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任务书 一、毕业设计（论文）的内容 (400字以上 ) 内容： 对于电力参数进行高精度、多参数的测量，是充分了解电网的运行状况，寻找并解决电力系统中出现问题的重要途径。因此对于电力参数的测量，尤其是高精度、多参数、低价格、便携稳定的实时测量就显得尤为重要，也一直是人们研究的一个重要的方向。本课题要求利用单片机或 计一个多功能电力参数测试仪。 以微处理器和微控制芯片（如单片机）为核心的可以存储大量的测量信息并且具有对测量结果进行实时分析、综合和做出各种判断能力的仪器。一般具有自动测量功能、强大的数据处理能力， 进行自动调零和单位换算功能，能进行简单的故障提示，具有操作面板和显示器和报警功能。数字电表是取火线的电流信号，通过数字电路转换成可计量数据。其中没有可运动的组件。智能数字电表的研究主要为了实现供需双方的实时通信，供方可以根据需求负荷调节电价，需方可以根据电价调节用电量。最终达到削峰填谷，节约用电的效果。 二、毕业设计（论文）的要求与数据 要求： 对于电力参数进行高精度、多参数的测量，是充分了解电网的运行状况，寻找并解决电力系统中出现问题的重要途径。因此对于电力参数的测量，尤其是高精度、多参数、低价格、便携稳 定的实时测量就显得尤为重要，也一直是人们研究的一个重要的方向。本课题要求利用单片机或 计一个多功能电力参数测试仪。 三、毕业设计（论文）应完成的工作 指定整个毕业设计学生应该完成的所有工作包括： 1、撰写两万字以上的毕业设计说明书（兼附 15 篇以上的参考文献）；在毕业设计说明书中应包括 300 500 个单词的英文摘要及关键词； 2、完成与课题相关英文资料的翻译（约四万英文字符，附英文全文）； 3、完成粮库粮情测控系统开发的研究和实现方案； 4、设计出系统的硬件和完成相应软件程序设计，给出必需的硬件实现原理图； 5、根据课题任务与要求，完成可供掩饰的功能样机。 5、软件清单及注释 。 四、应收集的资料及主要参考文献 1赵伟 电测与仪表 06 期 2贺静丹 电子测量与仪器学报 1 月 3胡淑坤 现代企业教育， 2012 年 4月 4郭慧芳 大众科技 10 月 5庞桂云 C 卡电能表设计 9 月 6公茂法 多用户多功能预付费电能表 2011年 9 月 7曾乃鸿 2001(8)： 5 - 6 8张迎新 用及接口技术北京：国防工业出版社， 2004 9 胡伟 c 语言程序设计及应用实例 民邮电出版社， 2003 10 高中文 黄玲 ,等 电子式电能表设计 ,哈尔滨理工大学学报， 2001( 5)： 9 8 101 五 、试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件 个人 计算机 51 单片机开发板 示波器 直流稳压电源 数字万用表 开放实验室 任务下达时间： 2015 年 12 月 28 日 毕业设计开始与完成时间： 2015 年 12 月 28 日至 2016 年 05 月 22 日 组织实施单位： 电气工程系 教研室主任意见： 签字： 2015 年 12 月 30 日 院领导小组意见： 签字： 2015 年 12 月 31 日 - 1 - 开题报告 1毕业设计的主要内容、重点和难点等 研究内容 对于电力参数进行高精度、多参数的测量，是充分了解电网的运行状况，寻找并解决电力系统中出现问题的重要途径。因此对于电力参数的测量，尤其是高精度、多参数、低价格、便携稳定的实时测量就显得尤为重要，也一直是人们研究的一个重要的方向。本课题要求利用单片机或 研究重点及难点 重点： （ 1） 标准波形和非标准波形下的电压下功率采样设计，使采样结果尽可能的精确，满足精度要求； （ 2） 数模转换，采集来的信号为模拟信号，需要一个 数模转换器转换成能够被单片机处理的数字信号； （ 3） 正确设计电能计算程序 ,精确地满足测量要求 ,并且 操作简单、显示界面直观明了满足要求。 