基于单片机的数字电度表单相数字电度表.doc

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1、 目录符号说明VI前言1第1章 电度表的分类及本设计方案选定31.1 电能表的分类31.1.1 感应式电能表31.1.2 脉冲电能表31.1.3 数字电能表41.2 系统选定比较6第2章 电能计量和信号处理理论72.1 电能计量分析72.1.1 电能计量的基本原理72.1.2 正弦波形下的电压电流不同功率因数下的功率的测量82.1.3 非正弦波形的电压电流不同功率因数下的功率的测量92.2 模数转换92.2.1 过采样92.2.2 过采样的频域分析102.2.3 一AD转换器的量化102.2.4 一AD转换器的量化误差分析112.2.5 一ADC的调制器和量化噪声整形122.3 数字滤波13第

2、3章 硬件设计153.1 数字电能表的工作原理153.2 数字电度表总体设计方案框图153.3 控制芯片STC89C52RC173.4 ADC0832芯片193.5 电压电流采样模块213.6 电源模块223.6.1 电源端的干扰防护233.6.2 +5V直流电源的实现243.7 时钟模块253.8 按键模块263.9 显示模块27第4章 软件设计294.1 软件介绍294.2 主程序流程图294.3 显示程序304.4 按键程序流程图304.5 数据采集中断程序流程图304.6 数字钟中断程序流程图324.7 时间程序流程图33第5章 系统调试345.1 硬件调试345.2 软件调试34结论

3、36参考文献37致谢38附 录 139附 录 240附 录 341外文资料翻译42摘 要随着经济的迅速发展，用电量日益增加，为电网的稳定运行带来了诸多不良因素。国家采取多费率用电政策，以消峰填谷，平衡用电。复费率电度表已经大规模取代了单一费率电度表。随着单片机技术的日益发展，以单片机为主控芯片的数字电度表的生产已成规模。但是价格低廉、运行稳定、可靠性高、抗干扰能力强的数字电度表还有待开发。本设计是基于单片机STC89C52RC的单相电度表设计，能实现家庭用电计费，并能完成分时计费功能， 本设计还有数字钟的功能，能够显示时间，还配有三个按键能够对时间进行调整。硬件外围电路采用模块化设计，其中电压

4、电流采样模块实现了将电网中的不可直接测量的大电压大电流转变成为可以用来处理测量的小电压小电流。把采集的数据通过ADC0832把数据送给单片机，电源模块为整个智能电表提供了稳定的电源，LCD1602模块为用户提供了清晰，实时的电量信息。软件分为启动前的动态自检程序，计量电量的电能脉冲采集程序，数据信息处理和交换的数据存储程序，通讯中断子程序。在单片机的核心控制下，实现了数字电度表电能分时段计量、数据通信等功能。关键词：数字电度表，STC89C52RC，分时计费，数字钟 THE DESIGN OF SINGLE-PHASE DIGITAL AMMETERABSTRACTWith the devel

5、opment of economy and the incensement of the electrical quantity，the running of the grid is threaten heavilyThe government of China has adopted the policy of different prices of the electrical power，in order to keep balance of the electrical quantity consumptionMulti-tariff Watthour Meter has taken

6、the position of the single-tariff Watt-hour Meter widelyWith the development of singlechip Technology，the research of digital Watthour Meter is produced in a huge rangeBut，the low-price Meter which runs stably and has strong ability to resist interference still need to be designedThe design of singl

7、e-phase digital ammeter is based STC89C52RC.It can bill the power which you used. It also can come true time-division charge. This design still has three keys to adjust the time. This paper describes the course of development of domestic electricity ammeters and the current mainstream ammeters to co

8、ntrast and research the more advance single-phase digital ammeter on the current. The peripheral hardware adopted module designVoltage and electricity module converts the high voltage and electricity to low ones that Can be measuredADC0832 transmits the data which the circuit collects to the single

9、chip. The source module provides the whole system stable powerThen the single chip process the data and display in LCD1602. LCD module provides users with clear and realtime energy informationSoftware includes dynamic checking module，power pulse collection module，data storing and exchanging module，i

10、nterrupted Communication moduleUnder the control of the single chip STC89C52RC，the whole system Can measure the electrical quantity in different periods of time and finishes the data exchangingKEY WORDS：digital ammeter, STC89C52RC，time-division charge，digital clock6符号说明V(t) 电压瞬时值0 电压的直流分量 h次电压谐波有效值

