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1、西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告目录1前言12总体方案设计22.1方案比较22.1.1方案一22.1.2方案二32.2方案比较及选择43单元模块设计53.1各单元模块功能介绍及电路设计53.1.1电源模块电路53.1.2计量模块电路53.1.3时钟及LCD显示模块63.1.4信号采集电路83.2电路参数的计算元器件的选择93.3特殊器件介绍93.3.1 ADE7758介绍93.3.2 STC89C52单片机介绍103.3.3DS12887时钟芯片介绍103.3.4LCD1602液晶显示屏介绍114软件设计134.1软件设计原理及设计134.2设计软件介绍134.2.1Proteu
2、s软件介绍144.2.2 KEIL 8051开发工具144.3软件结构图144.3.1电压电流采集子程序154.3.2 AD转换子程序165系统调试175.1 单片机及1602显示部分175.2万用板电路部分调试186系统功能、指标参数196.1系统能实现的功能196.2系统指标参数分析197 结论208 总结与体会219 谢辞2210 参考文献23附录1（原理图、PCB、实物图）24附录2（主程序）271前言随着国民经济的不断发展，各地对于电能需求量也随之迅速增加，电力已经成为国家的最重要能源。但是，当前居民用电的管理过于落后，居民用电管理收费多年来一直采用先用电、后抄表、再付费的传统作业方
3、式。居民用电绝大多数实行“分表制”，即若干集中居住的家庭使用一个总的电表，每户装一个分电表，作为居民交付电费的依据。但是这种管理方式，给居民和管理人员带来诸多不便，而且还存在着一些弊端。为了适应社会的需要，保证用户安全、合理、方便地用电，对传统的电表和用电的管理模式进行改造，使之符合社会发展的需要就显得很有需要。加上现在很多电表不能分时计费，所以，我们一致决定选择了基于单片机的分时计费智能电表设计。所谓智能电表，就是应用计算机技术，通讯技术等，形成以智能芯片（如CPU）为核心，具有电功率计量计时、计费、与上位机通讯、用电管理等功能的电度表。本新型智能电表主要实现分时智能计费。本次设计主要采用A
4、DE7758电能计量芯片和STC89C52单片机为核心，结合电流、电压采集，再通过信号滤波传给ADE7758，再经过STC89C52处理，最终在键控的触发下，送到LCD显示。此电表能实现用户在220V电压下所用功率的计算，并根据国家规定的用电高峰和低谷设置阶梯电价计算，并显示出用户各时段所耗功率。不仅具有传统电表的功能，还能对用户的用电情况进行管理和控制，并且相比于传统电表的机械式结构，没有机械摩擦，大大的提高了准确度和灵敏度，且易于实现自动化测量，并且可以实现远程通讯和控制，具有较高的性能价格比，适合我国国情，有广泛的引用价值。智能电表利用微机技术，通讯技术等等，减少了能量的消耗，把采集，处
5、理集中于一体，节省成本和人力资源，提高了工作效率，适应了现代用户的需求。通过基于单片机的分时计费智能电表设计，使我们更加熟悉有关单片机开发设计原理及方法，并能加深对单片机的理解和运用以及掌握单片机与外围接口的方法和技巧，这些主要体现在以下方面：1如何使用单片机的总线控制方式进行控制，以及单片机内部AD转换程序的应用。2.可以了解到LCD显示器的结构、工作原理以及这种显示器的接口实例。3.怎样扩展显示接口、如何驱动外围元件等。4.熟悉了单片机程序的编写，以及C语言程序的编写。2总体方案设计本电表采用分时计费原则，将电压，电流等参数进行采集，并通过处理后输入微处理器STC89C52，进行运算，并最
