家用電器耗電測試計 終稿

1、北京印刷學院畢業(yè)設計（論文）摘 要本電路是基于家用電器耗電量計量的家用電器耗電測試電路設計，選用8位單片機P89V51RD2作為主控芯片。本次設計的家用電器耗電測試電路為八個部分：電能計量部分、電壓采樣電路、電流采樣電路、單片機控制電路、電源電路、顯示電路、實時時鐘電路、模式設定電路。此系統(tǒng)主要設計思想就是利用ADE7755作為電能計量核心，處理經(jīng)過采樣電路獲得的信號，再把輸送進入單片機進行處理，利用E2PROM儲存的數(shù)據(jù)處理信息。通過數(shù)碼管進行顯示。還可通過按鍵選取不同的計量方式，獲得不同的計量信息。本電路功能齊全，使用方便，用戶可根據(jù)不同的方式進行測試，隨時查看被測電器的耗電量，電費金額，

2、用電時間等信息， 關鍵詞：單片機 ADE7755 數(shù)碼管 E2PROMABSTRACTThe circuit design of household appliances household appliances power consumption test circuit power consumption measurement based, uses the 8 bit MCU P89V51RD2 as the main control chip. Household appliances

3、 power consumption test circuit the design into eight parts: the electric energy meteringsection, a voltage sampling circuit, current sampling circuit, single-chip microcomputer control circuit, power supply circuit, display circuit, real-time c

4、lock circuit, the mode setting circuit. The main idea is to use the ADE7755 design of the system as the core of electric energy metering, processing signal obtainedafter sampling circuit, then the processed transport into the

5、 microcontroller, data processing using E2PROM storage. For through the digital tube display. Also canchoose different measurement methods through the button, to obtain the measurement information of different.Key Words: inverter ADE77

6、55 digital tube E2PROM目錄1 緒論 1.1 課題背景和意義 1.2 家用電器耗電測試電路目前現(xiàn)狀1.3 本畢業(yè)設計（論文）課題任務的內(nèi)容與工作要求2 電器電功率測量原理2.1電功率測量原理2.1.1 電度表的測量與工作原理2.1.2 多功能萬用表2.1.3測試電功率的鉗形表2.2 本次設計的電能計量電路的設計方案2.2.1 主要面向人群2.2.2 主要設計方案3 家用電器耗電測試電路的硬件電路設計3.1 電能計量部分3.1.1 ADE7755功能特點3.1.2 管腳說明3.1.3 ADE7755的工作原理3.1.4 功率因數(shù)的考慮3.1.5計量電路的設計方案3.1.6 硬

7、件原理圖3.2電壓電流采樣部分3.2.1電壓采樣電路設計方案與電路原理圖3.2.2電流采樣電路設計方案與電路原理圖3.3單片機控制電路部分3.3.1 P89V51RD2的功能特點3.3.2 P89V51RD2的管腳說明3.3.3 24LC01的功能特點與管腳說明3.3.4 利用24LC01存儲數(shù)據(jù)的實現(xiàn)方法3.3.5 單片機及外圍電路的設計方案3.3.6 單片機及外圍電路原理圖3.4電源電路3.4.1 電源電路的設計方案3.4.2 電源電路的電路原理圖3.5顯示電路3.5.1 MAX7291的功能特點3.5.2顯示電路的設計方案3.5.3顯示電路的電路原理圖3.6 實時時鐘電路3.6.1時鐘電

8、路設計方案3.6.2鐘電路電路原理圖 3.7模式設定電路3.7.1 模式選擇電路設計方案3.7.2 模式選擇電路的電路原理圖4 家用電器耗電測試電路的程序設計4.1 主程序4.2 按鍵檢測子程序4.3 顯示子程序4.4 外部中斷0服務程序4.5 外部中斷1服務程序4.6 定時器1溢出中斷服務程序5 家用電器耗電測試計電路的制作與調(diào)試5.1 電路結構設計與制作5.1.1電路原理圖的繪制5.1.2 印制電路（PCB）板設計5.2 安裝與調(diào)試5.2.1 系統(tǒng)安裝5.2.2 電路的調(diào)試6 總結7 參考文獻附錄一：家用電器耗電測試電路的控制原理圖附錄二：家用電器耗電測試電路的計量電路原理圖附錄三：家用電

9、器耗電測試電路的顯示電路原理圖9 致謝1 緒論1.1課題背景和意義隨著社會不斷發(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。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，很多電器關機后在待機狀態(tài)仍然在耗電，用戶更是難以分辨這些電器的耗電情況。 清楚的了解每件家電的耗電情況可以使

10、用戶更加合理有效的用電，例如在電費計費峰值時段（對于復費率計費的用戶）盡量避免長時間使用耗電多的電器，對于待機耗電多的電器在不用時徹底關閉等等。逐步養(yǎng)成良好的用電習慣，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。 1.2 家庭電功率計量與家用電器耗電測試電路目前現(xiàn)狀家庭電功率計量主要是采用家用電表，家用電表一般稱單相電能表(電度表)，是用來測量每個家庭消耗的電能的總量的計量設備。家用電度表的缺陷有很多，除了較容易出現(xiàn)機械故障外，家用電度表并不能單獨測量單個用電器的某段時間內(nèi)的用電量。雖然現(xiàn)在已經(jīng)開始使用只能電表作為新一代的家用電表，但是依然沒有解決單獨測量這個問題，

