新家用电量计量仪设计Word格式文档下载.docx
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设计要求：
1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适的单片机/AD转换器、显示方式等；
2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；
3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。
进度计划
第1天查阅收集资料
第2天总体设计方案的确定
第3-4天CPU最小系统设计（包括CPU选择，晶振电路，复位电路）
第5天电流电压互感器、AD转换器的选择以及接口电路设计
第6天显示电路及电源电路设计
第7天电流电压有效值计算方法确定以及程序流程图设计
第8天软件编写与调试
第9天设计说明书完成
第10天答辩
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
在电能计量领域由电子式仪表来取代机械仪表，抄表方式由自动抄表方式取代人工抄表。
随着单片机技术的日益发展，以单片机为主控芯片的电量计量仪的生产已成规模。
但是价格低廉、运行稳定、可靠性高、抗干扰能力强的电量计量仪还有待开发。
随着电力系统电量的日益增大和电压运行等级的不断提高，传统的电量监测系统暴露的缺点越来越多，难以满足现代化电网，数字发展的需要。
本文设计一种可用于家庭用户的数字电能表计量系统，采用多微机及智能电表组成，利用单片机89C51芯片采集电压、电流信号，再通过单片机对电能芯片的操作读取用户所用的电能数据，该系统具有较高的可靠性和灵活性。
关键词：
89C51；
单片机；
电能表
目录
第1章绪论1
1.1电量计量仪概况1
1.2本文研究内容1
第2章CPU最小系统设计2
2.1系统总体设计方案2
2.2CPU的选择2
2.3数据存储器扩展4
2.4复位电路设计5
2.5时钟电路设计7
2.6CPU最小系统图8
第3章电量计量仪输入输出接口电路设计9
3.1电流电压互感器的作用9
3.2电量计量仪检测接口电路设计9
3.3人机对话接口电路设计11
第4章电量计量仪软件设计14
4.1软件实现功能综述14
4.2流程图设计14
4.3电流电压有效值算法16
第5章系统设计与分析17
第6章课程设计总结18
参考文献19
第1章绪论
电量计量仪概况
随着我国电力市场的完善和发展，供电已经成为一种纯粹的商业行为，经济稳步的发展促使各行各业及家庭用电量的增多，电费已经成为企业、家庭和社会都不可忽视的生活成本和支出。
电能计量计费设备的精确与否，关系到人民和企业的利益，也关系到电力部门的诚信问题。
同时，社会发展也对电能测量的现代化也增加了更多的要求，比如人机通信，远程抄表等。
电能测量表专用芯片89C51集A/D转换，计算，滤波，系统校准等多种功能，能够帮助人们测量多种电能参数，而且设计中还简化了单相电能表的软件部分和硬件设计，不仅提高测量时的精确度，其性能也远远高于其他单项计量芯片，采用运行速度快和低功耗符合国家节能减排的未来趋势,所以采用89C51设计的单相电能计量表,不仅能够满足电力部门的多种需要,而且满足家庭的需要,具有广阔的市场前景.
