【導讀】基于51單片機的電子式單相智能電表設計。二0一五年六月六日

　　

【正文】 ， R/W 接 低電平時 芯片寫入數(shù)據(jù) 。 當 RS和 R/W 接不同電平時，芯片會有不同的操作，具體操作如表 4— 8所示， 14 表 4— 6 RS和 R/W 組合功能 RS R/W 功能 低電平 低電平 寫入指令或者顯示地址 低電平 高電平 讀忙信號 高電平 低電平 寫入數(shù)據(jù) 顯示電路設計 顯示電路的設計如下圖 4— 11 所示， 圖 4— 11 顯示電路圖的設計 數(shù)據(jù)存儲模塊設 計 芯片 24C02 簡介 24C02 芯片 是一個 2K 位串行 CMOSE2PROM， 它由 CATALYST 公司 生產(chǎn)， 他的 內(nèi)部含有256 個 8 位字節(jié)， 還有一個 16 字節(jié)頁寫緩沖器 。該芯片采用 先進 的 CMOS 技術(shù) ， 所以 器件的功耗 大大減少了 。同時 24C02 芯片操作簡單 ，通過 I2C 總線接口 就可以 對芯片 進行操作，他的 寫保護功能 是專門設置的 。 他在實際使用中的優(yōu)點還是非常明顯的，比如 與 400KHzI2C總線 完美 兼容 ，工作電壓范圍大，從 到 伏都可以，由于 CMOS 技術(shù)，其功耗很低， 15 具有 寫保護功能 ， 當 WP 接 高電平時 ，芯片 開啟 寫保護 ，數(shù)據(jù)保存時間長， 可保存數(shù)據(jù) 100年 ，大部分采用 8腳 DIP、 SOIC 或 TSSOP 封裝 芯片的管腳圖如下圖 4— 12所示， 圖 4— 12 芯片 24C02 的管腳圖 表 4— 7 各管腳功能 存儲模塊電路設計圖 存儲模塊電路圖如下圖 4— 13 所示 ， 圖 4— 13 存儲模塊電路圖 16 時鐘模塊設計 DS1302 簡介 DS1302 是 由 DALLAS 公司 生產(chǎn) 推出 ， 它 內(nèi) 部不僅有 實時時鐘 還有實時日歷， 該時鐘芯片 可涓流充電 ， 此外還有 31字節(jié)靜態(tài) RAM。 簡單的串行接口 就可以 與單片機 連接 進行通信 ，其中的 實時時鐘 和 日歷電路 可以 提供年 、月、日、時、分、秒等 信息 ,最重要的是 不需要手動調(diào)整 每月的天數(shù)和閏年的天數(shù) ，他們 可以 自動調(diào)整，時鐘 采用 24 或 12小時格式可 通過 操作 AM/PM 來完成 。 DS1302 與單片機之間 通信非常簡單，采用同步串行的方式就可以 ,僅需用到三 條 線 ，他們分別是 SCLK 串行時鐘 、 RES 復位 和 I/O 數(shù)據(jù)線。 如果對芯片的時鐘或 RAM 進行 讀 操作或 寫 操作， 通信 的數(shù)據(jù) 形式 可以采用 一個字節(jié)或 甚至 多達 31 個字節(jié)的字符組。 DS1302還有一個優(yōu)點就是 工作時功耗很低 ,例如要保持芯片的數(shù)據(jù)信息，功率僅為 1mw 甚至還小 。實際上 DS1302 是由 DS1202 改進而來 的 ,與 DS1202 相比， 增加了以下的特性 ，其 雙電源管腳 使得芯片可以由 主電源和備份電源供應 ，圖中的管腳 Vcc1 為 可編程涓流充電電源 。 因此 它 被 廣泛應用于 手機 等便攜式儀器 或 由電池供電的儀器儀表 。 DS1302 的 管腳配置 如下圖 4— 14所示， 圖 4— 14 DS1302 管腳配置圖 表 4— 8 DS1302 引腳功能 引腳號 名稱 功能 1 腳 VCC2 主電源 8 腳 VCC1 后備電源 2/3 腳 X X2 振蕩源 ， 外接 晶振 4 腳 GND 地端 5 腳 RST 復位 /片選線 6 腳 I/O 串行數(shù)據(jù)輸入輸出端 7 腳 SCLK 時鐘輸入端 17 時鐘電路設計 時鐘電路圖設計如下圖 4— 15 所示 ， 圖 4— 15 時鐘電路圖設計 通信模塊設計 單片機串行通信基礎 計算機數(shù)據(jù)通信 可 分為兩種方式： 串行數(shù)據(jù)傳送和 并行數(shù)據(jù)傳送 [8]。 并行數(shù)據(jù)傳送 ，顧名思義 ， 就是同一時間內(nèi) 多個數(shù)據(jù)位 并行 同時傳送 ，因此 提高了傳輸效率， 傳送的 速度 也就比較 快， 但是 快速的傳輸速度是以高成本為代價，因為并 行數(shù)據(jù)傳送有多少數(shù)據(jù)位就需要多少根線， 只有這樣才能實現(xiàn)同一時間內(nèi)多個數(shù)據(jù)位并行同時傳送 。 