11、智能電表只是多了與供電單位的數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。完全無法使用戶了解家庭內(nèi)某一用電器的具體用電量。1.3 本畢業(yè)設計（論文）課題任務的內(nèi)容與工作要求本畢業(yè)設計要求實現(xiàn)家用電器耗電測試計的設計。本設計的主要結構分為控制電路，計量電路，顯示電路。計量電路采用ADE7755為計量核心。工作要求：1、充分了解對某一電器耗電情況，以及進行電能計量的功能與需求。2、以單片機為控制系統(tǒng)整體的方案設計。3、進行系統(tǒng)的電路設計。4、電路原理圖設計、編寫程序。5、元器件的選擇與電路的設計搭建，系統(tǒng)調(diào)試。2 電器電功率測量原理及系統(tǒng)方案設計2.1電功率測量原理 電功率包括直流功率、交流（有功）功率和交流無功功率。按測量對

12、象，電功率測量分為直流功率測量、單相功率測量、三相系統(tǒng)功率測量和無功功率測量。 直流功率測量 直流電功率PUI,U 為被測電路部分兩端的電壓,I 為流過該部分的電流。測量時,可用電壓表和電流表分別測出U 和I,將兩者相乘得到P;也可用功率表直接測得P。若負載電阻R 已知,則只需測出U 或I， 再按公式PU2/RI2R 計算出功率。 單相(有功)功率測量 對于單相正弦交流電路，功率PUIcos，U、I分別為交流電壓、電流的有效值，是電壓和電流相量間的夾角。此功率反映單位時間消耗的能量，所以又稱有功

13、功率。單相功率常采用功率表直接測量，電表的聯(lián)接方法與圖1相同。 圖1:電功率測量三相系統(tǒng)功率測量 對于三相四線系統(tǒng)(圖1),可用3個功率表分別測得A、B、C3條線與中線N之間的功率,即A、B、C三相的功率,將三者相加即為三相總功率。對于三相三線系統(tǒng)，可將兩個功率表接入三條線A、B、C 中的任兩線中。理論證明，兩表讀數(shù)之和即為三相總功率。上述兩種測量方法中，可采用將 3個或兩個功率測量機構裝在一起形成適用于四線制或三線制的三相功率表，電表指示的即為三相總功率。這兩種方法也適用于三相負載非對稱情況。 無功功率測量 單相正弦交流電路中,無功功率QUIsin。將

14、加在單相功率表上的電壓在相位上移后90°，或將流過其中的電流在相位上移前90°,就可利用功率表測量無功功率。2.1.1 電度表的測量與工作原理家用電表一般稱單相電能表(電度表)，是用來測量某段時間內(nèi)所消耗的電能的計量設備。它的工作原理是當電能表的電壓線圈和電流線圈有電流通過時，電壓線圈在其鐵芯中建立磁通，電流線圈在其鐵芯中建立磁通。與電流一起交變的磁通皆穿過鋁盤，并在鋁盤中感應出渦流。該渦流與電壓磁通、電流磁通相互作用，產(chǎn)生推動鋁盤旋轉的轉動力矩，轉動力矩的數(shù)值與負載消耗的有功功率成正比，即：轉動力矩m=負載電壓u×負載電流i×功率因數(shù)cos。電能表的制

15、動力矩是由制動磁鐵產(chǎn)生的，其產(chǎn)生的過程是：當鋁盤在制動永久磁鐵的兩極間轉動時，鋁盤將切割永久磁鐵穿過鋁盤的磁通，在鋁盤中產(chǎn)生電流，該電流與永久磁鐵的磁場相作用，形成制動力矩，這個制動力矩與鋁盤的轉速成正比。當轉動力矩與制動力矩相等時，鋁盤勻速運動，此時電能表所測電量與鋁盤轉速成正比。2.1.2多功能萬用表萬用表的功能，主要就是測試用電器實時的電流大小與加載在用電器兩端的電壓大小，通過觀測這兩個數(shù)值，來自行計算用電器的功率的大小。2.1.3測試電功率的鉗形表鉗形電流表的工作原理是建立在電流互感器工作原理的基礎上的，當握緊鉗形電流表扳手時，電流互感器的鐵心可以張開，被測電流的導線進入鉗口內(nèi)部作為電

16、流互感器的一次繞組。當放松扳手鐵心閉合后，根據(jù)互感器的原理而在其二次繞組上產(chǎn)生感應電流，電流表指針偏轉，從而指示出被測電流的數(shù)值。值得注意的是：由于其原理是利用互感器的原理，所以鐵心是否閉合緊密，是否有大量剩磁，對測量結果影響很大，當測量較小電流時，會使得測量誤差增大。這時，可將被測導線在鐵心上多繞幾圈來改變互感器的電流比，以增大電流量程。2.2 本次設計的電能計量電路的設計方案2.2.1 主要面向人群 本次設計的電能計量電路主要就是價格低廉，測量方便，對于一般家庭來說，非常方便。尤其是對于那些想知道家里某一個電器的具體用電情況的家庭來說，本次設計的電能計量電路是最好的選擇。2.2.2 主要設

17、計方案 本電路主要由八部分構成,分別是能計量部分、電壓采樣電路、電流采樣電路、單片機控制電路、電源電路、顯示電路、實時時鐘電路、模式設定電路構成。具體如圖2所示：電能計量電路電流采樣電路電壓采樣電路單片機控制電路模式設定電路顯示電路實時時鐘電路電源電路 圖2：系統(tǒng)設計框圖從原理上講，家用電器耗電測試電路其實就是一臺功能特殊的單項電能表。電能表按結構及工作原理可以分為感應式電能表和電子式電能表。感應式電能表即傳統(tǒng)的機械結構電能表，已經(jīng)有上百年的歷史了，雖然它在技術上已經(jīng)非常成熟，但仍存在一些明顯的缺點，如使用中會有機械磨損、抄表方式單一落后、容易竊電、無法滿足復費率計費要求等，目前已經(jīng)趨于淘汰。

