【正文】 且 電子式電能表無論在價(jià)格、功能、精度、可靠性等方面都優(yōu)越于傳統(tǒng)感應(yīng)式電能表 ，具有的強(qiáng)大 的 功能特點(diǎn) 和研究的必要性。而要發(fā)展電子式電能表，核心技術(shù)是關(guān)鍵。被測(cè)信號(hào) 經(jīng) AD7755 轉(zhuǎn)換后將電壓、電流、電能等信號(hào)傳 輸 給單片機(jī) C8051F360 主控芯片 ， 然后 C8051F360 控制 其他 所有芯片的工作、計(jì)算和顯示 。 設(shè)計(jì)的主要要求 相單用 戶交流電能的測(cè)量； ； 的 功能； 的 功能 ； 100 個(gè)脈沖為 1度電 ； 為 1%； ： 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 35 頁(yè) 設(shè)計(jì)方案框 圖 根據(jù) 節(jié)中對(duì)總電路方案的設(shè)計(jì)可得到總的方案框圖如下圖 所示： 圖 設(shè)計(jì)總體框圖 電能表總電路圖 用 protel 軟件繪制單相單用戶電能表的總電路圖如下圖 所示： 線路 電壓 線路 電流 電壓 互感器 電流 互感器 電能轉(zhuǎn)換脈沖芯片 AD7755 光 電 耦 合 C8051F360 單片機(jī) 74HC164及八段譯碼顯示 E2PRM 24C16 74HC165鍵盤清零 穩(wěn)壓電源 穩(wěn)壓電源 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 35 頁(yè) 圖 電能表總電路圖 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 共 35 頁(yè) 4 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 硬件設(shè)計(jì) 此課程 設(shè)計(jì)采用的是以單片機(jī) C8051F360 芯片 為核心的電路板 ，此板的各部分原理圖及內(nèi)部連接圖見附錄一所示 。它具有片內(nèi)上電復(fù)位電路、 VDD 監(jiān)視器、看門 狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器器件，是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 共 35 頁(yè) 圖 C8051F360 單片機(jī)電路 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)中 P2口接一并排開關(guān)，此設(shè)計(jì)中只用到 口，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單用戶電脈沖輸入的模擬； 和 接八段數(shù)碼管控制其顯示； 和 分別接 AT24C16 的 SDA 和 SCL 管腳來控制存儲(chǔ)部分的電路； 、 和 這三個(gè)口分別與 74HC165 芯片的對(duì)應(yīng)管腳相連接，來實(shí)現(xiàn)用戶電量按鍵清零的功能。 圖 +5V 直流穩(wěn)壓電源仿真結(jié)果 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 共 35 頁(yè) 74HC164 驅(qū)動(dòng) LED 數(shù)碼管顯示的設(shè)計(jì) 圖 74HC164驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示電路 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 共 35 頁(yè) 如圖 所示為 74HC164 驅(qū)動(dòng) LED 數(shù)碼管顯示電路，設(shè)計(jì)中單片機(jī)的、 口產(chǎn)生的脈沖向 74HC164 顯示輸送數(shù)據(jù)，使其顯示相關(guān)信息，兩個(gè)輸入端或者連接在一起，或者把不用的輸入端接高電平，一定不要懸空。 74HC164 的使用原理為： 時(shí)鐘信號(hào)從低電平變?yōu)楦唠娖降臅r(shí)候?qū)⑤敵鲆粋€(gè)數(shù)據(jù)到輸出端 D0，當(dāng)時(shí)鐘第二次由低電平變?yōu)楦唠娖降臅r(shí)候?qū)⑤敵龅诙€(gè)數(shù)據(jù)到D0，而第一個(gè)數(shù)據(jù)將轉(zhuǎn)移到 D1 端口。數(shù)碼管的外形結(jié)構(gòu) 連接 如 下 圖 所示。每一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿加到 CLK 端時(shí)，移位寄存器移一位， 8 個(gè)時(shí)鐘脈沖過后， 8 位二進(jìn)制數(shù)全部移入 74HC164 中。 24C16 以總線速度進(jìn)行寫操作 ， 無延時(shí) ， 數(shù)據(jù)送到 24C16 中 直接寫到具體的單元地址下 ， 可以立即執(zhí)行 。 圖 24C16 掉電保存電路 由于其控制引腳較少，占用單片機(jī)口線較少，在少量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中有非常大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵诒驹O(shè)計(jì)中，我們只需將校表數(shù)據(jù)及少量的電能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)其中，以做到系統(tǒng)掉電時(shí)不丟失數(shù)據(jù)，免除每次開機(jī)時(shí)的校表過程，故選用控制引腳簡(jiǎn)潔的AT24C16 將非常的合適。 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 共 35 頁(yè) 圖 74HC165 按鍵清零電路 AD7755 電能轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì) 電能變換電路采用 AD7755 芯片（ Ib=10A,C=1600KW/h） ,它 是脈沖輸出的一種高準(zhǔn)確度電能測(cè)量芯片， 工作時(shí) AD7755 芯片將電流采樣信號(hào)和電壓采樣信號(hào)送入緩沖放大器，經(jīng)模擬乘法器相乘，再經(jīng) V/F 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)， AD7755 芯片的快速脈沖輸出為 1600 脈沖 /KWh，與用戶使用電能相對(duì)應(yīng)。