【正文】 華、李文娟 .基于單片的智能電表設(shè)計(jì) .期刊 .石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院電氣工程系 河北石家莊 051132. [8] 藍(lán)振幫 .智能電表程序 .程序聯(lián)合開發(fā)網(wǎng) .. [9] 康華光 .電子技術(shù)基礎(chǔ) 9 謝辭 本 次 設(shè)計(jì) 是 在老師 和兩位學(xué)長 的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下完成 的 ，從 課程設(shè)計(jì) 選 題 到具體的寫作過程，論文初稿與定稿無不凝聚著老師 和兩位學(xué)長 的心血和汗水，在我的 課程 設(shè)計(jì)期間， 通過定時(shí)的見面，老師和兩位學(xué)長對(duì)我們進(jìn)行了悉心的指導(dǎo)，對(duì)我設(shè)計(jì)中存在的問題和不足進(jìn)行了批評(píng)和指正，不厭棄煩的進(jìn)行講解，讓我受益匪淺，同時(shí)， 老師 和兩位學(xué)長 為我提供了種種專業(yè)知識(shí)上 22 智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告 的指導(dǎo)和一些富于創(chuàng)造性的建議，老師 和兩位學(xué)長 一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度使我深受感動(dòng)，沒有這樣的幫助和關(guān)懷和熏陶，我不會(huì)這么順利的完成課程 設(shè)計(jì)。 通過此次設(shè)計(jì)我又了解了幾種平時(shí)在書本上未成學(xué)到的芯片，并對(duì)其功能、參數(shù)等有了了解，這對(duì)以后的工作中有一定的幫助。在實(shí)習(xí)中，我鍛煉了自己動(dòng)手技巧，提高了自己解決問題的能力。我覺得自己在這次設(shè)計(jì)中有很大的收獲： 我對(duì)單片機(jī)有了進(jìn)一步的了解，對(duì)其各個(gè)引腳的功能 、作用也有了了解，這是之前上單片機(jī)課程時(shí)不曾記住的東西。在實(shí)習(xí)中，我鍛煉了自己動(dòng)手技巧，提高了自己解決問題的能力。實(shí)踐出真知，縱觀古今，所有發(fā)明創(chuàng)造無一不是在實(shí)踐中得到檢驗(yàn)的。我們了解到了焊普通元件與電路元件的技巧、工藝流程、功率計(jì)的工作原理與組成元件的作 用等。作為信息時(shí)代的大學(xué)生，作為國家重點(diǎn)培育的高技能人才，僅會(huì)操作鼠標(biāo)是不夠的，基本的動(dòng)手能力是一切工作和創(chuàng)造的基礎(chǔ)和必要條件。 智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) ，是以學(xué)生自己動(dòng)手，掌握一定操作技能并親手設(shè)計(jì)、制作、組裝與調(diào)試為特色的。 8 總結(jié)與體會(huì) 此次課程設(shè)計(jì)作品是基于單片機(jī)的分時(shí)計(jì)費(fèi)智能電表的設(shè)計(jì)，通過對(duì)電路負(fù)載電壓和電流的采樣，對(duì)采樣進(jìn)行 AD轉(zhuǎn)換，再根據(jù)功率計(jì)算公式 UIP? ，由單片機(jī)計(jì)算并 控制 LCD 動(dòng)態(tài)顯示。但是由于以前做的實(shí)踐性工作不是很多，設(shè)計(jì)的器件不夠精確和環(huán)境不夠?qū)I(yè)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)并不能實(shí)現(xiàn)精確的功率測量，但是由于時(shí)間的限制，以沒有在進(jìn)一步的改進(jìn)，這和工業(yè)生產(chǎn)生活中的要求還有差距。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電路的直流輸入功率的測量，并能通過鍵盤切換控制負(fù)載電壓和被測電流。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化調(diào)度。進(jìn)而可以隨時(shí)的觀察到電路的變化，進(jìn)行電路的檢測，維護(hù)。 20 智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)可推廣到各種電子測量系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)直流電路各參數(shù)的測量。 7 結(jié)論 本次系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)了電路電壓電流的采樣，并最終分時(shí)計(jì)費(fèi)。 