难点： （ 1）如何设计 合适的采样电路，在标准和非标准波形下使误差范围减小到要求范围内 （ 2）如何合理 选择数模转换的方式，尽量减小转换过程带来的误差，使数模转换精度及效率达到使用要求 （ 3）如何 合理设计单片机程序，合理选择测量周期、降低电能表能 - 2 - 2准备情况（查阅过的文献资料及调研情况、现有设备、实验条件等） 研究概况及发展趋势 （ 1） 电能表及数字电能 表现状（文献综述） 1电能表，顾名思义，作为电能的计量工具在国民经济的各部门得到广泛应用，存在我们身边的各个角落。 传统电表是使火线绕若干圈，与火 似一台可控转速的电机。以单相电能表 5(60)为例。“ 15”称为“标定电流”，“ 60”称为“额定最大电流”，即该单相电能表的标定电流是 15A，额定最大电流是 60A；则该电能表能用于正常运行负荷电流为： 15A/30%=50A，折算成容量为： P=50A*220V=11000W=11可以带 11千 瓦的功率。但是，其存在的问题也较为突出，传统电表只能显示总体用电量，而且需要人工抄表，浪费了大量的人力物力。传统电表的火 然电耗很少，但每月大约有一度电的空耗。根据我国目前的发展状况和广大用电单位及个人的用电状况 ,发现现在所使用的电能计量器具比较落后 ,精确度不高 ,并且功能较少 ,这样既浪费资源又不能满足人们目前的要求 ,影响社会的发展。因此 ,有必要对老式的电能表进行改进和创新以满足人们不断增长的需求。 （ 2）国内的发展趋势 3传统电表的缺点：电表耗电量大、体积笨重、防 窃电能力差、精度不高且抄表麻烦，无法做到信息的交换。 随着微电子技术的迅猛发展 ,微控器 (单片机 )和大规模集成电路在电能计量领域的广泛应用 ,使电度表的技术水平和性能得到了长足发展，数字电表得以产生，在实际应用中的优势非常明显。 数字电表：以微处理器和微控制芯片（如单片机）为核心的可以存储大量的测量信息并且具有对测量结果进行实时分析、综合和做出各种判断能力的仪器。一般具有自动测量功能、强大的数据处理能力，进行自动调零和单位换算功能，能进行简单的故障提示，具有操作面板和显示器和报警功能。数字电表是取火线的电 流信号，通过数字电路转换成可计量数据。其中没有可运动的组件。智能数字电表的研究主要为了实现供需双方的实时通信，供方可以根据需求负荷调节电价，需方可以根据电价调节用电量。最终达到削峰填谷，节约用电的效果。数字表使用数字电路，电耗极少。 小结数字电能表的优点：装置简单方便、功耗小精度高、数字显示直观明了且可以做到信息的交换、数据处理能力强大、顺应了智能电网建设的要求。 - 3 - 主要参考文献 1赵伟 电测与仪表 6期 2贺静丹 电子测量与仪器学报 月 3胡淑坤 现代企业教育， 2012年 4 月 4郭慧芳 大众科技 10 月 5庞桂云 电测与仪表 月 6公茂法 电力自动化设备， 2011 年 9月 7曾乃鸿 2001(8)： 5 - 6 8张迎新 用及接口技术北京：国防工业出版社， 2004 9 胡伟 民邮电出版社， 2003 10 高中文 黄玲 ,等 电子式电能表设计 ,哈尔滨理工大学学报，2001( 5)： 9 8 101 现有设备和实验条件 个人 计算机 、 51 单片机开发板 、 示波器 、 直流稳压电源 、 数字万用表 ，开放实验室 - 4 - 3、实施方案、进度实施计划及预期提交的毕业设计资料 实施方案 数字电能表采用专门的电能计量芯片，采用单片机强大功能实现对用电量的自动计量和分段 计算，并通过外围电路实现数据储存，电量显示，电量显示等功能。可计量正反向有功电能，四象无功电能，最大需量等功能，具体实施方案需等后期仔细研读制定 。 进度实施计划 第一阶段 （ 2016 2016：分析毕业设计题目，阅读理解任务书内容，确定实施计划方案。 第二阶段（ 2016 2016 查阅相关文献和资料，了解 数字电能表 的工作原理，了解其在线监测的方法，选择一种方案，制定相关方案。 第三阶段 （ 2016 2016 查阅资料，查找和毕业设计题 目相关的资料，和符合要求的相关课题的 4万字符的外语文献，在已有对课题理解的知识层面上对材料进行翻译。 第四阶段 （ 2016 2016确定可实行方案。 设计电路，画 出样机电路板。提交 第五阶段 （ 2016 2016调试硬件， 设计程序。 第六阶段 （ 2016 2016 软件编程并与硬件进行联调，完成制作的样机。 第七阶段 （ 2016 2016撰写并 完善毕业设计论文 。 第八阶段 （ 2016 2016 完成毕业设计，提交论文 。 