电能计量表设计.doc

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1、本科毕业论文(设计)题 目：基于CS5460A的单相电能计量表的设计学 院： 自动化工程学院 专 业： 电子信息工程 姓 名： 指导教师： 2012年 5 月 28 日摘 要本论文设计了一种可用于家庭用户的数字电能表计量系统，利用CS5460A电能芯片采集电压、电流信号，再通过单片机对电能芯片的操作，读取用户所用的电能数据，并能够进行远程抄表。本次设计中，采用了STM32F03R6单片机作为系统的控制核心，具有超快的运行速度、高集成度、工作可靠等优点。电能计量芯片CS5460A的应用大大减轻了微处理器的负荷，与传统电度表相比，具有高灵敏度、准确度、防止窃电等特点，使电能表的整体性能和可靠性大大

2、增强。本次设计是基于CS5460A的单相电能表是一种比较理想的电量计量仪表，可以实现集中抄表，用电监测和信息统计等方面的计算科学管理，从而提高用电管理的工作效率和管理层次，缓解用电矛盾，带来极大的经济效益和社会效益。关键字 CS5460A 单片机 远程抄表 电能表ABSTRACTThis article designed a new kind of intelligent electric meter based on CS5460A chip. It elaborated its principle of work and the software and hardware design m

3、ethod. Its main functions includes: the electrical energy measurement, the time sharing duplicate expense, long-distance automatically copies the table, and the RS485 bus copies the table and so on.The system use MCU STM32F103R6 as the control core of the system which is low power consumption and hi

4、gh reliable work. The use of electricity power CS5460A chip reduces Microprocessor load and power greatly，compared with the tradition of watt-hour meter with high sensitivity and accuracy, to prevent stealing and so on, greatly enhanced theoverall performance and reliability of the energy meter. The

5、 design of intelligent electric meter is an ideal power measurement system. It can achieve concentration meter, power detection and information statistics, etc. The advantages improve the working efficiency and management level. So the intelligent electric meter brings enormous economic benefit and

6、social benefit. KEY WORDS CS5460A SCM remote meter electric meter目 录前 言1第1章 电能计量表的发展及意义21.1 电能表行业发展的状况21.2 研究意义3第2章 本课题的主要内容与方案比较42.1 课题的主要内容42.1.1 电能计量表4 2.1.2 电能计量芯片42.1.3 电能的测量原理及方法52.2 离散采样电量测量的原理52.3 CORTEX-M3与STM326第3章 系统结构及原理83.1 概述83.2 电能计量单元介绍83.2.1 电能芯片的简介83.2.2 电能芯片的工作原理103.3 STM32F103R6单

7、片机133.2.1 单片机选取133.3.2 单片机的工作原理143.4 时钟电路153.4.1 芯片介绍153.4.2 芯片工作原理163.5 电源电路173.5.1 数字电源173.5.2 模拟电源183.6 复位电路183.6.1 芯片介绍183.6.2 芯片工作原理193.7 键盘输入电路193.7.1 电路工作原理193.8 显示电路203.8.1 显示电路的实现原理203.9 串口通信电路213.9.1 串口通信芯片介绍213.9.2 芯片工作原理21第4章 软件部分234.1 软件系统的介绍234.2 各功能流程图24结束语28致 谢29参考文献30附 录31附录1：CS5460

8、A数据的读写31附录2：按键子程序34附录3：显示子程序35附录4：存储子程序36附录5：通信子程序41前 言随着社会的不断进步和人们生活水平的不断提高，人均每户的用电量也得到大幅度的增加，使得“一户一表制”这样的制度得到大面积的推广，同时针对电能计量表的需求和要求也得到进一步的增加。采用智能化和全面化的远程控表系统，全自动计算电量、计算费用、自动控制原理等方法可解决在人工抄表当中存在的诸多问题，比如：它可以减轻劳动人员的劳动强度，提高综合管理水平等。所以这里需设计一种超低消耗的单相电能计量表。对于电能计量表的设计已有很多研究和相关论文的发表，本设计的优势在于功耗低、速度快。传统的电能计量表的

