ADE7755全電子式單相電能表

1、基于ADE7755的二時(shí)段單相數(shù)字電能表設(shè)計(jì)摘 要Abstract 目錄第一章 緒論1.2 課題研究背景及意義1.2.1 課題研究背景1.2.2 課題研究意義1.3 數(shù)字電能表的發(fā)展和現(xiàn)狀1.3.1 電能表發(fā)展歷程1.3.2 數(shù)字電能表未來發(fā)展趨勢(shì)1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容第二章 電能計(jì)量原理及多功能電能表通信規(guī)約的介紹2.1 數(shù)字電能表的電能計(jì)量原理和方法2.2 多功能電能表通信規(guī)約的介紹2.3 本章小結(jié)第三章 基于ADE7755的計(jì)量模塊硬件設(shè)計(jì)3.2 電能計(jì)量芯片ADE7755的簡(jiǎn)介3.2.1 功能簡(jiǎn)介及功能框圖3.2.2 外部引腳及其功能說明3.3 電能計(jì)量過程介紹3.3.1 ADE77

2、55工作原理3.3.2 電能計(jì)量電路設(shè)計(jì)第四章 單相數(shù)字電能表的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)1.2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路1.2.2 電能計(jì)量電路的基本組成1.3 電源模塊設(shè)計(jì)1.4 控制模塊設(shè)計(jì)5.1.1 單片機(jī)8051簡(jiǎn)介5.1.2 控制電路設(shè)計(jì)1.5 LCD顯示模塊設(shè)計(jì)5.1.1 LCD顯示器工作原理簡(jiǎn)介5.1.2 芯片1602簡(jiǎn)介5.1.3 顯示電路設(shè)計(jì)1.6 通信接口模塊設(shè)計(jì)5.1.1 51單片機(jī)的串行通信基礎(chǔ)5.1.2 RS232串行口標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介5.1.3 MAX232簡(jiǎn)介5.1.4 通信接口電路設(shè)計(jì)1.7 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)5.1.1 芯片24C02簡(jiǎn)介5.1.2 存儲(chǔ)模塊電路設(shè)

3、計(jì)1.8 時(shí)鐘芯片5.1.1 DS1302簡(jiǎn)介5.1.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)第五章 單相數(shù)字電能表的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1 軟件集成開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介5.1.1 Keil C51Vision3介紹5.1.2 編程語言選擇5.2 數(shù)字電能表系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)5.3 系統(tǒng)軟件主程序設(shè)計(jì)5.4 電能計(jì)量模塊5.5 LCD顯示模塊5.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊5.7 時(shí)鐘芯片5.8第六章 課題結(jié)論與展望參考文獻(xiàn)第一章 緒論 1.1 課題研究背景及意義1.2.1 課題研究背景傳統(tǒng)的感應(yīng)式機(jī)械電能表從1890年發(fā)明以來已經(jīng)有一百多年歷史,雖然經(jīng)過多方面改進(jìn),但仍然存在個(gè)突出問題:工作不穩(wěn)定,精度低,內(nèi)部的轉(zhuǎn)動(dòng)元件難免產(chǎn)生機(jī)械磨損,

4、使電能表測(cè)量誤差越來越大;體積龐大,價(jià)格昂貴;由于構(gòu)造原理的問題,很容易竊電。于是新型的數(shù)字式電能表應(yīng)用而生。數(shù)字式電能表可視性強(qiáng),大致可分為以下兩類。第一類是在原來機(jī)械式電能表的基礎(chǔ)上,僅在表盤上打一個(gè)很小的光電檢測(cè)孔,表盤每轉(zhuǎn)一圈給出一個(gè)脈沖信號(hào),經(jīng)放大和整形后,作為計(jì)數(shù)脈沖,所計(jì)的客戶用電量通過數(shù)碼管或LCD顯示出來。這種電能表只是改變了其計(jì)數(shù)顯示方式,沒有脫離傳統(tǒng)感應(yīng)式機(jī)械電能表的本質(zhì),機(jī)械磨損還存在,精度低,不穩(wěn)定,所以完全被淘汰。第二類是利用傳感器來采樣電流、電壓,然后把采樣到的電流、電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)或計(jì)數(shù)脈沖來計(jì)量客戶所用電量,再通過數(shù)碼管或LCD顯示出來。1.2.2 課題

5、研究意義研制電能計(jì)量裝置具有非常重大的意義，它能對(duì)電能進(jìn)行精確的計(jì)量，并且能對(duì)主要的電參數(shù)如電壓，電流，功率，功率因數(shù)，及頻率等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)還具有存儲(chǔ)顯示功能，并同時(shí)具有完備的通信功能。數(shù)字電能表的研制，大大促進(jìn)了對(duì)電能的合理利用和調(diào)度 本文所設(shè)計(jì)的這種單相數(shù)字電能表是一種高精度多功能的單相電能表，利用電能計(jì)量專用芯片來計(jì)量所耗電量(單向電能計(jì)量芯片ADE7755),功能多,精度高,更有利于實(shí)行遠(yuǎn)程抄表,有利于電能的合理管理和應(yīng)用。 1.2 數(shù)字電能表的發(fā)展和現(xiàn)狀 1.2.1 電能表發(fā)展歷程電能表的發(fā)展歷經(jīng)了由感應(yīng)式電能表機(jī)電式電能表電子式電能表智能電表的過程。早期的感應(yīng)式電能表和機(jī)電式電能

