8户单相电能表初次修改资料Word文档格式.docx
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第三章设计原理分析3
3.1设计系统方案3
3.2设计方案总框图3
第四章硬件设计4
4.1硬件设计综述4
4.2单片机电路板设计4
4.3AD7755外围电路设计5
4.3.1AD7755芯片特性和内部结构5
4.3.2AD7755电能转换设计原理6
4.3.3AD7755参数分析及计算7
4.3.4AD7755通道一输入电路设计及参数分析8
4.3.5AD7755外围电路设计11
4.4+5V稳压电源设计12
4.4.1稳压电源原理12
4.4.2参数设定12
4.5光电隔离电路设计13
4.6单片机控制部分电路设计14
4.6.174HC164数码管显示14
4.6.274HC165按键清零14
4.6.324C16掉电保护15
第五章软件设计16
5.1程序流程图16
5.1.1主程序流程图16
5.1.2AT24C16读写函数流程图16
5.1.3拨码开关和按键扫描函数流程图17
5.2源程序17
参考文献18
致谢19
附录一20
附录二21
第一章绪论
随着电子技术飞速发展，电子式电能表读取电量方便，可靠准确，电路设计多样，实用性强。
在价格、实用性、先进性等方面都明显超过了传统的电能表，逐渐开始取代传统的传感器电能表。
本次课程设计中的电子式电能表以C8051F360单片机作为中央处理器，用AD7755芯片采样，实现八用户的电能数据控制和循环显示，采用了“分户用电，集中检测”的方式，提高了电能表的准确性。
而且掉电保护功能使其安全性能增强，AT24C16芯片的使用是本电能表的一大特色，是一般传感式电能表所不能做到的。
另外，电子式电能表整体体积小、质量轻、安装简单方便。
本次课程设计在公老师的指导下完成了电子式电能表的设计，提高了我们对单片机的运用水平。
掌握了电子式电能表的原理，实现了单片机在电力系统中的应用。
第二章设计任务及要求
2.1设计内容
2.1.1硬件设计
硬件设计总共分为四大部分。
包括：
C8051F360单片机整体电路设计、+5V稳压电源电路设计、光电隔离电路设计、基于AD7755的电能脉冲发生器电路设计。
2.1.2软件设计
本次课程设计全部程序均为C语言编写。
实现具有8个用户用电量每隔3秒轮流循环单独显示、按键清零、掉电保护功能的用户电量显示程序。
2.1.3设计参数
基准电压：
Vref=220V
10%；
基准电流：
Ib=10A；
最大电流：
Imax=4
Ib=40A；
最小电流：
Imin=2%
Ib=0.2A。
2.2设计要求
（1）AD7755电能脉冲发生器电路仅作电路硬件设计，其电能脉冲的传送过程由C8051F360单片机P2口所接拨码开关产生的脉冲模拟。
（2）用户电量显示要求精确到小数点以后三位。
（3）1000个电量脉冲为1度电。
（4）轮流显示8个用户的电量，每个用户显示时间为3s左右。
（5）为防止突然停电而使用户电量数据丢失，需要设计由单片机将用户电量送到AT24C16模块中储存的模块，使其具有掉电保护功能。
（6）为了能够方便记取各个用户电量，需要为每一位用户设计清零程序，同过8个按键实现清零工作。
第三章设计原理分析
3.1设计系统方案
根据设计题目要求以及原始资料的精度要求，电能转化部分选用电能转化脉冲芯片AD7755，它是一种高准确度电能测量集成电路，稳定性强并且价格不贵。
电路控制部分选用单片机芯片C8051F360，它具有片内上电复位、VDD监视、看门狗定时器等功能，是真正独立工作的片上系统。
数据掉电保存部分选用掉电存储芯片AT24C16，采用I2C总线控制，控制方便易扩展。
数码管显示部分利用74HC164串入并出8位移位寄存器和数码管配合进行数据显示。
按键清零部分利用74HC165并入串出8位移位寄存器实时扫描按键，根据按键要求对相应用户电量清零。
各电路电源部分选用稳压芯片MC7805，将交流电经过整流、滤波、稳压得到所需电源。
3.2设计方案总框图
总设计方案框图如下图3.1：
图3.1总设计框图
第四章硬件设计
4.1硬件设计综述
系统主要由AD7755电量采集电路、光电隔离电路，C8051F360单片机，24C16存储器掉电保护电路、LED数码管显示电路、5V稳压供电控制电路等部分组成。
计量电路用户电能计量采用专用集成电路设计，每一户的计量脉冲信号，经I/O接口电路连接到系统总线，在微处理器的控制下，轮流采集并计数其脉冲信号，达到0.01kWh时，数码管数据更新。
并将最新数据存储到非易失存储器中，以防电量丢失。
整个电表采用分时方式，轮流显示用户使用的电量数据。
4.2单片机电路板设计
本设计采用的是C8051F360单片机为核心的电路板。
