用户电子式单相电能表的设计与调试

1、单片机在电力系统中的应用设计课题名称：多用户电子式单相电能表的设计与调试班 级： 电气工程及其自动化08级1班 姓 名： 学 号： 200801100111 2010年7月4日多用户电子式单相电能表的设计与调试摘要：设计一种以单片机为核心，采用专用电能计量芯片设计的单相多用户电能表，并说明了其硬件和软件设计原理。该电能表可实现电能计量、数据掉电保护等功能。关键词：AD7755；C8051F360单片机；24C16；软件设计一.任务设计制作多用户电子式单相电能表，设计的主要要求如下：（1）该交流电能表能实现对8户单相交流电能的测量；（2）电表参数：额定电压220V（±10%）,额定电流

2、5A,最大电流20A，最小电流0.1A，精度：一级，最大计度容量：999.999kW·h；（3）能测量并显示当前用电量；（4）停电不丢失电能数据；该系统主要由显示模块、MCU模块、AD7755模块、存储器模块和前端电路调理模块部分组成。前端电路调理模块采用变比1：1 的电流型电压互感器，电流模块采用变比2000：1 的电流互感器，利用取样电阻采样信号，经变换后的信号以差模电压的形式接到AD7755芯片，取样电阻的阻值由被测信号的最大值决定，然后经AD7755转换后将电压、电流、电能等信号传给单片机C8051F360，C8051F360组成的MCU模块控制所有芯片的工作、截止及计算和模

3、块的显示，显示模块采用液晶模块，液晶正常显示当前测量的用户号、用电量；存储模块采用AT24C16，为系统提供数据存储，可以做到掉电不丢失数据。二. 报告内容2.1 硬件设计单相多用户多功能智能化电能表结构原理图如图2.1所示。系统主要由电量计量采集电路、微处理器、非易失存储器电路、显示电路、供电控制电路等部分组成。计量电路用户电能计量采用专用集成电路设计，每一户的计量脉冲信号，经IO接口电路连接到系统总线，在微处理器的控制下，轮流采集并计数其脉冲信号，达到0001 kWh时，将电量存储到非易失存储器中，以防电量丢失。整个电表采用分时方式，轮流显示用户使用的电量数据。下面介绍一下电表的主要电路设

4、计。图2.1 实际原理图 单片机整体图图2.2 单片机整体图存储部分采用AT24C16存储芯片，其具有以下特性：* 与400KHz I2C 总线兼容* 1.8 到6.0 伏工作电压范围* 低功耗CMOS 技术* 写保护功能当WP 为高电平时进入写保护状态图2.3 AT24C16引脚图* 页写缓冲器* 自定时擦写周期* 1,000,000 编程/擦除周期 * 可保存数据100年* 8 脚DIP SOIC或TSSOP封装 * 温度范围商业级工业级和汽车级AT24C16支持C总线数据传送协议,I2C总线协议规定,任何将数据传送到总线的器件作为发送器,任何从总线接收数据的器件为接收器,数据传送是由产生

5、串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的,主器件和从器件都可以作为发送器或接收器,但由主器件控制传送数据发送或接收的模式。由于其控制引脚较少，占用单片机口线较少，在少量数据存储中有非常大优势，因为在本设计中，我们只需将校表数据及少量的电能数据存储其中，以做到系统掉电时不丢失数据，免除每次开机时的校表过程，故选用控制引脚简洁的AT24C16将非常的合适。显示部分为LED显示,使用74LS164串入并出8位移位记存器进行存储数据，图2.4为74HC164显示电路。2.4 74HC164显示电路LED显示器是由发光二极管显示字段的显示器件，也可称为数码管。单片机系统中通常使用8段LED数码显示器，由

6、图可见8段LED显示器由8个发光二极管组成。其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，通过不同的组合可用来显示各种数字，包括AF在内的部分英文字母和小数点“.”等字样。 LED显示器有两种不同的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称为共阴极LED显示器。共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的，当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合从而显示各种字符。8个笔划段dpgfedcba对应于1B（8位）的D7、D6、D5、D4、D3、D2

