基于51單片機的智能電表設(shè)計

1、.PAGE 1摘 要電表表示著人們?nèi)粘Ｓ秒姷亩嗌?，現(xiàn)在每家每戶安裝的根本上是帶有轉(zhuǎn)盤的那種電表，它只能顯示出用電總量。假設(shè)想查看上個月的用電量，只能靠電費單計算得來?，F(xiàn)在已經(jīng)是信息時代了，這種做法很顯然跟不上社會潮流。近幾年來，社會提倡低碳、綠色經(jīng)濟和可持續(xù)開展，在這種思想的推動下，智能電表將會成為社會的潮流。智能電表是在傳統(tǒng)電表的根底上增加了自動化和智能化的功能，從而進一步提高電網(wǎng)的效率、提高供電的可靠性、電能的質(zhì)量并且完善用電戶的效勞，從而更好適應(yīng)電力市場。現(xiàn)在智能電網(wǎng)是全球電力部門研究和討論的熱點話題，智能電表是智能電網(wǎng)中的最重要的環(huán)節(jié)，它支撐著電網(wǎng)的信息化、自動化以及互動化等方面的實現(xiàn)

2、。微處理器是智能電表的最主要的核心器件。它可以儲存海量的檢測數(shù)據(jù)，同時對測量出的結(jié)果進展分析、判斷和處理。本次設(shè)計是運用單片機STC89C52為微處理器、CS5460A芯片進展電能測量和計算、*5045芯片作為外部存儲、數(shù)碼管進展顯示進展設(shè)計的。關(guān)鍵詞 智能電表；自動化；C51單片機；CS5460AAbstractElectricity meter means the number of people everyday electricity, and now every household is basically equipped with the kind of meter, which

3、 can only show the total amount of electricity. To see the power consumption last month, only by electricity single calculated. It is now the information age, and this approach is clearly not social trends.In recent years, the social promotion of low-carbon, green economy and sustainable development

4、, in the promotion of this idea, smart meter will bee the trend of the society. Smart meter is automatic and intelligent function is added on the basis of traditional meter, energy efficiency so as to further improve the power grid, improve power supply reliability, power quality and perfect service

5、 of the users, in order to better adapt to the power market. Now the smart grid is a hot topic in the global power sector research and discussion, the smart meter is the most important part of smart grid, which support the realization of grid informationization, automation and interaction of.The mic

6、roprocessor is the most important core device of the smart meter. It can store vast amounts of detection data and analyze, judge and process the results of the measurement. This design is the use of single-chip microputer STC89C52 and CS5460A chip for power measurement and calculation, *5045 chip as

7、 the e*ternal storage, digital tube display design.Key wordsSmart meterAutomation51 MCUS5460A.1目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc420266904摘要 PAGEREF _Toc420266904 h IHYPERLINK l _Toc420266905Abstract PAGEREF _Toc420266905 h IIHYPERLINK l _Toc420266906第1章緒論 PAGEREF _Toc420266906 h 1HYPERLINK l _Toc

8、4202669071.1 智能電表的概念 PAGEREF _Toc420266907 h 1HYPERLINK l _Toc4202669081.2 智能電表的開展背景 PAGEREF _Toc420266908 h 1HYPERLINK l _Toc4202669091.3 智能電表的構(gòu)造 PAGEREF _Toc420266909 h 2HYPERLINK l _Toc4202669101.4 智能電表的主要特點 PAGEREF _Toc420266910 h 2HYPERLINK l _Toc420266911第2章主要芯片的介紹 PAGEREF _Toc420266911 h 4HYP

9、ERLINK l _Toc4202669122.1 微控制器STC89C51單片機 PAGEREF _Toc420266912 h 4HYPERLINK l _Toc4202669132.1.1 簡介 PAGEREF _Toc420266913 h 4HYPERLINK l _Toc4202669142.1.2 主要特性 PAGEREF _Toc420266914 h 4HYPERLINK l _Toc4202669152.1.3 引腳功能 PAGEREF _Toc420266915 h 4HYPERLINK l _Toc4202669162.2 電能計量芯片CS5460A PAGEREF _

10、Toc420266916 h 6HYPERLINK l _Toc4202669172.2.1 簡介 PAGEREF _Toc420266917 h 6HYPERLINK l _Toc4202669182.2.2 主要特征 PAGEREF _Toc420266918 h 7HYPERLINK l _Toc4202669192.2.3 引腳功能 PAGEREF _Toc420266919 h 7HYPERLINK l _Toc4202669202.3 外部存放器*5045 PAGEREF _Toc420266920 h 8HYPERLINK l _Toc4202669212.3.1 簡介 PAGE

11、REF _Toc420266921 h 8HYPERLINK l _Toc4202669222.3.2 主要特性 PAGEREF _Toc420266922 h 8HYPERLINK l _Toc4202669232.3.3 引腳功能 PAGEREF _Toc420266923 h 9HYPERLINK l _Toc4202669242.4 時鐘芯片DS1302 PAGEREF _Toc420266924 h 9HYPERLINK l _Toc4202669252.4.1 簡介 PAGEREF _Toc420266925 h 9HYPERLINK l _Toc4202669262.4.2 主要

12、特性 PAGEREF _Toc420266926 h 9HYPERLINK l _Toc4202669272.4.3 引腳功能 PAGEREF _Toc420266927 h 10HYPERLINK l _Toc4202669282.5 74HC138譯碼器 PAGEREF _Toc420266928 h 10HYPERLINK l _Toc4202669292.5.1 簡介 PAGEREF _Toc420266929 h 10HYPERLINK l _Toc4202669302.5.2 主要特性 PAGEREF _Toc420266930 h 10HYPERLINK l _Toc420266

13、9312.5.3 真值表 PAGEREF _Toc420266931 h 11HYPERLINK l _Toc4202669322.6 LED數(shù)碼管 PAGEREF _Toc420266932 h 11HYPERLINK l _Toc420266933第3章總體設(shè)計方案 PAGEREF _Toc420266933 h 12HYPERLINK l _Toc4202669343.1 設(shè)計功能要求 PAGEREF _Toc420266934 h 12HYPERLINK l _Toc4202669353.2 智能電表的總體方案設(shè)計 PAGEREF _Toc420266935 h 12HYPERLINK