9、功能单一，准确性也低，频率使用范围窄，这些缺点都不利于未来人的社会生活，本设计介绍的是一种基于CS5460A的单相电能计量表。CS5460A电能芯片，是CIRRUS LOGICAL公司推出的用于测电流，电压，功率等的芯片，其精度高，性能强且成本低。该芯片具有自动引脚模式的功能，不仅能使芯片独立工作，而且得电时芯片能自动的初始化，再由外部的电可擦可编程只读存储器 E2PROM引导开始工作，并输出从中读取数据，再将信号输送给单片机。假如用于高容量或家庭，为了降低成本，还可以不用微控制器而独立工作。本设计还采用STM32F103R6单片机,所以另一个亮点就是超低功耗。节能低耗也是未来生活的一个重要的

10、要求。同时增加了STM的高性能的外设设备资源，FLASH、SRAM等闪存存储器，并接有非常丰富的串行通信接口。多达51快速I/O接口，I/O资源是非常丰富的，因此可以节省很多器件以及可以降低功耗。由于电子式电能计量表具有数字通信接口的功能，使得电能的计量和用电的管理等新型的自动化监测系统都得到了大量使用，在远程抄表系统中如果采用RS485串行通信系统，能够极大的提高系统的可靠性和稳定性。第1章 电能计量表的发展及意义 1.1 电能表行业发展的状况 电能表在世界上出现已经有一百多年的历史了，最早的电能表是1881年根据电解的原理研制而成的，虽然这种电能表体积巨大，重量也十分惊人，而且又无精度的保

11、证。但是它仍然成为世界科技史上的一项重要发明而受到研究者的重视和赞扬，并很快地被运用到工业设计中来。随着科学技术的不断发展，1888年，随着交流电的发现和应用，电能表又遇到了新的挑战。经过科学家的努力研制，感应式电能表应运而生了。由于感应式电能表与其相比结构更简单、操作更安全、而且便宜耐用、又便于人员维修和批量生产产品等一系列的优点，所以发展进程非常快。随着日新月异的高新技术变化，特别是和电子相关技术的迅猛发展，电能计量表的产业的结构已经发生了翻天覆地的变化。电子计量表的高精度、多功能、自动抄表等优点，在未来的几年时间内，将逐步代替原有的传统的机械式或复杂的电子计量表而成为新的发展主流。 目前

12、，在我国的电能计量表中感应式电能计量表仍然占有相当大的市场，由于价格和使用环境等不同因素的限制，预计城市用户则会逐步推广电子式电能计量表，而农村用户还将继续使用感应式单相表。而峰谷分时电价和避峰电价政策的相继出台，使得家庭电能计量表市场需求得到将进一步扩大。由于国内电子计量表市场趋于饱和电子计量表生产从高速增长期进入适度增长期，整个行业生产能力也过剩，行业内竞争变得更加的激烈，市场相对利润也会有所下降；同时，由于市场的开放伴随更多国外企业参与国内电子计量表市场竞争，导致我国电子计量表企业经营环境发生巨大变化。但由于国内电子计量表设备的质量普遍较高和价格也较低廉，因而具有相当大的产业优势。因此近

13、年来我国的电子计量表等电子产品大量出口到阿拉伯、东南亚和非洲等国家和地区，并逐步的打开欧美市场9。电子计量表具有的数字通信接口，使得电能计量及用电管理自动化系统都得到大量利用和开发，实用性和可靠性都得到了很大提高。近年来由于电力供求缩紧，电子计量相关产业得到发展。即使未来电力保持充足，从节能减排的当前的价值观点出发，这种对于能够严格控制电量使用和发展节约能源的方法具有非常实际的意义。面对社会的不断进步，全面提高电能计量表的生产模式，尤其是技术含量高的产品的综合市场竞争力，重点是突破现有的开发困境，使电能表从价格、数量等低技术含量的方式转变为高新技术的优势，这是当前电能计量表行业的总体发展趋势，

