基于51单片机的智能电表设计

1、-. z摘 要电表表示着人们日常用电的多少，现在每家每户安装的根本上是带有转盘的那种电表，它只能显示出用电总量。假设想查看上个月的用电量，只能靠电费单计算得来。现在已经是信息时代了，这种做法很显然跟不上社会潮流。近几年来，社会提倡低碳、绿色经济和可持续开展，在这种思想的推动下，智能电表将会成为社会的潮流。智能电表是在传统电表的根底上增加了自动化和智能化的功能，从而进一步提高电网的效率、提高供电的可靠性、电能的质量并且完善用电户的效劳，从而更好适应电力市场。现在智能电网是全球电力部门研究和讨论的热点话题，智能电表是智能电网中的最重要的环节，它支撑着电网的信息化、自动化以及互动化等方面的实现。微处

2、理器是智能电表的最主要的核心器件。它可以储存海量的检测数据，同时对测量出的结果进展分析、判断和处理。本次设计是运用单片机STC89C52为微处理器、CS5460A芯片进展电能测量和计算、*5045芯片作为外部存储、数码管进展显示进展设计的。关键词 智能电表；自动化；C51 单片机；CS5460AAbstractAbstractElectricity meter means the number of people everyday electricity, and now every household is basically equipped with the kind of meter,

3、 which can only show the total amount of electricity. To see the power consumption last month, only by electricity single calculated. It is now the information age, and this approach is clearly not social trends.In recent years, the social promotion of low-carbon, green economy and sustainable devel

4、opment, in the promotion of this idea, smart meter will bee the trend of the society. Smart meter is automatic and intelligent function is added on the basis of traditional meter, energy efficiency so as to further improve the power grid, improve power supply reliability, power quality and perfect s

5、ervice of the users, in order to better adapt to the power market. Now the smart grid is a hot topic in the global power sector research and discussion, the smart meter is the most important part of smart grid, which support the realization of grid informationization, automation and interaction of.T

6、he microprocessor is the most important core device of the smart meter. It can store vast amounts of detection data and analyze, judge and process the results of the measurement. This design is the use of single-chip microputer STC89C52 and CS5460A chip for power measurement and calculation, *5045 c

7、hip as the e*ternal storage, digital tube display design.KeyKey wordswordsSmart meterAutomation51 MCUS5460A-. z目 录摘要 IAbstractAbstractII第 1 章绪论 11.1 智能电表的概念 11.2 智能电表的开展背景 11.3 智能电表的构造 21.4 智能电表的主要特点 2第 2 章主要芯片的介绍 42.1 微控制器 STC89C51 单片机 42.1.1 简介 42.1.2 主要特性 42.1.3 引脚功能 42.2 电能计量芯片 CS5460A62.2.1 简介

8、62.2.2 主要特征 72.2.3 引脚功能 72.3 外部存放器*504582.3.1 简介 82.3.2 主要特性 82.3.3 引脚功能 92.4 时钟芯片 DS130292.4.1 简介 92.4.2 主要特性 92.4.3 引脚功能 102.5 74HC138 译码器 102.5.1 简介 102.5.2 主要特性 102.5.3 真值表 112.6 LED 数码管 11第 3 章总体设计方案 123.1 设计功能要求 123.2 智能电表的总体方案设计 12第 4 章硬件局部的组成 144.1 电压电流采样模块的设计 144.1.1 电压调理电路 154.1.2 电流调理电路 1

9、54.2 CS5460A 的外部电路 15-. z4.3 数码管连接电路 164.4 组合键盘连接电路 164.5 EEPROM 连接电路 184.6 时钟芯片 DS1302 连接电路 18第 5 章软件局部的设计 195.1 主程序流程 195.2 CS5460 数据交换方法 205.3 时钟芯片的读写流程 215.4 外部存放芯片的读写流程 215.5 按键扫描流程 225.6 数码管显示功能的实现 23结论 24参考文献 25致 26附录 27-. z第 1 章 绪论1.1 智能电表的概念智能电表它是科技时代的新产物，它能够进展测量、数据处理，因此测量单元、数据处理单元是它的重要组成局部

10、。在智能电表这一系统中，它能通过各类型的芯片来进展电能的测量、计算、存储，并且具有实时监控功能和自动控制等功能。和传统的电能表相比。计量功能是智能电表的最根本的功能，而它本身就是一个电子式的电表，并且它能够通过端口与外部时钟进展通讯1。微处理器单片机是智能电表的最主要的核心器件，没有了它，智能电表就不可以对大量的测量数据进展存储、分析、判断和处理等功能。智能电表通常具有自动检测数据的功能、数据的强大处理功能、数据换算和自动调零功能、并且可以通过操作面板进展人机交流和显示装置。本次设计的智能电表主要运用了微机和通信等两方面的技术，为了减少能耗，把采集数据和处理数据等功能运用芯片进展，这样既可以节