14、 l _Toc420266936第4章硬件局部的組成 PAGEREF _Toc420266936 h 14HYPERLINK l _Toc4202669374.1 電壓電流采樣模塊的設(shè)計 PAGEREF _Toc420266937 h 14HYPERLINK l _Toc4202669384.1.1 電壓調(diào)理電路 PAGEREF _Toc420266938 h 15HYPERLINK l _Toc4202669394.1.2 電流調(diào)理電路 PAGEREF _Toc420266939 h 15HYPERLINK l _Toc4202669404.2 CS5460A的外部電路 PAGEREF _T

15、oc420266940 h 15HYPERLINK l _Toc4202669414.3 數(shù)碼管連接電路 PAGEREF _Toc420266941 h 16HYPERLINK l _Toc4202669424.4 組合鍵盤連接電路 PAGEREF _Toc420266942 h 16HYPERLINK l _Toc4202669434.5 EEPROM連接電路 PAGEREF _Toc420266943 h 18HYPERLINK l _Toc4202669444.6 時鐘芯片DS1302連接電路 PAGEREF _Toc420266944 h 18HYPERLINK l _Toc42026

16、6945第5章軟件局部的設(shè)計 PAGEREF _Toc420266945 h 19HYPERLINK l _Toc4202669465.1 主程序流程 PAGEREF _Toc420266946 h 19HYPERLINK l _Toc4202669475.2 CS5460數(shù)據(jù)交換方法 PAGEREF _Toc420266947 h 20HYPERLINK l _Toc4202669485.3 時鐘芯片的讀寫流程 PAGEREF _Toc420266948 h 21HYPERLINK l _Toc4202669495.4 外部存放芯片的讀寫流程 PAGEREF _Toc420266949 h

17、21HYPERLINK l _Toc4202669505.5 按鍵掃描流程 PAGEREF _Toc420266950 h 22HYPERLINK l _Toc4202669515.6 數(shù)碼管顯示功能的實現(xiàn)PAGEREF _Toc420266951 h 23HYPERLINK l _Toc420266952結(jié)論 PAGEREF _Toc420266952 h 24HYPERLINK l _Toc420266953參考文獻 PAGEREF _Toc420266953 h 25HYPERLINK l _Toc420266954致 PAGEREF _Toc420266954 h 26HYPERLIN

18、K l _Toc420266955附錄 PAGEREF _Toc420266955 h 27.1第1章 緒論1.1智能電表的概念智能電表它是科技時代的新產(chǎn)物，它能夠進展測量、數(shù)據(jù)處理，因此測量單元、數(shù)據(jù)處理單元是它的重要組成局部。在智能電表這一系統(tǒng)中，它能通過各類型的芯片來進展電能的測量、計算、存儲，并且具有實時監(jiān)控功能和自動控制等功能。和傳統(tǒng)的電能表相比。計量功能是智能電表的最根本的功能，而它本身就是一個電子式的電表，并且它能夠通過端口與外部時鐘進展通訊1。微處理器單片機是智能電表的最主要的核心器件，沒有了它，智能電表就不可以對大量的測量數(shù)據(jù)進展存儲、分析、判斷和處理等功能。智能電表通常具有

19、自動檢測數(shù)據(jù)的功能、數(shù)據(jù)的強大處理功能、數(shù)據(jù)換算和自動調(diào)零功能、并且可以通過操作面板進展人機交流和顯示裝置。本次設(shè)計的智能電表主要運用了微機和通信等兩方面的技術(shù)，為了減少能耗，把采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)等功能運用芯片進展，這樣既可以節(jié)省了本錢以及人力資源，還可以增加其工作的效率，可以滿足了現(xiàn)代的用電戶的需求2。1.2 智能電表的開展背景現(xiàn)在，智能電表主要分為感應(yīng)式、電子式和智能式等類型，而我國又是生產(chǎn)電能表數(shù)量較大的國家，并且我國生產(chǎn)的電能表接近或者根本到達興旺國家的技術(shù)水平，并且我國生產(chǎn)的電能表能夠滿足不用地區(qū)和國家的市場需求，而且我們還有價格優(yōu)勢，因此我國的電能表在全球各市場上有很好的競爭水平。

20、隨著我國電網(wǎng)的不斷智能化，我們對電表之類的電能計量的器件的要求也不斷提高，我國的電網(wǎng)科技和外國在科學(xué)技術(shù)水平上差距不是很大，與此同時它還是低碳經(jīng)濟的最主要組成局部，所以其開展前景是相當(dāng)樂觀的，和國外的同類產(chǎn)品相比，我國的智能電表的作用完善、有規(guī)律、分類式的單價電費和控制負(fù)荷等功能都比其他國家高，這更加能夠滿足我國在電網(wǎng)上現(xiàn)代化智能化建立過程中的需求。目前，我國的用電戶人數(shù)非常之多，根據(jù)2021年的統(tǒng)計，在年底就已經(jīng)有2.3億的用電戶記錄在國家電網(wǎng)公司的效勞系統(tǒng)中，按每戶平均有4個人計算，就有10.4億人口，這么龐大的數(shù)量，要在全國推廣智能電表看來絕非一件簡單的是，它不僅需要龐大的資金，而且還需

21、要大量的人力、物力以及很長的時間來進展。同時，智能電表的功能多樣化和顯示的數(shù)據(jù)種類多，可以給用戶準(zhǔn)備更多的用電效勞，不過更換電表也是就要得到用電戶的同意、體諒和包含，所以用戶也要一個對智能電表進展一定的了解，因此我們就要發(fā)動社會各界的力量來對此進展有效的宣傳3。自從國家電網(wǎng)公司發(fā)布一系列的電網(wǎng)智能化改革的方案之后，有關(guān)電表和智能化、自動化的產(chǎn)業(yè)的開展面臨前所未有的前景。在未來智能電表開展的趨勢可以分為以下幾個方面：1模塊化這樣智能電表維修起來就會非常方便，就算是一個不懂它的人也可以對它進展簡單的維護和修理，只要注意用電平安就行了，并且它具有平安可靠性；2智能電表的多樣化它可以利用多功能控制元件

