1、山东科技大学课程设计1多用户电能表的应用设计课程设计报告姓 名： 学 号：200901101026 专 业：电气工程及其自动化 班 级：09-2 班 邮 箱： 指导教师： 山东科技大学课程设计2摘要电子式电能表是通过对用户供电电压和电流实时采样，采用专用的电能表集成电路，对采样电压电流信号进行处理并相乘转换成与电能成正比的脉冲输出,通过计度器或数字显示器显示用户使用的电量。本文将设计一个以C8051F360 芯片为核心，配有电能转换模块、 LED 显示模块、掉电存储模块等功能模块，实现对八户的用电状况进行采集检测。本次设计用户数为八户，即实现八位用户循环显示电能量。同时，基于E2PROM 24
2、C16 芯片实现单片机的掉电数据保护，基于 74HC165 芯片实现单片机的清零。基于 AD7755 芯片实现电能脉冲的发生；应用单片机 C8051F360 编制程序完成脉冲的读取、计数、计算、存储、送显示等功能；应用 74HC164 及八段译码显示器完成数据的显示；应用 74HC165 及键盘控制对脉冲清零；应用E2PROM 24C16 完成数据的定时写入以防停电时数据丢失。关键词：8 用户电能表；AD7755；24C16；C8051F360山东科技大学课程设计3ABSTRACTElectrical meter is through user power supply voltage and
3、 current real-time sampling, using special integrated circuit of electric energy meter, the sampling voltage current signal processing and multiplication convert to electric proportional to the pulse output, through the JiDuQi or digital display shows users with the use of the power. This paper will
4、 design a C8051F360 chips as the core, equipped with electric energy conversion module, LED display module, power lost storage module function module, realizes to eight of the power consumption and the collection detection. The design for the eight users at home, which realize the eight users cyclic
5、 display electric energy. At the same time, based on the single chip microcomputer chip realize 24 y E2PROM chips was the power lost data protection, based on the 74 HC165 chip microcontroller cleared of realization. Based on AD7755 chip realize the energy pulsing occur; C8051F360 single chip microc
6、omputer application program to complete pulse to read, counting, computation, storage, send display function; Application HC164 and eight section 74 decoding display finish data display; 74 HC165 keyboard control and application of pulse reset; Application E2PROM chips was complete data of the timin
7、g 24 y write in case of power data is lost. Keywords：electric energy meter; 8 the user watt-hour meter; AD7755；24C16；C8051F360山东科技大学课程设计4目录1 设计目的及要求 .11.1 设计目的 .11.2 设计要求 .12 设计内容 .12.1 设计系统方案 .12.2 设计系统框图 .23 硬件电路设计 .23.1 24C16 功能介绍 .23.2 六段数码管显示电路 .33.3 C8051F360 功能介绍 .43.4 5V 稳压电源的设计 .53.5 光电隔离电路
8、 .53.6 AD7755 电路设计 .64 软件电路设计 .124.1 主程序流程图设计 .124.2 显示用户及相应电能子程序框图 .134.3 读 24C16 子程序框图 .144.4 写 24C16 子程序流程图 .154.5 查询键盘流程图 .164.6 中断子程序流程图 .175 结束语 .18致谢： .18参考文献 .19附录 .20山东科技大学课程设计11 设计目的及要求1.1 设计目的设计多用户电能表，掌握单片机在电力系统中的应用，并且可以通过计算机的编程实现对户的用电状况进行显示，进一步熟练单片机编程，了解 24C16的功能实用。完成系统的硬件设计及软件设计。本次设计用户数
