课程设计报告多用户电子式电能表的设计Word下载.docx

1、1最小电流：Imin=2%Ib=0.1A脉冲数：1000/kw.h3 AD7755相关参数计算电能变换电路采用AD7755芯片（Ib=5A,C=1000KW/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1000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，P2口（8位）工作即可对8户电能脉冲进行采集与计数，本实验我们将为每户开辟1个字节的内存计数。简单的ADE7755外围应用电路是由电流采样电

2、路、电压采样电路、轻载调节电路、频率选择电路、高频输出和低频输出等组成。现对各个电路进行单独分析。下图为 AD7755性能测试电路图2.5 AD7755性能测试电路（1） 电流采样电路：图2.6 电流采样电路使用分流器的电流采样电路如图2.6所示，其中F1为分流器，R1、R2为采样电阻，C1、C2为采样电容，他们为电流采样通道提供采样电压信号，采样电压信号的大小由分流器的阻值和流过其上的电流决定。电流采样通道采用完全差动输入，V1P为正输入端，V1N为负输入端。电流采样通道最大差动峰值电压应小于470mV，电流采样通道有一个PGA，其增益可由ADE7755的G1和GO来选择，见表1：表1G1G

3、0增益最大差动信号1470Mv2235Mv860Mv1630Mv当使用分流器采样时，G1、G0都接高电平，增益选择16，通过分流器的峰值电压为30mV，当设计电表为5（20）A规格时，分流器阻值选择为500u，当流过分流器的电流为最大电流20A时，其采样电压为500u20A=10mV，不超过峰值电压半满度值，这样考虑能允许对电流信号和高峰值因数进行累计。当使用互感器采样时，其电路如图2.7所示：图2.7 互感器采样电路 UIT=1/5F1-43600使用互感器采样时，G1、G0都接低电平，增益选择1，电流采样通道最大差动峰值电压为470mV，其差动信号由互感器的二次侧电流流过电阻R30和R31

4、产生，互感器二次侧额定电流为5mA，当过载4倍时，二次侧电流为20mA，其流过电阻R30和R31产生的差动信号为96mV，远小于峰值电压半满度值（235 mV）。R1C1和R2C2组成两个低通滤波器，衰减掉那些无用的高频分量，从而防止有用频带内的失真。R1、R2、C1、C2阻值、容值的选取对电表的性能有很大的影响，因此取值为R1= R2=300欧，C1=C2=27nF。（2） 电压采样电路：图2.8 电压采样电路电压输入通道（V2N，V2P）也为差分电路，V2N引脚连接到电阻分压电路的分压点上，V2P接地。电压输入通道的采样信号是通过衰减线电压得到的，其中R6至R15为校验衰减网络，通过短接跳

5、线J1至J9可将采样信号调节到需要的采样值上，我们设计的电能表基本电流时电压采样值为174.2 mV，为了准许分流器的容差和片内基准源8%的误差，衰减校验网络应该允许至少30%的检验范围，根据参数，其调节范围为169.8 mV 250 mV，完全满足了调节的需要。这个衰减网络的-3dB频率是由 R4和C3决定的，R19、R23、R24确保了这一点，即使全部跳线都接通，R19、R23、R24的电阻值仍远远大于R4，R4和C3的选取要和电流采样通道的R1C1匹配，这样才能保证两个通道的相位进行恰当的匹配，消除因相位失调带来的误差影响。4、 光电隔离电路在许多应用中，许多电路链接之间需要非直接的连接

6、，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，保护电子设备。在两点间避免电流流过，而允许有数据或功率传送时需要使用隔离技术。电路隔离主要有：模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字电路与模拟电路之间的隔离。所使用的隔离方法有：脉冲变压器隔离法、继电器隔离法、光电耦合器隔离法、直流电压隔离法、A/D转换器隔离法。传统的光耦隔离电路虽然也能实现很高的线性度, 不过这些电路需要的电源种类较多, 线路比较复杂, 设计成本比较高。为了解决这些问题,

