【文章內(nèi)容簡介】 本次設計中主要用到的部分有 C8051F360單片機、 AT24C16 掉電存儲、 74HC164 驅(qū)動數(shù)碼管 顯示 以及 74HC165 按鍵等模塊，下面將詳細介紹各模塊。 C8051F360 單片機電路部分 C8051F360 單片機為主要 控制 部件，其電路圖如下圖 所示。它具有片內(nèi)上電復位電路、 VDD 監(jiān)視器、看門 狗定時器和時鐘振蕩器器件，是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。 FLASH 存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新 8051 固件。用戶軟件對所有外設具有完全的控制，可以關斷任何一個或所有外設以節(jié)省功耗。其 、 口產(chǎn)生的脈沖向 74HC164顯示輸送數(shù)據(jù)，使其顯示相關信息； P2口接撥碼開關，模擬 AD7755 電量脈沖；PCF856 24C16 部件實時存儲用戶電量信息，并在掉電后保存，單片機上電復位后能夠從中讀取數(shù)據(jù)。 山東科技大學課程設計 第 9 頁 共 35 頁 圖 C8051F360單片機電路 單片機電路設計中 P2口接一并排開關，此設計中只用到 口，實現(xiàn)了對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 管腳來控制存儲部分的電路； 、 和 這三個口分別與 74HC165 芯片的對應管腳相連接，來實現(xiàn)用戶電量按鍵清零的功能。 +5V 穩(wěn)壓電源的設計 電源電路是整個系統(tǒng)能穩(wěn)定工作的前提和關鍵，系統(tǒng)中的各個單元電路都需要使用直流電源供電，本設計采用自制電源供電方式，將 220V 交流市電通 過電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過橋式整流電路整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器的兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓，此直流電壓經(jīng)過 W7805 的穩(wěn)壓和電容的頻率補償，便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。 山東科技大學課程設計 第 10 頁 共 35 頁 用 Multisim電路仿真軟件制作出的 +5V穩(wěn)壓電源 電路圖如下圖 。 圖 +5V穩(wěn)壓電源電路圖 將圖 中的 +5V 穩(wěn)壓電源 電路圖進行 仿真 ，其 結果 如下圖 所示。 圖 +5V直流穩(wěn)壓電源仿真結果 山東科技大學課程設計 第 11 頁 共 35 頁 74HC164 驅(qū)動 LED數(shù)碼管顯示的設計 圖 74HC164驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示電路 山東科技大學課程設計 第 12 頁 共 35 頁 如圖 所示為 74HC164 驅(qū)動 LED 數(shù)碼管顯示電路，設計中單片機的、 口產(chǎn)生的脈沖向 74HC164 顯示輸送數(shù)據(jù)，使其顯示相關信息，兩個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。 電路設計中 74HC164 是高速硅門 CMOS 器件， 是比較典型的移位寄存器， 它與低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引腳兼容。 74HC164 是 8 位邊沿觸發(fā)式移位寄存器， 串行輸入數(shù)據(jù)，然后并行輸出。數(shù)據(jù)通過兩個輸入端（ DSA 或 DSB）之一串行輸入，任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入，其管腳圖 如圖 所示。 74HC164 的使用原理為： 時鐘信號從低電平變?yōu)楦唠娖降臅r候?qū)⑤敵鲆粋€數(shù)據(jù)到輸出端 D0，當時鐘第二次由低電平變?yōu)楦唠娖降臅r候?qū)⑤敵龅诙€數(shù)據(jù)到D0，而第一個數(shù)據(jù)將轉(zhuǎn)移到 D1 端口。依此類推，每一個時鐘周期中都有一個串行數(shù)據(jù)輸出到 D0，而其他的數(shù)據(jù)則不斷往高位移動直到所有數(shù)據(jù)傳輸結束。如果不再有時鐘周期輸入，則這些數(shù)據(jù)將暫存在輸出端。 圖 74HC164引腳圖 數(shù)碼管由 8個發(fā)光二極管（以下簡稱字段）構成，通過不同的組合可用來顯示數(shù)字 0 ?字符 A ? F、 H、 L、 P、 R、 U、 Y、符號“ ?”及小數(shù)點“ .”。數(shù)碼管的外形結構 連接 如 下 圖 所示。 山東科技大學課程設計 第 13 頁 共 35 頁 圖 數(shù)碼管管腳連接圖 通過以上對 74HC164 驅(qū)動數(shù)碼管顯示電路各個模塊的介紹，聯(lián)系單片機的控制原理，可得到 C8051F360單片機 控制 74HC164驅(qū)動數(shù)碼管顯示的具體過程如下：單片機 外接 8 片 74HC164 作為 8 位 LED 顯示接口，把單片機的 出線， 作為移位時鐘脈沖。其中 A、 B（第 2 腳）為串行數(shù)據(jù)輸入端， 2個引腳按邏輯與運算規(guī)律輸入信號，共一個輸入信號時可并接。 CLK為時鐘輸入端，可連接到 端。每一個時鐘信號的上升沿加到 CLK 端時，移位寄存器移一位， 8 個時鐘脈沖過后， 8 位二進制數(shù)全部移入 74HC164 中。 