基于单片机的数字电能表设计

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 月基于单片机的数字电能表设计The design of digital watt-hour meter based on single chip microcomputer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 月论文编号：070114200653摘要I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 0.005.00V 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ABSTRACTIIABSTRACTThirties and 19th century, the Chinese peoples way of illumination is mainly composed of kerosene lamp is given priority to, and with the rapid economic development, science and technology products with each passing day today, the applications of electricity have the Chinese Peoples Daily life. Lights, refrigerator, air conditioner and so on, all has close relationship with electricity. Electricity is essential in todays society, and also emerged for the measurement of the power, thus appeared the watt-hour meter measuring instrument. The developing course of watt-hour meter is mainly composed of a single rate, initial watt-hour meter in todays complex rate watt-hour meter. This is associated with rate more electricity policy of our country, aimed at peak valley town, balance of power. Also, in what is now the rapid development of science and technology, all kinds of electrical appliances, instrument has gradually tend to be automated, humanization and intelligent. But most of these electrical equipment including microcontroller or CPU controller.We will integrate the intelligent watt-hour meter in the design of watt-hour meter as important measuring instrument, the accuracy, stability is very important. And digital watt-hour meter with high precision, measurement accuracy, reading the advantages of intuitive and easy to use. This design USES AT89C51 single-chip microcomputer as the core, to compare successive type A/D converter ADC0809, eight digital tube as the main body, constructed A simple digital watt-hour meter, can be achieved at the same time measuring 8 road from 0.00 V to 5.00 V dc voltage, minimum resolution of 0.02 V.Keywords: AT89C51；ADC0809；Digital watt-hour meter；Eight digital tube目录目 录第 1 章 绪论 .1第 2 章 总体方案选择 .22.1 方案一：由数字电路及芯片构建。 .22.2 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 .43.1 单片机 AT89C51.43.1.1 AT89C51 芯片主要性能参数 .43.1.3 芯片管脚介绍及分配 .53.2 A/D 转换模块设计 .73.2.1 A/D 转换器的介绍 .73.2.2 ADC0809 的介绍 .93.2.3 转换器 ADC0809 与单片机的接口电路 .133.2.4 有关芯片介绍 .143.3 显示模块设计 .163.3.1 显示器的选择 .163.3.2 显示器与单片机接口电路.173.4 复位电路和时钟电路 .183.4.1 复位电路.183.4.2 时钟电路.18第 4 章 软件设计 .204.1 汇编语言的选择及介绍 .204.2 程序流程 .214.2.1 系统主程序流程图 .214.2.2 各子程序流程图 .21第 5 章 系统的调试 .255.1 硬件电路的调试 .255.2 软件调试 .255.2.1 PROTEUS 软件简介 .255.2.2 KEIL 简介 .25目录4.3.1 显示结果及误差分析 .27第 6 章 结论与展望 .296.1 结论 .296.2 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 .331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0.005.00V 的电压，最小分辨率为 0.02V。2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 0V5V 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 0.02 V。设计电路主要通过 ADC0809 芯片的模拟电压输入端输入的 0V5V 的模拟量电压，产生相应的数字量经过其输出通道 D0D7 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3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AD 转换模块测量电压输入时钟与复位电路显示模块AT89C514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