基于单片机的数字电能表设计.docx

1、基于单片机的数字电能表设计 学号： 密级： 本科毕业论文 基于单片机的数字电能表设计 院系名称： 专业名称：电气工程及其自动化 学生姓名： 指导老师： 郑 重 声 明本人呈交的学位论文是由本人在导师的精心指导下，独立学习、研究、设计出来的成果，论文中的所有文字、数据、图片资料、表格真实可靠，都由本人亲自撰写。据本人所知，论文中除文中已经注明引用的内容外，不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，都已经在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。 本人签名： 日 期： 摘要随着电力需求的急骤上升，电能表作为计量电量的主要工具， 设计出功能 更多

2、、准确度更高的电能表对于节约用电有极其重要的意义。本文采用单片机作为主控芯片，该电能表具有精度高、准确等优点，有很好的实用开发价值。数字电能表的诞生打破了传统电子测量仪器的模式和格局。它显示清晰直观、读数准确，采用了先进的数显技术，大大地减少了因人为因素所造成的测量误差事件。数字电能表是把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式，并加以显示的仪表。数字电能表把电子技术、计算技术、自动化技术的成果与精密电测量技术密切的结合在一起，成为仪器、仪表领域中独立而完整的一个分支，数字电能表标志着电子仪器领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河。本设计以单片机为开发平台，控制系统采用AT89C51单

3、片机，A/D转换采用ADC0832。系统除能确保实现要求的功能外，还可以方便进行8路其它A/D转换量的测量、远程测量结果传送等扩展功能。简易数字电能测量电路由A/D转换、数据处理、显示控制等组成。关键词：数字电能表；AT89C51；硬件合成ABSTRACTWith the rapid rise in electricity demand, power meter as the main tool for measuring power, design functionality, accuracy for higher energy meter is of extremely importan

4、t significance to conserve electricity. This article uses as the main control chip, the energy meter has the advantages of high accuracy, accuracy, and has great practical value. Digital meter, which breaks the traditional patterns and patterns of electronic measuring instruments. It shows the clear

5、, accurate readings, using advanced digital technology, greatly reduced due to human factors measurement error caused by the event. Digital meter is converts continuous analog not digital forms of continuous, discrete, and display instruments. Digital meter results of electronic technology, computin

6、g, automation technology and precision measuring technology closer together, become independent in the field of instruments, meters and complete a branch digital meter marks a revolution in the field of electronic devices was a pioneer of modern electron measurement technology. The design based on s

7、ingle-chip microcomputer for the development platform, control system with AT89C51 microcontroller, a/d converter using ADC0832. System can ensure the realization of requirements of functionality, can also be convenient 8-channel a/d converter measurement, remote measurement result transmission exte

8、nsion. Simple digital energy measurement circuit controlled by the a/d conversion, data processing, display and so on. Key word: Digital electrical energy table; AT89C51；Hardware synthesis第1章 绪论1.1选题的背景与意义 当今社会，人们的生活水平越来越高，科技也在不断的发展和进步，生活中无时无刻不存在电，随着电网技术的不断发展，传统电表无法有效解决的电能计量、电能计费纠纷这一问题，智能数字电表必将给我们带来

9、新的惊喜。所以智能数字电表技术的研究具有重大的现实意义。本课题的研究目的正是利用应用领域非常广泛和技术成熟的单片机作为核心设计出新型的数字式电能表。根据我国目前的发展状况和广大用户的用电状况,发现现在所使用的电能表比较落后,精确度不高,并且功能较少,这样既浪费资源又不能满足人们目前的要求,影响社会的发展。因此,有必要改进和创新老式电能表。1.2电能表的研究现状与发展趋势数字电表的产生对于现代高速发展的科技时代具有重要的贡献。目前国内已经有很多类型的数字电表在实际生活中得以应用。其中基于单片机的数字电表应用很明显。例如： 以AT89C51单片机和电能计量芯片ADC0832为核心, 配合电压、电流