22、來進展對智能家居的調(diào)控，比方說，我們可以控制空調(diào)的大型耗電設(shè)備在電費相對廉價階段啟動；3計算機的實時控制用電戶可以通過計算機對智能電表的*些功能進展調(diào)控，從而對電表下所有的用電器實行能源管制。1.3智能電表的構(gòu)造根據(jù)智能電表的介紹，不難看出，智能電表是由兩大局部組成，它們分別是軟件局部和硬件局部。我們也可以說它是一個小型化的專用的計算機系統(tǒng)。 在硬件局部上，主要由微處理器單片機、信號的輸入輸出通道、標(biāo)準(zhǔn)的通信口、進展人機交換的通道以及外圍的電路組成。信號的輸入輸出通道主要能夠讓模擬信號以及數(shù)字信號通過，從而與外部進展數(shù)據(jù)交換，輸入輸出通道主要包括傳感器元器件、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、調(diào)理信號電路局部以及模

23、數(shù)轉(zhuǎn)換器。微處理器和它的外圍電路這局部主要是用來儲存數(shù)據(jù)和程序的，并且在單片機里面能夠?qū)?shù)據(jù)進展一定的運算和處理，這局部主要由數(shù)據(jù)存放器和程序存放器以及輸入輸出端口電路的局部組成的。人機交換的通道顧名思義就是人與機器進展互相交流的重要通道，它通常包括鍵盤局部、數(shù)碼撥盤局部、打印機局部、顯示局部等局部構(gòu)成的。標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口很明顯就是用來與計算機進展交流的端口，這些端口方便計算機對被控器件進展有效的控制。在智能電表中，監(jiān)測程序和端口管理程序這兩局部就構(gòu)成了其軟件局部。其中接口管理程序主要是面向通信接口，它的只要作用就是承受并且分析各種各樣的程控碼，主要包括各種操作方式的程控碼、不同功能的程控碼以及

24、各種工作參數(shù)的程控碼等等，以此同時各器件的實時工作狀態(tài)以及不同測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果都會通過通信接口的輸出儀器局部，以這種方法來響應(yīng)計算機的遠程控制指令。而監(jiān)測程序就實現(xiàn)對鍵盤模塊和顯示模塊進展操作，它可以設(shè)定*一按鍵的功能并存儲相應(yīng)的工作參數(shù)和運行方式，它可以通過I/O口對數(shù)據(jù)進展采樣并且設(shè)定好數(shù)據(jù)的類型等參數(shù)，還可以通過相應(yīng)的指令對數(shù)據(jù)存放器中的數(shù)據(jù)和狀態(tài)進展不同的分析處理，最后，當(dāng)數(shù)據(jù)處理完成后，它就可以以各種各樣的形式對分析和處理的結(jié)果進展顯示4。1.4 智能電表的主要特點和機械時的電表進展比照，智能電表包含以下幾個特征：1精度高的測量智能電表能夠很好的運用單片機對命令的執(zhí)行的快速性以及數(shù)

25、模轉(zhuǎn)換花費時間短的特點，能夠?qū)σ粶y量的數(shù)據(jù)進展屢次的測量，然后對每次測量的數(shù)據(jù)進展求平均值，這樣就可以排除*些偶然的誤差以及一些不確定的干擾，它還可以通過微處理器的濾波命令來進展數(shù)字濾波，從而排除一些隨機誤差以及大誤差，用這些方法可以大大的提高測量的精度；2能夠進展間接的測量智能電表中的微處理器可以通過編程來進展各種計算，一些能以測量的數(shù)據(jù)可以通過幾種容易測量的數(shù)據(jù)進展整合和計算來得到；3可以進展自動校正智能電表會在剛上電時就會進展自動校正，而在測量的過程中對系統(tǒng)進展校正，可以減少誤差； 4能夠自動修正誤差；5具有自診能力智能電表本身就具有故障診斷的功能，如果它發(fā)生了故障，就會啟動自診功能，

26、就可以自己檢查出系統(tǒng)哪里出問題；6能夠進展復(fù)雜的控制；7可以通過程序來靈活改變功能；8智能電表的通訊接口通常都是GPIB口或者是RS232口，而這些端口的功能就幫助智能電表進展遠程操控。使其能夠簡單地與計算機或者其他不同儀器結(jié)合在一起，從而根據(jù)不同用戶的不同需要對多種不同數(shù)據(jù)進展的自動檢測，并通過系統(tǒng)的控制來完成5。第2章 主要芯片的介紹2.1 微控制器STC89C51單片機 簡介STC89C51單片機具有低電壓、高性能的特點，它部帶有4K字節(jié)的快速存放器，而他的處理器是8位的。單片機的部只讀存儲器中的數(shù)據(jù)可以重復(fù)擦除的次數(shù)到達1000屢次，單片機的部存儲器主要采用一些高精度的并且不容易的喪失

27、的材料和存儲技術(shù)來制造的。由于單片機部已經(jīng)包含多功能的8位處理器以及快速存放器，所以STC89C51單片機也是一種高效率的微處理器6。其引腳圖如圖2-1所示。圖2-1 STC89C51的引腳圖 主要特性1與MCS-51 相兼容；24K字節(jié)的可編程FLASH存放器；3壽命：可1000循環(huán)寫/擦；4數(shù)據(jù)保存時間：10年；5全靜態(tài)的工作頻率：0Hz-24MHz；6三個級別的程序存放器鎖定；71288位的部RAM；832可編程的I/O線；9兩個是十六位的定時器或者說是計數(shù)器；105個中斷源；11可編程的串行通道；12包含低功耗式閑置以及掉電的功能；13包含片振蕩電路以及片時鐘電路。 引腳功能1VCC：

