【本科優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)】基于單片機(jī)的電能表設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的電能表設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)分工本次電能表設(shè)計(jì)中，我主要負(fù)責(zé)電能計(jì)量模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊和IC卡模塊的軟硬件設(shè)計(jì)。11設(shè)計(jì)任務(wù)利用單片機(jī)和接口技術(shù)設(shè)計(jì)、研制一種新型電能表，可實(shí)現(xiàn)峰谷用電量和剩余金額，并用LCD顯示。12設(shè)計(jì)目的（1）進(jìn)一步了解有關(guān)單片機(jī)、存儲(chǔ)電路、IC卡的應(yīng)用；（2）掌握信號(hào)獲取、傳輸、處理及檢測(cè)的一般方法；（3）綜合運(yùn)用已有的理論和技術(shù)，制定設(shè)計(jì)方案，掌握用電量的測(cè)量方法；（4）學(xué)會(huì)應(yīng)用存儲(chǔ)電路、IC卡、單片機(jī)組建一個(gè)實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)，提高設(shè)計(jì)者的應(yīng)用能力；（5）通過(guò)測(cè)量、計(jì)算、顯示，能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)并學(xué)會(huì)查閱有關(guān)資料，培養(yǎng)儀器儀表設(shè)計(jì)的基本技能，為今后的深入學(xué)習(xí)等奠定基礎(chǔ)。13設(shè)計(jì)要求參考利用存儲(chǔ)電路、IC卡、單片機(jī)及其接口技術(shù)研制出一種新型電能表，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括（1）詳細(xì)了解所選用的存儲(chǔ)電路、IC卡、單片機(jī)的工作原理和工作特性；（2）設(shè)計(jì)合理的計(jì)算測(cè)量電路；（3）用單片機(jī)、IC卡、LCD的顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)量電路，單片機(jī)的指令系統(tǒng)開(kāi)發(fā)相關(guān)的應(yīng)用程序，并對(duì)程序作詳細(xì)的分析和解釋。（4）列出制作該裝置的元器件，搭建試驗(yàn)電路，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證調(diào)試。（5）撰寫(xiě)詳細(xì)的設(shè)計(jì)技術(shù)報(bào)告。14設(shè)計(jì)方案與技術(shù)分析此電能表主要由計(jì)量模塊、單片機(jī)、IC卡模塊、LCD顯示、EEPROM存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路及電源電路等部分組成。其硬件系統(tǒng)框圖如下圖1所示。其中，單片機(jī)以AT89C51為電能表的核心控制芯片，它是電能表的“大腦”，外圍所有的硬件模塊都是在它的控制協(xié)調(diào)下進(jìn)行工作的。單片機(jī)通過(guò)控制在其中的各種程序，控制著其它硬件模塊的工作狀態(tài)，由它智能化地形成并可靠地提供電能計(jì)算、時(shí)段判斷、費(fèi)率切換、IC卡讀寫(xiě)、電能量控制及負(fù)荷控制等功能。141AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介、89C51單片機(jī)的基本組成本電能表的硬件設(shè)計(jì)原則是在低功耗的前提下，實(shí)現(xiàn)多功能目的，該芯片功耗低，特別適用于電能表控制線路多、功能全、功耗低的要求。它能方便地讀取IC卡的數(shù)據(jù)，并控制液晶顯示器的工作，同時(shí)還可以將電能表的數(shù)據(jù)存入EEPROM進(jìn)行永久保存并可通過(guò)串口送至表外的數(shù)據(jù)終端，大大地提高了電能表的智能化功能。在一小塊芯片上，集成了一個(gè)微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部分，即89C51單片機(jī)芯片內(nèi)包括（1）一個(gè)8位的微處理器（CPU）。（2）片內(nèi)256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM/SFR，用以存放可以讀/寫(xiě)的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等。（3）片內(nèi)4KB程序存儲(chǔ)器FLASHROM，用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。（4）4個(gè)8位并行I/O端口P0P3,每個(gè)端口既可以用作輸入，也可以用作輸出。（5）兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式。（6）具有5個(gè)中斷源、兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷控制系統(tǒng)。單片機(jī)（AT89C51）LCD顯示IC卡模塊EEPROM存儲(chǔ)器電能計(jì)量芯片實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路電源電路圖1硬件系統(tǒng)框圖（7）一個(gè)全雙工UART的串行I/O口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與PC機(jī)之間的串行通信。（8）片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。（9）具有節(jié)電工作方式，即休閑方式和掉電方式。以上各個(gè)部分通過(guò)片內(nèi)八位數(shù)據(jù)總線相連接。、89C51單片機(jī)引腳及其功能如圖2所示為單片機(jī)AT89C51的引腳圖。