单片机在电力系统中的应用

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1、课程设计报告课程名称：单片机在电力系统的应用课题名称：多用户电子式电能表的设计和调试 班 级：电气工程及其自动化08-1班 姓 名：姜晓飞学 号：2008011001092011年07月2日前言多用户电子式单相电能表采用单片机作为中央处理器，每 块电能表可对多达24户的用电情况进行集中检测、循环显 示。各户的用电量可以就地读取。多用户电子式电能表采用 了“分户用电、集中检测”的方式，与传统感应式电能表相 比，有效地提高了电能计量的准确性，而且整机体积小、质 量轻、安装方便。在多用户电子式电能表的前面板上有6位LED显示器，前两 位为分户号，后4位为分户用电量，所显示的用电量与分户 号相对应，分

2、户循环显示，每3s切换一户。此外，电能表还必须有断电保护功能，确保用户在断电 后能够保存之前的用电数据，在恢复供电时能够继续按照断 电前得数据开始计数。同时，该类电能表还必须有清零功能，每个控制单元上 都对每户设置了相应的清零开关，当相应的用户开关按下 时，该用户的用电量亦随之清零。目录一设计任务及要求4二设计原理分析4三硬件电路设计43.1单片机电路板设计43.2 +5V稳压电源73.3光电隔离电路73.4 AD7755相关电路735参数设定1136用户清零电路的设计12四软件设计124-1流程图-1242程序内容18五设计总结26六参考资料21一设计任务及要求设计任务多用户电子式单相电f表

3、计与调试设计目的：了解单片机在电力系统中的应用，在全面掌握单片机的功能的基础 上，初步接触它在本专业的应用范围。要求独立完成，培养我们独立自主的习惯。设计内容 硬件设计与软件设计。硬件设计包括：C8051F360单片机整体电路设计、+5V稳 压电源电路设计、光电隔离电路设计、基于AD7755的电能脉冲发生器电路设计；软 件设计包括：用C8051F360单片机及编写具有掉电保存功能和清零功能的用户电量 显示程序。设计要求：AD7755电能脉冲发生器电路仅作电路硬件设计，其电能脉冲由 C8051F360单片机P2 口所接拨码开关产生的脉冲模拟。用户电量显示要求精确到 小数点后3位1000个电量脉冲

4、为1度电每个用户显示时间为3S左右为防止突然 停电而使用户电量数据丢失，要求能将电量数据保存，需要设计单片机24C16模块， 使其具有掉电保存功能。为了能够方便记取各个用户电量，需要为每一户设计清 零程序。二设计原理分析电子式电能表是在数字功率表的基础上发展起来的，采用乘法器实现对电功率 的测量，其工作原理框图如图3-10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

5、应的电能。电压变换器13!乘UU/f11f:计数1法变换Ilk. -A 电疣变换器|!11器1111控制图1电子式电能表工作原理框图三硬件电路设计3.1单片机电路板设计本设计采用的是C8051F360单片机为核心的电路板。C8051F360单片机整体电路 板包含：C8051F360单片机、LED/FMQ报警、RS-232通信、USB接口、电源接口、 LM336-2.5、下载/复位、外接器件、5V3.3V、两路AD输入、信号输入、PCF8563、 24C16、74HC165、74HC164显示等模块。本次设计中主要用到的部分有C8051F360单 片机、PCF8563、24C16和74HC164

6、显示等模块。C8051F360单片机为主要部件，它具有片内上电复位电路、VDD监视器、看门狗 定时器和时钟振荡器器件，是真正能独立工作的片上系统。FLASH存储器还具有在 系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软 件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。其 P1.0,P1.1 口产生的脉冲向74HC164显示输送数据，使其显示相关信息，P2口接拨码 开关，模拟AD7755电量脉冲，PCF8563、24C16部件实时存储用户电量信息，并在掉 电后保存，单片机上电复位后能够从中读取数据。FM24C16是用先进的铁电技术制造的16K位的非

7、易失性的记忆体铁电随机存储器 FRAM具有非易失性并且可以象RAM 一样快速读写数据在掉电可以保存10年且比 EEPROM或其他非易失性存储器可靠性更高系统更简单不象EEPROM FM24C16以总线 速度进行写操作无延时数据送到FM24C16直接写到具体的单元地址下可以立即执行 FM24C16可以承受超过100亿次的读写或者是比EEPROM高一万倍的写操作FM24C16的 写能力使得它在需要对非易失性记忆体快速读写的状况下非常理想举例说数据采集 系统中对写入数据的频率要求高即速度要求非常快使用EEPROM可能丢失数据这种优 势合并使得系统可以更可靠的实时采集数据FM24C16为使用串EEPR