18、電子式電能表采用專用集成電路對電壓和電流進行采樣并將采樣結果處理后輸出頻率與有功功率成正比的脈沖，再由微控制器（MCU）根據(jù)脈沖進行計算，實現(xiàn)電量顯示、抄表等功能，它具有感應式電能表不可比擬的有點，將逐步取代感應式電能表。 家用電器耗電測試計也是采用電子式電能表專用集成電路設計的，常見的電能表專用集成電路的工作院子如圖三所示：數(shù)字頻率轉換器數(shù)字頻率轉換器瞬時有功功率信號CFF2F1電流采樣信號電壓采樣信號差分放大 差分放大模數(shù)轉換器瞬時功率信號低通濾波器號模數(shù)轉換器圖3：電能表專用集成電路工作原理 電流和電壓的采樣信號分別經(jīng)過放大后各送入1個模數(shù)轉換器，之后講轉換得到的數(shù)字量相乘得到瞬時功率信

19、號，再經(jīng)過低通濾波器后就得到瞬時有功功率信號，將其分為2路分別進行累加后通過數(shù)字頻率轉換為脈沖輸出。其中F1、F2這路累加時間較長，輸出脈沖頻率正比于平均有功功率；CF這路累加時間較短，輸出脈沖正比于舒適有功功率，可以用于在負載穩(wěn)定的條件下對系統(tǒng)進行校準。對于使用MCU的電子式電能表設計一般都選擇CF輸出的脈沖信號作為計量脈沖，但CF反應的是瞬時有功功率，計量是應將計量脈沖頻率進一步平均，以消除波紋。MCU可以設定一個積分時間，再次時間內(nèi)對脈沖計數(shù)，顯然平均頻率為： （1）而平均功率有正比于平均頻率，因此在一個積分周期內(nèi)消耗的電能與計量脈沖個數(shù)的關系如下式所示： （2）即電能與脈沖個數(shù)成正比。

20、不難看出，積分時間越長計量脈沖頻率越平均，得到的電能計數(shù)值波動也越小，但顯示的更新也越慢，因而在設計中要根據(jù)實際情況權衡考慮。在家用電器耗電測試計的設計中，積分時間并不是固定的，而是一MCU接收到的4個或8個脈沖為一個積分周期，計量脈沖頻率越高積分時間越短，反之則積分積分時間越長，這樣可以保證在測量功率較大的負載時具有較快的更新速率，在測量功率較小的負載是能夠累計足夠數(shù)量的脈沖對頻率進行平均。由于計量脈沖與單片機控制的計時器并不同步，所以可能會丟失一個脈沖，倒是測量誤差，特別是在輕載的情況下，脈沖數(shù)量少，誤差會更明顯，一次選擇較長的測量時間，是MCU累計更多的脈沖可以有效的較少測量誤差。3 家

21、用電器耗電測試電路的硬件電路設計3.1 電能計量部分電能計量電路，主要采用采用的是電子式電能表專用的集成電路ADE7755為核心。3.1.1 ADE7755功能特點ADE7755是一款適用于單相配電系統(tǒng)的高精度電能計量IC。它可提供基于輸電線電壓和電流計算的瞬時有功功率和平均有功功率。該器件規(guī)范超過IEC61036標準規(guī)定的精度要求。ADE7755中使用的唯一模擬電路是ADC和參考電壓電路。所有其它信號處理（例如乘法和濾波）都是在數(shù)字域實現(xiàn)的。這種信號處理方法可在隨環(huán)境條件和時間變化的很大范圍內(nèi)提供優(yōu)異的穩(wěn)定性和精度。ADE7755是一種高準確度電能測量集成電路,其技術指標超過IEC1036

22、規(guī)定的準確度要求。ADE7755只在 ADC 和基準源中使用模擬電路,所有其它信號處（如相乘和濾波）都使用數(shù)字電路, 這使ADE7755 在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準確度和長期穩(wěn)定性。ADE7755 引腳 F1 和 F2 以較低頻率形式輸出有功功率平均值,能直接驅動機電式計度器或與微控制器（MCU）接口。引腳CF 以較高頻率形式輸出有功功率瞬時值,用于校驗或與MCU 接口。ADE7755內(nèi)部包含一個對 AVDD 電源引腳的監(jiān)控電路。在 AVDD 上升到 4V 之前,ADE7755一直保持在復位狀態(tài)。當AVDD 降到 4V 以下,ADE7755也被復位,此時 F1,F2 和 CF 都沒有輸

23、出。內(nèi)部相位匹配電路使電壓和電流通道的相位始終是匹配的,無論通道1 內(nèi)的高通濾波器（HPL）是接通的還是斷開的。內(nèi)部的空載閾值特性保證 ADE7755在空載時沒有潛動。電流通道提供高增益模式,可直接連接低阻值分流電阻器而不損失動態(tài)范圍。兩通道之間的增益校準在器件外部進行調(diào)整。ADE7755采用SSOP封裝。在各種負載條件下提供低頻（F1/F2）和高頻（CF）同步輸出。3.1.2 管腳說明 ADE7755的內(nèi)部原理圖如圖4所示：圖4：ADE7755內(nèi)部原理圖ADE7755的管腳說明如表1所示表1：ADE7755管腳說明3.1.3 ADE7755的工作原理工作原理 兩個ADC對來自電流和電壓傳感器