并行數(shù)據(jù)傳送對于長距離的數(shù)據(jù)傳送來說，成本較高，它通常適用于 短距離的數(shù)據(jù)傳送 [8]。 串行數(shù)據(jù)傳送 ， 顧名思義， 數(shù)據(jù)傳送按位的順序 依次 進行， 前一數(shù)據(jù)位傳送完畢后一數(shù)據(jù)位才可以傳送，因此他的傳輸速度比較慢，但是傳輸成本低，因為串行數(shù)據(jù)傳送 最少只需要一根傳輸線。 串行數(shù)據(jù)傳送比較適用于 傳 輸距離從幾米到幾千米的 長距離的數(shù)據(jù)傳送 。 綜上所述，結(jié)合電表的實際使用，本次設計的智能電表的數(shù)據(jù)傳送采用串行數(shù)據(jù)傳送 [8。 通常， 串行 數(shù)據(jù)傳送又稱為串行通信。 8051 單片機 的 串行通信， 具有四種工作方式，這些 四種 工作方式 可以在實際使用中通過設置單片機的相應端口根據(jù)實際使用情況，任意選擇。 18 RS232 串行口標準簡介 RS232 是 由 美國電子工業(yè)協(xié)會于 1962 年指定的一種串行通信接口標準。 通信設備雙方只有同時遵守這一標準，雙方才可以進行通信，它是 異步串行通信中應用最廣泛的總線標準 。這一標準 規(guī)定 了 在串行通信中 通信設備之間連接電路的電氣特性，約定了他們之間的通信格式，以及其他通信約定 [9]。 完整的 RS232 接口 分為 主信道、輔信道 ， 共 22 根線組成，不過 這一 標準對引腳并未做出嚴格規(guī)定， 除了可以采用 25 芯 D 型插座，也可以采用 9 芯 D 型插座。 但是有時 也可不用聯(lián)絡信號 ，只借助 TXD、 RXD 和 GND 三根線 也可以通信。 MAX232 簡介 針對 電腦的 RS232 標準串口 ，有一款專門的 單電源電平轉(zhuǎn)換芯片 —— MAX232 芯片 。它是 由 美信公司 設計 生產(chǎn)，這一芯片和 所有的 RS232C 技術(shù)標準 都兼容。 它的功耗比較低，單一的 +5V 電源供電 即可使其工作，供電電流通常 僅 為 5mA。 而且 芯片內(nèi)部具有 片載電荷泵 ，因此該芯片可以升高電壓和反轉(zhuǎn)電壓極性， 能夠產(chǎn)生 +10V 和 10V 電壓 。 MAX232 芯片的引腳配置如圖 4— 16所示 ， 圖 4— 16 管腳配置圖 19 表 4— 9 MAX232 引腳 功能 介紹 引腳號 功能 6 引腳 為 RS232 串口 提供 電平 1 1 114 腳 數(shù)據(jù)通道 15 腳 GND，地端 16 腳 VCC（ +5v） 接口電路設計 通信模塊電路圖設計如圖 4— 17所示 ， 圖 4— 17通信模塊電路圖設計 電源模塊設計 系統(tǒng)的電源 設計包括 主電源 設計、 后備電源 設計以及主、后備電源切換電路設計。其中主電源部分包括 變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路，整流電路采用 DB107 模塊，穩(wěn)壓電路采用 LM780 LM7905 集成電路模塊；后備電源采用 的是 可充電的鋰電池。借助二極管的單向?qū)щ娦?，實現(xiàn) 主電源和后備電源 之間的電路切換。 具體工作原理如下表 4— 10 所示， 二極管 D1 二極管 D2 供電方式 主電源上電 導通 截止 主電源 給系統(tǒng)供電，還可對 后備電源充電 主電源掉電 截止 導通 后備電源 給系統(tǒng)供電 20 主電源和后備電源的切換電路 圖如 4— 18 所示 ， 系統(tǒng)整個的 電源模塊設計如圖 4— 19所示。當系統(tǒng)上電工作 是 ， LED 導通發(fā)光。 C C C C6 為有極性的旁路電容， 他們具有穩(wěn)定 穩(wěn)壓器的輸入輸出 的作用 ； C C C C8 為去耦電容， 他們具有將 穩(wěn)壓器輸入和輸出信號中的尖峰成份 濾除的作用 。 圖 4— 18 主電源和后備電源的切換電路圖 圖 4— 19 系統(tǒng)整體電源模塊電路圖 21 5 系統(tǒng)軟件程序 流程圖 以及上位機 設計 軟件編程設計 總體思路采用的是 嵌套的方法， 在主程序中嵌套各種中斷程序， 避免程序冗雜，影響程序正常運行 。 