28、供電電壓。2GND：接地。3P0口：這個端口是一種雙向的數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎/O端口，在單片機的部，在與漏極開路的電路進展連接，所以它的八個引腳都可以吸收8TTL的門電流。假設(shè)當(dāng)它被置為邏輯1時，它就會成為高阻輸入端。又因為它可以用作外部程序存放器，所以這是它會當(dāng)作是數(shù)據(jù)地址的低8位來進展處理。在進展程序編程的時候，它還可以當(dāng)作源代碼直接的輸入端口來使用；如果它用作輸出數(shù)據(jù)時，它每一引腳都必須要在單片機外部連接一個上拉電阻，這樣它才能夠正常使用；或者它可以利用外部鎖存器來輸出數(shù)據(jù)，這是它就不需要連接上拉電阻，但是要在鎖存器的輸出電路上連接電阻。4P1口：這個端口是一類雙向的八位的I/O端口，與P0不同

29、的是它部已經(jīng)與上拉電阻相連，4TTL門電流可以通過它的緩沖器進展接收或者由其發(fā)送出來。如果它被置為高電平時，在單片機的部它就會被提高成高電平，這是它會被當(dāng)作輸入端口使用；如果由于外部的原因，它被拉成邏輯0時，他就會對外輸出一定的電流，這就是因為部為邏輯1。在進展程序編程或者校驗時，它會對數(shù)據(jù)或地址的低8為進展接收或發(fā)送。5P2口：這個端口是一種八位的雙向的I/O口，與P1一樣同的是它部已經(jīng)與上拉電阻相連接，4TTL門電流可以通過它的緩沖器進展接收或者由其發(fā)送出來。如果它置高邏輯1，在單片機部它所對應(yīng)的引腳的電位就是被拉高，并且當(dāng)作輸入端，所以當(dāng)它被當(dāng)作輸入端時，它的管腳外部電位就會相對部被拉低

30、，同時輸出電流。當(dāng)這一端口用作外部程序存放器或是十六位的外部數(shù)據(jù)存放器時候，這時它就會輸出十六位數(shù)據(jù)中的高8位數(shù)據(jù)。如果它的地址是“1的時候，并且進展外部8位地址數(shù)據(jù)讀寫時，它就會很好地運用它的部電位被上拉的優(yōu)勢，輸出它的特殊功能存放器里面的數(shù)據(jù)。當(dāng)進展程序編程和校正時，它口負(fù)責(zé)接收高8位的地址數(shù)據(jù)信號以及局部控制信號。6P3口：這個端口是一個八位的雙向的I/O口，與P1一樣同的是它部已經(jīng)連接了上拉電阻，4TTL門電流可以通過它的緩沖器進展接收或者由其發(fā)送出來。當(dāng)它被置為邏輯1之后，它的每個管腳就會被部上拉電阻上拉成邏輯1，并且當(dāng)作輸入端口。而這組端口在單片機STC89C5都有自己對應(yīng)的第二功

31、種能，如表2-1所示：表2-1 P3口的第二功能I/O端口或位P3口的第二功能該端口的主要作用P3.0R*D串行輸入口P3.1T*D串行輸出口P3.2/INT0外部中斷0P3.3/INT1外部中斷1P3.4T0計時器0外部輸入P3.5T1計時器1外部輸入P3.6/WR外部數(shù)據(jù)存放器的寫選通P3.7/RD外部數(shù)據(jù)存放器的讀選通7RST：復(fù)位輸入。8ALE/PROG：當(dāng)微處理器對外進展存儲器擴展時，當(dāng)它被置為高電平時，它就會啟動單片機的鎖存功能，這時微處理器就會把P0口的數(shù)據(jù)全部放進鎖存器里面，從而進展地址和數(shù)據(jù)隔離；如果它被置為邏輯0時，則微處理器就不會啟動鎖存功能。在單片機沒有與外部存放器進展

32、數(shù)據(jù)交換是，它會把單片機的震蕩頻率分成6分并去其中一分進展輸出，而這個信號可以用作外部時鐘信號；反之，它會再去已分頻率的一半進展輸出。9/PSEN：當(dāng)它被置為邏輯0，就表示外部程序存放器被選通。當(dāng)單片機對外部ROM進展讀取時，兩次/PSEN有效會在同一個機械周期中出現(xiàn)；但是，當(dāng)單片機讀取的是外部RAM時 ，這些有效的/PSEN信號就會被跳過。10EA/VPP：當(dāng)該引腳保持邏輯零時，單片機就會直接讀取外部程序存放器中的數(shù)據(jù)，這是無論在單片機是否存在部程序存放器。否則的話，在存在外部程序存儲器的條件下，首先讀取部程序存儲器的數(shù)據(jù)，再讀取外部的。在進展程序編程時，它會提供為單片機提供12V的燒寫電壓

33、11*TAL1：單片機的片振蕩電路的輸入端口，以及時鐘接入引腳。12*TAL2：單片機的片振蕩電路的輸出端口，以及時鐘接入引腳。2.2電能計量芯片CS5460A 簡介CS5460A 是美國的Crystal system公司生產(chǎn)的一種芯片，它一種專門用來測量電壓電流以及功率電能的芯片，它具有高精度、性能強、低本錢等特點。在CS5460中集成了兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個高度集成的串行接口的的模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及一個能夠高速計算電能的計數(shù)器，因此它能夠準(zhǔn)確測量并且計算出所測電路中的有功電能、電壓電流的有效值以及電壓電流電功的瞬時值，所以它通常會用來研發(fā)三相四線制和單線兩相制電表。CS5460的電壓電流輸入端不能

34、直接測量電力線上的數(shù)據(jù)，它需要通過低本錢的電壓電流互感器來進展變比才能夠進展測量。而CS5460芯片與微處理器是通過串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞竭M展連接的。CS5460還具有“自引導(dǎo)的功能，也就是說它能夠在沒有微處理器的情況下，能夠獨立運行。在此模式下，只要系統(tǒng)上電，它就會自動初始化，并且可以從外部存放器中讀取要校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)以及啟動指令，這樣可以大大的降低本錢，而且CS5460芯片的集成程度要遠遠高于微處理器7。它的引腳如圖2-2所示：圖2-2 CS5460的引腳圖 主要特征1能夠在片進展數(shù)據(jù)計算和處理； 2能夠在沒有微處理器的情況下，在自引導(dǎo)模式中，與外部存放器連接，并且具有電能/脈沖互換功能； 3具有

