本科毕业设计单相单用户电能表的设计课程设计.docx

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本科毕业设计单相单用户电能表的设计课程设计

摘要

此课程设计主要是通过编程来实现电子式数码管显示单相单用户的用电量，其硬件部分主要以C8051F360单片机为控制核心，连接电能计量、LED显示、掉电存储、按键清零等功能模块组成整个系统模块。

通过对用户供电电压和电流实时采样，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，实现对单用户的用电情况进行掉电存储、按键清零等功能。

用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，而且整个电路具有线路布置简单，可靠性高等优点；另外在用户电子式电能表的前面有6位LED数码管，最高位数码管显示为户号，次高位显示连接线，后四位为用户用电量，清楚的显示了用户的户号及其用电量。

此次课程设计运用了单片机C8051F360主控芯片、AD7755电能脉冲的转换芯片、74HC165实现按键清零芯片、74HC164驱动八段译码显示器芯片及24C16防止掉电数据丢失等芯片，并通过protel画图、Multisim软件仿真、SiliconIDE开发环境进行软件编程调试、查找资料等学习工具，最终实现了用户电量在数码管上显示的功能。

关键词：

电能表；单片机C8051F360芯片；硬件设计；软件设计

ABSTRACT

Thecurriculumdesignismainlythroughprogrammingtoachievetheelectronicdigitaldisplaysingleuser'selectricity,thehardwarepartmainlyC8051F360microcontrollerascontrolcore,connecttheelectricenergymetering,LEDdisplay,power-downmemory,buttonresetfunctionmoduleofthesystemmodule.

Basedontheuser'spowersupplyvoltageandcurrentreal-timesampling,usingspecialelectricenergymeterIC,forprocessingandmultiplicationisconvertedintopulseoutputandpowerisproportionaltothevoltageandcurrentsamplingsignal,andthenthroughthecounterandLEDdisplayforsingleuserofelectricitytopowerstorage,keyfeaturessuchasclear.Theuserofelectricityconsumptioncanbereadinsitu,effectivelyimprovetheaccuracyofelectricenergymetering,andthewholecircuithassimplecircuitarrangement,highreliability;thereare6LEDdigitaltubeinadditiontotheusersofelectronicwatt-hourmeterinfrontofthemosthigh,digitaltubedisplayforhouseholds,andsecondarilydisplayline,afterfourfortheuserofelectricity,clearlyshowstheuser'saccountnumberandpowerconsumption.

ThecurriculumdesignusingtheconversionpulseMCUC8051F360maincontrolchip,AD7755chip,74HC165chip,74HC164buttonresetdriveeightdecodingdisplaychipand24C16avoidlosingdata,chip,andthroughtheProteldrawing,TheMultisimsoftwaresimulation,SiliconIDEdevelopmentenvironmentforsoftwareprogramminganddebugging,findinformation,learningtools,andultimatelytheuserofelectricityinthedigitaltubedisplayfunction.

Keywords:

electricenergymeter;C8051F360chip;hardwaredesign;softwaredesign

1绪论...........................................................................................................................2

1.1电能表在国内发展状况...................................................................................2

1.2课题的研究内容与意义..................................................................................2

2设计任务与主要要求.........................................................................................4

2.1设计任务..........................................................................................................4

2.2设计的主要要求..............................................................................................4

3设计原理分析.......................................................................................................5

3.1设计的总体方案...............................................................................................5

3.2设计方案框图..................................................................................................6

3.3电能表总电路图..............................................................................................6

4设计的主要内容..................................................................................................8

4.1硬件设计...........................................................................................................8

4.1.1C8051F360单片机电路部分.....................................................................8

4.1.2+5V稳压电源的设计...............................................................................9

4.1.374HC164驱动LED数码管显示的设计.....................................................11

4.1.424C16芯片掉电存储的设计...................................................................13

4.1.574HC165芯片按键清零的设计...............................................................14

4.1.6AD7755电能转换设计.............................................................................14

4.2软件设计..........................................................................................................17

4.2.1主函数流程图........................................................................................17

4.2.2AT24C16读函数流程图...........................................................................18

4.2.3AT24C16写函数流程图...........................................................................19

4.2.4显示用户电量流程图..............................................................................20

4.2.5按键扫描清零函数流程图........................................................................20

4.2.6中断子程序流程图.................................................................................21

5课程设计总结.....................................................................................................22

参考文献...................................................................................................................23

附录一..........................................................................................................................24

附录二..........................................................................................................................25

附录三..........................................................................................................................27

