基于单片机的数字电能表设计.doc
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毕业设计（论文）
题目名称：
基于单片机的数字电能表设计
就读学校：
河南工学院
专业：
工业自动化
学生姓名：
指导教师：
中原工学院继续教育学院
2016年4月论文编号：
070114200653
基于单片机的数字电能表设计
Thedesignofdigitalwatt-hourmeter
basedonsinglechipmicrocomputer
就读学校：
河南工学院
专业：
工业自动化
学生姓名：
指导教师：
2016年4月
摘要
摘要
19世纪三四十年代，中国人民的照明途径还是主要由煤油灯为主，而在经济飞速发展的，科技产品日新月异的今天，电的应用已经深入中国人民的日常生活。
电灯、冰箱、空调等等，统统都与电有着密切的关系。
电在当今社会不可或缺，同样也涌现出了对电量的计量，从而出现了电能表这一计量仪表。
电能表的发展历程主要是由最初的单一费率电能表到如今的复费率电能表。
这与我国的多费率用电政策有关，旨在消峰镇谷，平衡用电。
同样，在现在科技飞速发展，各种电器，仪表都逐渐趋近于自动化、人性化和智能化。
而这些电气设备大都含单片机或者是CPU控制器。
在本次设计中将智能化技术融入电能表中，电能表作为重要的计量仪表，准确性、稳定性都是很重要的。
而数字电能表具有精度高、测量准确、读数直观、使用方便等优点。
本设计以AT89C51单片机为核心，以逐次比较型A/D转换器ADC0809、八段数码管为主体，构造了一款简易的数字电能表，能够实现同时测量8路0.00～5.00V的直流电压，最小分辨率为0.02V。
关键词：
AT89C51；ADC0809；数字电能表；八段数码管
I
Abstract
ABSTRACT
Thirtiesand19thcentury,theChinesepeople'swayofilluminationismainlycomposedofkerosenelampisgivenpriorityto,andwiththerapideconomicdevelopment,scienceandtechnologyproductswitheachpassingdaytoday,theapplicationsofelectricityhavetheChinesePeople'sDailylife.Lights,refrigerator,airconditionerandsoon,allhascloserelationshipwithelectricity.Electricityisessentialintoday'ssociety,andalsoemergedforthemeasurementofthepower,thusappearedthewatt-hourmetermeasuringinstrument.Thedevelopingcourseofwatt-hourmeterismainlycomposedofasinglerate,initialwatt-hourmeterintoday'scomplexratewatt-hourmeter.Thisisassociatedwithratemoreelectricitypolicyofourcountry,aimedatpeakvalleytown,balanceofpower.Also,inwhatisnowtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,allkindsofelectricalappliances,instrumenthasgraduallytendtobeautomated,humanizationandintelligent.ButmostoftheseelectricalequipmentincludingmicrocontrollerorCPUcontroller.
Wewillintegratetheintelligentwatt-hourmeterinthedesignofwatt-hourmeterasimportantmeasuringinstrument,theaccuracy,stabilityisveryimportant.Anddigitalwatt-hourmeterwithhighprecision,measurementaccuracy,readingtheadvantagesofintuitiveandeasytouse.ThisdesignUSESAT89C51single-chipmicrocomputerasthecore,tocomparesuccessivetypeA/DconverterADC0809,eightdigitaltubeasthemainbody,constructedAsimpledigitalwatt-hourmeter,canbeachievedatthesametimemeasuring8roadfrom0.00Vto5.00Vdcvoltage,minimumresolutionof0.02V.