预期提交的毕业设计资料 1、撰写两万字以上的毕业设计说明书（兼附 15 篇以上的参考文献）；在毕业设计说明书中应包括 300 500 个单词的英文摘要及关键词； 2、完成与课题相关英文资料的翻译（约四万英文字符，附英文全文）； 3、完成粮库粮情测控系统开发的研究和实现方案； 4、设计出系统的硬件和完成相应软件程序设计，给出必需的硬件实现原理图； 5、根据课题任务与要求，完成可供掩饰的功能样机。 - 5 - 指导教师意见 指导教师（签字） ： 2016 年 03 月 日 开题小组意见 开题小组组长（签字）： 2016 年 03 月 日 院（系、部）意见 主管院长（系、部主任）签字： 2016 年 03 月 日 摘 要 随着中国经济的腾飞，人民生活水平的提高，对电能的需求日益增长，之前传统单一的费率政策已经不能满足需求，电网开始采用新的用电政策，用来平衡高峰用电和低谷用电，保证电网的安全稳定运行。这就对电能表提出了新的要求，如今单片机技术已经广泛应用在各个领域，其有着价格低廉、技术成熟、运行安全稳定等优点，如今单片机控制的电能表逐步取代了传统的电能表。 根据题目要求，本设计采用 片机作为主控芯片，对线路实行单相测量，能实现实时测量电流、电压有效值和瞬时功率。电能表带有报警功能，可自行设置报警阈值，超过阈值蜂鸣器报警，从而保护电路。电能表采用模块化设计，采集部分分为电流采集模块，电压采集模块，功率因素采集模块，通过单片机自带的 A/D 转换器转换成可以处理的数字信号，经过单片机内部程序运算实现对电力参数的实时测量显示功能；单片机最小系统集成了 示模块，通过 实时查看电力参数；电源模块为双路输出，为单片机模块与采集模块分别提供 5V 与 +稳 定直流。软件部分带有设置中断，可随时设置报警值，并根据采集数据转换成可读电力参数。 关键字 ：单片机；电能表；电力参数；实时显示；报警 s by to In to of a CM in It of by to of TC as of of of if is so on is of CU / D in of of CD CD of V to a C. is an at be a to 录 摘 要 . I . 绪论 . 1 题背景 . 1 展情况 . 1 . 1 . 2 展趋势 . 3 题研究基本要求 . 3 章小结 . 4 2 电能表电力参数与芯片选择 . 5 感器 . 5 能参数的测量 . 5 . 5 . 5 控模块的选择 . 6 示模块 . 7 换 . 7 章小结 . 7 3 硬件部分 . 8 件整体结构 . 8 控芯片 12. 9 . 9 示模块 . 10 . 11 . 11 . 12 流采集模块 . 14 . 14 . 15 . 15 压采样电路 . 17 . 17 . 18 . 18 源模块 . 19 . 20 . 20 率因素检测电路 . 21 . 22 . 22 章小结 . 22 4 软件设计 . 23 件思路 . 23 示程序 . 23 程序 . 24 5 调试 . 25 件调试 . 25 件调试 . 25 6 结论 . 26 谢 辞 . 27 参考文献 . 28 附录一 基于单片机的数字电能表设计电路原理图 . 29 附录二 基于单片机的数字电能表设计电路 . 33 附录三 基于单片机的数字电能表设计 C 语言程序 . 36 1 绪论 题背景 电出现在人类历史不过几百年的时间，但其发展之广泛，速度之快是人们意想不到的，这对电能表提出了每个时代不同的需求，人们最开始的时候使用的是电解化学电能表进行计费，而后发明的电磁感应电能表使用了将近一个世纪，虽对其做了诸多改进，技术成熟，但如今已难以满足时代的需求。上世纪经历工业革命后，人类的生产力有了空前的提高，同时带动了科学技术的发展，人类在微电子领域和计算机领域有了重大的技术突破，这就为新一代电能表的产生奠定了基础，其测量精度高，实时电价计算，远程抄表，负荷曲线计算等优势明显，现已取代传统电磁电能表成为未 来电能表发展的主流。 随着国家对电力行业的规范化和市场化改革，我国对智能化电网的建设，电能远程抄表系统逐渐普及，实际使用中旧式电能表已经被数字电能表取代，其大部分为国外厂商生产的电能表，且运作良好。