單相電能表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目 單相電能表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專業(yè)班級(jí) 指導(dǎo)教師 院系名稱 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院 2015 年 月 日目錄摘要1Abstract21 緒論31.1 課題背景和意義31.2 電能表的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀3 1.2.1 電能表的發(fā)展歷史3 1.2.2 電能表的研究現(xiàn)狀31.3 本文研究?jī)?nèi)容42 電能表工作原理及ADE7755介紹62.1 電能表工作原理62.2 ADE7755介紹72.2.1 外部引腳及功能說(shuō)明72.2.2 功能簡(jiǎn)介及功能框圖92.2.3 ADE7755工作原理113 電能表的硬件設(shè)計(jì)123.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)12 3.1.1 單片機(jī)AT89C51簡(jiǎn)介12 3.1

2、.2 最小單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)133.2 電能計(jì)量模塊設(shè)計(jì)143.3 LCD1602顯示模塊設(shè)計(jì)153.3.1 LCD1602工作原理153.3.2 LCD1602電路設(shè)計(jì)153.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)163.4.1 24C02簡(jiǎn)介163.4.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)173.5 電源模塊設(shè)計(jì)183.6 PCB圖194 電能表的軟件設(shè)計(jì)204.1 軟件開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介204.2 主程序模塊214.3 按鍵掃描中斷子程序224.4 LCD1602顯示程序235 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析25結(jié) 論26致 謝27參考文獻(xiàn)28單相電能表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘 要：隨著我國(guó)近年來(lái)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，企業(yè)和居民對(duì)電能的需求越來(lái)越 大。但是傳

3、統(tǒng)的機(jī)械式電表計(jì)費(fèi)單一、計(jì)量誤差較大、壽命較短，已經(jīng)不 足以滿足人們的需求，所以開發(fā)一款壽命長(zhǎng)、計(jì)量精準(zhǔn)的多功能電子式電 能表就成為一種必然趨勢(shì)。 本文主要是基于芯片ADE7755設(shè)計(jì)的一種針對(duì)于普通家庭用戶使用的電 子式單相電能表。該設(shè)計(jì)采用高精度電能計(jì)量芯片ADE7755來(lái)計(jì)量用電 量，并使用51單片機(jī)來(lái)控制整個(gè)電路。通過(guò)電流、電壓的信號(hào)采集，數(shù) 模轉(zhuǎn)換，功率計(jì)算，帶掉電存儲(chǔ)和顯示等硬件設(shè)計(jì)，并結(jié)合軟件編程實(shí)現(xiàn) 了電能表的正常工作。本文主要介紹了電能表的工作原理，電能計(jì)量模塊， 顯示模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，以及軟件設(shè)計(jì)模塊。所設(shè)計(jì)的數(shù)字化單相電能 表具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、計(jì)量精準(zhǔn)等

4、優(yōu)點(diǎn)，具有一定的實(shí) 用價(jià)值和推廣價(jià)值。關(guān)鍵詞：ADE7755；電能表；單片機(jī)Design and implementation of single-phase energy meterAbstract: With the rapid development of China's economy in recent years, technology, business and household demand for electricity is growing. But the traditional mechanical meter single billing, measurem

5、ent error is large, short-lived, it has been insufficient to meet people's needs, so the development of a long-life, multi-function electronic metering precise electrical energy meter has become an inevitable trend .   This article is based on a chip designed for electronic ADE7755 sin

6、gle-phase energy meter for ordinary home users. The design uses a high-precision chip ADE7755 energy metering to measure electricity consumption and use 51 microcontroller to control the entire circuit. By signal acquisition current, voltage, digital to analog conversion, power calculation, with pow

7、er storage and display hardware design, combined with software programming work to achieve a normal meter. This paper describes the working principle of electric energy meter, energy metering module, display module, data storage module, and software design module. Designed for single-phase digital p

8、ower meter has a low cost, simple structure, reliable performance, accurate measurement, etc., with some practical value and promotional value.Keywords: ADE7755; Meter; SCM1 緒論1.1 課題背景及意義 近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的高速健康發(fā)展，能源短缺問(wèn)題日趨凸顯，特別是用戶對(duì)用電量的需求越來(lái)越多，同時(shí)，對(duì)電能表的性能需求也越來(lái)越高。雖然數(shù)字化智能電表已經(jīng)覆蓋中國(guó)各大城市，但仍有些鄉(xiāng)鎮(zhèn)、山區(qū)及農(nóng)村地區(qū)在使用非智能化電表或機(jī)械

