【《基于单片机的多功能智能电表设计》7900字（论文）】

··基于单片机的多功能智能电表设计目录TOC\o"1-3"\h\u92第1章绪论 2145371.1研究背景 2300571.2多功能智能电表的发展状况 3324491.3研究意义 346691.4多功能智能电表的结构 4168161.5多功能智能电表预实现功能 419540第2章多功能智能电表的设计思路 575172.1多功能智能电表的设计方法 5254912.2多功能智能电表的硬件设计介绍 51112.1.1控制芯片介绍 5187012.2.2传感器介绍 521932.2.3RS485接口标准介绍 6228142.2.4A/D与D/A转换介绍 6267802.3设计原理 627491第3章多功能智能电表各个模块的设计 7289903.1多功能智能电表的控制芯片 739153.2电能计量芯片 8224583.3通信模块 9169843.4电源模块 10296133.5时钟电路 1154533.6复位电路 11133143.7显示模块 1281503.8WIFI模块电路 12195743.9存储模块 13241753.10按键模块 14267233.11AT89S51单片机的最小系统原理图 14134693.12硬件电路总图 1521665第4章多功能智能电表的软件设计 16239774.1KEIL软件的简介 16250314.2CS5460A计量模块流程图 17103684.3通信模块流程图 1823164.4显示模块程序流程图 19326254.5存储模块读写操作流程图 2029080第5章系统的仿真与总结 237215.1系统的仿真 2384605.2总结 23301635.3展望 2414722参考文献 24摘要随着“工业革命4.0时代”和“中国制造2025”战略口号的提出，全球科学技术得到了快速发展，同样使电子产业也得到了快速兴起。因而，多功能智能电表的发展和使用已经发展成为一种普遍的生活现象。所以，研究一款结构简单、轻巧便携、价格相对较低、易于制造的多功能智能电表具有重要的价值与现实意义。本文采用模块化分布设计的原则对多功能智能电表进行设计。多功能智能电表的设计包含硬件设计和软件设计两部分。硬件的设计主要有单片机控制芯片AT89S51的设计、WIFI模块设计、通讯模块设计、电源模块设计、时钟模块设计、复位电路模块、显示模块设计、存储模块设计、单片机最小系统设计等等。分别做出各个模块的电路原理接线图。软件设计主要有通讯模块，存储模块等等，分别做出各个模块的程序流程图，同时进行系统的仿真测试。通过本文设计的多功能智能电表可以实现以下几种功能，分别是：远程读取数据、自动查询、用户端控制功能。除此之外，本文设计的多功能智能电表结构相对简单，便于操作，更加便于生产和投入到市场当中。关键词智能电表;多功能;原理图第1章绪论1.1研究背景多功能智能电表是一种用于电能计量的仪表。19世纪70年代至80年代，世界上第一个基于电路原理的电能表问世，并在工程建设中得到广泛应用。当今，随着科学技术的不断进步与快速发展，电能的利用已经渗透到社会生产的各个方面。在现代商业社会，电能已被视为一种不可或缺的有价值的商品。对电力行业的产销量进行直观、准确的统计，已成为电力行业发展的生存标准。作为电力行业最重要的“一级标度”，智能电能表的性能及其功能能否满足当前和未来电力生产和销售的需要，与电力系统能否持续科学合理发展密切相关，能否满足我国社会发展的需要，能否满足城乡居民的日常使用和需要。老式的智能电表能通过电磁效应，使表中的测量部分产生相应的位移来测量电能消耗量。其精度、稳定性和灵敏度远低于新一代电子式电能表，功耗也高于新型电子式电能表。如果包括全国范围内的电能表，那会是巨大的一笔电脑损失。近年来，国内外将现有电网升级为智能电网的思路和实践对多功能智能电表提出了更高的要求。