摘 要：本设计中主要完成电能计量模块、实时时钟模块和IC卡模块的软硬件设计。此电能表主要由计量模块、单片机、IC卡模块、LCD显示、EEPROM存储器、实时时钟电路及电源电路等部分组成。单片机通过控制在其中的各种程序，控制着其它硬件模块的工作状态，由它智能化地形成并可靠地提供电能计算、时段判断、费率切换、IC卡读写、电能量控制及负荷控制等功能。
关键词：电能表；单片机；设计
一、AT89C51单片机简介
AT89C51单片机芯片内包括：（1）一个8位的微处理器（CPU）；（2）片内256字节数据存储器RAM/SFR，用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等；（3）片内4KB程序存储器Flash ROM，用以存放程序、一些原始数据和表格；（4）4个8位并行I/O端口P0-P3，每个端口既可以用作输入，也可以用作输出；（5）两个16位的定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式；（6）具有5个中断源、两个中断优先级的中断控制系统；（7）一个全双工UART的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与PC机之间的串行通信；（8）片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。以上各个部分通过片内八位数据总线相连接。
二、电能计量芯片模块
本设计采用现在比较流行的电能计量芯片CS5460A实现对电能等电量的采集和测量。CS5460A 是Crystal 公司推出的用于测电流、电压、功率等的芯片， 是CS5460 的增强版， 精度高、性能强且成本低。CS5460A 包含两个ΔΣ模-数转换器（ADC）、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的ΔΣ 模-数转换器。它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、IRMS 和VRMS ，用于研制开发单相2 线或3 线电表。CS5460A可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。CS5460A具有与微控制器通讯的双向串口，芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比。CS5460A 具有方便的片上AC/DC 系统校准功能。“自引导”的特点使CS5460A 能独自工作，在系统上电后自动初始化。在自引导模式中，CS5460A 从一个外部EEPROM 中读取校准数据和启动指令。使用该模式时，CS5460A 工作时不需要外加微控制器，因此当电表用于大批量住宅电能测量时，可降低电表的成本。并且本芯片集成度较高便于编程控制，故本设计采用此方案。
三、实验验证
根据方案设计的要求，测试过程共分为三大部分：硬件调试、软件调试和软硬件联调。电路按模块调试，各模块逐个调试后，再进行联调。单片机软件先在最小系统板上调试，确保外部电路正常工作后，再与硬件系统联调。
1.硬件调试
硬件调试，查看个硬件模块电路的连线是否与逻辑图一致，用万用表检测有无短路或短路现象，器件的规格、极性是否有误。检查完毕，用万用表测量一下电路板正负电源端之间的电阻，排除电源短路的可能性。
2.软件调试
本系统的软件调试因AT89C51核心模块的使用而变得相对容易，keilc软件开发环境，能判断语法差错和逻辑差错，判断程序无误后，可以直接下载到单片机中进行调试。
3. 软硬件联调
在软件和硬件都基本调通的情况下，进行系统的软硬件联调。按照由上向下，模块化设计的理念对模块逐个调试：首先，调通液晶显示模块，接着给芯片CS5460A的电压通道和电流通道通入满量程信号，根据液晶显示对芯片内的校准寄存器进行设置，进而对测量进行校准调试。调好后，即该芯片能正常工作后，再通以交流市电进行进一步校准调试。等模块逐一调通后，再进行联调。再连接成一个完整的系统调试。电能表总硬件电路图如图1所示。
图1 电能表总硬件电路图
四、结语
本电能表的硬件设计原则是在低功耗的前提下，实现多功能目的，该芯片功耗低，特别适用于电能表控制线路多、功能全、功耗低的要求。它能方便地读取IC卡的数据，并控制液晶显示器的工作，同时还可以将电能表的数据存入EEPROM进行永久保存并可通过串口送至表外的数据终端，大大地提高了电能表的智能化功能。
参考文献：
[1]李广弟.单片机基础（第二版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.
[2]张洪润.单片机应用技术教程[M].北京：清华大学出版社，2003.
[3]刘乐善.微型计算机接口技术及应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2000.
作者简介：王宝成（1985-11—），男，河南永城人，2008年6月毕业于华侨大学电气工程及其自动化专业 ，助教，研究方向：电机与电气相关专业的教学与研究。