9、式電表。這些電表存在壽命短、計(jì)量誤差大等諸多問(wèn)題，也會(huì)造成電能的浪費(fèi)，因此普及數(shù)字化智能電表勢(shì)在必行。 本課題采用ADE7755電能計(jì)量芯片基于單片機(jī)控制的多功能數(shù)字化單相電能表。ADE7755內(nèi)部集成了電能采集和計(jì)量單元，而且外部的功能模塊非常豐富，在電路設(shè)計(jì)中只需要少量的元器件就能完成電能表的設(shè)計(jì)。該芯片具有性能穩(wěn)定，精度高等特點(diǎn)，極大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)難度，降低了設(shè)計(jì)成本，能夠滿足家庭用戶的需求，是一款具有相對(duì)實(shí)用價(jià)值的數(shù)字化電能表。1.2 電能表的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀1.2.1 電能表的發(fā)展歷史從十九世紀(jì)法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律開始，電能已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中不可或缺的一部分。人們生活、工作、娛樂(lè)、

10、學(xué)習(xí)都離不開電能，其已變成當(dāng)今社會(huì)的通用能源。隨著電能的普遍使用，如何度量電能也變成了必須解決的問(wèn)題，這樣，電能表就應(yīng)運(yùn)而生了。最早是1880年愛(ài)迪生利用電解原理發(fā)明了第一臺(tái)直流電能表。而后，1889年，匈牙利崗茲公司一位德國(guó)人布勒泰成功制作了世界上第一塊總重量為36.5kg的感應(yīng)式電能表。二十世紀(jì)六十年代末期，電子式電能表被發(fā)明了出來(lái)，受到廣泛關(guān)注。二十世紀(jì)九十年代，出現(xiàn)了機(jī)電一體式電表。現(xiàn)今，由于用電需求越來(lái)越大和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，電能表正在向著智能化發(fā)展。1.2.2 電能表的研究現(xiàn)狀初期的感應(yīng)式電表和機(jī)電式電表大多操作安全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、維修方便等，但是適用頻率窄、準(zhǔn)確度低、功能

11、擴(kuò)展困難、功能單一、且對(duì)沖擊負(fù)荷、非線性負(fù)荷的計(jì)量誤差較大。而電子式電能表則準(zhǔn)確度高，且功能強(qiáng)大，誤差曲線平直且穩(wěn)定，頻率響應(yīng)范圍寬、啟動(dòng)電流小、便于安裝使用、功耗小、防竊電能力強(qiáng)、過(guò)載能力強(qiáng)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日臻完善，自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得研制數(shù)字電能表成為可能，并且具有巨大的實(shí)用價(jià)值和商業(yè)價(jià)值。隨著通訊、信息、電子、軟件、機(jī)電控制等技術(shù)的發(fā)展,目前我國(guó)電子式電能表的產(chǎn)量已占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),正逐漸取代原有的感應(yīng)式電能表，并逐步向智能化邁進(jìn)。智能電表作為用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)的重要內(nèi)容,是實(shí)現(xiàn)智能用電的基礎(chǔ)條件。而數(shù)字化智能電表正在向著數(shù)字化、智

12、能化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能化等方向發(fā)展。其控制核心為51單片機(jī)，再加上相應(yīng)的檢測(cè)電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、存儲(chǔ)電路、顯示電路、通訊接口和相應(yīng)的監(jiān)控軟件，通過(guò)總線把多個(gè)智能化功能單元連成局域網(wǎng)，再由上位機(jī)測(cè)控軟件實(shí)現(xiàn)。集信息、自動(dòng)化、計(jì)算、管理為一體的電能計(jì)量裝置是發(fā)展的方向之一。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司“十二五”電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃,用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)在2014年底將達(dá)到100%的覆蓋率,在“十二五”期間實(shí)現(xiàn)對(duì)直供直管區(qū)域內(nèi)所有用戶的“全覆蓋、全采集、全費(fèi)控”。電能表實(shí)現(xiàn)智能化，可以進(jìn)一步適應(yīng)我國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)展，滿足運(yùn)營(yíng)管理的需要，解決特殊負(fù)載用戶的計(jì)量問(wèn)題。1.3 本文研究?jī)?nèi)容 現(xiàn)如今，部分?jǐn)?shù)字化智能電表采用互感原理

13、進(jìn)行對(duì)電流信號(hào)和電壓信號(hào)的采集。由于互感器無(wú)法工作在理想狀態(tài)，與理論情況相比存在較大誤差，這就需要使用硬件或者軟件的方法來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，從而導(dǎo)致了整個(gè)電路系統(tǒng)的復(fù)雜程度加劇。而本文的設(shè)計(jì)就避免了這種情況的發(fā)生。本文采用電能計(jì)量芯片ADE7755設(shè)計(jì)了一款數(shù)字化智能電表，該電能表由51單片機(jī)進(jìn)行控制。通過(guò)電流、電壓的信號(hào)采集，數(shù)模轉(zhuǎn)換，功率、電能計(jì)算，帶掉電存儲(chǔ)和顯示等硬件設(shè)計(jì)，并結(jié)合軟件編程實(shí)現(xiàn)了電能表的正常工作。本文研究的主要內(nèi)容有： 一、介紹了在基于電能計(jì)量芯片ADE7755采集電能情況下的電能表的工作原理。該芯片內(nèi)部存在兩個(gè)通道，分別進(jìn)行對(duì)電流信號(hào)和電壓信號(hào)的采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、功率計(jì)算等工作，