7、、D1、D0，于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。例如，对于共阴极LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极dpgfedcba各段为01110011时，显示器显示“P”字符，即对于共阴极LED显示器，“P”字符的字形码是0X73。如果是共阳极LED显示器，公共阳极接高电平，显示“P”字符的字形代码应为10001100（0X8C）。这里必须注意的是：很多产品为方便接线，常不按规则的方法去对应字段与位的关系，这时字形码就必须根据接线自行设计了。 2.1.2 AD7755相关电路电能变换电路采用AD7755芯片（Ib=10A,C=1600KW/h）,工作时AD7755芯片将电流采

8、样信号和电压采样信号送入缓冲放大器，经模拟乘法器相乘，再经V/F转换器转换将电压信号转换为脉冲信号，AD7755芯片的快速脉冲输出为1600脉冲/KWh，与用户使用电能相对应。 输出的快速脉冲信号送给单片机，我们采用C8051F360单片机对方波信号进行采集和计数，P2口（8位）工作即可对8户电能脉冲进行采集与计数，我们将为每户开辟6个字节的内存计数。简单的ADE7755外围应用电路是由电流采样电路、电压采样电路、轻载调节电路、频率选择电路、高频输出和低频输出等组成。现对各个电路进行单独分析。下图为 AD7755性能测试电路图2.5 AD7755性能测试电路1、 电流采样电路：图2.6 电流采

9、样电路使用分流器的电流采样电路如图2.6所示，其中F1为分流器，R1、R2为采样电阻，C1、C2为采样电容，他们为电流采样通道提供采样电压信号，采样电压信号的大小由分流器的阻值和流过其上的电流决定。电流采样通道采用完全差动输入，V1P为正输入端，V1N为负输入端。电流采样通道最大差动峰值电压应小于470mV，电流采样通道有一个PGA，其增益可由ADE7755的G1和GO来选择，见表1： 表1G1G0增益最大差动信号001±470Mv012±235Mv108±60Mv1116±30Mv当使用分流器采样时，G1、G0都接高电平，增益选择16，通过分流器的峰值

10、电压为±30mV，当设计电表为5（20）A规格时，分流器阻值选择为500u，当流过分流器的电流为最大电流20A时，其采样电压为500u×20A=10mV，不超过峰值电压半满度值，这样考虑能允许对电流信号和高峰值因数进行累计。当使用互感器采样时，其电路如图2.7所示：图2.7 互感器采样电路使用互感器采样时，G1、G0都接低电平，增益选择1，电流采样通道最大差动峰值电压为±470mV，其差动信号由互感器的二次侧电流流过电阻R30和R31产生，互感器二次侧额定电流为5mA，当过载4倍时，二次侧电流为20mA，其流过电阻R30和R31产生的差动信号为96mV，远小于峰值

11、电压半满度值（235 mV）。R1C1和R2C2组成两个低通滤波器，衰减掉那些无用的高频分量，从而防止有用频带内的失真。R1、R2、C1、C2阻值、容值的选取对电表的性能有很大的影响，因此取值为R1= R2=300欧，C1=C2=27nF。2、 电压采样电路：R24390K/0.25WR23390K/0.25WR97.5KR1256KR13100KR14200KR1015KR1130KR83.9KR72KR19100KC31000pFR4820¦¸R5820¦¸C41000pFAGNDAGNDR61KR31¦¸AGNDJ9J8J7J6

12、J5J4J3J2J1CL-220pFCL+3.3nF220VV2PV2N图2.8 电压采样电路电压输入通道（V2N，V2P）也为差分电路，V2N引脚连接到电阻分压电路的分压点上，V2P接地。电压输入通道的采样信号是通过衰减线电压得到的，其中R6至R15为校验衰减网络，通过短接跳线J1至J9可将采样信号调节到需要的采样值上，我们设计的电能表基本电流时电压采样值为174.2 mV，为了准许分流器的容差和片内基准源8%的误差，衰减校验网络应该允许至少30%的检验范围，根据参数，其调节范围为169.8 mV 250 mV，完全满足了调节的需要。这个衰减网络的-3dB频率是由 R4和C3决定的，R19、