C8051F360单片机实验板整板总电路原理图见附录一。
本次课程设计主要用到的的是C8051360单片机主控板，下载/复位电路，AT24C16存储、按键、数码管显示等模块实现其功能。
见图4.1。
图4.1C8051F360及外部原件原理图
C8051F360单片机为主要部件，其P1.0、P1.1口产生的脉冲向74HC164显示输送数据，使其显示相关信息。
P2口接74HC165再与拨码开关连接，模拟AD7755电量脉冲。
P1.3口接SDA，P1.4口接SCL，通过I2C总线控制AT24C16，每隔3S实时存储用户电量信息，单片机上电复位后能够从中读取数据。
AT24C16是使用先进的铁电技术制造的16K位的非易失忆性的记忆铁电随机存储器，FRAM具有非易失忆性并且可以像RAM一样快速写数据，在掉电后可以保存10年，且比EEPROM或其他非易失忆性存储器可靠性更高，系统更简单、AT24C16以I2C总线速度进行写操作无延时，数据送到AT24C16直接写到具体的单元地址下可以立即执行。
AT24C16可以承受超过100亿次的读写。
4.3AD7755外围电路设计
4.3.1AD7755芯片特性和内部结构
AD7755是一种高准确度电能测量集成电路，AD7755的功能框图如图4.2所示。
图4.2AD7755功能框图
AD7755只在ADC和基准源中使用模拟电路，所有其它信号处理（如相乘和滤波）都使用数字电路，这使AD7755在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。
AD7755引脚F1和F2以较低频率形式输出有功功率平均值，能直接驱动机电式计度器或与微控制器（MCU）接口；
引脚CF以较高频率形式输出有功功率瞬时值，用于校验或与MCU接口。
AD7755内部包含一个对AVDD电源引脚的监控电路。
在AVDD上升到4V之前，AD7755—直保持在复位状态。
当AVDD降到4V以下，AD7755也被复位，此时Fl、F2和CF都没有输出。
内部相位匹配电路使电压和电流通道的相位始终是匹配的，无论通道1内的高通滤波器（HPL）是接通的还是断开的。
内部的空载阈值特性保证AD7755在空载时没有潜动。
AD7755的性能测试电路如图4.3所示。
图4.3AD7755性能测试电路
4.3.2AD7755电能转换设计原理
如图4.3所示，将电流信号转换为合适的电压信号，由通道一输入。
通道一输入最大差动信号峰值为470mV，有效值约为330mV；
电压信号经过处理，输入到通道二，通道二输入最大差动信号峰值为660mV，有效值约为467mV。
两路电压信号经过A/D转换器、滤波器、乘法器等，将信号输入到数字－频率转换器转换为一定频率的脉沖信号。
对这个脉冲信号进行计数就可以计量用户的用电量。
可编程增益放大器的放大倍数G可视情况随意选择，由Gl、G0的逻辑电平确定。
但是通道一输入电压乘以增益G的最大差动信号峰值始终为470mV。
增益G的换算见表4.1。
表4.1增益换算表
G1
G0
增益
最大差动信号
1
2
8
16
通过设置S0、S1可以选择不同的Fl-4进行选择。
脉冲输出的基本方式是从F1或F2输出，但是这两个引脚输出的脉冲频率较低，最高为几百个脉冲/kW.h。
也可以选择高频脉冲输出，高频脉冲可以从CF端输出，脉冲数可达几千个脉冲/kW.h。
若要使用高频则需要对SCF引脚进行配置。
但是实际使用时脉冲频率不可太高，所以，选用这种脉冲输出方式时通常把SCF、S0、S1都接低电平，脉冲频率可以低一些。
另外在采集电流、电压信号时，要合理选择采集方式，输入到通道一、通道二的电压信号选在最大允许输入信号的1/3到2/3范围内为宜。
在这个范围内，信号采集误差较小。
在选择采集信号方式时，应考虑到抗干扰能力和电阻等原器件的功耗问题。
若通道一采用电阻分压方式将电流转换成电压信号，则G应取最大值，这样可以有效减小电阻上的功率损耗。
另外还可以釆用电流互感器，将电流信号转换为电压信号。
这两种方式各有优势，将在下面进行详细叙述。
若釆用Fl、F2输出脉冲对用户电能进行计量，则可以使得两个通道输入电压在合理的电压范围内，即最大允许输入信号的1/3到2/3范围内。
若釆用高频脉冲输出方式，脉冲频率不应太高，这时通道一、二采集的电压信号可能会低于理想的电压范围，但是不会有太大偏差，不会对设备性能有太大影响。
以上是对AD7755工作原理的简单叙述，要真正用好这个芯片来实现本方案设计还需要对一些重要参数进行分析计算及配置。
4.3.3AD7755参数分析及计算
输出脉冲方式有两种，一种是通过Fl、F2输出的较低频率的脉冲；
另一种是通过CF端输出地高频脉冲。
本设计中用Fl、F2输出低频脉冲方式。
下面将做详细介绍：