14、然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行處理，并通過(guò)一些外圍電路顯示出用電量。通過(guò)這些模塊的連接，基本上就構(gòu)成了一個(gè)本文介紹的數(shù)字化電能表。二、電能表的硬件設(shè)計(jì)。該部分主要介紹了單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外圍電路。其中包括了晶體震蕩電路，復(fù)位電路，電能計(jì)量電路，LCD顯示電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路等。而其中最主要的部分就是電能計(jì)量模塊，該模塊是整個(gè)電能表的核心部分，決定了電能表能否正常工作。三、電能表的軟件設(shè)計(jì)。該部分主要介紹了軟件開發(fā)環(huán)境和各程序模塊。包括電能計(jì)量程序，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序，單價(jià)設(shè)置程序，按鍵掃描中斷程序，LCD顯示程序等。 2 電能表工作原理及ADE7755介紹2.1 電能表工作原理本文所設(shè)計(jì)的電能表主要由電能

15、計(jì)量電路，控制電路，存儲(chǔ)電路，顯示電路，電源電路，控制按鍵等部分構(gòu)成。以STC 89C51單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)的一種單相數(shù)字化智能電表。其硬件原理框圖如圖2.1所示。 圖2.1 電能表硬件系統(tǒng)原理框圖電能計(jì)量電路主要負(fù)責(zé)電流電壓的采樣，功率計(jì)算，并將處理后的數(shù)據(jù)以脈沖形式發(fā)送到單片機(jī)進(jìn)行處理。存儲(chǔ)電路采用一片E²PROM存儲(chǔ)器AT 24C02對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行帶掉電存儲(chǔ)。顯示電路使用的是LCD 1602液晶顯示器，由單片機(jī)內(nèi)部自帶的LCD驅(qū)動(dòng)電路直接驅(qū)動(dòng)。電源電路負(fù)責(zé)給單片機(jī)系統(tǒng)及其外圍電路供電，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。對(duì)于大多數(shù)的電子式電能表而言，其電能計(jì)量原理基本相同，基本表達(dá)式都類似如下：

16、其中：W(t)為電能累計(jì)消耗值； P(t)為瞬時(shí)功率； u(t)為瞬時(shí)電壓； i(t)為瞬時(shí)電流；因此，電能表計(jì)量電能的基本方法就是將電流、電壓相乘，然后將所有時(shí)刻的功率累加起來(lái)就是所測(cè)量的電能。2.2 ADE7755介紹ADE7755是一種適用于單相配電系統(tǒng)的高精度電能計(jì)量芯片。它可以提供基于輸電線電壓和電流計(jì)算的瞬時(shí)有功功率和平均有功功率。該器件是一種高準(zhǔn)確度電能測(cè)量集成電路，其技術(shù)指標(biāo)超過(guò)IEC1036 規(guī)定的準(zhǔn)確度要求。ADE7755只有在 ADC 和基準(zhǔn)源中使用模擬電路，除此之外所有其它信號(hào)處（如相乘和濾波）都使用數(shù)字電路, 這就使得ADE7755 能夠在惡劣的環(huán)境條件下仍保持極高的

17、準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。另外，ADE7755 的引腳 F1 和 F2 以較低頻率形式輸出有功功率平均值，能夠直接驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)度器或與微控制器（MCU）接口；引腳CF 以較高頻率形式輸出瞬時(shí)有功功率，用于儀表校驗(yàn)或與微控制器（MCU）接口。并且，ADE7755內(nèi)部含有一個(gè)對(duì) AVDD 電源引腳的監(jiān)控電路，在 AVDD 上升到 4V 之前，ADE7755一直保持在復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)AVDD 降到 4V 以下,ADE7755也被復(fù)位，此時(shí) F1、F2 和 CF 都沒(méi)有輸出。內(nèi)部相位匹配電路使電流通道和電壓通道的相位始終是匹配的，無(wú)論通道1 內(nèi)的高通濾波器（HPL）是斷開的還是接通的，內(nèi)部的空載閾值特性都能保證