35、數(shù)模/模數(shù)系統(tǒng)校正的能力；4運用簡單的三線數(shù)據(jù)串行傳輸接口進展數(shù)據(jù)傳輸，讀寫方便； 5具有看門狗定時功能； 6片上 2.5 V 基準(zhǔn)6010-6/OC,單電源 +5 V 或雙向 2.5V10電源； 7具有方向的功率輸出指示； 8可以準(zhǔn)確的檢測和計算出瞬時的電壓電流和功率相應(yīng)的值、周期電能總量和電壓電流的有效值，并且能夠進展電能之間的脈沖轉(zhuǎn)換； 9電能測量精度：0.1%； 10能夠在片進展相位補償和對系統(tǒng)進展校準(zhǔn)； 11片含有機械計度器或者說是步進電機的驅(qū)動器； 12帶電源監(jiān)視器； 13電能數(shù)據(jù)的線性度：在1000 ：1 的數(shù)據(jù)的動態(tài)檢測圍中，電能的數(shù)據(jù)的線性度大約為 0.1%； 14功率消耗1

36、2mW； 15電源配置：VA+=+5V，VA-=0V；VD+=+3V至+5V 或VA+=2.5V，VA-=-2.5V；VD+=+3V。 引腳功能1OUT、*IN：這兩引腳能夠?qū)ο到y(tǒng)時鐘進展輸入輸出，它們之間通常接2.520MHZ的晶振，成為系統(tǒng)時鐘，同時片的分頻單元會把輸入的晶振頻率進展分頻，進而得到不同的時鐘頻率。另外還可以通過*IN管腳對CS5460進展外部時鐘的引入。 2CPUCLK：CS5460芯片部的振蕩電路的輸出端端口。 3SCLK：這是串行時鐘輸入端，我們可以根據(jù)這管腳輸入的串行時鐘的快慢來確定SDI輸入串行端和SDO輸出串行端的傳輸速率。在片，它與一個施密特觸發(fā)器相連，它要在C

37、S有效的時候才會識別出時鐘信號。 4SDO：行數(shù)據(jù)輸出引腳。 5CS:片選引腳。6MODE：這是模式選擇的引腳，如果它被置為高電平時，CS5460就可以與外部串行數(shù)據(jù)存放器組合，并且實現(xiàn)自引導(dǎo)的功能；如果它被置為邏輯零時，CS5460就會與微處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。 7INT：中斷輸出引腳。 8ETOU：電能輸出引腳。 9EDIR：電能方向指示引腳。假設(shè)電能為負(fù)值時，這一端口就會輸出一個信號。 10SDI：串行數(shù)據(jù)輸入引腳。 11VIN+、 VIN-：正負(fù)電壓的差分模擬量的輸入輸出端口。 12VREFOUT：參考電壓輸出引腳。此引腳的電壓相對于VA-為2.5V。 13VREFIN：參考電壓輸入引腳

38、。 14IIN+、IIN-：測量電流的輸入引腳15VD+：數(shù)字電源。 16DGND：數(shù)字地。 17VA+、VA-：正負(fù)電源的差分模擬量的輸入輸出端口。 18PFMON：電源故障監(jiān)測引腳。用于監(jiān)控模擬電源。 19RESET：復(fù)位引腳。2.3 外部存放器*5045 簡介*5045是一種結(jié)合EEPROM功能、看門狗復(fù)位功能、電壓跌落檢測功能等三中功能的三合一的監(jiān)控芯片。它使用SPI總線與處理器進展通信，是在兼有儲存和監(jiān)測的單片機系統(tǒng)中的最正確選擇。它的引腳圖如2-3所示：圖2-3 *5045的引腳圖 主要特性1支持MOTOROLA推出的SPI總線協(xié)議；2具有選重置時間的看門狗定能力；3能夠檢測供電電

39、壓是否跌落以及具有復(fù)位控制功能；45種標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)位電壓；5當(dāng)供電電壓變成1V時，芯片仍然可以保證復(fù)位輸出；6多種芯片可選擇不同的工作電壓；7置4Kbit的EEPROM，可反復(fù)擦寫100萬次；8可對EEPROM數(shù)據(jù)進展全部或分區(qū)保護；9可對硬件和指令寫保護，使數(shù)據(jù)更加平安；10時鐘可達3.3MHZ；11讀寫速度快，16字節(jié)的頁的讀寫速度；12經(jīng)典寫周期為5mS；13商用級溫寬為070攝氏度，工業(yè)級溫寬為-4084攝氏度；146字節(jié)的頁寫入模式；15復(fù)位信號輸出可持續(xù)輸出200MS。 引腳功能1CS/WDI 使能及看門狗復(fù)位輸入；2SO 數(shù)據(jù)輸出可與SI復(fù)用；3WP 寫保護低電平保護；4Vss 參考

40、0電位；5SI 數(shù)據(jù)輸入；6SCK 時鐘輸入；7RESET 重置信號輸出端必須接上接電阻；8Vcc 電源電壓。2.4時鐘芯片DS1302 簡介DS1302是美國達拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種實時時鐘電路的芯片，它具有低功耗、高性能并帶有RAM的特點，它能夠?qū)r、分、秒、年、月、日、周進展準(zhǔn)確的計算，并且能夠計算閏年，它的工作電壓是2.5V到5.5V。它根本上是運用三線的接口與微處理器實現(xiàn)串行通訊。同時，它采用雙電源供電，以防斷電時時鐘能夠繼續(xù)運行。其引腳如圖2-4所示：圖2-4 DS1302的引腳圖 主要特性1能夠?qū)r、分、秒、年、月、日、周進展準(zhǔn)確的計算，并且能夠計算閏年；231*八位數(shù)據(jù)暫存儲

