多用户电子式单相电能表设计.docx
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多用户电子式单相电能表设计
课程设计
多用户电子式单相电能表设计
姓名
学号
专业电气工程及其自动化
班级
指导老师
设计时间2013.1.7——2013.1.18
联系方式
摘要
设计制作一种多用户电子式单相电能表，以C8051F360单片机为核心，具有电能变换、LED显示、掉电存储（24C16）、按键清零等功能模块。
采用专用电能计量芯片AD7755设计的单相多用户电子式单相电能表，并提供了其硬件和软件设计结构简单，价格便宜，适合一户一表使用。
通过对用户供电电压和电流实时采样，并采用专用的电能表集成电路，对采样电压电流信号进行处理并相乘转换成与电能成正比的脉冲输出,再经过计数器和LED显示器实现对8用户的用电情况进行集中检测、循环显示、掉电存储等功能。
各户的用电量可以就地读取，有效地提高了电能计量的准确性，而且整机电路简单、可靠性高。
在多用户电子式电能表的前面板上有六位LED显示器，前两位为分户号，后四位为分户用电量，所显示的用电量与分户号相对应，分户循环显示。
关键词：
C8051F360单片机；AD7755；24C16；硬件设计；软件设计
ABSTRACT
Auserelectronicsingle-phasewatt-hourmeter,toC8051F360microcontrollerasthecore,withpowertransformation,theLEDdisplay,powerloststorage,buttonsandresetfunctionmodules,usingforenergymeteringchipsofATT7022.Italsoprovidesthehardwareandsoftwaredesignwithsimplestructure,andCheappriceandissuitableforahouseholdwithaenergymeter.throughuserpowersupplyvoltageandcurrentreal-timesampling,andtheuseofaspecialelectricenergymeterintegratedcircuits,thesampledvoltagecurrentsignalprocessingmultiplicationconverttoelectricproportionaltothepulseoutput,andbythecounterandLEDdisplaytorealizethepoweroftheusersare8concentratedcheck,circulation,thedisplayofpowerloststorageetc.Function.Eachoftheelectricityconsumptioncanreadinsitu,effectivelyimprovetheaccuracyofelectricpowermeasure,andthecircuitissimple,highreliability,highinmanyotherusersoftheelectricalmeter
Thereare6LEDdisplaysonthefrontpanelofthemulti-userelectronicenergymeter.Thetoptwoareforhouseholdsandthelastareforhouseholdconsumption,showingthepower.Inaddition,householdsshouldberelatedtoitselectricitycomsuption,whichshouldbeshowedcircularly.
Keywords:
C8051F360;AD7755;24C16;hardwaredesign;softwaredesign
1绪论
1.1电能表行业发展状况
1.1.1行业技术发展趋势
随着电子技术的发展，电能表也在不断地变化，根据电力用户管理水平的提升，产品技术上将要求越来越智能化、小型化，电能表产品最终将成为智能电网的一个传感器，服务于整个智能用电系统；测量精度要求越来越高，测量量程要求越来越宽，能够适应各式各样的电力用户需求；产品功能上要求越来越集成，并能给电力公司带来更多的增值服务，给用户带来更多的用电体验。
用电信息采集系统的产品发展趋势将同步于电能表产品的发展。
产品将越来越重视通讯的可靠性和实时性；同时产品技术上越来越要求智能化、多功能化，并能融合更多的技术进入，形成一个小型智能通讯节点，将电力公司的各种远程应用进行实现。
1.1.2 行业产品变化趋势
电能表行业目前主流产品在国际上已经处于快速发展阶段，属于朝阳行业，全球包括发达经济体和发展中国家均在进行电能表的更新换代，以适应当前整个世界形势的变化。
