家用电量计量仪设计.

1、辽宁工业大学单片机原理及接口技术课程设计（论文）题目： 家用电量计量仪设计院（系）： 电气工程学院专业班级：学 号：学生姓名：指导教师： （签字）起止时间：2012.07.24-2012.07.06i4纟乂诊殳尊本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：电气工程及其自动化号 学阳、X)目 程淤题量 电 用 家课程设计论文任务加 等 ， 钱 式 明 卡 方 说示 计 曰量显 设 、一 E 口昔 C 氐 跖wtMw 电 也胡二二 纤士* 用振知碗wm 站pP詈写 选席40 实 C器效本路说 咚 换有序 成电计 艮 舌转压程 低件设在 对D电体 V 降硬印適 二

2、库A流具20能制打墩 量 十 电及 2 ? 可绘、字 惟 、及以 y 度 尽件写岂 用B器以计 W为精 ，软撰程 口 乡妄十殳 2 M匕匕郢 汀 系拒、节 2 %石 厶冃匡 ，八J JM朋互设图 电测 功绘式笊 HM/压路程 压作压统业格圧 1-bjt:j电fe流处电工电氏条专定泊 弭PP流示序纹线置流蚪析用规蹴 找冲C电显程膨进装电仙分应按蕩 Jre乂 re乂 _、J1 12 34 123 1 23 阐进度计划附及 削口昔 7 定t(跆算 确趴电计 的B帚源值试成 料案毙邂电效调完 资方労鱼及有与书 集计制地路压写明 妇 殳 曰耳电 电电編 说 剛伸PP翫示流半#i辩 查总cC电电软设客 天

3、天 仆 天天天天天 * 123-5678911 第第第第第第第第第指导教师评语及成绩日月?:年 指 辩 昔:轨 时 成 平 总注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20%以百分制计算II本科生课程设计（论文）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。本课题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

4、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。关键词：计量仪；电参数；89C51单片机；有效值#本科生课程设计（论文）目录第1章绪论 11.1电量计量仪概况 11.2本文研究内容 2第2章CPU最小系统设计 32.1系统总体设计方案 32.2 CPU的选择 32.3数据存储器扩展 42.4复位电路设计 52.5时钟电路设计 62.6 CPU最小系统图 7第3章 电量计量仪输入输出接口电路设计 73.1电流电压互感器的作用 73.2电量计量仪检测接口电路设计 83.3人机对话接

5、口电路设计 10第4章电量计量仪软件设计 134.1软件实现功能综述 134.2流程图设计 134.3电流电压有效值算法 144.4程序清单 15第5章系统设计与分析 195.1系统原理图 195.2硬件仿真图 205.3软件调试结果 21第6章课程设计总结 22参考文献 23V本科生课程设计（论文）第1章绪论1.1电量计量仪概况作为测量电能的专用仪表一一电量计量仪，已有一百多年的历史。在这期间, 随着电力系统及所有以电能为动力的产业的发展，电能表的结构和性能经历了不 断更新、优化的发展过程。大体上可以分为以下两个阶段。1.感应式电量计量仪感应式电量计量仪是利用处在交变磁场的金属圆盘中的感应电

6、流与有关磁场 形成力的原理制成的。它具有制造简单、可靠性高和价格便宜等特点。经过近一 百年的不断改进与完善，感应式电量计量仪的制作技术己经成熟， 通过双重绝缘、 加强绝缘和采用高质量双宝石轴承甚至磁悬浮轴承等技术手段，其结构和磁路的 稳定性得以提高，电磁振动被削弱，使用寿命大大延长，且过载能力明显增强。 但是由于其原理与结构等因素的制约，要进一步提高计量精度和扩展功能是有限 度的。另一方面，随着用电量的增长和能源供需矛盾的加剧，应该加强电量负荷 监控，以实现计划用电和合理配电，提高电网负荷率。功能单一的感应式电量计 量仪及其相关机械装置己不再适应现代电能管理的要求。虽然如此但感应式电量 计量仪

7、因为技术成熟，价格便宜，至今仍被大量使用。2.电子式电量计量仪电子式电量计量仪是国外在 20世纪70年代发展起来的一种产品，它是应用 现代电能测量技术、微电子技术、计算机软硬件技术及通信技术构成的一类全新 系列的电量计量仪。它与感应式电量计量仪相比，除了具有测量精度高、性能稳 定、功耗低、体积小、重量轻等优点外，还易于实现多功能计量，可现场校验和 检索多种计量数据，便于数据采集和处理以及集中监控。电子式电量计量仪一般由电能测量机构和数据处理机构两部分组成。根据电能测 量机构的不同，电子式电量计量仪分为机电脉冲式和全电子式两类。其中机电脉 冲式电能表出现较早，仍然沿用了感应式电量计量仪的测量机构

