基于51单片机的智能电表设计.docx
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基于51单片机的智能电表设计
电表表示着人II）日常用电的多少，现在每家毎户安装的基本上是带有转盘的那种电表，它只能显示岀用电总量。
若想查看上个月的用电量，只能靠电费单it算得来。
现在已经是信息时代了，逆种做法很显然眼不上社会潮流。
近几年来，社会提倡低碳、绿色经济和可持续发展，在这种思想的推动下，智能电表将会成为社会的潮流。
智能电表是在传貌电表的基础上増加了自动化和智能化的功能，从而进一步提高电网的效率、提高俱电的可靠性、电能的质量并目完善用电户的服务，从而更好适应电力市场。
现在智能电网是全球电力部门研究和讨论的热点话题，智能电表是智能电网中的最重要的坏节，它支撑着电网的信息化、自动化以及互动化等方面的实现。
倣处理器是智能电表的最主要的核心器件。
它可以齢存海量的检测数碼,同时对测量岀的結果进行分桥、圳撕和ffiio本次设it是运用单片机STC89C52为做处理器、CS5460A芯片进行电能测量和廿算、X5045K片作为外部存储、数侶管进行显示进行设廿的。
关建词智能电表;自动化；C51单片机；CS5460A
Abstract
Electricitymetermeansthenumberofpeopleeverydayelectricity,andnoweveryhouseholdisbasicallyequippedwiththekindofmeter,whichcanonlyshowthetotalamountofelectricity.Toseethepowerconsumptionlastmonth,onlybyelectricitysinglecalculated.Itisnowtheinformationage,andthisapproachisclearlynotsocialtrends.
Inrecentyears,thesocialpromotionoflow-carbon,greeneconomyandsustainabledevelopment,inthepromotionofthisidea,smartmeterwillbeethetrendofthesociety.Smartmeterisautomaticandintelligentfunctionisaddedonthebasisoftraditionalmeter,energyefficiencysoastofurtherimprovethepowergrid,improvepowersupplyreliability,powerqualityandperfectserviceoftheusers,inordertobetteradapttothepowermarket.Nowthesmartgridisahottopicintheglobalpowersectorresearchanddiscussion,thesmartmeteristhemostimportantpartofsmartgrid,whichsupporttherealizationofgridinformationization,automationandinteractionof.
Themicroprocessoristhemostimportantcoredeviceofthesmartmeter..Itcanstorevastamountsofdetectiondataandanalyze,judgeandprocesstheresultsofthemeasurement.Thisdesignistheuseofsingle-chipmicroputerSTC89C52andCS5460Achipforpowermeasurementandcalculation,X5045chipastheexternalstorage,digitaltubedisplaydesign.
KeywordsSmartmeterAutomation51MCUS5460A
摘要I
Abstractl
第1章绪论1
1.1智能电表的阀念1
1.2智能电表的发展背景1
1.3智能电表的给构2
1.4智能电表的王要特点3
第2章主要茜片的介鉛4
2.1«t控H器STC89C51单片机4
2.1.1简介4
2.1.2主要特性5
2.1.3引脚功能6
2.2电能廿量芯片CS5460A8
2.2.1简介8
2.2.2主要特征9
