智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)課程設(shè)計報告基于單片機的分時計費智能電表設(shè)計報告

1、西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 目錄目錄 1 1 前言前言.1 1 2 2 總體方案設(shè)計總體方案設(shè)計.2 2 2.1 方案比較.2 2.1.1 方案一.2 2.1.2 方案二.3 2.2 方案比較及選擇.4 3 3 單元模塊設(shè)計單元模塊設(shè)計.5 5 3.1 各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計.5 3.1.1 電源模塊電路.5 3.1.2 計量模塊電路.5 3.1.3 時鐘及 lcd 顯示模塊.6 3.1.4 信號采集電路.8 3.2 電路參數(shù)的計算元器件的選擇.9 3.3 特殊器件介紹.9 3.3.1 ade7758 介紹.9 3.3.2 stc89c52 單片機介紹.10 3.3.

2、3ds12887 時鐘芯片介紹.10 3.3.4lcd1602 液晶顯示屏介紹.11 4 4 軟件設(shè)計軟件設(shè)計.1313 4.1 軟件設(shè)計原理及設(shè)計.13 4.2 設(shè)計軟件介紹.13 4.2.1proteus 軟件介紹.14 4.2.2 keil 8051 開發(fā)工具.14 4.3 軟件結(jié)構(gòu)圖.14 4.3.1 電壓電流采集子程序.15 4.3.2 ad 轉(zhuǎn)換子程序.16 5 5 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試.1717 5.1 單片機及 1602 顯示部分 .17 5.2 萬用板電路部分調(diào)試.18 6 6 系統(tǒng)功能、指標(biāo)參數(shù)系統(tǒng)功能、指標(biāo)參數(shù).1919 6.1 系統(tǒng)能實現(xiàn)的功能.19 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智

3、能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 6.2 系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)分析.19 7 7 結(jié)論結(jié)論 .2020 8 8 總結(jié)與體會總結(jié)與體會 .2121 9 9 謝辭謝辭 .2222 1010 參考文獻參考文獻 .2323 附錄附錄 1 1（原理圖、（原理圖、pcbpcb、實物圖）、實物圖）.2424 附錄附錄 2 2（主（主程程序）序）.2727 1 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 1 1 前言前言 隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各地對于電能需求量也隨之迅速增加，電力已 經(jīng)成為國家的最重要能源。但是，當(dāng)前居民用電的管理過于落后，居民用電管 理收費多年來一直采用先用電、后抄表、再付費的傳統(tǒng)作業(yè)方式。居民用電

4、絕 大多數(shù)實行“分表制” ，即若干集中居住的家庭使用一個總的電表，每戶裝一個 分電表，作為居民交付電費的依據(jù)。但是這種管理方式，給居民和管理人員帶 來諸多不便，而且還存在著一些弊端。為了適應(yīng)社會的需要，保證用戶安全、 合理、方便地用電，對傳統(tǒng)的電表和用電的管理模式進行改造，使之符合社會 發(fā)展的需要就顯得很有需要。加上現(xiàn)在很多電表不能分時計費，所以，我們一 致決定選擇了基于單片機的分時計費智能電表設(shè)計。 所謂智能電表，就是應(yīng)用計算機技術(shù)，通訊技術(shù)等，形成以智能芯片（如 cpu）為核心，具有電功率計量計時、計費、與上位機通訊、用電管理等功能的 電度表。本新型智能電表主要實現(xiàn)分時智能計費。本次設(shè)計主

5、要采用 ade7758 電能計量芯片和 stc89c52 單片機為核心，結(jié)合電流、電壓采集，再通過信號濾 波傳給 ade7758，再經(jīng)過 stc89c52 處理，最終在鍵控的觸發(fā)下，送到 lcd 顯示。 此電表能實現(xiàn)用戶在 220v 電壓下所用功率的計算，并根據(jù)國家規(guī)定的用電高峰 和低谷設(shè)置階梯電價計算，并顯示出用戶各時段所耗功率。不僅具有傳統(tǒng)電表 的功能，還能對用戶的用電情況進行管理和控制，并且相比于傳統(tǒng)電表的機械 式結(jié)構(gòu)，沒有機械摩擦，大大的提高了準(zhǔn)確度和靈敏度，且易于實現(xiàn)自動化測 量，并且可以實現(xiàn)遠程通訊和控制，具有較高的性能價格比，適合我國國情， 有廣泛的引用價值。智能電表利用微機技術(shù)

