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1、山东科技大学信息与电气工程学院单片机在电力系统中的应用八户电子单相电能表设计与调试姓名 刘昌奇 学号 200901100814 手机 15092456206 Email 专业 电气工程及其自动化 班级 09-2班 指导教师及职称 公茂法 （教授）开课学期 2011 至 2012 学年 2 学期提交时间 2012 年 6 月 日摘要本文介绍了一种以AD7755 的电能脉冲发生器模拟用户用电情况，应用单片机C8051F360编制程序完成脉冲的读取、计数、计算、存储、显示等功能，用74HC164及八段译码显示器完成数据的显示，使用E2PROM 24C16芯片来实现单片机的掉电数据保护，使用74HC1
2、75和键盘搭配实现对每户用电情况清零，并提供了其硬件和软件设计结构，该电能表可实现电能计量、数码管显示、掉电存储、清零等功能。在本电子电能表的前面板上有8位数码管显示器，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，每隔2秒切换一次用户。八户电子电能表采用单片机C8051F36作为中央处理器，每块电能表可对8户的用电情况进行集中检测、循环显示并具有掉电保护的功能。该电能表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，且具有体积小、质量轻、安装方便等优点。关键词：C8051F360；电量；电能表；电能转化脉冲芯片有AD7755；硬件设计；软件设计ABST
3、RACTEight electronic energy meter with a microcontroller C8051F36 as the central processor, each energy meter eight electricity centralized testing, recycling and power-down protection function. Compared with the traditional induction meter to the power meter, and to improve the accuracy of energy m
4、etering, and has a small size, light weight, easy to install. This article describes the function of an AD7755 power pulse generator that simulates user of electricity in the application MCU C8051F360 programming to complete the pulse reading, counting, computing, storage, display, complete data usi
5、ng the 74HC164 and eight out of decoding display, to achieve single-chip power-down data protection of E2PROM 24C16 chip, 74HC175 and keyboard with the household electricity consumption is cleared, and provides hardware and software design structure, the energy meter energy metering, the digital con
6、trol display, power-down storage, cleared and functions.8 digital display of the electronic energy meter front panel, behind the household electricity consumption of household electricity consumption, shown in the last six corresponding to the household, household cycle display every 2 seconds to sw
7、itch a user.Keywords: C8051F360 microcontroller; AD7755; power; energy meter目录1 前言12 设计任务及要求23 设计原理33.1 系统方案33.2 设计总论33.3 方案设计框图44 硬件电路设计54.1 单片机电路部分54.2 稳压电源84.3 AD7755相关电路85 软件电路设计135.1 各模块流程图设计136 参考文献167 致谢178 附录181 前言电能表自诞生至今已有100多年的历史，随着电力系统及其相关产业的发展以及电能管理系统的不断完善,电能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程:由最初的
8、感应电能表,发展到后来的感应系脉冲电能表,直至现在的纯电子式电能表。感应系电能表是利用处于交变磁场的金属圆盘中的感应电流与有关磁场形成力的原理制成的。感应系脉冲电能表仍采用感应系电能表的测量机构作为工作元件,由光电传感器完成电能脉冲转换,然后经电子电路对脉冲进行处理,从而实现对电能的测量。纯电子式电能表的原理是采用电子电路来实现电能计量,所以电子式电能表的共同特点是采用乘法器,根据所依托的乘法器为模拟的还是数字的分为模拟乘法器型电子电能表和数字乘法器型电子电能表。微电子技术和计算机技术的高速发展是电子式电能表迅速进步、日益成熟的主要技术支撑。准确度高、可靠性高的元器件以及大规模集成电路等的采用
9、，使电子式电能表的使用寿命、准确度、稳定度等技术指标均显著改善。电子式多功能多用户电能表由于准确度高、功能扩展性强、易于实现多费率和通信等一系列优点，较好解决了机械表长期以来难以解决的诸多问题，将会在现代化电能计量与管理中逐步占据主导地位。本文给出基于AT89C52单片机的一种新型单相多用户电能表设计，电能计量准确。该电能表具有八段数码管显示，功耗低，掉电后自动存储数据的特点。2 设计任务及要求设计任务：8户电子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、基于 AD7755 的电能脉冲发生器电路设计；软件设计
10、包括：用 C8051F360 单片机及 C 语言编写具有掉电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，100 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。3 设计原理3.1 系统方案根据设计题目要求,以及原始资料的精度要求,电能转化脉冲芯片有AD7755可供选择 ,因为它是一种高准确度电能测量集成电路，稳定性强并
11、且价格不贵；单片机芯片选择C8051F36x器件，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，是真正独立工作的片上系统；数据保护电路芯片可选FM24C16 ，用先进的铁电技术制造的16K位的非易失忆的记忆体；另外要求为LED显示，使用74HC164串入并出8位移位记存器进行存储数据；因为各芯片需提供直流电源,我们要进行设计交直流变化和降压电路。3.2 设计总论该系统主要由前端电路调理模块、电能转换模块、MCU模块、显示模块、存储器模块部分组成。前端电路调理模块采用变比1：1 的电流型电压互感器，电流模块采用变比2000：1 的电流互感器，利用取样电阻采样信号，经变换后的信号
12、以差模电压的形式接到AD7755芯片，取样电阻的阻值由被测信号的最大值决定，然后经AD7755转换后将电压、电流、电能等信号传给单片机C8051F360，C8051F360组成的MCU模块控制所有芯片的工作、截止及计算和模块的显示，显示模块采用液晶模块，液晶正常显示当前测量的用户号、用电量；存储模块采用AT24C16，为系统提供数据存储，可以做到掉电不丢失数据。3.3 方案设计框图图3.1 方案总体设计框图4 硬件电路设计4.1 单片机电路部分系统主要由电量计量采集电路、微处理器、非易失存储器电路、显示电路、供电控制电路等部分组成。计量电路用户电能计量采用专用集成电路设计，每一户的计量脉冲信号
13、，经IO接口电路连接到系统总线，在微处理器的控制下，轮流采集并计数其脉冲信号，达到001 kWh时，将电量存储到非易失存储器中，以防电量丢失。整个电表采用分时方式，轮流显示用户使用的电量数据。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单片机、PCF8563、24C1
14、6、74HC165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。图4.1 主控模块原理
15、图FM24C16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 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4.2 掉电保护模块电路设计中74HC164是比较典
