1、前言多用戶電子式單相電能表采用單片機(jī)作為中央處理器，每塊電能表可對(duì)多達(dá)24戶的用電情況進(jìn)行集中檢測(cè)、循環(huán)顯示。各戶的用電量可以就地讀取。多用戶電子式電能表采用了“分戶用電、集中檢測(cè)”的方式，與傳統(tǒng)感應(yīng)式電能表相比，有效地提高了電能計(jì)量的準(zhǔn)確性，而且整機(jī)體積小、質(zhì)量輕、安裝方便。在多用戶電子式電能表的前面板上有8位led顯示器，前兩位為分戶號(hào)，后6位為分戶用電量，所顯示的用電量與分戶號(hào)相對(duì)應(yīng)，分戶循環(huán)顯示，每3s切換一戶。如果某戶顯示的用電量需要清零時(shí)，待電子式多用戶電能表的led顯示器顯示本戶的用電量時(shí)，用導(dǎo)線將進(jìn)線端子的清零控制端和信號(hào)地端短接，然后拉下電源開關(guān)，待重新合上電源開關(guān)后，清零完

2、成。將短接的清零控制端和信號(hào)地端斷開，用戶用電量即可重新計(jì)量。目錄一 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求-2二 設(shè)計(jì)原理分析-三 硬件電路設(shè)計(jì)-23.1單片機(jī)電路板設(shè)計(jì)-3.2 +5v穩(wěn)壓電源-3.3光電隔離電路-3.4 ad7755電路-3.5參數(shù)設(shè)定-四 軟件設(shè)計(jì)-4.1流程圖-114.2程序內(nèi)容-五 設(shè)計(jì)總結(jié)-六 參考資料-一 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 設(shè)計(jì)任務(wù)：多用戶電子式單相電能表設(shè)計(jì)與調(diào)試設(shè)計(jì)內(nèi)容：硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)包括：c8051f360單片機(jī)整體電路設(shè)計(jì)、+5v穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)、光電隔離電路設(shè)計(jì)、基于ad7755的電能脈沖發(fā)生器電路設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)包括：用c8051f360單片機(jī)及c語言編寫具有掉電

3、保存功能的用戶電量顯示程序。設(shè)計(jì)要求：ad7755電能脈沖發(fā)生器電路僅作電路硬件設(shè)計(jì)，其電能脈沖由c8051f360單片機(jī)p2口所接撥碼開關(guān)產(chǎn)生的脈沖模擬。用戶電量顯示要求精確到小數(shù)點(diǎn)后2位，1600個(gè)電量脈沖為1度電，每個(gè)用戶顯示時(shí)間為3s左右。為防止突然停電而使用戶電量數(shù)據(jù)丟失，要求能將電量數(shù)據(jù)保存，需要設(shè)計(jì)單片機(jī)24c16模塊，使其具有掉電保存功能。二 設(shè)計(jì)原理分析電子式電能表是在數(shù)字功率表的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，采用乘法器實(shí)現(xiàn)對(duì)電功率的測(cè)量，其工作原理框圖如圖3-10所示。被測(cè)量的高電壓u、大電流i經(jīng)電壓變換器和電流變換器轉(zhuǎn)換后送至乘法器m，乘法器m完成電壓和電流瞬時(shí)值相乘，輸出一個(gè)與一段

4、時(shí)間內(nèi)的平均功率成正比的直流電壓u，然后再利用電壓頻率轉(zhuǎn)換器，u被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖頻率f，將該頻率分頻，并通過一段時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，顯示出相應(yīng)的電能。圖1 電子式電能表工作原理框圖三 硬件電路設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)電路板設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用的是c8051f360單片機(jī)為核心的電路板。c8051f360單片機(jī)整體電路板包含：c8051f360單片機(jī)、led/fmq報(bào)警、rs-232通信、usb接口、電源接口、lm336-2.5、下載/復(fù)位、外接器件、5v-3.3v、兩路ad輸入、信號(hào)輸入、pcf8563、24c16、74hc165、74hc164顯示等模塊。本次設(shè)計(jì)中主要用到的部分有c8051f360單片