6、表大多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作安全、維修方便、造價(jià)低廉等，但是準(zhǔn)確度低、適用頻率窄、功能單一、功能擴(kuò)展困難、且對(duì)非線性負(fù)荷、沖擊負(fù)荷的計(jì)量誤差較大。而電子式電能表則功能強(qiáng)大，準(zhǔn)確度高，誤差曲線平直且穩(wěn)定，啟動(dòng)電流小、頻率響應(yīng)范圍寬、功耗小、便于安裝使用、過載能力強(qiáng)、防竊電能力強(qiáng)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展及日臻完善，自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得研制數(shù)字電能表成為可能，并且具有巨大的商業(yè)價(jià)值和發(fā)展優(yōu)勢(shì)。1.2.2 數(shù)字電能表未來發(fā)展趨勢(shì)自19世紀(jì)末第一只感應(yīng)式電能表用于電量計(jì)量以來，隨著技術(shù)的進(jìn)步尤其是上世紀(jì)70年代以來大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電能表也由機(jī)械式

7、向電子式發(fā)展，目前電子式電能表已基本取代了傳統(tǒng)的機(jī)械式電能表，并開始走向智能化。而智能化數(shù)字電表正向著多功能、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、實(shí)時(shí)互動(dòng)化的方向發(fā)展，就是以單片機(jī)為核心，配以相應(yīng)的測(cè)試電路、通訊接口和相應(yīng)的監(jiān)控軟件，通過總線把多個(gè)智能化功能單元連成局域網(wǎng)，再由上位機(jī)測(cè)控軟件實(shí)現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)、信息人工智能、自動(dòng)控制、系統(tǒng)工程的發(fā)展，一個(gè)全新的智能化系統(tǒng)已經(jīng)形成。集計(jì)算、信息、自動(dòng)化、管理為一體的電能計(jì)量裝置是發(fā)展的方向之一。電力檢測(cè)儀實(shí)現(xiàn)智能化，能夠進(jìn)一步適應(yīng)我國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)展，滿足運(yùn)營(yíng)管理的需要，解決特殊負(fù)載用戶的計(jì)量問題1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容 本論文主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一種單相數(shù)字電能表，

8、完成對(duì)電能的精確計(jì)量、顯示以及通過串行通信接口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)之間遠(yuǎn)程通信。本次設(shè)計(jì)主要是基于電能計(jì)量芯片ADE7755和MCS51系列單片機(jī)8051。主要任務(wù)是完成電能計(jì)量電路及顯示的各個(gè)模塊的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的程序框圖，實(shí)現(xiàn)電能采集、電能計(jì)量、電能顯示和與計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程通信等功能。本論文主要結(jié)構(gòu)如下：第一章主要介紹數(shù)字電能表的研究背景、意義及其發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)；第二章主要介紹電能計(jì)量原理以及多功能電能表通信規(guī)約；第三章主要是基于ADE7755的計(jì)量模塊硬件設(shè)計(jì)，第四章主要介紹數(shù)字電能表的硬件設(shè)計(jì)，主要分為電源模塊、控制模塊、顯示模塊、通信接口模塊幾個(gè)部分；第五章主要介紹數(shù)字電能表的軟件設(shè)計(jì)；第六

9、章是對(duì)本論文的總結(jié)與展望。 第二章 電能計(jì)量原理及多功能電能表通信規(guī)約的介紹2.1 數(shù)字電能表的電能計(jì)量原理和方法 電能基本表達(dá)式如下： 式中u(t)、i(t)、p(t)分別是順勢(shì)電壓、瞬時(shí)電流、瞬時(shí)功率值，所以測(cè)量電能的基本方法是將電壓、電流相乘，然后在時(shí)間上再累加（即積分）起來。 對(duì)于大多數(shù)電子式電能表，電能計(jì)量的原理基本相同，主要包括對(duì)電壓和電流的實(shí)時(shí)采樣，將采樣得到的電壓和電流值相乘，計(jì)算出有效值、有功功率、無功功率等。采樣份直流采樣和交流采樣兩種，與直流采樣相比，交流采樣具有計(jì)算靈活、精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。 當(dāng)采樣輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，測(cè)量時(shí)域、頻域信號(hào)的算法有導(dǎo)數(shù)算法、半周期算法

10、等。由于這些算法計(jì)算量小，因此應(yīng)用較為普遍，尤其是對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的場(chǎng)合2.2 多功能電能表通信規(guī)約的介紹2.3 本章小結(jié)第三章 基于ADE7755的計(jì)量模塊硬件設(shè)計(jì)3.1 電能計(jì)量芯片ADE7755的簡(jiǎn)介3.1.1 功能簡(jiǎn)介及功能框圖（1） ADE7755功能概述 ADE7755是一種高準(zhǔn)確度電能測(cè)量電路集成電路，主要用于單相電表系統(tǒng)，其技術(shù)指標(biāo)超過了IEC1036規(guī)定的準(zhǔn)確度要求。它只在ADC和基準(zhǔn)電路中使用了模擬電路，其他的信號(hào)處理都由數(shù)字電路完成，這使得在惡劣的環(huán)境下仍然可以保持極高的準(zhǔn)確度和長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性，通過引腳F1、F2以低頻形式輸出有功功率的平均值，可以直接驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)數(shù)器，或

