1、毕业设计（论文）报告题 目 基于单片机的多功能电表设计系 别 专 业 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 2013 年 4 月无锡科技职业学院毕业设计（论文）基于单片机的多功能电表设计摘要随着物质生活的富裕，很多人搬入城市，电量成为大家生活的 1 部分。我们以 FM3307/8 单片机为核心，对 8 户居民的用电量进行测量，让大家了解什么如何利用单片机来测量电量。8 路脉冲输出电能计量芯片 AD7755 能够把居民的用电量转换为一定数量的脉冲。74HC164 串入并出 8 位移位寄存器和 LED 显示器能够实时循环显示 8 户居民的用电量。AT24C16 通过 I2C 总线和单片机连接，单片机
2、将居民的用电量实时写入 AT24C16 当断电时 AT24C16 仍能保存数据，再次上电后单片机将其保存的数据读出 从而实现掉电保护。电能表通过 RS-485 总线与抄表集中器相连，接收抄表集中器下达的抄表，或预付费、清零等命令。抄表集中器内有 GPRS 通信模块，MC5，通过 GPRS 通信网与中心计算机联系，实现数据的上传或命令的下达。工作时，电压经电阻的分压、电流经电流互感器在取样电阻上取样后，送入专用电能芯片进行处理，并转化为数字信号送到 CPU 进行计算。由于采用了专用的电能处理芯片，使得电压电流采样分辨率大为提高，且有足够的时间来更加精确的测量电能，从而使电能表的计量准确度有了显著
3、改善。CPU 用于分时计费和处理各种输入输出数据，通过串行接口将专用电能芯片的数据读出，并根据预先设定的时段完成分时有功电能计量和最大需量计量功能，根据需要显示各项数据、通过红外或 RS485 接口进行通讯传输，并完成运行参数的监测，记录存储各种数据。让计算机根据电费不同价格的时间分割点，实现电能表的复费率功能。计算机将用户提前购买的电量写入电能表中，当电量减到 0 时，控制口P4 ，动作切断供电。关键词：功率测量、AT89C51 单片机、ADE7755、LED 显示无锡科技职业学院毕业设计（论文）基于单片机的多功能电表设计iElectricity automatic controllerAb
4、stract：Along with the material life of the rich, many people move into the city, as the 1 part of your life. We use FM3307/8 microcontroller as the core of the 8 households electricity consumption measurement, let everyone know what how to use single chip microcomputer to measure the amount of power
5、. 8 pulse output electric energy metering chip AD7755 to the residents of the electricity into a certain number of pulses. 74HC164 series input and output 8 bit shift register and LED monitor can display real-time circulation of 8 households of electricity. AT24C16 through the I2C bus and the single
6、chip is connected with the MCU will residents consumption real-time write AT24C16 when power AT24C16 can still save the data once again after power on the MCU will save the data read “in order to achieve power-down protection. Electric energy meter through the RS-485 bus and the concentrator is conn
7、ected to receive the meter reading concentrator reading or prepaid, reset command. Meter reading concentrator has GPRS communication module MC55 to realize data ， the upload or command through GPRS communication network and center computer connection “issued.When working, voltage through the resisto