11、h次电压谐波的相位角I(t) 电流瞬时值 电流的直流分量 h次电流谐波有效值 h次电流谐波相位角E 信号幅度的取值范围N 量化级数计参数 方差 数字频率 抽样频率Rb 负载电阻前言电能表是我国电工仪表行业中产量最大的产品之一。近几年，国家连续出台的多项与电能表行业发展相关的政策以及房地产产业的迅速发展，为电能表需求的上升及保持行业发展的相对稳定起到了一定的保障作用。随着高新技术尤其是电子信息技术的快速发展，电子式、多功能、高精度、多费率、自动抄表等产品的优势突显，且已经逐步成为电能表发展的主流，在未来几年里，这种趋势将更加明显。同时也伴随着城乡电网改造，使电工仪器仪表行业步入了快速发展的轨道，

12、同时也为行业企业提供了一个科技创新的平台，电工仪器仪表生产企业抓住机遇，通过对国外先进技术的兼收并蓄，并高标准、高起点自主开发了一系列高技术产品1。电力用户是我国电工仪器仪表最大的用户群体，需求量占整个市场需求量的90，对该类产品的销售起着决定性作用。国家城乡电网改造结束后，电工仪器仪表行业进入了平稳过渡期，出现了短暂的低潮，但行业的发展并未停滞，以华立集团、宁波三星、林洋电子等为代表的行业企业在低谷中不断拓宽服务领域，寻求新的发展空间，从而在竞争中提高企业的核心竞争力，经过国内外市场的净化和洗礼，产品也发生了质的变化，开始从单纯量的增长向技术创新过渡，并步入高质量、高技术、高附加值时代，生产

13、模式逐步向集约化大规模转变，核心竞争力不断增强，产品出口主要以电能表、便携式电表为主，出口辐射到几十个国家。特别是近几年，一些企业还通过在国外建厂等形式消化国内的市场，出口创汇不断攀升。在电力系统中，某一时刻各类用电设备消耗的电功率总和称为电力负荷，电力负荷是随时间变化的，可用日(或年)负荷曲线来描述。当电力负荷大量增加时，会形成电网的负荷高峰，而当电力负荷减少时，又会形成电力负荷低谷。当电力负荷上的峰值和谷值相差很大时会使发、供电设备容量不能充分利用，运行不经济2。针对这样的情况和需求，本文提出了解决方法。可以采取经济手段调整负荷，峰谷电价就是方法之一。这就要求采用复费率电表3。大量单一费率

14、的电表则会由于无法实现峰谷计费而被淘汰，由于目前微电子、计算机技术的发展，通讯手段的自动化要求也日益增加，远程抄表系统代替人工抄表的趋势越来越显著，这无疑又是对智能电能表大量生产的客观要求。因此可靠性高、功能强大、计量准确且性价比高的智能电表的研制是我国电力系统发展的客观要求。1. 课题设计（或研究）的内容 制定数字电度表，解决错峰分段计费问题和节能用电与安全用电在电表的设计中的实现。 综合价钱因素和使用方便及准确程度本设计采用STC89C52RC这块单片机，这块单片机完全满足精度要求和需要的计数器数量。 由于本设计所测电压为220V，所以不能被芯片直接所用，需做一个直流电源给芯片供电。 采用

15、LCD1602(162)完成显示功能，对时间的显示和所用电能的显示都能够准确的完成。 数模转换采用ADC0832，八位双通道AD转换芯片，所能转换的信号为0.00到5.00之间。 由于本次设计采用的按键比较少所以按键采用独立式键盘接法，单片机完全能够满足。 电流和电压采集采用专业的电流电压采集模块，采集模块里面有滤波整流电路，送出的信号可以直接被ADC0832转换。第1章 电度表的分类及本设计方案选定1.1 电能表的分类电能表大致分为感应式电能表，脉冲电能表和数字电能表。1.1.1 感应式电能表以前使用的电能表大部分以感应式原理工作，即利用金属铝转盘中感应的电流与通有交流电的固定线圈的磁场相互

