【本科优秀毕业设计】基于单片机的电能表设计

基于单片机的电能表设计设计分工本次电能表设计中，我主要负责电能计量模块、实时时钟模块和IC卡模块的软硬件设计。11设计任务利用单片机和接口技术设计、研制一种新型电能表，可实现峰谷用电量和剩余金额，并用LCD显示。12设计目的（1）进一步了解有关单片机、存储电路、IC卡的应用；（2）掌握信号获取、传输、处理及检测的一般方法；（3）综合运用已有的理论和技术，制定设计方案，掌握用电量的测量方法；（4）学会应用存储电路、IC卡、单片机组建一个实际测量系统，提高设计者的应用能力；（5）通过测量、计算、显示，能运用所学知识并学会查阅有关资料，培养仪器仪表设计的基本技能，为今后的深入学习等奠定基础。13设计要求参考利用存储电路、IC卡、单片机及其接口技术研制出一种新型电能表，设计内容包括（1）详细了解所选用的存储电路、IC卡、单片机的工作原理和工作特性；（2）设计合理的计算测量电路；（3）用单片机、IC卡、LCD的显示技术实现测量电路，单片机的指令系统开发相关的应用程序，并对程序作详细的分析和解释。（4）列出制作该装置的元器件，搭建试验电路，并进行试验验证调试。（5）撰写详细的设计技术报告。14设计方案与技术分析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。其硬件系统框图如下图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。141AT89C51单片机简介、89C51单片机的基本组成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P0P3,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。单片机（AT89C51）LCD显示IC卡模块EEPROM存储器电能计量芯片实时时钟电路电源电路图1硬件系统框图（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。、89C51单片机引脚及其功能如图2所示为单片机AT89C51的引脚图。图2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（3932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（1017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。142电能计量芯片模块采用现在比较流行的电能计量芯片CS5460A实现对电能等电量的采集和测量。CS5460A是CRYSTAL公司推出的用于测电流、电压、功率等的芯片,是CS5460的增强版,精度高、性能强且成本低。CS5460A包含两个模数转换器（ADC）、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的模数转换器。它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、IRMS和VRMS，用于研制开发单相2线或3线电表。CS5460A可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。CS5460A具有与微控制器通讯的双向串口，芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比。CS5460A具有方便的片上AC/DC系统校准功能。“自引导”的特点使CS5460A能独自工作，在系统上电后自动初始化。在自引导模式中，CS5460A从一个外部EEPROM中读取校准数据和启动指令。使用该模式时，CS5460A工作时不需要外加微控制器，因此当电表用于大批量住宅电能测量时，可降低电表的成本。并且本芯片集成度较高便于编程控制，故本设计采用此方案。CS5460A概述、基本结构及功能图3CS5460内部结构图CS5460A的内部机构图如上图3所示，其组成模块如下一个电流通道可编程增益放大器其增益为10和50可选一个电压通道固定增益放大器，其增益为10两个同时采样的AD模数转换器两个高速数字滤波器两个可选用的高通滤波器一个功率计算引擎一个片内电压基准一个可以检测电力不足或电源故障的电源监视器一个持续监视串口通讯的看门狗一个可选的内部时钟发生器一个双向串行接口一个电能、脉冲变换器一个校准用SRAM、主要特性（1）在片计算和处理功能；（2）可以从串行E2PROM智能“自引导”,不需要微控制器,具有电能脉冲转换功能；（3）具有AC或DC系统校准功能；（4）具有简单的三线数字串行接口,可以方便地进行读写；（5）看门狗定时器；（6）片上25V基准（60106/OC）,单电源5V或双向25V10电源；（7）具有功率方向输出指示；（8）能够测量瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