8、OM的用户提供了 便利它在硬件上可以直接替换EEPROM。以下是电路板的相关电路图。阿“判 as “就 “打 2- ：*.打 “訂 .订 “肥图2 74HC164显示电路只C7NCVCCNCTH SITNstxOWDsmU12ELI?金讳嗣 +3.3 C&- i4m.ur7 .:!,亠3口口“ 5 -fl 7/! zplplSJplm 阳P2F2P2p?z+5丁:-j14 r.；图3 24C16与C8051F360连接电路*咗Lz14 .2 .1.2 .az1 J iX-2 0 .穴口an呻3.2 +5V稳压电源电源是电能表设计的重要部分，其设计的好坏对整个系统的性能有较大影响。 本设计使用的

9、稳压电源是由MC7805实现的，输入电压220V,输出电压+5V。集成三端稳压器稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、容易设计和制作、体 积小、重量轻、成本低、维修简单。7805集成三端稳压器的典型应用电路如图2所示, 这是一个输出+5 V直流电压的稳压电路。IC采用集成三端稳压器7805, Cl、C2分别 为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。电路如下图。3-22UV5UHz图5 +5V稳压电源电路图O+5VC3CAPACITOR POL-3.3光电隔离电路在实际应用中，许多电路链接之间需要非直接的连接，从而在提供数据的同时 避免来自系统某一部分的危险电压或电流对另一部分造成破坏，造成

10、这种破坏的可 能是电源质量低劣、接地故障等各种故障。电路隔离的主要目的是通过隔离元件把 干扰的路径切断，从而达到抑制干扰的目的。我们选用光电隔离法，光电隔离元件里面包含两个基本元件：光发射元件和光 接收元件，因光电隔离元件中的光发射元件和光接收元件中间是以光的形式相互联 系的，在电气上没有直接相连，从而达到在电气上的隔离作用。光电耦合的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离, 抗干扰能力强，工作稳定。光电耦合电路如下图。VCCR1R2O VuVi CiDlQI光电隔离原理电路图3.4 AD7755相关电路AD7755是AD公司推出的脉冲输出的一种高准确度电能测量芯片，AD7

11、755在低频输出端提供平均功率信息，在高频输出端输出频率正比有效功率的脉冲，AD7755还 有自校准功能。AD7755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，AD7755一直保持在复位状态。当AVdd降到4V以下，AD7755也被复位，此时F1、 F2和CF都没有输出。下图是AD7755的相关电路图。AD7755V1PV1NVSPV2NADCPGA _厂2, KB, Xlfi I110101敎宇-频率转挽器讥）昭ETREFiWOUT CL KIN CLKOUT SCF SO SI REVP CF Fl F24QA TO4CmAAVDDAVDDU3OK71.5 Ti

12、n伽nU1 F2 A07755 CFREVP220V-j-(p VSNCLKOUTCLKBIMPSS501-1qd1VKUWF寺 tOOnF、匕皿Ir、一性.匕duSCF住 卜主10nF圭V V弋电路图7 AD7755功能框图1、1丨AGNDC1-111乙R1IF1F131R21电流采样电路:C1VAGND :C2VI PVI N图2.6电流米样电路使用分流器的电流采样电路如图2.6所示，其中F1为分流器，Rl、R2为 采样电阻，Cl、C2为采样电容，他们为电流采样通道提供采样电压信号，采样 电压信号的大小由分流器的阻值和流过其上的电流决定。电流采样通道采用完全 差动输入，V1P为正输入端，V

13、1N为负输入端。电流采样通道最大差动峰值电压 应小于470mV，电流采样通道有一个PGA，其增益可由ADE7755的G1和GO来选 择，见表1：表1G1G0增益最大差动信号001470Mv012235Mv10860Mv111630Mv当使用分流器采样时，G1、GO都接高电平，增益选择16,通过分流器的 峰值电压为土30mV，当设计电表为5（20）A规格时，分流器阻值选择为500uQ， 当流过分流器的电流为最大电流20A时，其采样电压为500uQ X20A=10mV，不 超过峰值电压半满度值，这样考虑能允许对电流信号和高峰值因数进行累计。当使用互感器采样时，其电路如图2.7所示：H13 0.43