F的计算公式（4.1）:
（4.1）
其中V1为通道一的输入电压
即经过程放大器后的输入电压有效值；
V2为通道二的输入电压有效值；
可以通过对S0、S1的配置进行选择。
其关系见表4.2：
表4.2F1-4频率选择（CLKIN=3.579MHZ）
S1
S0
F1-4（HZ）
分频系数
1.7
221
3.4
220
6.8
219
13.6
218
通常情况下先根据最大输入电流和输入电压以及F1-4的取值范围算出可选脉冲数范围，再根据自己的要求确定实际脉冲数，最后由公式（4.1）向回推算出V1、V2检验二者是否在各自的理想电压范围内。
若不符合要求再进行修改。
在计算出F频率后，要计算出一个小时会输出多少个脉冲，即F*3600个。
另外要根据设计要求算出一个小时耗电量，其计算公式（4.2）:
P=（I*V）/1000（kW.h）（4.2）
用（F*3600）/P即为脉冲数/kW.h。
本方案在设计时要采用F1输出脉冲，根据计算可选脉冲数范围为：
126-1005个脉冲数/kW.h，实际选择1000个脉冲/kW.h，且G0、G1状态为00，因此增益为1,S1、S0状态为10，因此F1-4=6.8，选取内部给定参考电压2.5V。
根据设计要求一小时用电量为（220*10）/1000=2.2度。
由上述条件可以算出在F1-4=3.4时一秒钟输出的脉冲数为1000*2.2/3600=2200个，则F=2200/3600=0.6111Hz。
最后算出，V1*V2*G=0.6969，由于通道一用于电流转换为电压信号的电阻较小，不能进行较精确的调节，所以取通道一输入电压有效值为0.22V，为最大允许输入电压有效值的66.7%。
通道二的输入电阻可选的比较大，能够进行较精细的调节，取通道二的输入电压为0.317V，为最大允许输入电压有效值的68%。
此时两个通道的输入电压都能够在理想的电压测量范围内，能够满足要求。
4.3.4AD7755通道一输入电路设计及参数分析
（一）电流信号采集
通道一是对电流信号进行采集，但是在输入时要将电流信号转换为电压信号。
将电流信号转换为电压信号有两种方式。
第一种是直接用电阻将电流转换为电压，另一种方式用电流互感器经过一定的改进将电流信号转换为电压信号。
（1）方式一电路参数及性能分析
釆用方式一时，通常电阻不会很大。
以本方案为例，最大电流40A，则最大输入电压有效值对应的电阻为8mΩ左右，若要使输入电压在1/3〜2/3范围内，电阻会更小。
若此时PGA增益为1，则电阻上消耗的功率为12.8W。
若增益为16，则输入电阻为0.5mΩ左右，此时功率损耗为8W。
很明显，釆用这种方式时，通常都应当使G=16，这样有利于减小电阻功率损耗。
这种电流电压转换方式，结构简单，经济性好，但是抗干扰能力较差，功率损耗大。
电路见图4.4：
图4.4电流信号采集方式一
（2）方式二电路参数及性能分析
第二种方式是将用户电流经过电流互感器转换为毫安级的电流。
在二次侧并联一个电阻，这个电阻根据要求进行选择。
利用电路原理分析可知，电流源与一个阻抗并联可等效为电压源与一个阻抗串联。
根据上面的分析，要得到1000个脉冲/kW.h，通道一的输入电压有效值为0.22V。
用户最大电流40A经过电流互感器后转换为20mA的电流，要得到0.22V的电压，需要并联一个11Ω的电阻，相对于上面一种方式，这个电阻阻值较大。
这种方式具有抗干扰能力强、功率损耗小、稳定性好的特点。
但是结构较复杂，体积大，经济性差。
电路见图4.5：
图4.5电流信号采集方式二
本方案釆用第二种方式将电流信号转换为电压信号输入到通道一。
（二）电压信号采集
对于通道二就是要将较高的电压转换为AD7755可以承受的电压。
可以通过电阻分压将220V电压转换为0.317V电压；
另外还可以利用电流互感器设计一个电流型电压互感器。
下面对两种方式进行比较。
（1）方式一电路参数及性能分析
利用方式一进行分压，要将220V电压转换为AD7755可以承受的电压。
若电位器阻值为最大值时，经过分压，在输入电阻上的电压约为0.323V，也就是输入点也可以在0.323V~0.467V之间进行调节。
调节范围较小，但电路结构简单，经济性好。
电阻上的功率损耗也不大。
电路见图4.6：
图4.6电压信号采集方式一
方式二是利用电流互感器设计一个电压互感器。
其原理依然是利用电流源、电压源间的转换关系进行设计的。
在一次侧串联电阻将电压信号转换为电流信号，在二次侧并联电阻将电流信号转换为电压信号。
对于电流互感器，可以釆用1:
1的电流互感器，也可以采用其他变比的电流互感器。
如下图所示220V电压串联了110KΩ电阻之后，与2mA电流源等效。
若要得到满足要求的输入电压，则需要并联100Ω~200Ω的电阻。