2.2.3引脚助能10
2.3外部寄存器X504511
2.3.1简介112.3.2主要特性11
2.3.3引脚功能12
2.4时抑芯KDS130212
2.4.1简介12
2.4.2主要特性13
2.4.3引脚为能14
2.574HC138译码器14
2.5.1简介14
2.5.2主要特U14
2.5.3真值表15
2.6LED数侶管15
第3章总休设廿方案16
3.1设廿功能要求16
3.2智能电表的总体方案Sit16第4章硬件部分的组站8
4.1电压电函果样模快的Kit19
4.1.1电压调理电路20
4.1.2电流调理电路20
4.2CS5460A的外部电路21
4.3数码管连接电路22
4.4组合建盘连接电路22
4.5EEPROM连接电路24
4.6时外茜RDS1302连接电路24
第5章软件部分的设廿25
5.1
壬程序流程25
5.2
CS5460数据交换方法26
5.3
时钟芯片的读写流程28
5.4
外部寄存芯片的读写流程29
5.5
按建扫描流程30
5.6
数码管显示功能的实现31
给论32
参考文献33
致34
附录35
第1章绪论
1.1智能电表的槪念
智能电表它是科技时代的新产物,它能舉进行测量、数锯处理,因此测量单元、数据处理单元是它的重要级成部分。
在智能电表这一系貌中，它能通11各类型的芯片来进行电能的测量、计算、存6L并且具有实时监控功能和自动控斟等功能。
和传貌的电能表相比。
廿量助能是智能电表的最基本的功能,而它本身就是一个电子式的电表，并目它能舉通il端口与外部时钟进行通鹉。
Blits器（单片机）是智能电表的最主要的核心器件，没有了它，智能电表就不可以对大量的测量数据进行存储、分折、HIBifn处理等助能。
智能电表通常具有自动检测数扬的功能、数据的強大能、数据换算和自动调零助能、并冃可以通il操作面极进行人机交流和显示装置。
本次设it的智能电表主要运用了愧机和通信等两方面的技术，为了减少能耗，把呆集数据和处理数据等助能运用芯片进行，这样既可以节省了成本以及人力资源,还可UiSin其工作的效率,可以满足了现代的用电户的需求％
1.2智能电表的发展背景
现在，智能电表主要分为感应式、电子式和智能式等类塑，而我国Q是生产电能表数量较大的国家，并目我国生产的电能表接近或者基本达到发这国家的技术水平，并目我国生产的电能表能W满足不用地区和国家的市场需求，而目我们还有价恪优矜，因此我国的电能表在全球各市场上有很好的竞争水平。
I®着我国电网的不斷智能化，我们对电表之类的电能it量的器件的要求也不》i提高,我国的电网科技和外国在科学枝术水平上差距不是很夫，与此同时它还是低碳经济的最主要组成部分，所以其发展前景是相当乐观的，和国外的同类产品相比,我国的智能电表的作用完善、有规律、分类式的单价电费和控制负荷等功能部比其他国家高,这更加能够满足我国在电阿上现代化書能化建设过程中的需求。
目前，我国的用电户人数非常之多,根摇2009年的貌计，在年IK就已经有2.3亿的用电户记录在国家电网公司的服务系统中，按毎户平期有4个人廿算，就有10.4亿人口，2么庞大的数量，要在全国推广智能电表看来绝非一件简单的是，它不仅需要庞大的资金，而且还需要大量的人力、物力以及很长的时同来进行。
同时,智能电表的助能多样化和显示的数扬种类多，可以给用户准备更多的用电服务，不il更换电表也是就要得到用电户的同意、体塚和色含，所以用户也要一个对智能电表进彳亍一定的了解,因此我们就要动员社会各界的力量来对此进行有效的宣传⑶。
自从国家电网公司发布一系列的电网智能化改革的it«l±后,有关电表和智能化、自动化的产业的发展面临前所未有的前景。
在未来智能电表发展的趣势可以分为以下几f方面：
（1）模块化
这样智能电表维修起来就会非常方便，就算是一个不懂它的人也可以对tali简单的维护和修理，只要注恿用电安全就行了，并目它具有安全可靠性；
（2）智能电表的多样化
它可以刊用多功能控制元件来进行对智能家居的隅控,比如说,我们可以腔制空调的大塑粧电股备在电费相对便宜阶段启动;
（3）廿算机的实时控闕
用电户可以通过it算机对智能电表的某些功能进折调控，从而对电表下所有的用电器实行能源管制。
1.3智能电表的结构
根船智能电表的介鉛，不难看出，智能电表是由两大部分组成，它们分别是軟件部分和硬件部分。
我们也可以说它是一f小型化的专用的廿算机系统。
在硬件部分上，主要由18处理器（单片机）、信号的输人聯岀通道、标准的通信口、进行人机交换的通道以及外田的电路组成。