11、省了本钱以及人力资源，还可以增加其工作的效率，可以满足了现代的用电户的需求2。1.2 智能电表的开展背景现在，智能电表主要分为感应式、电子式和智能式等类型，而我国又是生产电能表数量较大的国家，并且我国生产的电能表接近或者根本到达兴旺国家的技术水平，并且我国生产的电能表能够满足不用地区和国家的市场需求，而且我们还有价格优势，因此我国的电能表在全球各市场上有很好的竞争水平。随着我国电网的不断智能化，我们对电表之类的电能计量的器件的要求也不断提高，我国的电网科技和外国在科学技术水平上差距不是很大，与此同时它还是低碳经济的最主要组成局部，所以其开展前景是相当乐观的，和国外的同类产品相比，我国的智能电表

12、的作用完善、有规律、分类式的单价电费和控制负荷等功能都比其他国家高，这更加能够满足我国在电网上现代化智能化建立过程中的需求。目前，我国的用电户人数非常之多，根据 2021 年的统计，在年底就已经有 2.3 亿的用电户记录在国家电网公司的效劳系统中，按每户平均有 4 个人计算，就有 10.4 亿人口，这么庞大的数量，要在全国推广智能电表看来绝非一件简单的是，它不仅需要庞大的资金，而且还需要大量的人力、物力以及很长的时间来进展。同时，智能电表的功能多样化和显示的数据种类多，可以给用户准备更多的用电效劳，不过更换电表也是就要得到用电户的同意、体谅和包含，所以用户也要一个对智能电表进展一定的了解，因此

13、我们就要发动社会各界的力量来对此进展有效的宣传3。自从国家电网公司发布一系列的电网智能化改革的方案之后，有关电表和智能化、自动化的产业的开展面临前所未有的前景。在未来智能电表开展的趋势可以分为以下几个方面：1模块化这样智能电表维修起来就会非常方便，就算是一个不懂它的人也可以对它进展简单的维护和修理，只要注意用电平安就行了，并且它具有平安可靠性；-. z2智能电表的多样化它可以利用多功能控制元件来进展对智能家居的调控，比方说，我们可以控制空调的大型耗电设备在电费相对廉价阶段启动；3计算机的实时控制用电户可以通过计算机对智能电表的*些功能进展调控，从而对电表下所有的用电器实行能源管制。1.3 智能

14、电表的构造根据智能电表的介绍，不难看出，智能电表是由两大局部组成，它们分别是软件局部和硬件局部。我们也可以说它是一个小型化的专用的计算机系统。 在硬件局部上，主要由微处理器单片机 、信号的输入输出通道、标准的通信口、进展人机交换的通道以及外围的电路组成。信号的输入输出通道主要能够让模拟信号以及数字信号通过，从而与外部进展数据交换，输入输出通道主要包括传感器元器件、数模转换器、调理信号电路局部以及模数转换器。微处理器和它的外围电路这局部主要是用来储存数据和程序的，并且在单片机里面能够对数据进展一定的运算和处理，这局部主要由数据存放器和程序存放器以及输入输出端口电路的局部组成的。人机交换的通道顾名

15、思义就是人与机器进展互相交流的重要通道，它通常包括键盘局部、数码拨盘局部、打印机局部、显示局部等局部构成的。标准的通讯接口很明显就是用来与计算机进展交流的端口，这些端口方便计算机对被控器件进展有效的控制。在智能电表中，监测程序和端口管理程序这两局部就构成了其软件局部。其中接口管理程序主要是面向通信接口，它的只要作用就是承受并且分析各种各样的程控码，主要包括各种操作方式的程控码、不同功能的程控码以及各种工作参数的程控码等等，以此同时各器件的实时工作状态以及不同测量数据的处理结果都会通过通信接口的输出仪器局部，以这种方法来响应计算机的远程控制指令。而监测程序就实现对键盘模块和显示模块进展操作，它可

16、以设定*一按键的功能并存储相应的工作参数和运行方式，它可以通过 I/O 口对数据进展采样并且设定好数据的类型等参数，还可以通过相应的指令对数据存放器中的数据和状态进展不同的分析处理，最后，当数据处理完成后，它就可以以各种各样的形式对分析和处理的结果进展显示4。1.4 智能电表的主要特点和机械时的电表进展比照，智能电表包含以下几个特征：1精度高的测量智能电表能够很好的运用单片机对命令的执行的快速性以及数模转换花费时间短的特点，能够对要被测量的数据进展屡次的测量，然后对每次测量的数据进展求平均值，这样就可以排除*些偶然的误差以及一些不确定的干扰，它还可以通过微处理器的滤波命令来进展数字滤波，从而排

17、除一些随机误差以及大误差，用这些方法可以大大的提高测量的精度；2能够进展间接的测量智能电表中的微处理器可以通过编程来进展各种计算，一些能以测量的数据可以通过几种容易测量的数据进展整合和计算来得到；3可以进展自动校正智能电表会在刚上电时就会进展自动校正，而在测量的过-. z程中对系统进展校正，可以减少误差； 4能够自动修正误差；5具有自诊能力智能电表本身就具有故障诊断的功能，如果它发生了故障，就会启动自诊功能，就可以自己检查出系统哪里出问题；6能够进展复杂的控制；7可以通过程序来灵活改变功能；8智能电表的通讯接口通常都是 GPIB 口或者是 RS232 口，而这些端口的功能就帮助智能电表进展远程

