基于單片機的電能表設計設計分工本次電能表設計中，我主要負責電能計量模塊、實時時鐘模塊和IC卡模塊的軟硬件設計。11設計任務利用單片機和接口技術設計、研制一種新型電能表，可實現峰谷用電量和剩余金額，并用LCD顯示。12設計目的（1）進一步了解有關單片機、存儲電路、IC卡的應用；（2）掌握信號獲取、傳輸、處理及檢測的一般方法；（3）綜合運用已有的理論和技術，制定設計方案，掌握用電量的測量方法；（4）學會應用存儲電路、IC卡、單片機組建一個實際測量系統，提高設計者的應用能力；（5）通過測量、計算、顯示，能運用所學知識并學會查閱有關資料，培養儀器儀表設計的基本技能，為今后的深入學習等奠定基礎。13設計要求參考利用存儲電路、IC卡、單片機及其接口技術研制出一種新型電能表，設計內容包括（1）詳細了解所選用的存儲電路、IC卡、單片機的工作原理和工作特性；（2）設計合理的計算測量電路；（3）用單片機、IC卡、LCD的顯示技術實現測量電路，單片機的指令系統開發相關的應用程序，并對程序作詳細的分析和解釋。（4）列出制作該裝置的元器件，搭建試驗電路，并進行試驗驗證調試。（5）撰寫詳細的設計技術報告。14設計方案與技術分析此電能表主要由計量模塊、單片機、IC卡模塊、LCD顯示、EEPROM存儲器、實時時鐘電路及電源電路等部分組成。其硬件系統框圖如下圖1所示。其中，單片機以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調下進行工作的。單片機通過控制在其中的各種程序，控制著其它硬件模塊的工作狀態，由它智能化地形成并可靠地提供電能計算、時段判斷、費率切換、IC卡讀寫、電能量控制及負荷控制等功能。141AT89C51單片機簡介、89C51單片機的基本組成本電能表的硬件設計原則是在低功耗的前提下，實現多功能目的，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卡的數據，并控制液晶顯示器的工作，同時還可以將電能表的數據存入EEPROM進行永久保存并可通過串口送至表外的數據終端，大大地提高了電能表的智能化功能。在一小塊芯片上，集成了一個微型計算機的各個組成部分，即89C51單片機芯片內包括（1）一個8位的微處理器（CPU）。（2）片內256字節數據存儲器RAM/SFR，用以存放可以讀/寫的數據，如運算的中間結果、最終結果以及欲顯示的數據等。（3）片內4KB程序存儲器FLASHROM，用以存放程序、一些原始數據和表格。（4）4個8位并行I/O端口P0P3,每個端口既可以用作輸入，也可以用作輸出。（5）兩個16位的定時器/計數器，每個定時器/計數器都可以設置成計數方式。（6）具有5個中斷源、兩個中斷優先級的中斷控制系統。單片機（AT89C51）LCD顯示IC卡模塊EEPROM存儲器電能計量芯片實時時鐘電路電源電路圖1硬件系統框圖（7）一個全雙工UART的串行I/O口，用于實現單片機之間或單片機與PC機之間的串行通信。（8）片內振蕩器和時鐘產生電路，但石英晶體和微調電容需要外接。（9）具有節電工作方式，即休閑方式和掉電方式。以上各個部分通過片內八位數據總線相連接。、89C51單片機引腳及其功能如圖2所示為單片機AT89C51的引腳圖。圖2單片機AT89C51的引腳圖（1）XTAL1（19腳）振蕩器反相放大器及內部時鐘發生器的輸入端。（2）XTAL2（18腳）振蕩器反相放大器的輸出端。（3）RST（9腳）復位輸入，當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。（4）P0口（3932腳）P0口是一個漏極開路的8位準雙向I/O端口。作為漏極開路的輸出端口，每位能驅動8個LS型TTL負載。當P0口作為輸入口使用時，應先向口鎖存器寫入全1，此時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口輸出緩沖器可驅動4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口，此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。當CPU不對P3口進行SFR尋址訪問時，即用作第二功能輸出/輸入線時，由內部硬件使鎖存器Q置1。整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處低電平10MS來完成。在芯片擦除操作中，代碼陳列全被寫“1”且在任何非空存儲字節被重復編程以前，該操作必須被執行。此外，AT89C51設有穩態邏輯，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，定時器，計數器，串口和中斷系統仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。142電能計量芯片模塊采用現在比較流行的電能計量芯片CS5460A實現對電能等電量的采集和測量。CS5460A是CRYSTAL公司推出的用于測電流、電壓、功率等的芯片,是CS5460的增強版,精度高、性能強且成本低。CS5460A包含兩個模數轉換器（ADC）、高速電能計算功能和一個串行接口的高度集成的模數轉換器。它可以精確測量和計算有功電能、瞬時功率、IRMS和VRMS，用于研制開發單相2線或3線電表。CS5460A可以使用低成本的分流器或互感器測量電流，使用分壓電阻或電壓互感器測量電壓。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系統校準功能。“自引導”的特點使CS5460A能獨自工作，在系統上電后自動初始化。在自引導模式中，CS5460A從一個外部EEPROM中讀取校準數據和啟動指令。