14、而技术含量高的产品经济效益更高，收益也更好，这必然成为今后发展的重中之重。所以要想发展电子式电能表，关健还是在技术上。1.2 研究意义 随着我国电力市场的完善和发展，供电已成为一种纯粹的商业行为，经济稳步发展促使各行各业及家庭用电量的增多，电费已成为企业、家庭和社会都不可忽视的生活成本和支出。电能计量设备的精准与否，关系到人民和企业的利益关系，也关系到电力部门的诚信问题。同时，社会发展也对电能测量的现代化也增加更多的要求，比如人机通信、远程抄表等。电能计量表专用芯片CS5460A集成A/D转换、计算、滤波、系统校准等多种功能10，能够帮助人们测量多种电能参数，而且设计中还简化了单相电能表的软件

15、部分和硬件设计，不仅提高测量时的精确度，其性能也远远优于同类的其他单相计量芯片，采用STM32F103R6运行速度快和低功耗，符合国家节能减排的未来趋势。所以用CS5460A设计的单相电能计量表，不仅能够满足电力部门的多种需要，而且满足家庭的需要，所以拥有广阔的市场前景。第2章 本课题的主要内容与方案比较2.1 课题的主要内容2.1.1 电能计量表 普通单相电能表由驱动元件、制动元件、转动元件、上下轴承、计度器、接线端子盒、底座和表壳等构成。 （1）驱动元件：包括电流驱动元件和电压驱动元件。（2） 制动元件: 由永久磁铁钳制而成，圆盘转动时会产生制动力矩，能够控制圆盘的转速，从而使圆盘的转数能

16、够反映出被测的电能量值。（3） 转动元件：由竖转轴和转盘用铝合金压铸在一起组成。（4） 轴承：分为上轴承和下轴承。上轴承主要有导向的作用，下轴承不仅用来支撑转动元件，还用来减少转动时产生的摩擦力矩。 （5） 积算机构：用来累积圆盘的转数，计算或累计电能值。（6） 调整装置：用于改变制动力矩和补偿力矩的数值，改变和满足人们对于准确度的要求。2.1.2 电能计量芯片电能计量芯片主要由电压互感器和电流互感器、计算机系统及计算机显示部分、信号输入电路和按键部分等组成。电能芯片主要完成对输入进来的信号进行A/D转换，然后再对其电量的数据进行处理。采用电能计量芯片的电能计量表，从构成上看，比数字化的采样方

17、案的会更具有优越性，它可以节约能源和设备省略一些不必要的单元。本设计要求设计单相电能计量表，显示和控制功能较多，需要的单片机I/O接口也较多，所以必须以单片机为中心组件。目前社会上的电能专用芯片有很多不同的特点，例如，有低功耗(一般为几十毫瓦)；高性能(具有性能优越的A/D转换器，使转换误差更小)；高精度(测量误差大多小 0.3%)及高度集成等，这些都为科学家设计可靠性更高、功能多样化的单相电能计量表提供了比较有利条件。因此，我们采用基于电能计量芯片的电能计量表作为本设计的方案。目前，市场上较为常见的单相电能计量芯片有美国AD公司的AD7751和7755、德国CIRRUS LOGICAL公司的

18、CS5460A。我们在这里选用了基于-调制 A/D 转换技术的CS546OA芯片。 CS5460A可以用来测量瞬时的电流与电压、电压和电流的有效值、瞬时功率等电能参数，测量结果会以24位有符号或无符号的2进制码存储在内部寄存器当中，所以可以用CS5460A设计单相电能计量表。另外，CSA5460A还提供了电能计量脉冲输出端口和功率方向端口，可以让我们很方便地将它与单片机连接构成简单的电能表。CS5460A性能优于其它单相计量芯片。目前，供电部门对用电客户的统计参数越来越多，如：有功、无功、瞬时电压和电流、瞬时功率等等。而CSA5460A芯片可以统计并提供这些电量参数，并将它设计在电能表中，其功