电网营运中，电能的测量为整个电网生产，运营不可或缺的环节，故发展更为先进、精准的电能表，对电网的运营有重要的意义。随着国内对用电水平要求的提高，传统的二次设备已经不能满足电网安全稳定运行了，如电网的功率因素会影响设备的正常运行，需对检测设备进行更新换代，实时调整电网各项参数，才能保证电网安全经济运行，减少电能浪费 。 随着人民生活水平的提高，用电设备家里从原来的几样变成现在我们无时无刻地离不开电器设备，用电设备已经成为了我们不可或缺的生产力工具，国家的发展离不开电，人民生产离不开电，人民对电能的需求不断增长，这就促进了国家电网的建设，发电厂增多，电压等级升高，发电厂装机容量的增大，传统的二次设备已经不能满足电网的稳定运行，且传统二次设备需值班人数较多，无法满足如今市场化的电力行业经济性要求。一些高新技术产业对电能质量要求颇高，这就要求电网对电力参数做到实时监控。如用电单位的无功功率超标，导致电能不能充分利用，造成电能 浪费，若不及时补偿，则可能导致电压波形畸变，对用电设备的寿命和使用造成影响，若不及时调整则会造成用电设备受损。为了保证电网和用电设备安全稳定运行，我们势必要对电网中各项电力参数进行实时监测，对参数进行判断及预判，合理对对各项参数失常进行必要的补偿。故电力参数实时测量时电网安全运行的保证，对电能参数的合理预判可避免故障的发生。 展情况 在电力产业发展起步阶段，国际上研发了第一代电能表，初代电能表采用了电解化学原理计费。直到 1890 年，国际上才发明了以电磁感应为原理的电能表，至 今使用该原理的电能表已经有百年历史了。随着国际上对电费制度的改革，提出了新的电价制度 如分段费率、预付费制度等一系列新一代电费制度。上世纪七十年代，国际电力行业又迎来了一次新的发展机遇，对电能计量设备提出了如负荷曲线记录、电能质量检测、电能表远距离通讯、智能抄表、实时电价编程等新的要求，传统的铝盘式电能表虽经过诸多改善，但对国际电力行业不断增加的新需求不免力不从心。上世纪中叶，人类的科学技术水平有了一次大的飞跃，在微电子和电子信息领域有了飞跃式进展，技术变革催生了新一代的电能表的产生，基于微电子的高新技术，新 一代电能表精度远高于电磁感应式电能表。在电力行业变革的潮流中，世界各地电能表生产厂商意识到电能表要在业内能站稳脚跟就要发展自主设计的表计。不同的供应商和不同的电价系统，在二次设备标准还未完全指定的时代 ,厂家之间的通讯协议 混乱 ,故制定 二次设备生产标准 迫在眉睫 ,在欧洲二次设备大 厂 的引 导下 成立了 户协会 ,该协会给后来的 约的 出台 奠定了基础。同样的在北美地区也出台了 约标准，当时的电力系统中有着不同厂家制造的不同标准的二次设备，其标准混乱不同设备之间的兼容性差，美国 司顺势退出了 计，其兼容性十分强大，能兼容 系统中大部分二次设备，因此在北美乃至世界地区广泛采用， 成为 那个时代电能表的代表 。 我国电能表发展水平并不高，与国际发达国家二次监测设备发展水平相比，是存在较大的差距的，我国在核心技术上，特别是核心部件的材料加工水平远不及国际水平，国内加工精密材料是中国制造的软肋，在精密加工上是远远落后于国外先进水平的，且制造材料的质量也是参差不齐，因此如何提高我国精密加工的工艺水平，是如何提高我国二次设备水平的关键问题。新一代数字式电能表虽在我国已开始逐步取代传统 电能表，但我国生产电能表水平仍不高，采用传统的人工加工，设备存在较大的个体差异，设备良品率收到人为因素影响较大。且我国二次设备生产企业规模较少，对研发投入资金较少，导致我国设计电能表缺乏竞争力，国内核心技术研发力度不足，导致国内二次设备发展较为缓慢。 国内电能表可以原理的不同划分为两代，第一代为铝盘式电能表，电流通过线圈产生磁场，与铝盘中的感应电流互斥，驱动铝盘转动，铝盘带动机械传动装置，记录铝盘转动圈数从而达到记录消耗电能的目的，其主要是通过电磁感应来驱动其转动，若电能消耗越快其转速就越快。第一代电能表结 构简单，但其测量误差较大，只能采用人工抄表的方式给电网反馈，实时性差，由此催生了第二代电能表。 第二代电能表为数字电能表。随着微电子技术的发展，市面上出现了电能表专用的芯片，集成了当今电力市场要求的多种功能，可通过单片机编写程序和外围电路的设计，实现对电能的自动计量，远程传输，自动抄表等功能，其测量准确度高，稳定性好，成为了现在主流电能表。 