8、，数据处理机构 由电子电路和计算机控制系统实现，因而它只是一种电子线路与机电转换单元相 结合的半电子式电量计量仪，而且由于感应式测量机构的制约，机电脉冲式电量 计量仪难以降低功耗、提高测量精度；而全电子式电能表没有使用感应式测量机 构，而采用乘法器来完成对电功率的测量，不但提高了测量精度、降低了功耗、 还增加了过载能力。由于电子式电量计量仪具有良好的扩展性，目前己由常规的 全电子式电量计量仪发展出了多功能电量计量仪、多费率电量计量仪、预付费电 量计量仪、载波电量计量仪、多用户电量计量仪等系列产品。1.2本文研究内容本文主要研究家用电量计量仪及其系统设计，电能各参数的测量是电力系统设计中的一个重

9、要环节，包括电压、电流、功率、电能等参数。本文设计了一种 以89C51单片机为控制核心的电参数测量仪，通过对智能电量测量芯片 CS5463 的读写，达到对电量的各个参数进行测量和实时显示的目的。家用的配电自动化涉及的问题很多，在各个住宅里投资建设自动化的配电系 统是否值得，还有待探讨，其可行性在此不再探讨。本课题认为建设住宅电量计 量自动化体系是非常有必要的，也是可以实现的。目前远传抄表技术正在推广之中，有些单位使用它实现了集中居住宿舍的电 量计量自动化管理措施，比如像高校的学生宿舍和小区家属宿舍。但由于小区布 局的复杂性，对于非宿舍楼寓，多数单位采取的是局部楼寓用户的集中计量，并 没有实现完

10、全自动化的网络管理，仍然保留着数量较大的计量抄计人员和很多的 手工计算流程，因此存在完善整体计量的必要性。14纟乂诊殳尊本科生课程设计（论文）第2章CPU最小系统设计2.1系统总体设计方案图2.1.1系统结构框图2.2 CPU的选择CPU卡芯片内部包含微处理器（CPU）、存储单元（RAM,ROM和EEPROM）输入/输 出接口单元。其中，RAM用于存放运算过程中的中间数据，ROM中固化片内操作系 统COS（Card Operating System），而EEPRO用于存放持卡人的个人信息以及发 行单位的有关信息。本系统采用89C51CPU其引脚如下图所示：34纟乂咪殳尊本科生课程设计（论文）图

11、2.3.1 拓展外部RAM533101TTT1TTTTTTTIT1T3FP1.0VecP1.1P1.2?CrQ(ADO) PO.KADl)P1.3PC.2AD2)P1.4?C.3(AD3)P1.5?0.4tW4)P1.6?C.5(AD5)P1.7PC.6(AD6)RSTBCLNADP，P3.0(K?CD)TiVppP3.1t7XD)ALE PROGP3.2ONTC)ps?P3.3IIMT1)P17(A15?3.4T0P2.6(A14)?3.5T1)P2.5(A13)?2.4A12)P3 广RDP2 3(A11)XT AL：?2.2(A10)XT.AL1?2.1(A9)GND?2 (HAS)4C

12、Is38212HI4MAX/9HMI SiSIIDNkm1MC!l *CJIt*IIPU：CLl：Clio图3.2.1 MAX197引脚图三、模拟量检测接口电路图:C2iiOHKLEWIBMCtUMIA3inSCLffikOFFEH-PIBII 山诅11伽7c1J332721 209U1811TTIF131JT-12鴨LBD1盂DlInEmMFCTIZEPkDTW_DffTWHEEtfEJ&HDIf了=10*KF jL Xz7Li-rlTD13图322 MAX197与CPU接口电路本科生课程设计（论文）MAX197为微处理器提供了非常简单的接口，转换从写入控制字开始。控制字中的D5位决定采集控

13、制模式：置0时，为内部采集控制模式；置1时, 为外部采集控制模式。控制字中的 D7、D6位控制芯片的时钟模式。一旦选定了 芯片的时钟模式，再进入待机或掉电模式时，时钟模式不会改变。当D7=0, D6=0 时，芯片选择外部时钟模式，外供时钟频率应介于100kHz至2.0MHz之间，时钟 占空比应介于45%55%之间。3.3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，其模块图如下图所示:图3.3.1显示电路的模块图2、按键模块最常用的键盘连接方式有了俩种：(1) 、独立式键盘模块：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) 、4X4行

14、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 设计米用独立式键盘模块。KAI 1KU2KU3图332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

15、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咼且不会闪烁。（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。如下图所示：1图3.3.3 1602LCD原理图1062LCD的基本参数及脚功能：1602LCD分为带背光和布带背光俩种，其 控制器大部

16、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

17、，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行 命令。第714引脚：D0D7为8位双向数据线。第15引脚：背光源正极。15本科生课程设计（论文）19第4章电量计量仪软件设计4.1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 ADC083进行AD专换，在通过单片机进行相 应运算算出消耗的电能，后通过 LCD160显示出来。4.2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 LCD160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

18、停地扫描，判断键盘是否按下。图4.2.1主程序流程图、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5mj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ADC083进行初始化，只有这样才能使 ADC083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LCD160上。其图如下图所示：图4.2.2按键程序流程图4.3电流电压有效值算法电流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

19、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（1）所示：J彳;f心)/(1)