19、能强大足以满足供电部门需求，所以市场前景非常的广阔。2.1.3 电能的测量原理及方法 对于单相电能计量表来说，最重要的功能就是实现对电能的测量。有功电能测量可以描述为：在 t 时刻内流过元件负载两端的交流电压和交流电流的表达式为： （2.1） （2.2） 其中，u (t) 、i (t)分别为 t 时刻电压的瞬时值和电流的瞬时值；Um 为电压的峰值；Im为电流的峰值；U为电压的有效值；I为电流的有效值；代表电流与电压的相位差；代表角频率。则在一个周期以内平均有功功率 P 为： （2.3）一个周期以内的电能 W 为 （2.4） 电能测量单元都是以式(2.4)为理论基础推导而形成的。实际上用户在使用

20、电能计量表的过程中，数值是不断变化的，根本无法快速而准确地测得每个周期的电压有效值、和电流有效值，所以我们只能采用离散采样来测量。2.2 离散采样电量测量的原理 电压和电流是测量电能中两个最基本的电量，要想计算电压有效值、和电流有效值，我们往往需要将连续电量离散采样，得到电量的离散表达式。根据电工理论原理可以得出，一个周期T时间内变化的交流电压信号、交流电流信号，电压有效值和电流有效值分别表示为 （2.5） （2.6）我们将在时间上连续的的电压信号 U(t) 和电流信号 I(t)，通过A/D转换和采样保持的方式，将其转化为在时间和幅度上均为离散数字信号的U(n)或I(n) 。离散形式的电压有效

21、值和电流有效值分别可表示为 （2.7） （2.8）上式中 N 表示为电压信号 u(t)或电流信号 i(t)在一个周期内分布的均匀采样的点数。我们只需根据采样定律就可以得出，要想不失真地恢复出被测的信号，N所对应的采样频率必须高出输入的模拟信号频率的两倍。同理，可得出功率P和电能E的计算表达式 （2.9） （2.10） （2.11） （2.12） 这样，我们就能测量出我们需要的电能了。2.3 CORTEX-M3与STM32CORTEX-M3是2005年ARM公司发布其最新一代ARM v7内核，在以往的架构上有了革命性的突破，性能上更是有了本质的飞越11。Cortex-M3采用了目前最新的单线调试

22、技术，它专门拿出一个引脚做调试用，从而进一步节约了调试费用。与此同时，Cortex-M3中还集成了存储器、控制器等，这样我们可以直接在MCU上外连Flash存储器，这样可以降低设计难度与应用障碍。STM32是STM公司在目前最新推出的基于ARM 的Cortex-M3内核产品，继承了Cortex-M3内核的优点，同时又增加了STM高性能的外设资源，有FLASH、SRAM存储器和丰富的串行通信接口，如IIC、SPI、USART、CAN、USB，以及12位的ADC和DAC创建模块，支持单片机外部存储器更灵活的访问静态存储器控制器FSMC。第3章 系统结构及原理3.1 概述 本设计系统结构如图3.1所

23、示，通过CS5460A读取用户所用的电能数据，实现电能计量。然后由微控制器STM32F103R6进行处理并通过显示模块进行电流、电压、变比和功率的显示。同时把数据存储于存储芯片以便于日后查看。电压采集电流采集 电能计量系统 CS5460A 微控制器 STM32F103R6复位电路显示模式键盘模块 存储器时钟芯片RS485总线图3.1 原理框图3.2 电能计量单元介绍3.2.1 电能芯片的简介CS5460A是美国Cirrus Logic公司最近推出的，带有串行接口的单相双向功率/电能计量高度集成的电路芯片，目前CS5460A主要被运用在单相电子计量表和三相电子计量表中的设计中。不同于以往的CS5

24、460芯片，该芯片具有的自动引脚模式功能，能使芯片脱离单片机单独工作，当得电时又能自动开始初始化，由外部的E2PROM引导后独立开始运作，并从中结果读取出数值，如果是为了其高容量和降低生产成本，用于家庭中时，在此模式下，CS5460A芯片也可以与微控制器连接，直接让它独立工作。除了这些以外，CS5460A芯片的综合性能也比其他同类计量芯片更好，其主要表现在：(1)芯片的转换精度之高，测量功能之强。芯片的转换精度不仅达到了0.1级，也可以实现0.2级的测量仪表。它是可以测量瞬时电压与电流、电流与电压有效值、瞬时功率、功率有效值等多种不同的电量参数的电能计量芯片，这在现在的测量芯片中是并不多见的。