24、的電壓信號進行數(shù)字化，這兩個ADC都是16位二階E一模數(shù)轉換器，過采樣速率達900kHzo AD7755的模擬輸入結構具有寬動態(tài)范圍，大大簡化了傳感器接日(可以與傳感器直接連接)，也簡化了抗混疊濾波器的設計。電流通道中的PGA進一步簡化了傳感器接日。電流通道中的HPF濾掉電流信號中的直流分量，從而消除了由于電壓或電流失調(diào)所造成的有功功率計算上的誤差，詳見HPL和失調(diào)影響部分。 有功功率是從瞬時功率信號推導計算出來的，瞬時功率信號是用電流和電壓信號直接相乘得到的。為了得到有功功率分量(即直流分量)，只要對瞬時功率信號進行低通濾波就行了。圖五出示了如何通過對瞬時功率信號進行低通濾波來獲取有功功率，

25、這個設計方案也能正確計算非正弦電流和電壓波形在不同功率因數(shù)情況下的有功功率。所有的信號處理都是由數(shù)字電路完成的，因此具有優(yōu)良的溫度和時間穩(wěn)定性。圖5：獲取有功功率 AD7755的低頻輸出是通過對上述有功功率信息的累計產(chǎn)生，即在兩個輸出脈沖之間經(jīng)過長時間的累加，因此輸出頻率正比于平均有功功率。當這個平均有功功率信息進一步被累加(例如通過計度器累加)，就能獲得電能計量信息。CF輸出的頻率較高，累加時間較短，因此CF的輸出頻率正比于瞬時有功功率，這對于在穩(wěn)定負載條件下進行系統(tǒng)校驗是很有用的。3.1.4 功率因數(shù)的考慮上述從瞬時功率信號獲取有功功率信息的方法(即低通濾波)對于電壓和電流信號不同相的情況

26、也是有效的。圖6出示了相移功率因數(shù)(PF)等于1和0. 5兩種情況，后者也就是電流信號滯后于電壓信號600。假設電壓和電流波形都是正弦的，那么瞬時功率信號中的有功功率分量(即直流分量)為: （3）圖6:用瞬時功率信號的直流分量表示有功功率信息PF<13.1.5計量電路的設計方案電能計量電路采用電子式電能表專用的集成電路ADI的ADE7755為核心。為了防止采樣的失真（出現(xiàn)混疊現(xiàn)象），電路在電流和電壓通道的輸入端設計了抗混疊濾波器。濾波器由1個1K電阻和1個0.033F電容組成，是典型的低通濾波器，它在900kHz的頻率下衰減大于40dB，可以有效的衰減輸入信號中的高頻分量，減小了內(nèi)部AD

27、C采樣頻率（900kHz）附近（鏡像頻率落入有用頻帶）的高頻分量對有用頻帶（02kHz）內(nèi)信號采樣結果的影響。對于電壓通道，即使將所有跳線都短路，由于R111和R112的存在，分壓網(wǎng)絡的總阻值仍遠大于R6，不會對低通濾波器的特性有影響。ADE7755輸出計量脈沖的頻率與電流和電壓通道輸入電壓的關系如下式所示： （4）式中：FF1、F2輸出的脈沖頻率（Hz）； V1電流通道差分輸入電壓有效值（V）； V2電壓通道差分輸入電壓有效值（V）； G電流通道可編程增益放大器增益； F1-4主時鐘分頻后的頻率（Hz），分頻系數(shù)可以通過S0，S1選擇； VREF參考電壓（V），這里為2.5V±8%

28、。根據(jù)家用電器耗電測試計設計的設計指標以及ADE7755數(shù)據(jù)表推薦的一般電能表設計劉成選擇F1-4為3.4Hz，S0和S1則對應設置為1和0，將SCF設置為0是CF輸出脈沖的頻率事故F1、F2的32倍。按設計指標中儀表常數(shù)的要求，F(xiàn)1、F2每千瓦時應輸出100個脈沖，即在1kW的負載下F的理論值為0.02778Hz。電路校準時，當校準電流和電壓確定后式3中各個變量除了V2外均不能調(diào)整，因此校準時的過程就是通過調(diào)整分壓電阻使V2逼近理論值的過程。假設校準電流為5A,校準電壓為220V,通過計算可以得出此時F的理論值為0.03056Hz,V1為1.75mV,由式3可以進一步計算出V2的理論值為24

29、8.9mV。在此情況下，校準后V2的實際值等于或非常接近248.9mV。3.1.6 硬件原理圖圖7：計量電路原理圖ADE7755的工作電流很小，所以電源電路中采用了成本低廉的電容降壓的方式。市電的大部分電壓都落在C102上，降壓后經(jīng)過整流濾波電路送入穩(wěn)壓電路78L05，輸出的5V電壓作為ADE7755的工作電壓。為了避免電磁干擾，電路中信號輸入端使用了磁珠，壓敏電阻RV101用于吸收浪涌電流，使電路更可靠的工作，計量脈沖輸出通過光電耦合器OP101進行隔離，便于與其他電路連接。LED101與計量脈沖的輸出是同步的，可以用來監(jiān)測電路是否正常。3.2電壓電流采樣部分3.2.1電壓采樣電路設計方案與