圖2單片機(jī)AT89C51的引腳圖（1）XTAL1（19腳）振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。（2）XTAL2（18腳）振蕩器反相放大器的輸出端。（3）RST（9腳）復(fù)位輸入，當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。（4）P0口（3932腳）P0口是一個(gè)漏極開(kāi)路的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。作為漏極開(kāi)路的輸出端口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。當(dāng)P0口作為輸入口使用時(shí)，應(yīng)先向口鎖存器寫(xiě)入全1，此時(shí)P0口的全部引腳浮空，可作為高阻抗輸入。（5）P3口（1017腳）P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O多功能口。P3口輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)P3口寫(xiě)入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口，此時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。當(dāng)CPU不對(duì)P3口進(jìn)行SFR尋址訪問(wèn)時(shí)，即用作第二功能輸出/輸入線時(shí)，由內(nèi)部硬件使鎖存器Q置1。整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處低電平10MS來(lái)完成。在芯片擦除操作中，代碼陳列全被寫(xiě)“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。142電能計(jì)量芯片模塊采用現(xiàn)在比較流行的電能計(jì)量芯片CS5460A實(shí)現(xiàn)對(duì)電能等電量的采集和測(cè)量。CS5460A是CRYSTAL公司推出的用于測(cè)電流、電壓、功率等的芯片,是CS5460的增強(qiáng)版,精度高、性能強(qiáng)且成本低。CS5460A包含兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、高速電能計(jì)算功能和一個(gè)串行接口的高度集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它可以精確測(cè)量和計(jì)算有功電能、瞬時(shí)功率、IRMS和VRMS，用于研制開(kāi)發(fā)單相2線或3線電表。CS5460A可以使用低成本的分流器或互感器測(cè)量電流，使用分壓電阻或電壓互感器測(cè)量電壓。CS5460A具有與微控制器通訊的雙向串口，芯片的脈沖輸出頻率與有功能量成正比。CS5460A具有方便的片上AC/DC系統(tǒng)校準(zhǔn)功能。“自引導(dǎo)”的特點(diǎn)使CS5460A能獨(dú)自工作，在系統(tǒng)上電后自動(dòng)初始化。在自引導(dǎo)模式中，CS5460A從一個(gè)外部EEPROM中讀取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和啟動(dòng)指令。使用該模式時(shí)，CS5460A工作時(shí)不需要外加微控制器，因此當(dāng)電表用于大批量住宅電能測(cè)量時(shí)，可降低電表的成本。并且本芯片集成度較高便于編程控制，故本設(shè)計(jì)采用此方案。CS5460A概述、基本結(jié)構(gòu)及功能圖3CS5460內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖CS5460A的內(nèi)部機(jī)構(gòu)圖如上圖3所示，其組成模塊如下一個(gè)電流通道可編程增益放大器其增益為10和50可選一個(gè)電壓通道固定增益放大器，其增益為10兩個(gè)同時(shí)采樣的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器兩個(gè)高速數(shù)字濾波器兩個(gè)可選用的高通濾波器一個(gè)功率計(jì)算引擎一個(gè)片內(nèi)電壓基準(zhǔn)一個(gè)可以檢測(cè)電力不足或電源故障的電源監(jiān)視器一個(gè)持續(xù)監(jiān)視串口通訊的看門(mén)狗一個(gè)可選的內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器一個(gè)雙向串行接口一個(gè)電能、脈沖變換器一個(gè)校準(zhǔn)用SRAM、主要特性（1）在片計(jì)算和處理功能；（2）可以從串行E2PROM智能“自引導(dǎo)”,不需要微控制器,具有電能脈沖轉(zhuǎn)換功能；（3）具有AC或DC系統(tǒng)校準(zhǔn)功能；（4）具有簡(jiǎn)單的三線數(shù)字串行接口,可以方便地進(jìn)行讀寫(xiě)；（5）看門(mén)狗定時(shí)器；（6）片上25V基準(zhǔn)（60106/OC）,單電源5V或雙向25V10電源；（7）具有功率方向輸出指示；（8）能夠測(cè)量瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、瞬時(shí)功率、電能、電壓有效值和電流有效值，能完成電能/脈沖轉(zhuǎn)換；（9）電能測(cè)量精度01；（10）具有相位補(bǔ)償和系統(tǒng)校準(zhǔn)功能；（11）具有機(jī)械計(jì)度器/步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；（12）內(nèi)帶電源監(jiān)視器；（13）電能數(shù)據(jù)線性度在10001動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)線性度為01；（14）功率消耗INCLUDEINCLUDE電能采集實(shí)時(shí)時(shí)鐘開(kāi)始是峰電峰電加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)LCD顯示IC卡12