使用該模式時，CS5460A工作時不需要外加微控制器，因此當電表用于大批量住宅電能測量時，可降低電表的成本。并且本芯片集成度較高便于編程控制，故本設計采用此方案。CS5460A概述、基本結構及功能圖3CS5460內部結構圖CS5460A的內部機構圖如上圖3所示，其組成模塊如下一個電流通道可編程增益放大器其增益為10和50可選一個電壓通道固定增益放大器，其增益為10兩個同時采樣的AD模數轉換器兩個高速數字濾波器兩個可選用的高通濾波器一個功率計算引擎一個片內電壓基準一個可以檢測電力不足或電源故障的電源監視器一個持續監視串口通訊的看門狗一個可選的內部時鐘發生器一個雙向串行接口一個電能、脈沖變換器一個校準用SRAM、主要特性（1）在片計算和處理功能；（2）可以從串行E2PROM智能“自引導”,不需要微控制器,具有電能脈沖轉換功能；（3）具有AC或DC系統校準功能；（4）具有簡單的三線數字串行接口,可以方便地進行讀寫；（5）看門狗定時器；（6）片上25V基準（60106/OC）,單電源5V或雙向25V10電源；（7）具有功率方向輸出指示；（8）能夠測量瞬時電壓、瞬時電流、瞬時功率、電能、電壓有效值和電流有效值，能完成電能/脈沖轉換；（9）電能測量精度01；（10）具有相位補償和系統校準功能；（11）具有機械計度器/步進電機驅動器；（12）內帶電源監視器；（13）電能數據線性度在10001動態范圍內線性度為01；（14）功率消耗INCLUDEINCLUDE電能采集實時時鐘開始是峰電峰電加數據存儲LCD顯示IC卡12COUNT1ELSECOUNT2REMAINTOTALCOUNT105COUNT206/計算剩余的金額WRITECOUNT1/向卡內分別寫入峰值電量、谷值電量、剩余金額WRITECOUNT2WRITEREMAINIFREMIAN0JSCL0SENDBYTE1IFDAT1TEMPTEMP0X80；CLK1SHORTDELAY0；CLK0；時鐘下降沿讀出有效SHORTDELAY0；RETURNTEMP；UCHARDATEWRITE1ONG_VALUE，UCHAR_LGEADR，UCHAR_BLOCK，UCHARIDATA_BUR/IC卡程序UCHARTEMPUCHAR_VALUE；轉存指針UCHARWRITECHECKDATA_ERR；寫入狀態標記，用于返回值_BUF0TEMP3；_BUF1TEMP2；_BUF2TEMP1；_BUF3TEMP；數據轉存到緩沖區_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；轉存地址，并備份WRITECHECKWRITECHECK/RESET_5460為CS5460A的復位腳/計量模塊DELAY_10MSRESET_54601/復位CS5460ABUF00XFF/SYNC1BUF10XFF/SYNC1BUF20XFF/SYNC1BUF30XFE/SYNC0WRITE_CS5460ABUF,4/寫3個同步命令1之后再寫1個同步命令0BUF00X40/寫配置寄存器BUF10X01/GI1，電流通道增益50BUF20X00BUF30X01/DCLKMCLK/1READ_MEMORYIFTEMP0XA5READ_MEMORYBUF54601TEMP/假如已經執行過相位補償，設置相位補償值，否則設置相位補償值為0WRITE_CS5460ABUF,4/假如指定地址單元等于OXA5，則接下來的3BYTES即是校準值。BUF00X5EBUF10XFFBUF20XFFBUF30XFFWRITE_CS5460ABUF,4/清狀態寄存器BUF00X74BUF10X00BUF20X00BUF30X00WRITE_CS5460ABUF,4/寫中斷屏蔽寄存器，缺省值BUF00X78BUF10X00BUF20X00BUF30X00/缺省值WRITE_CS5460ABUF,4/寫控制寄存器BUF00X4CBUF10X00BUF20X34BUF30X9CWRITE_CS5460ABUF,4/寫EOUT脈沖輸出寄存器BUF00X4ABUF10X00BUF20X01/每秒鐘計算10次，N400BUF30X90WRITE_CS5460ABUF,4/寫CYCLECOUNT寄存器READ_CS5460A0X1E,BUF/讀狀態寄存器BUF3BUF2BUF2BUF1BUF1BUF0BUF00X5EWRITE_CS5460ABUF,4/寫狀態寄存器BUF00XE8WRITE_CS5460ABUF,1/啟動CS5460A15實驗驗證與結論根據方案設計的要求，測試過程共分為三大部分硬件調試、軟件調試和軟硬件聯調。電路按模塊調試，各模塊逐個調試后，再進行聯調。單片機軟件先在最小系統板上調試，確保外部電路正常工作后，再與硬件系統聯調。151電能表硬件調試硬件調試，查看個硬件模塊電路的連線是否與邏輯圖一致，用萬用表檢測有無短路或短路現象，器件的規格、極性是否有誤。檢查完畢，用萬用表測量一下電路板正負電源端之間的電阻，排除電源短路的可能性。152電能表軟件調試本系統的軟件調試因AT89C51核心模塊的使用而變得相對容易，KEILC軟件開發環境，能判斷語法差錯和邏輯差錯，判斷程序無誤后，可以直接下載到單片機中進行調試。153電能表軟硬件聯調在軟件和硬件都基本調通的情況下，進行系統的軟硬件聯調。按照由上向下，模塊化設計的理念對模塊逐個調試首先，調通液晶顯示模塊，接著給芯片CS5460A的電壓通道和電流通道通入滿量程信號，根據液晶顯示對芯片內的校準寄存器進行設置，進而對測量進行校準調試。調好后，即該芯片能正常工作后，再通以交流市電進行進一步校準調試。等模塊逐一調通后，再進行聯調。再連接成一個完整的系統調試。電能表總硬件電路圖如下圖19所示。154實驗結論在這段時間里，在電能表硬件部分設計好的同時，在軟件方面，我們用C語言對電能表的各個模塊以及主程序進行編程，從理論上基本能實現電能表