16、作用，产生驱动力矩驱动铝盘转，累计消耗的电能。而且作用在电压线圈两端的电压越高，通过电流线圈的电流越大(即单位时间的用电量P越多)，则驱动铝盘转动的力矩M转越大。 M转=K1P (1-1) 铝盘旋转时，切割永久磁铁的磁通而在其内感应涡流，此涡流与永久磁铁的磁场相互作用产生制动力矩。铝盘旋转越快(转速n越大)，感应的涡流越大，与永久磁铁相互作用产生的制动力矩M制也越大。 M制=K2n (1-2)当转动力矩与制动力矩大小相等时： K1P=K2n (1-3) n=K1K2P=KP (1-4)在给定时间t内对式(1-4)积分，得该段时间内消耗的电能A和对应的总转数N。 N=nt=KPt=KA (1-5

17、) 1.1.2 脉冲电能表脉冲电能表是一类输出电能脉冲的仪表。它们通常以感应式电能表的电磁系统为工作元件，配以适当的脉冲发生装置构成。若均匀地对感应式电能表的圆周进行分度和作上标记(打孔，铣槽或印上黑色分度线条等)，用穿透式或反射式光电头发射光束，采集铝盘旋转的标记，然后再经光电变换线路变换，普通感应式仪表即可输出与电能成正比的脉冲。1.1.3 数字电能表全数字电能表采用专门的电能计量芯片，利用单片机的强大功能实现对用电量的自动计量和分时段计算，并通过外围电路实现数据存储，电量显示，自动抄表等功能。具有计量准确度高，可靠性好等优点。数字电能表具有强大计量功能。全数字电能表，可计量正、反向有功电

18、能，四象限无功电能，最大需量，具有分时计费，失压记录，过流记录，数据存储，远方通信等多种功能。1.电能计量功能作为电能表，最为重要的就是电能计量功能，数字电能表具有输入，输出有功计量，输入，输出无功计量，视在电能计量等功能。一般电能计量是累计电量，为用表以来的用电量总和。数字电能表还要求记录多月电量，也就是历史电量。输入有功也叫做正向有功，指电流从输入端子到输出端子的方向；而输出有功也叫做反向有功，电流方向与正向相反。输入无功指电流滞后于电压时，线路所具有的无功，而输出无功指电流超前与电压时所具有的无功。2.分时计量功能将一天分成若干时间段，给每段时间规定其费率特征：峰，平，谷。按照费率特征分

19、别累计电量，得到电能的分时计量。规定不同的费率，利用经济的杠杆作用，实现了调节用电量，从而达到削峰填谷，平衡负荷的作用。进而使发电机及供电网发挥最大的功效。电能表的分时计量需要表计内部自带实时时钟，并且将时段参数设置到表计中，电能表白动进行时段的切换。3. 最大需量计量由于生产的特点，用户负载(功率P)是随着时间变化的，将一天分为若干段，每一段时间为T，在每一个T内的平均功率，称为用户需量，T称为需量周期。在一定结算期内(如一个月)所有用户需量中的最大值，即为该用户的当月最大需量。数字电能表采用滑差式方法测量最大需量。最大需量的计算方法是：每个滑差步进时间到时，计算截止到当前时刻的一个需量周期

20、的平均功率，并且与最大值进行比较。若小于最大值则放弃；若大于最大值，则将其记录下来。4. 监控功能数字电能表可以实现一些监控功能：功率监控：设定功率上限，当电能表计量的功率超过上限时报警，如果连续超限将跳闸。失压检测：当电能表检测到某相电压小于给定电压下限时，表明发生故障，电能表将给出失压报警，并记录发生时间，发生累计次数，发生累计时间。过流监测：当电能表监测到电流大于给定上限时，电能表给出过流报警，并记录发生时刻，发生次数，发生累计时间。5. 监测功能数字电能表可以测量各相瞬时电压，电流，有功功率，无功功率，功率因数，视在功率等，高挡表还可以分析谐波含量和相角，这些功能可以用于用电监测与判断

21、用电管理系统以及为综合分析系统提供数据。6. 事件记录功能数字多功能电能表可以记录多种事件的发生时间及当时的状态，以便进行故障分析和判断。这些事件有：电能表上电，清零，设置参数，最大需量清零，失压，过流，功率超限，自检出错等。7. 自检功能数字电能表功能较多，构成比较复杂，由于承担着电能量计费的重要功能，使用可靠性要求高。电能表中各个部分都有可能会损坏，在损坏后，电能表会及时发出信号(显示报警或声光报警)以提示用户尽快处理。一般自检如下部件：电能表内部的时钟芯片，存储器(包括数据存储器和程序存储器)，显示器等，电能表外部接线情况，线路故障，失压，过压，过流，超功率等。8. 负荷曲线记录为了满足