一是全球性的节能减排要求，必须进行能量的精确计量，促进各用电主体根据能量的变化进行用电控制，改变用电习惯；二是适应电力企业管理现代化、信息化的要求，通过智能电能表作为电网的一个节点，可以快速有效地了解电力用户、变电站等计量测量点的用电实时情况，提供更加精确的服务和管理。
电能表产品中需求量最大的是单相居民电能表，但是由于居民用电量的逐年增加、用电负荷的增大，相关的用电设备要求使用三相供电。
同时利用三相供电可以提高负荷平衡率、降低电力线损。
目前发达国家居民用电大部分已经采用三相供电，国内如宁波等沿海经济发达地区，三相电子式电能表的应用范围已逐步从工业用电为主扩展到居民用电领域。
因此三相计量电能表的需求将越来越大，在电能表的需求结构中的占比将逐步提升。
为推进智能电网建设，智能电能表和用电信息采集系统将作为智能电网建设的重要组成部分，实现对用电用户的
“全覆盖、全采集、全费控”，将促进用电信息采集系统产品技术的提升。
1.2课题的研究内容与意义
随着电子技术的发展与进步，电子式多用户多功能电能表，具有测量精度高，过载能力强，功率消耗低，性能稳定可靠，体积小，重量轻，操作方便；易于实现管理，适应工业、农业、民用等不同用户群体用电测量的需求。
电子式电能表所具有的强大功能及特点，越来越受到广大使用者的认同与青睐。
本次课程所设计的8用户电子式单相电能表采用单片机作为中央处理器每块电能表可对多达8户的用电情况进行集中检测、循环显示。
各用户的用电量可以就地读取。
多用户电子式电能表采用了分户用电、集中检测的方式与传统感应式电能表相比有效地提高了电能计量的准确性。
2课题任务
2.1设计任务
该课程设计任务要求完成是基于C8051F360单片机的多用户电子式电能表的设计与调试。
其中包括硬件设计、软件设计和程序调试三部分。
主要由显示模块、AD7755模块、存储器模块和前端电路调理模块部分组成。
被测信号AD7755转换后将电压、电流、电能等信号传给单片机C8051F36。
C8051F360控制所有芯片的工作、截止及计算和显示。
显示模块采用数码管显示当前测量的用户号、用电量、存储模块采用AT24C16，为系统提供数据存储，可以做到掉电不丢失数据。
2.1.1硬件设计
硬件设计包括单片机的整体设计、AD775电能转换器的设计、光电隔离电路设计和稳压电源的设计等。
2.1.2软件设计
软件设计包括用C8051F360单片机及汇编或C语言编写用户电量显示程序，并具有掉电保存功能。
主函数和各子函数的流程图及其说明等。
2.2设计的要求
2.2.1已知参数
（1）基准电压220V×±10%
（2）基准电流Ib=10A
（3）最大电流Imax=4Ib=40A（4）最小电流Imin=2%Ib=0.2
2.2.2具体要求
（1）该交流电能表能实现对单相交流电能的测量；
（2）电表参数：
额定电压220V,额定电流5A,最大电流10A，最大计度容量：
9999.99KWh；
（3）至少8户的电能循环显示程序，每隔3s显示一户，轮流显示；
（4）电量脉冲输出；
（5）停电不丢失电能数据；
（6）计1600个脉冲为0.01度电。
3.设计原理
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，该芯片是用先进的铁电技术制造的16K位的非易失忆的记忆体。
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设计方案框图
图3.1实际原理图
4硬件电路设计
4.1总体概述
本文硬件设计主要由MCU模块、显示模块、AT24C16掉电保护模块、AD7755电能变换模块、供电模块部分组成。
电能变换电路采用AD7755芯片（Ib=10A,C=1600KW/h）,工作时AD7755芯片将电流采样信号和电压采样信号送入缓冲放大器，经模拟乘法器相乘，再经V/F转换器转换将电压信号转换为脉冲信号，AD7755芯片的快速脉冲输出为1600脉冲/KWh，与用户使用电能相对应。
输出的快速脉冲信号送给单片机，我们采用C8051F360单片机对方波信号进行采集和计数，P0和P2口同时工作即可对8户电能脉冲进行采集与计数，轮流采集并计数其脉冲信号，将电量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，并通过八段数码管轮流显示用户使用的电量数据。
C8051F360组成的MCU模块控制所有芯片的工作、截止及计算和模块的显示，显示模块采用74HC164和LED数码管的连接模块，正常显示当前测量的用户、相应用户的电能值等；存储模块采用AT24C16，为系统提供数据存储，可以做到掉电不丢失数据，还可以实现电力系统参数的实时记录，该系统可以实现对电能等电参量测量、显示及采集处理的目的。
4.2电路及参数
4.2.1C8051F360功能介绍
单片机电路设计中P2口接一并排开关，实现了对8个用户电脉冲输入的模拟；P1.0和P1.1接八段数码管控制其显示；P1.6和P1.3分别接AT24C16的SDA和SCL控制存储部分的电路，C8051F360单片机是完全集成的混合信号片上系统型MCU。
下面列出了一些主要特性，有：