1绪论

1.1电能表在国内发展状况

电能表是我国电工仪表行业中产量最大的产品。

近几年，国家连续出台的多项与电能表行业发展相关的政策以及房地产产业的迅速发展，为电能表需求的上升及保持行业发展的相对稳定起到了一定的保障作用。

随着高新技术尤其是电子信息技术的快速发展，电子式、多功能、高精度、多费率、自动抄表等产品的优势突显，且已经逐步成为电能表发展的主流，在未来几年里，这种趋势将更加明显。

且各行各业对电的需求越来越大，不同时间用电量不均衡的现象也日益严重。

为缓解我国日趋尖锐的电力供需矛盾，调节负荷曲线，改善用电量不均衡的现象，全面实行峰、平、谷分时电价制度，“削峰填谷”，提高全国的用电效率，合理利用电力资源，国内部分省市的电力部门已开始逐步推出了多费率电能表，对用户的用电量分时计费。

在有条件的地区，即已经实行一户一表的居民用电区，也将有计划的开发低谷用电，实行峰谷电价，以提高电能利用率，提高居民的用电质量。

通过城乡电网改造，电工仪器仪表行业步入了快速发展的轨道，同时也为行业企业提供了一个科技创新的平台，电工仪器仪表生产企业抓住机遇，通过对国外先进技术的兼收并蓄，并高标准、高起点自主开发了一系列高技术产品。

电力用户是我国电工仪器仪表最大的用户群体，需求量占整个市场需求量的90%，对该类产品的销售起着决定性作用。

国家城乡电网改造结束后，电工仪器仪表行业进入了平稳过渡期，以华立集团、宁波三星、林洋电子等为代表的行业企业不断拓宽服务领域，寻求新的发展空间，从而在竞争中提高企业的核心竞争力，经过国内外市场的净化和洗礼，产品也发生了质的变化，开始从单纯量的增长向技术创新过渡，并步入高质量、高技术、高附加值时代，生产模式逐步向集约化大规模转变，核心竞争力不断增强，产品出口主要以电能表、便携式电表为主，出口辐射到几十个国家。

特别是近几年，一些企业还通过在国外建厂等形式消化国内的市场，出口创汇不断攀升。

1.2课题的研究内容与意义

电子式单用户多功能电能表，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。

本次课程所设计的单用户电子式单相电能表采用单片机作为中央处理器，对用户的用电情况进行电能计量、LED显示，所以用户的用电量可以直接读取。

电子式电能表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。

且电子式电能表无论在价格、功能、精度、可靠性等方面都优越于传统感应式电能表，具有的强大的功能特点和研究的必要性。

随着电子技术的发展与进步，电子式电能表越来越受到广大使用者的认同与青睐。

面对新的形势，全面提高电子式电能表，尤其是技术含量高的产品的市场竞争力，重点突破多费率表和多功能表的现状，使电能表从数量优势向技术优势转变是电能表产业的发展趋势。

电子式电能表是今后一段时间内的发展主流，技术含量高的产品发展空间大，经济效益也好，更应该作为今后发展重点。

而要发展电子式电能表，核心技术是关键。

2设计任务与主要要求

2.1设计任务

该课程设计任务要求完成基于C8051F360单片机的单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LED显示模块、AD7755电能脉冲转换模块、掉电存储模块和按键清零等模块组成。

被测信号经AD7755转换后将电压、电流、电能等信号传输给单片机C8051F360主控芯片，然后C8051F360控制其他所有芯片的工作、计算和显示。

LED显示模块采用数码管显示被测用户的户号、用电量；按键清零模块选用74HC165芯片来实现此功能；存储模块采用24C16，为系统提供数据存储，可以实现掉电不丢失数据的功能。

1.1.1硬件设计

硬件设计包括单片机的整体设计、稳压电源的设计、LED数码管显示的设计、24C16芯片掉电存储的设计、74HC165芯片按键清零的设计、AD7755电能转换器等电路的设计。

1.1.2软件设计

软件设计包括用C8051F360单片机C语言编写的用户电量显示程序、按键清零程序、用户和电量显示程序、脉冲检测程序以及掉电保存等程序，并配有主函数和各子函数的流程图及其说明等。