25、(2)芯片外围元器件非常少，它具有的内部电源监视器和片内看门狗定时器(WatchDog Timer)，只需用很少的外围元器件便可以实现所需要的转换功能，这为确保了仪表的转换精度和仪表功能的稳定性提供保障。(3)芯片接口方便。芯片内部寄存器阵列，而接口是双向串行接口，通常我们只需要用很简单的几根连线就可将它与单片机连接起来，这样对于使用者来说更便利，同时它还具有的内部寄存器数组，它的功能很强大，使得我们能更好的拓展功能。针对上述这些特点，我们选择CS5460A芯片，可以达到我们要的效果。（4） CS5460A管脚图。晶振输出CPU时钟输出正数字电源数字地串行时钟输入串行时钟输入片选模式选择差模电

26、压输入差模电压输出电压参考输出电压参考输入晶体输入串行数据输入能量方式指示能量输入中断复位不连接掉电监视器差模电流输入差模电流输出正模拟电源模拟地 图3.2 CS5460A管脚图(5) CS5460A原理图。 图3.3 CS5460A原理图 3.2.2 电能芯片的工作原理CS5460A是基于调制的A/D转换技术，调制A/D转换器是近几年来发展起来的一种有别于传统的模数转换器【1】。它是对单频正弦信号和噪声成型滤波、数字信号的一种过滤技术。它的优点在于高分辨率、高速度、高线性度，而且成本低。目前这项技术已经成为主流技术，并运用到高分辨率A/D转换器上。CS5460A内部结构如图3.3所示，CS5

27、460A包括了一个固定的电压增益放大器和可编程增益放大器，一个功率计算引擎和一个串行接口和两A/D转换器(包括数字滤波器)。当输入电压和电流转化成数字信号后，的A/D转换器对输入功率进行数字信号处理，这样就可以计算出瞬时电压和瞬时电流、瞬时功率、电能、电压有效值、电流有效值等。CS5460A自动将测量结果存储在24位寄存器中,但它不是真正的测量的结果,这还需要乘以相应的系数才会是最终结果。将测量结果通过串行接口，经过三个总线可以同微控制器和数字信号处理器(DSP)连接。其连接图如3.4。图3.4 单片机与CS5460A连接图 CS5460A在5v电源下运行。电流通道输入范围为30mV或150

28、mV，电压通道输入范围为150 mV。在VA中用5v电源供电时，CS5460A可以承受范围为025v到VA的共模信号【12】。由于总功耗500mW；（VA）（VA）60v。所以电压通道和电流通道中需要连接电压互感器和电流互感器单。电流、电压均采用差分输入方式，为实现最佳差分输入，R10和R11、R8和R9采用温度系数小、阻值严格匹配电阻串联而成，R13阻值由被测信号最大值决定。 图3.5 采集电路图 本设计采用脉冲500个来代表一个千瓦时（kwh），当给定的最大电源线电压为250V，最大电源电流为20A（此时CS5460A的管脚Iin+和Iin-之间电压有效值为150mV），脉冲速率的设定值不

29、由额定线电压和线电流来决定，但是必须考虑到最大线电压和线电流的值，所以我们能算出传感器增益常数Kv和Ki的值分别为： (3.1) (3.2)电能计量芯片最大的电源线电压与电源线电流对应的电压有效值和电流有效值寄存器的值均为0.6。这样我们可以计算出脉冲速率的寄存器PR的设定值【13】为： (3.3)但脉冲速率寄存器的值不能被精确的设置为1.929Hz，最接近的设置为0x0003E=1.9375。为了提高我们计算的精度，我们把所有增益寄存器都设定为可编程的，用此方法可矫正PR产生的四舍五入的误差。再由电压通道的增益寄存器为Vgn，电流通道的增益寄存器增益为Ign，此值可计算如下： (3.4)3.