（1）高速、流水线结构的与8051兼容的微控制器核（可达100MIPS）；
（2）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；
（3）真10位、200kspsADC，16路单端/差分模拟输入，带模拟多路器；
（4）10位电流输出DAC；
（5）2周期的16x16乘法和累加引擎；
（6）高精度可编程的24.5MHz内部振荡器；
（7）达32KB的片内FLASH存储器——1024字节被保留；
（8）1280字节片内RAM；
（9）64KB地址空间的外部数据存储器接口；
（10）4个通用的16位定时器；
（11）具有6个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）；
（12）片内上电复位电路、VDD监视器和温度传感器；
（13）多达39个端口I/O（容许5V电压）。
具有片内上电复位电路、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器。
C8051F36x器件是真正能独立工作的片上系统。
FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。
用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。
片内SiliconLabs二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。
调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。
在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统编程和调试功能不占用封装引脚。
每种器件都可在工业温度范围（-40℃到+85℃）内用3.0V~3.6V（100MIPS）或2.7V~3.6V（50MIPS）的电压工作。
端口I/O和/RST引脚可容许高达5V的输入信号。
C8051F36x有48脚TQFP、32脚LQFP和28脚QFN（也称为MLP或MLF）三种封装，均为无铅封装。
C8051单片机电路如图4.1所示：
图4.1C8051单片机电路
4.2.224C16功能介绍
图4.224C16管脚图
CAT24WC16支持是一个16位串行CMOSEEPROM，功耗小，有一个16字节页写缓存区，通过
总线接口进行操作，有专门的写保护功能。
其中
总线协议规定，任何数据传送到总线的器件作为发送器，任何从总线接收数据的器件为接收器。
SCL是一个输入管脚，产生器件所有数据发送和接收的时钟，SDA是一个开漏输出管脚，用于器件所有数据的发送和接收，A0、A1、A2为器件地址输入端，WP接到VCC所有内容被写保护（只能读），WP管脚接到VSS或悬空，允许器件进行正常的读/写操作。
CAT24WC16使用铁电技术制造的16K位的非易失性的记忆体，并且可以快速读写数据被可以长时间掉电保存，并且其非易失性存储器可靠性更高，系统更简单，并且24C16可以承受超过100亿次的速写或者是比EPROM高一万倍的写操作，当数据采集系统对写入数据的频率要求比较高即速度要求快的时候E2PROM24C16也可以可靠的实时采集数据。
4.2.3六段数码管显示电路
图4.3数码管和74HC164连接电路
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。
表4.1数码管段码值
段码值
88H
EBH
4C
49
2B
19
18
CB
08
09
7F
数值
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
—
LED显示器是由发光二极管显示字段的显示器件，也可称为数码管。
单片机系统中通常使用8段LED数码显示器，由图可见8段LED显示器由8个发光二极管组成。
其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，通过不同的组合可用来显示各种数字，包括A～F在内的部分英文字母和小数点“.”等字样。
LED显示器有两种不同的形式：
一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称为共阴极LED显示器。
4.2.4AD7755功能介绍
AD7755是美国模拟器件公司（ADI）生产的一种高准确度电能测量集成电路.它的内部只有模/数转换电路和基准电源是用模拟电路,其它的信号处理都使用数字电路,这使得AD7755在恶劣的环境下仍能保持极高的准确度和长期的稳定性,具有优良的温度和时间稳定性,其技术指标超过了IEC1036规定的准确度要求,能适应各种环境要求,为电能表的质量提供了保证.AD7755的输入为电流和电压信号,输出为与有功功率成正比频率信号,其内部组成主要由可编程放大器、电源监控电路、基准电路、模/数转换电路（ADC）、相位校正网络、乘法器、高通滤波（HPF）、低通滤波（LPF）、数字—频率转换器等组成.
