家用電器電能測量器.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除家用電器電能測量器摘 要本電能測量器主要由電能計量電路和主控制電路兩部分構(gòu)成。電能計量電路采用Microchip公司的單相電能計量芯片MCP3906構(gòu)成，采樣方式是通過電阻網(wǎng)絡(luò)得到電壓電流量，主控制電路以Microchip公司的PIC16F73為核心，完成功率換算、電量累計、按鍵檢測、溫度檢測、顯示以及對實時時鐘的操作。采用C語言編程，使程序模塊化，更方便于維護(hù)。關(guān)鍵詞：單片機(jī)、電能計量、功率AbstractThis system mainly is calculated the electric circuit and lords by the electric power to control the electric circuit two parts composing.The electric power calculates the in common use company of Microchip of the electric circuit adoption of list mutually the electric power calculates the chip MCP3906 composing, sampling the way to get the electric voltage electric current quantity through the electric resistance network, lord control the electric circuit take the PIC16F73 of the company of Microchip as the core, completing the power to convert, electricity quantity total amount, key examination, temperature examination, show and to actually and always the operation of the clock.Adopt the C language plait distance, make the procedure mold piece turn, more convenient in maintenance.Keyword: Microprocessor, The electric power calculate, Power目錄摘 要1第一章 緒 論3第二章 硬件設(shè)計42.1系統(tǒng)方框圖42.2各部分電路詳細(xì)介紹62.2.1單片機(jī)PIC16F7362.2.2 電能計量芯片MCP3906A92.2.3實時時鐘芯片PCF8583112.2.4 測溫芯片AD7416132.2.5 液晶顯示屏12232F162.2.6防掉電存儲器24C0217第三章 算法分析和軟件設(shè)計193.1主程序流程圖：203.2按鍵掃描流程圖：21第四章 電路調(diào)試及問題分析234.1 電源部分測試234.2 測溫偏差244.3 系統(tǒng)參數(shù)與使用方法24參考文獻(xiàn)25附錄26附錄一：電原理圖27附錄二：PCB與PCB字符圖28附錄三：實物圖29第一章 緒 論隨著社會不斷發(fā)展，人們的生活已經(jīng)離不開用電，并且用電量逐年增加，日趨緊張。在能源緊張的今天提倡科學(xué)用電顯得尤為必要，所謂科學(xué)用電就是更加合理有效的用電，目前全國推廣的錯峰用電、節(jié)能電器等都是為了科學(xué)用電而采取的措施。對于一般居民來講，主要的用電器就是各類大小黑色白色家用電器，家電的用電情況只能通過入戶電表來反映，但是電表只能反映出整個家庭用電的總和，并不能準(zhǔn)確的了解每件家電的耗電情況，簡單的說就是到底家里的電器中誰是“耗電大戶”，誰在偷偷的浪費自己的電費，用戶都不容易知道，尤其目前普通家庭中家用電器繁多，最少也有七、八件，很多電器并不是均勻耗電，如冰箱、空調(diào)等，很多電器關(guān)機(jī)后在待機(jī)狀態(tài)時仍然在耗電，用戶更是難以分辨這些電器的耗電情況。清楚地了解每件家電的耗電情況可以使用戶更加合理有效的用電，對于待機(jī)耗電多的電器在不用時徹底關(guān)閉等等。逐步養(yǎng)成良好的用電習(xí)慣，對于用戶自己可以明顯節(jié)約電費支出，對于社會可以有效的緩解用電緊張的局面。