30、電路原理圖為了降低成本同時也便于校準，電壓測量沒有使用電壓互感器，而是直接用電阻將電網(wǎng)電壓分壓，分壓電阻網(wǎng)絡有組織從大到小的若干個電阻構成，在校準時通過跳線短路不同的電阻，是電壓通道差分輸入電壓滿足要求。這里使用了多個電阻而沒有用電位器是為了使電路工作更穩(wěn)定可靠。按公式（3）中的參數(shù)，當負載在220V的電壓下工作，所有的跳線都短路時電壓通道差分輸入電壓有效值為332.8mV，其最大值不會超多數(shù)據(jù)表中規(guī)定的滿幅電壓（±660mV）并具有一定余量。圖8：電壓采樣電路原理圖3.2.2電流采樣電路設計方案與電路原理圖電流的測量可以選擇電流互感器或者分流器，前者是電流測量的常用的器件，在電能表

31、中使用電流互感器可以使電能表承受更大的電流而且功耗很低，但使用分流器可以是成本更低而且不會出現(xiàn)磁飽和或影響相位，此外ADE7755內(nèi)部電流通道具有可編程增益放大器，允許使用小阻值的分流器，所以這里采用分流器測量電流。分流器實際上就是一個阻值很小的電阻，一般采用低溫度系數(shù)的錳銅合金材料制成。本電路中選用阻值為350的分流器，在25A的最大工作電流下，功耗約為0.22W。將ADE7755的G0和G1通道均設為1，此時芯片內(nèi)部可編程增益放大器增益為16倍，當負載工作電流為25A的時候，電流通道差分輸入電壓有效值為8.75mV，其最大值不會超過數(shù)據(jù)表中規(guī)定的滿幅電壓（±30mV）并具有一定余

32、量。圖9：電流采樣電路3.3單片機控制電路部分3.3.1 P89V51RD2的功能特點P89V51RD2是一款80C51微控制器，包含64kB Flash和1024字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM 。P89V51RD2的典型特性是它的X2方式選項。利用該特性，設計工程師可使應用程序以傳統(tǒng)的80C51時鐘頻率(每個機器周期包含12個時鐘)或X2方式(每個機器周期包含6個時鐘)的時鐘頻率運行，選擇X2方式可在相同時鐘頻率下獲得2倍的吞吐量。從該特性獲益的另一種方法是將時鐘頻率減半而保持特性不變，這樣可以極大地降低電磁干擾(EMI)。Flash程序存儲器支持并行和串行在系統(tǒng)編程(ISP)。并行編程方式提供了高速的分

33、組編程(頁編程)方式，可節(jié)省編程成本和上市時問。ISP允許在軟件控制下對成品中的器件進行重復編程。應用固件的產(chǎn)生/更新能力實現(xiàn)了ISP的大范圍應用。P89V51RD2也可采用在應用中編程(IAP)，允許隨時對Flash程序存儲器重新配置，即使是應用程序正在運行也不例外。3.3.2 P89V51RD2的管腳說明圖10：P89V51RD2的管腳示意圖 表2：P89V51RD2的管腳說明3.3.3 24LC01的功能特點與管腳說明24LC01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，24LC01作

34、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。圖10：24LC01的內(nèi)部原理圖圖11：24LC01的封裝示意圖表3：24LC01的管腳說明管腳名稱I/O功能描述A0-A2I地址輸入SDAI/O串行數(shù)據(jù)輸入/輸出SCLI串行時鐘數(shù)的據(jù)輸入WPI寫保護VSS-電源負極VCCI電源正極3.3.4 利用24LC01存儲數(shù)據(jù)的實現(xiàn)方法利用24LC01的字節(jié)寫操作來進行數(shù)據(jù)的儲存。字節(jié)寫操作以來自于主器件的起始位開始，4位控制碼緊隨其后（見圖12-1 和圖12-2）。接下來的3 位是存

35、儲塊尋址位（不帶地址輸入引腳的器件）或片選位（帶地址輸入引腳的器件）。然后主發(fā)送器將R/W 位（該位為邏輯低電平）發(fā)送到總線。從器件在第九個時鐘周期產(chǎn)生一個確認位。主器件發(fā)送的第二個字節(jié)是地址字節(jié)（128位到16千位器件）或高位地址字節(jié)（32-512千位器件）。對于32-512千位器件，在高位地址字節(jié)之后傳送的是低位地址字節(jié)。這兩種情況下，24LC01每一個地址字節(jié)作出確認，并把地址位鎖存進器件內(nèi)部的地址計數(shù)器。對于24LC01 器件，只使用地址字節(jié)的低4 位。高4位可為任意值。送出最后一個地址字節(jié)后，24LC01器件發(fā)出確認信號ACK。主器件在接收到該確認信號后

36、即發(fā)送數(shù)據(jù)字，該數(shù)據(jù)字將被寫入已尋址的存儲器位置。24LC01再次發(fā)出確認信號，之后主器件產(chǎn)生停止條件，啟動內(nèi)部寫周期。如果在 WP引腳保持高電平時進行存儲器寫操作，器件會確認命令，但不會啟動寫周期，也不會寫入數(shù)據(jù)，而會立即接受新的命令。寫命令為一個字節(jié)，在發(fā)送寫命令后，內(nèi)部地址計數(shù)器增加，指向下一個要尋址的位置。寫周期期間，24LC01不會對命令進行確認。圖12(1):字節(jié)寫操作:128位至16千位器件圖12(2) 字節(jié)寫操作:32至512千位器件3.3.5 單片機及外圍電路的設計方案單片機選用NXP半導體的80C51系列40腳低功率單片機P89V51RD2。如圖所示，IC401的