10、互感电路，存储电路等实现对电参量进行高精度计量，不仅可以实现电能的测量，还可以对电压、电流有效值、功率等电参量实时测量。而且该设计的测量精度误差在1%以内，电路的结构也很简单，很有发展前景。单片机、芯片、时钟、电源、存储器、显示器等这几部分组成了电能表。将电流电压转换为可以检测的电量，然后把检测到的数据传送给单片机,单片机再把数据进行一定的处理,通过A/D转换器转化为显示器可以显示的内容,那么就进行了电能的测量，从而达到我们想要的效果。随着微电子技术的迅猛发展,微控器(单片机)和大规模集成电路在电能计量领域的广泛应用,使电能表的技术水平和性能得到了长足发展，数字电表得以产生，在实际应用中的优势

11、非常明显。1.3主要研究内容本设计是基于AT89C51单片机的单相电能表设计，能实现家庭用电计费，并能完成分时计费功能，其中电压电流采样模块实现了将电网中的不可直接测量的大电压大电流转变成为可以用来处理测量的小电压小电流。把采集到的数据通过ADC0832芯片转换送给单片机，电源模块为整个智能电表提供了稳定的电源，LCD1602模块为用户提供了清晰、实时的电量信息。存储器可以用来存储不同时段的用电量，它还可以在单片机内部RAM掉电时及时存储可能丢失的数据。本课题的研究应该在满足要求的前提下，去探索数字电表的设计。力争设计的电能表能满足最基本的电能计量、计费、显示功能。原理力求清晰明了，功能力求达

12、到使用要求，装置力求简单、操作方便，并在此基础上加以创新。遵循导师的指导不断改正，做到优秀。该论题研究的内容主要是以下几个方面：1电能表及数字电能表现状； 2计量电能的途径和技术现状； 3基于单片机的数字电能表设计与实现。 第2章 系统总体设计方案2.1电能表的分类 电能表按工作原理和结构可以分为三类：感应式电能表、脉冲电能表和电子电能表。1.感应式电能表：感应式电能表一般由补偿调整装置、测量机构和辅助部件这三部分组成。其中补偿调整装置包括满轻载调整、满载调整、防潜调整和相位角装置，有的还装有温度补偿和过载补偿装置。测量机构包括制动元件、驱动元件、转动元件、计度器和轴承；辅助部件包括外壳、机架

13、、端钮盒和铭牌；感应式电能表测量机构的驱动元件包括电流元件和电压元件，它们的作用就是把被测电路的交流电流和电压转换成穿过转盘的移进磁通，在转盘中产生感应电流，从而产生驱动力矩，驱动转盘转动。 2.脉冲电能表把感应式电能表的电磁系统作为工作元件，然后加上一个脉冲发生装置就构成了脉冲电能表。如果将感应式电能表的圆周进行均匀地标记和分度，然后用反射式或穿透式光电头发射光束，采集铝盘旋转的标记，最后再由光电变换线路变换，普通感应式电能表即可输出与电能成正比的脉冲。因此脉冲电能表是一种输出电能脉冲的仪表。3.数字电能表：数字电能表采用专门的电能计量芯片，利用单片机的强大功能来实现对用电量的分时段计算和自

14、动计量，并且通过存储器来实现数据的存储、电量显示和自动抄表等功能。 它的优点是计量准确度高、可靠性好，并具有强大的计量功能。本电能表可实现以下功能：（1）电能的计量：对市电的电流、电压进行采样处理，得到电流有效值和电压有效值，无功功率和有功功率等电能参数；（2）显示：可显示上月、本月总电量及各费率时段的电量；（3）分时计量功能：将一天分成3种费率：峰，平，谷。按照费率累计电量，得到电能的分时计量；（4）存储功能：主要用来存储各个时段的用电量。2.2电能测量的原理 电能是指在一定的时间内电路元件或设备吸收或发出的电能量，用符号W表示，其国际单位制为焦耳（J），电能的计算公式为W=PT=UIT通常