因此，设计一种适合智能电网发展的多功能智能电表具有重要的需求和现实意义。1.2多功能智能电表的发展状况1880年代初期，电能仪表的第一代设计成功。测量电能是基于电解原理。但是，这种仪表体积大。精度差，这时电感计出现了。之后，产生了电感计，换成了电能表的第一代。电能表的构造简单耐用，价格便宜，容易维持，操作简单易懂。基于以上优点，电感智能仪表被广泛使用并迅速发展。基于半世纪半导体功率技术的半导体智能仪表在半世纪初进入市场，逐渐被传统的机械式感应装置所取代。与传统仪表相比，这种仪表更准确、耐用，能有效节省人力资源和材料资源。现在，随着全球智能网络的快速发展，它大大促进了多功能智能电表的设计与研究。同样，在中国，随着“工业革命4.0”时代拉开帷幕，多功能智能电表极速发展。因此，未来我们可以大胆地想象，多功能智能电表的发展将成为风之翼，为电表产业的领头羊。1.3研究意义多功能智能电表是连接用户的输电网的终端部件之一。对于智能电网，其建立和正常操作不能从智能的广泛部署和全面覆盖中分离出来。但是，智能网络的升级成本非常高。例如，在过去100年中逐渐建立，完成的美国电力网络估值为数万美元。据统计，从智能网络升级为智能电网仍需要万亿美元。对于发达国家来说，这笔资金还是相当巨大的。中国作为最大的发展中国家，这也是一笔非常沉重的支出。如果我们国家的智能网络建设不能拖累在昂贵的建设成本中，我们必须打开来源，并削减开支。电力系统和用户的关系是密不可分的，鼓励和促进参与电力网络运营和管理的用户是智能电网的要求。同时，它也需要易于制造和修复相对较低的价格。因此，设计多功能智能电表在结构的简单、轻量、低价格和广泛的应用中是非常有价值和实用的重要性。同时，伴随着我国向智能化电网方向的转行，智能电力网公司的正常操作没有智能电表是不行的。智能仪表的持续改进和发展，我们可以有一个光明的未来。这可以有效地保护用户数据的安全，同时给用户带来更多的便捷，这也对智能电力网络公司的管理有很大的帮助。因此，设计以款符合当下市场和人们需要的多功能智能电表拥有着很高的价值与现实意义。1.4多功能智能电表的结构多功能智能电表其实就是一台较为简单的微型处理器。它主要有硬件结构和软件结构组合而成。其中硬件结构主要有电源模块，存储模块，液晶显示模块，WIFI模块，通讯模块等等所够成。软件结构通过程序流程图设计和单片机C语言编程设计来实现。1.5多功能智能电表预实现功能远程仪表阅读。自动查询。故障警报。4、客户端控制功能。第2章多功能智能电表的设计思路2.1多功能智能电表的设计方法多功能智能电表的硬件设计主要有：单片机主控芯片，电能计量芯片，存储模块，通信模块，时钟模块，WIFI模块，显示模块等。多功能智能电表结构框图如图2-1所示。图2-1多功能智能电表结构框图2.2多功能智能电表的硬件设计介绍2.1.1控制芯片介绍单芯片微计算机是将CPU、存储器、计时器、I/O接口电路的主功能部件集成到集成电路芯片中并形成完整的微机芯片的单芯片为计算机的简称。即，安装在半导体芯片内，是构成超级微机的微计算机芯片。本文采用的是当下主流的单片机芯片，AT89S51单片机。2.2.2传感器介绍传感器是将外界输入的被测量信号转变成电信号的元器件或装置。在多功能智能电表中占及其重要的作用。在多功能智能电表中，传感器的主要功能是将得到的信息的能量形式转变成电信号。这主要是由于电信号相比其他信号更容易进行操作。2.2.3RS485接口标准介绍RS485采用半双工通信模式。它允许一对简单的屏蔽双绞线和双向通信，即允许多个发射机连接在同一总线；同时，发射机的驱动能力和冲突保护特性增大，总线共模范围扩大。通过使用单个RS485接口，建立分布式控制设备网络系统是非常方便的。因此，RS485是优选的串行接口标准。半双工的通信模式必须有一个信号来相互提醒，通过开关来发送和接收。RS485接口具有抗噪声、长距离传输距离和多站功能的优点，并且是串行接口的第一选择。