7、本次设计中一种新的光电耦合结构, 由它组成的光耦隔离电路具有很高的线性度, 且只需采用普通的光电耦合器和简单的电路结构。应用这个电路解决了弹载黑匣子的电压采样信号的光电隔离问题。光电耦合器的工作原理和特性如下。光电耦合器件是把发光器件（如发光二极管）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起, 通过光线实现耦合构成电） 光 ） 电的转换器件。当电信号送入光电耦合器的输入端时, 发光器件将电信号转换为光信号。光信号经光敏器件感应接收, 再还原成电信号。图1是一种典型反相应用电路, 当输入端有电流流过时, 发光二极管发光,使光电三极管导通, 其集电极就有电流I C 流过。光电耦合器其主要特点为:1） 输

8、入、 输出之间在电气上相互绝缘;2） 信号传输是单方向的, 输出端的噪声不影响输入端;3） 体积小、 寿命长、 无触点,功耗低;4） 光电耦合器的传输特性具有非线性和随温度变化性;图1 光电隔离电路5、 C8051F360单片机部分管脚及参数（1）由原理图知：P2.0P2.7分配给八个用户，作为脉冲输入端口。P1.1和P1.0分配给LED显示部分作为时钟信号和数据输入。P1.6和P1.3分配给24C16作为SCL和SDA信号脚。P1.4,P1.5和P1.2分配给74HC164作为键盘数据输入，时钟信号和控制输入输出管脚使用此外，C8051F360功能强大，结构复杂，其余端口与本设计无关，故其分

9、配情况不再详述。晶振采用24.5MHz，电源使用3.3V。（2）电源参数220V5V的共两套，一套给AD7755，另一套给显示模块和5V3.3V电源。5V3.3V电源供给C8051F360和24C16。220V5V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。6、 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

10、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:P1 DVDD,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；P3 AVDD,模拟电路电源,5（P4、P19 NC,未接；P5-P6 V1P-V1N,通道1（电流通道）模拟输入,最大差动输入电压为470mV；P7-P8 V2N-V2P,通道2（电压通道）模拟输入,最大差动输入电压为660mV； P9 RESET,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；P10 REFIN/OUT,电压基准脚,片上基准为5（8%）V,可接外部基准源；P11 AG

11、ND,模拟电路参考地;P12 SCF,校准频率选择脚；P13、P14 S1、S0,数-频转换频率选择脚；P15、P16 G1、G0,通道1增益选择脚；P17 - P18 CLKIN- CLKOUT,外接时钟,钟频3.579545MHz；P20 REVP,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；P22 CF,校准频率输出；P23、P24 F2、F1,低频输出。 AD7755的内部功能框图如下图：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）和数字信号处理电路两部分组成。被测电压、电流转换为数字量后,接下来的信号处理都在数字域实现;A

12、D7755内部的相位校正电路、高通滤波器、乘法器、低通滤波器、数字-频率转换器等都为数字电路。AD7755内有两个以900kHz过采样速率采样的16位2阶-模数转换器（ADC）。被测电流经可编程增益放大器（PGA）放大后接电流通道的ADC,并由此ADC转换为对应的数字信号。再经相位校正和高通滤波,进入乘法器。乘法器的另一路输入是由电压通道ADC转换而来的、与被测电压对应的数字信号。相乘后产生瞬时功率信号。此信号经低通滤波器滤除其中的交流分量,提取出负载消耗的瞬时有功功率。AD7755对这个瞬时有功功率信号进行一段时间的累计、平均,求得平均有功功率,以较短时间对瞬时有功功率进行累计,求得与瞬时有

13、功功率成正比的高频频率并经CF输出,用于校准或送微控制器累加计数,实现对电能的计量。电流通道的PGA的增益受管脚G1、G0控制。 高通滤波器是否接入受管脚AC/DC控制。逻辑高,HPF使能。用来去除电流通道的直流偏移和由此引起的误差。高通滤波器接入或断开造成的相移,由相位校正电路校正,使电压通道和电流通道的相位匹配。如前所述,管脚F1、F2输出与平均有功功率成正上的电压有效值具有下列关系:fF1=fF2=8.06U1U2G（f1-4）/UREF式中,U1、U2分别为电流通道和电压通道输入端的rms差动电压（V）,G为电流通道的增益,选择方法见表1；UREF为基准电压值（V）；f1-4为以S1、