18、操控。使其能够简单地与计算机或者其他不同仪器结合在一起，从而根据不同用户的不同需要对多种不同数据进展的自动检测，并通过系统的控制来完成5。第 2 章 主要芯片的介绍2.1 微控制器 STC89C51 单片机 简介STC89C51 单片机具有低电压、高性能的特点，它部带有 4K 字节的快速存放器，而他的处理器是 8 位的。单片机的部只读存储器中的数据可以重复擦除的次数到达 1000 屡次，单片机的部存储器主要采用一些高精度的并且不容易的丧失的材料和存储技术来制造的。由于单片机部已经包含多功能的 8 位处理器以及快速存放器，所以 STC89C51 单片机也是一种高效率的微处理器6。其引脚图如图 2

19、-1 所示。图 2-1 STC89C51 的引脚图 主要特性1与 MCS-51 相兼容；24K 字节的可编程 FLASH 存放器；3寿命：可 1000 循环写/擦；4数据保存时间：10 年；5全静态的工作频率：0Hz-24MHz；6三个级别的程序存放器锁定；71288 位的部 RAM；832 可编程的 I/O 线；9两个是十六位的定时器或者说是计数器；105 个中断源；11可编程的串行通道；12包含低功耗式闲置以及掉电的功能；13包含片振荡电路以及片时钟电路。 引脚功能1VCC：供电电压。2GND：接地。3P0 口：这个端口是一种双向的数据传输的 I/O 端口，在单片机的部，在与漏极开路的电路

20、进展连接，所以它的八个引脚都可以吸收 8TTL 的门电流。假设当它被置为逻辑 1 时，它就会成为高阻输入端。又因为它可以用作外部程序存放器，所以这是它会当-. z作是数据地址的低 8 位来进展处理。在进展程序编程的时候，它还可以当作源代码直接的输入端口来使用；如果它用作输出数据时，它每一引脚都必须要在单片机外部连接一个上拉电阻，这样它才能够正常使用；或者它可以利用外部锁存器来输出数据，这是它就不需要连接上拉电阻，但是要在锁存器的输出电路上连接电阻。4P1 口：这个端口是一类双向的八位的 I/O 端口，与 P0 不同的是它部已经与上拉电阻相连，4TTL 门电流可以通过它的缓冲器进展接收或者由其发

21、送出来。如果它被置为高电平时，在单片机的部它就会被提高成高电平，这是它会被当作输入端口使用；如果由于外部的原因，它被拉成逻辑 0 时，他就会对外输出一定的电流，这就是因为部为逻辑 1。在进展程序编程或者校验时，它会对数据或地址的低 8 为进展接收或发送。5P2 口：这个端口是一种八位的双向的 I/O 口，与 P1 一样同的是它部已经与上拉电阻相连接，4TTL 门电流可以通过它的缓冲器进展接收或者由其发送出来。如果它置高逻辑 1，在单片机部它所对应的引脚的电位就是被拉高，并且当作输入端，所以当它被当作输入端时，它的管脚外部电位就会相对部被拉低，同时输出电流。当这一端口用作外部程序存放器或是十六位

22、的外部数据存放器时候，这时它就会输出十六位数据中的高8 位数据。如果它的地址是“1的时候，并且进展外部 8 位地址数据读写时，它就会很好地运用它的部电位被上拉的优势，输出它的特殊功能存放器里面的数据。当进展程序编程和校正时，它口负责接收高 8 位的地址数据信号以及局部控制信号。6P3 口：这个端口是一个八位的双向的 I/O 口，与 P1 一样同的是它部已经连接了上拉电阻，4TTL 门电流可以通过它的缓冲器进展接收或者由其发送出来。当它被置为逻辑 1 之后，它的每个管脚就会被部上拉电阻上拉成逻辑 1，并且当作输入端口。而这组端口在单片机 STC89C5 都有自己对应的第二功种能，如表 2-1 所

23、示：表 2-1 P3 口的第二功能I/O 端口或位P3 口的第二功能该端口的主要作用P3.0R*D串行输入口P3.1T*D串行输出口P3.2/INT0外部中断 0P3.3/INT1外部中断 1P3.4T0计时器 0 外部输入P3.5T1计时器 1 外部输入P3.6/WR外部数据存放器的写选通P3.7/RD外部数据存放器的读选通7RST：复位输入。8ALE/PROG：当微处理器对外进展存储器扩展时，当它被置为高电平时，它就会启动单片机的锁存功能，这时微处理器就会把 P0 口的数据全部放进锁存器里面，从而进展地址和数据隔离；如果它被置为逻辑 0 时，则微处理器就不会启动锁存功能。在单片机没有与外部

24、存放器进展数据交换是，它会把单片机的震荡频率分成 6 分并去其中一分进展输出，而这个信号可以用作外部时钟信号；反之，它会再去已分频率的一半进展输-. z出。9/PSEN：当它被置为逻辑 0，就表示外部程序存放器被选通。当单片机对外部ROM 进展读取时，两次/PSEN 有效会在同一个机械周期中出现；但是，当单片机读取的是外部 RAM 时 ，这些有效的/PSEN 信号就会被跳过。10EA/VPP：当该引脚保持逻辑零时，单片机就会直接读取外部程序存放器中的数据，这是无论在单片机是否存在部程序存放器。否则的话，在存在外部程序存储器的条件下，首先读取部程序存储器的数据，再读取外部的。在进展程序编程时，它