13、R23、R24确保了这一点，即使全部跳线都接通，R19、R23、R24的电阻值仍远远大于R4，R4和C3的选取要和电流采样通道的R1C1匹配，这样才能保证两个通道的相位进行恰当的匹配，消除因相位失调带来的误差影响。3、 轻载调节电路图2.9轻载调节电路轻载调节电路如图2.9所示，其原理是用电压采样处的电压值再经分压后加到电流采样的正或负端来增大或减小电流采样，达到调节的目的。当短节S2到I+或I-时，附加到分流器端的电压值为：Vq=R1×Vx/ (R20+R1)R1、Vx已知，可通过改变R20的值来改变需要补偿的电压值。根据计算当R5为200k时，Vq约为0.0003mV。在轻载时电

14、流采样值Vi=2.5mV×0.05=0.125mV。轻载误差改变量为0.0003/0.125=0.0024即0.24%，在校验台上表现为轻载误差增大或减小0.24。4.光电隔离电路在许多应用中，许多电路链接之间需要非直接的连接，从而在提供数据的同时避免来自系统某一部分的危险电压或电流对另一部分造成破坏，造成这种破坏的可能是电源质量低劣、接地故障等各种故障。电路隔离的主要目的是通过隔离元件把干扰的路径切断，从而达到抑制干扰的目的，保护电子设备。在两点间避免电流流过，而允许有数据或功率传送时需要使用隔离技术。电路隔离主要有：模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字电路与模拟电路之间的隔离。所

15、使用的隔离方法有：脉冲变压器隔离法、继电器隔离法、光电耦合器隔离法、直流电压隔离法、A/D转换器隔离法。传统的光耦隔离电路虽然也能实现很高的线性度, 不过这些电路需要的电源种类较多, 线路比较复杂, 设计成本比较高。为了解决这些问题, 本次设计中一种新的光电耦合结构, 由它组成的光耦隔离电路具有很高的线性度, 且只需采用普通的光电耦合器和简单的电路结构。应用这个电路解决了弹载黑匣子的电压采样信号的光电隔离问题。光电耦合器的工作原理和特性如下。光电耦合器件是把发光器件(如发光二极管)和光敏器件(如光敏三极管)组装在一起, 通过光线实现耦合构成电) 光 ) 电的转换器件。当电信号送入光电耦合器的输

16、入端时, 发光器件将电信号转换为光信号。光信号经光敏器件感应接收, 再还原成电信号。图2.10是一种典型反相应用电路, 当输入端有电流流过时, 发光二极管发光,使光电三极管导通, 其集电极就有电流I C 流过。光电耦合器其主要特点为:1) 输入、 输出之间在电气上相互绝缘;2) 信号传输是单方向的, 输出端的噪声不影响输入端;3) 体积小、 寿命长、 无触点,功耗低;4) 光电耦合器的传输特性具有非线性和随温度变化性;图2.10 光电隔离电路6.电表的启动电流对应表3，5（20）A 3200的常数SCF为010潜动：30分钟没发脉冲。启动：0.004 Ib启动电流计算:对应100imp/kWh

17、计度器每kW频率为100imp/3600skW=0.02777Hz/KwAD7755的最小输出频率为0.0014%F1-4F1-4选3.4Hz,则最小输出频率为0.0014%F1-4=0.0000476Hz因此AD7755的最小启动功率为0.2777Hz/0.0000476HzKw=17.2W对应最小启动电流17.2W/220V=7.8mA7.频率选择电路AD7755的输出频率由其SCF、S1、S0引脚决定，其中SCF的逻辑输入电平确定CF引脚的输出频率，S1、S0引脚的逻辑输入用来选择数字/频率转换系数，现在举例来说明SCF、S1、S0引脚的输入逻辑电平选择方法。对于给定要求的电表，一般的已