COUNT1ELSECOUNT2REMAINTOTALCOUNT105COUNT206/計(jì)算剩余的金額WRITECOUNT1/向卡內(nèi)分別寫(xiě)入峰值電量、谷值電量、剩余金額WRITECOUNT2WRITEREMAINIFREMIAN0JSCL0SENDBYTE1IFDAT1TEMPTEMP0X80；CLK1SHORTDELAY0；CLK0；時(shí)鐘下降沿讀出有效SHORTDELAY0；RETURNTEMP；UCHARDATEWRITE1ONG_VALUE，UCHAR_LGEADR，UCHAR_BLOCK，UCHARIDATA_BUR/IC卡程序UCHARTEMPUCHAR_VALUE；轉(zhuǎn)存指針UCHARWRITECHECKDATA_ERR；寫(xiě)入狀態(tài)標(biāo)記，用于返回值_BUF0TEMP3；_BUF1TEMP2；_BUF2TEMP1；_BUF3TEMP；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到緩沖區(qū)_BUF4_BUF0；_BUF5_BUF1；_BUF6_BUF2；_BUF7_BUF3；值備份_BUF8_BUR0；_BUF9_BUF1；_BUF10_BUF2；_BUF11_BUF3；_BUF12_LGEADR；_BUF13_LGCADR；_BULL14一LGCADR；_BUF15_LGCADR；轉(zhuǎn)存地址，并備份WRITECHECKWRITECHECK/RESET_5460為CS5460A的復(fù)位腳/計(jì)量模塊DELAY_10MSRESET_54601/復(fù)位CS5460ABUF00XFF/SYNC1BUF10XFF/SYNC1BUF20XFF/SYNC1BUF30XFE/SYNC0WRITE_CS5460ABUF,4/寫(xiě)3個(gè)同步命令1之后再寫(xiě)1個(gè)同步命令0BUF00X40/寫(xiě)配置寄存器BUF10X01/GI1，電流通道增益50BUF20X00BUF30X01/DCLKMCLK/1READ_MEMORYIFTEMP0XA5READ_MEMORYBUF54601TEMP/假如已經(jīng)執(zhí)行過(guò)相位補(bǔ)償，設(shè)置相位補(bǔ)償值，否則設(shè)置相位補(bǔ)償值為0WRITE_CS5460ABUF,4/假如指定地址單元等于OXA5，則接下來(lái)的3BYTES即是校準(zhǔn)值。BUF00X5EBUF10XFFBUF20XFFBUF30XFFWRITE_CS5460ABUF,4/清狀態(tài)寄存器BUF00X74BUF10X00BUF20X00BUF30X00WRITE_CS5460ABUF,4/寫(xiě)中斷屏蔽寄存器，缺省值BUF00X78BUF10X00BUF20X00BUF30X00/缺省值WRITE_CS5460ABUF,4/寫(xiě)控制寄存器BUF00X4CBUF10X00BUF20X34BUF30X9CWRITE_CS5460ABUF,4/寫(xiě)EOUT脈沖輸出寄存器BUF00X4ABUF10X00BUF20X01/每秒鐘計(jì)算10次，N400BUF30X90WRITE_CS5460ABUF,4/寫(xiě)CYCLECOUNT寄存器READ_CS5460A0X1E,BUF/讀狀態(tài)寄存器BUF3BUF2BUF2BUF1BUF1BUF0BUF00X5EWRITE_CS5460ABUF,4/寫(xiě)狀態(tài)寄存器BUF00XE8WRITE_CS5460ABUF,1/啟動(dòng)CS5460A15實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)論根據(jù)方案設(shè)計(jì)的要求，測(cè)試過(guò)程共分為三大部分硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。電路按模塊調(diào)試，各模塊逐個(gè)調(diào)試后，再進(jìn)行聯(lián)調(diào)。單片機(jī)軟件先在最小系統(tǒng)板上調(diào)試，確保外部電路正常工作后，再與硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。151電能表硬件調(diào)試硬件調(diào)試，查看個(gè)硬件模塊電路的連線是否與邏輯圖一致，用萬(wàn)用表檢測(cè)有無(wú)短路或短路現(xiàn)象，器件的規(guī)格、極性是否有誤。檢查完畢，用萬(wàn)用表測(cè)量一下電路板正負(fù)電源端之間的電阻，排除電源短路的可能性。152電能表軟件調(diào)試本系統(tǒng)的軟件調(diào)試因AT89C51核心模塊的使用而變得相對(duì)容易，KEILC軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，能判斷語(yǔ)法差錯(cuò)和邏輯差錯(cuò)，判斷程序無(wú)誤后，可以直接下載到單片機(jī)中進(jìn)行調(diào)試。153電能表軟硬件聯(lián)調(diào)在軟件和硬件都基本調(diào)通的情況下，進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)。按照由上向下，模塊化設(shè)計(jì)的理念對(duì)模塊逐個(gè)調(diào)試首先，調(diào)通液晶顯示模塊，接著給芯片CS5460A的電壓通道和電流通道通入滿量程信號(hào)，根據(jù)液晶顯示對(duì)芯片內(nèi)的校準(zhǔn)寄存器進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而對(duì)測(cè)量進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)試。調(diào)好后，即該芯片能正常工作后，再通以交流市電進(jìn)行進(jìn)一步校準(zhǔn)調(diào)試。等模塊逐一調(diào)通后，再進(jìn)行聯(lián)調(diào)。再連接成一個(gè)完整的系統(tǒng)調(diào)試。電能表總硬件電路圖如下圖19所示。154實(shí)驗(yàn)結(jié)論在這段時(shí)間里，在電能表硬件部分設(shè)計(jì)好的同時(shí)，在軟件方面，我們用C語(yǔ)言對(duì)電能表的各個(gè)模塊以及主程序進(jìn)行編程，從理論上基本能實(shí)現(xiàn)電能表