41、RAM；3使用串行I/O 口的通訊方式，大大減少管腳的數(shù)量；4大圍工作電壓2.0到5.5V；5當(dāng)工作電壓為2.0V 時,工作電流應(yīng)該小于300nA；6通過單字節(jié)或者數(shù)組對數(shù)據(jù)進展傳輸；7簡單3 線接口；8與TTL兼容Vcc=5V；9可選工業(yè)級溫度圍-40 到+85；10與DS1202 兼容；11在DS1202 根底上增加新特性；12對Vcc1 有可選的涓流充電能力；13增加的七字節(jié)的數(shù)據(jù)暫存器。 引腳功能1*1 *2 32.768KHz 晶振管腳；2GND 地；3RST 復(fù)位腳；4I/O 數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳；5SCLK 串行時鐘；6Vcc1,Vcc2 電源供電管腳。2.5 74HC138譯碼器

42、 簡介74HC138是一款高速CMOS器件，7它可以把三位的二進制的地址演變成八個二進制地址，我們通常稱它為38譯碼器。同時它還有三個使能輸入端，其中有兩個邏輯0時是有效，一個邏輯1時有效，當(dāng)它們?nèi)齻€端口同時有效時，38譯碼器才會運行。因此，在單片機系統(tǒng)中，我們通常用它來進展引腳的擴大。它的引腳如圖2-5所示：圖2-5 74H138譯碼器的引腳圖 主要特性1復(fù)合的使能輸入端，能夠方便的對單片機的引腳數(shù)量進展擴展；2HBM EIA/JESD22-A114-C超過2000 V MM；3EIA/JESD22-A115-A超過200 V；4溫度圍 -40+85 -40+125；5多路分配功能。真值表表

43、2-2 74H138譯碼器真值表輸入輸出S1S2+S3A2A1A0Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y70*11111111*1*11111111100000111111110001101111111001011011111100111110111110100111101111010111111011101101111110110111111111102.6 LED數(shù)碼管LED數(shù)碼管事實上上就是由多個發(fā)光二級管夠成的，它們在系統(tǒng)里按照一定的方式組成一個數(shù)字“8”，它們在系統(tǒng)中已經(jīng)連接好，其中它們的陽極相互連接的，并與正電源相連接的叫做共陽數(shù)碼管，而它們陰極相互連接的，并且與負(fù)極電源相連的稱為共陰數(shù)碼

44、管。而數(shù)碼管事實上包括由小數(shù)點在的八個發(fā)光二極管帶點的數(shù)字“8”，那就成為了八位段選碼，在字面上我們用a到g這7個字母加上dp來表示這些對應(yīng)的段選碼。當(dāng)數(shù)碼管相應(yīng)的引腳上電之后，對應(yīng)的LED燈被點亮，從而組成成我們可以看見的字樣了。常用LED數(shù)碼管顯示的數(shù)字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。本次設(shè)計，我運用兩個四位共陰數(shù)碼管進展表示。它的引腳如圖2-6所示。圖2-6 四位數(shù)碼管的引腳圖第3章 總體設(shè)計方案3.1 設(shè)計功能要求本次設(shè)計的電表最重要的是實現(xiàn)的功能有以下的要求：能夠?qū)崿F(xiàn)單項交流電能的測量；電表參數(shù)：額定的工作電壓電流分別為220V、5A，最大工作

45、電流為10A，最大顯示電能總量：99999.99Kw.h；能夠測量并通過轉(zhuǎn)換、計算得到功率、電壓和電流的瞬時值和電壓電流的有效值，并通過轉(zhuǎn)換、計算從而在數(shù)碼管上顯示。3.2智能電表的總體方案設(shè)計本次設(shè)計制作的智能電表能夠具有以下功能：通過單片機的外部數(shù)據(jù)存放器儲存三個月份交替日的總電能度數(shù)，并通過計算得到本月、上月和上上月的用電量，并通過數(shù)碼管顯示對應(yīng)的數(shù)值；能夠測量并通過轉(zhuǎn)換、計算得到功率、電壓和電流的瞬時值和電壓電流的有效值，并通過轉(zhuǎn)換、計算從而在數(shù)碼管上顯示；能夠顯示自裝表后的總的用電電量。本次設(shè)計制作的電表主要由電流、電壓互感器、電能計量芯片、數(shù)碼管顯示模塊、組合鍵盤、實時時鐘芯片、外

46、部存儲芯片等。如圖3-1所示。圖3-1 智能電表的設(shè)計概念上圖3-1說明了智能電表的硬件中的電壓電流互感器能夠使220V電力線上電壓電流轉(zhuǎn)變成電能計量芯片能夠允許輸入的電壓電流圍。本次設(shè)計的智能電表主要由測量計算模塊、單片機、數(shù)碼管顯示模塊、外部存放器、時鐘電路模塊以及電源電路組成，如圖3-2所示。圖3-2 智能電表的硬件組成第4章 硬件局部的組成本次設(shè)計的智能電表可以分為六大組成局部，他們分別是電能計量模塊、實時時鐘模塊、數(shù)碼管顯示模塊、外部數(shù)據(jù)存儲、電源電路、微處理器等組成。智能電表它本身就是一個微型的計算機控制系統(tǒng)，它的主要核心是微處理器，也就是我們常說的單片機。智能電表想實現(xiàn)不同功能就

47、要運用不同的器件與單片機來進展組合。通常我們會使用簡單方便的芯片和單片機進展組合，這樣可以降低本錢，減少編程的麻煩。本次設(shè)計的智能電表通過傳感器來將外界的被測量的信號轉(zhuǎn)變成電信號，本次采用CS5460A芯片通過雙差分電路來采集電壓電流信號；然后進展信號的調(diào)理，從而改善型號的質(zhì)量，并且提高信號的抗干擾的能力；最后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換進而把數(shù)據(jù)傳給單片機進展處理，這些步驟在CS5460A芯片就可以完成，但是數(shù)據(jù)進制的轉(zhuǎn)換就靠微處理器來進展。在單片機進展數(shù)據(jù)處理后，執(zhí)行存儲信息或顯示，這些可以通過編程來實現(xiàn)的8。4.1 電壓電流采樣模塊的設(shè)計在運用CS5460測量電能的過程中，我們根本上利用電壓電流互感器來