14、S0逻辑输入选择的频率（Hz）,选择方法见表2。表2f1-4等选择表表2第7列是与两个通道都输入最大电压所对应的最高输出频率（Hz）。考虑到实际电网电压存在波动和负载电流可能超载,设计电能表时,两个模拟通道的输入电压一般都留有足够的超量程余地。比如,取允许的最大值的一半。表2第5列是用管脚SCF、S1、S0逻辑输入选择的转换系数,CF脚输出的频率为fCF=KfF1（2）由表2知,CF端输出的频率能高达fF1的2048倍。7、 设计原理图单片机整体显示图：八段译码显示：E2PROM 24C16芯片键盘部分AD7755电能脉冲发生器电源 图2 两组稳压电源三、 软件设计1、 主程序框图2、 显示用

15、户及相应电能子程序框图3、 查询键盘程序框图4、 送LED显示子程序框图框图5、 中断子程序框图6、 24C16读程序框图7、 24C16写程序框图四、 程序清单$NOMOD51$include （c8051f360.inc）CLK EQU P1.1;/LED 时钟 DATE EQU P1.0;/LED 数据SCL EQU P1.6 ;24C16串行时钟 SDA EQU P1.3 ;74HC164脉冲控制管脚 QL EQU P1.4 ;74HC165输出管脚 PL EQU P1.2 ;74HC165控制输入输出管脚CLK165 EQU P1.5 ;74HC165脉冲控制管脚PB0 EQU P2

16、.0 ；P2口依次对应1-8用户PB1 EQU P2.1PB2 EQU P2.2PB3 EQU P2.3PB4 EQU P2.4PB5 EQU P2.5PB6 EQU P2.6PB7 EQU P2.7ORG 00HLJMP MAIN ;跳转到主程序ORG 0BH LJMP T0_INT ;跳转中断服务程序ORG 0100H/主程序/MAIN: LCALL CHUSHI ;对F360进行初始化 LCALL I2C_RD ;读出24C16存储的数据MAIN1: MOV SP, #70H ;设置堆栈 MOV 20H,P2 ;读取外部P2口状态 MOV TMOD,#01H ;定时器赋初值 MOV TH

17、0,#0b1H ;利用计数器T0读取外部脉冲 MOV TL0,#0e0H ;20ms产生一次中断 SETB ET0 ;T0开中断 SETB EA ;开总中断 SETB TR0 ;T0开始计时BEGIN: MOV R0, #60h ;将用户一数据送到R0中 MOV R7, #1H ;当前操作户数LOOP:MOV R6,#0H ;小数点所在的位数 MOV A,R0 ;把用户脉冲数送到累加器A MOV B,#10 ;除数为10 DIV AB ;相除，商存入A中 PUSH ACC ;压栈商 MOV A,B ;把B中所存余数即个位值赋给累加器A LCALL XS ；调用子程序显示个位 POP ACC ;

18、出栈 MOV B,#10 DIV AB PUSH ACC MOV A,B LCALL XS ;同理显示十位 POP ACC MOV B,#10 DIV AB PUSH ACC MOV A,B LCALL XS;显示百位 POP ACC显示千位 MOV A,#10显示- MOV A,R7显示户名 LCALL XS INC R0 INC R7 LCALL DELAY ;调用延时子程序 CJNE R7, #9, LOOP ;循环显示完8用户电量 LCALL I2C_WR ;启动24C16写数据 LJMP BEGIN ;调用显示用户及用电量子程序/初始化程序/CHUSHI:/MOV SFRPGEN,#

19、01H MOV SFRPAGE,#0FH MOV P1MDIN,#0FFH MOV P1MDOUT,#0EFH ;推挽输出 MOV XBR1,#40H ;交叉开关使能 MOV PCA0MD,#00H 关闭看门狗clear Watchdog Enablei /MOV FLKEY,#0a5H MOV PSCTL,#13H MOV OSCICN,#83H ;内部振荡器允许，不分频 RET/中断子程序/T0_INT: MOV TH0, #0b1H ;重新装入初值 MOV TL0, #0e0H压栈保存累加器A中数据 PUSH PSW ;压栈保存状态字 MOV A, 20H ;把之前用户状态送入累加器A中