5、機(jī)、pcf8563、24c16和74hc164顯示等模塊。c8051f360單片機(jī)為主要部件，它具有片內(nèi)上電復(fù)位電路、vdd監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器器件，是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。flash 存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新 8051 固件。用戶軟件對(duì)所有外設(shè)具有完全的控制，可以關(guān)斷任何一個(gè)或所有外設(shè)以節(jié)省功耗。其p1.0,p1.1口產(chǎn)生的脈沖向74hc164顯示輸送數(shù)據(jù)，使其顯示相關(guān)信息，p2口接撥碼開關(guān)，模擬ad7755電量脈沖，pcf8563、24c16部件實(shí)時(shí)存儲(chǔ)用戶電量信息，并在掉電后保存，單片機(jī)上電復(fù)位后能夠從中讀取數(shù)據(jù)。fm24c1

6、6是用先進(jìn)的鐵電技術(shù)制造的16k位的非易失性的記憶體鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器 fram具有非易失性并且可以象ram一樣快速讀寫數(shù)據(jù)在掉電可以保存10年且比eeprom或其他非易失性存儲(chǔ)器可靠性更高系統(tǒng)更簡(jiǎn)單不象eeprom fm24c16以總線速度進(jìn)行寫操作無延時(shí)數(shù)據(jù)送到fm24c16直接寫到具體的單元地址下可以立即執(zhí)行 fm24c16可以承受超過100億次的讀寫或者是比eeprom高一萬倍的寫操作 fm24c16的寫能力使得它在需要對(duì)非易失性記憶體快速讀寫的狀況下非常理想舉例說數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中對(duì)寫入數(shù)據(jù)的頻率要求高即速度要求非常快使用eeprom可能丟失數(shù)據(jù)這種優(yōu)勢(shì)合并使得系統(tǒng)可以更可靠的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)

7、fm24c16為使用串eeprom的用戶提供了便利它在硬件上可以直接替換eeprom。以下是電路板的相關(guān)電路圖。圖2 74hc164顯示電路圖3 24c16與c8051f360連接電路圖4 單片機(jī)電路板整體圖3.2 +5v穩(wěn)壓電源電源是電能表設(shè)計(jì)的重要部分，其設(shè)計(jì)的好壞對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有較大影響。本設(shè)計(jì)使用的穩(wěn)壓電源是由mc7805實(shí)現(xiàn)的，輸入電壓220v,輸出電壓+5v 。集成三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓精度高、工作穩(wěn)定可靠、外圍電路簡(jiǎn)單、容易設(shè)計(jì)和制作、體積小、重量輕、成本低、維修簡(jiǎn)單。7805集成三端穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖2所示，這是一個(gè)輸出 +5 v直流電壓的穩(wěn)壓電路。ic采用集成三端穩(wěn)壓器780

8、5，c1、c 2分別為輸入端和輸出端濾波電容，rl為負(fù)載電阻。電路如下圖。圖5 +5v穩(wěn)壓電源電路圖3.3 光電隔離電路在實(shí)際應(yīng)用中，許多電路鏈接之間需要非直接的連接，從而在提供數(shù)據(jù)的同時(shí)避免來自系統(tǒng)某一部分的危險(xiǎn)電壓或電流對(duì)另一部分造成破壞，造成這種破壞的可能是電源質(zhì)量低劣、接地故障等各種故障。電路隔離的主要目的是通過隔離元件把干擾的路徑切斷，從而達(dá)到抑制干擾的目的。 我們選用光電隔離法，光電隔離元件里面包含兩個(gè)基本元件：光發(fā)射元件和光接收元件，因光電隔離元件中的光發(fā)射元件和光接收元件中間是以光的形式相互聯(lián)系的，在電氣上沒有直接相連，從而達(dá)到在電氣上的隔離作用。光電耦合的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向