9、为八户，即实现八位用户循环显示电能量。同时，基于24C16 芯片实现单片机的掉电数据保护，基于 74HC165 芯片实现单片机的清零。1.2 设计要求1.3.1 户数：8 户。1.3.2 精度：0.001。1.3.3 脉冲数：每 1000 个脉冲为 1 度电 。1.3.4 循环显示：8 户电能循环显示，每隔 3S 显示一户。1.3.5 掉电保护：掉电时不能丢失数据，24C16 掉电保护电路的设计。1.3.6 数据显示：实现交流电表对单相交流电能的测量并显示。基于 AD7755 芯片实现电能脉冲的发生；应用单片机 C8051F360 编制程序完成脉冲的读取、计数、计算、存储、送显示等功能；应用
10、74HC164 及八段译码显示器完成数据的显示；应用 74HC165 及键盘控制对脉冲清零；应用 E2PROM 24C16 完成数据的定时写入以防停电时数据丢失。2 设计内容2.1 设计系统方案根据设计题目要求,以及原始资料的精度要求,电能转化脉冲芯片有 AD7755可供选择 ,因为它是一种高准确度电能测量集成电路，稳定性强并且价格不贵；单片机芯片选择 C8051F36x 器件，它具有片内上电复位电路、VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器，是真正独立工作的片上系统；数据保护电路芯片可选 FM24C16 ，用先进的铁电技术制造的 16K 位的非易失忆的记忆体；另外要求为 LED 显示，使用
11、74LS164 串入并出 8 位移位记存器进行存储数据；因为各芯片需提供直流电源,我们要进行设计交直流变化和降压电路，大体的设计选择框架思路就是这些。电能变换电路采用 AD7755 芯片,工作时 AD7755 芯片将电流采样信号和电压采样信号送入缓冲放大器，经模拟乘法器相乘，再经 V/F 转换器转换将电压信号转换为脉冲信号，AD7755 芯片的快速脉冲输出为 3200 脉冲/KWh，与用户使用电能相对应。输出的快速脉冲信号经光电隔离送给单片机，我们采用 C8051F36x 单片机山东科技大学课程设计2对脉冲信号进行采集和计数，P2 口（8 位）同时工作即可对 8 户电能脉冲进行采集与计数，我们
12、将为每户开辟 2 个字节的内存计数。2.2 设计系统框图电压信号电流型电压互感 器电流信号电流互感器电 能 转换 脉 冲芯 片 AD7755光电耦 合LED显示单机芯片C8051F360E2PROM24C16图 2.1 设计总体框图3 硬件电路设计3.1 24C16 功能介绍图 3.1 24C16 管脚图CAT24WC16 支持是一个 16 位串行 CMOS EEPROM，功耗小，有一个 16字节页写缓存区，通过 I2C 总线接口进行操作，有专门的写保护功能。其中I2C 总线协议规定，任何数据传送到总线的器件作为发送器，任何从总线接收数稳压电源 稳压电源山东科技大学课程设计3据的器件为接收器。
13、SCL 是一个输入管脚，产生器件所有数据发送和接收的时钟，SDA 是一个开漏输出管脚，用于器件所有数据的发送和接收， A0、A1、A2 为器件地址输入端，WP 接到 VCC 所有内容被写保护（只能读） ，WP 管脚接到 VSS 或悬空，允许器件进行正常的读/ 写操作。CAT24WC16 使用铁电技术制造的 16K 位的非易失性的记忆体，并且可以快速读写数据被可以长时间掉电保存，并且其非易失性存储器可靠性更高，系统更简单，并且 24C16 可以承受超过 100 亿次的速写或者是比 EPROM 高一万倍的写操作，当数据采集系统对写入数据的频率要求比较高即速度要求快的时候 E2PROM 24C16
14、也可以可靠的实时采集数据。3.2 六段数码管显示电路Vin3 ADJ1+Vout 2WY1LM317T 压C17104/0.1uFg f a b dp c d e+5g f a b dp c d e g f a b dp c d e g f a b dp c d e g f a b dp c d e g f a b dp c d e+5 +5 +5 +5 +5 +5COM COM COM COM COM COMP1.0P1.1 A1B2 CLK8 /MR9Q713Q612Q51Q410Q36Q25Q14Q03 U1074HC164A1B2 CLK8 /MR9Q713Q612Q51Q410Q36
15、Q25Q14Q03 U474HC164A1B2 CLK8 /MR9Q713Q612Q51Q410Q36Q25Q14Q03 U174HC164L2-L19+5 +5+5 A1B2 CLK8 /MR9Q713Q612Q51Q410Q36Q25Q14Q03 U974HC164A1B2 CLK8 /MR9Q713Q612Q51Q410Q36Q25Q14Q03 U374HC164A1B2 CLK8 /MR9Q713Q612Q51Q410Q36Q25Q14Q03 U674HC164A1B2 CLK8 /MR9Q713Q612Q51Q410Q36Q25Q14Q03 U274HC164A1B2 CLK8 /M
16、R9Q713Q612Q51Q410Q36Q25Q14Q03 U774HC164A1B2 CLK8 /MR9Q713Q612Q51Q410Q36Q25Q14Q03 U874HC164R61KR23390L4L5L6 L1-L13A1B2 CLK8 /MR9Q713Q612Q51Q410Q36Q25Q14Q03 U574HC164+5L18-L15 L2L10-L8L1 L3 L7SM1 SM2 SM3 SM4 SM5 SM6 RRR Yelow GrenGren RR RRYelowL14RR25.1KR215.1K+5图 3.2 74HC164 与 LED 数码管显示电路图数码管显示电路采用