11、者與微控制器接口，從引腳CF以高頻形式輸出有功功率的瞬時(shí)值，用于電能計(jì)量表的校準(zhǔn)。（2） 功能特點(diǎn)l 精度高，在500：1動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差低于0.1%；l F1、F2輸出頻率表示平均有功功率；l 高頻輸出CF用于校準(zhǔn)，并提供即時(shí)有功功率；l 邏輯輸出引腳REVP能只是負(fù)功率或錯(cuò)誤鏈接；l 可直接驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)數(shù)器和兩相步進(jìn)電機(jī)；l 在片電源監(jiān)控電路；l 防潛動(dòng)；l 在片電壓源2.5V9%;l 單5V電源，低功耗；l 采用SSOP24封裝。（3） 功能框圖 （4） 極限參數(shù)參數(shù)符號(hào)最小值最大值單位工作電壓VDD-VSS-0.37.0V管腳電流IPIN-150+150mA儲(chǔ)藏溫度TSTG-65+150

12、工作溫度TO-40+853.1.2 外部引腳及其功能說明ADE7755有24腳DIP和SSOP兩種封裝（1）管腳排列圖如下： （2）管腳功能說明l DVDD，數(shù)字電源引腳。該引腳提供數(shù)字電路的電源，正常工作 電源電壓應(yīng)保持在5V5%，該引腳應(yīng)使用 10F 陶瓷電容進(jìn)行去耦l AC/DC，高通濾波器HPF 選擇引腳。當(dāng)該引腳輸入高電平時(shí)，通道 1（電流通道）內(nèi)的 HPF被選通，該濾波器所涉及的相位響應(yīng)在45Hz 至 1kHz范圍內(nèi)在片內(nèi)已得到補(bǔ)償。在電能計(jì)量的應(yīng)用中，應(yīng)使 HPF 選通。l AVDD，模擬電源引腳。 該引腳提供 模擬電路的電源， 正常工作電源電壓應(yīng)保持在5V5%，當(dāng)使電源的紋波和

13、噪聲減小到最低程度，該引腳應(yīng)使用 10F 電容并聯(lián) 100nF 陶瓷電容進(jìn)行去耦。l NC（6號(hào)引腳），與6腳短接l V1P，V1N，通道 1（電流通道）的正、負(fù)模擬輸入引腳。完全差動(dòng)輸入方式，正常工作最大信號(hào)電平為470mV。通道1有一個(gè)PGA。這兩個(gè)引腳相對(duì)于AGND 的最大信號(hào)電平為1V。兩個(gè)引腳內(nèi)部都有 ESD 保護(hù)電路，這兩個(gè)引腳能承受6V的過電壓，而不造成永久性損壞。l RESET，復(fù)位引腳。當(dāng)為低電平時(shí)，ADC和數(shù)字電路保護(hù)復(fù)位狀態(tài)，在RESET 的下降沿，清除內(nèi)部寄存器。l REFIN/OUT，基準(zhǔn)電壓的輸入、輸出引腳。片內(nèi)基準(zhǔn)電壓的正常值為 2.5V8%，典型溫度系數(shù)為 30

14、ppm/。 外部基準(zhǔn)源可以直接連接到該引腳上。無論用內(nèi)部還是外部基準(zhǔn)源，該引腳都應(yīng)使用 10F 鉭電容和100nF 陶瓷電容對(duì) AGND 進(jìn)行去耦。l AGND，這是 模擬電路（即ADC和基準(zhǔn)源）的接地參考點(diǎn)，該引腳應(yīng)連接到印刷電路板的模擬接地面。模擬接地面是所有模擬電路的接地參考點(diǎn)，如抗混疊濾波器、電流和電壓傳感器等。為了有效地抑制噪聲，模擬接地面與數(shù)字接地面只應(yīng)有一點(diǎn)連接。星形接地方法有助于使數(shù)字電流噪聲遠(yuǎn)離模擬電路。l SCF，校驗(yàn)頻率選擇。該引腳的邏輯輸入電平確定 CF引腳的輸出頻率。l S1，S0，這兩個(gè)引腳的邏輯輸入用來選擇數(shù)字/頻率轉(zhuǎn)換系數(shù)， 這為電度表的設(shè)計(jì)提供了很大靈活性。l

15、 G1，G0，這兩個(gè)引腳的邏輯輸入用來選擇通道1 的增益，可用來選擇增益是1,2,8,和16。l CLKIN，外部時(shí)鐘可從該引腳接入，也可把一個(gè)石英晶體接在CLKIN和 CLKOUT 之間，提供時(shí)鐘源，規(guī)定時(shí)鐘頻率為3.579545MHz。作為石英晶體負(fù)載的33pF陶瓷電容應(yīng)和振蕩器門電路連接。l CLKOUT，如上所述，可把一個(gè)石英晶體接在 CLKIN 和 CLKOUT 之間，提供一個(gè)時(shí)鐘源。當(dāng)CLKIN 上接有外時(shí)鐘時(shí) CLKOUT引腳能驅(qū)動(dòng)一個(gè)CMOS負(fù)載。l NC，懸空。l REVP，當(dāng)檢測(cè)到負(fù)功率時(shí)，即電壓和電流信號(hào)的相位差大于 90時(shí)，該引腳輸出邏輯高電平。該輸出沒有被鎖存，當(dāng)再次