18、 ADE7755在空載時(shí)沒(méi)有潛動(dòng)。電流通道提供高增益模式，可直接連接低阻值分流電阻器而不損失動(dòng)態(tài)范圍。兩通道之間的增益校準(zhǔn)在器件外部進(jìn)行調(diào)整。ADE7755采用SSOP封裝，在各種負(fù)載條件下提供低頻（F1/F2）和高頻（CF）同步輸出。 2.2.1外部引腳及功能說(shuō)明ADE7755引腳排列圖如圖2.2所示：圖2.2 ADE7755引腳排列圖u DVDD，數(shù)字電源引腳。該引腳提供數(shù)字電路的電源，正常工作 電源電壓應(yīng)保持在5V±5%，該引腳應(yīng)使用 10µF 陶瓷電容進(jìn)行去耦u AC/DC，高通濾波器HPF 選擇引腳。當(dāng)該引腳輸入高電平時(shí)，通道 1（電流通道）內(nèi)的 HPF被選通，該

19、濾波器所涉及的相位響應(yīng)在45Hz 至 1kHz范圍內(nèi)在片內(nèi)已得到補(bǔ)償。在電能計(jì)量的應(yīng)用中，應(yīng)使 HPF 選通。u AVDD，模擬電源引腳。 該引腳提供 模擬電路的電源， 正常工作電源電壓應(yīng)保持在5V±5%，當(dāng)使電源的紋波和噪聲減小到最低程度，該引腳應(yīng)使用 10µF 電容并聯(lián) 100nF 陶瓷電容進(jìn)行去耦。u NC（6號(hào)引腳），與6腳短接u V1P，V1N，通道 1（電流通道）的正、負(fù)模擬輸入引腳。完全差動(dòng)輸入方式，正常工作最大信號(hào)電平為±470mV。通道1有一個(gè)PGA。這兩個(gè)引腳相對(duì)于AGND 的最大信號(hào)電平為±1V。兩個(gè)引腳內(nèi)部都有 ESD 保護(hù)電路，

20、這兩個(gè)引腳能承受±6V的過(guò)電壓，而不造成永久性損壞。u RESET，復(fù)位引腳。當(dāng)為低電平時(shí)，ADC和數(shù)字電路保護(hù)復(fù)位狀態(tài)，在RESET 的下降沿，清除內(nèi)部寄存器。u REFIN/OUT，基準(zhǔn)電壓的輸入、輸出引腳。片內(nèi)基準(zhǔn)電壓的正常值為 2.5V±8%，典型溫度系數(shù)為 30ppm/。 外部基準(zhǔn)源可以直接連接到該引腳上。無(wú)論用內(nèi)部還是外部基準(zhǔn)源，該引腳都應(yīng)使用 10µF 鉭電容和100nF 陶瓷電容對(duì) AGND 進(jìn)行去耦。u AGND，這是 模擬電路（即ADC和基準(zhǔn)源）的接地參考點(diǎn)，該引腳應(yīng)連接到印刷電路板的模擬接地面。模擬接地面是所有模擬電路的接地參考點(diǎn)，如抗混疊濾

21、波器、電流和電壓傳感器等。為了有效地抑制噪聲，模擬接地面與數(shù)字接地面只應(yīng)有一點(diǎn)連接。星形接地方法有助于使數(shù)字電流噪聲遠(yuǎn)離模擬電路。u SCF，校驗(yàn)頻率選擇。該引腳的邏輯輸入電平確定 CF引腳的輸出頻率。u S0，S1，這兩個(gè)引腳的邏輯輸入用來(lái)選擇數(shù)字/頻率轉(zhuǎn)換系數(shù)， 這為電度表的設(shè)計(jì)提供了很大靈活性。u G0，G1，這兩個(gè)引腳的邏輯輸入用來(lái)選擇通道1 的增益，可用來(lái)選擇增益是1,2,8,和16。u CLKIN，外部時(shí)鐘可從該引腳接入，也可把一個(gè)石英晶體接在CLKIN和 CLKOUT 之間，提供時(shí)鐘源，規(guī)定時(shí)鐘頻率為3.579545MHz。作為石英晶體負(fù)載的33pF陶瓷電容應(yīng)和振蕩器門電路連接。

22、u CLKOUT，如上所述，可把一個(gè)石英晶體接在 CLKIN 和 CLKOUT 之間，提供一個(gè)時(shí)鐘源。當(dāng)CLKIN 上接有外時(shí)鐘時(shí) CLKOUT引腳能驅(qū)動(dòng)一個(gè)CMOS負(fù)載。u NC，懸空。u REVP，當(dāng)檢測(cè)到負(fù)功率時(shí)，即電壓和電流信號(hào)的相位差大于 90°時(shí)，該引腳輸出邏輯高電平。該輸出沒(méi)有被鎖存，當(dāng)再次檢測(cè)到正功率時(shí)，該引腳的輸出復(fù)位。該輸出的邏輯狀態(tài)隨 CF輸出脈沖同時(shí)變化。u DGND，這是數(shù)字電路（即乘法器、濾波器和數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器）的接地參考點(diǎn)。該引腳應(yīng)連接到印刷電路板的數(shù)字接地面，數(shù)字接地面是所有數(shù)字電路（如機(jī)械或數(shù)字計(jì)數(shù)器、微控制器和 LED 顯示器的接地參考點(diǎn)。為了有效