電源部分使用 220V交流電，通過變壓器變壓為 9V之后，利用一塊 L7805穩(wěn)壓芯片，很好的得到了一個(gè)較為穩(wěn)定，且接近 5V 的電壓，誤差在 + 左右，可以利用其很好為單片機(jī)與核心芯片進(jìn)行供電， 但在此次設(shè)計(jì)中由于經(jīng)費(fèi)、時(shí)間有限，并未采用原定供電方案，而是直接采用了 USB 接口供電。 （ 2）顯示用戶各時(shí)段所耗功率。 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是分時(shí)段計(jì)費(fèi)。以后還需要多加練習(xí)。分時(shí)計(jì)費(fèi)功能在軟件部分的程序中實(shí)現(xiàn)較為容易，主要是分清各個(gè)時(shí)間段的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，在按鍵的設(shè)計(jì)上，采用了復(fù)用的思想，在程序中運(yùn)用了矩陣鍵盤掃描，但按鍵數(shù)量有點(diǎn)多，對(duì)于程序編寫感到十分困難。對(duì)于時(shí)鐘芯片 DS1302，這款芯片的管腳需要特別加以注意，認(rèn)真閱讀芯片資料，否則容易將控制信號(hào)線和數(shù)據(jù)線的位置連接錯(cuò)誤，硬件電路的調(diào)試主要使用萬用表、示波器完成，主要需要注意防止短路，保證各元件在正常上電時(shí)的安全。在確定電流、電壓互感器能正常工作后，就要開始調(diào)試芯片 AD7755，首先，應(yīng)用萬用表對(duì)各個(gè)引腳進(jìn)行測試。萬用板電 路主要分成三塊：電流互感器 TA32BM、電壓互感器 TV31 作為信號(hào)轉(zhuǎn)換，將 18 智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告 220V轉(zhuǎn)換為電能處理芯 片需要的信號(hào)，時(shí)鐘芯片 DS1302 進(jìn)行計(jì)時(shí)，電能處理芯片 AD7755 對(duì)轉(zhuǎn)換后的電流電壓信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出負(fù)載消耗的有功、無功、視在功率，并將所得信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。 單片機(jī)及 LCD1602 顯示部分 在按照原理圖將單片機(jī)的最小系統(tǒng)焊接完成后，我們用 STCISP 軟件對(duì)其進(jìn)行下載程序的調(diào)試，如圖 ： 圖 程序燒寫 LCD1602 顯示部分，在 Proteus 軟件中進(jìn)行了仿真，運(yùn)行結(jié)果如圖 所示，在確認(rèn)仿真可行后，我們調(diào)用單獨(dú)的顯示程序，能正常顯示。在科技社會(huì)的今天，人們對(duì)電表的計(jì)精度、穩(wěn)定性以及綜合利用等要求愈來愈高。 軟件設(shè)計(jì)的主要功能是完成分時(shí)計(jì)費(fèi)，程序流程圖如圖 所示： 15 智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告 圖 主程序流程圖 電壓電流采集子程序 電壓電流采集子程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓電流信號(hào)的同步采樣，其程序流程圖如圖 所示： 結(jié)束 開始 報(bào)警 程序初始化 是 讀 取 AD7755 讀取完成？ 否 計(jì)算余額 余額是否為 0？ 否 檢測標(biāo)志位 鍵盤掃描 LCD 顯示 檢測中斷？ 是 否 是 16 智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告 圖 電壓電流子程序圖 AD 轉(zhuǎn)換子程序 AD 轉(zhuǎn)換子程序主要是實(shí)現(xiàn)將采集的電壓電流信號(hào)進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換， 得到單片機(jī)能處理的數(shù)據(jù)，并計(jì)算出直流功率大小，然后鎖存功率，電流，電壓數(shù)據(jù)，以供顯示。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到 Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。用過匯編語言后再使用 C來開發(fā)，體會(huì)更加深刻。 Proteus 組合了高級(jí)原理布圖、混合模式 SPICE 仿真 ,PCB 設(shè)計(jì)以及自動(dòng)布線來實(shí) 現(xiàn)一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)。 Proteus 軟件介紹 Proteus 軟件是來 自英國 Labcenter electronics 公司的 EDA 工具軟件。 