17、74HC164,本次设计使用六个共阳极 LED 数码管，其数码管段码值如表 3.1：表 3.1段码值88H EBH 4CH 49H 2BH 19H 18H 0CBH 08H 09H 7FH数值 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -74HC164 芯片是一个 8 位移位寄存器，串行输入，并行输出，当时钟信号端（CLOCK）出现上升沿时，开始向 164 中写入数据，串行数据输入端为 A,B的线与，当 A、B 中任意一个为低电平时，禁止新数据输入，但本设计可以直接向 164 送数据，因 P1.0 管脚为 A、B 的线与，当 P1.0 管脚为 1，则向 164 送1，若 P1.0 为 0，则向
18、164 送 0。如若想送一个数据 49H，需先把数据送给寄存器 A，将寄存器 A 中的数据带进位循环右移，此时 C 中的数据为 1,先将时钟输入端 CLOCK 清零，再将时钟输入端 CLOCK 置一，读入 C 中的数据送给 164的 Q0,再将寄存器 A 中的数据右移一位，此时 C 中的数为 0，然后寻找时钟输入端的上升沿，将 0 写入，此时 164 的 Q0 管脚变为 0，Q1 管脚变为 1，照此规律依次将八位二进制数存入 164 中，最后 Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7 中的数据分别为 01001001，即 49H。因本设计所使用的电路板有 10 个 74HC164,6 个 LED数码管
19、前后各有两个与二极管连接的 164，数据传输时会先将第一个数据传给第一个 74HC164，这样如果传送 6 位数据，则会出现最后两个 LED 数码管不显示数据的现象，因此应在调用两次显示子程序，将两个存在与二极管连接的164 中的数据移到 LED 数码管中，显示全部数据。本次设计使用的共阳极 LED数码管的管脚设置图如下：山东科技大学课程设计4图 3.2 LED 数码管管脚设置图其显示原理为公共阳极接高电平，管脚接电平，二极管导通，则相应的笔画段亮，由发亮的笔画段组合得到各种显示字符，上图使用的数码管阴极各段接 10001000 时，显示器显示“0”字符，即对于共阳极 LED 显示器， “0”
20、字符的字形码是 88H。很多产品为方便接线，常不按规则的方法去对应字段与位的关系，这时字形码就必须根据接线自行设计了。 3.3 C8051F360 功能介绍C8051F360 单片机为主要部件，它具有片内上电复位电路、VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器器件，是真正能独立工作的片上系统。FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新 8051 固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。其 P1.0,P1.1 口产生的脉冲向 74HC164 显示输送数据，使其显示相关信息，P2 口接拨码开关，模拟 AD7755 电量脉冲
21、， PCF8563、24C16 部件实时存储用户电量信息，并在掉电后保存，单片机上电复位后能够从中读取数据。山东科技大学课程设计5图 3.3 C8051F360 电路图3.4 5V 稳压电源的设计电源电路设计是整个电路设计中的重要部分，其性能的好坏对整个电路的影响极大，是整个系统能稳定工作的前提和关键，系统的各个单元电路都需要使用直流电源供电。本设计将 220V 交流市电通过电源变压器换成交流低压，再经过桥式整流电路整流和滤波，在固定式三端稳压器两端形成一个并不是很稳定的直流电压，然后再经过 W7805 的稳压和电容的频率补偿，形成精度高，稳定性好的直流输出电压，并且集成三端稳压器精度高、外围
22、电路简单，体积小、容易设计和制作、维修简单。图 3.4 稳压电源电路的设计220V5V 的共两套，一套给 AD7755，另一套给显示模块和 5V3.3V 电源。5V3.3V 电源供给 C8051F360 和 24C16。220V5V 转换电路中，相关参数如下：C1=330uf，为滤波电容；C2=0.33uf ，用于抵消输入线较长时的电感效应，以防山东科技大学课程设计6止电路产生自激震荡；C3=1uf，用于消除输出电压中的高频噪声。3.5 光电隔离电路在许多应用中，许多电路链接之间需要非直接的连接，从而在提供数据的同时避免来自系统某一部分的危险电压或电流对另一部分造成破坏，造成这种破坏的可能是电
23、源质量低劣、接地故障等各种故障。电路隔离的主要目的是通过隔离元件把干扰的路径切断，从而达到抑制干扰的目的，保护电子设备。在两点间避免电流流过，而允许有数据或功率传送时需要使用隔离技术。电路隔离主要有：模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字电路与模拟电路之间的隔离。所使用的隔离方法有：脉冲变压器隔离法、继电器隔离法、光电耦合器隔离法、直流电压隔离法、A/D 转换器隔离法。传统的光耦隔离电路虽然也能实现很高的线性度, 不过这些电路需要的电源种类较多, 线路比较复杂, 设计成本比较高。为了解决这些问题, 本次设计中一种新的光电耦合结构, 由它组成的光耦隔离电路具有很高的线性度, 且只需采用普通的光电耦
24、合器和简单的电路结构。应用这个电路解决了弹载黑匣子的电压采样信号的光电隔离问题。光电耦合器的工作原理和特性如下：光电耦合器件是把发光器件(如发光二极管)和光敏器件(如光敏三极管)组装在一起, 通过光线实现耦合构成电) 光 ) 电的转换器件。当电信号送入光电耦合器的输入端时, 发光器件将电信号转换为光信号。光信号经光敏器件感应接收, 再还原成电信号。图 3.5 是一种典型反相应用电路, 当输入端有电流流过时, 发光二极管发光,使光电三极管导通, 其集电极就有电流 I C 流过。光电耦合器其主要特点为:1) 输入、 输出之间在电气上相互绝缘;2) 信号传输是单方向的, 输出端的噪声不影响输入端;3) 体积小、 寿命长、 无触点,功耗低;4) 光电耦合器的传输特性具有非线性和随温度变化性;图 3.5 光电隔离电路3.6 AD7755 电路设计