16、檢測(cè)到正功率時(shí)，該引腳的輸出復(fù)位。該輸出的邏輯狀態(tài)隨 CF輸出脈沖同時(shí)變化。l DGND，這是數(shù)字電路（即乘法器、濾波器和數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器）的接地參考點(diǎn)。該引腳應(yīng)連接到印刷電路板的數(shù)字接地面，數(shù)字接地面是所有數(shù)字電路（如機(jī)械或數(shù)字計(jì)數(shù)器、微控制器和 LED 顯示器的接地參考點(diǎn)。為了有效地抑制噪聲，模擬接地面與數(shù)字接地面只應(yīng)有一點(diǎn)連接，如星形接地。l CF，頻率較驗(yàn)輸出引腳。其輸出頻率反映瞬時(shí)有功功率的大小，常用于儀表校驗(yàn)。l F2，F(xiàn)1，低頻邏輯輸出引腳，其輸出頻率反映平均有功功率的大小。這兩個(gè)邏輯輸出可以直接驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)數(shù)器或兩相步進(jìn)電機(jī)。3.2 電能計(jì)量過程介紹3.2.1 ADE7755工作

17、原理 芯片內(nèi)部?jī)蓚€(gè)ADC對(duì)來自電流和電壓傳感器的電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。ADE7755的模擬輸入結(jié)構(gòu)具有寬動(dòng)態(tài)范圍，大大簡(jiǎn)化了傳感器接口（可以與傳感器直接連接），也簡(jiǎn)化了抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)。電流通道中的PGA進(jìn)一步簡(jiǎn)化了傳感器接口。電流通道中的HPF濾掉電流信號(hào)中的直流分量，從而消除了由于電壓或者電流失調(diào)所造成的有功功率計(jì)算上的誤差。有功功率是從瞬時(shí)功率信號(hào)推導(dǎo)計(jì)算出來，瞬時(shí)功率信號(hào)是用電流和電壓信號(hào)直接相乘得到的。為了得到有功功率分量（即直流分量），只要對(duì)瞬時(shí)功率信號(hào)進(jìn)行低通濾波就行了。下圖示出了瞬時(shí)有功功率如何通過對(duì)瞬時(shí)功率信號(hào)進(jìn)行低通濾波來獲取有功功率。這個(gè)過程中所有的信號(hào)處理都是由數(shù)字電路

18、完成的，因此具有優(yōu)良的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性。 ADE7755的低頻輸出是通過對(duì)上述有功功率信息的累計(jì)產(chǎn)生，即在兩個(gè)輸出脈沖之間經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的累加，因此輸出頻率正比于平均有功功率。當(dāng)這個(gè)平均有功功率信息進(jìn)一步被累加，就能獲得電能計(jì)量信息。CF輸出的頻率較高，累加時(shí)間較短，因此CF的輸出頻率正比于瞬時(shí)有功功率，這對(duì)于在穩(wěn)定負(fù)載條件下進(jìn)行系統(tǒng)校驗(yàn)是很有用的。3.2.2 電能計(jì)量電路設(shè)計(jì)電能測(cè)量電路如上圖所示,主要是由電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路和電能計(jì)量芯片 ADE7755 及其外圍電路組成。首先,負(fù)載電流經(jīng)過電流傳感器再通過濾波電路后轉(zhuǎn)換成合適的電壓信號(hào)送入到電能計(jì)量芯片 ADE7755 的電流通道, 即

19、 V1P 和V1N 端;而 220V 相電壓則通過電壓傳感器降壓后,再通過濾波電路送入電能計(jì)量芯片 ADE7755 的電壓通道, 即 V2P 和 V2N端二者經(jīng)過 ADE7755 轉(zhuǎn)換成有功功率以高頻脈沖形式從 CF端輸出然后接入到單片機(jī) AT89C51 的外部中斷信號(hào)輸入端,即單片機(jī)控制電路從 ADE7755 的 CF 端采集脈沖經(jīng)過處理后得到的數(shù)據(jù)送到 LCD 顯示電路進(jìn)行顯示,并通過遠(yuǎn)程通訊電路把數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。CF腳接在單片機(jī)的T0計(jì)數(shù)器上，由單片機(jī)對(duì)CF腳輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，再根據(jù)ADE7755的原理，計(jì)算出功率所測(cè)功率。S0S1和SCF分別接在P2.0、P2.1、P2.2口。第四

