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1、 课程设计报告课程名称：单片机在矿山监控中的应用设计课题名称：多用户电子式电能表的设计姓名 学号 专业 电气工程及其自动化 班级 09-1 2012 年 1 月 6 日目录一、设计任务31、设计目的32、设计要求3二、 硬件设计31、 设计总体框图32、 设计参数44、 光电隔离电路75、 C8051F360单片机部分管脚及参数86、 器件选择87、 设计原理图10三、 软件设计141、 主程序框图142、 显示用户及相应电能子程序框图143、 查询键盘程序框图154、 送LED显示子程序框图框图155、 中断子程序框图166、 24C16读程序框图177、 24C16写程序框图18四、 程序
2、清单19五、总结29多用户电子式电能表的设计 石信亮摘要： 本文介绍了一种以单片机C8051F360为核心，采用专用电能计量芯片AD7755设计的单相多用户电子式电能表，并提供了其硬件和软件设计结构简单，价格便宜，适合一户一表使用。该电能表可实现电能计量、数码管显示、，时间校正及时，功耗低，掉电后自动存储数据等功能。 关键词：电能表；单片机；硬件设计；软件设计0引言随着我国经济的飞速发展，各行各业对电的需求越来越大，不同时间用电量不均衡的现象也日益严重。为缓解我国日趋尖锐的电力供需矛盾，调节负荷曲线，改善用电量不均衡的现象，全面实行峰、平、谷分时电价制度，“削峰填谷”，提高全国的用电效率，合理
3、利用电力资源，国内部分省市的电力部门已开始逐步推出了多费率电能表，对用户的用电量分时计费。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
4、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。本文给基于C8051F360 单片机的一种新型单相多用户电能表设计，采用 AD7755电能计量芯片，电能计量准确。该电能表具有分时段计量，八段数码管显示，时间校正及时，功耗低，掉电后自动存储数据的特点。 一、 设计任务1、 设计目的通过计算机编程实现多用户电子式数码显示电能表的功能。本次设计用户数为八户，即实现八位用户循环显示电能量。同时，基于E2PROM 24C16芯片实现单片机的掉电数据保护，基于74HC165芯片实现单片机的清零。2、 设计要求基于AD7755芯片实现电能脉冲
5、的发生；应用单片机C8051F360编制程序完成脉冲的读取、计数、计算、存储、送显示等功能；应用74HC164及八段译码显示器完成数据的显示；应用74HC165及键盘控制对脉冲清零；应用E2PROM 24C16完成数据的定时写入以防停电时数据丢失。二、 硬件设计1、 设计总体框图线路电压线路电流电压互感器电流互感器电能转换脉冲芯片AD7755光电耦合C8051F360单片机74HC164及八段译码显示E2PROM24C1674HC164键盘清零稳压电源稳压电源2、 设计参数基准电压： 220V10%基准电流：Ib=5A最大电流：Imax=4Ib=20A计量精度：1最小电流：Imin=2%Ib=
6、0.1A脉冲数：1000/kw.h3 AD7755相关参数计算电能变换电路采用AD7755芯片（Ib=5A,C=1000KW/h）,工作时AD7755芯片将电流采样信号和电压采样信号送入缓冲放大器，经模拟乘法器相乘，再经V/F转换器转换将电压信号转换为脉冲信号，AD7755芯片的快速脉冲输出为1000脉冲/KWh，与用户使用电能相对应。 输出的快速脉冲信号送给单片机，我们采用C8051F360单片机对方波信号进行采集和计数，P2口（8位）工作即可对8户电能脉冲进行采集与计数，本实验我们将为每户开辟1个字节的内存计数。简单的ADE7755外围应用电路是由电流采样电路、电压采样电路、轻载调节电路、
7、频率选择电路、高频输出和低频输出等组成。现对各个电路进行单独分析。下图为 AD7755性能测试电路图2.5 AD7755性能测试电路（1） 电流采样电路：图2.6 电流采样电路使用分流器的电流采样电路如图2.6所示，其中F1为分流器，R1、R2为采样电阻，C1、C2为采样电容，他们为电流采样通道提供采样电压信号，采样电压信号的大小由分流器的阻值和流过其上的电流决定。电流采样通道采用完全差动输入，V1P为正输入端，V1N为负输入端。电流采样通道最大差动峰值电压应小于470mV，电流采样通道有一个PGA，其增益可由ADE7755的G1和GO来选择，见表1： 表1G1G0增益最大差动信号001470
8、Mv012235Mv10860Mv111630Mv当使用分流器采样时，G1、G0都接高电平，增益选择16，通过分流器的峰值电压为30mV，当设计电表为5（20）A规格时，分流器阻值选择为500u，当流过分流器的电流为最大电流20A时，其采样电压为500u20A=10mV，不超过峰值电压半满度值，这样考虑能允许对电流信号和高峰值因数进行累计。当使用互感器采样时，其电路如图2.7所示：图2.7 互感器采样电路 UIT=1/5F1-43600使用互感器采样时，G1、G0都接低电平，增益选择1，电流采样通道最大差动峰值电压为470mV，其差动信号由互感器的二次侧电流流过电阻R30和R31产生，互感器二