23、地抑制噪聲，模擬接地面與數(shù)字接地面只應(yīng)有一點(diǎn)連接，如星形接地。u CF，頻率較驗(yàn)輸出引腳。其輸出頻率反映瞬時(shí)有功功率的大小，常用于儀表校驗(yàn)。u F1，F(xiàn)2，低頻邏輯輸出引腳，其輸出頻率反映平均有功功率的大小。這兩個(gè)邏輯輸出可以直接驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)數(shù)器或兩相步進(jìn)電機(jī)。2.2.2功能簡(jiǎn)介及功能框圖ADE7755是一種高精確度的電能計(jì)量集成電路，主要應(yīng)用于單相電能表系統(tǒng)，其技術(shù)指標(biāo)超過(guò)了IEC1036規(guī)定的準(zhǔn)確度要求。該芯片內(nèi)部存在兩個(gè)通道，分別是電流通道和電壓通道，對(duì)電流和電壓采集后進(jìn)行處理。并且該芯片只在ADC和基準(zhǔn)電路中使用了模擬電路，其他的信號(hào)處理都由數(shù)字電路完成，這就使得ADE7755在惡劣的

24、環(huán)境下仍然可以保持極高的精確度和長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性。其中芯片的V1P和V1N為電流通道引腳，V2P和V2N為電壓通道引腳。其中電流通道含有一個(gè)程控放大器和一個(gè)高通濾波器，程控放大器進(jìn)一步簡(jiǎn)化了傳感器接口，高通濾波器則將電流信號(hào)中的直流分量濾掉，從而消除電流或電壓失調(diào)所造成的誤差。ADE7755引腳F1和F2以較低頻率形式輸出有功功率平均值，能直接驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)度器或者兩相步進(jìn)電機(jī)，從引腳CF以較高頻率形式輸出有功功率瞬時(shí)值，常用于儀表校驗(yàn)。其功能框圖如圖2.3所示。 圖2.3 ADE7755功能框圖ADE7755的功能特點(diǎn)如下：u 在1000:1的輸入動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，測(cè)試誤差小于0.1%；u F1、F2

25、輸出頻率表示平均有功功率；u 高頻輸出CF用于校準(zhǔn)，并提供即時(shí)有功功率；u 邏輯輸出引腳REVP能只是負(fù)功率或錯(cuò)誤鏈接；u 具有負(fù)功率或錯(cuò)線指示功能；u 片內(nèi)帶有抗混疊濾波器；u 5V單電源工作，正常工作時(shí)芯片功耗30mW；u 工作溫度范圍-40-85 ；u 采用SSOP24封裝。 2.2.3 ADE7755工作原理電能計(jì)量芯片作為電能表的計(jì)量核心部件，將會(huì)直接決定電能表的工作性能。本文設(shè)計(jì)的電能表使用的電能計(jì)量芯片是ADE7755，其內(nèi)部集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字處理模塊和儲(chǔ)存寄存器等，可以通過(guò)通信接口實(shí)現(xiàn)與微處理器的信息交流，具有數(shù)據(jù)計(jì)算、通信傳輸和電能脈沖輸出等功能。其工作原理如圖2.4所

26、示。圖2.4 ADE7755工作原理圖由上圖可以很直觀的看出，ADE7755內(nèi)部包含兩個(gè)通道，電流通道和電壓通道。電流通道采集負(fù)載電流，電壓通道采集220 V電壓。其中，電流通道中有一個(gè)程控放大器（PGA），其采樣出來(lái)的信號(hào)通過(guò)引腳V1P和V1N送入PGA單元；然后，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；高通濾波器則將電流信號(hào)中的直流分量濾掉，從而消除電流或電壓失調(diào)所造成的有功功率計(jì)算上的誤差；最后，將處理后的信號(hào)送入乘法器中。而電壓通道中，將220 V電壓經(jīng)過(guò)降壓處理后，通過(guò)引腳V2P和V2N送入電能計(jì)量芯片ADE7755中，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送入乘法器中，與來(lái)自電流通

27、道中的數(shù)字信號(hào)相乘，產(chǎn)生瞬時(shí)功率信號(hào)。讓通過(guò)的瞬時(shí)功率信號(hào)通過(guò)數(shù)字低通濾波器（LPF），濾掉其中的交流分量，則剩下的直流分量就是負(fù)載所消耗的瞬時(shí)有功功率。ADE7755的低頻邏輯輸出端（F1和F2）是通過(guò)對(duì)上述有功功率進(jìn)行累加，然后計(jì)算平均值，從而得到平均有功功率。因此，F(xiàn)1和F2端輸出的低頻脈沖信號(hào)頻率正比于平均有功功率。將芯片外接一個(gè)計(jì)數(shù)器再次累加計(jì)數(shù)，就能完成對(duì)電能的計(jì)量。另外，對(duì)于高頻輸出端，將得到的瞬時(shí)有功功率以高頻脈沖的形式輸出到單片機(jī)進(jìn)行處理，最后，將處理后的數(shù)據(jù)傳送到LCD上顯示。3 電能表的硬件設(shè)計(jì)3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1.1 單片機(jī)AT89C51簡(jiǎn)介AT89C51是一種