兩路電壓信號(hào)經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器、濾波器、乘法器等，將信號(hào)輸入到數(shù)字一頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為一定頻率的脈沖信號(hào)。脈沖輸出的基本方式是從F1 或 F2 輸出，但是這兩個(gè)引腳輸出的脈沖頻率較低，最高為幾百個(gè)脈沖 /。 另外在采集電流、電壓信號(hào)時(shí)，要合理選擇采集方式，輸入到通道一、通道二的電壓信號(hào)選在最大允許輸入信號(hào)的 1/3 到 2/3 范圍內(nèi)為宜。另外還可以釆用電流互感器，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。但是不會(huì)有太大偏差，不會(huì)對(duì)設(shè)備性能有太大影響。由于光耦合器將電路分成兩部分，所以兩側(cè)應(yīng)該分別供電。 主函數(shù)流程圖 程 序 初 始 化開 始啟 動(dòng) 定 時(shí) 中 斷讀 2 4 C 1 6 里 的 數(shù) 據(jù)統(tǒng) 計(jì) 脈 沖 個(gè) 數(shù)讀 鍵 碼 值按 鍵 使 用 戶 用 電 量 清 零寫 入 2 4 C 1 6 數(shù) 據(jù)顯 示 用 戶 用 電 量 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè) 共 35 頁(yè) AT24C16 讀函數(shù)流程圖 發(fā) 送 起 始 地 址開 始向 2 4 C 1 6送 入 一 個(gè) 字 節(jié)串 行 數(shù) 據(jù)寫 失 敗 ？發(fā) 送 字 節(jié) 地 址將 字 節(jié) 地 址 送 入2 4 C 1 6重 新 發(fā) 起 始 條 件將 2 4 C 1 6里 的 數(shù) 據(jù) 讀 出讀 最 后 一 個(gè) 數(shù) 據(jù) 前 發(fā)非 應(yīng) 答 信 號(hào)發(fā) 終 止 條 件返 回否是 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè) 共 35 頁(yè) AT24C16 寫函數(shù)流程圖 開 始發(fā) 送 起 始 地 址向 2 4 c 1 6 中 送 入 一個(gè) 串 行 數(shù) 據(jù)發(fā) 送 字 節(jié) 地 址將 字 節(jié) 地 址 送入 2 4 C 1 6寫 失 敗返 回否是數(shù) 據(jù) 接 收 出錯(cuò) ？寫 數(shù) 據(jù) 到 2 4 C 1 6 并發(fā) 應(yīng) 答 信 號(hào)8 個(gè) 字 節(jié) 發(fā) 送完 ？是發(fā) 數(shù) 據(jù)否 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè) 共 35 頁(yè) 顯示用戶電量流程圖 開 始把 用 戶 戶 號(hào) 、 “ — ” 線 、 小 數(shù)點(diǎn) 及 用 戶 電 量 各 個(gè) 位 上 的 數(shù) 字對(duì) 應(yīng) 的 段 號(hào) 放 入 數(shù) 碼 管 中顯 示 出 數(shù) 值延 時(shí)返 回 按鍵掃描清零函數(shù)流程圖 開 始引 腳 數(shù) 據(jù) 鎖 存控 制 時(shí) 鐘 引 腳通 過 移 位 輸 出 鍵 碼將 鍵 碼 所 對(duì) 應(yīng) 的 的 用戶 用 電 量 清 零返 回 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè) 共 35 頁(yè) 中斷子程序流程圖 開 始定 時(shí) 器 賦 50m s初 值是 否 定 時(shí)50m s把 統(tǒng) 計(jì) 電 量 的 各 位數(shù) 字 分 離 出 來統(tǒng) 計(jì) 電 量 是 否 大 于統(tǒng) 計(jì) 電 量 清 零返 回是否是否 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 第 23 頁(yè) 共 35 頁(yè) 5 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 為期兩周的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束， 通過 對(duì) 這次課程設(shè)計(jì)的制作讓我對(duì)單片機(jī)的理論有了更加深 入的了解 ，并且 從中我學(xué)到了很多 書上并不存在 東西 ，并且深刻的認(rèn)識(shí)到 書本上的知識(shí)與實(shí)際的應(yīng)用存在著 很大 的差距 。并且這次單片機(jī)課程設(shè)計(jì)激發(fā)了我對(duì)單片機(jī)及程序更高的熱情，因?yàn)樗軐⑽覀兊南敕ㄍㄟ^編程的方式來實(shí)現(xiàn)出來，所以我對(duì)編程的靈活性產(chǎn)生了濃厚的興趣。 [3] 羅旭，張彥斌等 ， 單相電子式電能表的特點(diǎn)及其原理，第 1 期 :20xx 年 10 月。本設(shè)計(jì)中用 Fl、 F2 輸出低頻脈沖方式。 表 1 F14 換算表 通常情況下先根據(jù)最大輸入電流和輸入電壓以及 F14 的取值范圍算出可選脈 沖 數(shù) 范圍 ，再 根 據(jù)自 己 的要 求確 定 實(shí)際 脈 沖數(shù) ，最 后 有公 式 F=（ *V1*V2*G*F14） /VREF2 向回推算出 VI、 V2 檢驗(yàn)二者是否在各自的理想電壓范圍內(nèi)。 例如：本方案在設(shè)計(jì)時(shí)要采 用 F1 輸出脈沖，根據(jù)計(jì)算可選脈沖數(shù)范圍為：1261005 個(gè)脈沖數(shù) /，實(shí)際選擇 1000 個(gè)脈沖 / ,且 GO、 G1狀態(tài)為 00，因此增益為 1, S S0 狀態(tài)為 01，因此 F14=，選取內(nèi)部給定參考電壓 2. 5V。通道二的輸入電阻可選的比較大，能夠進(jìn)行較精細(xì)的調(diào)節(jié)，取通道二的輸入電壓為 ,為最大允許輸入電壓有效值的 68%。 sbit QH=P1^4。 sbit DIN=P1^0。 unsigned char tab[]={0x88,0xeb,0x4c,0x49,0x2b,0x19,0x18,0xcb,0x08