6、，通訊技術(shù)等等，減少了能量的消 耗，把采集，處理集中于一體，節(jié)省成本和人力資源，提高了工作效率，適應(yīng) 了現(xiàn)代用戶的需求。 通過基于單片機的分時計費智能電表設(shè)計，使我們更加熟悉有關(guān)單片機開 發(fā)設(shè)計原理及方法，并能加深對單片機的理解和運用以及掌握單片機與外圍接 口的方法和技巧，這些主要體現(xiàn)在以下方面： 1如何使用單片機的總線控制方式進行控制，以及單片機內(nèi)部 ad 轉(zhuǎn)換程 序的應(yīng)用。 2.可以了解到 lcd 顯示器的結(jié)構(gòu)、工作原理以及這種顯示器的接口實例。 3.怎樣擴展顯示接口、如何驅(qū)動外圍元件等。 4.熟悉了單片機程序的編寫，以及 c 語言程序的編寫。 2 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)

7、計報告 2 2 總體方案設(shè)計總體方案設(shè)計 本電表采用分時計費原則，將電壓，電流等參數(shù)進行采集，并通過處理后 輸入微處理器 stc89c52，進行運算，并最終實現(xiàn)對于電能的準(zhǔn)確計量和控制 顯示。 通過查閱大量相關(guān)技術(shù)資料，在老師的建議下，結(jié)合自己的實際知識，我 們主要提出了兩種技術(shù)方案來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。下面將首先對這兩種方案的組成 框圖和實現(xiàn)原理分別進行說明，并分析比較它們的特點，然后闡述最終選擇方 案的原因。 2.12.1 方案比較方案比較 智能電表的設(shè)計，是基于對用戶電壓電流信號進行采集，并通過微處理器 進行核心運算，當(dāng)電壓電流信號通過采集以后，通過高精度的 ad 采樣保持， 最終輸入微處理器

8、，并通過用 c 語言編寫的程序鍵控控制處理器單片機，并且 要求通過功率和電費的計算，進行顯示與報警。 對于電力參數(shù)的測試，例如電壓，電流，有功功率，無功功率等，現(xiàn)在都 有成熟的測量計算方法，對于電壓有效值的測量，可以利用積分電路來實現(xiàn)， 也可以利用時間采樣信號，將信號值平方，去均值以后，得到平方根，通過 ad，進行采樣，有功功率定義為，和為電壓和電流的有效值，uicosp ui 為功率因數(shù)。而對于非正弦波形的計算，只有通過積分運算來完成。cos 2.1.12.1.1 方案一方案一 在本設(shè)計方案中，核心器件為微處理器，這里我們選用是 stc89c52 單片 機，當(dāng)信號采樣后通過 ad 轉(zhuǎn)換，送入

9、微處理器，進行數(shù)據(jù)的分析和計算，智 能電表的實現(xiàn)必須對用戶的功率進行準(zhǔn)確的計算，在信號采集模塊中，通過電 壓互感器和電流互感器，對用戶的電壓和電流信號進行采集，微處理器進行功 率和電費的計算，可通過 lcd 顯示，并可以通過鍵盤對分時電價進行調(diào)整，實 現(xiàn)顯示的轉(zhuǎn)換和調(diào)整，并運用單片機內(nèi)部時鐘設(shè)計計時系統(tǒng)，以實現(xiàn)分時的控 制。但是此設(shè)計有諸多缺陷，首先，在信號采集方面，由于智能電表對于功率 的計算，如果單純的使用單片機，會造成功率計算不準(zhǔn)確，如果要提高計算的 精度，對于信號的 ad 轉(zhuǎn)換就必須采用高精度期間，成本費用增加，其次即便 使用了高精度的 ad，在功率計算，補償方面的程序也相對繁瑣，再則