上世纪九十年代，国内厂商成功研制数字电能表，开始在华东地区小范围使用，使 用至今运行良好稳定，且故障率低，开始被电力管理部门所接受，这给国内的仪表厂商提供了一次发展的机遇 ，国内厂商经过对国外先进技术的学习和理解，结合本国国情，研发出一批科技含量高的产品。 单相电子式电能表的专用芯片报道 1998 年全国产量为 500 万片，而 2000 年新一代芯片 中国销量超 1000 万片，由此推论 19982000 年每年单相电能表产量均有数百万台，仅江苏、浙江两省不完全统计，单相式电能表装用量均大于 100 万台，以此可以推论全国装用量应不少于数百万台，单相式预付费用卡电能表有相当大的装用量 1。 展趋势 随着近几年 国内 高新技术 的发展， 国家 制造业得到空前发展，国内电能表的 制造 技术 得到了较大 的提高 ，电磁感应式 电能表已经 逐渐 被 新一代 的数字式电能表 取代 ， 电能表 运行的 稳定性和测量精度有了较大提升，随着国内电网 规模 的扩大， 初代单相数字电能 表已经不能满足电能参数的测量要求，新一代三相式电能表已经开始投放市场 。第一代 电能表只能单一 统计 用电量 ，通过技术革新更新换代为可统计多种电能参数的电能表 ，其 稳定性较高且能 统计 多种电能参数 。 在 未来 电能表的发展趋势中，模块 化 设计成为了当今的主流，模块化设计有助于增加数字电能表的运行稳定性。 随着微电子技术的发展与成熟，厂商推出了各自的电能计量芯片，相比传统电能表其测量精度更高，且外围电路与配套软件较为简单、价格便宜。所以高度集成化设计与分块化设计成为未来发展的主流。 在实际电网运行过程中某个时间点内各类负载所消耗的电能总和称为电力负荷，其消耗的电能是随时间变化的，可用负荷曲线来描述。当电力负荷大量增加时会形成电 网的负荷高峰而当电力负荷减少时又会形成电力负荷低谷。当电力负荷上的峰值和谷值相差很大时会使供电设备容量不能充分利用运行不经济 2,这就要求电网能实时掌握各个时刻的用电情况，而传统电磁式电能表采用的人工抄表的方式有其时滞性，不能满足电网运行经济性要求，因此发展新型多功能电能表是中国电力行业的必 然需求。 题研究基本要求 一、设计内容 在电力系统运行中，电能参数是表征系统运行状态的重要参数，通过对电能参数的合理预判可一定程度上避免电力故障的发生。本次课程设计要求我们对电网中的电力参数进行测量，要求电能表具有较高的精度，实现实时测量多路电能参数，并具有一定的经济性和便携性。本课题要求利用单片机或 计一个多功能电力参数测试仪。 二、设计要求 1、通过阅读材料认识该领域的发展状况，自学并掌握相关采样电路、变送器的工作原理。 2、了解并掌握电力参数（如 U/I、 P、 Q、等）的常用测量方法。 3、至少实现 2 路不同电能参数的实时在计量与显示。 4、当被测参数超过预置阈值时能通过指示灯闪烁或蜂鸣报警。 章小结 本章为本次设计的开篇，介绍电能表在国内外的背景和发展情况，并简要介绍了电能表的发展历程和未来发展趋势，介绍了数字电能表的优势，为下文的设计介绍做了铺垫。 2 电能表电力参数 与芯片选择 感器 被测对象为电网民用电，电压电流变化周期为 50压为 220v 交流电，其数值较高，远超过安全电压，存在一定的危险性。且单片机采样信号低，故需用互感器来将被测信号转换成可采样信号。互感器原理和变压器类似，采用电磁感应原理，一次侧绕组为被测绕组，二次绕组为采样绕组，通过绕组变比的设置，达到降低采样信号的目的。 能参数的测量 本次设计的电能表需对线路中的基本参数进行测量，主要的电能参数包括：电压有效值、电流有效值、电路中功率因数角即线路中电压和电流的相位差、线路中视在功率等基本参数。实际应用中，经过大 规模采样，供电单位可实时了解各用电单位的用电高峰、电能质量等使用信息，由于电能生产不能储存，故供电单位可通过对收集信息的统计及预判，对电能生产单位进行协调，及对电能质量进行补偿，避免造成电能浪费，提高用电设备的运行效能。 电流有效值即均方根值：交流电 i 通过纯电阻电路做的功与直流电 I 通过相同电路做的功相等，则称 I 为交流电 i 的有效值。