智能分时计费电度表系统设计论文.docx

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智能分时计费电度表系统设计论文

智能分时计费电度表系统设计论文（设计说明书）

-----硬件部分

摘要

随着社会的发展和进步,电能变得越来越紧张，合理利用电能就成为急待解决的问题。

为了提高供电质量和资源的合理利用，必须抑制高峰需求，鼓励低谷用电，这就需要运用价格的杠杆作用，制定峰谷分时电价来调节。

所以，就需要有一个智能的计费工具，来实施价格调节-智能分时计费所以，就需要有一个智能的计费工具，来实施价格调节-智能分时计费电度表。

本设计通过单片机以及I2C串行总线便能很好的对峰谷进行分时记值、计价，从而很好的解决了电能收费问题。

本文详细地介绍了用单片机为主要核心电路设计智能分时计费电度表的硬件设计全过程，并给出了智能分时计费电度表软件设计的基本思路。

给出了整体电路的原理、PCB设计图和几个电路使用特殊芯片和使用软件资料。

是实用性很强的设计方案。

关键词:

单片机，分时计费，电度表

IntelligentTime-sharingPower-counter

AbstractWiththedevelopmentandprogressofthesociety,theelectricpowerbecomesmorestress,usetheelectricpowerproblelyiswhathastobesloved.soinordertopromotepowersupplyqualityandhaveafulluseutilityofresource,rush-hourshallbelimitedandemty-hourshallbeencouraged.Thisneedstobedonebyhavingpriceleveragetomakerush-hourandempty-hourwithdifferentpowercosttoadjustit.Thispaperintroduceschipmicrocomputerwhichisusedtosolvetheintelligenttime-sharingaccountingproblemofkilowatt-hourmeterandgivetheprinciplediagramofintelligenttime-sharingaccountingkilowatt-hourmeter.Gavetheprincipleofthewholeelectriccircuit.Itcanbewidelyappliedandisworthyofspreading.

Keywords:

chipmicrocomputer,time-sharingaccounting,kilowatt-hourmeter

第1章序言

1.1立题的目的和意义

随着社会的发展，人民生活水平的提高，各种生产生活用电量不断增大，因此产生了用电负荷量不平衡的状况。

为了解决这一问题充分发挥现有发电能力，则可采用分时计费用电制度。

分时计费用电制度是将用电时间根据用电情况划分为高峰期和低峰期。

高峰期用电，电费单价最高；低峰期用电，单价最低。

这是采用经济杠杆来诱导用电者尽量避开高峰期用点的一种方法。

智能分时计费电度表正是适应分时计费用电制度的一种新颖的单片机化智能产品。

它既保留了原有电度表的功能有增加了分时计算用电量和电费的功能。

因此它既是适用于当前，更适应于未来。

1.2智能分时计费电度表系统的设计方案和基本功能

本设计以AT89C52为核心的控制单元完成所有信息的处理，包括正常情况下对整个电表的管理、电量累积，以及时钟、外部存储的通信等。

整个系统硬件包括：

单片机系统模块、I2C总线模块、电量数据采集模块、显示模块、键盘模块和掉电检测模块等几大模块组成。

I2C总线模块主要包括PCF8563P和AT24C08。

PCF8563P时钟电路为时段的划分提供一个精确的时间标准，同时它可以给出准确的时钟脉冲，供校时之用；外部非易失性存储器AT24C08用于掉电时保存相关数据。

以上这两个芯片通过I2C总线与89C52单片机进行通讯。

电量数据采集模块是通过计数脉冲个数来统计电量。

掉电检测模块采用IMP813L作为掉电检测芯片，实时检测电网是否掉电，如果掉电就以中断方式通知单片机。

显示模块采用LED显示，通过键盘模块进行查询显示峰、谷、总电量等信息。

电源则由变压器与电网相连，通过稳压芯片获取电压，为显示模块、键盘模块和掉电检测模块、电量数据采集模块等供电，而I2C总线模块由锂电池和电网供电，这样可以减少模块之间的相互干扰，增强电表系统的稳定性和精度。

智能分时计费电度表系统应准确无误的分时计量用户的电量，统计用户的电费，按总、峰、谷分别累计，电量的累计不能在E2PROM中进行。

电度表内内置日历时钟，必须采用硬件时钟电路，以便为时段划分和分时计费提供精确的时间标准。

内置时钟应具有日历、计时和闰年自动切换功能。

第２章智能分时计费电度表系统硬件分析与设计

2.1智能分时计费电度表系统的工作原理及系统组成

2.1.1工作原理

智能分时计费电度表系统，在保持现行三相/单相电度表作为电量计量标准的基础上，仅在表盘上打一个很小的光电检测孔，表盘转一定圈数，给出一个脉冲信号，经放大和整形后，作为单片机外部计数脉冲的输入信号。