15、电能用千瓦时（KWH）来表示大小，也叫做度（电）：1度（电）=1KWH=3.6106j。即功率为1000W的供能或耗能元件，在1小时的时间内所发出或消耗的电能量为1度。（1）电能单位：千瓦时（KWH）或焦耳（J）（2）电能换算：1KWH=3.6106J（3）瓦和千瓦的运算：1KW=1000W（千瓦时，是“度”的学名。符号是KWH；更常用的单位是焦耳，简称“焦”，符号是J）电能表作用：测量用电器在一段时间内消耗的电能。计算方法：电能表的示数由四位整数和一位小数组成。电能表的计量器上前后两次读数之差，就是这段时间内用电的度数。但要注意电能表的示数的最后一位是小数。重要参数的意义：“220V”-表示

16、电能表应该在220v的电路中使用“10（20A）”-表示这个电能表的标定电流为10A，额定最大电流为20A（此处20A不是短时间内允许通过最大电流而是额定最大电流）“50HZ”-表示它在50赫的交流电路中使用“600revs/KWH”-表示接在这个电能表上的用电器，每消耗1千瓦时的电能，电能表上的转盘转过600转。根据电能表转盘转动的转数进行计算。如果电能表标有“600revs/KWH”，当转盘转过N圈时，消耗的电能为W=NR/600RKWH=N/6003.610（6）j。2.3数字电能表的工作原理 电功率的测量由乘法器来完成，其工作原理框架图如图2.1所示。被测量的高电压U、大电流I经电压变

17、换器和电流变换器转换后送至乘法器M，乘法器M完成电压和电流瞬时值相乘，输出一个与一段时间内的平均功率成正比的直流电压U，然后再利用电压/频率转换器，U被转换成相应的脉冲频率F，将该频率分频，并通过一段时间内计数器的计数，显示出相应的电能。 U U F I 图2.1 数字电能表的工作原理图2.4硬件总体设计方案 数字电能表的各种硬件模块构成了整个数字电能表，每个硬件模块都有着不同的功能，在整个电能表硬件系统中都承担着一定的作用。模块与模块之间又通过MCU统一地联系在一起，共同地形成了功能强大的智能电表系统，总体设计框图如图2.2所示。图2.2系统硬件总体设计框图各个硬件模块具体如下：（1）时钟：

18、为电能表提供准确的时间信息，来计算不同时间段不同费率下的电能。 （2）单片机：数据处理、计算、显示和通信的控制中心。 （3）显示：采用LCD显示累计电能或其它数据。（4）存储器： 单片机内部RAM掉电时将丢失实时数据，故外接一片存储器，用来存储不同时段的用电量。 （5）电源：将主电网中的220V交流通过电能变换降压、整流为5V的直流。在断电的情况下，为了电能表的正常运行，还有专用的备用电池供电。（6）A/D转换：主要完成将模拟电能信息转化为单片机可以读取并且操作的数字电能信息。（7）电流电压采样模块：将交流高电平信号转换成单片机能够处理的低电平信号。第3章 系统硬件设计3.1 AT89C51单

19、片机系统AT89C51单片机已从最初的MCU控制器发展成拥有强大外围扩展功能的产品，单片机内的4K字节FLASH存储器允许进行在线的电擦除、电写入以及使用编程器对其进行重复编程。 另外AT89C51系列的单片机能过实现动态下载程序代码，能够重复编程，价格低功耗小而收到开发者和使用者的欢迎。3.1.1 主要参数(1) 和MCS-51 兼容(2) 4K字节可编程存储器 (3) 寿命:1000写/擦 (4) 数据保留时间：10年 (5) 全静态工作频率：0Hz-24Hz (6) 三级程序存储器锁定 (7) 128*8位内部RAM (8) 32可编程I/O线 (9) 两个16位计数器/定时器 (10)

