单片机课程设计电能表设计

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1、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8位LED显示器，前两位为分户号，后6位为分户用电量，所显示的用电量与分户号相对应，分户循环显示，每3s切换一户。如果某户显示的用电量需要清零时，待电子式多用户电能表的LED显示器显示本户的用电量时，用导线将进线端子的清零控制端和信号地端短接，然后拉下电源开关，待重新合上电源开关后，清零完

2、成。将短接的清零控制端和信号地端断开，用户用电量即可重新计量。目录一 设计任务及要求-2二 设计原理分析-三 硬件电路设计-23.1单片机电路板设计-3.2 +5V稳压电源-3.3光电隔离电路-3.4 AD7755电路-3.5参数设定-四 软件设计-4.1流程图-114.2程序内容-五 设计总结-六 参考资料-一 设计任务及要求 设计任务：多用户电子式单相电能表设计与调试设计内容：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C语言编写具有掉电

3、保存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2位，1600个电量脉冲为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。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

4、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、5V-3.3V、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

5、机、PCF8563、24C16和74HC164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。FM24C1

6、6是用先进的铁电技术制造的16K位的非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

7、FM24C16为使用串EEPROM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。图2 74HC164显示电路图3 24C16与C8051F360连接电路图4 单片机电路板整体图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780

8、5，C1、C 2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。图5 +5V稳压电源电路图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

9、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。图6 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，AD7755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。图7 AD7755功能框图图8AD7755性能测试电路图9 AD77

10、55引脚排列图3.5 参数设定+5V稳压电源的参数有：变压器副边绕组的交流电压有效值，整流元件的参数，电容C1、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： 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， 当然也不能太大， 以减少器件功耗和避免器件损坏，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，取通过计算， 得：C1=3014uF。因此取C1=3300uF (2)变压器副边绕组的交流电压有效值,可用

11、下式进行计算： 通过计算,得：V2=9.9V。为了留有一定裕量，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 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： 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。若按比上述值大0.8倍考虑,则 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

12、流的有效值Iac 要比输出电流Iomax大，一般情况下，前者是后者的1.13倍。这里我们取因此，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。 四 软件设计4.1流程图设计4.1.1 主函数流程图开始程序初始化、启动定时器AT24C16读入函数调用用户扫描函数执行写函数，向AT24C16写入数据，存储数据数码管循环显示用户信息结束主函数4.2 AT24C16读写函数流程图读函数调用多字节读取数据函数启动总线到发送地址读数据结束总线延时3ms判断是否返回1读完读取结束返回读函数写函数调用发送多字节数据函数启动总线到发送地址写数据结束总线延时3ms判断是否返回1读完读取结束返回写函数4.1.3 用户扫描函数流程图扫描函数该用户来一用电脉冲，脉冲计数值加1若每位数码管加到10则向前一位数码管进1数码管单元清零检测电脉冲信号是否出现下降沿？数码管显示数=9999.99?继续执行下一步程序4.1.4数码管显示函数流程图入口函数P0口有计数？系统初始化，定时器输入初值查表输出段码输出位码位码移位循环结束？执行下步程序4.2 程序内容五 设计总结六 参考资料