Keywords:
AT89C51；ADC0809；Digitalwatt-hourmeter；Eightdigitaltube
1
目录
目录
第1章绪论 1
第2章总体方案选择 2
2.1方案一：
由数字电路及芯片构建。
2
2.2方案二：
由单片机系统及A/D转换芯片构建。
2
第3章硬件设计 4
3.1单片机AT89C51 4
3.1.1AT89C51芯片主要性能参数 4
3.1.3芯片管脚介绍及分配 5
3.2A/D转换模块设计 7
3.2.1A/D转换器的介绍 7
3.2.2ADC0809的介绍 9
3.2.3转换器ADC0809与单片机的接口电路 13
3.2.4有关芯片介绍 14
3.3显示模块设计 16
3.3.1显示器的选择 16
3.3.2显示器与单片机接口电路 17
3.4复位电路和时钟电路 18
3.4.1复位电路 18
3.4.2时钟电路 18
第4章软件设计 20
4.1汇编语言的选择及介绍 20
4.2程序流程 21
4.2.1系统主程序流程图 21
4.2.2各子程序流程图 21
第5章系统的调试 25
5.1硬件电路的调试 25
5.2软件调试 25
5.2.1PROTEUS软件简介 25
5.2.2KEIL简介 25
4.3.1显示结果及误差分析 27
第6章结论与展望 29
6.1结论 29
6.2不足之处及未来展望 29
参考文献 30
致谢 31
附录A原理图 32
附录B主要源程序代码 33
第1章绪论
在当前经济高速发展的时代，社会各个方面的用电量都急速上升，为电网系统的稳定造成了很大困扰。
我国采用的是多费率用电政策，旨在消峰镇谷，平衡用电。
单一费率电能表逐渐被复费率电能表大规模取代。
在当前单片机应用急速发展的时代，以单片机为主要控制芯片的数字电能表已经占领了主要市场。
同样，应继续研究，降低成本价格，提高稳定性、可靠性和抗干扰能力。
数字电能表的基本工作原理是利用A/D转换电路将待测的模拟信号转换成数字信号，通过相应换算后将测试结果以数字形式显示出来的一种电能表。
较之于一般的模拟电能表，数字电能表具有精度高、测量准确、读数直观、使用方便等优点。
在测量仪器中，电能表是必须的，而且电能表的好坏直接影响到测量精度。
具有一个精度高、转换速度快、性能稳定的电能表才能符合测量的要求。
为此，我们设计了数字电能表，此设计主要由A/D转换器和单片机AT89C51构成，A/D转换器在单片机的控制下完成对模拟信号的采集和转换功能，最后由数码管显示采集的电压值。
电能表的数字化测量，关键在于如何把随时连续变化的模拟量转化成数字量，完成这种转换的电路叫模数转换器（A/D）。
数字电能表的核心部件就是A/D转换器，由于各种不同的A/D转换原理构成了各种不同类型的DVM。
一般说来，A/D转换的方式可分为两类：
积分式和逐次逼近式。
积分式A/D转换器是先用积分器将输入的模拟电压转换成时间或频率，再将其数字化。
根据转化的中间量不同，它又分为U-T（电压-时间）式和U-F（电压-频率）式两种。
逐次逼近式A/D转换器分为比较式和斜坡电压式，根据不同的工作原理，比较式又分为逐次比较式及零平衡式等。
斜坡电压式又分为线性斜坡式和阶梯斜坡式两种。
在高精度数字电能表中，常采用由积分式和比较式相结合起来的复合式A/D转换器。
本设计以AT89C51单片机为核心，以逐次比较型A/D转换器ADC0809、七段数码管为主体，构造了一款简易的数字电能表，能够实现测量8路0.00～5.00V的电压，最小分辨率为0.02V。
第2章总体方案设计
2.1方案一：
由数字电路及芯片构建。
这种设计方案是由模拟电路与数字电路两大部分组成，模拟部分包括输入放大器、A/D转换器和基准电压源；数字部分包括计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器。
其中，A/D转换器是它的核心器件，它将输入的模拟量转换成数字量。
模拟电路和数字电路是相互联系的，由逻辑控制电路产生控制信号，按规定的时序将A/D转换器中几组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行。
A/D转换结果通过计数译码电路变换成段码，最后驱动显示器显示出相应的数值。
此方案设计的优点是设计成本低，能够满足一般的电压测量。
但设计不灵活，都是采用纯硬件电路，很难将其在原有的基础上进行扩展。
2.2方案二：
由单片机系统及A/D转换芯片构建。
这种方案是利用单片机系统与模数转换芯片、显示模块等的结合构建数字电能表。
由于单片机的发展已经成熟，利用单片机系统的软硬件结合，可以组装出许多的应用电路来。
此方案的原理是模/数（A/D）转换芯片的基准电压源，被测量电压输入端分别输入基准电压和被测电压。
模/数（A/D）转换芯片将被被测量电压输入端所采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号，然后通过对单片机系统进行软件编程，使单片机系统能按规定的时序来采集这些数字信号，通过一定的算法计算出被测量电压的值。
最后单片机系统将计算好了的被测电压值按一定的时序送入显示电路模块加以显示。
此方案不仅能够继承方案一的各种优点，还能改进方案一设计的不灵活，可以在原有的基础上进行扩展。
综合比较以上两种设计方案的各方面的优点及现在所设计的电能表的实用性，选择第二种电能表的设计方案，及由单片机及数字芯片构建的方法来实现数字电能表的设计。
设计思路
设计主要采用AT89C51单片机芯片和ADC0809模/数转换芯片来完成一个简易的数字电能表，能够对输入的8路0V～5V的模拟直流电压进行测量，并通过四位LED数码管进行显示，测量误差小于0.02V。