20、章 單相數(shù)字電能表的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 4.1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路本文所設(shè)計(jì)的電能計(jì)量電路，主要由電能計(jì)量芯片ADE7755、單片機(jī)8051、LCD液晶顯示電路、存儲(chǔ)器、遠(yuǎn)程通訊接口以及電源部分組成。由高精度單向電能計(jì)量芯片ADE7755來采集電壓、電流。經(jīng)ADE7755轉(zhuǎn)換成有功功率，以高頻脈沖形式輸出，將輸出功率傳送至單片機(jī)8051，作為輸入。高性能單片機(jī)8051作為整個(gè)電能采集電路的控制中心將8051與LCD顯示電路相連接，LCD顯示電路采用1602芯片，將所采集的電能數(shù)據(jù)經(jīng)處理后在LCD液晶顯示器上顯示，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在非易失存儲(chǔ)器中，以防止停電時(shí)數(shù)據(jù)丟失，存儲(chǔ)芯片選用

21、24C02，且同時(shí)通過遠(yuǎn)程通訊電路將所得數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，串行通訊接口選用MAX232.4.1.2 電能計(jì)量電路的基本組成4.2 電源模塊設(shè)計(jì)電源模塊為系統(tǒng)板上其它模塊提供5V電源，電源輸入有兩種方式，一種為交直流電源從電源插座輸入，輸入的電壓要求，直流輸入應(yīng)大于7.5V，交流輸入應(yīng)大于5V，通過7805三端穩(wěn)壓器得到5V的直流電源供給系統(tǒng)其它模塊工作，另一種為從USB接口獲取5V電源，只要用相應(yīng)配套的USB線從電腦主機(jī)獲取5V直流電源，在電源模塊中加有保護(hù)電路，即電路中有短路，不會(huì)對(duì)7805三端穩(wěn)壓器及電腦主機(jī)電源有損害！其電路實(shí)現(xiàn)如下： 在電路中提供一個(gè)電源插座PHONEJACK2，將5V

22、直流電源引入系統(tǒng)中，經(jīng)過穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓后提供5V電壓源供單片機(jī)和各個(gè)電路正常工作，7805三端穩(wěn)壓器件。共有三個(gè)引腳：一號(hào)引腳為電壓輸入端，輸入電壓要大于5V，二號(hào)引腳為5V穩(wěn)壓輸出端，三號(hào)引腳為接地端。同時(shí)，為了更好的指示出通電狀態(tài)，還引入了一個(gè)LED發(fā)光二級(jí)管，當(dāng)電源接通時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，反之則熄滅。4.3 控制模塊設(shè)計(jì)4.3.1 單片機(jī)8051簡(jiǎn)介（1） 8051概述 MCS51是指由美國(guó)INTEL公司生產(chǎn)的一系列單片機(jī)的總稱，這一系列單片機(jī)包括了好些品種，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的產(chǎn)品，該系列其它單片機(jī)都是在80

23、51的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能的增、減、改變而來的，所以人們習(xí)慣于用8051來稱呼MCS51系列單片機(jī)，而8031是前些年在我國(guó)最流行的單片機(jī)，所以很多場(chǎng)合會(huì)看到8031的名稱。INTEL公司將MCS51的核心技術(shù)授權(quán)給了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051為核心的單片機(jī)，當(dāng)然，功能或多或少有些改變，以滿足不同的需求，其中89C51就是這幾年在我國(guó)非常流行的單片機(jī)，它是由美國(guó)ATMEL公司開發(fā)生產(chǎn)的。本論文中我們將用89C51來完成電能表的設(shè)計(jì)（2） 功能特點(diǎn) l 1個(gè)八位的處理器，片內(nèi)帶振蕩器；l 128字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；l 21個(gè)特殊功能寄存器；l 4KB的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器；l 4個(gè)八位并行

24、口（P0，P1，P2，P3）；l 1個(gè)全雙工串行口l 2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，記為T0、T1；l 5個(gè)中斷源，即兩個(gè)外部輸入中斷，兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷，一個(gè)串行口中斷；l 2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)；l 111條指令，具有位尋址功能，片內(nèi)采取單總線結(jié)構(gòu)。（3） 管腳排列圖 8051有40個(gè)引腳，常用的有40引腳的直插封裝（DIP方式），如下圖所示： （4） 引腳功能說明1. 電源引腳Vcc 和VssVcc(40 腳)：電源端，為5V。Vss(20 腳)：接地端。2. 時(shí)鐘電路引腳XTAL1 和XTAL2XTAL2（18 腳）：接外部晶體和微調(diào)電容的一端；在8051 片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸出端

25、，振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。若需采用外部時(shí)鐘電路時(shí)，該引腳輸入外部時(shí)鐘脈沖。XTAL1(19 腳)：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端；在片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸入端。在采用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳必須接地。3. 控制信號(hào)引腳RST,ALE,PSEN 和EARST/VPD(9 腳)：RST 是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。當(dāng)此輸入端保持備用電源的輸入端。當(dāng)主電源Vcc 發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時(shí)，將5V 電源自動(dòng)兩個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)時(shí)鐘振蕩周期)的高電平時(shí)，就可以完成復(fù)位操作。RST 引腳的第二功能是VPD,即接入RST 端，為RAM 提供備用電源，以保證存儲(chǔ)在RAM 中的信息不丟失，從而合