图4.4AD7755内部框图
图4.5AD7755引脚排列
（1）设计参数：
基准电压：
220V×±10%
基准电流：
=5A
最大电流：
=4
=20A
计量精度：
1%
最小电流：
=2%
=0.1
脉冲数：
3200/KWh
（2）参数计算：
①以AD7755设计的电能表的相关参数计算
配合C8051F360芯片的16进制算法与课程设计的参数要求，参考基本电流与脉冲的建议数，选定基准电流
=5A，每KWh计度需要的脉冲数为3200，即CF的输出为3200imp/KWh。
线路电压220V,基本电流
为5A,动态范围400（规定准确度的电流范围为2%
~
即100mA~40A）;计度器的电表常数C为3200imp/KWh,即AD7755发3200个脉冲,单片机记录1KWh电。
为满足电流通道的动态范围且留有充分的余量,选用350μΩ的分流器;以其将负载电流转换为电压,接V1P和V1N。
线路电压经电压分压器分压,也降到允许的最大电压范围之内,接V2P和V2N。
负载电流为基本电流（5A）时,线路的功耗为P=220×5=1.1kw。
选择
=3.4Hz,SCF=0,S1=0,=S0=1,此时CF频率为
的32倍，所要求的频率恰为
，
段的脉冲计数标准为100imp/KWh。
乘以此常数得
情况下的输出频率:
=P×C=1.1×3200/3600=0.9777778Hz
表4.2AD7755数据表
SCF
S1
S0
（Hz）
K
分频系数
AC输入最高频率（HZ）
1
0
0
1.7
128
3.579MHz/
0.34
0
0
0
1.7
64
3.579MHz/
0.34
1
0
1
3.4
64
3.579MHz/
0.68
0
0
1
3.4
32
3.579MHz/
0.68
1
1
0
6.8
32
3.579MHz/
1.36
0
1
0
6.8
16
3.579MHz/
1.36
1
1
1
13.6
16
3.579MHz/
2.72
0
1
1
13.6
2048
3.579MHz/
2.72
查AD7755数据表,所选择
=3.4Hz，满足最大电流为40A和再留有足够余量的要求。
=8.06×
×
×G×
=5×350=1750μV=1.75mV
并以最大电流产生的压降和表1,选择G=16
=
×
8.06×
×G×
=0.030555×2.528.06×1.75×16×3.4=248.9mV
原理图中R1、C1,R2、C2,R3、C3,R4∥（R5~R16）、C4为抗混叠滤波器。
因为AD7755以900kHz过采样速率采样,故大大简化了抗混叠滤波器的设计。
不过,两个通道之间的相位匹配非常重要。
例如,当cosφ=0.5时,0.2°的外部相位误差将产生0.6%的测量误差。
为使两个通道的相位匹配,电阻、电容的取值分别为R1=R2=R3=R4=1kΩ（精度为1%）;C1=C2=C3=C4=33nF;R5=300kΩ,R6=150kΩ,R7=75kΩ,R8=39kΩ,R9=18kΩ,R10=9.1kΩ,R11=5.1kΩ,R12=2.2kΩ,R13=1.2kΩ,R14=560Ω,R15=R16=330kΩ。
考虑到选用的分流器和基准源都存在允差,原理图中设置了校准网络,通过短接或断开J1~J10,可在±30%范围内进行调节。
因为R15+R16=660kΩ,大于大于R4（1kΩ）,因此,即使R5~R14全部短接,这条支路的-3dB频率仍由R4和C4的值决定。