2.2设计的主要要求

1.该交流电能表能实现对单相单用户交流电能的测量；

2.具有显示户号及用户用电量的功能；

3.具有按键清零的功能；

4.具有掉电保存电能数据的功能；

5.计100个脉冲为1度电；

6.计量精度为1%；

7.最大计度容量：

99.99kW·h。

3设计原理分析

3.1设计的总体方案

系统主要由电量采集转化电路、微处理器控制电路、非易失存储器电路、显示电路、供电控制电路、按键清零电路等部分组成。

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；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；数码管显示部分利用74HC164串入并出8位移位寄存器驱动数码管进行数据显示；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；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；电量采集转化电路采用AD7755脉冲转化芯片将电量采集后转化为脉冲信号，用户的计量脉冲信号，经I/O接口电路连接到系统总线，在微处理器的控制下，采集并计其脉冲信号，达到100个脉冲时电量自加1kW•h。

3.2设计方案框图

根据3.2节中对总电路方案的设计可得到总的方案框图如下图3.1所示：

图3.1设计总体框图

3.3电能表总电路图

用protel软件绘制单相单用户电能表的总电路图如下图3.2所示：

图3.2电能表总电路图

4设计的主要内容

4.1硬件设计

此课程设计采用的是以单片机C8051F360芯片为核心的电路板，此板的各部分原理图及内部连接图见附录一所示。

C8051F360单片机整体电路板包含的模块主要有C8051F360单片机、LED/FMQ报警、RS-232通信、USB接口、电源接口、LM336-2.5、下载/复位、外接器件、5V--3.3V、两路AD输入、信号输入、PCF8563、AT24C16、74HC165、74HC164显示等。

本次设计中主要用到的部分有C8051F360单片机、AT24C16掉电存储、74HC164驱动数码管显示以及74HC165按键等模块，下面将详细介绍各模块。

4.1.1C8051F360单片机电路部分

C8051F360单片机为主要控制部件，其电路图如下图4.1.1所示。

它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。

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口接拨码开关，模拟AD7755电量脉冲；PCF8563、24C16部件实时存储用户电量信息，并在掉电后保存，单片机上电复位后能够从中读取数据。

图4.1.1C8051F360单片机电路

单片机电路设计中P2口接一并排开关，此设计中只用到P2.0口，实现了对单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；P1.3和P1.6分别接AT24C16的SDA和SCL管脚来控制存储部分的电路；P1.2、P1.4和P1.5这三个口分别与74HC165芯片的对应管脚相连接，来实现用户电量按键清零的功能。

4.1.2+5V稳压电源的设计

电源电路是整个系统能稳定工作的前提和关键，系统中的各个单元电路都需要使用直流电源供电，本设计采用自制电源供电方式，将220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路整流和滤波，在固定式三端稳压器的两端形成一个并不十分稳定的直流电压，此直流电压经过W7805的稳压和电容的频率补偿，便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。

用Multisim电路仿真软件制作出的+5V稳压电源电路图如下图4.1.2所示。

图4.1.2+5V稳压电源电路图

将图4.1.2中的+5V稳压电源电路图进行仿真，其结果如下图4.1.3所示。

图4.1.3+5V直流稳压电源仿真结果

4.1.374HC164驱动LED数码管显示的设计

图4.1.474HC164驱动LED数码管显示电路

如图4.1.4所示为74HC164驱动LED数码管显示电路，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，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。

电路设计中74HC164是高速硅门CMOS器件，是比较典型的移位寄存器，它与低功耗肖特基型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，其管脚图如图4.1.5所示。

74HC164的使用原理为：

时钟信号从低电平变为高电平的时候将输出一个数据到输出端D0，当时钟第二次由低电平变为高电平的时候将输出第二个数据到D0，而第一个数据将转移到D1端口。

依此类推，每一个时钟周期中都有一个串行数据输出到D0，而其他的数据则不断往高位移动直到所有数据传输结束。

如果不再有时钟周期输入，则这些数据将暂存在输出端。

图4.1.574HC164引脚图

数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字09、字符AF、H、L、P、R、U、Y、符号“”及小数点“.”。

数码管的外形结构连接如下图4.1.6所示。

图4.1.6数码管管脚连接图

通过以上对74HC164驱动数码管显示电路各个模块的介绍，联系单片机的控制原理，可得到C8051F360单片机控制74HC164驱动数码管显示的具体过程如下：

单片机外接8片74HC164作为8位LED显示接口，把单片机的P1.0作为数据输出线，P1.1作为移位时钟脉冲。

其中A、B（第1、2脚）为串行数据输入端，2个引脚按逻辑与运算规律输入信号，共一个输入信号时可并接。

CLK为时钟输入端，可连接到P1.1端。

每一个时钟信号的上升沿加到CLK端时，移位寄