由于通常由RS485接口构成的半双工网络只需要两条布线，所以RS485接口采用屏蔽的双绞线传输，并且可以以低成本实现。2.2.4A/D与D/A转换介绍模拟/数字（A/D）转换器也称为“模拟-数字转换器”（ADC)。该功能是将模拟量连续变更，转换为对应的数字量的量化（离散化）。模/数转换电路是一种集成在一块芯片上能完成A/D转换功能的单元电路。A/D转换芯片的种类繁多、性能各异，但其转换原理可分成逐次逼近式、双积分式、并列式等多种。数字/模拟（D/A)转换器的基本原理是：将数字量转换为对应于各个数字量的权重的模拟信号，并使用电阻网络将这些模拟量除了运算放大器加法电路之外还完成D/A转换。模拟量通过ADC转换为数字量。在数字控制器的各种操作和处理之后，必须将其发送给致动器以实现自动控制的目的。但是，由于制动器的大部分需要模拟驱动信号的输入，所以大多将由数字控制器处理的数字量转换为模拟量来驱动各种致动器。这种能够将数字量转换为模拟量的电子电路被称为数字模拟转换器(DAC)。2.3设计原理1.稳定性强和高可靠性原理：由于电源和微处理器的干扰，多功能智能电表可能会导致一系列不可预测的结果。例如，电能数据的损失、篡改和冲突。在多功能智能电表的工作环境中，环境干扰和人员损坏部分违法因素难以避免，多功能智能电表需要一年四季正常工作，这种事故对于多功能智能电表来说是致命的。因此，在使用过程中，必须确保多功能智能电表的高可靠性和强稳定性。2.模块化分布设计原理：将单片机芯片设计为核心控制部件，在单芯片微计算机周围连接一系列功能模块以满足设计要求。它便于设计各种系统功能，使智能电表功能更加全面、更强，让用户设计更容易理解和使用。3.灵敏性原理：如果设计的多功能智能电表需要增加其他功能，它需要添加适当的硬件，并修改一些软件来完成智能电表的更改。4.低成本原理：设计多功能智能电表系统不仅应满足各项功能的实现，还应该考虑制造、安装、使用、维护等一系列成本。请在满足上述条件的同时，简单地维护产品的价格。第3章多功能智能电表各个模块的设计3.1多功能智能电表的控制芯片本文的设计采用的是当下主流的控制芯片AT89S51控制芯片。AT89S51单片机具有体积小，集成度高，结构简单，功能强大，价格低廉等特点。其内含4KB的反复可擦写的Flash只读存储器。AT89S51单片机具有40个引脚，引脚结构图如图3-1所示。图3-1AT89S51引脚结构图3.2电能计量芯片电能计量是多功能智能电表最重要的功能。CS5460A芯片可以利用互感器等设备测量电压、电流、有功功率等值。它的串行口引脚可以双向与CPU进行通信，它包含多个高度集成的数模转换器，可以将测值转换成相应频率的电脉冲输出。电路原理图如图3-2所示。图3-2电能计量模块接线图3.3通信模块RS485通讯协议是ISO/OSI模型广泛使用的物理层标准协议之一。在该标准下，数字通信网络可以在长距离和电子噪声大的条件下有效的传输信号。它还可以连接多个分支通信的本地网络和链路配置。RS485网络接口具有防干扰性能、远传输距离、方便连接、简单方便的网络布局优点。RS485网路是市场智能仪表的一般通信模式之一。因为RS485信号电平与51系列单片机（TTL）信号电平不一致，所以必须在他们之间执行电平转换。MAX485芯片可以被用来解决这个问题。图3-3示出通信模块电路原理图。图3-3通信模块电路原理图3.4电源模块对于一个由单片机控制的多功能智能电表而言，电源模块是不可或缺的一部分。电源模块电路原理图如图3-4所示。图3-4电源模块电路原理图系统电源由与用户相连的220V电源线提供。首先通过交流变压器将220V交流电转化为10V交流电，再由整流装置整流滤波。然后，用三端稳压集成电路LM7805将电压稳定到+5V直流，再接到对应单片机的电源引脚端口和接地引脚端口，完成对单片机的供电。3.5时钟电路时钟信号是单片机应用系统所必须的，时钟电路用于产生单片机系统所需的时钟信号，所以时钟电路也是系统所必须的。