25、会提供为单片机提供 12V 的烧写电压11*TAL1：单片机的片振荡电路的输入端口，以及时钟接入引脚。12*TAL2：单片机的片振荡电路的输出端口，以及时钟接入引脚。2.2 电能计量芯片 CS5460A 简介CS5460A 是美国的 Crystal system 公司生产的一种芯片，它一种专门用来测量电压电流以及功率电能的芯片，它具有高精度、性能强、低本钱等特点。在 CS5460 中集成了两个模数转换器、一个高度集成的串行接口的的模数转换器以及一个能够高速计算电能的计数器，因此它能够准确测量并且计算出所测电路中的有功电能、电压电流的有效值以及电压电流电功的瞬时值，所以它通常会用来研发三相四线制

26、和单线两相制电表。CS5460 的电压电流输入端不能直接测量电力线上的数据，它需要通过低本钱的电压电流互感器来进展变比才能够进展测量。而 CS5460 芯片与微处理器是通过串行数据传输的方式进展连接的。CS5460 还具有“自引导的功能，也就是说它能够在没有微处理器的情况下，能够独立运行。在此模式下，只要系统上电，它就会自动初始化，并且可以从外部存放器中读取要校准的数据以及启动指令，这样可以大大的降低本钱，而且 CS5460 芯片的集成程度要远远高于微处理器7。它的引脚如图 2-2 所示：图 2-2 CS5460 的引脚图 主要特征1能够在片进展数据计算和处理； 2能够在没有微处理器的情况下，

27、在自引导模式中，与外部存放器连接，并且具有电能/脉冲互换功能； 3具有数模/模数系统校正的能力；4运用简单的三线数据串行传输接口进展数据传输，读写方便； 5具有看门狗定时功能； 6片上 2.5 V 基准6010-6/OC,单电源 +5 V 或双向 2.5V10电源； 7具有方向的功率输出指示； 8可以准确的检测和计算出瞬时的电压电流和功率相应的值、周期电能总量和电压电流的有效值，并且能够进展电能之间的脉冲转换； -. z9电能测量精度：0.1%； 10能够在片进展相位补偿和对系统进展校准； 11片含有机械计度器或者说是步进电机的驱动器； 12带电源监视器； 13电能数据的线性度：在 1000

28、：1 的数据的动态检测围中，电能的数据的线性度大约为 0.1%； 14功率消耗12mW； 15电源配置：VA+=+5V，VA-=0V；VD+=+3V 至+5V 或 VA+=2.5V，VA-=-2.5V；VD+=+3V。 引脚功能1OUT、*IN：这两引脚能够对系统时钟进展输入输出，它们之间通常接 2.520MHZ 的晶振，成为系统时钟，同时片的分频单元会把输入的晶振频率进展分频，进而得到不同的时钟频率。另外还可以通过*IN 管脚对 CS5460 进展外部时钟的引入。 2CPUCLK：CS5460 芯片部的振荡电路的输出端端口。 3SCLK：这是串行时钟输入端，我们可以根据这管脚输入的串行时钟的

29、快慢来确定 SDI 输入串行端和 SDO 输出串行端的传输速率。在片，它与一个施密特触发器相连，它要在 CS 有效的时候才会识别出时钟信号。 4SDO：行数据输出引脚。 5CS:片选引脚。6MODE：这是模式选择的引脚，如果它被置为高电平时，CS5460 就可以与外部串行数据存放器组合，并且实现自引导的功能；如果它被置为逻辑零时，CS5460 就会与微处理器实现数据交换。 7INT：中断输出引脚。 8ETOU：电能输出引脚。 9EDIR：电能方向指示引脚。假设电能为负值时，这一端口就会输出一个信号。 10SDI：串行数据输入引脚。 11VIN+、 VIN-：正负电压的差分模拟量的输入输出端口。

30、 12VREFOUT：参考电压输出引脚。此引脚的电压相对于 VA-为 2.5V。 13VREFIN：参考电压输入引脚。 14IIN+、IIN-：测量电流的输入引脚15VD+：数字电源。 16DGND：数字地。 17VA+、VA-：正负电源的差分模拟量的输入输出端口。 18PFMON：电源故障监测引脚。用于监控模拟电源。 19RESET：复位引脚。-. z2.3 外部存放器*5045 简介*5045 是一种结合 EEPROM 功能、看门狗复位功能、电压跌落检测功能等三中功能的三合一的监控芯片。它使用 SPI 总线与处理器进展通信，是在兼有储存和监测的单片机系统中的最正确选择。它的引脚图如 2-3