30、3 STM32F103R6单片机3.2.1 单片机选取 在此设计中单片机作为系统的核心部分，所以它的选择也是非常重要的。由于设计的是单相电能计量系统，所以他的运行速度及功耗是必须考虑在内的。由于STM32F103R6具有一下特点，在此，选用STM32F103R6作为单片机设计单相电能计量表【2】。单片机特点：a.内核。ARM 32位的Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHZ，具有单周期乘法和硬件除法，超快运行速度。b.存储器。它具有64K字节的闪存程序存储器，高达20K字节的SRAM时钟、复位和电源管理，2.0-3.6V供电，上电/断电复位（POR/PDR）、可编程电压监测器（PVD

31、）。c.低功耗。具有睡眠、停机和待机模式3种模式。d.模数转换器。2个12位模数转换器，1us转换时间（多达16个输入通道），转换范围：0至3.6V。双采样和保持功能。温度传感器。f.DMA。具有7通道DMA控制器。e.多达80个快速I/O端口，几乎所有的端口均可容忍5V信号。g.调试模式。串行单线调试（SWD)和JTAG接口。h.多达7个定时器。3个16位定时器、1个16位带死区控制和紧急刹车、2个看门狗定时器（独立的和窗口型的）和1个系统时间定时器。i.多达9个通信接口。j.CRC计算单元。kECOPACK封装。l.STM32F103R6管脚图。图3.6 STM32F103R6管脚图 所以

32、在此系统中选择STM32F103R6作为设计的核心。虽然它的价格比89C51的高，但是它的运行速度及功耗低之低是无法比拟的，也可以方便我们未来继续拓展其功能，我们选STM32F103R6做为本次课题所需的单片机。3.3.2 单片机的工作原理通过附图可以看出，单片机的接口非常简单，分别采用单片机的一般I/O口实现与其它电路的接口，该系统的时钟部分都是采用两个晶体振荡器实现的3。为了考虑到电源的输入对单片机的影响，在电源的管脚增加一个0.1uF的电容来实现滤波，它可以减少输入端收到的干扰，进而增加精确度。 在完成软件设计以后需要把程序下载到单片机当中，所以需要安装JTAG，其接口如图3.7. 图3

33、.7 单片机电路图3.4 时钟电路 3.4.1 芯片介绍电能计量表中必须要添加实时时钟。实时时钟通常分为软时钟与硬时钟两种。硬时钟由独立的实时时钟芯片组成，其准确度与单片机无关，不易产生误差，增加精确度。本设计就采用这种方法选用了PHILIPS公司的PCF8563。PCF8563是一款针对低功耗而优化的CMOS实时时钟/日历芯片，符合本设计中低功耗的要求。PCF8563提供一个可编程时钟输出、中断输出和掉电（voltage-low）检测器。芯片通过一条双线双向的IIC总线串行传输所有的地址和数据4。芯片内置的地址寄存器在每次写入或读取数据字节后会自动加1。 芯片特点：a.芯片提供年、月、日、星

34、期、时、分和秒等信息。b.工作电压：1.8V5.5V。c.低后备电流：0.25A（VDD3.0V，Tamb25时）。e.400 kHz的双线IIC总线接口（VDD1.8V5.5V时）。f.外围设备的可编程时钟输出（32.768kHz，1024 Hz，32Hz和1Hz）。g.报警和定时器。h.内部集成了振荡电容。i.片内上电复位。j.IIC总线从地址：读:A3H；写:A2H。k. 开漏中断引脚 PCF8563芯片具有多种功能：定时器功能、报警功能、中断输出功能及中断输出功能时钟输出功能，以及可以独立完成系统设定的各种各样的复杂的定时服务。另外该芯片还具有看门狗电路, 内部含有时钟电路、低电压检测