18、知条件为：线电压U=220V，电流范围I=5（20）A，分流器阻值R=500u，增益选G=16(G0G1=11,最大差动信号30mV)， VREF=2.5V.1 选定需要的计度器：选择计度器常数为F=200imp/kWh（双路输处，单路输出时相当于100：1的计度器）。算出Ib时的功耗为220V*5A=1.1kW。同时通道1即分流器两端的电压可计算得： V1=500u*5A=2.5mV2计算出Ib条件下的低频脉冲输出F1（或F2）的频率：F1=100imp/kWh*1.1kW=0.0305556Hz在最极限的情况下Umax=1.2U ,Imax=30A的时候，可求出F1的最高频率：F1max=

19、100imp/kWh*1.2U*Imax=100imp/kWh*264*30=0.22Hz3 求出S1S0和F1-4根据计算的F1 max查下表2，就近选择：表2（1）由表2先看最大交流输入频率为0.34也就是选S1S0=00的时候，表3：当S1S0=00时F1-4=1.7，代入F1、V1、G、 F1-4、VREF根据公式F1 =8.06*V1*V2*G*F1-4/VREF2可以得出电压采样电压：V2=348.4mV,超过了采样电压的峰值660mV半满度值的。所以所选S1S0不合适，应重新选择。（2）由表3现在选最大交流输入频率为0.68也就是选S1S0=01的时候，再由表3当S1S0=01的

20、时候F1-4=3.4，重新代入F1、V1、G、 F1-4、VREF根据公式F1 =8.06*V1*V2*G* F1-4/VREF2可以得出电压采样电压：V2=174.2mV。符合低于采样电压峰值660mV的半满度值的要求。所以S1S0选择为S1S0=01；F1-43.4。4选择SCF和脉冲常数：根据S1S0=01，F1-4=3.4，由下表4： SCFS1S0F1-4（Hz）CF Max for AC Signals(Hz) 1010101000001111001100111.71.73.43.46.86.813.613.6128×F1,F2=43.5264×F1,F2=21

21、.7664×F1,F2=43.5232×F1,F2=21.7632×F1,F2=43.5216×F1,F2=21.7616×F1,F2=43.522048×F1,F2=5.57kHz选择SCF=0。其中CF最大交流信号32*F1=32*100imp/kWh=3200imp/kWh.那么最大功耗（1.2U，Imax）时每秒输出的脉冲数为3200*1.2*220*30/3600=7个；考虑到校验台要求数据采集最高频率不大于10Hz，所以符合要求。由此可以选定SCF=0，脉冲常数为3200imp/kWh. 稳压电源电路电源电路是整个系统能稳

22、定工作的前提和关键，系统中的各个单元电路都需要使用直流电源供电，本设计采用自制电源供电方式，将220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路整流和滤波，在固定式三端稳压器的两端形成一个并不十分稳定的直流电压，此直流电压经过W7805的稳压和电容的频率补偿，便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。自制电源原理如图2.11所示：图2.11 +5V直流稳压电源设计说明:+ 5 V直流稳压电路参数设计根据设计要求， 图中需要计算的参数有： 变压器副边绕组的交流电压有效值，整流元件的参数，电容C1、C2的数值以及集成三端稳压器的选用。以下对所需要计算的参数逐一进行计算

23、： 1.计算C1和变压器副边绕组的交流电压有效值 (1)确定电容C1 ， 可用下式进行计算： 式中： 1 0 ms 为交流电网电压周期的一半。 取Vimin=7.3V。因为在使用三端稳压器时,为了保证稳压性能,输入端和输出端间电位差至少应在 2 V以上， 当然也不能太大， 以减少器件功耗和避免器件损坏， 一般对输出电压不大于18V 的稳压器,输入电压应小于35V, 按输出电流应有 1 0 的余量， 可取通过计算， 得：C1=125uF。因此取C1=100uF (2)确定变压器副边绕组的交流电压有效值,可用下式进行计算： 通过计算,得：V2=24V。为了留有一定裕量，取 V2=24V。 2.整流