家用電器電量測量器就是針對以上問題設(shè)計的，它可以連接一件或若干件被測電器，隨時查看功率、耗電度數(shù)、電費、用電時間等內(nèi)容，由于測試精度較高，它可以測試小到電風(fēng)扇、充電器等數(shù)瓦，大到空調(diào)、熱水器等數(shù)千瓦的電器的用電情況。本測量器備有實時時鐘，溫度檢測，實現(xiàn)功能的多樣化，使之更為實用。第二章 硬件設(shè)計2.1系統(tǒng)方框圖本系統(tǒng)主要由電能計量電路和主控制電路兩部分構(gòu)成。電能計量電路采用常用Microchip公司的單相電能計量芯片MCP3906構(gòu)成，采樣方式是通過電阻網(wǎng)絡(luò)得到電壓電流量，主控制電路以Microchip公司的PIC16F73為核心，完成功率換算、電量累計、按鍵檢測、溫度檢測、顯示以及對實時時鐘的操作。圖2.1原理方框圖圖2.2電原理圖2.2各部分電路詳細(xì)介紹2.2.1單片機(jī)PIC16F73圖2.3 PIC16F73引腳功能圖Microchip 公司生產(chǎn)的PIC16F73 是一款基于EPROM 的8 位高性能微控制器。與其它價格相當(dāng)?shù)奈⒖刂破飨啾?它在執(zhí)行速度和代碼壓縮方面都有很大的改進(jìn)。由于隨時可以買到需要的OPT(一次性編程) 產(chǎn)品,因而縮短了利用PIC16F73 進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的周期。PIC16F73 微控制器所具有的優(yōu)越性能主要歸功于它的精簡指令集(RISC) 和所采用的哈佛(Harvard) 結(jié)構(gòu),它具有分離的程序存儲器空間(12 位寬指令) 和數(shù)據(jù)存儲器空間(8 位寬數(shù)據(jù)) 。同時可運用兩級流水線指令進(jìn)行取數(shù)和執(zhí)行,除了跳轉(zhuǎn)指令需要兩個周期外,其余所有的指令都可在單周期內(nèi)執(zhí)行。PIC16F73 分離的程序和數(shù)據(jù)空間可使指令字優(yōu)化為任意寬度,從而使指令具有單字長的特性,且允許指令碼的數(shù)據(jù)位數(shù)多于8 位,這樣,就可達(dá)到2 :1 的代碼壓縮和4 :1 的速度。結(jié)構(gòu)特點及工作原理：PIC16F73 是PIC16xx 系列微控制器中的一種,它由高性能RISC 結(jié)構(gòu)的CPU 、存儲器、I/ O 接口和復(fù)位電路等組成。(1) 外部結(jié)構(gòu)特點: PIC16F73 是28 腳雙列直插式大規(guī)模集成芯片。各引腳功能如下:OSC1/ CL KIN :為晶體振蕩器輸入/ 外部時鐘源輸入引腳。OSC2/ CL KOU T : 晶體振蕩器輸出/ 外部時鐘源輸出引腳。在晶體振蕩器方式下,接晶體或陶瓷振蕩器;在RC 振蕩方式,輸出1/ 4fosc。MCLR/ Vpp :芯片復(fù)位/ 編程電壓輸入腳,復(fù)位時,低電平有效RA0/AN0 RA5/ AN4/ SS : 復(fù)用引腳, RA0 RA3RA5 為雙向數(shù)據(jù)線;AN0AN4 為A/ D 輸入輸出通道;RA5/ AN4/ SS 還可作為同步串口使用。RA4/TOCKI 為雙向數(shù)據(jù)線,還可作為定時/ 計數(shù)器時鐘輸入。RB0RB7 :B 口雙向數(shù)據(jù)信號線,其引腳含有可控的弱上拉電阻。其中,RB4/ INT 可作為外部中斷輸入端;RB4RB7 可產(chǎn)生變化中斷;RB6 可作為串行編程的時鐘端; RB7 可作為串行編程的數(shù)據(jù)端。RC0 RC7 : 復(fù)用引腳,為C 口雙向數(shù)據(jù)信號線,C 口引腳均為多功能復(fù)用引腳。RC0/ T1OS0/ T1CK1 :可選擇TMR1 振蕩器輸出或TMR1 時鐘輸入;RC1/ T1OS1/ CCP2 :可作為TMR1 振蕩器輸入或捕捉器2 輸入/ 比較器輸出/ PWH2 輸出;RC2/ CCP1 :可作為捕捉器1 輸入/ 比較器輸出/ PWH1 輸出;RC3/ SCK/ SCL : 可作為同步串行時鐘輸入/SPI 的I2C 方式輸入;RC4/ SDI/ SDA :可作為SPI 數(shù)據(jù)輸入( SPI) 或數(shù)據(jù)I/ O( I2C) ;RC5/ SDO :可作為SPI 數(shù)據(jù)輸出(SPI) ;RC6/ TX/ CK:可以作為異步發(fā)送或SCI 同步時鐘線;RC7/ RX/ DT :可以作為異步接收或SCI 同步數(shù)據(jù)線。內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點:高性能CPU 。