14 智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)軟件介紹 本次設(shè)計(jì)采用 KeiluVision2 作為編程工具，用 Proteus進(jìn)行實(shí)物制作前的仿真， Keil作為現(xiàn)在主流的單片機(jī)編程工作具有操作簡單，快捷的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以與 Proteus聯(lián)動(dòng)方便調(diào)節(jié)和仿真，另用 STCISP15XX 將程序下載至單片機(jī)上運(yùn)行。而 AD7755 本身就是一款處理器，不要編寫代碼，內(nèi)部已經(jīng)一體化了。時(shí)鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫 (除充電寄存器外 )所有寄存器內(nèi)容。 DS1302 有 12 個(gè)寄存器，其中有 7 個(gè)寄存器與日歷、時(shí)鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為 BCD 碼形式。在控制指令字輸入后的下一個(gè) SCLK 時(shí)鐘 的上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)被寫入 DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位 0 開始。位 5 至 位 1 指示操作單元的地址 。 本次設(shè)計(jì)采用 C 語言， C 語言 具有簡潔明了的特點(diǎn)，在本次設(shè)計(jì)中，按照各芯片的讀寫操作時(shí)序，以 SPI 總線操作方式，分別對(duì) DS1302 時(shí)鐘芯片，AD7755 電能計(jì)量芯片進(jìn)行讀寫操作，即可基本完成本次設(shè)計(jì)的主要功能。 DS 1302 引腳腳圖如圖 ： 圖 DS12887管腳圖 LCD1602 液晶顯示屏介紹 LCD1602是一款工業(yè)字符型液晶顯示屏，能夠同時(shí)顯示 32個(gè)字符，內(nèi)部帶有 80*8為的內(nèi)部 RAM緩沖區(qū)，可顯示阿拉伯?dāng)?shù)字，引文字母大小寫，常用符號(hào)和日文片假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，在本次設(shè)計(jì)中，可以通過LCD顯示萬年歷，分時(shí) 電價(jià)，剩余金額等數(shù)據(jù)信息，可以通過鍵盤來切換顯示。 DS1302 的外部引 11 智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告 腳分配如 圖 1 所示及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2所示。工作電壓寬達(dá) ～ 。AD7755的管腳圖如圖 ： 10 智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告 圖 AD7755管腳圖 STC89C52 單片機(jī)介紹 STC89C52 是一款高速度，高密度，低功耗的單片機(jī)，內(nèi)置 8 位中央處理單元， 256 字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM,8K 片內(nèi)程序 ROM， 32 個(gè)雙向 I/O 口，還包含 3個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器，擁有 PDIP(40pin)和 PLCC(44pin)兩種封裝形式，本次設(shè)計(jì)中采用 40 管腳雙列直插封裝，功能強(qiáng)大，可以適用于較為復(fù)雜的工作環(huán)境， STC89C52 單片機(jī)管腳圖 如圖 所示： 圖 STC89C52 管腳圖 DS1302 時(shí)鐘芯片介紹 DS1302 是美國 DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，附加 31 字節(jié)靜態(tài) RAM，采用 SPI 三線接口與 CPU 進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)和 RAM 數(shù)據(jù)。有功功率是從瞬時(shí)功率信號(hào)計(jì)算出來的，是用電流和電壓信號(hào)直接相乘得到的。過采樣速率達(dá) 900KHZ。 AD7755有 24腳 DIF和 SSOP兩張封裝。AD7755內(nèi)部包含一個(gè)對(duì)電源引腳的監(jiān)控電路，內(nèi)部相對(duì)匹配電路使電壓和電流通道的相位始終是匹配的，無論通道 1內(nèi)的高通濾波器是接通的還是斷開的。 ADS只在 ADC和基準(zhǔn)源中使用模擬電路，所有其它信號(hào)處理都是用數(shù)字電路。 因?yàn)槲覀円獪y量的范圍是，負(fù)載電壓不超過 25V，電流不超過 2A，而單片機(jī)能夠接受的電壓小于 5V，所以我們電壓采樣時(shí)，用 ?k47 和 ? 