设计电路主要通过ADC0809芯片的模拟电压输入端输入的0V～5V的模拟量电压，产生相应的数字量经过其输出通道D0～D7传送给AT89C51芯片的P0口。
该电能表的测量电路主要由四个模块组成：
A/D转换模块、数据处理及控制模块、显示控制模块。
A/D转换主要由芯片ADC0809来完成，主要负责把输入的模拟量转换为相应的数字量再传送到数据处理模块，数据处理则由单片机AT89C51来完成，其负责把ADC0809传送来的数字量经数据处理后，产生相应的显示码送到显示模块进行显示，显示模块主要由四位LED数码管组成，完成显示测量到的电压值。
设计方案
AD转换模块
测量电压输入
时钟与复位电路
显示模块
AT89C51
本设计是以单片机AT89C51和A/D转换器ADC0809为核心，测量连续信号的数字电能表。
硬件主要由：
单片机AT89C51，AD转换模块，显示模块,时钟与复位电路组成。
总体设计框图如图2-1所示：
图2-1系统总体框图
第3章硬件设计
3.1芯片选型
本次设计采用的芯片是AT89C51。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。
它可与MCS-51兼容，寿命较长且数据可保留10年。
拥有低功耗的闲置和掉电模式，并带有片内振荡器和时钟电路，且价格相对较低。
而本设计中的电能表因需要普及，需要价格、稳定性、数据保留时间等多方面的要求，故选此款单片机。
3.1.1AT89C51芯片主要性能参数
与MCS—51产品指令系统完全兼容
4K字节的可重擦写Flash闪速存储器
1000次擦写周期
全静态操作：
0Hz–24Hz
三级加密程序存储器
128×8字节内部RAM
32个可编程I/O口线
2个16位定时/记数器
6个中断源
可编程串行UART通道
底功耗空闲和掉电模式
3.1.2功能介绍
AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4K字节的在线可重复编程快擦快写存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。
它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。
AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低了系统成本。
只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。
可用5V电压编程，而且擦写时间仅需10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一，与8751/87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。
工作电压范围宽2.7V-6V，全静态工作，工作频率宽，在0MHz-24MHz内，比8751/87C51等51系列的6MHz-12MHz更具有灵活性，系统能快能慢。
AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。
另外，AT89C51还具有MCS-51系列单片机的所有优点。
128×8位内部RAM，32位双向输入输出线，两个十六位定时/计数器，5个中断源，两级中断优先级，一个全双工异步串行口及时钟发生器等。
3.1.3芯片管脚介绍及分配
图3-1AT89C51管脚
引脚描述：
VCC：
电源
GND：
电源地
P0口：
P0口是一组8位漏极开路双向I/O口，也既地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在Flash编程时，P0口接受指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1口：
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可操作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
Flash编程和程序校验期间，P1接收底8位地址。
P2口：
P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对断口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVE@DPTR）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVE@RI指令）时，P2口线上的内容[也即特殊功能存储器（SFR）区中R2寄存器的内容]，在整个访问期间不改变。
在Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其他控制信号。
P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表3-1所示：
表3-1P3口第二功能表
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INT0（外部中断0）
P3.3
INT1（外部中断1）
P3.4
T0（定时/记数器0）
P3.5
T1（定时/记数器1）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
