045 的存储器与 CP 可通过串行通信方式接口，共有 4096 个位，可以按 512 X 8 个字节来放置数据。

　2.4.3.1 引脚介绍 X5045 采用 DIP8 封装形式，其管脚排列如图 3-20 所示，共有 8 个引脚，各引脚 功能如下：

　CS :电路选择端，低电平有效; SQ 串行数据输出端； SI :串行数据输入端；

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　 SCK 串行时钟输入端；

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　WP :写保护输入端，低电平有效;

　RESET 复位输出端; VCC 电源端； VSS 接地端。

　243.2 工作原理 （ 1 ）

　上电复位 向 X5045 加电时会激活其内部的上电复位电路， 从而使 RESE 引脚有效。该信 号可避免系统微处理器在电压不足或振荡器未稳定的情况下工作。当 Vcc 超过器 件的 Vtrip门限值时，电路将在 200ms （ 典型）延时后释放 RESE 以允许系统开始 工作。

　（ 2 ）

　低电压监视 工作时 X5045 对 Vcc 电平进行监测，若电源电压跌落至预置的最小 Vtrip 一下 时，系统及确认 RESET 从而避免微处理器在电源失效或断开的情况下工作。当 RESE被确认后，该 RESE 信号将一直保持有效，知道电压跌到低于 IV 。当 Vcc 返 回并超过Vtrip 达到 200mS 寸，系统重新开始工作。

　（ 3 ）

　看门狗定时器 看门狗定时器的作用是通过监视 WD 输入来监视微处理器是否激活。由于微 处理器必须周期性的触发 CS /WD 引|脚以避免 RESE 信号激活而使电路复位，所以 CS /WDI 引脚必须在看门狗超时时间终止之前受到由高到低信号的触发。

　（ 4 ）

　重新设置 Vcc 门限 X5045 出厂时设置的 Vcc 门限电压为 Vtrip ，但在应用时，如果标准值不恰当， 用户可以重新调整。

　（ 5 ）

　SPI 穿行存储器 器件存储器部分是带块保护的 CMO 串行 EEPROM 列，阵列的内部组织是 X 8 位。

　X5045 可提供最少为 1000000 次擦写和 100 年的数据保存期，并具有穿行外围 接口（ SPI ）和软件协议的特点，允许工作在简单的四总线。

　X5045 主要通过一个 8 位的指令寄存器来控制器件的工作，其指令代码通过

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　 SI 输入端（ MS 在前）写入寄存器。表 3-4 所列为 X5045 勺指令格式及其操作。

　（ 6 ）时钟和数据时序 当 CS 变低以后， SI 线上的输入数据在 SCK 勺第一个上升沿时被锁存。而 SOt 的数据则有 SCK 勺下降沿输出。用户可以停止时钟，然后再启动它，以便在它停 止的地方恢复操作。在整个工作期间， CS 必须为低。

　244 显示模块 本智能电表系统需要显示电表机号、 电流互感器系数、电量等数据，无需文 字显示，八位 LED^ 码管即可完成显示任务，故我们选择 8 位 LE 醱码管驱动器 MAX7219 2.4.4.1 MAX7219 概述 MAX721 是 MAXI 公司生产的串行输入 / 输出共阴极数码管显示驱动芯片，一 片MAX721 可驱动 8 个 7 段（包括小数点共 8 段）数字 LED LED 条线图形显示器、或 64个分立的 LEC 发光二级管。该芯片具有 10MH 传输率的三线串行接口可与任何微 处理器相连，只需一个外接电阻即可设置所有 LED 勺段电流。。它的操作很简单， MC 只需通过模拟 SPI 三线接口就可以将相关的指令写入 MAX721 的内部指令和数 据寄存器，同时它还允许用户选择多种译码方式和译码位。此外它还支持多片 7219 串联方式，这样MC 就可以通过 3 根线（即串行数据线、串行时钟线和芯片选 通线）控制更多的数码管显示。