48、隔離電力線，因為CS5460的測量輸入端有允許通過的最大電壓電流的限制，而這樣做不僅可以保護芯片，同時還可以減少電力線上的各種各樣的干擾信號對測量效果的影響?，F(xiàn)在我們使用的照明線路上的電壓電流有效值為：220V，10A，在這種情況下，我們可以假設(shè)照明線路上的電壓電流的最大額定值分別為：300V，30A。我們使用的電力線是單相二線制交流線路，因此它們屬于正弦曲線的交流信號，我們通常是以最大值的0.7071倍來進展測量的。但是，在實際上，電力線上的交流信號不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號，所以我們采用其最大值的0.6倍來進展計算?；ジ衅魇且环N高精度、低阻抗的元器件，同時它能夠在存在高次諧波的條件下，它的延時都會

49、很少。在使用互感器對電路進展隔離后，CS5460的輸入端口就不需要再次運用其他方法進展隔離。圖4-1 電流電壓采集和調(diào)理電路連接圖 電壓調(diào)理電路在被測電壓接入CS5460之前，我們要對其進展降壓處理。而在這次設(shè)計中，我們使用了2MA/2MA的電壓互感器來進展降壓處理。不過，這個型號的電壓互感器在接入電力線之前一定要連接一個110K歐的電阻，把電力線的電壓轉(zhuǎn)換成2MA以下的電流，以保護電壓互感器。電路經(jīng)過電壓互感器之后，在電壓互感器的輸出端連接一個電阻，其要小于62.5歐，因為CS5460測量電壓輸入端的最的值為125MV，這個電阻的作用就是把電流再轉(zhuǎn)換成電壓。然后，在電壓互感器的二次側(cè)上接上一

50、定大小的電阻電容，進而構(gòu)成RC濾波電路，對輸入的電壓執(zhí)行濾波操作。 電流調(diào)理電路在電流調(diào)理局部中，還是那句話，CS5460不能直接連接到電力線測電流，這次可以運用1000/1的電流互感器，本次使用的電流互感器是兩個引腳的，我們把電力線從互感器的中間穿過當(dāng)作一次側(cè)，而它的兩個引腳就作為二次側(cè)輸出端，不過，我們要記得在二次側(cè)上接上負(fù)載，這樣才能保護互感器，剩下的電路和電壓調(diào)理局部一樣，也是連接RC濾波網(wǎng)絡(luò)，對輸入的電流執(zhí)行濾波操作。4.2 CS5460A的外部電路單片機STC89C51的控制指令集以及管腳都與Inter系列的微控制器相兼容，微處理器部有一個可以擦寫的程序存放器和一個數(shù)據(jù)存放器，它們

51、的大小分別為4K字節(jié)和256字節(jié)。其工作原理與8031微處理器一樣。 CS5460芯片與微處理器的數(shù)據(jù)傳輸是通過串口傳輸方式來進展的，這一樣做可以大大減少數(shù)據(jù)傳輸是所需要的I/O口，這樣可以為單片機省下大量的端口，從而可以讓系統(tǒng)實現(xiàn)更多的功能。圖4-2 CS5460外部電路連接圖由圖4-2可知CS5460A的1和24引腳接晶振，其中圖中引出的引腳除了電壓電流輸入信號外就是指STC89C51的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4引腳分別與CS546OA的SDI、RST、SCLK、SDO、CS引腳進展交換數(shù)據(jù)。CS5460A的數(shù)據(jù)重置管腳RES與微處理器STC89C51的P1.1引腳連

52、接，并由微處理器STC89C51向CS5460A提供復(fù)位信號。4.3 數(shù)碼管連接電路這次設(shè)計中，顯示局部是運用數(shù)碼管進展顯示的，如圖4-3所示，可以知道，數(shù)碼管沒有直接與微處理器進展連接，而是通過138譯碼器和74H753鎖存器來與微處理器連接。138譯碼器的輸出端口與數(shù)碼管的位選端的端口相連，其中138譯碼器的A、B、C三個輸入端口分別與單片機的P3.5、P3.6、P3.7口相連；74H573鎖存器則連接數(shù)碼管的段選端的端口，同時也是為了驅(qū)動數(shù)碼管，它輸出的信號需要經(jīng)過100歐的電阻連接到數(shù)碼管的段選端端口。圖4-3 數(shù)碼管的接線圖4.4 組合鍵盤連接電路本次設(shè)計的智能電表上已經(jīng)使用的按鍵中

53、都有屬于自己對應(yīng)的功能，它可以讓用戶按鍵查詢本月、上月、上上月中各個月的電總量。還可以查詢瞬時電流值、瞬時電壓值、電壓有效值電流有效值、瞬時功率值。雖然本次設(shè)計只是使用鍵盤組中8個按鍵，但是每個按鍵都會對應(yīng)一個功能。圖4-4 鍵盤組的連接圖如圖4-4所示本次設(shè)計的組合鍵盤采用由P2.7、P2.6、P2.5、P2.4口四根數(shù)據(jù)線提供行線，P2.3、P2.2、P2.1、P2.0提供列線組成的行列式組合鍵盤。在鍵盤組的設(shè)計中，每一個按鍵的兩端分別連接到不同的I/O口，把16個按鍵擺放成4*4的形式，這樣就可以看到每個按鍵都是設(shè)置在每一行每一列的各個交點上，同時把行線或列線上其中一個端口接上一個10K

54、 歐的上拉電阻，這樣就構(gòu)成成了我們所說的組合鍵盤。鍵盤組的掃描是把行和列分開進展的。其方法是:給P2.3、P2.2、P2.1、P2.0列線端口都設(shè)置為低電平，然后把行線電平情況讀到累加器。假設(shè)*一個鍵被按下，則這個鍵所在的列線的電平就會變成邏輯零，因此行線的輸入就不會全部為零。如果鍵盤組中有按鍵被按下，則我們就會把列線逐一置為邏輯零，再對行線進展檢查其輸入的狀況。假設(shè)全為高電平，則所按下的就鍵不可能在這一行，假設(shè)不全補是高電平，則所按下的鍵就一定在這一行行。本次設(shè)計只使用了組合鍵盤中的一半按鍵，剩下的按鍵暫時空在那，可以根據(jù)用戶的需要，在系統(tǒng)可以實現(xiàn)的情況下，通過編程增加更多不同的功能。4.5