10、，由于 使用分時計費系統(tǒng)，只用單片機內(nèi)部時鐘信號進行粗略的計時，產(chǎn)生的時間誤 差比較大，長時間的使用下會導(dǎo)致計時不準(zhǔn)確，而使得電費的計算出現(xiàn)誤差。 3 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 軟件系統(tǒng)方面，其核心是編寫功率計算程序和 ad 采樣程序，并通過鍵盤 掃描實現(xiàn)顯示的切換。 方案一如圖 2.1 所示 信號采集 信號濾波 ad7758 轉(zhuǎn)換微處理器lcd 顯示 報警 察警 鍵盤控制 圖 2.1 方案一 2.1.22.1.2 方案二方案二 本方案的設(shè)計思路與方案一大致相同，選用 stc89c52 單片機，作為微處 理器，通過電壓傳感器，電流傳感器實現(xiàn)對用戶的電壓電流采集，并在單片機

11、 中進行電價的計算，與方案一的不同之處在于，方案二中功率計算部分和 ad 轉(zhuǎn)換采集部分被一塊電能計量芯片 ade7758 進行代替，該芯片是以一款高準(zhǔn)確 度的三相電能采集芯片，適用于計量各種三相，單項配置條件下的有功，無功， 視在電能，可省去高精度 ad 的費用的同時，也可以減少單片機內(nèi)部處理功率 的步驟，轉(zhuǎn)由 ade7758 完成。同時，由于該智能電表采用分時計費系統(tǒng)，方案 二中采用一塊時鐘芯片以提高對于時間的計時準(zhǔn)確程度，以確保該電表可以準(zhǔn) 確計費，同時，由于時鐘芯片本身集成有微型電池，可以在斷電的情況下繼續(xù) 運行，保證了在智能電表斷電的同時，計時系統(tǒng)不至于停止工作。 在本方案中，由ade

12、7758進行功率的計算并進行校準(zhǔn)，在該芯片中，通過 有功增益寄存器寫入數(shù)據(jù)，可對輸出產(chǎn)生的平均功率進行改變，該芯片中在每 個相位集成了一個有功偏移寄存器，該寄存器為12位寄存器，用以對有功功率 進行校準(zhǔn)，由于實際電路的工作環(huán)境的復(fù)雜和多變，以及芯片本身制造工藝和 各通道之間進行的干擾，都會造成誤差的產(chǎn)生，有功功率寄存器的一個lsb相 當(dāng)于有功功率乘法器輸出的lsb的1/16。在滿刻度輸出時，如果乘法器的輸出為 xccccs（838861d） ，lpf2輸出端的1個lsb相當(dāng)于在電流通道滿刻度60db 計量誤差的0.0075。在滿刻度時，60db（輸入信號級別為滿刻度信號輸入 4 西華大學(xué)電氣信

13、息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 的1/1000） ，lpf2的平均數(shù)值為838.861 (838,861/1,000)。 lsb1/838.861/16100% = 測量值的0.0075% 。有功功率偏移寄存器修正分辨 率為0.0075% （ 60 db） 。 方案二如圖 2.2 所示 信號采集 ade7758 轉(zhuǎn)換 微處 理器 鍵盤輸入 信號濾波 lcd 顯示 報警 時鐘芯片 圖 2.2 方案二 另外ade7758的各相擁有一個空載閥值，如果有功功率的測量值低于滿刻 度的0.005%，則該值不會被累加，有效的避免了電表的淺動。ade7758通過41 個電能寄存器連續(xù)累加有功功率以實現(xiàn)對信號

14、的積分作用，這種離散的累加作 用就相當(dāng)于連續(xù)時間的積分作用，平均有功功率的計算時，是有符號運算的， 負電能將會在有功功率寄存器中被扣除。當(dāng)有功功率為正，且達到最大值時， 有功功率的數(shù)值將反轉(zhuǎn)到達滿刻度的負值0x800，并繼續(xù)增加，當(dāng)有功功率為 負值，且持續(xù)減小到達最小時，會自動轉(zhuǎn)為正的對大刻度0x7fff，并繼續(xù)降低。 2.22.2 方案比較及選擇方案比較及選擇 雖然兩種方案都能實現(xiàn)本次設(shè)計。但是在軟件系統(tǒng)上，該方案二與方案一 的區(qū)別在于，重點在對于 ade7758 和 ds12887 兩塊芯片的讀寫程序的書寫， 在硬件的搭建上降低了難度，但是在程序書寫上難度有所增加。而且方案二增 加了時鐘芯