20、 MOV 20H, P2 ;把此时用户脉冲状态存入20H存储单元 JNB ACC.0, BJ1 ; 若ACC.0位为低电平跳转到BJ1执行，否则顺序执行 NEXT1: JNB ACC.1, BJ2 ;判断外部脉冲的状态 NEXT2: JNB ACC.2, BJ3 ; NEXT3: JNB ACC.3, BJ4 ; NEXT4: JNB ACC.4, BJ5 ; NEXT5: JNB ACC.5, BJ6 ; NEXT6: JNB ACC.6, BJ7 ; NEXT7: JNB ACC.7, BJ8 ; JMP DONEBJ1: JB PB0,ADD1 ;与原来外部的状态进行比较 JMP NEX

21、T1 ;若相等则继续读外部状态BJ2: JB PB1,ADD2 ;若不等则相应的用户的脉冲数加一 JMP NEXT2BJ3: JB PB2,ADD3 JMP NEXT3BJ4: JB PB3,ADD4 JMP NEXT4BJ5: JB PB4,ADD5 JMP NEXT5BJ6: JB PB5,ADD6 JMP NEXT6BJ7: JB PB6,ADD7 JMP NEXT7BJ8: JB PB7,ADD8 ADD1: INC 60H JMP NEXT1 ADD2: INC 61H ADD3: INC 62H ADD4: INC 63H ADD5: INC 64H ADD6: INC 65H A

22、DD7: INC 66H ADD8: INC 67H DONE: POP PSW ;状态字恢复之前值 POP ACC ;出栈，累加器A恢复之前的值 LCALL JIANPAN ;跳转到清零子程序 RETI/显示子程序/-显示子程序-XS:MOV DPTR,#TAB ;把TAB表首地址赋给DPTRPUSH ACC ;对累加器A中内容压栈保护MOVC A,A+DPTR ;查询字码表中对应的数MOV R4,#8 ;循环次数8INC R6 ; R6自增一CJNE R6,#04H,XS1 ;判断R6是否等于4,等于4显示带小数点的数，不等于4跳转ANL A,#0EFH ;作逻辑与运算，显示带小数点的数X

23、S1:CJNE R6,#05H,XS2 ;判断R6是否等于5,等于5显示“”，不等于跳转MOV A,#0FEH ;显示“”XS2:CJNE R6,#07H,LOOP1 ;MOV A,45HCPL ALOOP1: RLC ACLR CLKMOV DATE,CSETB CLKDJNZ R4,LOOP1 ;POP ACC/清零/JIANPAN:MOV 40H,R0 ;将原用户数据存入40h单元MOV 38H,#8 ;设置循环次数MOV R0,#60H ;将用户一的数据送到R0中CLR PL ;将键盘的状态读入74HC165NOP ;指令延时 NOP SETB PL ;停止读入键盘状态XUN:CLR

24、CLK165 ;将按键的状态读出,按下为0NOPSETB CLK165 ;移出一个键盘的状态JB QL,DONE1 ;判断键盘是否按下MOV R0,#0 ;若键盘按下，将该用户脉冲清零INC R0 ;指针移到下一户存储地址JMP DONE2 DONE1:INC R0DONE2:DJNZ 38H,XUN ;判断8户用户是否检查完毕MOV R0,40H ; R0恢复清零之前数据 /I2C_WR/I2C_WR: LCALL START ;发起始条件MOV A,#0A0H ;发器件地址LCALL SENDI2CJB F0,RETURN4 ;数据接收错误MOV A,#0 ;发字节地址接收数据错误MOV R1,#60HMOV R2,#10HLOP1: MOV A,R1LCALL SENDI2C ;发一个数据INC R1DJNZ R2,LOP1LCALL STPLCALL LDELAY ;写周期延时约10msRETURN4: RET/I2C_RD/I2C_RD: MOV R2,#10HLCALL START ;发送起始条件JB F0,RETURN3 ;MOV A,#0H ;发地址JB F0,RETURN3重新