26、復(fù)位后能繼續(xù)正常運(yùn)行。ALE/PROG(30 腳)：地址鎖存允許信號(hào)端。當(dāng)8051 上電正常工作后，ALE 引腳不斷向外輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率fOSC 的1/6。CPU 訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，ALE 輸出信號(hào)作為鎖存低8 位地址的控制信號(hào)。平時(shí)不訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，ALE 端也以振蕩頻率的1/6 固定輸出正脈沖，因而ALE 信號(hào)可以用作對(duì)外輸出時(shí)鐘或定時(shí)信號(hào)。ALE 端的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力為8 個(gè)LS 型TTL(低功耗甚高速TTL)負(fù)載。此引腳的第二功能PROG 在對(duì)片內(nèi)帶有4KB EPROM 的8751 編程寫入(固化程序)時(shí)，作為編程脈沖輸入端。PSEN(29 腳)：程序存儲(chǔ)允許輸出信號(hào)端

27、。在訪問片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，此端定時(shí)輸出負(fù)脈沖作為讀片外存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。此引肢接EPROM 的OE 端(見后面幾章任何一個(gè)小系統(tǒng)硬件圖)。PSEN 端有效，即允許讀出EPROMROM 中的指令碼。PSEN 端同樣可驅(qū)動(dòng)8 個(gè)LS 型TTL 負(fù)載。EA（31 腳)：外部程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。此引腳的第二功能是Vpp 是對(duì)8751 片內(nèi)EPROM固化編程時(shí)，作為施加較高編程電壓（一般12V21V）的輸入端。4.輸入/輸出端口P0/P1/P2/P3，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出，每一個(gè)口都有一個(gè)8位鎖存器，復(fù)位后初始狀態(tài)皆為“1”；4.3.2 控制電路設(shè)計(jì) 8051控制電路的最小

28、系統(tǒng)如下： （1） 復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位操作有兩種方式：上電復(fù)位和上電按鈕復(fù)位。因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行等的需要，常常需要人工按鈕復(fù)位，因此本次設(shè)計(jì)中采用如圖所示的上電按鈕復(fù)位。（2） 晶振電路8051單片機(jī)有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入、輸出端。石英晶體和陶瓷諧振器都可以用來一起構(gòu)成自激振蕩器。設(shè)計(jì)電路中采用內(nèi)部時(shí)鐘接法，如上圖所示。4.4 LCD顯示模塊設(shè)計(jì)4.4.1 LCD顯示器工作原理簡(jiǎn)介 LCD液晶顯示器是一種極低功耗的顯示器件，其工作電流小、重量輕、功耗低、壽命長(zhǎng)，字跡清晰美觀，在便攜式儀表以及低功耗應(yīng)用的較高檔儀器儀表中被廣泛采用。它從顯示的形

29、式上可分為段式、點(diǎn)陣字符式和點(diǎn)陣圖形式，本次設(shè)計(jì)中采用點(diǎn)陣式LCD顯示器1602。4.4.2 芯片1602簡(jiǎn)介 (1) 功能概述1602字符型LCD是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣式LCD，其主要技術(shù)參數(shù)如下： 顯示容量：162個(gè)字符； 芯片工作電壓：4.5V5.5V； 工作電流：2.0 mA（5.0V）; 模塊最佳工作電壓：5.0V； 字符尺寸：2.954.35（WH）（2） 引腳功能簡(jiǎn)介第1腳： VSS為地電源；第2腳：VDD接5V正電源；第3腳：VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)

30、比度；第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時(shí)選擇指令寄存器；第5腳：R/W為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作，當(dāng)RS和R/W同時(shí)為低電平時(shí)可以寫入指令或顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)；第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令；第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線；第15腳：背光源正極；第16腳：背光源負(fù)極。4.4.3 顯示電路設(shè)計(jì) 4.5 通信接口模塊設(shè)計(jì)4.5.1 51單片機(jī)的串行通信基礎(chǔ) 計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送共分為兩種方式：并行數(shù)據(jù)傳送和串行數(shù)據(jù)傳送。并行數(shù)據(jù)傳送

31、的特點(diǎn)是：多個(gè)數(shù)據(jù)位同時(shí)傳送，傳送速度快，效率高，單并行數(shù)據(jù)傳送有多少數(shù)據(jù)位就需要多少根線，因此傳送成本高。并行數(shù)據(jù)傳送比較適用于短距離的數(shù)據(jù)傳送，如計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳送都采用并行方式。串行數(shù)據(jù)傳送的特點(diǎn)是：數(shù)據(jù)傳送按位順序進(jìn)行，最少只需一根傳輸線即可完成，成本低但速度慢。計(jì)算機(jī)與外界的數(shù)據(jù)傳送大多數(shù)是串行的，其傳送的距離可以從幾米到幾千千米。通常把計(jì)算機(jī)與外界的數(shù)據(jù)傳送稱之為通信，因此所謂串行通信也就是串行數(shù)據(jù)傳送。串行通信又分為異步和同步兩種方式。在8051中使用的串行通信都是異步方式。串行通信的數(shù)據(jù)通路形式有單工、半雙工和全雙工三種形式，8051的串行口結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，具有四種工作方式，這