信号的输入输岀通道主要能膿让模信号UfiU字信号通il,从而号外部JJH亍数据交换，输人输岀通道主要色扌舌传感器元器件、数模转换器、调理信号电路部分以员模IH专换器。
攒处理器和它的外围电路这部分主要是用来齢存数据和程序的，并目在单片机里面能够对一定的运算和处理，这部分主要由数据寄存器和程序寄存器以及输人输岀端口电路的甜分组成的。
人HI交换的通道顾名思义就是人与机器进行互相交流的重要通道，它通常包祐建盘册分、数网抜盘部分、打印机部分、显示册分等部分构成的。
标准的通讯接口很明显就是用来与廿算机进行交流的端口，这些端口方便廿算机对被控器件进行有效的控抽。
在智能电表中，监測程序和端口管理程序这两部分就沟成了其軟件部分。
其中接口管理程序主要是面向通信接口，它的只要作用就是接受并目分折各种各样的程腔码，主要色站各种操作方式的程控侶、不同功能的程腔码以员各种工作参数的程腔码等等，以此同时各器件的实时工作状态以及不同测量数据的处理结果都会通il通信接口的输岀仪器甜分，以魁种方法来晌应计算机的远程控制指令。
而监测程序就实现对建盘模快和显示模快进行操作，它可以设定某一按建的功能并存储相应的工作参数和运行方式，它可以通aI/O口对数据进行采样并且设定好数摇的类型等参数，还可以通过相应的指令对数据寄存器中的数摇和状态进行不同的分析处理，最后，当数据处理完成后，它就可以以各种各样的形式对分析利处理的给果进行显示闸。
1.4智能电表的主要特点
和机植时的电表进行对比,智能电表包含以下几个特征:
（1）ft®高的测量智能电表能够很好的运用单片机对命令的执行的快速性以及数模转换花贵时阿短的特点,能舉对要被测量的数据进彳亍多次的测量，然后对毎次测量的数据进行求平均值，这样就可以排除某些偶然的误差以及一些不确定的干扰，它还可以通过撤处理器的滤波金令来进行数字滤波，从而排除一些I®机误差以员大误差，用这些方法可以大大的提高測量的精度；
（2）能够进行间接的測量智能电表中的laaa器可以通过编程来进行各种计算，一些能以测量的数摇可以通过几种容易测量的数据进行整合和廿算来得到；
（3）可以进行自动校正智能电表会在啊上电时就会进行自动校正，而在測量的过程中对系统进行校正，可以减少误差；
（4）能够自动修正娱差;
（5）貝有自诊能力智能电表本身就具有故障诊断的功能，如果它发生了故障，就会启动自诊助能，就可以自己检查岀系统郦里岀问题；
（6）能够进行复杂的控制;
（7）可以通过程序来灵活改变功能；
（8）智能电表的通爪接口通常都是GPIB口或者是RS232口，而这些常口的助能就帮!
#1智能电表进行远程操控。
使其能册简单地与计算机或者其他不同仪器结合在一起，从而根据不同用户的不同需耍对多种不同数据进行的自动检测，并通过系轨的控制来完成⑸。
第2章主耍苏片的介绍
2.1微控制器STC89C51单片机
2.1.1简介
STC89C51单片机具有低电压、高性能的特点,它部带有4K字节的快速寄存器,而他的处理器是8位的。
单片机的部只读存齢器中的数据可以重夏擦除的次数这到1000名次,
单片机的甜存储器主要采用一些高精度的并II不容易的丢失的林料和存储技术来制造的。
由于单片机部已经包含多助能的8Etti器以及快速寄存器，所以STC89C51单片机也是一种高效率的撤处理器⑹。
其引脚图如图2-1所示。
图2-1STC89C51的引脚图
2.1.2主要特性
（1）与MCS-51相兼容；
（2）4K字节的可编程FLASH寄存器；
（3）寿金：
可1000循坏写/擦；（4）数据保留时同：
10年；
（5）全静态的工作频率：
0HZ-24MHZ；（6）三个级别的程序寄存器锁定;
（7）128x8位的部RAM；（8）32可编程的I/O线;
（9）两个是十兀位的定时器或者说是廿数器；
（10）5个中断温;
（11）可编程的串行通道；
（12）包含低功耗式闲置以及掉电的功能；
（13）包含片振蒲电路以及片时外电路。
2.1.3引脚功能
（1）VCC：
（ft电电压。
（2）GND：
接地。
（3）P0口：
逆个端口是一种双向的数船传输的I/O端口，在单片机的部,在与漏板开路的电路进行连接，所以它的八个引牌協可以吸收8TTL的0电流。
假如当它被置为逆辑1时，它就会成为高址输人常。
Q因为它可以用作外部程序寄存器，所以这是它会当作是数据地址的K8E来进行处理。
在进行程序编程的时候，它还可以当作源代码直接的输入常口来使用；如果它用作输出数船时，它毎一引挪都助须要在单片机外部连接一个上拉电阻,逆样它才能貯正常使用；或者它可以利用外部锁存器来输岀数据，这是它就不需要连接上拉电阳，但是要在锁存器的输岀电路上连接电阳。
（4）P1□:
这个常口是一类双向的八值的I/O端口，与P0不同的是它部已经与上垃电阻相连,4TTLn电流可以通过它的缓冲器进行接收或者由其发送岀来。
如果它被置为高电平时，在单片机的部它就会被提高成高电平，这是它会被当作输人常口使用；如果由干外制的原因，它被拉成逆辑0时，他就会对外输岀一定的电流，这就是因为部为逻辑1。
在进行程序编程或者校验时，它会对数据或地址的低8为进行接收或发送。
（5）P2□:
这个竭口是一种八位的双向的I/O口,WP1相同同的是它部已经习上应电阻相连接,4TTL门电流可以通过它的缓冲器进行接收或者由其发送岀来。
如果它置高逆辑1,在单片机部它所对应的引啣的电位就是被拉高，并目当作输人常，所以当它被当作输入端时，它的管嘟外部电位就会相对部被SIK,同时输岀电流。
当这一端口用作外部程序寄存器或是十兀位的外部数据寄存器时候，逆时它就会输岀十穴值数据中的高8ESftj0如果它的地址是“1”的时候,并且进行外部8位地址数据读写时，它就会很好地运用它的部电的优势,输出它的特殊助能寄存器里面的数据。
当进行程序编程和校正时,它口负责接收高8位的地址数据信号以及部分控*1信号。
（6）P3□:
这个竭口是一个八位的双向的I/O口,WP1相同同的是它部已经连接了上拉电HU,4TTLH电流可以通过它的缓冲器进行接收或者由其发送岀来。
当它被置为逆辑1之后，它的毎个管脚就会被部上应电址上应成逻辑1,并目肖作输人常口。
而这组常口在单片机STC89C5都有自己对陋的第二功种能，如表2-1示：
S2-1P3口的第二功能
I/O端口或位
P3口的第二功能
孩竭口的壬要作用
P3.0
RXD
串行输入口
P3.1
TXD
串行输出口
P3.2
/INTO
外筋中斷0
P3.3
/INT1
外部中BM
P3.4
TO
itHS0外部输人
P3.5
T1
itHSl外部输人
P3.6
/WR
外部数据寄存器的写选通
P3.7
/RD
外部数据寄存器的读选通
（7）RST：
复位聯Ao
（8）ALE/PR0G：
当做处理器对外进行存储器扩展时,当它被置为高电平时，它就会启动单片机的锁存功能，器就会把P0口的数据全部笊进锁存器里面，从而进行地址和数据隔离；如果它被置为逻辑0时，那么攒处理器就不会启动锁存助能。
在单片机没有与外部寄存器进行数据交换是，它会把单片机的震蒲颐率分成6分并去其中一分进行输岀，而逆f信号可以用作外部时外信号；反之，它会再去已分頫率的一半进行输岀。
（9）/PSEN：
当它被置为逆辑0,就表示外部程序寄存器被选通。
当单片机对外8JROM进行读取时，两次/PSEN有效会在同一个机械周期中岀现；但是，当单片机读取的是外部RAM时,这些有效的/PSEN信号就会被»Ho
（10）EAA/PP：
当该引脚保持逆辑零时,单片机就会直接读取外部程序寄存器中的数据,这是无论在单片机是否存在9!
程序寄存器。
否!
M的话,在存在外部程序存購器的条件下，首先读取部程序存齢器的数据，再读取外部的。
在进行程序编程时，它会提侠为单片机提侠12V的烧写电压
（111XTAL1：
单片机的片振蒲电路的输人端口，以跡钟接人引脚。
（121XTAL2：
单片机的片振蒲电路的输岀端口，以及时卽接人引脚。
2.2电能廿量茜片CS5460A
2.2.1简介
CS5460A是美国的Crystalsystem公司生产的一种芯片，它一种专门用来测量电压电流以及功率电能的茜片，它具有高精贋、性能强、低成本等特点。
在CS5460中集成了两个模数转换器、一个高度集成的串行接口的的模数转换器以及一个能嚴高速廿算电能的计数器，因m它能舉侑确测量并目廿算岀所测电路中的有助电能、电压电流的有效ffiUK电压电流电功的瞬时值，所以它通常会用来研发三相四线制和单线两相制电表oCS5460的电压电流输人端不能直接测量电力线上的数据，它需要通illHJ本的电压电流互感器来进行变比才能够进行测量。
而CS5460芯片与锁处理器是通过串行数据传聯的方式进行连接的。
CS5460还具有’'自引导”的功能,也就是说它能做在没有fiitti器的悄况下，能齢独立运行。
在此模式下，只要系貌上电，它就会自动初始化，并目可以从外部寄存器中读取要枝准的数据以及启动荷令，送样可以大大的降低成本，而且CS5460芯片的集成程度要远远高于做处理器％它的引牌如02-2Bi示：
——XOUTX1N—尹CPUCLKSDI—VD+EDIR—DGNDEOUT―汁SCLKINT―z-SDORESET——卜CSNC
——汁MODEPFMON―V1N4-IIN+—罟—VIN・1IN・—VKEFOUTVA+——VREFINVA-
24
23
2?