P3口还接受一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RET引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的底8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外部输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVE和MOVX指令ALE才会被激活，此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。
PSEN：
程序存贮允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，既输出两个脉冲。
在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。
EA/VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持底电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时，该脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。
XTAL1：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
3.2A/D转换模块设计
3.2.1A/D转换器介绍
现实世界的物理量都是模拟量，能把模拟量转化成数字量的器件称为模/数转换器（A/D转换器），A/D转换器是单片机数据采集系统的关键接口电路，按照各种A/D芯片的转化原理可分为逐次逼近型，双重积分型等等。
双积分式A/D转换器具有抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点。
与双积分相比，逐次逼近式A/D转换的转换速度更快，而且精度更高，比如ADC0809、ADC0808等，它们通常具有8路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送到单片机进行分析和显示。
一个n位的逐次逼近型A/D转换器只需要比较n次，转换时间只取决于位数和时钟周期，逐次逼近型A/D转换器转换速度快，因而在实际中广泛使用。
1.逐次逼近型A/D转换器原理
逐次逼近型A/D转换器是由一个比较器、A/D转换器、存储器及控制电路组成。
它利用内部的寄存器从高位到低位一次开始逐位试探比较。
转换过程如下：
开始时，寄存器各位清零，转换时，先将最高位置1，把数据送入A/D转换器转换，转换结果与输入的模拟量比较，如果转换的模拟量比输入的模拟量小，则1保留，如果转换的模拟量比输入的模拟量大，则1不保留，然后从第二位依次重复上述过程直至最低位，最后寄存器中的内容就是输入模拟量对应的二进制数字量。
其原理框图如图3-2所示：
输入数字
输入电压
逐渐逼近寄存器
顺序脉冲发生器
ADC
电压比较器
图3-2逐次逼近型A/D转换器原理图
2.A/D转换器的性能指标
（1）分辨率：
分辨率用来表示ADC对于输入模拟信号的分辨能力，即ADC输出的数字编码能够反应多么微小的模拟信号变化。
转换器的分辨率的定义为满量程电压与2n之比，其中为输出的数字编码位数。
（2）转换速率（ConversionRate）：
是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。
积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。
采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。
为了保证转换的正确完成，采样速率（SampleRate）必须小于或等于转换速率。
因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。
常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo/MillionSamplesperSecond）。
（3）量化误差（QuantizingError）：
由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。
通常是一个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。
（4）偏移误差（OffsetError）：
输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。
（5）满刻度误差（FullScaleError）：
满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。
（6）量程量程是指输入模拟电压的变化范围。
（7）线性度（Linearity）：
实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。
（8）精度：
精度是转换器结果相对于实际值的偏差。
精度有以下两种表示方法：
1）绝对精度：
用二进制最低位（LSB）的倍数来表示。
2）相对精度：
用绝对精度除以满量程值的百分数来表示。
（9）线性度误差：
理想的转换器特性应该是线性的，即模拟量输入与数字量输出成线性关系。
线性度误差是转换器实际的模拟数字转换关系与理想的直线关系不同而出现的误差，通常用多少表示。
（10）转换时间：
从发出启动转换信号开始直至获得稳定的二进制代码所需时间称为转换时间。
转换时间与转换器的工作原理及其位数有关。
同种工作原理的转换器，通常位数越多，其转换时间越长。
3.2.2ADC0809引脚介绍
ADC0809是八通道的八位逐次
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