20、 5个中断源(11) 可编程串行通道(12) 低功耗的掉电和闲置模式(13) 片内振荡器与时钟电路3.1.2 引脚功能说明图3.1 AT89C51单片机引脚40个引脚按其功能科分为三类：(1) 电源和时钟引脚-Vcc，GND；XTAL1，XTAL2。(2) 控制引脚-/PSEN，ALE/PROG，/EA/Vpp，RST(3) I/O口引脚-P0、P1、P2、P3，为四个8为位I/O口的外部引脚3.1.3 单片机最小系统AT89C51单片机晶振电路的放大器输入端X1和输出端X2分别接12MHz晶振，然后通过2个30pF的电容接地，该放大器和在单片机外作为反馈原件的石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成了

21、自激振荡器。实现电路如图3.2 。图3.2 晶振电路 本设计的单片机复位电路采用的是比较简单的开关复位，而不是电复位发。复位电路如图3.3。图3.3 复位电路电路由开关；100pF的极性电容和10K欧的电阻构成，按键后：电容器将被短路放电并且RST直接与高电平的VCC相连，此时进入“复位状态”。松手后：100pF的极性电容器开始充电，此时在电阻上将流过充电电流，在100pF的极性电容充电过程中将一直形成高电平，使RST一直处于复位状态，等到电容器充电结束后，电容器两端电压与电源一致从而电流降到0，与此同时电阻两端的电压也随之下降为0，RST处于低电平，开始正常工作。3.2 ADC0832芯片用

22、ADC0832芯片来进行A/D转换，ADC0832芯片是一种具有8位分辨率、双通道A/D转换芯片。它体积小，兼容性高，性价比也很高。下面将介绍一下ADC0832 的特点： 8位分辨率； 双通道A/D转换； 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容； 5V电源供电时输入电压在05V之间； 工作频率为250KHZ，转换时间为32S； 一般功耗仅为15mW； 8P、14PDIP（双列直插）、PICC 多种封装； 商用级芯片温宽为0C+70C，工业级芯片温宽为-40C +85C； CS Vcc(Vref) CHO CLK CH1 D0 GND D1图3.4 ADC0832芯片芯片接口说明： CS-片选使能

23、，低电平芯片使能。 CH0-模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。 CH1-模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。 GND-芯片参考0 电位（地）。 DI-数据信号输入，选择通道控制。 DO-数据信号输出，转换数据输出。 CLK-芯片时钟输入。 Vcc/REF-电源输入及参考电压输入（复用）。 ADC0832芯片接线图如图3.5图3.5 ADC0832接线图ADC0832 芯片的最高分辨可达256级，一般的模拟量转换它都可以完成。芯片的模拟电压输入在05V之间，正好符合电能表电源的要求。芯片转换时间仅为32S，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通

24、过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。3.3电源模块 本选题设计的电能表是适合户用型电能计量的，能否进入市场关键在于成本的控制。因此直接采用固定电压输出电路以节约成本。电能表是一种不间断工作的电能计量工具，因此本设计的关键部分在于电源电路。电源电路负责给各个模块供电，以保证整个电能表的正常运行。需要供电的硬件模块有： （1）ADC0832芯片的+5V的直流电源。 （2）用于单片机等数据处理单元电路的+5V直流电源。当电网停电时，作为后备电源给实时时钟供电以保证时钟的连续性的备用电源，采用3.6V的锂电池。电源转换电路均采用交流变压器直接降压整流，再经过线性稳压获得+5V直流电压。3

25、.4实时时钟电路模块 分时计费电能表中利用单片机内部定时器作为时钟基准，无需附加外部元件，通过软件编程单片机内部中断就可实现时钟功能。但是这样受单片机晶振和相连电容的影响很大，精度无法达到很高，累计起来的误差较大，所以直接利用单片机内部定时器缺点很多。并且主电源掉电时为了维持时钟运转，必须要有外接电池给整个单片机供电，导致仪器本身功耗增大。外接专用实时时钟是一种专门用于产生同期时钟信息的集成电路芯片，它可以独立于单片机而工作，不受主晶振机器电容的影响，及时精确，月积累误差一般小于10s。芯片还能在主电源掉电的情况下自动切换控制电路，以保证系统实时时钟的定时准确，而且芯片内部还有一定的存储空间，