本文研究内容
该计量仪实时监测用户电量，即实时检测用户电流电压，计算出用户用电量，并实时显示。
通过选择最小系统CPU，包括CPU、晶振电路、复位电路、电压互感器、A/D转换器以及接口电路的设计，完成单片机的设计。
同时要设计显示电路达到显示功能，在设计这些电路的时候需要计算出电流和电压的有效值，计算时需要选择有效方法，完成后，绘出程序流程图，并且根据程序流程图编写出具体的程序。
设计该仪表时，要具体分析系统功能尽可能达到降低成本，选择合适的单片机，A/D转换器，显示方式等。
应用专业的绘图软件绘制硬件电路和软件流程图。
第2章
CPU最小系统设计
系统总体设计方案
系统总体设计方案此电能表主要由计量模块、单片机、IC卡模块、LCD显示、EEPROM存储器、实时时钟电路及电源电路等部分组成。
其硬件系统框图如图2.1所示。
其中，单片机以AT89C51为电能表的核心控制芯片，它是电能表的“大脑”，外围所有的硬件模块都是在它的控制协调下进行工作的。
单片机通过控制在其中的各种程序，控制着其它硬件模块的工作状态，由它智能化地形成并可靠地提供电能计算、时段判断、费率切换、IC卡读写、电能量控制及负荷控制等功能。
CPU的选择
单片机是以AT89C51为电能表的核心控制芯片。
本电能表的硬件设计原则是在低功耗的前提下，实现多功能目的，该芯片功耗低，特别适用于电能表控制线路多、功能全、功耗低的要求。
它能方便地读取IC卡的数据，并控制液晶显示器的工作，同时还可以将电能表的数据存入EEPROM进行永久保存并可通过串口送至表外的数据终端，大大地提高了电能表的智能化功能。
在一小块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分，即89C51单片机芯片内包括：
（1）一个8位的微处理器（CPU）。
（2）片内256字节数据存储器RAM/SFR，用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。
（3）片内4KB程序存储器FlashROM，用以存放程序、一些原始数据和表格。
（4）4个8位并行I/O端口P0-P3,每个端口既可以用作输入，也可以用作输出。
（5）两个16位的定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式。
（6）具有5个中断源、两个中断优先级的中断控制系统。
（7）一个全双工UART的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与PC机之间的串行通信。
（8）片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。
（9）具有节电工作方式，即休闲方式和掉电方式。
以上各个部分通过片内八位数据总线相连接。
如图2.2所示为单片机AT89C51的引脚图。
（1）XTAL1（19脚）：
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
（2）XTAL2（18脚）：
振荡器反相放大器的输出端。
（3）RST（9脚）：
复位输入，当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
（4）P0口（39～32脚）：
P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。
作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。
当P0口作为输入口使用时，应先向口锁存器写入全1，此时P0口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。
（5）P3口（10～17脚）：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O多功能口。
P3口输出缓冲器可驱动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，此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。
当CPU不对P3口进行SFR寻址访问时，即用作第二功能输出/输入线时，由内部硬件使锁存器Q置1。
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处低电平10ms来完成。
在芯片擦除操作中，代码陈列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
数据存储器扩展
89C51片内有128B的RAM存储器，在实际应用中仅靠这128B的数据存储器是远远不够的，在这种情况下可利用89C51单片机所具有的扩展功能，宽展外部数据存储器。
89C51单片机最大可扩展64KBRAM，常用的数据存储器有静态数据存储器RAM和动态数据存储器，由于在实际应用中，需要扩展的容量不大，所以一般采用静态RAM，如SRAM6116、6264等。
6116是2K*8位静态随机存储器，采用CMOS工艺制造，单一+5V电源供电，额定功耗160mW，典型存取时间200ns，为24线双列直插式封装，数据存储器空间地址由P2口提供高8位地址，P0口分时提供低8位地址和8位双向数据线。
数据存储器的读和写由RD和WR信号控制。
其引脚图如图2.3所示。
工作方式选择如表2.1所示。
表2.1引脚功能
A0~A10
地址线
I00~I07
双向数据线
片选线
写允许线
读允许线
复位电路设计
在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：
这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。
无论用户使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电路的设计。
而单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。
许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。
复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。