37、2個中斷口INT0和INT1分別與電腦計量電路和實時時鐘電路連接，檢測電能計量脈沖和計時脈沖。IC402為串行E2PROM，用于保存電費單價等數(shù)據(jù)，它和實時時鐘電路都采用I2C總線通信，占用兩個I/O口。P0.0P0.6用于檢測7個按鍵，P1.01.3控制顯示電路。3.3.6 單片機及外圍電路原理圖圖13：單片機及外圍電路原理圖3.4電源電路3.4.1 電源電路的設計方案電源電路比較簡單，如圖所示，市電由CON401接入，通過變壓器T401降為交流7.5V。之后經(jīng)過B401整流和C408、C409濾波后得到+V1，再經(jīng)過穩(wěn)壓電路IC403后得到穩(wěn)定的5V電壓。3.4.2 電源電路的電路原理圖圖

38、14: 電源電路的電路原理圖3.5顯示電路3.5.1 MAX7291的功能特點 MAX7219是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅動器，它連接微處理器與8位數(shù)字的7段數(shù)字LED顯示，也可以連接條線圖顯示器或者64個獨立的LED。其上包括一個片上的B型BCD編碼器、多路掃描回路，段字驅動器，而且還有一個8*8的靜態(tài)RAM用來存儲每一個數(shù)據(jù)、只有一個外部寄存器用來設置各個LED的段電流。 一個方便的四線串行接口可以聯(lián)接所有通用的微處理器。每個數(shù)據(jù)可以尋址在更新時不需要改寫所有的顯示。MAX7219還允許用戶對每一個數(shù)據(jù)選擇編碼或著不編碼 整個設備包含一個150uA的低功耗關閉模式，模擬和數(shù)字亮

39、度控制，一個掃描限制寄存器允許用戶顯示1-8位數(shù)據(jù)，還有一個讓所有LED發(fā)光的檢測模式。3.5.2顯示電路的設計方案顯示電路部分，MAX7219可以驅動8為數(shù)碼管，本電路只使用了7位，8個單獨的LED作為1位數(shù)碼管與其余6為數(shù)碼管的公共端與MAX7219的DIG6DIG0相連。電路中數(shù)碼管各段與MAX7219的段輸出并非一一對應，因而在使用時只能選擇非譯碼模式。改變R201的阻值可以調(diào)節(jié)各段LED的最大工作電流，從而改變顯示亮度，此外也可以通過軟件修改亮度寄存器的值來調(diào)節(jié)亮度。MAX7219的LOAD、DIN、CLK與單片機相連，單片機用過3個I/O口對其進行控制。CON202用于與本電路相同

40、的電路進行級聯(lián)顯示，增強電路的通用性，是這個電路也可以用于其他制作中。3.5.3顯示電路的電路原理圖圖15：顯示電路電路原理圖3.6 實時時鐘電路3.6.1時鐘電路設計方案實時時鐘電路選用RS5C372A，它具有低工作電壓。低時間保持電壓、低功耗、功能完備、使用靈活等特點，只要電源電壓不低于1.3V，時間數(shù)據(jù)就不會丟失。RS5C372A僅有8個引腳，通過I2C總線控制，它具有兩個中斷輸出，其中INTRA在測試過程中設置為每秒輸出一個脈沖用于計時，INTRB可以設置為輸出32.768kHz的脈沖用于時鐘校準，中斷輸出在不用的情況下應關閉，以降低功耗。晶體的選擇對于時鐘的準確性很重要，最好選擇負載

41、電容為68pF是晶體。3.6.2鐘電路電路原理圖 圖16：時鐘電路原理圖如圖所示，電路斷電后由超級電容（雙電層電容）C501提供后備電源。R501為限流電阻，避免上電時瞬間電流過大損壞超級電容，同時削弱了C501對VDD端電壓上升時間的影響，避免由此造成單片機在期間初始化時無法對IC501操作。后備電源工作時電流極其微弱，所以R501上壓降非常小，功耗極少，幾乎沒有任何影響。D501要選擇低壓降的肖特基二極管，以保證超級電容上有較高的電壓，同時在后備電源工作時不會由于漏電而浪費電能。3.7模式設定電路3.7.1 模式選擇電路設計方案 模式選擇電路非常簡單，就是利用7個按鍵，與單片機的p0.0p

42、0.6相連，通過按鍵，與單片機內(nèi)部程序，來實現(xiàn)模式的選擇。3.7.2 模式選擇電路的電路原理圖圖17：模式選擇電路原理圖4 家用電器耗電測試電路的程序設計家用電器耗電測試計的程序包括主程序，按鍵檢測子程序，顯示子程序，外部中斷0服務程序，外部中斷1服務程序和定時器1溢出中斷程序幾個部分。4.1 主程序主程序的流程圖見下圖，主要由初始化程序和祝循環(huán)程序兩部分組成。單片機初始化完成后執(zhí)行器件初始化程序，對MAX7219和RS5C372A的工作狀態(tài)進行設置。MAX7219設置為非譯碼模式。7位掃描，內(nèi)部PWM亮度調(diào)節(jié)占空比為23/32。RS5C372A的初始化可以參考其數(shù)據(jù)表推薦的流程，首先等待期間