24、元件的参数 （1） 反向耐压 桥式整流电路中， 每个整流二极管在交流电网电压最高时承受的最大反向峰值电压为 为了安全， 整流管的反向耐压应当比上述值大50%以上， 因此选择整流管时， 其反向耐压应按下 式考虑： （2）正向电流 桥式整流电路中， 每个整流二极管的正向电流平均值是输出电流的一半， 其最大值是由于在接通电源瞬间有相 当大的冲击电流( 即充电电流) 通过整流管，因此，整流管的参数 ( 正向电流平均值)应比上述值大0.52倍。若按比上述值大0.8倍考虑,则 根据上述计算， 可选用 1A/25V或1A/50V的桥堆。3.变压器副边绕组电流 变压器副边绕组电流的有效值Iac 要比输出电流I

25、omax大，一般情况下，前者是后者的1.13倍。这里我们取因此，变压器副边绕组导线的粗细应按额定电流（交流有效值)为2 A选用。 4.电容 C 2的选用 电容 C 2的作用： 减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰， 其数值在 100UF左右。 2.2软件设计主函数流程图开始读AT24C16内数据启动定时中断调用脉冲扫描函数向AT24C16存入用户数据数码管循环显示用户电量程序初始化循环显示8户电能程序框图：通过循环计数子程序可以依次显示0-000.000到8-999.999数据。即户名和用电量2.2.3 AT24C16读函数流程图2.2.4 AT24C16 写函数流程图2.3脉冲判别方法

26、 初始化后,进入主程序判断P2口脉冲是否为低电平。开辟数组yh88分别代表8个用户的电量。若P2某口由高电平变为低电平则说明相应的用户电量增加0.001kWh，脉冲个数加1；若是高电平或电平没有变化，相应用户脉冲数不变。分别判断8个用户是否获得脉冲。在主程序中循环扫描各用户脉冲变化，3s后进入中断显示程序。2.4程序清单$NOMOD51$include (c8051f360.inc)SDA EQU P1.3SCL EQU P1.6JISHU EQU 30HORG 0000hLJMP MAINORG 000BHLJMP T0_INTMAIN:LCALL CHUSHI / 调用初始化程序 /*数码

27、管初始值设定*/MOV 40H,#00MOV 42H,#00MOV 43H,#00MOV 44H,#0AH MOV 45H,#01HMOV 20H,#00H /*计数区域清零*/MOV R7,#10H MOV R0,#JISHULOOP: / 3 0-3F区域清零 /MOV R0,#00HINC R0DJNZ R7,LOOP LCALL READ / 调用断电保护 /*定时采样10ms一次*/MOV TMOD,#01HMOV TH0,#0D8H ; MOV TL0,#0F0H SETB ET0SETB EASETB TR0DY:LCALL DIS / 调用显示 /SJMP DY/*/-初始化子

28、程序-CHUSHI: MOV SFRPAGE,#0FH MOV P1MDIN,#0FFH ;数字输入MOV P1MDOUT,#0EFH ;推挽输出 MOV XBR1,#40H ;交叉开关使能 MOV PCA0MD,#00H ;关闭看门狗 MOV PSCTL,#13HMOV OSCICN,#83H ;内部振荡器允许，不分频 MOV DPTR,#tab RET /*显示程序*/DIS:MOV R6,#08MOV R0,#JISHULOOP5: /显示子程序LCALL DISP1 LCALL DELAY /户数转换延时LCALL WRITE / 进行保护INC 45H /户数显示加一INC R0 D

29、JNZ R6,LOOP5 MOV 45H,#01H /户数从一加到八，在变为一，循环RETDISP1: /实现一个脉冲，0.001度电 MOV R3,#8MOV R1,#40HMOV A,R0 /脉冲数给AMOV B,#10 /B=10DIV AB /A除以B，余数给B，商给AMOV 40H,B /把B值送到40H中，即数码管最右边一位MOV B,#10 DIV AB /商再除B MOV 41H,B /余数送41HMOV 42H,A /商送42HLOOP2:MOV A,R1 CJNE R1,#43H,NEXT2 /将第43H为设为带小数点为，MOV DPTR,#TAB1 /带小数点为的表MOV