9、傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定。光電耦合電路如下圖。圖6 光電隔離原理電路圖3.4 ad7755相關(guān)電路ad7755是ad公司推出的脈沖輸出的一種高準(zhǔn)確度電能測(cè)量芯片，ad7755在低頻輸出端提供平均功率信息，在高頻輸出端輸出頻率正比有效功率的脈沖，ad7755還有自校準(zhǔn)功能。ad7755內(nèi)部包含一個(gè)對(duì)avdd電源引腳的監(jiān)控電路。在avdd上升到4v之前，ad7755一直保持在復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)avdd降到4v以下，ad7755也被復(fù)位，此時(shí)f1、f2和cf都沒有輸出。下圖是ad7755的相關(guān)電路圖。圖7 ad7755功能框圖圖8ad7755性能測(cè)試電路圖9 ad77

10、55引腳排列圖3.5 參數(shù)設(shè)定+5v穩(wěn)壓電源的參數(shù)有：變壓器副邊繞組的交流電壓有效值，整流元件的參數(shù)，電容c1、c2的數(shù)值以及集成三端穩(wěn)壓器的選用。以下即參數(shù)計(jì)算： (1)電容c1 ， 可用下式進(jìn)行計(jì)算： 式中：10ms為交流電網(wǎng)電壓周期的一半。取vimin=7.3v。因?yàn)樵谑褂萌朔€(wěn)壓器時(shí),為了保證穩(wěn)壓性能,輸入端和輸出端間電位差至少應(yīng)在 2 v以上， 當(dāng)然也不能太大， 以減少器件功耗和避免器件損壞，一般對(duì)輸出電壓不大于18v 的穩(wěn)壓器,輸入電壓應(yīng)小于35v, 按輸出電流應(yīng)有10的余量，取通過計(jì)算， 得：c1=3014uf。因此取c1=3300uf (2)變壓器副邊繞組的交流電壓有效值,可用

11、下式進(jìn)行計(jì)算： 通過計(jì)算,得：v2=9.9v。為了留有一定裕量，取 v2=10.5v。 （3）橋式整流電路中， 每個(gè)整流二極管在交流電網(wǎng)電壓最高時(shí)承受的最大反向峰值電壓為 為了安全， 整流管的反向耐壓應(yīng)當(dāng)比上述值大50%以上， 因此選擇整流管時(shí)， 其反向耐壓應(yīng)按下 式考慮： 橋式整流電路中， 每個(gè)整流二極管的正向電流平均值是輸出電流的一半， 其最大值是由于在接通電源瞬間有相 當(dāng)大的沖擊電流( 即充電電流) 通過整流管，因此，整流管的參數(shù) ( 正向電流平均值)應(yīng)比上述值大0.52倍。若按比上述值大0.8倍考慮,則 根據(jù)上述計(jì)算， 可選用 1a/25v或1a/50v的橋堆。(4) 變壓器副邊繞組電

12、流的有效值iac 要比輸出電流iomax大，一般情況下，前者是后者的1.13倍。這里我們?nèi)∫虼耍儔浩鞲边吚@組導(dǎo)線的粗細(xì)應(yīng)按額定電流（交流有效值)為2 a選用。 (5)電容 c 2的作用是減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾，其數(shù)值在 100uf左右。 四 軟件設(shè)計(jì)4.1流程圖設(shè)計(jì)4.1.1 主函數(shù)流程圖開始程序初始化、啟動(dòng)定時(shí)器at24c16讀入函數(shù)調(diào)用用戶掃描函數(shù)執(zhí)行寫函數(shù)，向at24c16寫入數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)碼管循環(huán)顯示用戶信息結(jié)束主函數(shù)4.2 at24c16讀寫函數(shù)流程圖讀函數(shù)調(diào)用多字節(jié)讀取數(shù)據(jù)函數(shù)啟動(dòng)總線到發(fā)送地址讀數(shù)據(jù)結(jié)束總線延時(shí)3ms判斷是否返回1讀完讀取結(jié)束返回讀函數(shù)寫函數(shù)調(diào)用發(fā)送多字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù)啟動(dòng)總線到發(fā)送地址寫數(shù)據(jù)結(jié)束總線延時(shí)3ms判斷是否返回1讀完讀取結(jié)束