据厂家介绍,从J1~J10全部接通变化到J1~J10全部断开,50Hz处产生的相移仅为0.0004°。
考虑到分流器存在寄生电感,较大时需要进行补偿。
当分滤器阻值很小时,如,小于200μΩ,特别要注意此问题。
AD7755的供电电压由电容分压器分压、二极管整流、RC滤波和7805IC稳压产生。
7805的输出以C13（10μF）和C12（100nF）退耦,接AD7755的DVDD。
VDD再经R22（10Ω）、C10（100nF）和C11（220μF）滤波,接AD7755的模拟电路电源管脚AVDD。
AD7755的CLKIN和CLKOUT管脚接3.579545MHz晶体和2只22pF陶瓷电容。
考虑抗电磁干扰,除原有的滤波电路外,原理图电流输入通道中增加了Z3、Z4铁氧体,电源电路部分增加了由Z1铁氧体、C16电容和MOV1金属氧化物压敏电阻组成的滤波网络等。
②C8051F360单片机部分管脚及参数
由原理图知：
P1.0~P1.7分配给八个用户，作为脉冲输入端口。
P2.0和P2.1分配给LED显示部分作为时钟信号和数据输入。
P2.4和P2.5分配给24C16作为SCL和SDA信号脚。
此外，C8051F360功能强大，结构复杂，其余端口与本设计无关，故其分配情况不再详述。
③电源参数
220V~5V的共两套，一套给AD7755，另一套给显示模块和5V~3.3V电源。
5V~3.3V电源供给C8051F360和24C16。
220V~5V转换电路中，相关参数如下：
C1=330uf，为滤波电容；C2=0.33uf，用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激震荡；C3=1uf，用于消除输出电压中的高频噪声。
（3）器件选择：
AD7755电能脉冲发生器的选择：
AD7755是美国AD公司生产的专用于功率/电能测量的低成本集成电路。
它的技术指标满足GB/T17215-1998标准规定的准确度等要求。
AD7755有24条引脚,以DIP和SSOP形式封装。
AD7755在电子电能表中的连接如图1所示。
管脚功能如下:
P1DVDD,数字电路电源,5（±5%）V；P2AC/DC,高通滤波选择脚,逻辑高,高通滤滤器使能；P3AVDD,模拟电路电源,5（±5%）V；P4、P19NC,未接；P5-P6V1P-V1N,通道1（电流通道）模拟输入,最大差动输入电压为±470mV；P7-P8V2N-V2P,通道2（电压通道）模拟输入,最大差动输入电压为±660mV；P9RESET,复位引脚,逻辑低使ADC和数字电路保持复位状态,清内部寄存器；P10REFIN/OUT,电压基准脚,片上基准为5（±8%）V,可接外部基准源；P11AGND,模拟电路参考地;P12SCF,校准频率选择脚；P13、P14S1、S0,数-频转换频率选择脚；P15、P16G1、G0,通道1增益选择脚；P17-P18CLKIN-CLKOUT,外接时钟,钟频3.579545MHz；P20REVP,负功率指示脚,电压信号和电流信号之间的相位差>90°时变为逻辑高;P21DGND,数字电路参考地；P22CF,校准频率输出；P23、P24F2、F1,低频输出。
它由模拟电路（模数转换电路、基准电路与电源电压监测电路）和数字
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