在电力基本参数的计算时，大多采用的是有效值计算，其公式为 I = 1 20 （ 2 类似的，我们对电压有效值的计算有： U = 1 20 （ 2 在正弦交流电的功率计算中包含了有功功率、无功功率、视在功率。在电能计算中，离不开这三个功率之间的关系，故下面我们来讨论这三个功率及功率之间的关系。 电能是用来表征电流做功的物理量 ， 在当今的意义是用户一段时间内消耗的电能量 。而对电能微分则是电功率，用来表示电能消耗的快慢。功率分为瞬时功率和平均功率，在大小和方向不发生改变的直流电来说，两者是一致的，但在交流电中，每一刻功 率是实时不同的，故若要计算一定时间内消耗的电能值，需对这段时间内功率的瞬时值进行积分。 有功功率：设任意时间电压 U(t)，电流 I(t)，这该时间的功率为 瞬时 = U(t)I(t)， 在交流电中，这是一个实时变化的函数，若要求一个时刻内功率的平均值，则需要对这段时间内的 行积分再除以这段时间间隔 t，即 u(t)i(t)/ （ 2 功率因数：在这里我们引入一个三脚函数 该三脚函数表示功率因数，功率因数表示电网中实际做功的快慢，端口电压电流 有效值的相乘即视在功率，功率因数反应的是负载对电能使用效率的高低，若功率因数低，说明负载中用于交变磁场转换的功率大，降低了电能的使用效率，也会对供电线路造成电压畸变等不良影响。 为电压信号与电流信号的相位差。对于交流电上式可变为： U （ 2 外部电路给网络供给的能量和网络真正能应用的能量往往是不相等的，即有功功率往往小于视在功率，我们把这个关系定义为功率因数，它们的比值等于负载 U 和 I 之间的相位差，在实际应用中我们往往要提高功率因数，即增加 电能的利用率，也保证用电设备的安全稳定运作。功率因数即有功功率和视在功率之间的表达式如下： = / （ 2 无功功率：在包含有电磁感应原理的负载中，如电机等含有感性负载的用电设备，电能需转换成交变磁场才能使用电负载正常运行，而在电能转换成磁场的过程中需要消耗能量，我们把这部分能量叫做无功功率。 Q = （ 2 本次设计的电能表模拟测量的用电器为白炽灯，可视为纯阻性负载，故本次测量的用电设备没有电磁转换，其无功功率可视为 0。 视在功率 :视在功率是指整个端钮的电压有效值和电流有效值的乘积。反映了外部电路给整个网络供给的能量大小。根据定义我们有： S = （ 2 控 模块的 选择 控制 芯片 主要 分为 个 阵营， 由于 本次设计的是测量设备，需 控制其功耗 大小 ， 若不 控制功耗，大规模安装则 会 对 电能 造成浪费， 采用小电压供电 的单片机能使 整个 系统实现低功耗。 另一方 面 由于控制 芯片 需要 处理 调度 较多 数据，故 控制 芯片需要较快的处理芯片 ， 片 能 实现 较快的处理速度 ， 但其价格昂贵 、功能 繁多对于 测量设备性能显得过剩 。故 考虑采用 列 芯片。 片 最常用的为 但其内存 较小，处理 速度较慢， 性能 不能满足本次设计 需要 ， 经过 对 列资料 的查阅，最终选定了 12片机 。 12051 指令 、引脚完全相同，其相比 8051 具有 更大的 单片机内部自带了 60k 的 常用 的 8051 系列主控芯片对比，选择 该 主控芯片是因为 具有以下优点： 相同 外围电路 的 最小系统其处理 效能 比 常用的 8051 系列主控芯片 快 812 倍；主控芯片自带 了 8 路 10 位 的 大幅度 精简了外围 电路， 可 直接通过 编写 程序读取模拟测量值 ；单片机 内部自带 60k 的 远高于 传统 8051 系列 单片机，本次设计的程序较长，故需要较大的内部储存空间。综合 以上性能 、 能耗 、经济性 、 集成度等考虑，最终选定12 本次设计的 控制 芯片。 示模块 用于显示的模块常用的有两款，分别为 一款 由 点阵 组成的液晶显示屏 ，能同时 显 示 16 列 2 行字符。它由 5单个字符的点阵，每个点阵可显示一个字符。本设计需显示的信息较为简单，满足了显示需求，也可用编程好的点阵字库来显示简单的中文。 一款自带中文字库的显示模块，字库包含了八千多个 16点阵，和 128 个 符，由于自带字库，其指令编程简单，也可完成显示图形显示，是常用的显示模块。 