28、帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性

29、高且價(jià)廉的方案。外形及引腳排列如圖3.1所示 。 圖3.1 AT89C51引腳圖主要特性：u 與MCS-51 兼容u 4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器u 壽命：1000寫/擦循環(huán)u 數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年u 全靜態(tài)工作：0Hz-24MHzu 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定u 128×8位內(nèi)部RAMu 32可編程I/O線u 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器u 5個(gè)中斷源u 可編程串行通道u 低功耗的閑置和掉電模式u 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路3.1.2 最小單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)AT89C51最小單片機(jī)系統(tǒng)如圖3.2所示。 圖3.2 最小單片機(jī)系統(tǒng)圖該單片機(jī)最小系統(tǒng)包含復(fù)位電路和晶振電路。其中，單片機(jī)的復(fù)位操作有兩種方式：

30、上電復(fù)位和上電按鈕復(fù)位。因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行等的需要，常常需要人工按鈕復(fù)位，因此本次設(shè)計(jì)中采用如圖所示的上電按鈕復(fù)位。AT89C51單片機(jī)有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入、輸出端。石英晶體和陶瓷諧振器都可以用來(lái)一起構(gòu)成自激振蕩器。設(shè)計(jì)電路中采用內(nèi)部時(shí)鐘接法，如上圖所示。3.2 電能計(jì)量模塊設(shè)計(jì)圖3.3所示為ADE7755設(shè)計(jì)的電度表電能計(jì)量部分的工作原理圖，主要是由電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路和電能計(jì)量芯片 ADE7755 及其外圍電路組成。首先,負(fù)載電流經(jīng)過(guò)采樣再通過(guò)濾波電路后轉(zhuǎn)換成合適的電壓信號(hào)送入到電能計(jì)量芯片 ADE7755 的電流通道, 即 V1P

31、 和V1N 端;而 220V 相電壓經(jīng)降壓后,再通過(guò)濾波電路送入電能計(jì)量芯片 ADE7755 的電壓通道, 即 V2P 和 V2N端。二者經(jīng)過(guò) ADE7755 轉(zhuǎn)換成有功功率以高頻脈沖形式從 CF端輸出然后接入到單片機(jī) AT89C51 的外部中斷信號(hào)輸入端,即單片機(jī)控制電路從 ADE7755 的 CF 端采集脈沖經(jīng)過(guò)處理后得到的數(shù)據(jù)送到 LCD 顯示電路進(jìn)行顯示。CF腳接在單片機(jī)的T0計(jì)數(shù)器上，由單片機(jī)對(duì)CF腳輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，再根據(jù)ADE7755的原理，計(jì)算出功率所測(cè)功率 圖3.3 電能計(jì)量模塊電路3.3 LCD1602顯示模塊設(shè)計(jì)3.3.1 LCD1602工作原理LCD1602由若干個(gè)5

32、X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形LCD技術(shù)是把液晶灌入兩個(gè)列有細(xì)槽的平面之間。這兩個(gè)平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是說(shuō)，若一個(gè)平面上的分子南北向排列，則另一平面上的分子?xùn)|西向排列，而位于兩個(gè)平面之間的分子被強(qiáng)迫進(jìn)入一種90度扭轉(zhuǎn)的狀態(tài)。由于光線順著分子的排列方向傳播，所以光線經(jīng)過(guò)液晶時(shí)也被扭轉(zhuǎn)90度。但當(dāng)液晶上加一個(gè)電壓時(shí)，分子便會(huì)重新垂直排列，使光線能直射出去，而不發(fā)生任何扭轉(zhuǎn)。液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)，

33、在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。LCD1602 液晶顯示模塊(其內(nèi)部控制器為HD44780 芯片)，它可以顯示兩行，每行16 個(gè)字符，因此可相當(dāng)于32 個(gè)LED 數(shù)碼管，而且比數(shù)碼管顯示的信息還多。采用單+5V 電源供電，外圍電路配置簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，具有很高的性價(jià)比。 1602字符型LCD是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣式LCD， 其主要技術(shù)參數(shù)如下： 顯示容量：16×2個(gè)字符；芯片工作電壓：4.5V5.5V；工作電流：2.0 mA（5.0V）;模塊最佳工作電壓：5.0V；字符尺寸：2.95×4.35（W×H）3.3.2 LCD1602電路設(shè)計(jì)LC