35、电路(110V)、振荡电路以及还有两线制的IIC 方式的总线通讯功能,尤其是该芯片采用的IIC总线串行的传输方式，不仅可以使外围电路变得更加简单，而且它还增加了该芯片的可靠程度。3.4.2 芯片工作原理 SDA是PCF8563芯片的双向引脚，可将其用于串行数据的输入输出；SCI为PCF8563芯片的时钟输入端，系统数据从时钟信号的同步输入器或者从芯片的器件中输出；OSCO为反相放大器的输出端；OSCI为反相放大器的输入端；INT为系统中断信号的输出端，INT为低电平有效，系统可以通过给它设置报警寄存器的功能使之按其在指定的时间内让引脚产生连续的报警信号。SDA、SCI、INT都是漏极开路，并负

36、有上拉电阻等元器件。本系统PCF8563与STM32F103R6接口采用附图所示接口方案5。接口部分可以采用3根口线方式连接，连通后PCF8563的INT引脚会产生周期为1s的脉冲中断信号，再由STM32F103R6的引脚作为其中断触发信号，当产生中断后，PCF8563的基准时间就会被IIC总线读取。其电路图如3.8。图3.8 时钟电路从图3.8可以看出电路中使用3V的纽扣电池6，这是为了防止断电后时钟电路停止计时。纽扣电池,也叫扣式电池,是指外形尺寸像一颗小纽扣的电池,一般来说直径较大,厚度较薄。在系统中用的是3V可充锂离子扣式电池。锂电池是一种由锂金属或者锂合金材料组合为负极，并使用非水电

37、解质的溶液与材料混合而组成的电池。电池内部则采用了一种螺旋绕制的结构，并且利用一种渗透力极强而且非常精细的聚乙烯薄膜，放入电池的正、负两极间并将其间隔而成。电池的正负极两级的电流收集级分别由铝薄膜和铜薄膜组成组成。而电池的正负两级的锂离子收集极则由锂金属和二氧化钴等氧化物和片状的碳原子材料组成。并且向电池内充上有机的电解质溶液。另外电池内还装有PTC元件和安全阀，以便于当电池处于不正常的工作状态及输出短路时能保护电池不受电量瞬时变化的损坏。锂电池的特点：a.具有更高的能量重量比和体积比；B.电池电压高，单节锂电池电压为3.6V，约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压； C.电池自放电小，可长时

38、间存放，这是该电池最突出的优点；3.5 电源电路3.5.1 数字电源整个计量表采用5V和3.3V供电，由于电能计量芯片和单片机硬件系统都对电源要求比较高，包括了需具有稳压功能和纹波小这些具体的要求，另外我们也必须考虑到采用STM32F103R6这样的硬件系统的超低功耗等特点。因此该硬件系统部分采用7805和TPS76033芯片来实现我们的功能要求，该芯片能很好的满足我们设计的要求，并提供+5V和3.3V的稳压电源。该系统首先通过变压器使220V的交流电变成12V的交流电，再通过整流电路使交流电变成直流电，进而通过一系列的滤波电路使7805的输入端为稳定的10V直流电，通过7805芯片后电源变成

39、+3.3V的直流电，此系统为其他芯片提供+3.3V稳压电源。其电路图如3.9。图3.9 +3.3V电路图在2V稳压电源的电路中为了使输出电源的纹波小，在输出部分用了一个C27和C28，另外在芯片的输入端也放置另一个C26，都作为滤波电容，以减少输入端收到的干扰，这样可以让纹波变得更小。电路图如3.1。 图3.10 2V稳压电源图3.5.2 模拟电源 本设计中电能计量芯片CS5460A的VA+和VA-需要+5V和0V电源，所以设计里要为芯片CS5460A提供模拟的+5V稳压电源。其电路图如3.11。图3.11 模拟电源3.6 复位电路3.6.1 芯片介绍本设计的单片机系统中，通常单片机的复位电路

40、可采用R-C复位电路，也可以采用复位芯片。由于R-C复位电路采用的单一电阻元件，相比之下采用复位芯片来说，更便宜，但是可靠性不高。故而本设计采用MAX809芯片，虽然价格增加却保证了复位电路的可靠性。MAX809芯片是一种只有单一功能的微型处理器的复位芯片，可将此芯片用于监控微处理器的运转或者监控其它逻辑控制系统的电源电压。它可以在上电、掉电和节电情况下向单片机提供复位的信号。当电源的供电电压低于所限定的门槛电压时，芯片就会发出使其芯片复位的复位信号，这一阶段会一直持续到电源的供电电压又恢复到高出我们所限定的门槛电压为止。MAX809芯片采用17uA的低电流使其能便携的为电池供电，并且芯片是低