32、些工作方式可以用SCON中的SM0和SM1兩位來確定。4.5.2 RS232C串行口標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介RS-232C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA于1962年指定的一種串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在串行通信中數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備間物理連接線路的電氣特性、通信格式和約定，是異步串行通信中應(yīng)用最廣的總線標(biāo)準(zhǔn)。完整的RS-232C借口有主信道、輔信道共22跟西安組成，不過該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)引腳的加些特性并未作出嚴(yán)格規(guī)定，一般采用標(biāo)準(zhǔn)的25芯D型插座，盡管輔信道也用于串行通信，單速率低。很少用。此外，當(dāng)兩個(gè)設(shè)備以異步方式通信時(shí)，也無需使用主信道中所有的聯(lián)絡(luò)信號(hào)，因此RS-232C借口也可以用9芯D型插座。其

33、實(shí)RS-232C接口聯(lián)絡(luò)信號(hào)沒有嚴(yán)格定義，在極端情況下可能不是用聯(lián)絡(luò)信號(hào)，只通過TXD、RXD和GND三根線連接實(shí)現(xiàn)串行通信。4.5.3 MAX232簡(jiǎn)介 MAX232 芯片是美信公司專門為電腦的 RS-232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,使用+5v 單電源供電。 主要特點(diǎn)： 1、符合所有的 RS-232C 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 2、只需要單一 +5V 電源供電 3、片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V 和-10V 電壓 V+、V- 4、功耗低，典型供電電流 5mA 5、內(nèi)部集成 2 個(gè) RS-232C 驅(qū)動(dòng)器 管腳封裝圖：引腳介紹： 第一部分是電荷泵電路。由 1、2、3、4、5、

34、6 腳和 4 只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v 和-12v 兩個(gè)電源，提供給 RS-232 串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14 腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中 13 腳（R1IN）、12 腳（R1OUT）、11 腳（T1IN）、14 腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8 腳（R2IN）、9 腳（R2OUT）、10 腳（T2IN）、7 腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)從 T1IN、T2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 RS-232 數(shù)據(jù)從 T1OUT、T2OUT 送到電腦 DB9 插頭；DB9 插頭的 RS-232 數(shù)據(jù)從 R1IN、R2IN 輸

35、入轉(zhuǎn)換成 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)后從 R1OUT、R2OUT 輸出。 第三部分是供電。15 腳 GND、16 腳 VCC（+5v）。 4.5.4 通信接口電路設(shè)計(jì) 4.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)4.6.1 芯片24C02簡(jiǎn)介（1） 概述 CAT24WC02是一個(gè)2K位串行 CMOS E2PROM 內(nèi)部含有256個(gè) 8 位字節(jié) CATALYST 公司的先進(jìn) CMOS 技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗， CAT24WC02有一個(gè) 16 字節(jié)頁(yè)寫緩沖器 該器件通過I2C 總線接口進(jìn)行操作，有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能。 （2） 功能特性l 與 400KHz I2C 總線兼容 l 1.8 到 6.0 伏工作電壓范圍 l

36、 低功耗 CMOS 技術(shù) l 寫保護(hù)功能 當(dāng) WP 為高電平時(shí)進(jìn)入寫保護(hù)狀態(tài)l 頁(yè)寫緩沖器 l 自定時(shí)擦寫周期 l 1,000,000 編程/擦除周期 l 可保存數(shù)據(jù) 100 年 l 8 腳 DIP SOIC 或 TSSOP 封裝 l 溫度范圍 商業(yè)級(jí) 工業(yè)級(jí)和汽車級(jí)（3） 管腳配置與管腳描述 管腳名稱功能A0 、A1、 A2器件地址選擇SDA串行數(shù)據(jù)/地址SCL串行時(shí)鐘WP寫保護(hù)Vcc+1.8V- 6.0V 工作電壓Vss地（4） 極限參數(shù) 工作溫度：工業(yè)級(jí) -55 +125 商業(yè)級(jí) 0 +75 貯存溫度：-65+150 各管腳承受電壓：-2.0Vcc+2.0V Vcc管腳承受電壓：-2.0

37、 +7.0V 封裝功率損耗 （Ta=25）：1.0W 焊接溫度(10 秒) ：300 輸出短路電流 100mA（5） I2C總線協(xié)議CAT24WC02支持I2C總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，I2C總線協(xié)議規(guī)定，任何將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件作為發(fā)送器。任何從總線接收數(shù)據(jù)的器件為接收器。數(shù)據(jù)傳送是由產(chǎn)生串行時(shí)鐘和所有起始停止信號(hào)的主器件控制的。主器件和從器件都可以作為發(fā)送器或接收器，但由主器件控制傳送數(shù)據(jù)(發(fā)送或接收)的模式，通過器件地址輸入端A0、A1和A2可以實(shí)現(xiàn)將最多8個(gè)24WC01和24WC02器件，4個(gè)24WC04 器件，2個(gè)24WC08器件和1個(gè)24WC16器件連接到總線上。I2C協(xié)議定義如下：l