6、终实现对于电能的准确计量和控制显示。通过查阅大量相关技术资料，在老师的建议下，结合自己的实际知识，我们主要提出了两种技术方案来实现系统功能。下面将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述最终选择方案的原因。2.1方案比较智能电表的设计，是基于对用户电压电流信号进行采集，并通过微处理器进行核心运算，当电压电流信号通过采集以后，通过高精度的AD采样保持，最终输入微处理器，并通过用C语言编写的程序键控控制处理器单片机，并且要求通过功率和电费的计算，进行显示与报警。对于电力参数的测试，例如电压，电流，有功功率，无功功率等，现在都有成熟的测量计算方法，对于电压有效
7、值的测量，可以利用积分电路来实现，也可以利用时间采样信号，将信号值平方，去均值以后，得到平方根，通过AD，进行采样，有功功率定义为，和为电压和电流的有效值，为功率因数。而对于非正弦波形的计算，只有通过积分运算来完成。2.1.1方案一在本设计方案中，核心器件为微处理器，这里我们选用是STC89C52单片机，当信号采样后通过AD转换，送入微处理器，进行数据的分析和计算，智能电表的实现必须对用户的功率进行准确的计算，在信号采集模块中，通过电压互感器和电流互感器，对用户的电压和电流信号进行采集，微处理器进行功率和电费的计算，可通过LCD显示，并可以通过键盘对分时电价进行调整，实现显示的转换和调整，并运
8、用单片机内部时钟设计计时系统，以实现分时的控制。但是此设计有诸多缺陷，首先，在信号采集方面，由于智能电表对于功率的计算，如果单纯的使用单片机，会造成功率计算不准确，如果要提高计算的精度，对于信号的AD转换就必须采用高精度期间，成本费用增加，其次即便使用了高精度的AD，在功率计算，补偿方面的程序也相对繁琐，再则，由于使用分时计费系统，只用单片机内部时钟信号进行粗略的计时，产生的时间误差比较大，长时间的使用下会导致计时不准确，而使得电费的计算出现误差。软件系统方面，其核心是编写功率计算程序和AD采样程序，并通过键盘扫描实现显示的切换。方案一如图2.1所示信号采集信号滤波AD7758转换微处理器LC
9、D显示 报警察警键盘控制图2.1 方案一2.1.2方案二本方案的设计思路与方案一大致相同，选用STC89C52单片机，作为微处理器，通过电压传感器，电流传感器实现对用户的电压电流采集，并在单片机中进行电价的计算，与方案一的不同之处在于，方案二中功率计算部分和AD转换采集部分被一块电能计量芯片ADE7758进行代替，该芯片是以一款高准确度的三相电能采集芯片，适用于计量各种三相，单项配置条件下的有功，无功，视在电能，可省去高精度AD的费用的同时，也可以减少单片机内部处理功率的步骤，转由ADE7758完成。同时，由于该智能电表采用分时计费系统，方案二中采用一块时钟芯片以提高对于时间的计时准确程度，以
10、确保该电表可以准确计费，同时，由于时钟芯片本身集成有微型电池，可以在断电的情况下继续运行，保证了在智能电表断电的同时，计时系统不至于停止工作。在本方案中，由ADE7758进行功率的计算并进行校准，在该芯片中，通过有功增益寄存器写入数据，可对输出产生的平均功率进行改变，该芯片中在每个相位集成了一个有功偏移寄存器，该寄存器为12位寄存器，用以对有功功率进行校准，由于实际电路的工作环境的复杂和多变，以及芯片本身制造工艺和各通道之间进行的干扰，都会造成误差的产生，有功功率寄存器的一个LSB相当于有功功率乘法器输出的LSB的1/16。在满刻度输出时，如果乘法器的输出为XCCCCS（838861d），LP