僅35 條單字指令,采用的時鐘頻率為20 MHz ,指令周期為200 ns ;具有8 級深度的硬件堆棧;具有中斷能力,有11 個中斷源;帶有片內(nèi)RC 振蕩器的看門狗(WDT) ;具有程序保密位,可防止非法拷貝;具有低功耗SL EEP 方式, 功率低, 采用高速CMOS EPROM 工藝制造;可選擇不同的振蕩器方式;工作電壓為3. 06. 0 V。分離的程序和數(shù)據(jù)空間。該PIC 器件帶有13位程序存儲器,最大尋址能力為8 k 14 位,用戶存儲空間(00000FFFh) 共4 k 14 位。當(dāng)訪問大于以上地址范圍的物理存儲空間時,可采用滾動循環(huán)訪問方式。數(shù)據(jù)存儲區(qū)分為兩個存儲體Bank0 和Bank1 ,每個存儲體又由通用寄存器和專用寄存器構(gòu)成。當(dāng)狀態(tài)寄存器中的RP0 位為0 時,選中Bank0 ;RP0 為1 時選中Bank1 。每個存儲體最大可以擴(kuò)展到7Eh(128 個字節(jié)) 。在每個存儲體中,專用寄存器被安排在低空間,用SRAM 實現(xiàn)的通用寄存器被安排在高地址空間。專用寄存器中含有A/ D 的寄存器。完善的串行通信接口( SCI) , SCI 利用RC6 和RC7 兩個引腳來作為通信線的二線制串行通信接口。它們可被定義為三種方式:全雙工異步方式、半雙工同步主控方式和半雙工同步從動方式。SIC 部件含有兩個8 位的可讀寫狀態(tài)和控制寄存器,分別為發(fā)送和控制寄存器TXSTA、接收和控制寄存器RCSTA。片內(nèi)器件模塊,有3 個定時/ 計數(shù)器和3 個雙向I/ O 口。含有16 位捕捉/ 比較/ PWM 模塊。其中捕捉器的最大分辨率為12. 5 ns ;而比較器的最大分辨率為200 ns ;PWM 的分辨率為10 位。在8 位單片機(jī)中 在PIC 與51 系列單片機(jī)的比較PIC 的堆棧結(jié)構(gòu)是硬件固定的，PIC16F877A 有8 級深度的硬件堆棧，51 系列單片機(jī)的堆棧結(jié)構(gòu)是在RAM 區(qū)，由程序指定SP 的開始位置。PIC 的RAM 區(qū)每個Byte 的位都可以尋址，有4 條專用的位操作指令和2 條移位指令。51系列單片機(jī)的只有0x20 到0x2F 的Bytes 的位是可以尋址，有17 條專用的位操作指令和4條移位指令。PIC 的ROM 和RAM 是采用“頁”結(jié)構(gòu)的，每頁為512 個Bytes，通過STATUS 的位來選擇不同的頁，在程序調(diào)用和變量尋址的時候，要先確定目標(biāo)的頁，使有起來不是很方便。51系列單片機(jī)的ROM 是可以在64K 范圍內(nèi)尋址的，可程序直接尋址調(diào)用；RAM 在0 到0x7F可以直接尋址或間接尋址，0x80 以上地址的RAM(包括擴(kuò)展的RAM)只有間接尋址。2.2.2 電能計量芯片MCP3906A圖2.4 MCP3906引腳功能圖MCP3905/06 器件為電能計量IC，支持國際電能計量標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范IEC62053?？商峁┡c平均有功功率成比例的頻率輸出，以及與瞬時功率成比例的高頻輸出用于電表校準(zhǔn)。這兩款器件包含兩個16 位- ADC，可用于各種IB 和IMAX 電流和小分流器（200 ）的電表設(shè)計。芯片包含一個超低溫漂移（ 4,000V 擦寫次數(shù)可達(dá)1,000,000 次 數(shù)據(jù)保存超過200 年每一個24XX 器件都支持雙向、2線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。如果器件被定義為發(fā)送器，則該器件發(fā)送數(shù)據(jù)到總線；如果器件被定義為接收器，則該器件接收來自總線的數(shù)據(jù)?？偩€由主器件控制， 24XX 作為從器件。主器件提供串行時鐘（SCL），控制總線訪問和產(chǎn)生起始和停止條件。主器件和從器件皆可作為發(fā)送器或接收器，但必須由主器件決定采取何種工作模式。第三章 算法分析和軟件設(shè)計在本程序中，需要實現(xiàn)的功能包括顯示、讀取按鍵、讀取溫度、讀取時鐘、蜂鳴器管理、讀取功率信息等，各部分功能模塊化編程，方便程序管理。系統(tǒng)采用時間輪轉(zhuǎn)方式執(zhí)行各任務(wù)，每個功能模塊為一個任務(wù)，各任務(wù)沒有區(qū)分任務(wù)等級，按照各自的時間片運行。因此各任務(wù)的執(zhí)行間隔是確定的，如按鍵掃描，每隔5ms執(zhí)行一次，可以確保讀取按鍵的可靠性。