55、 EEPROM連接電路圖4-5 *5045連接電路圖圖4-5所示為*5045芯片與單片機的硬件接線圖，從圖中我們看到*5045的復(fù)位重置端口連接到單片機STC89C51的9腳，而這一管腳的連接是*5045芯片要實現(xiàn)看門狗作用所必須的。STC89C51的P1.6、P1.7、P3.0、P3.1引腳分別與*5045的CS、SO、SI、SCLK引腳進展數(shù)據(jù)交換。寫保護引腳WP與電源相連。4.6 時鐘芯片DS1302連接電路圖4-6 DS1302與單片機的連接圖DS1302與單片機STC89C51的連接只需三條線SCLK、I/O、RST分別與STC89C51的P3.2、P3.3、P3.4連接。在雙電源供

56、電的情況下，運用微機系統(tǒng)的電源作為主電源。在這種連接方式中，可以保證智能電表在斷電的情況下，時鐘芯片繼續(xù)運行，以保證時間數(shù)據(jù)不會喪失。DS1302由Vcc1/Vcc2兩者中的較大一個供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc1+0.2V時,Vcc2給DS13O2提供電能;當(dāng)Vcc1大于Vcc2+0.2V時,Vcc1給DS1302提供電能。第5章軟件局部的設(shè)計5.1 主程序流程本次設(shè)計的電能表的運行時間順序主要為:當(dāng)微機系統(tǒng)通電之后，微處理器就對各個芯片執(zhí)行初始化命令，然后進入的循環(huán)，而且還是個死循環(huán)；在循環(huán)過程中，微處理器先運行清看門狗的子程序；然后讀取CS5460的電能存放器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過1S的延時再次讀取該

57、存放器的數(shù)據(jù)并進展累加；再然后，讀取時鐘芯片的實時時鐘數(shù)據(jù)，判斷代表月份的數(shù)據(jù)是否產(chǎn)生變化，如果是就把累加的數(shù)據(jù)存放在外部數(shù)據(jù)存放器*5045中；最后，運行按鍵掃描的子程序，如果查詢到*個按鍵并確定他已經(jīng)按下，然后就跳到相應(yīng)的子程序中。智能電表的執(zhí)行過程如圖5-1。根據(jù)圖5-1來對單片機部進展編程，從而到達當(dāng)初設(shè)計使所需要的功能。圖5-1 智能電表的主程序控制順序程序框圖5.2 CS5460數(shù)據(jù)交換方法CS5460芯片中包含有16個24位不同類型的存放器，它們分別是實現(xiàn)配置、直流電流偏移、交流電壓、直流/交流電流增益、直流/交流電壓增益、周期計數(shù)、脈沖速率、有符號、無符號、時基校準(zhǔn)、功率偏移、

58、交流或電壓的偏移、狀態(tài)、屏蔽、控制等功能的16個不同類型的存放器。它們是主要是用來對CS5460進展配置、輸入端口進展數(shù)據(jù)的收集和串行端口的輸入輸出來進展。這些存放器所相應(yīng)的地址如下表5-1所示：表5-1 CS5460A的部存放器相對應(yīng)的名稱和地址其中，當(dāng)A為1或0時，分別表示寫和讀存放器。CS5460芯片的串行通訊接口有一個緩沖區(qū)，在這個區(qū)間，CS5460會對單片機發(fā)送的命令進展解析。當(dāng)時鐘信號在上升沿的時候，CS5460就會對單片機發(fā)送的命令進展解析，當(dāng)命令解析完畢之后，CS5460就會立即執(zhí)行相應(yīng)的命令，當(dāng)它與單片機進展數(shù)據(jù)傳輸時，緩沖區(qū)就會用來暫時存放發(fā)送或接收與微處理器交換的數(shù)據(jù)。當(dāng)

59、系統(tǒng)上電之后，CS5460芯片就會被初始化，同時它還會處在有效的操作狀態(tài)中，也就是說，系統(tǒng)上電之后，CS5460芯片就等待單片發(fā)送命令字。當(dāng)芯片上的狀態(tài)機接收到有效的命令字以后，他就會立刻進展解碼，同時命令轉(zhuǎn)換器就會做出相應(yīng)的動作。要對CS5460芯片的*一存放器進展數(shù)據(jù)就要經(jīng)過串行端口來進展，也就是說數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟钜矔?jīng)過數(shù)據(jù)串行傳輸?shù)亩丝赟DI口來進展傳輸，并且先從高位開場傳送8位代碼字實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。假設(shè)命令字中含有寫操作命令時，串行端口將會在之后的24個時鐘周期記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，記錄方式還是按照高位在先的原則。寫操作需要24位數(shù)據(jù)，而讀操作可能需要8位、16位或者24位不等。如果單片

60、機在讀取存放器的數(shù)據(jù)是，又發(fā)送新的命令，則之前的讀操作就會立即停頓，并執(zhí)行新的命令。我們可以根據(jù)串口傳輸?shù)臅r序來編寫對應(yīng)的子程序。5.3 時鐘芯片的讀寫流程智能電表中的時間是由DS1302來提供的，它與單片機是通過串行端口來進展通訊的。如果電表要進展時間的校準(zhǔn)時，單片機就會向它發(fā)送相應(yīng)的命令；如果系統(tǒng)要判斷時間時，就會讀取它的實時時鐘數(shù)據(jù)，并且與之前所得的實時時鐘進展比較，從而得出相應(yīng)的結(jié)果。時鐘芯片的數(shù)據(jù)的讀寫全部都是有單片機發(fā)送相應(yīng)的命令，在由其進展對應(yīng)的操作，時鐘芯片所有數(shù)據(jù)的傳輸都是根據(jù)命令來執(zhí)行的。比方說它的最高位就一定要置為高電平時才會有效，否則的話就會不允許對時鐘芯片進展寫操作，