20、(1)式中的T是交流信号的周期，u(t)为电压瞬时值。通常把由(1)式所确定的 电压有效值称之为被测电压u(t)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(2)所示：4.4程序清单程序如下：#in clude#i nclude#include vintrins.hsbit SDA=P1A3;sbit SCL=PM4;#defi ne uchar un sig ned char#define Icd P0sbit rw = P2A5sbit rs = P2A2sb

21、it e= P2A3sbit busy=ACCA7un sig ned char countun sig ned char timerun sig ned countAun sig ned countB本科生课程设计(论文)un sig ned countlun sig ned count2un sig ned countun sig ned deco untcoun tA=O;void main()coun tB=Read Memory();deco un t=co un tB-co un tA;/while(deco un t=0)coun t+;while(cou nt12)coun t

22、1+ ;elsecoun t2+;Remai n=total-cou nt1*0.5-cou nt2*0.6;write(co un t1);write(cou nt2);write(Rema in);if(remia n 5.0)flag=1;un sig ned char Con trol,e num eepromtype enu mer)void Delay (un sig ned char DelayCo un t);21本科生课程设计（论文）void Start(void); /* 启动总线 */void Stop(void); /* 停止 IIC 总线 */ bit RecAck(

23、void); /* 检查应答位 */void NoAck(void); /*不对IIC总线产生应答*/void Ack(void); /* 对IIC总线产生应答 */unsigned char Receive(void); /* 从 IIC 总线上读数据子程序 */ void Send(unsigned char sendbyte); /* 向 IIC 总线写数据 */ un sig ned char data j,i=ERROR;bit errorflag=1; /* 出错标志 */while(i-)Start(); /*启动总线*/Send(Control & Oxfe); /*向IIC总

24、线写数据，器件地址 */ if(RecAck() continue; /*如写不正确结束本次循环*/if(RecAck()co nti nue;Send(unsigned char)Addr); /* 向 IIC 总线写数据 */ if(RecAck() continue; /*如写正确结束本次循环 */ if(!(Control & 0x01) /判断是读器件还是写器件j=Le ngth;errorflag=0; /*清错误特征位*/while(j-)Send(*DataBuff+); /* 向 IIC 总线写数据 */ if(!RecAck() continue; /* 如写正确结束本次循

25、环 */errorflag=1; break;if(errorflag=1) con ti nue;break;elseStart(); /*启动总线*/Send(Control); /* 向 IIC 总线写数据 */ if(RecAck() continu e;器件没应答结束本次本层循环 while(-Length) /* 字节长为 0 结束 */*DataBuff += Receive();Ack(); /*对IIC总线产生应答*/*DataBuff=Receive(); /* 读最后一个字节 */NoAck(); /*不对IIC总线产生应答*/ errorflag=0;break;Sto

26、p(); /* 停止 IIC 总线 */if(!(C on trol & 0x01)Delay(255); Delay(255); Delay(255); Delay(255); return(errorflag);#I劈本科生课程设计（论文）第5章系统设计与分析5.1系统原理图25ml厂口12X11 bHI-Jj种氏；（1Pl 1 Pl Jro.2Pi 1KU |PIPl.fi代4FQ5ri.AFORpt jp-:- RESETKjOP2 JP；.2INTIP2 JTOP2 Ji |rip; FSXD rxnXiFl 0Y-C卜 r Hif-J_J45Jh7 II -I J-JJ-tIs-H

27、LIL?丄匚75LBC1M卩LIL7岬Rft IkdT |-|melon xAkkRll 200 J图5.1.1系统原理图4纟乂诊殳尊本科生课程设计（论文）275.2硬件仿真图XTAILI3CTAURSTPO WA03 PO-WAM FW制耳 FWAURJ 707o o o 0 N o -0 o o ABfDMWAI R l/A*FSO料对冉海MJE柑剔U申CiH.4/AI2EANAfAllHA/AI4 FI7/AI5PI 0n MUDPI IP3 hTXQMIP3 2500斡WAWTIPI 41PJ *TBPl 5PWPIJFAaiWRPI?静力MLEREDSO*set图5.2.1系统仿真图

28、本科生课程设计（论文）5.3软件调试结果由于本次设计的软件分为许多块，所以软件调试也是每一块单独调试后在整 体调试。从而是错误一点一点出现再解决，这样使程序调试变得简单。错误总结 如下：1、 中断错误：本程序用了两个中断，但开始调试程序时，把两个中断写成了 interruptO和interruptl，这样就会使一个定时器中断不能工作，应改为 interruptO 和 interrupt3.2、中断初始化错误：在起初初始化中断时，把 TMOD设了两次分别问0X01和0x 10，这样的话只能使定时器1工作，应改为0X 11才对。3、AD程序错误：ADC083狄第四个脉冲下沉开始由D0端输出转换数据最高 位DATA7随后每一个脉冲下沉 D0端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出 最低位数据DATA0 一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相 反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATA0而本程序在到第11个脉冲 时接收的是最低数据，刚好相反使数据计算错误。4、有用功算法错误：这块程序是最难的部分，最开始的时候没有把由于功的 余数单独提取出