考虑到 本次 设计的电能表需显示的 电力 参数较为简单， 若 采用 剩，能 能满足本次设计所有要求， 且 格 是 5 倍 ， 若 大规模生产， 成本差别 巨大， 故 本次设计采用 换 本次 设计的采样模块通过互感器采集 电能参数 信号 ,未处理过的信号 为模拟信号 ,而单片机 能够处理的信号 为 数字信号 , 本次选取的主控芯片 内部自带 了 一个 10 位 8 路 的换器 ，通过编程可 开启 的 换 ， 无需 外加电路 。单片机 内部自带的 电压输入 型，电流采样信号为 交流的电流信号， 需 将其 进行 换 成 能处理的 直流的电压信号， 故 需加入个电阻负载，使其转换成电压信号， 而 转换 后 的信号是 很粗糙的信号，含有较多毛刺噪声，需对信号 再 加工， 信号 通过 精密整流滤波电路， 将 信号的毛刺 噪声 去除 ，信号 变成较为 平滑 的直流信号，最后才能 接入 单片机 进行 过滤波 后 的电路可 增加 有效分辨 ，增加 测量电路的精确度。 章小结 本章主要介绍电能参数的基本运算和基本的采样模块，为下文理解电路打下基础，同时介绍了本次设计对于芯片的选择思路，为下文整体性介绍做铺垫。 3 硬件部分 件整体结构 本次设计的整体方案如图 3示，采用模块化设计的思路，每个模块相对独立，却无法独立行使功能，需在单片机协调下完成各个模块功能。单片机把各模块联系在一起，单片机高集成度的系统，把各个模块采集的数据统一处理，使各模块共同工作才构成了具有完善功能的电能表 。 图 3体结构 电能表各模块组成如下： （ 1）控制芯片： 电能表的主控芯片，是电能表的核心硬件，通过合理搭建外围电路，可使单片机 行使不通的功能，本次设计单片机协调了电能表各模块的功能，使电能表能测量计算功率，实时显示电力参数，过压过流报警功能。 （ 2）电能参数采集模块：通过互感器可将电路中大电流转换成小电流，大电压转换成小电压，能让电能表与被测电路实现电气隔离，保护电能表及人员安全，同时使测量的线路电流电压降低到可采集范围。 （ 3） 换模块：本次采用的单片机集成了 换模块，降低的电路的复杂程度，对提高电能表可靠性具有积极作用。 换 是将 最初的未经处理的 电能参数模拟信号转换成单片机可处理的数字信号，输送给单片机进行 运算 。 （ 4） 显示模块：采用了常用的 晶显示器，行使的是人机互交的工作，采集模块采集的数据经单片机处理计算，最终得出人类可读的数据，再通过 示，实现人机互交。 （ 5） 报警模块：报警模块由设计为蜂鸣器，我们可以通过按键设置报警电压电流阈值，当电流或电压达到阈值，单片机发出报警电平触发蜂鸣器报警。 （ 6）电源模块：电源模块通过变压器的降压作用将被测电路的高压交流电转换成低压交流电，在经过整理芯片自带的 换成可供单片机使用的直流电，本次设计的单相输入电 压 采 集电 流 采 集功 率 因 数 采 集 模 块报 警 模 块 电源模块具有双路输出，分别是 12v 与 5v，单片机的供给电 流为 5v，而采样模块经过精密整流电路供给的电压为 12v。电源模块的设计十分重要，需输出稳定的高质量直流电才能保证系统的稳定运行。 控芯片 12次 设计的电能表采用的控制芯片为 12控芯片 , 在众多 8051 系列主控芯片 中 , 12着 其独特的 竞争力 , 12用 的 编程指令和常用的8051 主控芯片完全相同，和常用 8051 主控芯片相比有几个优点是本次设计所看重的：首先在同样的外围系统中其处理能力是传统 8051 单片机的 8 至 12 倍；其次是 12集成了 8 路 10 位的 换器，可通过编写内部程序可使 开启 换的功能，可将 05v 的模拟电压信号转换成单片机可处理的数字信号， 换器一定程度上降低了电路设计的复杂程度，提高了电能表的稳定性。引脚如图 3 图 3 单片机引脚图 单 片机最小系统是指能使单片机正常工作的最小外围硬件电路，要发挥其功能需根据设计要求将其他模块通过单片机引脚与单片机相连，实现其他模块与主控芯片的数据交换，最终实现设计所需功能。根据查阅 12脚及用户手册设立如下电路，12小系统与传统 8051 系列单片机无异，其 自带 换，故采集模块经整流后从单片机 输入单片机。其原理如图 3 单片机为可编程性能及强的芯片，常作为电路设计中的主控芯片，其内部集成了中央处理器、具有多功能的数据传输接口（输出 /输出）、随机存取储存器、 只读储存器等部分，可通过编程实现较为复杂的计算，与外围部件实现数据交换、控制外围电路等功能。