41、电平有效的RESET方式输出。芯片其特性为：a. 芯片可监控5.0V、3.3V和3.0V电源。b. 芯片的复位延时的时间最小值为140ms。c. 芯片具有能抗电源的瞬态干扰方式，即使芯片电压低于1.1V时仍能产生使电路复位的复位信号。d. 芯片采用SOT-23封装，采用小型3管脚。e. 不需要外部配件使得芯片更简化。3.6.2 芯片工作原理 MAX809芯片的连接非常简单，它只有三个管脚，GND接地，VCC接3.3V的电源，RESET接到单片机STM32F103R6的复位端即可就可以实现复位工作。为了减少电源的干扰，还需要在复位芯片的电源芯片的电源输入加一个电容来实现滤波，这样可以减少输入端受

42、到的干扰。图3.12 复位电路图3.7 键盘输入电路3.7.1 电路工作原理键盘电路是用于人们向单片机等硬件设备输入数据，从而实现人机交互的一种电路设计。本设计的键盘电路采用扫描方式从而实现的矩阵键盘。键盘的电路图3.13。由图可以看出，该矩阵扫描键盘是由行线和列线所组成。键盘的列线由PA3和PA4组成，键盘的行线由PA5,PA6构成。键盘的行线被用于键盘的控制输出端，键盘的列线被用于键盘的输入端。为了保证本设计的方便性，在我们设计的过程中，采用PA3,PA4作为键盘列线，可以利用该管脚的中断功能。PA3,PA4通过上拉电路将该两个管脚拉高，这样当没有人按键的情况下，该两个管脚依然保持高电平，

43、按键一旦被按下时，则变化为低电平，这时通过设置PA3,PA4为低电平触发的中断方式，低电平就触发中断进入中断的服务程序，从而获得输入的数据。图3.13 键盘电路图在本设计中使用个四按键。功能分别是变比（包括电压变比，变流变比），上翻键，下翻键,确认键。当按键被按下时，会根据程序指令的不同执行不同的功能，显示电路就会有相应显示。3.8 显示电路3.8.1 显示电路的实现原理本设计的显示电路采用的是简单的LED显示方式，而LED选用共阴极。这样的方式不但能满足该系统的要求，也可以减低系统的成本。显示电路图3.14。本设计让显示电路直接与单片机的数据I/O口进行连接，由于STM32F103R6具有丰

44、富的I/O口资源，所以采用并行的接口方式非常容易，不仅减少了系统的设计的复杂性，也可以增加系统的可靠性。图3.14 显示电路3.9 串口通信电路3.9.1 串口通信芯片介绍本设计采用RS-485收发器，RS-485收发器采用的是平衡发送与差分接收，即而在接收端，接收器将接收到的差分信号变成TTL电平，而在发送端中，驱动器又将接收到的TTL电信号转换成差分信号并将其向其他元器件输出；因此RS-485收发器具有抑制共模干扰的能力。该芯片的主要技术参数为：A.芯片工作电源为33.6V。B.芯片工作电流为1mA。c.数据的传输速率为12Mbps。本设计在通信电路中使用了隔离器6N137光耦合器。6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，具有温度、电流和电压的补偿功能，高效的输入、输出隔离，5mA的极小的输入电流，LSTTL/TTL兼容与高速(典型为10MBd)。6N137光耦合器特性：a.转换速率高达10MBit/s、扇出系数为8。b.摆率高达10kV/us。c.逻辑电平输出。d.为集电极开路输出。3.9.2 芯片工作原理RS-485接口芯片用于完成将TTL电平转换为RS-485接口电平的任务，这里采用MAX3485作为RS-485接口芯片7。MAX3485芯片与单片机的连接图如3.12。DE作为芯片的发送器使能端，当DE为1时发送器就可以工作。DI为芯片发送器输入端