31、 所示：图 2-3 *5045 的引脚图 主要特性1支持 MOTOROLA 推出的 SPI 总线协议；2具有选重置时间的看门狗定能力；3能够检测供电电压是否跌落以及具有复位控制功能；45 种标准的复位电压；5当供电电压变成 1V 时，芯片仍然可以保证复位输出；6多种芯片可选择不同的工作电压；7置 4Kbit 的 EEPROM，可反复擦写 100 万次；8可对 EEPROM 数据进展全部或分区保护；9可对硬件和指令写保护，使数据更加平安；10时钟可达 3.3MHZ；11读写速度快，16 字节的页的读写速度；12经典写周期为 5mS；13商用级温宽为 070 摄氏度，工业级温宽为-4084 摄氏度

32、；146 字节的页写入模式；15复位信号输出可持续输出 200MS。 引脚功能1CS/WDI 使能及看门狗复位输入；2SO 数据输出可与 SI 复用 ；3WP 写保护低电平保护 ；4Vss 参考 0 电位；5SI 数据输入；6SCK 时钟输入；7RESET 重置信号输出端必须接上接电阻 ；8Vcc 电源电压。2.4 时钟芯片 DS1302 简介DS1302 是美国达拉斯半导体公司生产的一种实时时钟电路的芯片，它具有低功耗、-. z高性能并带有 RAM 的特点，它能够对时、分、秒、年、月、日、周进展准确的计算，并且能够计算闰年，它的工作电压是 2.5V 到 5.5V。它根本上是运用三线的接口与微

33、处理器实现串行通讯。同时，它采用双电源供电，以防断电时时钟能够继续运行。其引脚如图2-4 所示：图 2-4 DS1302 的引脚图 主要特性1能够对时、分、秒、年、月、日、周进展准确的计算，并且能够计算闰年；231*八位数据暂存储 RAM；3使用串行 I/O 口的通讯方式，大大减少管脚的数量；4大围工作电压 2.0 到 5.5V；5当工作电压为 2.0V 时,工作电流应该小于 300nA；6通过单字节或者数组对数据进展传输；7简单 3 线接口；8与 TTL 兼容 Vcc=5V；9可选工业级温度围-40 到+85；10与 DS1202 兼容；11在 DS1202 根底上增加新特性；12对 Vcc

34、1 有可选的涓流充电能力；13增加的七字节的数据暂存器。 引脚功能1*1 *2 32.768KHz 晶振管脚；2GND 地；3RST 复位脚；4I/O 数据输入/输出引脚；5SCLK 串行时钟；6Vcc1,Vcc2 电源供电管脚。2.5 74HC138 译码器 简介74HC138 是一款高速 CMOS 器件，7 它可以把三位的二进制的地址演变成八个二进制地址，我们通常称它为 38 译码器。同时它还有三个使能输入端，其中有两个逻辑 0 时是有效，一个逻辑 1 时有效，当它们三个端口同时有效时，38 译码器才会运行。因此，在单片机系统中，我们通常用它来进展引脚的扩大。它的引脚如图 2-5 所示：图

35、 2-5 74H138 译码器的引脚图-. z 主要特性1复合的使能输入端，能够方便的对单片机的引脚数量进展扩展；2HBM EIA/JESD22-A114-C 超过 2000 V MM；3EIA/JESD22-A115-A 超过 200 V；4温度围 -40+85 -40+125；5多路分配功能。真值表表 2-2 74H138 译码器真值表输入输出S1S2+S3A2A1A0Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y70*11111111*1*11111111100000111111110001101111111001011011111100111110111110100111101111010111111

36、011101101111110110111111111102.6 LED 数码管LED 数码管事实上上就是由多个发光二级管够成的，它们在系统里按照一定的方式组成一个数字“8” ，它们在系统中已经连接好，其中它们的阳极相互连接的，并与正电源相连接的叫做共阳数码管，而它们阴极相互连接的，并且与负极电源相连的称为共阴数码管。而数码管事实上包括由小数点在的八个发光二极管带点的数字“8” ，那就成为了八位段选码，在字面上我们用 a 到 g 这 7 个字母加上 dp 来表示这些对应的段选码。当数码管相应的引脚上电之后，对应的 LED 灯被点亮，从而组成成我们可以看见的字样了。常用 LED 数码管显示的数字

37、和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。本次设计，我运用两个四位共阴数码管进展表示。它的引脚如图 2-6 所示。图 2-6 四位数码管的引脚图第 3 章 总体设计方案-. z3.1 设计功能要求本次设计的电表最重要的是实现的功能有以下的要求：（1） 能够实现单项交流电能的测量；（2） 电表参数：额定的工作电压电流分别为 220V、5A，最大工作电流为 10A，最大显示电能总量：99999.99Kw.h；（3） 能够测量并通过转换、计算得到功率、电压和电流的瞬时值和电压电流的有效值，并通过转换、计算从而在数码管上显示。3.2 智能电表的总体方案设计本次设计制作的智