14、 1.4V1 PR1C1AGND4C2R2V1 N图2.7互感器采样电路使用互感器采样时，G1、G0都接低电平，增益选择1，电流采样通道最大 差动峰值电压为土470mV，其差动信号由互感器的二次侧电流流过电阻R30和R31 产生，互感器二次侧额定电流为5mA，当过载4倍时，二次侧电流为20mA，其流过电阻R30和R31产生的差动信号为96mV,远小于峰值电压半满度值（235 mV）。R1C1和R2C2组成两个低通滤波器，衰减掉那些无用的高频分量，从而防 止有用频带内的失真。Rl、R2、Cl、C2阻值、容值的选取对电表的性能有很大 的影响，因此取值为R1= R2=300欧，C1=C2=27nF。

15、2、电压采样电路:LJ_*11_. -1 J1R 7.5 、,R、，3.9 R 2jR1 100 .220p CLJ Jj CLV2R |C820； I 旦000p-3.3nAGN V2CAGN图2.8电压采样电路电压输入通道（V2N，V2P）也为差分电路，V2N引脚连接到电阻分压电路的 分压点上，V2P接地。电压输入通道的采样信号是通过衰减线电压得到的，其中 R6至R15为校验衰减网络，通过短接跳线J1至J9可将采样信号调节到需要的 采样值上，我们设计的电能表基本电流时电压采样值为174.2 mV，为了准许分 流器的容差和片内基准源8%的误差，衰减校验网络应该允许至少30%的检验范 围，根据

16、参数，其调节范围为169.8 mV - 250 mV，完全满足了调节的需要。这 个衰减网络的-3dB频率是由R4和C3决定的，R19、R23、R24确保了这一点， 即使全部跳线都接通，R19、R23、R24的电阻值仍远远大于R4, R4和C3的选取 要和电流采样通道的R1C1匹配，这样才能保证两个通道的相位进行恰当的匹配, 消除因相位失调带来的误差影响。3、轻载调节电路R 31 QAGND图2.9轻载调节电路轻载调节电路如图2.9所示，其原理是用电压采样处的电压值再经分压后 加到电流采样的正或负端来增大或减小电流采样，达到调节的目的。当短节S2 到1+或I-时，附加到分流器端的电压值为：Vq=

17、RlXVx/ （R20+R1）Rl、Vx已知，可通过改变R20的值来改变需要补偿的电压值。根据计算当R5 为200k时,Vq约为0.0003mV。在轻载时电流采样值Vi=2.5mVX0.05=0.125mV。 轻载误差改变量为0.0003/0.125=0.0024即0.24%,在校验台上表现为轻载误差增大或减小0.24。DVocAC/DC avDD NC VIPvznV2P ffESET refiwcmjt AGMD SCFrr1011AD7755(不按比例)iaNC 不建按图9 AD7755引脚排列图吃CFDGND HEVPCLKOUTGLK1N GOG150513.5参数设定+5V稳压电源

18、的参数有：变压器副边绕组的交流电压有效值，整流元件的参数, 电容Cl、C2的数值以及集成三端稳压器的选用。以下即参数计算：(1) 电容C1，可用下式进行计算：Vi min 之式中：10ms为交流电网电压周期的一半。取Vimin=7.3V。因为在使用三端稳压器时, 为了保证稳压性能,输入端和输出端间电位差至少应在2 V以上，一般对输出电压不 大于18V的稳压器,输入电压应小于35V, 按输出电流应有10 %的余量，取3氏处-1 丘-丨-M 通过计算，得：C1=3014uF。(2) 变压器副边绕组的交流电压有效值，可用下式进行计算:V2 =(T(9-3 + i)通过计算，得：V2=9.9V。为了留

19、有一定裕量，取V2=10.5V。(3) 桥式整流电路中，每个整流二极管在交流电网电压最高时承受的最大反向 峰值电压为VRM -x 10* 5(1 中 10% )=16.3为了安全，整流管的反向耐压应当比上述值大50%以上，因此选择整流管时，其反向 耐压应按下式考虑.F腑 3 16. 3 x (1 + 50%)旨 25 V桥式整流电路中，每个整流二极管的正向电流平均值是输出电流的一半，其最大值是 （/ r）v/ I met 1/2 Io mcnx 二 0. 55A由于在接通电源瞬间有相当大的冲击电流（即充电电流）通过整流管，因此，整流 管的参数（正向电流平均值）应比上述值大0.52倍。若按比上述