22、用电监测，关口表竞价上网等功能，电能表需要带时标(记录时刻)记录多种电量，一般记录间隔可以设定为一分钟或几十分钟，记录的电量数据有：有功电能，无功电能，电压，电流，有功功率，无功功率等。要求记录时间为几天，几个月甚至一年。通过手持装置或其他方式从电表内将这些数据读出，可以画出不同记录电量的时间曲线。电能表内部一般设计有大容量数据存储器用于保存负荷曲线记录数据。1.2 系统选定比较方案一： 单片机：STC89C51RC AD芯片：ADC0809 显示电路：LED 乘法器电路：时分割乘法器 方案二： 单片机：STC89C52RC AD芯片：ADC0832 显示电路：LCD1602 乘法器电路：数字

23、乘法器 方案比较： 方案一的单片机STC89C51RC的内存大小和计数器数量无法满足本设计的要求，而方案二的单片机STC89C52RC具有8K内存和3个计数器完全可以满足设计的需要。 方案一的AD芯片ADC0809为单通道，由于本设计要对电流和电压进行采样，单通道无法对电流和电压进行同时采样的计算，这样就不能保证计算的准确性。 方案一的显示电路为LED，这种显示器耗电量大，无法体现本设计节约用电的思想。 方案一的乘法器电路采用时分割乘法器，这种乘法电路的精度不高，电路焊接很影响精度，方案二的是在单片机内部做乘法电路，所以精度高。 综上所述方案二的选用最适合本设计要求。第2章 电能计量和信号处理

24、理论2.1 电能计量分析2.1.1 电能计量的基本原理电能在物理上可以看成是从电源流向负载的能量流，用户在单位时间内消耗电能的快慢程度用功率来表述。功率可以分为在一段时间内的平均功率和某一时刻的瞬时功率。对于在一段时间内大小和方向都不发生改变的直流电压、电流来讲，平均功率值与其瞬时功率值是相等的。而对于交变的电压，电流来讲，瞬时功率4是时刻都在变化的，平均功率与瞬时功率是不相等的。要计算用电设备在一段时间内消耗的总的有功功率应该在这段积分时间内，对瞬时功率进行累加。设电压为u(t)，电流为i(t)，则瞬时功率为p(t)=u(t)i(t)，也是随着时间变化的函数，它在某个周期内的平均值应等于该函

25、数对时间积分后，再除以时间间隔，所以平均功率应为：P平均=E/T = = (2-1)对于电压电流均为正弦信号的交流电，式(2-1)等价为：P平均=E/T = UI cosdtT (2-2)其中U，I分别为交流信号有效值。是电压信号超前于电流信号的相位差值，cos称为功率因数，它表征了电网中实际消耗电能的平均功率(有功功率)与U，I的乘积(视在功率)的比值。在实际电网中，电压电流信号基本上都不是只包含50Hz频率分量的正弦信号，而是含有很多诸如l00Hz，150Hz，200Hz等谐波的信号。此外，电网负载尤其是开关电源还会引入各种各样的噪声，引起电压的谐波和波形畸变。事实上我们可以发现瞬时功率信

26、号p(t)=u(t)i(t)本身是一个含有直流分量和高频分量的信号，而任何频率不为0的频率分量从长期来看对于时间积分都没有贡献，因此电能计量数学上就相当于计算瞬时功率P的直流分量在时间上的积分。2.1.2 正弦波形下的电压电流不同功率因数下的功率的测量电压信号与电流信号的乘积即为瞬时功率信号，其对时间的积分得到在一段时间内消耗的电能。当电压电流同相位时有，p(t)=v(t)i(t)=V sin wtI sin wt=VIVI2 (1) (2-3)采用对瞬时功率信号进行低通滤波就能得到有功功率分量(直流分量)。当电压和电流信号相位不同时，设电流信号滞后于电压信号60，并设电压和电流波形都是正弦的