各任務(wù)的時間基準(zhǔn)由定時器中斷產(chǎn)生，在中斷中計算各任務(wù)所需要的時鐘，各任務(wù)在主程序中判斷任務(wù)標(biāo)志而執(zhí)行。主程序流程圖：按鍵掃描流程圖：/*/*讀取按鍵 */*void key_search(void)TRISC1=1;/按鍵的輸入口TRISC3=1;key_new=PORTC|0b11110101;/屏蔽其它端口的值key_new=key_new;if(key_new!=0)&(key_old=key_new)nokey_cnt=0;/無擊計數(shù)清0 key_cnt-; if(key_cnt=0)key_cnt=KEY_TIME2;/連擊延時 key_code=key_old;key_long+; if(key_long=KEY_TIME_L)key_code=key_code;/長擊 if(key_longKEY_TIME_L)key_long=KEY_TIME_L+1;key_code=0;/等待釋放else key_old=key_new; key_cnt=KEY_TIME1;/初鍵消抖時間 key_long=0; if(nokey_cnt=NOKEY_TIME)key_code=0xFF;nokey_cnt+;/無擊鍵值為0xFF其它任務(wù)的工作流程略。第四章 電路調(diào)試及問題分析在搞本次的畢業(yè)設(shè)計中，遇到了很多的問題。無論是硬件問題還是軟件在制作過程中都出現(xiàn)了不少問題但最后還是把問題一一解決了，但這個過程序我學(xué)到了不少的知識。使無論軟件和硬件方面都得到很大的提高。做好硬件電路之后要測試一下硬件電路有無出現(xiàn)問題，首先檢測一下單片機(jī)硬件電路工作是否正常，單片機(jī)正常工作三個基本的條件就是：單片機(jī)時鐘有無起振，二復(fù)位電路是否正常，電源電壓是否正常。為了測試單片機(jī)的硬件是否正常我通常是一個確定是正常的單片機(jī)，然后編寫一些簡單的程序來測試單片機(jī)是否正常工作，這個測試很重要的，若不進(jìn)行這一步。而你的硬件一開始就不正常，你就不知道是軟件問題還是硬件電路。至于其它硬件電路就根據(jù)具體器件來檢測了它是否正常工作。當(dāng)所有硬件都沒有問題的時候，就可以正式編寫軟件。4.1 電源部分測試 本電路供電供電的是阻容降壓， 這一類的電路通常用于低成本取得非隔離的小電流電源。它的輸出電壓通?？稍趲追饺畮追≈祽?yīng)用，其值取決于所使用的齊納穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓電壓。所能提供的電流大小正比于限流電容容量。采用半波整流時，每微法電容可得到電流（平均值）為：（國際標(biāo)準(zhǔn)單位） I = 0.44*V/Zc= 0.44*220*2*Pi*f*C = 0.44*220*2*3.14*50*C= 30000C = 30000*0.000001= 0.03A= 30mA f為電源頻率單位HZ；C為電容容值單位F法拉；V為電源電壓單位伏；Zc=2*Pi*f*C為阻抗阻值單位歐姆。一般地，此類電路全波整流雖電流稍大，但是因為浮地，穩(wěn)定性和安全性要比半波整流型更差，所以用的更少。 本電路消耗電流（實測值）如下：LCD背光燈消耗電流：70mA蜂鳴器工作時消耗電流：20mA其它電路消耗電流：9mA共需消耗電流99 mA電路中選用的降壓電容為1uF/630V，額定提供的電流為30mA，明顯不足以供應(yīng)整個電路的工作。有兩個解決辦法：加大供電功率或降低系統(tǒng)功率。因本系統(tǒng)為測量儀器，自身消耗不能太大，所以不能采用加大供電功率的方法，只能采用降低系統(tǒng)功耗來解決問題。解決方法：使用脈沖調(diào)寬信號來驅(qū)動LCD背光和蜂鳴器，占空比約為30%，背光亮度降低，工作電流明顯減少。實測整個系統(tǒng)工作電流約為22mA，此電流在供電的額定電流范圍內(nèi)，工作電壓穩(wěn)定。4.2 測溫偏差系統(tǒng)測溫采用AD7416集成芯片，芯片在工作時自身的溫升為0.5度，但在實測中發(fā)現(xiàn)，在工作時其溫度會緩慢上升，產(chǎn)生比室溫高出35度的飄移。在開始通電時，測量溫度與對比溫度相同，證明AD7416的通信接口與測溫傳感器沒有問題，但是溫升飄移從哪里來的呢？經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，AD7416為SOIC封裝，緊貼在電路板上，因此電路板上的溫度變化直接影響其測溫值，并且芯片的安裝位置與電源部分相隔較近，電源部分的元件產(chǎn)生的熱量，通過電路板傳遞到AD7416上，使其溫度上升。解決方法：