38、能电表能够具有以下功能：（1） 通过单片机的外部数据存放器储存三个月份交替日的总电能度数，并通过计算得到本月、上月和上上月的用电量，并通过数码管显示对应的数值；（2） 能够测量并通过转换、计算得到功率、电压和电流的瞬时值和电压电流的有效值，并通过转换、计算从而在数码管上显示；（3） 能够显示自装表后的总的用电电量。本次设计制作的电表主要由电流、电压互感器、电能计量芯片、数码管显示模块、组合键盘、实时时钟芯片、外部存储芯片等。如图 3-1 所示。图 3-1 智能电表的设计概念上图 3-1 说明了智能电表的硬件中的电压电流互感器能够使 220V 电力线上电压电流转变成电能计量芯片能够允许输入的电压

39、电流围。本次设计的智能电表主要由测量计算模块、单片机、数码管显示模块、外部存放器、时钟电路模块以及电源电路组成，如图3-2 所示。图 3-2 智能电表的硬件组成第 4 章 硬件局部的组成本次设计的智能电表可以分为六大组成局部，他们分别是电能计量模块、实时时钟模块、数码管显示模块、外部数据存储、电源电路、微处理器等组成。智能电表它本身就是一个微型的计算机控制系统，它的主要核心是微处理器，也就是我们常说的单片机。智能电表想实现不同功能就要运用不同的器件与单片机来进展组合。通常我们会使用简单方便的芯片和单片机进展组合，这样可以降低本钱，减少编程的麻烦。本次设计的智能电表通过传感器来将外界的被测量的信

40、号转变成电信号，本次采用CS5460A 芯片通过双差分电路来采集电压电流信号；然后进展信号的调理，从而改善型号的质量，并且提高信号的抗干扰的能力；最后经过模数转换进而把数据传给单片机进展处理，这些步骤在 CS5460A 芯片就可以完成，但是数据进制的转换就靠微处理器来进展。在单片机进展数据处理后，执行存储信息或显示，这些可以通过编程来实现的8。-. z4.1 电压电流采样模块的设计在运用 CS5460 测量电能的过程中，我们根本上利用电压电流互感器来隔离电力线，因为 CS5460 的测量输入端有允许通过的最大电压电流的限制，而这样做不仅可以保护芯片，同时还可以减少电力线上的各种各样的干扰信号对

41、测量效果的影响。现在我们使用的照明线路上的电压电流有效值为：220V，10A，在这种情况下，我们可以假设照明线路上的电压电流的最大额定值分别为：300V，30A。我们使用的电力线是单相二线制交流线路，因此它们属于正弦曲线的交流信号，我们通常是以最大值的0.7071 倍来进展测量的。但是，在实际上，电力线上的交流信号不是标准的正弦信号，所以我们采用其最大值的 0.6 倍来进展计算。互感器是一种高精度、低阻抗的元器件，同时它能够在存在高次谐波的条件下，它的延时都会很少。在使用互感器对电路进展隔离后，CS5460 的输入端口就不需要再次运用其他方法进展隔离。图4-1 电流电压采集和调理电路连接图 电

42、压调理电路在被测电压接入 CS5460 之前，我们要对其进展降压处理。而在这次设计中，我们使用了 2MA/2MA 的电压互感器来进展降压处理。不过，这个型号的电压互感器在接入电力线之前一定要连接一个 110K 欧的电阻，把电力线的电压转换成 2MA 以下的电流，以保护电压互感器。电路经过电压互感器之后，在电压互感器的输出端连接一个电阻，其要小于 62.5 欧，因为 CS5460 测量电压输入端的最的值为 125MV，这个电阻的作用就是把电流再转换成电压。然后，在电压互感器的二次侧上接上一定大小的电阻电容，进而构成 RC滤波电路，对输入的电压执行滤波操作。 电流调理电路在电流调理局部中，还是那句

43、话，CS5460不能直接连接到电力线测电流，这次可以运用1000/1的电流互感器，本次使用的电流互感器是两个引脚的，我们把电力线从互感器的中间穿过当作一次侧，而它的两个引脚就作为二次侧输出端，不过，我们要记得在二次侧上接上负载，这样才能保护互感器，剩下的电路和电压调理局部一样，也是连接RC滤波网络，对输入的电流执行滤波操作。4.2 CS5460A 的外部电路单片机 STC89C51 的控制指令集以及管脚都与 Inter 系列的微控制器相兼容，微处理器部有一个可以擦写的程序存放器和一个数据存放器，它们的大小分别为 4K 字节和 256字节。其工作原理与 8031 微处理器一样。 CS5460 芯

44、片与微处理器的数据传输是通过串口传输方式来进展的，这一样做可以大大减少数据传输是所需要的 I/O 口，这样可以为单片机省下大量的端口，从而可以让系统实现更多的功能。图 4-2 CS5460 外部电路连接图由图 4-2 可知 CS5460A 的 1 和 24 引脚接晶振，其中图中引出的引脚除了电压电流输-. z入信号外就是指 STC89C51 的 P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4 引脚分别与 CS546OA 的SDI、RST、SCLK、SDO、CS 引脚进展交换数据。CS5460A 的数据重置管脚 RES 与微处理器STC89C51 的 P1.1 引脚连接，并由微处理器 STC8