首先設計 系統(tǒng)軟件的主程序 ，它 是系統(tǒng) 軟件部分的 基礎， 它可以啟動系統(tǒng)軟件各個功能部分，完成初始化 。中斷程序 是針對 各種事件的處理，例如按鍵處理、數(shù)據(jù)通信等 。 主程序設計框圖 主程序流程圖 如圖 5— 1 所示 ， 圖 5— 1 系統(tǒng)主程序框圖 功率計量流程圖 功率計量 流程圖 是整個 系統(tǒng) 軟件設計的核心， 計量電能就是通過本部分完成 。 本 次 設計中是將 計量芯片 ADE7757 的 CF 腳 與 單片機的 T0 腳 相連接。 因此， 系統(tǒng) 軟件設計的 總體思路就是通過設定單片機參數(shù)，使得 定時 /計數(shù)器工作在 工作 方式 3 下，即將 T0分為兩個八位定時 /計數(shù)器 THO 和 TL0 使用 （ 而 T1 留作 異步串行通信時設置波特率發(fā)生 使用 ） 。 TH0用于 計 時間， TL0 對 自 計量芯片 ADE7757 的 CF 腳的外部脈沖 計 數(shù)，當 TL0 計滿 16 個脈沖時，查看 TH0 計量的時間，記為 t(s),根據(jù)之前所述的電能計量原理， 計算 出 功率值 [10,11]。 系統(tǒng)上電復位 系統(tǒng)初始化 測量模塊 參數(shù)管理模塊 時鐘模塊 液晶顯示模塊 按鍵處理模塊 輸出模塊 通信模塊 22 由于本 次 設計 中的計量芯片 ADE7757的 CF腳的儀表參數(shù)是 6400imp/Kmh,因此 16個脈沖相當于 16/6400= 的電量或 *3600000=9000J 的電量。時間 t 由兩部分num0 和 num1 記錄，將 TH0 的初值設置為 56，則 每（ 25656） *1us=200us 產(chǎn)生一次中斷。這時 num 自動加 1，當計滿 16個 脈沖后，將 num 的值賦給 num0， num1 則為計滿 16 個脈沖那一刻 TH0 的值。因此有時間 t=（ num0*200+（ num156）） us。所以功率 P=電量 /時間=9000*1000000/（ num0*200+（ num156））。其流程圖如圖 5— 2 所示 ： TL0 中斷 TH0 中斷 返回 返回 圖 5— 2功率計量流程圖 保護現(xiàn)場 讀取 TH0 和 num1 的值 重新置入 TH0 和 num1 的初值并啟動計數(shù) 恢復現(xiàn)場 保護現(xiàn)場 num 自動加 1 恢復現(xiàn)場 23 按鍵查詢流程圖 中斷程序流程圖如圖 5— 3 所示 圖 5— 3 按鍵中斷程序流程圖 上位機設計 上位機 的 窗體 設計 采用 的是 面向?qū)ο蟮?C語言， 在電腦上可以免安裝運行。 并 且分 三個用戶等級， 分別是 普通用戶、管理員、超級管理員，方便不同等級用戶使用。窗體菜單分為管理系統(tǒng)、繳費系統(tǒng)、反饋、關于等。 其中 “當前用電”窗體能夠?qū)崟r顯示現(xiàn)在的用電量，及上次查看時的用電情況和系統(tǒng)時間；可以通過“最近用電情況”窗體查看近期分階段的用電情況，了解自己家庭的用電數(shù)據(jù)。還可以 通過本軟件向用電管理部門反映意見，提出建議，而 且 用電管理部門 也可以 通過本軟件調(diào)查用戶用電要求等 。 INT0 中斷入口 關閉 INT0 中斷 功能鍵掃描 有按鍵按下 判斷按鍵類型并保存鍵值 按鍵處理 開啟 INT0 中斷 返回 N Y 24 6 總結(jié) 經(jīng)過一個多月的緊張工作，我在老師和同學的幫助下，基本上完成了智能電表的設計。但是 本次設計由于時間緊張，自己水平能力有限以及各種外部條件的限制， 并沒有達到自己預想的水平。本次設計僅僅完成了硬件部分 的理論設計 ， 未進行實物制作和仿真調(diào)試，軟件部分僅僅進行了相關流程圖的設計，還沒有真正編寫程序調(diào)試。硬件部分設計 主要包括電壓、電流等 數(shù)據(jù)采集輸入、輸出電路的設計，電能計量芯片 ADE7757 及相關電路的設計， STC89C52 單片機及外圍相關電路的設計，比如存儲模塊、時鐘模塊、顯示模塊、電源模塊、通信模塊等各個功能模塊的電路設計。軟件部分的流程圖設計 ，主要 包括 主程序設計框圖，功率計量流程圖 ， 按鍵查詢流程圖