38、只有在總線空閑時(shí)才允許啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳送。l 在數(shù)據(jù)傳送過程中，當(dāng)時(shí)鐘線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線必須保持穩(wěn)定狀態(tài)，不允許有跳變時(shí)。鐘線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線的任何電平變化將被看作總線的起始或停止信號(hào)。l 起始信號(hào)時(shí)，時(shí)鐘線保持高電平期間，數(shù)據(jù)線電平從高到低的跳變作為I2C總線的起始信號(hào)。l 停止信號(hào)時(shí)，時(shí)鐘線保持高電平期間，數(shù)據(jù)線電平從低到高的跳變作為I2C總線的停止信號(hào)。4.6.2 存儲(chǔ)模塊電路設(shè)計(jì) 4.7 時(shí)鐘芯片4.7.1 DS1302 簡(jiǎn)介DS1302是美國(guó) DALLAS 公司推出的一種高性能、 低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，附加31字節(jié)靜態(tài) RAM，采用 SPI 三線接口與 CPU 進(jìn)行同步通信，并可采用突

39、發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)和 RAM數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月小與31天時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能。工作電壓寬達(dá)2.55.5V。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。DS1302的外部引腳分配及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。DS1302用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對(duì)某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄上， 能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時(shí)間同時(shí)記錄，因此廣泛應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)中。DS1302外部引腳分配DS1302內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 各引腳的功能為： Vcc1：主電源；Vcc2：備份電源。當(dāng) Vcc2Vcc1+0.2V 時(shí)，由 V

40、cc2向 DS1302供電，當(dāng) Vcc2 Vcc1時(shí)，由 Vcc1向 DS1302供電。 SCLK：串行時(shí)鐘，輸入，控制數(shù)據(jù)的輸入與輸出； I/O：三線接口時(shí)的雙向數(shù)據(jù)線； CE：輸入信號(hào)，在讀、寫數(shù)據(jù)期間，必須為高。該引腳有兩個(gè)功能：第一，CE 開始控制字訪問移位寄存器的控制邏輯；其次，CE 提供結(jié)束單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ā?.7.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 第五章 單相數(shù)字電能表的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1 軟件集成開發(fā)環(huán)境5.1.1 Keil C51Vision3介紹（1） Keil8051簡(jiǎn)介 Keil軟件公司提供的專用的8051嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具套件，可以編譯C源文件、匯編源文件、連接定位目標(biāo)模

41、塊和庫(kù)、生成并調(diào)式目標(biāo)程序，為實(shí)際的每一種8051及其派生系列產(chǎn)品生成嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。KeilC51交叉編譯器兼容ANSI（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）C編譯器，準(zhǔn)用于為8051微控制器系列產(chǎn)生快速緊湊的目標(biāo)代碼。使用Keil8051開發(fā)工具套件，以工程的形式組織各類文件，工程開發(fā)周期與任何其他軟件開發(fā)工程的周期大致相同，步驟如下：l 創(chuàng)建工程，從器件數(shù)據(jù)庫(kù)選擇應(yīng)用系統(tǒng)的8051目標(biāo)芯片，并設(shè)置開發(fā)工具命令選項(xiàng)。l 創(chuàng)建和編寫C或者匯編源文件。l 通過工程管理器連編應(yīng)用系統(tǒng)。l 糾正源文件中的錯(cuò)誤。l 測(cè)試連接后的應(yīng)用系統(tǒng)。 （2）Keil C51Vision3 Keil C51 Vision3集成開發(fā)

42、環(huán)境是Keil Software公司開發(fā)的基于80C51內(nèi)核的微處理器的軟件開發(fā)平臺(tái)，可用于多種8051MCU的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），內(nèi)嵌多種符合當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具，可以完成從工程建立和管理、編譯、鏈接、目標(biāo)代碼的生成、軟件仿真及硬件仿真等完整的開發(fā)流程。尤其是C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準(zhǔn)確性和效率方面達(dá)到了較高的水平，而且可以附加靈活地控制選項(xiàng)，在開發(fā)大項(xiàng)目時(shí)非常理想。除增加了源代碼、功能導(dǎo)航器、模板編輯以及改進(jìn)的搜索功能外，Vision3還提供了一個(gè)配置向?qū)Чδ?，加速了啟?dòng)代碼和配置文件的生成。此外其內(nèi)置的仿真器可模擬目標(biāo)MCU，包括指令集、片上外圍設(shè)備及外部信號(hào)等。Vision3提供邏

43、輯分析器，可監(jiān)控基于MCU I/O引腳和外設(shè)狀態(tài)變化下的程序變量的變化。由于Vision3的眾多優(yōu)點(diǎn)，受到許多工程師的青睞8。在Keil C51集成開發(fā)環(huán)境下是使用工程的方式來管理文件的，而不是單一文件的模式。所有的文件包括源程序、頭文件以及說明性的技術(shù)文檔，他們都可以放在同一工程項(xiàng)目文件中管理。一般可以按照下面的步驟來創(chuàng)建一個(gè)自己的應(yīng)用程序。l 新建一個(gè)工程項(xiàng)目文件；l 為工程選擇目標(biāo)器件（如8051）；l 為工程項(xiàng)目設(shè)置軟件調(diào)試環(huán)境；l 創(chuàng)建源程序文件并輸入程序代碼；l 保存創(chuàng)建的源程序項(xiàng)目文件；l 把源程序文件添加到項(xiàng)目中；l 將工程編譯、鏈接生成目標(biāo)文件；l 對(duì)生成的目標(biāo)文件調(diào)試和仿真。Keil C51 Vision3集成開發(fā)環(huán)境如下圖所示：（3）單片機(jī)Keil Vision3集成開發(fā)