单片机的复位都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RESET引脚上出现24个时钟振荡脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。
为了保证系统可靠复位，在设计复位电路时，一般使RESET引脚保持10ms以上的高电平，单片机便可以可靠地复位。
当RESET引脚从高电平变为低电平以后，单片机从0000H地址开始执行程序。
在复位有效期间，ALE和
引脚输出高电平。
89C51单片机内部复位结构如图所示。
外部复位电路接RESET引脚，RESET通过内部一个施密特触发器与内部复位电路相连，施密特触发器用来整形，它的输出在每个机器周期的S5P2由内部复位电路采样一次。
复位电路原理图如下：
图2.4按键复位电路图
单片机系统的复位方式有：
手动按钮复位和上电复位。
1、手动按钮复位
手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。
一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。
当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。
手动按钮复位的电路如所示。
由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。
2、上电复位
AT89C51的上电复位电路，只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。
对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1uF。
上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。
为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。
上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；
晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。
在复位电路中，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。
另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。
如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。
时钟电路设计
时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。
时钟信号可以由两种方式产生：
内部时钟方式和外部始终方式。
89C51内部有一个高增益反向放大器（即与非门的一个输入端编程为常有效时），用于构成片内振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器，见图2.5。
图2.5时钟电路原理图
CPU最小系统图
单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
对于89C51来说，最小系统包括：
单片机、晶振电路、复位电路、按键输入、显示输出等。
其原理图如下图所示：
图2.6CPU最小系统图
第3章电量计量仪输入输出接口电路设计
电流电压互感器的作用
一、电压互感器和电流互感器的作用：
1、将一次系统的电压、电流信息准确的传递到二次侧相关设备；
2、将一次系统的高电压、大电流变换为二次侧的低电压（标准值100V、100/根号3V）、小电流（标准值5A、1A），使测量、计量仪表和继电器等装置标准化、小型化，并降低了对二次设备的绝缘要求；
3、将二次测设备以及二次系统与一次系统高压设备在电气方面很好地隔离，从而保证了二次设备和人身的安全。
二、电压互感器和电流互感器的原理：
电流互感器的工作原理相当于2次侧短路的变压器，用来变流，在二次侧接入电流表测量电流（可以串联多个电流表）。
电流互感器的二次侧不能开路。
电压互感器的工作原理相当于2次侧开路的变压器，用来变压，在二次侧接入电压表测量电压（可以并联多个电压表）。
电压互感器的二次侧不能短路。
电量计量仪检测接口电路设计
1.数模转换器。
数模转换器，即A/D转换器，或简称ADC。
通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。
通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。
由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。
故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。
而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。
2.ADC0809。
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3.1所示。
下面说明各引脚功能。
IN0~IN7：
8路模拟量输入端。
2-1~2-8：
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC：
3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。
如表1所示。
ALE：
地址锁存允许信号，输入，高电平有效。
EOC：
A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
OE：
数据输出允许信号，输入，高电平有效。
当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。
CLK：
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF（+）、REF（-）：
基准电压。
Vcc：
电源，单一+5V。
GND：
接地端。
图3.1AD转换器0809
3.模拟量检测接口电路图
如图3.2。
图3.2AD0809与CPU的接口电路
人机对话接口电路设计
1、该部分主要是设计键盘和显示器，其模块图如图3.3所示：
2、按键模块