27、，那么瞬时功率信号中的有功功率分量(直流分量)为：P（t）=v(t)i(t)=VI =- = (2-4)电压与电流的相位无论相同与否，这种从瞬时功率信号中获得有功功率的方法(低通滤波法)都是有效的。从以上推导可知，当功率因数为1即电压电流同相位时，瞬时信号中的有功功率分量(直流分量)为(VI)2，功率因数为0.5即电压电流相位差为60时，瞬时信号中的有功功率分量(直流分量)为：(VI2)cos60。2.1.3 非正弦波形的电压电流不同功率因数下的功率的测量在实际应用中，电压和电流波形都要含有一定的谐波成分，对于非正弦的电压电流波形先利用傅立叶变换将电压电流表达成谐波分量之和： (2-5) (2

28、-6)基波有功功率P1=V1I1cos，谐波有功功率PH=对于纯正弦波有功功率的计算是精确的，而对于非正弦波形来说，可以将其看成是频率不相同的正弦波的叠加，有功功率的计算同样是精确的。2.2 模数转换经过互感器采样得到的电压电流信号为模拟信号，为了将模拟信号转换成计算机能够处理的数字信号，设计中需要一个模数转换器。AD转换器的转换方式很多，有逐次比较型AD转换器，双积分型AD转换器，一型AID转换器等。其中一型5AD转换器精度高、线性好、速度快、功耗低、价格低廉。一型AD转换器是以很低的采样分辨率和很高的采样速率将模拟信号数字化，通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率，然后对A

29、DC输出的结果进行采样抽取处理，以降低有效采样速率。电路结构是由简单的模拟电路(一个比较器，一个开关，一个或几个积分器及模拟求和电路)和复杂的数字信号处理电路构成。 2.2.1 过采样过采样ADC是一种数字输出与模拟输入成正比的线路，因为输入量是任意的，输出的数字是有位数限制的，输出量是量化的，因此输出与输入之间存在着+112LSB的量化误差，在交流采样中，这种量化误差会产生量化噪声。如果对ADC输入一个恒定的直流信号，那么多次采样的结果总是相同的，而且分辨率受量化误差的限制。如果在这个直流信号上叠加一个交流信号，并且用比这个交流信号高很多的频率采样，得到的数据应该是变化的，用这些结果的平均值

30、表示ADC输出的结果比单纯的采样得到的输出分辨率要高很多，这种方法称为过采样。如果模拟输入信号本身就是交流信号则不必叠加交流信号，采用过采样的方法同样也能得到较高的采样分辨率。2.2.2 过采样的频域分析由于直流信号转换具有12LSB的量化误差，所以采样系统具有量化噪声。一个理想的常规的N位ADC的采样量化噪声是有效值的q，均匀分布在奈奎斯特频带直流(KFs)2范围内，其中q是LSB的权重，砖为采样速率，模拟低通滤波器6将滤除风Fs2以上的噪声。 如果用KFs的采样速率对输入信号采样(K为采样倍数)，奈奎斯特频率增至(KFs)2，量化噪声增至直流到(KFs)2，其有效值降到原来的1，模拟低通滤

31、波器只要滤除似(KFs)2以上的噪声，因此可以降低对抗混叠滤波器的设计。又由于系统的通带频率仍然为Fs，所以可以在ADC之后加一个数字滤波器消除几到(KFs)2之间的无用信号而又不影响有用信号，从而提高信噪比，实现使用低分辨率ADC达到高分辨率的效果。如果简单的使用过采样的办法使分辨率提高N位，则必须进行K=倍过采样，为了使采样不超过一个合理的界限，需要对量化噪声整形使得大部分噪声位于Fs2到(KFs)2之间，只有一小部分留在直流到Fs2内，这正是一调制器所起的作用。噪声频谱被整形后，数字滤波器可以去除大部分的量化噪声，使总信噪比大大增加。2.2.3 一AD转换器的量化AD转换器的量化过程是用

32、一等间隔阶梯波函数xl(t)去逼近一时间连续函数的波形x(t)。传统原理的AD转换器的量化是等时间间隔t对连续波形采样，进行幅值量化。根据采样定理，采样频率应高于被采样连续波形频率的两倍以上。而当采样频率很高时，即采样频率被测连续波形的无穷倍时，则采样的时间间隔t很小，可以认为每个时间间隔的阶梯波幅值差=xl(t+t)一xl(t)是相等的，即前一采样点幅值加上就等于后一采样点幅值。这个相邻间隔采样点的幅值之差就是增量。一个连续波形就可以用一采样点的幅值加减的阶梯来近似表达。此阶梯有两个特点：一是在应间隔内xl(t)值相等；二是两个相邻采样点幅值之差为。若把作为量化单位，由于增量值是不变的，所以