43、內(nèi)部初始化完成，然后通過XSTP位判斷內(nèi)部震蕩是否停止即時間數(shù)據(jù)是否有效，當由于后備電源電壓過低而倒是器件內(nèi)部震蕩停止的時需要對器件進行重新設置，時、分、秒將寄存器初始值均設為0，顯示設為24小時制，各個中斷均關閉。器件初始化程序中還包括一個簡單的用戶自檢程序，自檢是LED及數(shù)碼管全部點亮，最后讀出E2PROM中儲存的電費單價，并設置相關的即參數(shù)的初始值。開始單片機初始化器件初始化設置相關寄存器初始值顯示按鍵檢測 圖18：主程序流程圖NNNNNNNNNYYYYYYYYYNYN按鍵檢測子程序按鍵全部釋放？按鍵按下標志=1？清按鍵按下標志清按鍵定時標志清按鍵使能標志模式鍵按下？清按鍵使能標志置按鍵

44、按下標志按鍵使能標志=1？設置鍵按下？啟動鍵按下？暫停鍵按下？停止鍵按下？增大鍵按下？減小鍵按下？模式鍵處理置按鍵按下標志設置鍵處理置按鍵按下標志啟動鍵處理置按鍵按下標志暫停鍵處理置按鍵按下標志停止鍵處理按鍵使能標志=1？按鍵使能標志=1？置按鍵按下標志置按鍵按下標志裝載按鍵定時值置按鍵定時標志裝載按鍵定時值置按鍵定時標志置按鍵按下標志置按鍵按下標志返回減小鍵處理增大鍵處理4.2 按鍵檢測子程序圖19：按鍵檢測子程序按鍵檢測子程序的流程圖如圖19所示。7個按鍵中，增大鍵和減小鍵比較特殊，這2個按鍵被按下后均會啟動按鍵定時程序，1s后按鍵使能標志置位，允許相應的按鍵再被檢測1次，以后每個200毫

45、秒，按鍵使能標志置位1次，這樣每秒響應的按鍵檢測5次，實現(xiàn)按鍵按下1S后自動連續(xù)執(zhí)行操作的功能。其余5個按鍵為一般操作方式，按鍵按下后只響應1次。各按鍵處理程序主要是根據(jù)不同的模式和狀態(tài)，對相關標志位進行設置并修改保存相關寄存器的值，實現(xiàn)響應的功能。啟動鍵處理程序對實時時鐘進行設置使其輸出計時脈沖，之后將計時使能標志置位，但此時并未允許電能計量，直到第一個計時脈沖到來是由外部中斷1服務程序將電能計量使能標志置位，電能計量才開始，同時計時也從這一刻開始，這樣做可以保證測試實際開始時刻與計時脈沖同步，計時更加準確。4.3 顯示子程序顯示子程序的流程圖如圖20所示，這部分程序的主要人物是：根據(jù)當前的

46、顯示模式計算出相應的顯示數(shù)值并更新狀態(tài)指示，在控制MAX7219完成顯示內(nèi)容的刷新。為了能夠充分合理的利用6位數(shù)碼管進行顯示，程序中根據(jù)不同的顯示模式和數(shù)值設計了對應的顯示格式。在電量和電費的顯示模式下，最初數(shù)碼管顯示格式為“X.XXXXX”（“X”代表1位數(shù)字），當顯示數(shù)值超過9.99999時數(shù)碼管顯示格式變?yōu)椤癤X.XXXX”。在電費單價設置狀態(tài)數(shù)碼管只有后3位顯示，格式為“X.XX”。當電量顯示數(shù)超過99.9975溢出時，數(shù)碼管前五位顯示“Error”。在計時和時鐘顯示模式下數(shù)碼管的顯示格式為“XX.XX.X”，即“時.分.秒”為了符合人們的習慣，“時”的首位如果為0則不顯示。電量、計時

47、和定時的運算比較簡單，而電費金額的計算相對復雜些，如果直接計算電量和單價的乘積將需要更大的寄存器來保存數(shù)據(jù)，同時計算也變得更繁瑣，所以這里用下式來計算： C=EP/100 （5） C=(E/25)P/4 （6）式中，C為電費金額，占用3個字節(jié)；E為電量，占用3個字節(jié)；P為電費單價，占用一個1個字節(jié)。在測試過程中，電量每次更新是E在數(shù)值增加125或25，因此E可以被25整除，在計算時首先通過“3字節(jié)數(shù)/1字節(jié)數(shù)”除法運算求得E/25，顯然計算結果不會超過2字節(jié)，在通過“2字節(jié)數(shù)*1字節(jié)數(shù)”乘法運算將E/25與P相乘，最后通過向右移位的方法完成除以4的運算。如果計算結果超過999999則還需要將計

48、算結果再除以10，計算完成后再將計算結果轉換為BCD碼用于10進制顯示。YYNNN顯示子程序當前為電費顯示模式電量顯示處理狀態(tài)顯示處理顯示數(shù)據(jù)送入MAX7219返回電費顯示處理計時顯示處理時鐘顯示處理當前為計時顯示模式當前為時鐘顯示模式Y圖20：顯示子程序流程圖4.4 外部中斷0服務程序外部中斷0服務程序的主要任務是完成電量的累計，每當電能計量電路輸出1個脈沖產(chǎn)生外部中斷后，這部分程序之行一次，流程圖如下圖。NNNNNYYYYYY外部中斷0保護現(xiàn)場置計量脈沖顯示標志電能計量使能標志=1？電量10倍顯示標志=1？計量脈沖計數(shù)器+1計量脈沖計數(shù)器+1計量脈沖數(shù)=4計量脈沖數(shù)=8計量脈沖計數(shù)器清0計