8、r divider, a current through the current transformer in the sampling resistance after sampling, into the special power chip for processing, and converted into digital signal is sent to the CPU calculation. Due to the adoption of a special power chip, the voltage and current sampling resolution is im
9、proved greatly, and have enough time to more accurate measurement of electric energy metering, so that the electric power meter accuracy has been significantly improved. CPU is used for time-sharing charging and processing a variety of input and output data, the special power chip via the serial int
10、erface to read data, and according to the preset time complete the time-sharing active electric energy metering and demand maximum measurement function, according to the need to display the data communication transmission, infrared or RS485 interface, monitoring and operation parameters store all ki
11、nds of data, records. Let the computer according to the different price of electricity time division point of the realization of multi-rate 无锡科技职业学院毕业设计（论文）基于单片机的多功能电表设计iifunction table. Computer users will advance purchase power into electric energy meter when in power to 0 of the control port，P4 a
12、ction to cut off power supply.Key Words: power measurement、AT89C51 MCU、ADE7755、LED display无锡科技职业学院毕业设计（论文）基于单片机的多功能电表设计iii目录前言 .1第一章 论述 .21.1 课题的背景及应用范围 .21.2 课题的目的 .2第二章 脉冲输出的电能计量集成电路 .32.1 论述 .32.2 工作原理 .42.3 ADE7755 单相表计量芯片 4 第三章 多功能电表的核心 74HC164 与 LED 数码显示 .83.1. 八位串入、并出移位寄存器 74HC164 .83.2 LED 数
13、码管 .9第四章 AT24C16 和单片机连接的中转站 I2C 总线 .104.1 I2C 总线介绍 .104.2 I2C 总线的系统结构与接口 .104.3 I2C 总线的信号与数据传输 .11第五章 串行 E2PROM 芯片 AT24CXX.135.1 AT24CXX 系列的基本功能 .135.2 AT24CXX 的工作原理 .14第六章 电能表与抄表集中器的纽带 RS-485 总线 .176.1 RS-485 简介 .176.2 RS-485 电平与 TTL 电平转换驱动电路 .19第七章 抄表集中器的核心 GPRS 通讯技术介绍 .207.1 GPRS 工作原理 .207.2 GPRS
14、 模块主要性能简介 .21谢辞 .23参考文献 .24无锡科技职业学院毕业设计（论文）基于单片机的多功能电表设计0前言电能表，是用来测量电能的仪表，又称电度表，火表，千瓦小时表，指测量各种电学量的仪表。电能可以转换成各种能量。如：通过电炉转换成热能，通过电机转换成机械能，通过电灯转换成光能等。在这些转换中所消耗的电能为有功电能。而记录这种电能的电表为有功电能表。伴随着我国工业化进程的前进步伐，工业及居民用电急剧增加，庞大的供电网络给用电管理单位带来了巨大挑战，也给居民、工厂带来了诸多不便。于是我们便出现了 1 种新型的电表，多功能电表。所谓多功能电能表是指除计量有功（无功）外还具有分时、测量需