15、片，這樣增加了 stc89c52 的精確度和靈敏度，增強了系統(tǒng)的實時性， 時效性。通過對以上兩種方案的具體描述，對他們各自的優(yōu)缺點有了一定的了 解?？紤]到控制精度，操作習(xí)慣和美觀以及成本等因素，要完成對于電費的準(zhǔn) 確計算，并綜合本次課程設(shè)計成本進行考慮，最終選擇了方案二為本次設(shè)計的 5 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 最終設(shè)計方案。 3 3 單元模塊設(shè)計單元模塊設(shè)計 本系統(tǒng)主要包括以下部分：電源模塊電路、信號采集電路、計量模塊電路、 時鐘及 lcd 顯示模塊電路。輔助元件有電阻、電容、晶振、電源、按鍵等。先 對各模塊分別作具體介紹： 3.13.1 各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計各

16、單元模塊功能介紹及電路設(shè)計 3.1.13.1.1 電源模塊電路電源模塊電路 電源模塊電路從電網(wǎng) 220v 電壓作為輸入，通過該電路后，輸出端輸出 大小為 5v 的電壓，作為單片機及其他芯片的 vcc 電源，具體的電路圖如 圖 3.1 所示： t3 trans 1 1 2 3 4 d1 b ridge1 c 10 100uf c 11 0.01uf vin 1 gnd 2 vout 3 u2 78l05 c 12 0.01uf r 6 1k vcc 1 2 j3 c on2 圖 3.1 電源模塊接線圖 圖 3.1 為電壓模塊的電路圖，該模塊以電網(wǎng) 220 交流電作為輸入，通 過整流橋整流后，再經(jīng)

17、過濾波，最后通過一塊 78l05 穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓， 得到一個穩(wěn)定的 5v 電源，78l05 的輸出電流可達到 100ma，無需外接元件， 內(nèi)部本身帶有熱過載保護，內(nèi)部短路電流限制。通過 proteus 軟件仿真可 以看到，通過該電源模塊可以很好的工作，并最終得到一個穩(wěn)定的 5v 的電 源。然后此 5v 的電壓就可以供給 stc89c52 和時鐘芯片 ds12887。 3.1.23.1.2 計量模塊電路計量模塊電路 計量模塊的核心是通過一塊 ade7758 芯片來完成，通過信號采集電路， 將變換后的電壓電流信號輸入到該芯片，ade77581 是一款高準(zhǔn)確度的三相 電能計量芯片，帶有兩路脈沖輸出

18、功能和一個串行接口。ade7758 集成了 6 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 二階 -d 模數(shù)轉(zhuǎn)換器, 數(shù)字積分器，基準(zhǔn)電路，溫度傳感器，以及所有進 行有功，無功和視在電能計量以及有效值計量所需的信號處理元件。 圖 3.2 計量模塊電路接線圖 圖 3.2 為芯片 ade7758 的具體接線圖，ade7758 作為一款適用范圍極 廣且功能強大的電能計量芯片在本次設(shè)計中擔(dān)任了重要的角色，通過 dout 管腳直接與單片機連接，通過 spi 總線方式，與單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)之 間相互通信，從而實現(xiàn)功率的計算，其中 dout 管腳與單片機 p1.4 連接， sclk 與 p1.3 連接，di

19、n 與單片機 p1.7 連接，cs 片選信號與單片機 p1.2 連接。 3.1.33.1.3 時鐘及時鐘及 lcdlcd 顯示模塊顯示模塊 本次設(shè)計中，該電表要實現(xiàn)分時計費，既必須引入時鐘系統(tǒng)，該時鐘 系統(tǒng)必須準(zhǔn)確，且在電表短時間斷電之內(nèi)，不會停止工作，因此，該模塊 采用了一塊時鐘芯片 ds12887，該芯片為一款使用很廣泛的時鐘芯片，具 體電路圖如圖 3.3 所示： 7 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 m o t 1 n c 2 n c 3 a d0 4 a d1 5 a d2 6 a d3 7 a d4 8 a d5 9 a d6 10 a d7 11 g nd 12 v