时钟信号的频率影响频率直接影响单片机的工作速度，时钟信号的质量也直接影响单片机系统工作的稳定性。AT89S51常用的时钟电路有两种方式，本次设计采用内部时钟方式，电路原理图由图3-5表示。图3-5内部时钟电路原理图3.6复位电路AT89S51启始复位是通过外部的复位电路来实现。复位电路采用两种复位方式：上电自动复位、按键复位。上电自动复位是系统起始加电时，电源通过给电容C充电加给RST引脚一个短的高电平信号，此信号电平随着电容C的充电过程而逐渐下降，即RST引脚上的高电平持续时间取决于电容C的充电时间。充电时间通过电阻R和电容C的参数决定。按键复位电路原理图如图3-6所示。图3-6按键复位电路原理图3.7显示模块显示模块是被用来直接显示当前用户数据和信息的电路。它的那个性能十分简单，直接使用瓦特时间表。目前，液晶显示面板已被普遍使用，电能计的显示功能已经完成。该设计使用的是LCD12864液晶显示模块，在图3-7中示出了显示模块的电路图。图3-7显示模块电路原理图3.8WIFI模块电路在智能电网等多项领域中，我们都可以看到使用ESP8266传输通信的身影。WIFI模块电路如图3-8所示。图3-7WIFI模块电路原理图3.9存储模块AT89S51具有4KB的内部程序存储器和128b的随机数据存储器。为了进一步增强瓦特时间计的存储功能，使用了片外存储器进一步扩展MCU的存储功能。在图3-9示出了存储器模块的扩展电路原理图。图3-9存储模块扩展电路原理图在图3-9所示的电路中，芯片选择信号由74LS264解码器的输出端控制，将两个6264码片连接到MCU。AT89S51的端口P0由外部寄存器74HC373的引脚控制以分时使用。这不仅用作连接断开芯片存储器的MCU的数据总线，而且还用作存储器的低8位的寻址总线。P2.0到MCU的P2.4引脚用于连接存储器的高5位特定总线。结果，存在13个特定总线，并且芯片外存储器扩展了16KB的存储量。3.10按键模块本设计采用74HC373译码器实现按键功能，并将74HC373译码器与单片机的多个输入/输出端口相连，完成对显示模块进行控制。按键模块电路原理图由3-10所示。图3-10按键模块电路原理图3.11AT89S51单片机的最小系统原理图AT89S51单片机的最小系统接线原理图由3-11所示。图3-11AT89S51单片机的最小硬件系统3.12硬件电路总图图3-12硬件电路总电路原理图第4章多功能智能电表的软件设计4.1KEIL软件的简介KEILUversion4软件是单片机开发者使用最为广泛的应用开发工具，不同种类系列的单片机都是使用这种这款软件进行应用的。由于它可以减少成本，降低开发周期，因而受到很多开发者的应用。在KEILUversion4软件的打开窗口中，其提供了一个多样化的使用环境和便捷的调用子程序。对于初学者而言，入门比较快，起点水平不需要太高。系统运行流程图如图4-1所示。图4-1主程序流程图可以从图4-1所示程序流程图中看到：在多功能智能电表被通电以后，主程序最开始会初始化系统，检测每个模块是否能够正常开始否则系统将重新初始化。如果系统正常，它就开始检测是否收到电能脉冲。在一些情况下，进入电能测量处理程序，调用对应的子例程，将数据处理传送到存储模块的对应位置，在显示模块中显示电能信息。否则，将返回上一个步骤。当通信模块从上层主机接收查询时，MCU会调用相关通信子例程进行通信传输。由此，多功能智能电表的测量、记录、显示、发送等完成。4.2CS5460A计量模块流程图本文设计的电能计量芯片模块设计采用了CS5460A芯片来进行完成对电能的测量。CS5460A计量芯片流程图由4-2所示。图4-2CS5460A计量芯片流程图由图4-2的程序流程图可知：开始先初始化CS5460A芯片，然后将必要的值分配给芯片中的寄存器，下一步设置周期个数和测量所需的时间。