34、D1602顯示模塊電路如圖3.4所示。 圖3.4 LCD1602顯示模塊電路第1腳： VSS為地電源；第2腳：VDD接5V正電源；第3腳：VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度；第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時(shí)選擇指令寄存器；第5腳：R/W為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作，當(dāng)RS和R/W同時(shí)為低電平時(shí)可以寫入指令或顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)；第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳

35、變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令；第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線；第15腳：背光源正極；第16腳：背光源負(fù)極。3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)3.4.1 24C02簡(jiǎn)介 AT24C02是一個(gè)2K位串行 CMOS E2PROM 內(nèi)部含有256個(gè) 8 位字節(jié) CATALYST 公司的先進(jìn) CMOS 技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗， CAT24WC02有一個(gè) 16 字節(jié)頁(yè)寫緩沖器 該器件通過(guò)I2C 總線接口進(jìn)行操作，有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能。 24C02功能特性：u 與 400KHz I2C 總線兼容 u 1.8 到 6.0 伏工作電壓范圍 u 低功耗 CMOS 技術(shù) u 寫保護(hù)功能 當(dāng) WP 為高電平時(shí)進(jìn)入

36、寫保護(hù)狀態(tài)u 頁(yè)寫緩沖器 u 自定時(shí)擦寫周期 u 1,000,000 編程/擦除周期 u 8 腳 DIP SOIC 或 TSSOP 封裝 24C02各項(xiàng)極限參數(shù)：u 工作溫度：工業(yè)級(jí) -55 +125 商業(yè)級(jí) 0 +75 u 貯存溫度：-65+150 u 各管腳承受電壓：-2.0Vcc+2.0V u Vcc管腳承受電壓：-2.0 +7.0V u 封裝功率損耗 （Ta=25）：1.0W u 焊接溫度(10 秒) ：300 u 輸出短路電流 100mA3.4.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)AT24C02數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電路如圖3.5所示。 圖3.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電路3.5 電源模塊設(shè)計(jì) 為整個(gè)系統(tǒng)提供電源。整個(gè)系

37、統(tǒng)使用的電源有兩個(gè)，一個(gè)是給電機(jī)和燈泡供電，使用的是220V的交流電；另一個(gè)是給單片機(jī)系統(tǒng)、檢測(cè)模塊和繼電器組模塊供電，需要的是5V的直流電。我們的家庭用電使用的就是220V的交流電，可以直接給電機(jī)和燈泡供電。因而需要設(shè)計(jì)一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路，使220V交流電壓轉(zhuǎn)為5V直流電壓，為單片機(jī)系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、顯示模塊及繼電器組模塊供電。220V轉(zhuǎn)5V電路框圖： 220V交流電連一個(gè)降壓變壓器把電壓值降到9V左右。然后用橋式整流電路進(jìn)行整流，使交流變成直流。變成直流以后，對(duì)其進(jìn)行濾波，減小紋波成分，提高電壓均值，穩(wěn)定電路輸出。后接一個(gè)LM7805，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)壓。LM7805可以使輸出穩(wěn)定在5V，并且其內(nèi)部

38、還有過(guò)熱保護(hù)電路和短路保護(hù)電路。三端穩(wěn)壓器LM7805后面接一個(gè)104的電容，這個(gè)電容有濾波和阻尼作用。電路原理圖如圖3.6所示。 圖3.6 電源電路3.6 PCB圖 圖3.7 PCB圖4 電能表的軟件設(shè)計(jì)電能表軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊分別完成一種或幾種功能。包括主程序、電能計(jì)量子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序、LCD 顯示子程序、按鍵處理子程序和中斷服務(wù)子程序等。4.1 軟件開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介 Keil C51 µVision4集成開發(fā)環(huán)境是Keil Software公司開發(fā)的基于80C51內(nèi)核的微處理器的軟件開發(fā)平臺(tái)，可用于多種8051MCU的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），內(nèi)嵌多種符合當(dāng)前工業(yè)

39、標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具，可以完成從工程建立和管理、編譯、鏈接、目標(biāo)代碼的生成、軟件仿真及硬件仿真等完整的開發(fā)流程。尤其是C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準(zhǔn)確性和效率方面達(dá)到了較高的水平，而且可以附加靈活地控制選項(xiàng)，在開發(fā)大項(xiàng)目時(shí)非常理想。除增加了源代碼、功能導(dǎo)航器、模板編輯以及改進(jìn)的搜索功能外，µVision3還提供了一個(gè)配置向?qū)Чδ?，加速了啟?dòng)代碼和配置文件的生成。此外其內(nèi)置的仿真器可模擬目標(biāo)MCU，包括指令集、片上外圍設(shè)備及外部信號(hào)等。µVision4提供邏輯分析器，可監(jiān)控基于MCU I/O引腳和外設(shè)狀態(tài)變化下的程序變量的變化。由于µVision4的眾多優(yōu)點(diǎn)，受到許多工程師的青