20、值大0.8倍考虑，则J =【-“气川”心 二1. H x 0. 55 - 1.4根据上述计算，可选用1A/25V或 1A/50V的桥堆。（4）变压器副边绕组电流的有效值lac要比输出电流Iomax大，这里我们取I ac - L 8 Io max = L 8 x 1. 1 2A因此，变压器副边绕组导线的粗细应按额定电流（交流有效值）为2 A选用。（5）电容C 2的作用是减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰，其数值 在100uF左右。3.6用户清零电路的设计141312G-rhzxrrr nr 如图，即为电能表的用户清零电路，采用74HC165芯片作为清零信号的接收 和发出的端口。P1.5接

21、芯片的两个时钟脉冲信号端，同时P1.2也要有低电平信号才 能使165芯片在P1.4 口输出相应的信号。4.1流程图设计4.1.1主函数流程图1 r4.1.2 AT24C16读写函数流程图4.1.3用户扫描函数流程图4.1.4数码管显示函数流程图4.2程序内容$N0M0D51$include (c8051f360.inc)CLKLED EQU Pl.l;数码管 164时钟LED EQU P1.0 ;数码管数据线SDA EQUP1.3SCL EQUP1.6ORG 0000HLJMP MAINORG 000BHLJMP TO_INTMAIN:LCALL CHUSHI ;调用F360初始化程序/定义3

22、0H-3FH为脉冲存储区域MOV R7,#10H;脉冲个数存储区域清零MOV R1,#30HMC:MOV R1,#OOHINC R1DJNZ R7,MCLCALL READMOV 20H,#1MOV 21H,#0MOV 22H,P2;读24C16;用户名;定时2S的计数单元;暂存P2 口的状态MOV TMOD,#O1HMOV TH0,#0D8H;定时50ms采样周期MOV TLO,#OFOHSETB ET0SETB EASETB TROSJMP $/进入中断子程序TO_INT:MOV TH0,#0D8H;进入中断采样MOV TLO,#OFOHMOV R1,#3FH;第八户MOV R6,#00H

23、MOV A,P2XRL A,22HMOV 22H,P2AA:JNB ACC.7,AA1;判断某户是否有脉冲LCALL COUNT;有脉冲，则计数AA1:INC R6CJNE R6,#08H,AA2;判断8户是否均采样完毕SJMP LCALAA2:DEC R1;进入下一户的存储单元DEC R1RL A;左移一位SJMP AALCAL: LCALL SCAN;判断是否有清零信号LOO:INC 21HMOVA,21HCJNEA,#28H,MM;定时2S,顺序执行显示LCALL WRITE;调用写入程序MOV 21H,#0MOV A,20HDEC ARLA;左移，即乘2ADDA,#30H;将存储单元与

24、用户联系并对应MOV R1,ALCALL DIP;调用显示程序INC 20H;用户名加1MOVA,20HCJNE A,#09H,MMMOV 20H,#lMM:RETI/初始化子程序chushi: MOV SFRPAGE,#OFHMOV P1MDIN,#OFFH;数字输入MOV P1MDOUT,#OEFH ;推挽输出MOV XBR1,#4OH;交叉开关使能MOV PCAOMD,#OOH;关闭看门狗MOV PSCTL,#13HMOV OSCICN,#83H ;内部振荡器允许，不分频 MOV DPTR,# tabRET/COUNT脉冲计数子程序PUSH ACCCLR CMOV A,R1ADDA,#1

25、MOVR1,ADECR1JNCLLINC R1 ;有进位LL:/-DIP:INC R1 ;某户地位地址POP ACCRET显示子程序MOV 51H,20H;设51H56H为数码管显示存储区域MOV 52H,#10MOV 53H,#0MOV A,R1MOV B,#80H;设1000个脉冲为1度电MUL ABMOV 25H,AINC R1MOV A,R1MOV B,#02HDIV ABADD A,25HMOV B,#100DIV ABMOV54H,A;十分位MOVA,BMOVB,#10DIVABMOV55H,A;百分位MOV56H,B;千分位RE:MOV R0,#56HMOV R7,#0CALL