11、F2输出端的1个LSB相当于在电流通道满刻度60dB计量误差的0.0075。在满刻度时，60dB（输入信号级别为满刻度信号输入的1/1000），LPF2的平均数值为838.861 (838,861/1,000)。LSB1/838.861/16100% = 测量值的0.0075% 。有功功率偏移寄存器修正分辨率为0.0075% （ 60 dB）。方案二如图2.2所示信号采集ADE7758转换微处理器键盘输入信号滤波LCD显示 报警时钟芯片图2.2 方案二另外ADE7758的各相拥有一个空载阀值，如果有功功率的测量值低于满刻度的0.005%，则该值不会被累加，有效的避免了电表的浅动。ADE7758
12、通过41个电能寄存器连续累加有功功率以实现对信号的积分作用，这种离散的累加作用就相当于连续时间的积分作用，平均有功功率的计算时，是有符号运算的，负电能将会在有功功率寄存器中被扣除。当有功功率为正，且达到最大值时，有功功率的数值将反转到达满刻度的负值0X800，并继续增加，当有功功率为负值，且持续减小到达最小时，会自动转为正的对大刻度0X7FFF，并继续降低。2.2方案比较及选择虽然两种方案都能实现本次设计。但是在软件系统上，该方案二与方案一的区别在于，重点在对于ADE7758和DS12887两块芯片的读写程序的书写，在硬件的搭建上降低了难度，但是在程序书写上难度有所增加。而且方案二增加了时钟芯
13、片，这样增加了STC89C52的精确度和灵敏度，增强了系统的实时性，时效性。通过对以上两种方案的具体描述，对他们各自的优缺点有了一定的了解。考虑到控制精度，操作习惯和美观以及成本等因素，要完成对于电费的准确计算，并综合本次课程设计成本进行考虑，最终选择了方案二为本次设计的最终设计方案。3单元模块设计本系统主要包括以下部分：电源模块电路、信号采集电路、计量模块电路、时钟及LCD显示模块电路。辅助元件有电阻、电容、晶振、电源、按键等。先对各模块分别作具体介绍：3.1各单元模块功能介绍及电路设计3.1.1电源模块电路电源模块电路从电网220V电压作为输入，通过该电路后，输出端输出大小为5V的电压，作
14、为单片机及其他芯片的VCC电源，具体的电路图如图3.1所示：图3.1 电源模块接线图图3.1为电压模块的电路图，该模块以电网220交流电作为输入，通过整流桥整流后，再经过滤波，最后通过一块78L05稳压芯片进行稳压，得到一个稳定的5V电源，78L05的输出电流可达到100mA，无需外接元件，内部本身带有热过载保护，内部短路电流限制。通过Proteus软件仿真可以看到，通过该电源模块可以很好的工作，并最终得到一个稳定的5V的电源。然后此5V的电压就可以供给STC89C52和时钟芯片DS12887。3.1.2计量模块电路计量模块的核心是通过一块ADE7758芯片来完成，通过信号采集电路，将变换后的
15、电压电流信号输入到该芯片，ADE77581是一款高准确度的三相电能计量芯片，带有两路脉冲输出功能和一个串行接口。ADE7758 集成了二阶-D模数转换器, 数字积分器，基准电路，温度传感器，以及所有进行有功，无功和视在电能计量以及有效值计量所需的信号处理元件。图3.2 计量模块电路接线图图3.2为芯片ADE7758的具体接线图，ADE7758作为一款适用范围极广且功能强大的电能计量芯片在本次设计中担任了重要的角色，通过DOUT管脚直接与单片机连接，通过SPI总线方式，与单片机实现数据之间相互通信，从而实现功率的计算，其中DOUT管脚与单片机P1.4连接，SCLK与P1.3连接，DIN与单片机P1.7连接，CS片选信号与单片机P1.2连接。3.1.3时钟及LCD显示模块本次设计中，该电表要实现分时计费，既必须引入时钟系统，该时钟系统必须准确，且在电表短时间断电之内，不会停止工作，因此，该模块采用了一块时钟芯片DS12887，该芯片为一款使用很广泛的时钟芯片，具体电路图如图3.3所示：图3.3 DS12887接线图图3.3为时钟芯片DS12887的连线图，其中DS与单