[1]因此，智能分时计费电度表实际上由两部分组成:

原有的三相/单相电度表仍可单独作为电量计量系统使用，也就是说，表盘转一圈，经过齿轮传动，由机械式计数器显示出用电度数，这一原有的功能保持不变;新增加的单片机系统，仅将表盘所转圈数这一信号以计数脉冲的形式由To输入，然后根据定时计费用电制度的规定，对这一信写进行适当的处理，从而不仅可给出用户各用量计费期的用电度数，而且还可按分时计费价格标准直接算出用户的电费。

智能电度表对电度数的记录是很容易实现的，其技术难点在于将电度数按不同的计费期（峰期、谷期）分开，以便各乘上不同的单价后求出用户总的电费。

解决这一难题的关键在于要有个绝对的时间标准，我们使用PCF8563P时钟芯片为时段的划分提供一个精确的绝对时间标准，同时它可以给出准确的时钟脉冲，供校时之用。

所谓“绝对的时间标准”，指的是，即使在停电的情况下，电度表不转，无脉冲信号给出，但定时器必须照常运转。

否则，如果停上几小时的电，定时器也跟着停止几小时不工作的话，将可能使峰期和谷期混乱，从而打乱整个分时计费系统。

由于停电是经常发生的，所以实用的分时计费智能电度表必须带有备用电源。

停电期间智能电度表的处理过程是这样的:

当检测到即将发生断电的故障信写时，通过INT1中断单片机，在其中断服务子程序中，置位PCON的IDL位，使单片机进入空闲操作状态，并接入备用电源，备用电源同时也切换到外部定时器上，使定时器不停止工作。

在停电期间，如果设定的定时时间到，即某个计费期到，定时器INT0发出中断请求信号，由于INT0编程为高优先级中断，INT1为低优先级中断，因此，在INT、的中断期间，仍能响应INT0的中断请求，使单片机结束空闲操作状态，在INT0的中断服务子程序中，结算某个计费期的电费。

所以，利用单片机的空闲操作状态，一方面，在停电期间可减少备用电源的消耗；另方面，结算电费的工作照常进行，不受影响，计算结束后，仍使单片机回到空闲操作状态，并等待电网电压的恢复。

为了区分峰、谷两段不同的计费期，在INT0的中断服务子程序中设置一个可移位的标志，每次中断移位一次，2次为一循环，即移位2次后返回初值位置。

于是，由标志所在的位置，可判断处于哪段计费期，从而转入相应的电费结算子程序。

一天中的2段不同计费期的起止时间，以及各段的电费单价，可由供电部门在安装并启用智能电度表时，由键盘输入。

2.1.2系统组成

本次设计硬件部分包括：

CPU控制模块，电量数据采集模块，掉电检测模块，I2C总线通信模块，按键模块，显示模块以及电源模块。

整体设计框图如下图（图）所示：

图系统硬件整体框图

2.2单片机系统模块

单片机系统模块是整个计费系统的核心部分。

设计选用AT89C52作为CPU。

2.2.1单片机模块设计方案

单片机P0口接键盘模块；P1口控制数码管字段显示；P2口输出通过译码器74LS138选择数码管，另外通过IC总线接到时钟芯片PCF8563P和储存芯片AT24C16；INT0中断接IMP813掉电检测芯片。

单片机采用12M晶振以获得1/12微秒的时钟周期（机器周期1微秒）。

设计电路如图（图2-2所示）

图2-2单片机电路部分

2.2.2AT89C52

AT89C52是美国ATMEE公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用ATMEE公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。

1.功能特性概述:

　　AT89C52提供以下标准功能:

8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM,[4]32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

2.主要性能参数:

　　·与MCS-51产品指令和引脚完全兼容

　　·8k字节可重擦写Flash闪速存储器

　　·1000次擦写周期

　　·全静态操作:

0Hz-24MHz

　　·三级加密程序存储器

　　·256*8字节内部RAM

　　·32个可编程I/0口线

·3个16位定时/计数器

·8个中断源

　·可编程串行UART通道图2-3AT89C52引脚图

　　·低功耗空闲和掉电模式

3.AT89C52方框图

如图2-4所示

图2-4AT89C52方框图

4.引脚功能说明

VCC：

电源电压

GND：

地

P0：

P0口是一组8位漏级开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接受指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1：

P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL），与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）见下表（表2-1）Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

表2-1P1.0P1.1特殊功能

P3：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

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