因此在这里并联了一个电位器，可以对输入电压进行调节，相对于上面一种方式，这样设计的输入电压调节范围可以大一些。
采用电流互感器设计电压互感器体积较小，精度也能设计的比较高。
而直接采用电压互感器体积会比较大，精度也不高。
电路见图4.7：
本设计釆用了第二种电压转换电路对电压信号进行转换，使输入到通道二的电压能够满足要求，并且便于调节。
图4.7电压信号采集方式二
4.3.5AD7755外围电路设计
AD7755的总体电路除了上述几个比较关键的组成部分外，还有时钟电路、脉冲输出接口、电源电路等其他几个外围电路。
时钟电路釆用和单片机时钟电路一样的设计，但是将晶体振荡器用AD7755所要求的3.58MHz。
脉冲输出接口则采用光耦合器，这样可以将AD7755电能计量转换电路与单片机控制电路进行隔离，防止两侧相互干扰。
由于光耦合器将电路分成两部分，所以两侧应该分别供电。
电路原理见图4.8：
图4.8AD7755外围电路图
4.4+5V稳压电源设计
4.4.1稳压电源原理
电源是电能表设计的重要部分，其设计的好坏对整个系统的性能有较大影响。
本设计使用的稳压电源是由MC7805实现的，输入电压220V，输出电压+5V。
集成三端稳压器稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、容易设计和制作、体积小、重量轻、成本低、维修简单。
7805集成三端稳压器的典型应用电路如图2所示，这是一个输出+5V直流电压的稳压电路。
IC采用集成三端稳压器7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。
电路如下图4.9所示。
图4.9稳压电源电路图
4.4.2参数设定
+5V稳压电源的参数：
变压器副边绕组的交流电压有效值，整流元件的参数，电容C1、C2的数值以及集成三端稳压器的选用。
参数计算：
（1）电容如式（4.3）：
（4.3）
（2）变压器欺负边绕组的交流电压有效值如式（4.4）：
（4.4）
（3）桥式整流电路中，每个整流二极管在交流电网电压最高时承受的最大反向峰值电压如式（4.5）：
（4.5）
（4）变压器副边绕组电流有效值要比输出电流大，这里取值如式（4.6）：
（4.6）
（5）电容C2的作用时间小稳压电源输出端有输入电源引入的低频干扰，其数值在100uF左右。
4.5光电隔离电路设计
在实际应用中，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。
我们选用光电隔离法，光电隔离元件里面包含两个基本元件：
光发射元件和光接收元件，因光电隔离元件中的光发射元件和光接收元件中间是以光的形式相互联系的，在电气上没有直接相连，从而达到在电气上的隔离作用。
光电耦合的主要优点是：
信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，工作稳定。
光电耦合电路如下图4.10。
图4.10光电隔离电路图
4.6单片机控制部分电路设计
4.6.174HC164数码管显示
74HC164是高速硅门CMOS器件，与低功耗肖特基型TTL（LSTTL）器件的引脚兼容。
74HC164是8位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。
数据通过两个输入端（DSA或DSB）之一串行输入。
任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。
两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。
本设计中单片机的P1.0、P1.1口产生的脉冲向74HC164显示输送数据，使其显示相关信息。
其显示电路原理图如图4.11所示。
图4.1174HC164显示电路
4.6.274HC165按键清零
74HC165是8位并行输入串行输出移位寄存器，可在末级得到互斥的串行输出（Q0和Q7），当并行读取（PL）输入为低时，从D0到D7口输入的并行数据将被异步地读取进寄存器内。
而当PL为高时，数据将从DS输入端串行进入寄存器，在每个时钟脉冲的上升沿向右移动一位（Q0→Q1→Q2等）。
本设计中P1.2作为74HC165使能端，P1.5作为74HC165脉冲输入端，P1.4作为74HC165输出端检测按键信息，进行清零。
其按键清零电路原理图如图4.12所示。
图4.1274HC165按键清零电路
4.6.324C16掉电保护
AT24C16是使用先进的铁电技术制造的16K位的非易失忆性的记忆铁电随机存储器，FRAM具有非易失忆性并且可
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