　244.2 功能特点 • 10M H 连续串行口 •独立的 LED 段控制 •数字的译码和非译码选择 • 150uA 的低功耗关闭模式 •亮度的数字和模拟控制

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　 •高电压中断显示 •共阴极 LE ［驱动 • 24 脚的 DIP 和 SO1 寸装 2.443 寄存器介绍 （ 1 ）数据寄存器和控制寄存器 MAX721 内部的寄存器主要有：译码控制寄存器、亮度控制寄存器、扫描界 限寄存器、关断模式寄存器、测试控制寄存器。编程时只有正确操作这些寄存器， MAX721 才可工作。

　（ 4 ）亮度控制寄存器（ OAH MAX7219 通过加在 V+ 和 ISET 之间的外部电阻来控制显示亮度。段驱动电流 一般是流入 ISET 端电流的 100 倍。这个电阻可以是固定的，也可以是可变电阻， 通过前面板控制以选择合适的亮度：其最小值为 9.53Kohm 它设定段电流为 40mA 显示亮度可以通过亮度寄存器来控制。

　数字控制显示亮度是通过亮度寄存器的低四位来控制的脉宽调制器来控制。

　调制器将段电流平均分为 16 个阶次，最大值为由 Rset 设置的最大电流为 31/32 ， 最小值为电流峰值的 1/32 。

　244.4 MAX7219 与单片机连接电路 MAX721% 单片机连接如下图，单片机通过 P2.0 （ CLK 、 P2.1 （ LOAD 、 P2.2 （ DIN ）三根控制线完成显示操作。

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　MAX7219 与单片机连接图 245 红外通信模块 本智能电表系统需要完成与抄表器数据传输功能，红外通信具有控制简单、 实施方便、传输可靠性高的特点，是一种较为常用的通信方式。使用手持红外抄 表器通过遥控的方式，来完成电度表用电量的抄录、设置表电流互感器系数等工 作。实现单片机系统红外通信的关键在于红外接口电路的设计以及接口驱动程序 的设计。

　2.4.5.1 红外通信的基本原理 红外通信是利用 950nn 近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信 道。发送端采用脉时调制（ PPM 方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉 冲序列，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送出去；接收端将接收到的光脉转 换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调， 还原为二进制 数字信号后输出。简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与 解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调e

　第 22 页共 30 页

　 245.2 红外通信接口的硬件电路设计 单片机本身并不具备红外通信接口，但可以利用单片机的串行接口与片外的 红外发射和接收电路，组成一个应用于单片机系统的红外串行通信接口。

　（ 1 ）红外发射模块的实现 红外发射模块主要包括脉冲振荡器、与非门、驱动三极管、红外发射管等。

　其中脉冲振荡器选用 38K 晶振，用于产生载波信号；红外发射管用来发射 950nm 的红外光束。发射模块工作方块图如下图所示。

　本系统采用基于 UAR 口的红外发射电路，此模式是红外通信原理与串口通信 原理的有机结合。红外发射器的原理：串行数据由单片机的串行输出端 TXD 送出, 经两级与非门驱动 PN 三极管 , 数位‘ 0 "使三极管导通。

　38K 晶振与电阻、电容及 与非门组成振荡器以产生 38KH 濒率载波，并通过与非门对串行数据进行调制。

　调制出的信号经过三极管基极的红外发射管以光脉冲形式向外发送信号。数位 ‘ 1 "时三极管截止，红外发射管不发光。其设计电路如图：

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　第 24 页共 30 页

　（ 2 ）红外接收模块的实现 如图为红外接收的工作方块图，其主要控制组件为红外接收模块，其内部 含有高频载波电路，专门用来滤除红外线合成信号的载波信号（ 38KHZ 而送出 发射器的控制信号。当红外线合成信号进入红外接收模块， 在其输出端便可以得 到原先的数字控制编码，只要经过单片机译码程序译码即可。

　_n_n_n_ 红外接收器部分我们采用红外专用接收集成电路 HS003 来完成红外信号的 光电转换及接收。

　HS0038 是塑封一体化红外线接收器，它是一种集红外线接收、 放大、整形于一体的集成电路，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到 输出与 TTL 电平信号兼容的所有工作，没有红外遥控信号时为高电平，收到红外 信号时为低电平 ， 它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。

　系统中我们将红外接收器输出数据直接连接到单片机的串口接收 RX 端，单 片机读取串口接收缓冲寄存器并译码即可还原信息。其电路如图:

　246 键盘模块 设计中键盘作用主要用来设置电表号和电流互感器系数，有功能选择键

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　红外发射模块电路图 红外接收模块电路图

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　系统键盘与 CPU 连接图

　247 485 通讯模块 本智能电表系统采用 RS-485 差分总线收发器 75LBC18 进行 485 通信，它性能 优于 MAX485 75LBC18 采用单一电源 +5 V 工作，额定电流为 300 卩 A, 采用半 双工通讯方式。它完成将 TTL 电平转换为 RS- 485 电平的功能。

　MAX48 芯片 的结构和引脚都非常简单 ， 内部含有一个驱动器和接收器。

　R 丙 DI 端分别为 接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的 RXD 和 TX ［相连即可； /RE 和 DB 端分别为接收和发送的使能端，当 /RE 为逻辑 0 时， 器件处于接收状态；当 DE 为逻辑 1 时，器件处于发送状态，因为 MAX48 工作 在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可； A 端和 B 端分别为接收和发送的差分信号端 , 当 A 引脚的电平高于 B 时，代表发送的 数据为 1 ;当 A 的电平低于 B 端时，代表发送的数据为 0 。在与单片机连接时 接线非常简单， 75LBC18 与单片机连接图如图

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　第三章系统软件设计 在微机测量和控制系统中，软件的重要性与硬件同样重要。系统的硬件电路 一旦确定以后，系统的主要功能还需要通过软件来实现。如果说硬件是躯体，那 么软件则是灵魂；如果说硬件决定了产品的造价，那么在硬件设计合理的前提下， 软件在很大程度上就决定了产品的性能。

　因此，智能仪表的设计很大程度上可以 说是软件的设计，系统使用的方便性和灵活性主要体现在计算机的软件设计上。

　对高可靠性要求的远程抄表系统的设计就更是如此。

　3.1 软件设计的基本原则 为了满足远程抄表系统的设计要求，应根据以下基本原则进行软件的编制：

　1. 易读性和易维护性。这通常是指软件系统容易被发现和纠正错误，容易 修 改和补充。由于生产过程自动化程度越来越高，测控系统的结构也日趋复杂， 设计人员很难在短时间内就能对整个系统理解得准确无误，软件的设计与调试 也不 可能一挥而就，在发现问题时又要便于修改和完善。

　在软件的设计方法中， 结构化程序设计就是最好的设计方法之一， 这种设计方法是由整体到局部，再由 局部到细节 ； 先考虑整个系统所要实现的功能，确定整体目标，然后把这个目标 逐步分解成一个个任务，任务又可以进一步分解成若干个子任务，这样逐层细分、

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　 逐个实现。在此过程中可能会有一些问题逐步暴露， 这就要求软件易被修改，那 么，结构化设计就是最好的设计方法。

　智能电表系统的软件设计就是采用上述模块化设计方法。这样，不但使得设 计目标明确、思路清晰，而且在检错和系统联机调试时也较为方便。

　如果每个子 程序都能单独运行，那么，像搭积木一样，把他们联合起来的时候，只要安排恰 当，一般来说不会有太大的问题。即使有问题也可以根据问题的种类和现象来进 一步判断是哪一部分出了问题，也为系统功能的扩充和移植提供了很大的方便。

　2. 可测试性。系统软件的可测试性有两方面含义 ：

　其一是较容易制定出测试， 并据此对软件进行测试 ； 其二是软件设计工作完成后，首先在模拟环境下运行， 经过静态分析和动态仿真运行，证明准确无误后才可投入实际使用。

　3. 准确性。这对整个系统具有重要意义，对远程抄表系统而言就更具有实 际意义，其结果的准确程度直接关系到千家万户的切身利益。

　因此，在算法选择 和位数选择方面要满足实际要求、运算结构要符合国家相关的技术标准。

　4. 实时性。它是检测系统的普遍要求，即要求系统及时响应外部时间的发生， 并及时给出处理结果。近年来，由于硬件高度集成化和速度的提高， 配合相应的 软件，系统实时性的要求较容易得到满足，特别是对于使用汇编语言编制的软件。

　5. 可靠性。它是系统软件最重要的指标之一，该要求有两层意义 ：

　第一是运 行参 数环境改变时，软件能可靠地运行并给出正确的结果，即要求软件具有自适 应 性 ； 第二是在环境恶劣、干扰严重的情况下，软件必须保证系统也能可靠地运 行, 这对系统的整体可靠运行尤为重要。