完成上述操作步骤之后，启动片上DAC，将测量值转换成相应的值，并保存到相应的寄存器中。在转换完成以后，子程序在执行完成后返回到主程序。4.3通信模块流程图在本文中，使用RS485串行总线设计通信模块。RS485串行总线接口在差分平衡模式下发送信号，具有较强的稳定性。这也是RS485通信被本文选择的原因。通信模块发送信息流程图由4-3所示。图4-3通信模块发送信息流程图由图4-3程序流程图所示：在开始准备发送信息之前，我们需要准备好相关的数据，紧接着打开发送控制端的端口，将相关数据写入相关寄存器当中。下一步，监视片上串行端口通信请求标志位TI是否为1。如果是1，进入下一步。如果不是，返回上一步循环次操作。在进入下一步的过程中，时间会延迟2us,时间到后信息发送完毕。如果数据顺利发送，就会自动关闭发送程序；相反，数据没有顺利发送，将会返回写入数据程序循环操作，直到成功为止。通信模块接收数据流程图由4-4所示。图4-4通信模块接收数据流程图由图4-4程序流程图所示：第一步，将通信端口设定为接收状态，下一步，观察片内传标志位RI数据是否为1，如果是，延迟2us,开始接收数据。如果数据不为1，返回上一步循环。下一步，开始接收数据，如果顺利接收数据完成，则返回到开始状态。接收数据失败，则返回标志位循环操作，一直到数据成功接收完毕为止。4.4显示模块程序流程图在多功能智能电表的设计中，我们常选用LCD12864液晶显示屏来显示接收到的信息。显示信息是否清晰，关系到多功能智能电表的人机交互性能。如图4-5程序流程图所示，开始，调用显示模块子程序，接着，初始化显示模块端口，然后显示当前接收到的电源信息。同时，循环检测是否有键位控制信号接入？如果是，就成功进入到下一步功能键位处理程序，并根据功能按键控制处理调整显示屏上的信息。如果否，返回上一步，循环操作。图4-5显示模块程序流程图4.5存储模块读写操作流程图本论文设计使用三个片外寄存器74HC373、解码器74LS138和3KB存储器来扩大24KB片外码片存储空间。AT89S51在读取和写入数据时，确定是否读出片上程序计数器的芯片上存储空间或芯片存储空间中的PC值。存储模块的读操作流程图由4-6所示。图4-6存储模块读操作流程图由图4-6所示程序流程图中：开始完成初始化后，等待对应的读取数据指令。在接收到指令后，检测片上程序计数器的PC值。如果值小于指定值，则在芯片中发现对应的存储地址以读取数据。当值大于指定值时，地址首先被锁定外部锁存器中。然后，解码器74LS138端口根据所引起的信号来选择对应的外部存储器。在存储器确定之后，锁存器锁存的地址信号，通过地址总线传递到存储器，并且存储器地址的数据被发送到单芯片微计算机。数据发送结束后，返回到主程序。存储模块写操作流程图由4-7所示。图4-7存储模块写操作流程图由图4-7所示的程序流程图，最开始完成初始化之后，系统等待是否有相应的写入操作数据指令。在等待写入操作指令之后，检测PC值以判断片内数据或片外数据。如果需要将数据写入片外存储器，则将要写入的地址定到外部存储器，然后根据芯片选择信号选择是否要需要连接的存储器。然后，锁定的地址数据通过地址总线传输到外部存储器。寻找到正确的地址后，数据被写入，然后完成数据的传输。写入数据传输完毕后，返回主程序。循环以上的操作步骤。第5章系统的仿真与总结5.1系统的仿真本论文多功能智能电表系统的设计仿真使用proteus8.0仿真软件进行。系统仿真图由如图5-1所示。图5-1系统仿真图使用仿真软件做出AT89S51单片机外接复位电路和时钟电路，连接外部电路就构成了单片机的最小控制系统。使用单片机C语言汇编语言输入程序，就能够在显示屏上获得我们想要获取的信息。5.2总结在“多功能智能电表的设计”的过程中采用了模块化的设计原则，设计主要内容是采用AT89S51单片机作为主控芯片实现LCD显示模块，WIFI模块，通信模块等等。通过