20、cc 13 sq w 14 n c 15 n c 16 n c 17 ir q 18 r es et 19 d s 20 n c 21 r /w 22 a s 23 c s 24 d s1 28 87 u 3 d s1 28 87 d sc s d sd s d sa s d sr w d 0 d 1 d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d 7 v cc 圖 3.3 ds12887 接線圖 圖 3.3 為時鐘芯片 ds12887 的連線圖，其中 ds 與單片機 p2.1 口連接， r/w 與單片機 p2.5 口連接，as 與單片機 p2.4 口連接，cs 與單片機 2.2 口連接。 通過該

21、芯片可以提供比較精確的萬年歷。 同時智能電表的顯示模塊選用 lcd 顯示，下圖為 lcd1602 顯示電路： vdd 1 vss 2 vee 3 rs 4 rw 5 lcden 6 d0 7 d1 8 d2 9 d3 10 d4 11 d5 12 d6 13 d7 14 l cd 16 02 c s 25 u 4 l cd 16 02 d 0d 1d 2d 3d 4d 5d 6d 7e nr s v cc r 18 10 k 圖 3.4 lcd1602 接線圖 通過該 lcd 液晶顯示器，顯示我們需要的一些信息。上述兩個模塊通過與 stc89c52 單片機進行連接，可以實現(xiàn)萬年歷的功能，且可以

22、保證，在智能電 表短時間斷電的情況下，時鐘不會停止運行，繼而使智能電表的分時計費系統(tǒng) 可以準(zhǔn)確的運行，我們用 proteus 仿真,電路圖如圖 3.5 所示： 8 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 圖 3.5 lcd 顯示電路仿真圖 圖 3.5 為萬年歷顯示模塊，上圖中可以通過按鍵對 lcd 顯示進行調(diào)整，可 以顯示萬年歷，分時電價，余額等信息。 3.1.43.1.4 信號采集電路信號采集電路 本次設(shè)計為智能電表，所以要對用戶的電壓和電流都進行采樣，再通 過 ade7758 芯片來得到一個較為準(zhǔn)確的功率值并輸入單片機中，因此電壓 電流的采集電路如圖 3.6 所示： t 1 t a

23、3 2b m t 2 t v3 1b -0 2 c 7 33 nf c 8 33 nf r 2 1k r 3 1k ia p ia n r 4 20 0 r 5 1kc 9 33 nf v ap r 6 51 k 1 2 j1 c on 2 1 2 j2 c on 2 r 10 10 圖 3.6 信號采集電路 圖 3.6 為電流電壓采集電路，在電流采集電路中，通過將電流互感器 ta32bm 串聯(lián)到用戶電路中，以采集用戶的電流信息，ta32bm 額定輸入輸出 為 5a/2.5ma,通過電流互感器將大電流轉(zhuǎn)換到 ade7758 可以接受的小電流范圍 9 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報

24、告 內(nèi)，然后通過濾波降低信號的干擾，最終輸入芯片，在電壓采集電路中，通過 將電壓互感器 tv31b-02 并聯(lián)到用戶的負載上，采集用戶的電壓信息，tv31b- 02 是一款電流型電壓互感器，額定電流是 2ma/2ma,所以要在電壓互感器的緣 邊串聯(lián)一個 51k 的電阻以降低互感器原邊電流值到可承受的范圍，最后通過 rc 電路濾波后，得到一個近似 0.5v 的電壓以輸入到 ade7758 芯片，和前面的 電流值一起，計算出用戶的功率。 電壓互感器相當(dāng)于一個內(nèi)阻很小的電壓源，正常運行時它的負載阻抗會很 大，相當(dāng)于開路狀態(tài)，二次側(cè)只有很小的電流，當(dāng)二次側(cè)短路時，負載阻抗為 零，將產(chǎn)生很大的短路電流，