最常用的键盘连接方式有了俩种：
（1）、独立式按键模块：
这种键盘连接适用于按键数量比较少，单片机引脚比较富裕的情况，程序编写比较容易，方便控制。
（2）、4×
4行列式键盘模块：
这种键盘连接适用于按键数量较多的连接，通过行列扫描来判断是哪个键按下，但程序编写比较复杂。
由于本设计只需要按键来调时间，通过设计只需要3个按键来完成，所以本设计采用独立式键盘模块，如图3.4。
图3.4独立式键盘接法
本设计采用独立式键盘接法，按个案件的一端分别接单片机的三个引脚，另一端接地，这样就使得每当按键按下就会使单片机的相应引脚接到一个低电平。
3、显示模块
目前常见的电子式电量计量显示器件有三种：
液晶（LCD）、发光二极管（LED）、荧光管（FIP）。
本次设计的显示器采用的是LCD显示器，它具有以下优点：
（1）、显示质量高：
由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不详阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。
因此，液晶显示器画面质量高且不会闪烁。
（2）、数字式接口:
液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。
（3）、体积小重量轻：
液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。
（4）、功耗低：
相对而言，液晶显示器的功耗主要在其内部的电极和驱动上，因而耗电量比其他显示器要少得多。
本次设计采用LCD1602，原理图如图3.5。
图3.51602LCD原理图
1062LCD的基本参数及脚功能：
1602LCD分为带背光和布带背光两种，其控制器大部分为HD44780，带背光的比布带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。
第1引脚：
VSS为低电源。
第2引脚：
VDD接+5V电源。
第3引脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地是对比度最高，对比度高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4引脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。
第5引脚：
R/W为读写信号端，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读取信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6引脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14引脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15引脚：
背光源正极。
第4章电量计量仪软件设计
软件实现功能综述
本设计是基于89C51单片机的电量计量仪的设计，通过电流互感器和分压电路采集到电流和电压数据，发送到双通道ADC0809进行AD转换，在通过单片机进行相应运算算出消耗的电能，后通过LCD1602显示出来。
流程图设计
一、主程序流程图设计
主程序首先对数字钟的时钟秒钟清零，再对LCD1602初始化和中断初始化，两个中断为定时器T0和T1，分别控制数字钟和数据采集的程序，最后进入一个死循环，对键盘不停地扫描，判断键盘是否按下。
开始
主程序流程图如下：
LCD初始化
中断初始化
N
是否有按键按下
Y
时间程序
图4.1主程序流程图
二、按键程序流程图设计
由于本次采集数据的频率是50Hz，根据奈奎斯特采样频率定律选择采样频率为200Hz。
单片机5ms产生一次数据采集中断程序，由于每次进行AD转换的时候，都必须对ADC0809进行初始化，只有这样才能使ADC0809正常运行，采集的数据从到单片机的缓冲器中，进行判断这次是否是第四次采集，如果是把计数器清零，并进行有用功计算程序，最后显示到LCD1602上。
其图如图4.2所示：
电流电压有效值算法
电流电压有效值的测量方法有很多种，对于低频以及超低频信号电压有效值的测量，目前比较常用的是基于采样计算的测量方法。
这主要是因为用常规的测量方法和模拟技术不但要求测量仪表本身具有极高的稳定性，而且仪表极长的响应时间和不合理的电路元件参数使得测量在某些场合很难实现。
采样计算的测量方法克服这些传统不利因素的同时也产生了新的问题，分析误差因素对测量结果的影响方式，就能够在实际测量时更有效的避免这些因素的影响，有利于减小测量的不确定度。
本文对影响采样计算方法的主要误差因素进行了定量分析。
1、电压有效值
根据有效值的定义，在一个信号周期内，通过某纯阻负载所产生的热量与一个直流电压在同一负载上产生的热量相等时，该直流电压的数值就是交流电压的有效值。
数学表达式如式（4-1）所示：
（4-1）
（4-1）式中的
是交流信号的周期，
为电压瞬时值。
通常把由（4-1）式所确定的电压有效值称之为被测电压
的真有效值。
2、电流有效值
定义：
将一直流电与一交流电分别通过相同阻值的电阻，如果相同时间内两电流通过电阻产生的热量相同，就说这一直流电的电流值是这一交流电的有效值。
数学表达式如（4-2）所示：
（4-2）
第5章系统设计与分析
图5.1系统原理图
第6章课程设计总结
本课题设计是家用电量计量仪设计，此电量计量仪能够对家庭用电进行计费。
主要包括前端处理网络、继电器断电控制电路、电参量测量模块、单片机键盘及显示电路等模块，可以实现交流信号的电压有效值、电流有效值、有功功率、电能、功率因数和频率等的测量，同时完成各电参量的LCD实时显示，大电流检测报警及电能不足报警。
89C51单片机主要用于控制LCD显示各电参量，由键盘输入设定值，以及继电器的通断。
首先通过电流和电压数据采集电路把电流和电压数据送到双通道ADC0809进行数据转换，然后通过编写的电能算法程序在单片机内部进行电能计算，最后再把计算的数据显示在LCD1602上。
为了解决错峰分段计费问题本设计还编写了电子时钟程序，这就使电量计量仪在相应的时间进行相应计费。
本设计还连接了三个按键，便于对电量计量仪的调时。
实际应用表明，本电表计量精度高，工作稳定，通信可靠，是用电系统中理想的用户用表，应用前景广阔。
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