Q0?Q 7并行輸出端分別接 LED 顯示器的 g? e各段對應的引腳上。在給出了 8個脈沖后，最先進入 74HC164 的第一個數(shù)據(jù)到達了最高位，然后再來一個脈沖，第一個脈沖就會從最高位移出， 8片 74HC164 首尾相串，而時鐘端則接在一起，這樣，當輸入 8個脈沖時，從單片機 端輸出的數(shù)據(jù)就進入到了第一片 74HC164 中了，而當?shù)诙?次 8個脈沖到來后，這個數(shù)據(jù)就進入了第二片 74HC164，而新的數(shù)據(jù)則進入了第一片 74HC164，這樣，當?shù)?8 次 8 個 脈沖完成后， 8位數(shù)據(jù)便顯示在八段數(shù)碼管上了。 24C16 芯片掉電存儲的設計 AT24C16 是用先進的鐵電技術制造的 16K 位非易失性記憶體鐵電隨機存儲器 ，其 FRAM 具有非易失性并且可以象 RAM 一樣快速讀寫數(shù)據(jù) ， 在掉電 后 可以保存 10 年且比 EEPROM 或其他非易失性存儲器可靠性更高 、 系統(tǒng)更簡單 ， 而 不像 山東科技大學課程設計 第 14 頁 共 35 頁 EEPROM。 24C16 以總線速度進行寫操作 ， 無延時 ， 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 。 24C16 可以承受超過 100 億次的讀寫或者是比 EEPROM 高一萬倍的寫操作 ， 24C16 的寫能力使得它在需要對非易失性記憶體快速讀寫的狀況下非常理想 的完成任務， 這種優(yōu)勢合并使得系統(tǒng)可以更可靠的實時采集數(shù)據(jù) 。 SCL 連接 C8051F360 的 引腳為串行輸入端，上升沿寫入 ； SDA 連接 為串行輸 出 端。每次中斷顯示時寫入一次 單 用戶的脈沖數(shù)量，實時存儲用戶電量信息，并在掉電后保存，單片 機上電復位后能夠從中讀取數(shù)據(jù) ， 24C16 掉電保存電路 如下 圖 所示。 圖 24C16掉電保存電路 由于其控制引腳較少，占用單片機口線較少，在少量數(shù)據(jù)存儲中有非常大優(yōu)勢，因為在本設計中，我們只需將校表數(shù)據(jù)及少量的電能數(shù)據(jù)存儲其中，以做到系統(tǒng)掉電時不丟失數(shù)據(jù)，免除每次開機時的校表過程，故選用控制引腳簡潔的AT24C16 將非常的合適。 74HC165 芯片按鍵清零的設計 74HC165 芯片按鍵清零的電路圖如下圖 所示， 74HC165 是 8 位并行輸入串行輸出移位寄 存器，可在末級得到互斥的串行輸出（ Q0 和 Q7），當并行讀?。?PL）輸入為低時，從 D0到 D7 口輸入的并行數(shù)據(jù)將被異步地讀取進寄存器內(nèi)。而當 PL 為高時，數(shù)據(jù)將從 DS 輸入端串行進入寄存器，在每個時鐘脈沖的上升沿向右移動一位（ Q0 → Q1 → Q2 等）。設計 中用 74HC165 使能端， 作為 74HC165 脈沖輸入端 作為 74HC165 輸出端檢測按鍵信息，進行清零。 山東科技大學課程設計 第 15 頁 共 35 頁 圖 74HC165按鍵清零電路 AD7755 電能轉(zhuǎn)換設計 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確度電能測量芯片， 工作時 AD7755 芯片將電流采樣信號和電壓采樣信號送入緩沖放大器，經(jīng)模擬乘法器相乘，再經(jīng) V/F 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換將電壓信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號， AD7755 芯片的快速脈沖輸出為 1600 脈沖 /KWh，與用戶使用電能相對應。 AD7755 在低頻輸出端提供平均功率信息，在高頻輸出端輸出頻率正比有效功率的脈沖， AD7755 還有自校準功能。 AD7755 芯片的外圍封裝電路、性能檢測電路圖及主要參數(shù)分析及計算見附錄二所示， AD7755 的 功能框圖如下圖 所示。 圖 AD7755的功能框圖 山東科技大學課程設計 第 16 頁 共 35 頁 （ 1） AD7755 電能轉(zhuǎn)換設計原理 如 AD7755 的 功能框圖 所示，將電流信號轉(zhuǎn)換為合適的電壓信號，由通道一輸入，通道一輸入最大差動信號峰值為 470mV，有效值約為 330mV； 電壓信號經(jīng)過處理，輸入到通道二，通道二輸入最大差動信號峰值為 660mV， 有效值約為467mV。兩路電壓信號經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器、濾波器、乘法器等，將信號輸入到數(shù)字一頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為一定頻率的脈沖信號。對這個脈沖信號進行計數(shù)就可以計量用戶的用電量。可編程增益放大器的放大倍數(shù) G 可 視情況隨意選擇，由 G0、 Gl的邏輯電平確定 ，通道一的 增益 選擇 表 如下 所示。 表 通道一的 增益 選擇 表 通過設置 SO、 S1可以選擇不同的 Fl4進行選擇。脈沖輸出的基本方式是從F1或 F2 輸出，但是這兩個引腳輸出的脈沖頻率較低，最高為幾百個脈沖 /。也可以選擇高頻脈沖輸出，高頻脈沖可以從 CF 端輸出，脈沖數(shù)可達幾千個脈沖 / 。 若要使用高頻則需要對 SCF引腳進行配置。但是實際使用時脈沖頻率不可太高，所以，選用這種脈沖輸出方式時 通常把 SCF、 SO、 S1都接低電平，脈沖頻率可以 低一些。 另外在采集電流、電壓信號時，要合理選擇采集方式，輸入到通道一、通道二的電壓