26、在掉电时可以自动保存一些重要数据。由于芯片可独立工作，主电源掉电时备用电源只需为该时钟芯片供电，可有效降低电能表功耗，以节约能源。实时时钟芯片与单片机的接口根据其数据传送方式可分为两种：一种是以并行方式与MCU接口，其数据传送速度较快，但接口扩展电路较复杂，需要考虑接口扩展时的驱动能力，而且并行接口芯片本身占用较大的空间，连线多，不利于缩小仪表体积。另一种是以串行方式与MCU接口，这种芯片通常为8脚DIP封装，占用空间小，连线简单，一般只需占用CPU的2至3条I/O口线，可有效减小仪表体积，提高工作可靠性。本设计中采用DS1302芯片，它是美国DALLAS公司推出的串行接口专用实时时钟芯片。芯

27、片内部具有可编程日历时钟和31个字节的静态RAM，日历时钟可自动进行闰年补偿，计时准确，接口简单，工作电压范围为2.5V至5.5V，功耗低芯片自身还具有对备用电源进行涓流充电的功能，有效延长了备用电源的使用寿命。时钟芯片DS1302的接口电路如图3.6。图3.6时钟芯片DS1302的接口电路3.5显示模块目前常见的电子式电能表显示器件有三种：液晶（LCD）、发光二极管（LED）、荧光管（FIP）。 本次设计的显示器选的是LCD1602（162），接线图如图3.7。图3.7 LCD1602接线图它具有以下优点：1.显示质量高：由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种彩色和亮度，恒定发光而

28、不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。2.数字式接口：液晶县市区都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。3.体积小重量轻：液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。 4.功耗低：相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因此耗电量比其它显示器要少得多。1602LCD的基本参数及引脚功能：1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用汇总并与差别。1602LCD采用标准的14脚或

29、16脚接口，各引脚介绍如下：第1脚：GND为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VO为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生鬼影，使用时可以通过一个电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、地电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读出信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：DB0DB7为8

30、位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。3.6存储模块AT24C01是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它内含2568位存储空间，具有工作电压宽（2.55.5V）擦写次数多（大于10000次），写入速度快（小于10ms）等特点。AT24C01中带有片内寻址寄存器。每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个存储单元的操作。所有字节都以单一操作方式读取。为降低总的写入时间，一次操作可写入多大8字节的数据。图3.8为AT24C01的引脚图。1 82 73 64 5 图3.8 AT24C01的引脚图各引脚功能如下：SCL：串行时钟。在该引脚的上

31、升沿时，系统将数据输入到每个EEPROM器件，在下降沿时输出。SDA：串行数据。该引脚为开漏极驱动，可双向传送数据。A0A2：器件/页面寻址。为器件地址输入端。Wp：硬件写保护。当该引脚为高电平时禁止写入，为低电平时可正常读/写数据。Vcc：电源。一般输入5V电压。Vss：接地。AT24C01接线图如图3.9AT24C01 图3.9 AT24C01的接线图 3.7电流电压采样模块为了节约成本完成电流电压的采样，直接采用电阻获取电压和电流信号，电压、电流采集通道实现将交流高电平信号转换成单片机能够处理的低电平信号。交流被测电压经电阻分压器分压后连接单片机的A/D转换，将模拟信号转换为数字信号，再由显示器显示出来。 第4章 系统软件设计4.1软件介绍本设计是基于AT89C51单片机的单相电度表设计，用于单相度数的计费。通过电流电压采样模块采集到电压和电流数据，发送到ADC0832芯片进行A/D转换，再通过单片机进行相应运算算出消耗的电