33、可以实现l bit量化。当阶梯波上升，编码为“1”；阶梯波下降，编码为“0”。此时xl(t)就可以用编码序列来表示，即是增量调制。由于采样频率远高于基于采样定理的奈奎斯特采样频率，所以称为过采样。2.2.4 一AD转换器的量化误差分析当t足够小时，xl(t)波形可以近似为连续波形x(t)，但是t不可能为“0， 这样，编码过程中xl(t)和x(t)就产生了量化误差，也称之为量化噪声。量化误差最大值范围是。假定量化误差序列e（n）符合白噪声分布，即e(n)是一平稳的随机序列：e(n)本身的任意两值之间不相关，且与信号x(n)不相关：e(n)具有均匀等概率分布。它具有与信号的相加性，可以按数理统计方

34、法分析量化误差。其模型如图2-1所示。图2-1 量化误差分析模型e(n)可用两个最重要的统计参数me和方差来表征。me代表噪声的直流分量，代表除去直流分量的量化噪声的平均功率。因为： me=0 (2-7)=12=() (2-8)式中E为信号幅度的取值范围(即AD的参考电压)；N为量化级数。如AD的编码为n位，则N=，所以：=(3x) (2-9)由式(2-9)可知，随着AD的编码位数的增加，量化误差呈指数性下降。2.2.5 一ADC的调制器和量化噪声整形一阶一ADC是以KFs只的采样速率将输入信号转换成由l和0构成的串行位流，l bit的DAC由这串位流驱动，DAC的输出以反馈的形式和输入求和。

35、根据反馈理论，当反馈环路的增益足够深，DAC输出的平均值接近输入信号的平均值。由于积分器可以在频域内用一个幅度响应与1F成正比的滤波器表示，又由于带时钟的锁存比较器具有类似于斩波器的作用，它将输入信号转换为高频交流信号，在输入信号平均值附近变化，因而低频下的量化噪声大大减少(积分器对量化噪声相当于一个高通滤波器)。这种情况下产生噪声的频谱严格的依赖于采样速率，积分器的时间常数以及电压反馈误差。图2-2所示频域线形化模型对一调制器做进一步分析。其中积分器模拟一个具有给定传递函数H(f)的模拟滤波器，H(f)表明其幅频响应特性与输入频率成反比。量化模拟放大器输出与量化噪声叠加。使用频域分析方法的一

36、个优点是可以利用代数形式表示信号。输出信号Y可以表示为输入信号X在求和点处和输出信号相减，即(xy)，并与模拟滤波器(积分器)的传递函数及放大增益g相乘，然后再与量化噪声Q相加。 图2-2 频域线形化模型如果：g=1，H(f)=1F (2-10)则有：Y=(xy)F+Q (2-11)整理得：Y=Xf(F+1)+QF(F+1) (2-12)由式(2-12)可以看出当频率F接近于0时，输出y接近于x并且没有噪声分量。当频率增加时，X项的值减小而噪声分量增加。对于高频输入，输出主要是量化噪声。实际上模拟滤波器对输入信号具有低通滤波作用，对噪声分量具有高通滤波作用，因此可以将调制器的模拟滤波器的作用看

37、成是一种噪声整形滤波器。 和一般的滤波器一样，滤波器的阶数越高其滤波性能越好。因此高阶的一调制器得到广泛应用，原理图如图2-3所示：图2-3 二阶一调制器原理框图2.3 数字滤波一调制器对量化噪声整形后，将量化噪声移到所关心的频带以外，然后对整形的量化噪声进行数字滤波，数字滤波的作用有两个：一是对于最终采样速率Fs，它必须起到抗混叠的作用，二是它必须清除一调制器在噪声整形的过程中产生的高频噪声。因为数字滤波器降低了带宽，所以输出数据速率要低于原始采样速率，直到满足奈奎斯特定理。降低输出数据速率的方法是通过对每输出M个数据抽取1个数字的数字重采样办法，这种方法叫做输出速率降为1M的采样抽取。这种