26、dispnINC R7DEC R0CJNE R7,# 8,RERETdispn:MOV DPTR,#TABMOV A,R0PUSHACCMOVCA,A+DPTRCJNER0,#53H,NEXTANL A,#0F7HNEXT:MOVR4,#08hRR1:RRCAJCSET1JNC SET0SET1:CLRCLKLEDSETBLEDSETBCLKLEDDJNZ r4,RR1JMP RETURNSET0:CLRCLKLEDCLR LEDSETBCLKLEDDJNZ R4,RR1RETURN:POPACCRET/写2416程序WRITE : LCALL STR;调开始子程序MOV A,#OAOH;控制

27、字，2416的物理地址和写控制位LCALL I2C_W1W;调向2416写一字节并接收信号子程序 JB F0,WRITE;若写失败，从头开始MOV A,#OOH;选择地址LCALL I2C_W1WJB F0,WRITE;至此，地址写完MOV R0,#30HMOV R7,#10HII1:MOV A,R0;将30h-3FH的内容写到2416中LCALL I2C_W1WJB F0,WRITEINC R0DJNZ R7,II1LCALL STP;调停止子程LCALL DELAYRET/读2416程序-一READ:LCALL STRMOV A,#OAOH;控制字，2416的物理地址和写控制位LCALL

28、I2C_W1W;调向2416写一字节并接收信号子程序JB FO,READ;若写失败，从头开始MOV A,#OOH;选择地址LCALL I2C_W1WJB F0,READ;至此，地址写完lcall STRMOV A,#OA1H;控制字，2416的物理地址和读操作位LCALL I2C_W1WJB F0,READMOV R0,#30HMOV R7,#16JJ3:LCALL I2C_R1W;调用从2416中读1字节子程序MOV R0,A;将从2416中读出的内容存储到30h-3Fh中INC R0DJNZ R7,JJ3SETB F0LCALL I2C_R1WLCALL STPRET/启动2416子程序S

29、TR:SETB SDANOPSETB SCLNOPNOPNOPNOPNOPCLR SDANOPNOPNOPNOPNOPCLR SCLRET/停止2416子程序STP:CLR SDANOPSETB SCLNOPNOPNOPNOPNOPSETB SDANOPNOPNOPNOPNOPRET/向2416中写一字节并接收2416返回的信号I2C_W1W:MOV R5,#8CLR SCLAR_LP1: NOPNOPNOPNOPNOPRLC AMOV SDA,CNOPNOPSETB SCLNOPNOPNOPNOPNOPCLR SCLDJNZ R5,AR_LP1NOPNOPSETB SDANOPNOPNOPS

30、ETB SCLNOPNOPNOPNOPCLR F0JNB SDA,ACKENDSETB F0ACKEND:NOPCLR SCLNOPNOPRET/从2416中读出1字节，并发送应答或非应答信号I2C_R1W:MOV R5,#08HRCV:SETB SDANOPCLR SCLNOPNOPNOPNOPNOPSETB SCLNOPNOPNOPNOPNOPCLR CJNB SDA,RCV0SETB CRCV0: RLC ANOPNOPDJNZ R5,RCVCLR SCLNOPNOPNOPNOPCLR SDAJNB FO,SENDACKSETB SDASENDACK:NOPNOPSETB SCLNOPN

31、OPNOPNOPNOPCLR SCLCLR F0RET/清零子程序SCAN:MOV R0,#8HMOV Rl,#30HCLR Pl.2NOPNOPNOPSETB Pl.2QINGLING:CLR Pl.5SETB P1.5JNB P1.4,CC1SJMP DD1CC1:MOV R1,#0INC R1MOV R1,#0INC R1SJMP DD2DD1:INC R1INC R1DD2:DJNZ RO,QINGLINGRET/延时子程序-DELAY:MOV R3,#30HMOV R5,#0FFHloop :NOPDJNZ R5,LOOPDJNZ R3,loopRETTAB:DB 88H,0ebh,4ch,49h,2bh,19h,18h,0cbh,8h,09h,07fh ;0,1,2,3,4,5,6,7,8,9END五设计总结本次单片机设计，我收获很多。比如对单片机在电力系统中的应用有了一个更 加深入的了解和感悟。同时，也学到了一些处理问题的新的方法和思路，对譬如 AD775、24C16等芯片的作用和处理接入方式有了一个比较好的理解。此外，在编程中，我们对清零程序何时开始运行和单片机的中断和计数等分支 程序有了更加深入的了解。