45、9C51 向 CS5460A 提供复位信号。4.3 数码管连接电路这次设计中，显示局部是运用数码管进展显示的，如图 4-3 所示，可以知道，数码管没有直接与微处理器进展连接，而是通过 138 译码器和 74H753 锁存器来与微处理器连接。138 译码器的输出端口与数码管的位选端的端口相连，其中 138 译码器的 A、B、C 三个输入端口分别与单片机的 P3.5、P3.6、P3.7 口相连；74H573 锁存器则连接数码管的段选端的端口，同时也是为了驱动数码管，它输出的信号需要经过 100 欧的电阻连接到数码管的段选端端口。图 4-3 数码管的接线图4.4 组合键盘连接电路本次设计的智能电表上

46、已经使用的按键中都有属于自己对应的功能，它可以让用户按键查询本月、上月、上上月中各个月的电总量。还可以查询瞬时电流值、瞬时电压值、电压有效值电流有效值、瞬时功率值。虽然本次设计只是使用键盘组中 8 个按键，但是每个按键都会对应一个功能。图 4-4 键盘组的连接图如图 4-4 所示本次设计的组合键盘采用由 P2.7、P2.6、P2.5、P2.4 口四根数据线提供行线，P2.3、P2.2、P2.1、P2.0 提供列线组成的行列式组合键盘。在键盘组的设计中，每一个按键的两端分别连接到不同的 I/O 口，把 16 个按键摆放成 4*4 的形式，这样就可以看到每个按键都是设置在每一行每一列的各个交点上，

47、同时把行线或列线上其中一个端口接上一个 10K 欧的上拉电阻，这样就构成成了我们所说的组合键盘。键盘组的扫描是把行和列分开进展的。其方法是:给 P2.3、P2.2、P2.1、P2.0 列线端口都设置为低电平，然后把行线电平情况读到累加器。假设*一个键被按下，则这个键所在的列线的电平就会变成逻辑零，因此行线的输入就不会全部为零。如果键盘组中有按键被按下，则我们就会把列线逐一置为逻辑零，再对行线进展检查其输入的状况。假设全为高电平，则所按下的就键不可能在这一行，假设不全补是高电平，则所按下的键就一定在这一行行。本次设计只使用了组合键盘中的一半按键，剩下的按键暂时空在那，可以根据用户的需要，在系统可

48、以实现的情况下，通过编程增加更多不同的功能。4.5 EEPROM 连接电路图 4-5 *5045 连接电路图图 4-5 所示为*5045 芯片与单片机的硬件接线图，从图中我们看到*5045 的复位重置端口连接到单片机 STC89C51 的 9 脚，而这一管脚的连接是*5045 芯片要实现看门狗作用-. z所必须的。STC89C51 的 P1.6、P1.7、P3.0、P3.1 引脚分别与*5045 的 CS、SO、SI、SCLK引脚进展数据交换。写保护引脚 WP 与电源相连。4.6 时钟芯片 DS1302 连接电路图 4-6 DS1302 与单片机的连接图DS1302 与单片机 STC89C51

49、 的连接只需三条线SCLK、I/O、RST 分别与 STC89C51 的P3.2、P3.3、P3.4 连接。在双电源供电的情况下，运用微机系统的电源作为主电源。在这种连接方式中，可以保证智能电表在断电的情况下，时钟芯片继续运行，以保证时间数据不会丧失。DS1302 由 Vcc1/Vcc2 两者中的较大一个供电。当 Vcc2 大于 Vcc1+0.2V 时,Vcc2 给 DS13O2 提供电能;当 Vcc1 大于 Vcc2+0.2V 时,Vcc1 给 DS1302 提供电能。第 5 章软件局部的设计5.1 主程序流程本次设计的电能表的运行时间顺序主要为:当微机系统通电之后，微处理器就对各个芯片执行

50、初始化命令，然后进入的循环，而且还是个死循环；在循环过程中，微处理器先运行清看门狗的子程序；然后读取 CS5460 的电能存放器的数据，经过 1S 的延时再次读取该存放器的数据并进展累加；再然后，读取时钟芯片的实时时钟数据，判断代表月份的数据是否产生变化，如果是就把累加的数据存放在外部数据存放器*5045 中；最后，运行按键扫描的子程序，如果查询到*个按键并确定他已经按下，然后就跳到相应的子程序中。智能电表的执行过程如图 5-1。根据图 5-1 来对单片机部进展编程，从而到达当初设计使所需要的功能。图 5-1 智能电表的主程序控制顺序程序框图5.2 CS5460 数据交换方法CS5460 芯片

51、中包含有 16 个 24 位不同类型的存放器，它们分别是实现配置、直流电流偏移、交流电压、直流/交流电流增益、直流/交流电压增益、周期计数、脉冲速率、有符号、无符号、时基校准、功率偏移、交流或电压的偏移、状态、屏蔽、控制等功能的 16 个不同类型的存放器。它们是主要是用来对 CS5460 进展配置、输入端口进展数据的收集和串行端口的输入输出来进展。这些存放器所相应的地址如下表 5-1 所示：表 5-1 CS5460A 的部存放器相对应的名称和地址地址名称描述0A00 0000Config配置寄存器-. z0A00 0010DCoffI电流通道直流偏移寄存器0A00 0100gnI电流通道增益寄