9、次侧额定电流为5mA，当过载4倍时，二次侧电流为20mA，其流过电阻R30和R31产生的差动信号为96mV，远小于峰值电压半满度值（235 mV）。R1C1和R2C2组成两个低通滤波器，衰减掉那些无用的高频分量，从而防止有用频带内的失真。R1、R2、C1、C2阻值、容值的选取对电表的性能有很大的影响，因此取值为R1= R2=300欧，C1=C2=27nF。（2） 电压采样电路：R24390K/0.25WR23390K/0.25WR97.5KR1256KR13100KR14200KR1015KR1130KR83.9KR72KR19100KC31000pFR4820R5820C41000pFAGN
10、DAGNDR61KR31AGNDJ9J8J7J6J5J4J3J2J1CL-220pFCL+3.3nF220VV2PV2N图2.8 电压采样电路电压输入通道（V2N，V2P）也为差分电路，V2N引脚连接到电阻分压电路的分压点上，V2P接地。电压输入通道的采样信号是通过衰减线电压得到的，其中R6至R15为校验衰减网络，通过短接跳线J1至J9可将采样信号调节到需要的采样值上，我们设计的电能表基本电流时电压采样值为174.2 mV，为了准许分流器的容差和片内基准源8%的误差，衰减校验网络应该允许至少30%的检验范围，根据参数，其调节范围为169.8 mV 250 mV，完全满足了调节的需要。这个衰减网
11、络的-3dB频率是由 R4和C3决定的，R19、R23、R24确保了这一点，即使全部跳线都接通，R19、R23、R24的电阻值仍远远大于R4，R4和C3的选取要和电流采样通道的R1C1匹配，这样才能保证两个通道的相位进行恰当的匹配，消除因相位失调带来的误差影响。4、 光电隔离电路在许多应用中，许多电路链接之间需要非直接的连接，从而在提供数据的同时避免来自系统某一部分的危险电压或电流对另一部分造成破坏，造成这种破坏的可能是电源质量低劣、接地故障等各种故障。电路隔离的主要目的是通过隔离元件把干扰的路径切断，从而达到抑制干扰的目的，保护电子设备。在两点间避免电流流过，而允许有数据或功率传送时需要使用
12、隔离技术。电路隔离主要有：模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字电路与模拟电路之间的隔离。所使用的隔离方法有：脉冲变压器隔离法、继电器隔离法、光电耦合器隔离法、直流电压隔离法、A/D转换器隔离法。传统的光耦隔离电路虽然也能实现很高的线性度, 不过这些电路需要的电源种类较多, 线路比较复杂, 设计成本比较高。为了解决这些问题, 本次设计中一种新的光电耦合结构, 由它组成的光耦隔离电路具有很高的线性度, 且只需采用普通的光电耦合器和简单的电路结构。应用这个电路解决了弹载黑匣子的电压采样信号的光电隔离问题。光电耦合器的工作原理和特性如下。光电耦合器件是把发光器件(如发光二极管)和光敏器件(如光敏三极管
13、)组装在一起, 通过光线实现耦合构成电) 光 ) 电的转换器件。当电信号送入光电耦合器的输入端时, 发光器件将电信号转换为光信号。光信号经光敏器件感应接收, 再还原成电信号。图1是一种典型反相应用电路, 当输入端有电流流过时, 发光二极管发光,使光电三极管导通, 其集电极就有电流I C 流过。光电耦合器其主要特点为:1) 输入、 输出之间在电气上相互绝缘;2) 信号传输是单方向的, 输出端的噪声不影响输入端;3) 体积小、 寿命长、 无触点,功耗低;4) 光电耦合器的传输特性具有非线性和随温度变化性;图1 光电隔离电路5、 C8051F360单片机部分管脚及参数（1）由原理图知：P2.0P2.
14、7分配给八个用户，作为脉冲输入端口。P1.1和P1.0分配给LED显示部分作为时钟信号和数据输入。P1.6和P1.3分配给24C16作为SCL和SDA信号脚。P1.4,P1.5和P1.2分配给74HC164作为键盘数据输入，时钟信号和控制输入输出管脚使用此外，C8051F360功能强大，结构复杂，其余端口与本设计无关，故其分配情况不再详述。晶振采用24.5MHz，电源使用3.3V。（2）电源参数220V5V的共两套，一套给AD7755，另一套给显示模块和5V3.3V电源。5V3.3V电源供给C8051F360和24C16。220V5V转换电路中，相关参数如下：C1=330uf，为滤波电容；C2=0.33uf，用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激震荡；C3=1uf，用于消除输出电压中的高频噪声。6、 器件选择 AD7755电能脉冲发生器的选择： AD7755是美国AD公司生产的专用于功率/电能测量的低成本集成电路。它的技术指标满足GB/T1721