15、量等两种以上的功能，并能显示，存储和输出数据的电能表本课题研究的功能电能表能够让居民可以方便的完成电量缴费，用户对用电量更加清晰明了。无锡科技职业学院毕业设计（论文）基于单片机的多功能电表设计1第一章 本课题的研究背景1.1 课题的背景及应用范围作为测量电能的专用仪表电能表,自诞生至今已有 100 多年的历史。电能表又俗称电度表或千瓦时表。电能表在电能管理仪器仪表中占有很大比例,它的性能直接影响着电能管理的效率和科学化水平。100 多年来随着电力系统及其相关产业的发展以及电能管理系统的不断完善电能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程。 伴随着我国工业化进程的前进步伐，工业及居民用电急
16、剧增加，庞大的供电网络给用电管理单位带来了巨大挑战，也给居民、工厂带来了诸多不便。为此我国在“十二五规划”中提出建设“智能电网”的解决方案，实现电网、计算机网、电信网三网融合。传统的机械式电能表及电子式电能表无论是在计量精度还是在信息传递方面都难以满足“智能电网”的需求，在这种情况下多功能电能表应运而生。多功能电能表是指具有多功能、智能化等功能的新式电表，是智能电网的基本设备之一。多功能电能表能够更精确、更快速的完成对电能的计量任务，而且电表可以通过加密防止用户窃电，安全性更高。本课题研究的功能电能表能够让居民可以方便的完成电量缴费，用户对用电量更加清晰明了。1.2 课题的目的本课题的目的就是
17、设计一个限电自动控制器，使其在允许用电功率范围内能正常用电，超过限定功率即自动停电且发出报警声，并能通过数码管显示当前电流，电压，功率值。解决在生活中因违章使用大功率电器，使电路超负荷供电，从而造成电路老化引起火灾事故。真正确保公寓、学校、宿舍、网吧等用电量相对大的场所的用电安全。无锡科技职业学院毕业设计（论文）基于单片机的多功能电表设计2第二章 脉冲输出的电能计量集成电路2.1 论述AD7755 是一种高准确度电能测量集成电路，其技术指标超过了 IEC1306规定的准确度要求。有关 IEC1306 电能表参考设计方案介绍，请参见 ADI 公司应用笔记 AN559。AD7755 只在 ADC
18、和基准源中使用模拟电路，所有其它信号处理都使用数字电路，这使 AD7755 在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。AD7755 的引脚 F1 和 F2 以较低频率形式输出有功功率平均值，能直接驱动机电式计度器或与微控制器接口。引脚 CF 以较高频率形式输出有功功率瞬时值，用于校验或与微控制器接口。AD7755 内部包含一个对AVDD 电源引脚的监控电路，在 AVDD 上升到 4V 之前 AD7755 一直保持在复位状态。当 AVDD 降到 4V 一下 AD7755 也被复位，此时 F1，F2 和 CF 都没有输出。内部相位匹配电路使电压和电流通道的相位始终是匹配的，无论通道 1内
19、的高通滤波器 HPL，是接通的还是断开的。内部的空载阈值特性保证AD7755 在空载时没有潜动。2.2 工作原理两个 ADC 对来自电流和电压传感器的电压信号进行数字化，这两个 ADC都是 16 位二阶 模数转换器，过采样速率达 900kHz。AD7755 的模拟输入结构具有宽动态范围，大大简化了传感器接口可以与传感器直接连接。电流通道中的 PGA 进一步简化了传感器接口。电流通道中的 HPF 滤掉电流信号中的直流分量从而消除了由于电压或电流失调所造成的有功功率计算上的误差。2.3ADE7755 单相表计量芯片2.3.1 ADE7755 单相表计量芯片概述无锡科技职业学院毕业设计（论文）基于单
20、片机的多功能电表设计3ADE7755 是一款适用于单相配电系统的高精度电能计量 IC。它可提供基于输电线电压和电流计算的瞬时有功功率和平均有功功率。该器件规范超过IEC61036 标准规定的精度要求。 ADE7755 中使用的唯一模拟电路是 ADC 和参考电压电路。所有其它信号处理（例如乘法和滤波）都是在数字域实现的。这种信号处理方法可在随环境条件和时间变化的很大范围内提供优异的稳定性和精度。电流通道提供高增益模式,可直接连接低阻值分流电阻器而不损失动态范围。两通道之间的增益校准在器件外部进行调整。ADE7755 采用 SSOP 封装。在各种负载条件下提供低频（F1/F2）和高频（CF）同步输
21、出。ADE7755 是一种高准确度电能测量集成电路,其技术指标超过 IEC1036 规定的准确度要求。ADE7755 只在 ADC 和基准源中使用模拟电路 ,所有其它信号处（如相乘和滤波）都使用数字电路, 这使 ADE7755 在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。ADE7755 引脚 F1 和 F2 以较低频率形式输出有功功率平均值,能直接驱动机电式计度器或与微控制器（ MCU）接口。引脚 CF 以较高频率形式输出有功功率瞬时值,用于校验或与 MCU 接口。ADE7755 内部包含一个对 AVDD 电源引脚的监控电路。在 AVDD 上升到 4V 之 前,ADE7755 一直保持在复位状态。当 AVDD 降到 4V 以下,ADE7755 也被复位,此时 F1,F2 和 CF 都没有输出。内部相位匹配电路使电压和电流通道的相位始终是匹配的,无论通道 1 内的高通滤波器（HPL）是接通的还是断开的。内部的空载阈值特性保证 ADE7755 在空载时没有潜动。 2.3.2 ADE7755 单相表计量原理框图