率、电能、电压有效值和电流有效值，能完成电能/脉冲转换；（9）电能测量精度01；（10）具有相位补偿和系统校准功能；（11）具有机械计度器/步进电机驱动器；（12）内带电源监视器；（13）电能数据线性度在10001动态范围内线性度为01；（14）功率消耗INCLUDEINCLUDE电能采集实时时钟开始是峰电峰电加数据存储LCD显示IC卡12COUNT1ELSECOUNT2REMAINTOTALCOUNT105COUNT206/计算剩余的金额WRITECOUNT1/向卡内分别写入峰值电量、谷值电量、剩余金额WRITECOUNT2WRITEREMAINIFREMIAN0JSCL0SENDBYTE1IFDAT1TEMPTEMP0X80；CLK1SHORTDELAY0；CLK0；时钟下降沿读出有效SHORTDELAY0；RETURNTEMP；UCHARDATEWRITE1ONG_VALUE，UCHAR_LGEADR，UCHAR_BLOCK，UCHARIDATA_BUR/IC卡程序UCHARTEMPUCHAR_VALUE；转存指针UCHARWRITECHECKDATA_ERR；写入状态标记，用于返回值_BUF0TEMP3；_BUF1TEMP2；_BUF2TEMP1；_BUF3TEMP；数据转存到缓冲区_BUF4_BUF0；_BUF5_BUF1；_BUF6_BUF2；_BUF7_BUF3；值备份_BUF8_BUR0；_BUF9_BUF1；_BUF10_BUF2；_BUF11_BUF3；_BUF12_LGEADR；_BUF13_LGCADR；_BULL14一LGCADR；_BUF15_LGCADR；转存地址，并备份WRITECHECKWRITECHECK/RESET_5460为CS5460A的复位脚/计量模块DELAY_10MSRESET_54601/复位CS5460ABUF00XFF/SYNC1BUF10XFF/SYNC1BUF20XFF/SYNC1BUF30XFE/SYNC0WRITE_CS5460ABUF,4/写3个同步命令1之后再写1个同步命令0BUF00X40/写配置寄存器BUF10X01/GI1，电流通道增益50BUF20X00BUF30X01/DCLKMCLK/1READ_MEMORYIFTEMP0XA5READ_MEMORYBUF54601TEMP/假如已经执行过相位补偿，设置相位补偿值，否则设置相位补偿值为0WRITE_CS5460ABUF,4/假如指定地址单元等于OXA5，则接下来的3BYTES即是校准值。BUF00X5EBUF10XFFBUF20XFFBUF30XFFWRITE_CS5460ABUF,4/清状态寄存器BUF00X74BUF10X00BUF20X00BUF30X00WRITE_CS5460ABUF,4/写中断屏蔽寄存器，缺省值BUF00X78BUF10X00BUF20X00BUF30X00/缺省值WRITE_CS5460ABUF,4/写控制寄存器BUF00X4CBUF10X00BUF20X34BUF30X9CWRITE_CS5460ABUF,4/写EOUT脉冲输出寄存器BUF00X4ABUF10X00BUF20X01/每秒钟计算10次，N400BUF30X90WRITE_CS5460ABUF,4/写CYCLECOUNT寄存器READ_CS5460A0X1E,BUF/读状态寄存器BUF3BUF2BUF2BUF1BUF1BUF0BUF00X5EWRITE_CS5460ABUF,4/写状态寄存器BUF00XE8WRITE_CS5460ABUF,1/启动CS5460A15实验验证与结论根据方案设计的要求，测试过程共分为三大部分硬件调试、软件调试和软硬件联调。电路按模块调试，各模块逐个调试后，再进行联调。单片机软件先在最小系统板上调试，确保外部电路正常工作后，再与硬件系统联调。151电能表硬件调试硬件调试，查看个硬件模块电路的连线是否与逻辑图一致，用万用表检测有无短路或短路现象，器件的规格、极性是否有误。检查完毕，用万用表测量一下电路板正负电源端之间的电阻，排除电源短路的可能性。152电能表软件调试本系统的软件调试因AT89C51核心模块的使用而变得相对容易，KEILC软件开发环境，能判断语法差错和逻辑差错，判断程序无误后，可以直接下载到单片机中进行调试。153电能表软硬件联调在软件和硬件都基本调通的情况下，进行系统的软硬件联调。按照由上向下，模块化设计的理念对模块逐个调试首先，调通液晶显示模块，接着给芯片CS5460A的电压通道和电流通道通入满量程信号，根据液晶显示对芯片内的校准寄存器进行设置，进而对测量进行校准调试。调好后，即该芯片能正常工作后，再通以交流市电进行进一步校准调试。等模块逐一调通后，再进行联调。再连接成一个完整的系统调试。电能表总硬件电路图如下图19所示。154实验结论在这段时间里，在电能表硬件部分设计好的同时，在软件方面，我们用C语言对电能表的各个模块以及主程序进行编程，从理论上基本能实现电能表