30、C A,A+DPTRSJMP NEXT3NEXT2:MOV DPTR,#TAB /不带小数点为的表MOVC A,A+DPTRNEXT3:MOV R4,#8LOOP3: JNB ACC.0,A1 /若ACC.0=0，则跳动A1 CLR P1.1 /* p1.1 时钟脉冲，上升沿工作*8/ SETB P1.0 /p1.0为1时，工作，输入一个脉冲，移位一次/SETB P1.1SJMP A2A1:CLR P1.1CLR P1.0SETB P1.1A2:RR A DJNZ R4,LOOP3 / 8位循环 /INC R1 DJNZ R3,LOOP2 / 8位循环 /RET/*中断采样程序*/ T0_IN

31、T:MOV 51H,R3 /将R0-R7存储，保护起来/MOV 52H,R5 / MOV 53H,R7 /MOV 50H,R1 /MOV 26H,R6 /MOV 21H,R0 /MOV 54H,R2 /MOV 55H,R4 /MOV TH0,#0D8H ;写入初值，10msMOV TL0,#0F0HLCALL CLEARMOV A,P2CJNE A,20H,NEXT4 /与脉冲原始状态比较SJMP NEXTNEXT4:JNC NEXT / 判断是上升沿还是下降沿XRL A,20H /异或，读入码值MOV R0,#JISHUMOV R6,#8 LOOP1: / 8位数循环读入/JNB ACC.0

32、,NEXT1 /将读入的码值加到对应的计数区INC R0 /电度数NEXT1:RR AINC R0DJNZ R6,LOOP1NEXT:MOV 20H,P2MOV R2,54HMOV R4,55HMOV R0,21HMOV R6,26HMOV R1,50HMOV R3,51HMOV R5,52HMOV R7,53HRETI /*/ /-写2416程序- WRITE :MOV 2FH,R0 LCALL STR;调开始子程序 MOV A,#0A0H;控制字，2416的物理地址和写控制位 LCALL I2C_W1W;调向2416写一字节并接收信号子程序 JB F0,WRITE;若写失败，从头开始 MO

33、V A,#00H;选择地址 LCALL I2C_W1W JB F0,WRITE;至此，地址写完 MOV R0,#30H MOV R7,#8II1: MOV A,R0;将30h-3FH的内容写到2416中 LCALL I2C_W1W JB F0,WRITE INC R0 DJNZ R7,II1 LCALL STP;调停止子程 /LCALL DELAY1MOV R0,2FH RET/-读2416程序-READ: LCALL STR MOV A,#0A0H;控制字，2416的物理地址和写控制位 LCALL I2C_W1W;调向2416写一字节并接收信号子程序 JB F0,READ;若写失败，从头开始

34、 MOV A,#00H;选择地址 LCALL I2C_W1W JB F0,READ;至此，地址写完 lcall STR MOV A,#0A1H;控制字，2416的物理地址和读操作位 LCALL I2C_W1W JB F0,READ MOV R0,#30H MOV R7,#16JJ3: LCALL I2C_R1W;调用从2416中读1字节子程序 MOV R0,A;将从2416中读出的内容存储到30h-37h中 INC R0 DJNZ R7,JJ3 SETB F0 LCALL I2C_R1W LCALL STP RET /-启动2416子程序-STR: SETB SDA NOP SETB SCL

35、NOP NOP NOP NOP NOP CLR SDA NOP NOP NOP NOP NOP CLR SCL RET/-停止2416子程序-STP: CLR SDA NOP SETB SCL NOP NOP NOP NOP NOP SETB SDA NOP NOP NOP NOP NOP RET/-向2416中写一字节并接收2416返回的信号-I2C_W1W: MOV R5,#8 CLR SCLAR_LP1: NOP NOP NOP NOP NOP RLC AMOV SDA,C NOP NOP SETB SCL NOP NOP NOP NOP NOP CLR SCL DJNZ R5,AR_LP1 NOP NOP SETB SDA NOP NOP NOP SETB SCL NOP NOP NOP NOP CLR F0 JNB SDA,ACKEND SETB F0ACKEND: NOP CLR SCL NOP NOP RET /-从2416中