49、量脈沖計數(shù)器清0電量寄存器=999875？電量寄存器=999975？電量寄存器+125電量寄存器+125置電量溢出標志暫停測試置LED提示標志置電量顯示更新標志恢復現(xiàn)場當電量低于10.0000kWh時每接收到4個脈沖電量寄存器增加一次，對應電量增加0.00125kWh，否則每接收到8個脈沖電量寄存器增加一次，對應電量增加0.0025kWh。中斷返回置電量10倍顯示標志電量寄存器賦值100000圖21：外部中斷0服務程序流程圖N4.5 外部中斷1服務程序測試開始后，實時時鐘每秒輸出1個計時脈沖，由此產(chǎn)生外部中斷，之行一次外部中斷1服務程序。這部分程序主要是實現(xiàn)測試狀態(tài)下計時和定時的功能，流程圖如

50、下：NYNYNYNY外部中斷1保護現(xiàn)場計時使能標志=1？電能計量使能標志=1？計時值+1s當前為定時測試方式？定時時間到？清定時測試標志暫停測試置LED提示更新標志置計時顯示更新標志恢復現(xiàn)場中斷返回圖22：外部中斷1服務程序流程圖置電能計量使能標志4.6 定時器1溢出中斷服務程序定時器1溢出中斷服務程序的主要任務是為按鍵檢測，閃爍顯示及LED的提示等按需要定時處理的程序提供時間基準，每隔1ms執(zhí)行一次，流程圖如下：YNYNYNYNYNYN定時器1溢出中斷保護現(xiàn)場定時器1初值重裝載按鍵定時標志=1？按鍵定時處理設置標志=1？慢閃爍定時處理測試標志=1？快閃爍定時處理LED提示標志=1？LED提示

51、定時處理LED短亮標志=1？LED提示短亮定時處理計量脈沖顯示標志=1？計量脈沖顯示定時處理恢復現(xiàn)場中斷返回圖23：定時器1溢出中斷服務程序流程圖5 家用電器耗電測試計的制版與調(diào)試5.1 電路結構設計與制版5.1.1電路原理圖的繪制根據(jù)前面第2-3章對整個家用電器耗電測試計系統(tǒng)的各個部分的結構設計和計算，本設計采用在Protel99SE 環(huán)境下繪制和設計電路原理圖和 PCB，具體操作過程如下： 1、選擇放置多個電子元器件 選擇需要的元器件，并將它們放在圖紙上。 2、編輯個元器件 如果元器件需要修改屬性，可以執(zhí)行編輯命令，對各元器件進行編輯。 3、精確調(diào)整元器件位置 如果元器件的位置放置很零亂，

52、可以對元器件的位置進行調(diào)整，精確調(diào)整后，就可以線路連接操作，線路連接與接點放置是可以同時進行的。4、連接線路 首先將Wiring Tools 工具欄裝載到當前圖紙，然后執(zhí)行連線命令，也可以執(zhí)行 Place/Wire菜單命令來實現(xiàn)。執(zhí)行該命令后，就可以進行個接點的連線布置。按照以上四個步驟，我們對整個設計中的控制電路，計量電路和顯示電路原理圖分別進行設置。5.1.2 印制電路（PCB）板設計完成了電路原理圖的繪制后，可以直接進入PCB系統(tǒng)設計。其一般步驟如下：1、規(guī)劃電路板 在繪制印制電路板之前，要對電路板有一個初步的規(guī)劃，比如電路板采用多大的尺寸，采用基層電路板，各元器件采用何種封裝形式以及安

53、裝位置等。2、設置參數(shù) 設置參數(shù)主要是元器件的布置參數(shù)、層參數(shù)、布線參數(shù)等等。3、裝入網(wǎng)絡表及元器件封裝 網(wǎng)絡表是電路板自動布線的靈魂，也是電路原理圖設計系統(tǒng)與印制電路板系統(tǒng)設計的接口。因此這一環(huán)節(jié)非常重要。只有將網(wǎng)絡表裝入之后，才能完成對電路板的自動布線。元器件的封裝就是元器件的外形，對于每個裝入的元器件必須有相應的外形封裝，才能保證電路板布線的順利進行。4、元器件的布置 元器件的布局可以讓 Protel99SE 自動布局。規(guī)劃好電路板并裝入網(wǎng)絡表后，用戶可以讓程序自動裝入元器件，并自動將元器件布置在電路板邊框內(nèi)。元器件的布局合理，才能進行下一步的布線工作。5、自動布線 Protel99SE

54、采用世界先進的無網(wǎng)格，基于形狀的對角線自動布線技術。只要將有關的參數(shù)設置得當，元器件的布局合理，自動布線的成功率很高。6、手工布線 自動布線結束后，往往存在令人不滿意的地方，需要手工調(diào)整。5.2 安裝與調(diào)試5.2.1 安裝系統(tǒng)對于剛拿回來的新PCB板，我們首先要大概觀察一下，板上是否存在問題，例如是否有明顯的裂痕，有無短路、開路等現(xiàn)象。如果有必要的話，可以檢查一下電源跟地線之間的電阻是否足夠大。然后就是安裝元件了。相互獨立的模塊，如果您沒有把握保證它們工作正常時，最好不要全部都裝上，而是一部分一部分的裝上（對于比較小的電路，可以一次全部裝上），這樣容易確定故障范圍，免得到時遇到問題時，無從下手。一般來說，可以把電源部分先裝好，然后就上電檢測電源輸出電壓是否正常。如果在上電時您沒有太大的把握（即使有很大的把握，也建議您加上一個保險