而单片机最小系统为让主控芯片运作搭建的最简硬件模块，最小系统一般由四个部分组成，分别为晶振时钟、与外部通讯设备、复位电路、主控芯片组成。 晶振时钟电路为 18、 19 引脚，通常采用石英晶振来引起内部的自激振荡，也可通过外部的时钟电路进行振荡，而两个电容在电路中起起震作用，同时可以微调晶振频率。 复位电路：当单片机运行出现故障或停止运行时需进行复位操作，当单片机 9 引脚出现两个周期以上的高电平则单片机进行复位。 示模块 一种常用的液晶显示模块，最多能同时显示 32 个字符，即 2 行 16 列，其主要功能是用来显示字母、数字、符号，其内部自带的储存器 存储了预设好的 160 个字符，有阿拉伯数字、常用符号、大小写英文字母和日文假名等常用的字符，该储存器 许用户自定义字符，其自带了 64 字节的空间，我们知道每个字符占用的储存空间为 8 个字节，故 许用户自定义 8 个字符。对于本次设计需图 3 最小系统原理图 显示的字符较为简单，处于成本及易用性考虑，本次采用 为显示模块，下面对 示基本原理及功能做简要介绍。 脚如下图 3 所示： 置了三个储存器，分辨是 三个储存器功能各不相同，在编程时容易弄混。 显示用的 功能使寄存将要外部接收的数据， 地址代码与屏幕显示位置一一对应，第一行的地址位为 00H27H，第二行的地址位为40H67H。每行有 40 个地 址位，但本次设计我们仅用到每行前 16 个地址位。实际使用中若我们想向 00H 写入一个数据“ A”，实际使用中并不能在相应位置显示出“ A”，我们需在 址位加上 80H 才能在指定的位置显示出相应数据。具体原因下文会有介绍。 部再带了一个 64 字节的存储器，若显示器自带的 图形不能满足用户需求时， 许用户自己建模， 是用户建模区。需注意的是 模是 5阵，而我们常用的字模提取软件不能直接提取 5码，我们需在 8*8 字模中使用靠右的 5*8 字模提取代码，使代码高三位为 0，提取的代码能直接使用。 部自带了 160 个 符，当用户需显示数据库里的内存时，仅需从 调用字符地址即可。 图 3 脚图 表 3 ：初始化设置液晶显示器，即清空 容，将光标复位只左上角第一位，归零地址计数器 表 3 ： B：控制闪烁开关； C 控制光标开关； D 控制显示开关；高电平为开，低电平为关。 标位移 表 3 * * 功能： S/C 为 1 时画面移动一个字符， S/C 为 0 时光标移动一个字符， R/L 为平移方向， 1 为右移； 0 为左移。 表 3 * * 功能： 数据接口设置，高电平时为八位接口，低电平时为四位接口； N 为显示行数设置，高电平时为两行，低电平时为单行； F 为点阵模式选择，高电平时为 5电平时为 5阵。 晶显示器中有三个管脚 R/W、 E 是控制显示器读写功能的 ，通过三个管脚的电平变化可实现单片机与显示器信息传递。其电平与对应功能如下图： 表 3 ，即把显示器置于写命令状态，需注意的是 E 管脚是下降沿触发功能的， 需注意的是向 入地址时需将 置1，这就是在设置显示地址时需在地址位加上 80H 的原因， 故有如下写命令程序段： ; /设置为写命令状态 ; /同上 P2= /将命令传送至 ，显示器 I/O 角与 相连 ); /延迟函数使显示器做接收准备 ; /E 管脚是下降沿触发，故先将 E 置于高电平 ; /触发写命令状态，显示器接收指令 向显示器写入内容 在初始化程序过后，若需向显示器传输显示内容或向 入用户自建摸，则需将 初始化 用写命令程序设置显示器显示地址，后才能向显示器写入显示内容，写数据程序如下： ; /设置为写数据状态 ; /同上 P2= 2 1,000 V 0 Hz 4 128 x 8 15 6 is a is s is By a PU on a is a a to 2 128 15 I/O 6a a a In is to PU to AM is ( of 0 mA ED s be as 1.2 1.7 as of 3.0 , of ) ) 0 ( 1 ( of of as of an be as an as . a or be To an be is
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