　3.2 系统软件设计 3.2.1 接收数据与通信的程序设计 主程序中的串行中断打开，使它处于 PC 机的接收状态，还要用中断的模式 来定时的收集数据采集模块中的能量数据。这里的主程序就该处于接收等待状 态，且一直与上位PC 机处于通信状态，当 PC 机发送命令时，主程序就中断， 去 接收数据采集模块中的能量数据，且在接收 PC 机命令成功时，设置接收成

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　 功的 标志。这个时候主程序就处于延迟状态，等待采集程序处理，如图 所示:

　接收数据与通信程序

　322 数据采集子程序 PC 机向数据采集发送不同的命令，包括设置参数，抄表数据，保存数据，设 置户号，电表数据清零等。这样数据的采集就需要一个个的去看 PC 机发送的 什 么命令，根据命令的不同来分支一步一步的处理，如图所示：

　第 29 页共 30 页

　323 显示子程序 电表在运行的过程中，各个用户的电量在不断的累计相加，并且进入存储器 的电量储存单元中，根据程序的设计要求，每隔一段时间显示模块就显示用户的 信息，诸如用户号，用电量等。依次循环，在等到最后一户的电量的信息显示完 毕就对所有用户的电量进行合并显示。程序流程如图所示：I LF J" I

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　324 红外通信程序 进行红外通信之前，通信双方首先要根据系统的功能要求制订某种特定的通 信协议，然后才能编写相应的通信程序。在电度表抄表系统中，红外通信的一方 是单相电度表，另一方是手持抄表器，双方约定当电表接收到抄表器发送来的“抄 表指令”( OAAH 时，发送电表机号和电量数据。

　电能表红外通信采用串口通信，并采用串口中断方式。初始化需要设置串口 工作方式、波特率、串口中断，初始化程序如下。

　MOV SCON, #50H ; 设置串口工作方式 1 MOV PCON,#80H ; 波特率加倍 MOV TMOD, #20H ; 定时器 1 共作在方式 2 MOV TH1,#0F3H ; 定时器初值，波特率 4800bit/s MOV TL1,#0F3H SETB EA ; 开总中断 SETB ES ; 开串口中断 CLR P3.7 ; 禁止红外发射 红外串口中断程序中，通过对 PSW.4 置位换当前工作寄存器； P3.7 是红外 发射控

　制端，当其低电平时禁止发送，高电平发送有效。红外中断服务程序的流 第 28 页共 30 页

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　 程如图

　 红外中断程序流程图

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　1 I I 、 ・ ・"lh»・ ・r 第 33 页共 30 页

　 第四章总结 本系统实现了对电能的精确测量及智能化管理，可以正常显示电量、存储数 据、键盘控制、串行通信及红外通信，基本完成了预期设计目标，证明了该设计 方案的可行性及正确性。

　三项智能电表多功能化、智能化的实现体现了其相对于传统电表的区别及先 进之处，为我们建设“智能电网”的实现提供了技术支持，方便了工用、民用生 活，证明本次设计研究具有广阔的实际意义和市场前景。

　总结设计过程，我们可以得出一下几点结论：

　•系统设计时，一定要遵循“软件与硬件相结合”的原则。采用硬件来实现 一些功能 , 可以提高速度 ， 减少存储容量和软件研制的工作量 ， 但会增加硬件成本 降低硬件的利用率和系统的灵活性与适应性。

　相反 ， 若用软件来实现某些硬件功 能可以节省硬件开支 ， 提高灵活性和适应性 ， 但相应速度要下降 ， 软件设计费用 和所需存储容量要增加。

　•软件编程语言选择时，一定要具体问题具体分析。单片机 C 语言编程，可 读性好，但代码效率低，适合编较大程序和整体程序；单片机汇编语言代码执行 率高，但可读性差，适合编较小程序和子程序。

　•考虑实际需要，该智能电表可以改用 LCD^ 便可以显示更复杂的内容；键 盘也可以改为矩阵式键盘以对电表进行更复杂的控制； 系统可以设计成带 IC 卡的 预付费电表，更方便的实现缴费功能。