52、存器0A00 0110DCoffV电压通道直流偏移寄存器0A00 1000gnV电压通道增益寄存器0A00 1010CycleCount/A D每个计算周期的转换数0A00 1100PulseRate-EOUTEDIR用于设置和上的能量脉冲速率0A00 1110I瞬时电流寄存器（最近一次电流采样）0A01 0000V瞬时电压寄存器（最近一次电压采样）0A01 0010P瞬时功率寄存器（最近一次功率采样）0A01 0100E电能寄存器（最后一次计算周期的值）0A01 0110RMSI电流有效值寄存器（最后一次计算周期的值）0A01 1000RMSV电压有效值寄存器（最后一次计算周期的值）0A01

53、 1010TBC时基校准寄存器0A01 1100offP功率偏移寄存器0A01 1110Status状态寄存器其中，当 A 为 1 或 0 时，分别表示写和读存放器。CS5460 芯片的串行通讯接口有一个缓冲区，在这个区间，CS5460 会对单片机发送的命令进展解析。当时钟信号在上升沿的时候，CS5460 就会对单片机发送的命令进展解析，当命令解析完毕之后，CS5460 就会立即执行相应的命令，当它与单片机进展数据传输时，缓冲区就会用来暂时存放发送或接收与微处理器交换的数据。当系统上电之后，CS5460 芯片就会被初始化，同时它还会处在有效的操作状态中，也就是说，系统上电之后，CS5460 芯

54、片就等待单片发送命令字。当芯片上的状态机接收到有效的命令字以后，他就会立刻进展解码，同时命令转换器就会做出相应的动作。要对 CS5460 芯片的*一存放器进展数据就要经过串行端口来进展，也就是说数据传输的初始化命令也会经过数据串行传输的端口 SDI 口来进展传输，并且先从高位开场传送 8 位代码字实现数据传输。假设命令字中含有写操作命令时，串行端口将会在之后的24 个时钟周期记录相应的数据，记录方式还是按照高位在先的原则。写操作需要 24 位数-. z据，而读操作可能需要 8 位、16 位或者 24 位不等。如果单片机在读取存放器的数据是，又发送新的命令，则之前的读操作就会立即停顿，并执行新的

55、命令。我们可以根据串口传输的时序来编写对应的子程序。5.3 时钟芯片的读写流程智能电表中的时间是由 DS1302 来提供的，它与单片机是通过串行端口来进展通讯的。如果电表要进展时间的校准时，单片机就会向它发送相应的命令；如果系统要判断时间时，就会读取它的实时时钟数据，并且与之前所得的实时时钟进展比较，从而得出相应的结果。时钟芯片的数据的读写全部都是有单片机发送相应的命令，在由其进展对应的操作，时钟芯片所有数据的传输都是根据命令来执行的。比方说它的最高位就一定要置为高电平时才会有效，否则的话就会不允许对时钟芯片进展写操作，只能读里面的数据。位 6为逻辑零时就表示对时钟数据执行读写，反之就是对 R

56、AM 实行读写。当最低位被置为低电平时，就可以把数据写入芯片中，反之就是把芯片的数据读出来。而在串行时钟的上升沿，数据就会写入芯片，在下降沿，数据就会从芯片中读出来，并且每个数据都是从最低位开场读起。最后，剩下的 5 个位就表示为芯片指定的存放器。下表 5-2 为 DS1302命令字的格式：表 5-2 DS1302 的命令格式RAMRD1CKA4A3A2A1A0WR765432105.4 外部存放芯片的读写流程在*5045 芯片中包含三个存放器，其中它们分是指令、状态和写使能等存放器。它与微处理器是通过串口通信方式来实行连接的。串行端口 SI 是用来进展数据传输的，CS 端口和 WP 端口则分

57、别是给芯片提供片选信号和写保护信号的，其中 CS 在低电平是有效，WP 在高电平时有效，而它与单片机的数据传入是在串行时钟的上升沿进展的，也就是说在下降沿时输出数据。该芯片的数据全部由高位开场。不过在进展写操作之前，我们要先执行 WREN 命令，这是要让存放器能够进展写操作，在写完数据之后要进展复位，运用WRDI 指令。同时，我们能够利用状态存放器，对看门狗的执行的定时参数进展设定。下表 5-3 为*5045 的命令名称及其格式：表 5-3 *5045 的命令名称及其格式指令名称指令格式完成操作WREN0000 0110写允许WRDI0000 0100写禁止-. zRSDR0000 0101读状态寄存器WRSR0000 0001写状态寄存器、看门狗和块锁定READ0000 A8011从选定的卡是单元地址中读取数据WRITE0000 A8011向选定的开始地址单元写入数据（1-16字节）假设要传输的数据在时钟数据信号的上升沿期间被锁存在输入线上，则该数据就会在串行数据信号的下降沿传送到输出线上。单片机 STC89C51 与*5045 的接口软件设计中，要设置*5045 的使能锁存器、读状态存放器和看门狗的初始值，同时还要编写对应的子程序，只有这些还不够，我们还要编写字节的读写子程序。我们把这块芯片的相应的子函数合理的调用，则我们想要它执行的功能就会实现。5.5 按