電阻分壓的方式，這樣就算電壓得到 25V 時(shí)，我們所采的電壓也只有 ，單片機(jī)也能正常工作，電壓采樣后經(jīng)過一個(gè)電壓跟隨器，降低輸出阻抗，電流采樣時(shí)，通過電壓間接采樣，因?yàn)槲覀兯?lián)的電阻很小，并聯(lián)一個(gè) ? 的電阻得到一個(gè)小電壓，然后再放大，得到送入單片機(jī)。 電流互感器在正常運(yùn)行時(shí)，二次電流產(chǎn)生的磁通勢對(duì)一次電流產(chǎn)生的磁通 勢起去磁作用，勵(lì)磁電流很小，鐵芯中的總磁通就很小，二次繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢不會(huì)超過幾十伏。 電壓互感器相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)阻很小的電壓源，正常運(yùn)行時(shí)它的負(fù)載阻抗會(huì)很大，相當(dāng)于 開路狀態(tài)，二次側(cè)只有很小的電流，當(dāng)二次側(cè)短路時(shí)，負(fù)載阻抗為零，將產(chǎn)生很大的短路電流，會(huì)將電壓互感器燒壞。上述兩個(gè)模塊通過與STC89C52 單片機(jī)進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn)萬年歷的功能，且可以保證，在智能電表短時(shí)間斷電的情況下，時(shí)鐘不會(huì)停止運(yùn)行，繼而 使 智能電表的分時(shí)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的運(yùn)行，我們用 Proteus 仿真 ,電路圖如圖 所示： 圖 LCD顯示電路仿真圖 圖 LCD1602 顯示模塊，上圖中可以通過按鍵對(duì) LCD 顯示進(jìn)行調(diào)整，可以顯示，分時(shí)電價(jià)，余額等信息。 通過該芯片可以提供比 7 智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告 較精確的萬年歷。 圖 計(jì)量模塊電路接線圖 圖 為芯片 AD7755 的具體接線圖， AD7755 作為一款適用范圍極廣且功能強(qiáng)大的電能計(jì) 量芯片在本次設(shè)計(jì)中擔(dān)任了重要的角色，通過 CF 管腳直接與單片機(jī)連接，與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間相互通信，從而實(shí)現(xiàn)功率的計(jì)算，其中 CF 管 腳 與單片機(jī) 連接 。 計(jì)量模塊電路 計(jì)量模塊的核心是通過一塊 AD7755 芯片來完成，通過信號(hào)采集電路，將變換后的電壓電流信號(hào)輸入到該芯片， AD7755 是一款高準(zhǔn)確度的三相電能計(jì)量芯片，帶有兩路脈沖輸出功能和一個(gè)串行接口。 通過 Proteus 軟件仿真 可以看到， 通過該電源 模塊可以很好的工作 ，并最終 得到一個(gè)穩(wěn)定的 5V 的電源。 輔助元件有電阻、電容、晶振、電源、按鍵等。 考慮到控制精度，操作習(xí)慣和美觀以及成本等因素， 要完成對(duì)于電費(fèi)的準(zhǔn)確計(jì)算，并綜合本次課程設(shè)計(jì)成本 進(jìn)行 考慮，最終選擇了方案二為本次設(shè)計(jì)的最終設(shè)計(jì)方案。 而且方案二增加了時(shí)鐘芯片，這樣增加了 STC89C52 的精確度和靈敏度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，時(shí)效性。 雖然兩種方案都能實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)。 AD7755通過 41個(gè)電能寄存器連續(xù)累加有功功率以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的積分作用，這種離散的累加作用就相當(dāng)于連續(xù)時(shí)間的積分作用，平均有功功率的計(jì)算時(shí)，是有符號(hào)運(yùn)算的，負(fù)電能將會(huì) 在有功功率寄存器中被扣除。有功功率偏移寄存器修正分辨率為 % （ ? 60 dB）。在滿刻度時(shí)，－ 60dB（輸入信號(hào)級(jí)別為滿刻度信號(hào)輸入的 1/1000）， LPF2的平均數(shù)值為 (838,861/1,000)。 在本方案中，由 AD7755進(jìn)行功率的計(jì)算并進(jìn)行校準(zhǔn)，在該芯片中，通過有功增益寄存器寫入數(shù)據(jù)，可對(duì)輸出產(chǎn)生的平均功率 進(jìn) 行改變，該芯片中在每個(gè)相位集成了一個(gè)有功偏移寄存器，該寄存器為 12位 寄存器，用以對(duì)有功功率 進(jìn) 行校準(zhǔn)，由于實(shí)際電路的工作環(huán)境的復(fù)雜和多變，以及芯片本身制造工藝和各通道之間 進(jìn) 行的干擾，都會(huì)造成誤差的產(chǎn)生，有功功率寄存器的一個(gè) LSB相當(dāng)于有功功率