20
J9
H
U
?
6
J5
n
13
图2-2CS5460的引H图
2.2.2主要特征
（1）能够在片进行数摒it算和处理；
（2）能够在没有攒处理器的悄况下，在自引导模式中，勻外部寄存器连接，并目具
有电能/脉冲互换功能;
（3）具有数模/模数系境校正的能力;
（4）运用简单的三线数据串『传输接口进行数据传输，读写方便；
（5）具有看门狗定时功能;
（6）片上2.5V基准（60x10-6/00），单电源+5V或双向2.5V±10%电源;
（7）具有方向的功率输岀荷示；
（8）可以精确的检测和计算岀瞬时的电压电流和M率相应的值、周期电能总量和电
压电流的有效值，并且能够进行电能之同的脉冲转换;
（9）电能测量ffi®：
0.1%；
（10）能够在片进行相位补偿和对系筑进行校准;
（11）片含有机ttit®器或者说是步进电机的驱动器;
（12）带电淵监视器；
（13）电能数扬的线性在1000:
1的数据的动态检测围中，电能的数据的线性
度大约为±0.1%；
（14）功率消ft<12mW；
（15）®®配置:
VA+=+5V,VA-=0V；VD+=+3V至+5V或VA+=2.5V,VA-=-2.5V；VD+=+3Vo2.2.3引啣助能
（110UT.XIN：
这两引牌能够对系竦时输入输出,它们之间通常接2.5-20MHZ的晶振，成为系貌时鉀，同时片的分频单元会把输人的晶振频率进行分频，进而得到不同的时删率。
另外还可以通HXIN管脚对CS5460进行外部时鉀的引入。
（2）CPUCLK：
CS5460»片部的振蒲电路的输出端端口。
（3JSCLK：
速是串行时卸输人端，我们可以根据逹菅脚输入的串行时钟的快慢来确定SDI输入串行端和SDO输岀串行端的传输速率。
在片，它与一个施密特触发器相连，它要在CS有效的时候才会识别出时钟信号。
（4）SD0：
行数据输出引脚。
（5）CS:
片选引肌
（6）MODE：
这是模式选择的引脚,如果它被置为高电平时,CS5460就可以与外部串行数据寄存器组合，并目实现自引导的功能；如果它被置为逻辑零时，CS5460就会与愉处理器实现数据交换。
（7）INT：
中断输出引脚。
（8）ETOU：
电能输岀引脚。
（9）EDIR：
电能方向牯示引脚。
個如电能为负值时，逆一端口就会输岀一个信号。
（1O1SDI：
串行数JE输人引脚。
（11）VIN+、VIN-：
正负电压的差分模St量的输人输岀端口。
（12）VREFOUT：
参考电压输岀引脚。
此引脚的电压相对fVA-为2.5VO
（13）VREFIN：
参考电压输人引脚。
（14）IIN+、IIN-：
測量电流的输人引脚
（15）VD+：
数字电源。
（16）DGND：
数字地。
（17）VA+、VA-：
正负电源的差分模81量的输人输岀端口。
（18）PFMON：
电源故障监测引脚。
用于监控模S1电源。
（19）RESET：
复位引脚。
2.3外部寄存器X5045
2.3.1简介
X5045是一种结合EEPROM功能、看门狗夏位功能、电压缺落检测功能等三中功能的三合一的监控芯片。
它使用SPI总线与处理器进行通信，是在兼有储存和监测的单片机系统中的最佳选择。
它的引脚图«U2-3J«示：
1
rc.wni\!
CC.
8
gWUIVCv
2
on
DCCCP
7
IvLoLiv
3
WP
SCK
6
4
vcc
Cl.
5
voo
□1
@2-3X5045的引脚图
2.3.2主要特性
（1）支持MOTOROLA推出的SPI总线协放；
（2）具有选重置时同的看门狗定能力；
（3）能够检側供电电压是否跌落以及具有复位控*1功能;
（4）5种标准的复位电压;
（5）当供电电压变JS1VH,芯片仍然可以保证夏位输岀;
（6）多种芯片可选择不同的工作电压；
（7）置4Kbit的EEPROM,可反夏擦写100JJ次；
（8）可对EEPROM数据进行全册或分区
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