40、睞8。在Keil C51集成開發(fā)環(huán)境下是使用工程的方式來(lái)管理文件的，而不是單一文件的模式。所有的文件包括源程序、頭文件以及說(shuō)明性的技術(shù)文檔，他們都可以放在同一工程項(xiàng)目文件中管理。一般可以按照下面的步驟來(lái)創(chuàng)建一個(gè)自己的應(yīng)用程序。u 新建一個(gè)工程項(xiàng)目文件；u 為工程選擇目標(biāo)器件（如8051）；u 為工程項(xiàng)目設(shè)置軟件調(diào)試環(huán)境；u 創(chuàng)建源程序文件并輸入程序代碼；u 保存創(chuàng)建的源程序項(xiàng)目文件；u 把源程序文件添加到項(xiàng)目中；u 將工程編譯、鏈接生成目標(biāo)文件；u 對(duì)生成的目標(biāo)文件調(diào)試和仿真。4.2 主程序模塊主程序首先完成啟動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)初始化，如單片機(jī)的初始化、電能計(jì)量芯片 ADE7755的初始化以及顯示電路

41、的初始化, 再進(jìn)行電能脈沖復(fù)位以及系統(tǒng)各參數(shù)的初始化，然后單片機(jī) AT89C51 的中斷系統(tǒng)進(jìn)行是否有抄表命令的判斷：有抄表命令就開始讀取各項(xiàng)電能數(shù)據(jù)并計(jì)算出各項(xiàng)功率，然后把電能數(shù)據(jù)送出并進(jìn)行 LCD 顯示處理；沒(méi)有抄表命令就等待直至命令的到來(lái)再向下執(zhí)行。執(zhí)行完每個(gè)步驟，最后返回到開始重新執(zhí)行命令。這就是本單相電能表電路的主流程。其流程圖如圖4.1所示。 圖4.1 主程序流程圖4.3 按鍵掃描中斷子程序電能表的按鍵處理程序采用編程掃描工作方式進(jìn)行處理。在每循環(huán)一次主程序就判斷一次是否有按鍵按下，當(dāng)查詢有健按下時(shí),程序按以下方法進(jìn)行處理：軟件延時(shí)一段時(shí)間再判斷鍵盤狀態(tài)，如果仍有鍵按下狀態(tài)，則認(rèn)為

42、有一個(gè)確認(rèn)的鍵按下，否則按鍵抖動(dòng)處理；在確認(rèn)有鍵按下的條件下，通過(guò)掃描的方式求取鍵值，按鍵閉合一次僅進(jìn)行一次鍵功能操作。按鍵掃描程序流程圖如圖4.2所示。 圖4.2 按鍵掃描程序流程圖 圖4.3 開中斷子程序4.4 LCD1602顯示程序LCD1602顯示程序模塊包括初始化函數(shù)，判忙函數(shù)，寫入命令函數(shù)，寫入數(shù)據(jù)函數(shù)，寫入字符串函數(shù)等。其程序流程如下圖所示。 圖4.4 判忙函數(shù)流程圖圖4.5 寫入數(shù)據(jù)函數(shù)流程圖 圖4.6 寫入命令函數(shù)流程圖5 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析1 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

43、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。2 軟件調(diào)試本系統(tǒng)的軟件調(diào)試因AT89S52核心模塊的使用而變得相對(duì)容易，keilc軟件開發(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。3 軟硬聯(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，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。本文設(shè)計(jì)的單相兩線電能表額定電壓為220V，電流規(guī)格為5A（Ib）60A（Imax）。脈

44、沖計(jì)數(shù)規(guī)格6400 imp/kWh，即1個(gè)千瓦時(shí)內(nèi)輸出6400個(gè)脈沖。為了驗(yàn)證該單相電能表的性能,利用額定功率為45W的電風(fēng)扇作為測(cè)量對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，其數(shù)據(jù)如表5.1所示。電壓（V）電流（A）功率（W）測(cè)試時(shí)間（h）電能計(jì)算值（kWh）電能實(shí)測(cè)值（kWh）2200.51450.50.02250.02272200.51451.00.0450.04552200.51451.50.06750.06812200.51452.00.090.0904 表5.1 電風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)、計(jì)算數(shù)據(jù)表從表5.1可看出計(jì)算值與電能測(cè)量值之間雖然有一些誤差，但誤差比較小，均不超過(guò) 1%，由此可以看出該電能計(jì)量電路的測(cè)量精度是比較高的。結(jié) 論本文介紹的單相多功能電能表以專用計(jì)量芯片 ADE7755 為核心, 并結(jié)合 AT89C5