38、采样抽取的办法不会对数据产生任何损失，它实际上是去除过采样过程中产生多余信号的一种方法。数字滤波器既可以用有限脉冲响应滤波器，也可以用无限脉冲响应滤波器或者两个的组合。有限脉冲响应滤波器容易设计，能与采样抽取过程合并计算，具有线性相位特性等优点，但是它需要计算大量的系数，无限脉冲响应滤波器具有非线性特性，不能与采用抽取过程合并，而且需要考虑稳定性和溢出等问题，所以应用起来比较复杂，交流采样场合比较多采用有限脉冲响应滤波器。数字滤波器是数字信号处理的一个重要组成部分，数字滤波器实际上是一种运算过程。它是指完成频率选择或频率分辨任务的线性时不变系统的通用名称。因此离散时间LTI系统也称为数字滤波器

39、。其功能是将一组输入的数字序列通过一定的运算后转变为另一组输出的数字序列。因此它本身就是一台数字式的处理设备。与模拟滤波器类似，数字滤波器按照频率特性划分也有低通，高通，带通，带阻，全通等类型。由于频率响应的周期性，频率变量以数字频率来表示，=fs，fs为模拟角频率，T为抽样时间间隔，为抽样频率。数字滤波器一般可以用两种方法实现：一种是设计专用的数字硬件，专用的数字信号处理器或采用通用的数字信号处理器来实现；另一种是直接用计算机，将所需要的运算编成程序，即用软件的方式来实现数字滤波。FIR滤波器的频率采样型结构的优点:首先,它的系数H(k)直接是滤波器在=（N）k处的响应值，因此可以直接控制滤

40、波器的响应。此外，只要滤波器的N阶数相同，对于任何频率响应形状，其梳状滤波器部分的结构完全相同，只是各支路的增益H(k)不同，因此频率采样型结构便于标准化和模块化。36第3章 硬件设计3.1 数字电能表的工作原理采用乘法器实现对电功率的测量，其工作原理框图如图3-1所示。被测量的高电压u、大电流i经电压变换器和电流变换器转换后送至乘法器M，乘法器M完成电压和电流瞬时值相乘，输出一个与一段时间内的平均功率成正比的直流电压U，然后再利用电压频率转换器，U被转换成相应的脉冲频率f，将该频率分频，并通过一段时间内计数器的计数，显示出相应的电能。 图3-1 数字电能表工作原理框图3.2 数字电度表总体设

41、计方案框图 数字电能表的总体设计方案如图3-2所示。各种硬件模块构成了整个数字电能表，每个硬件模块都有着不同的功能，在整个电表硬件系统中都承担着一定的作用。模块与模块之间又通过MCU7统一地联系在一起，共同地形成了功能强大的智能电表系统。各个硬件模块具体如下：1. STC89C52RC单片机是整个电子式电能表硬件的核心部分，它是电能表的“大脑”，外围所有的硬件模块都是在它的控制协调下进行工作的。单片机通过烧制在其中的各种程序8，控制着其它硬件模块的工作状态。2. ADC0832是双通道A/D转换芯片，在整个硬件电路中发挥着重要作用。主要完成将模拟电能信息转化为单片机可以读取并且操作的数字电能信

42、息。3. 电能采样模块是将电能表硬件系统与主电网进行隔离，使强电和弱电分开。将主网中的大电压，大电流转化为小电压，小电流，以便提供给计量芯片进行信号处理。4. 电源模块为整个电能表硬件系统正常工作供电，它通过电能变换将主电网中的220V交流降压、整流为5V的直流。在掉电情况下，为了保证时钟的连续性和准确性，还有专用的电池供电。5. 实时时钟为复费率电能表提供准确的时间信息，以便于实现不同费率下电能的计量。6. 按键模块采用独立是键盘模块。本设计只需要按键来调时间，通过设计只需要三个按键来完成。7. 显示模块目前常见的电子式电能表显示器件有三种：液晶（LCD）、发光二极管（LED）、荧光管（FI

43、P）。从成本和优缺点方面考虑我们选用液晶显示器（LCD），达到节约用电和安全用电的效果。L电流采样电压采样双通道AD单片机显示键盘时钟电源N 图3-2 硬件系统框图3.3 控制芯片STC89C52RC本课程设计单片机采用STC89C52RC单片机，STC89C51RC/RD+ 系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机9，12 时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。其特点有：1. 增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPU；2. 工作电压：5.5V-3.4V（5V单片机）/3.8V-2.0V（3V单片机）；3. 工作频率范围：0-40MHz，相当于普通805110的080MHz，实际工作频率可达48MHz；4. 用户应用程序空间4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字节；5. 片上集成1280字节/512字节RAM；6. 通用I/O口（32/36个），复位后为： P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻；7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序