25、會將電壓互感器燒壞。因此，電壓互感器二次側(cè) 嚴(yán)禁短路。 電流互感器在正常運行時，二次電流產(chǎn)生的磁通勢對一次電流產(chǎn)生的磁通 勢起去磁作用，勵磁電流很小，鐵芯中的總磁通就很小，二次繞組的感應(yīng)電動 勢不會超過幾十伏。如果二次側(cè)開路，二次電流的去磁作用消失，其一次電流 完全變?yōu)閯畲烹娏鳎瑫痂F芯內(nèi)磁通劇增，鐵芯處于高度飽和狀態(tài)，加之二 次繞組的匝數(shù)很多，就會在二次繞組兩端產(chǎn)生很高(甚至可達數(shù)千伏)的電壓， 不但可能損壞二次繞組的絕緣，再者，由于磁感應(yīng)強度劇增，使鐵芯損耗增大， 嚴(yán)重發(fā)熱，甚至燒壞絕緣。 3.23.2 電路參數(shù)的計算元器件的選擇電路參數(shù)的計算元器件的選擇 因為我們要測量的范圍是，負載電

26、壓不超過 25v，電流不超過 2a，而單片 機能夠接受的電壓小于 5v，所以我們電壓采樣時，用和電阻分壓的k47k1 . 5 方式，這樣就算電壓得到 25v 時，我們所采的電壓也只有 2.447v，單片機也能 正常工作，電壓采樣后經(jīng)過一個電壓跟隨器，降低輸出阻抗，電流采樣時，通 過電壓間接采樣，因為我們所串聯(lián)的電阻很小，并聯(lián)一個的電阻得到一個1 . 0 小電壓，然后再放大，得到送入單片機。 3.33.3 特殊器件介紹特殊器件介紹 3.3.13.3.1 ade7758 介紹介紹 ade7758是一款高精度的電能計量芯片，具有高準(zhǔn)確度，適用于三相/三線， 三相/四線和其他各種三相系統(tǒng)，該芯片通過s

27、pi數(shù)據(jù)串行接口和單片機進行連 接，模擬電源端（avdd）=數(shù)字電源（dvdd）=5v5%,模擬地端（agnd） =數(shù)字地（dgnd） = 0 v, 使用片內(nèi)基準(zhǔn)源,clkin =10 mhz xtal,溫度范圍為 40c至+85c。ade7758的管腳圖如圖3.7所示： 10 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 圖 3.7 ade7758 管腳圖 3.3.23.3.2 stc89c52 單片機介紹單片機介紹 stc89c52 是一款高速度，高密度，低功耗的單片機，內(nèi)置 8 位中央處理 單元，256 字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù) ram,8k 片內(nèi)程序 rom，32 個雙向 i/o 口，還包含 3

28、 個定時/計數(shù)器，擁有 pdip(40pin)和 plcc(44pin)兩種封裝形式，本次設(shè)計中采 用 40 管腳雙列直插封裝，功能強大，可以適用于較為復(fù)雜的工作環(huán)境， stc89c52 單片機管腳圖如圖 3.8 所示： 圖 3.8 stc89c52 管腳圖 3.3.3ds128873.3.3ds12887 時鐘芯片介紹時鐘芯片介紹 ds12887 為一款時鐘芯片，該器件可以提供 rtc/日歷，鬧鐘，三個可屏蔽 中斷和一個可編程方波以及一個 114 字節(jié)的 ram，此 ram 有電池備份，不會導(dǎo) 11 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 致斷電后時鐘停止的現(xiàn)象，該器件把石英晶體和電

29、池集成在了一起，少于 31 天 的月份、月末日期可自動調(diào)整，其中包括閏年補償，該芯片還有一個精密的溫 度補償電路用來監(jiān)視 vcc 的狀態(tài)，如果檢測到主電源故障可自動轉(zhuǎn)換到備用供 電，該芯片接口支持 intel 和 motorola 兩種模式，在本次設(shè)計中，采用的是 intel 模式，具體補管腳圖如圖 3.9： 圖 3.9 ds12887 管腳圖 3.3.4lcd16023.3.4lcd1602 液晶顯示屏介紹液晶顯示屏介紹 lcd1602是一款工業(yè)字符型液晶顯示屏，能夠同時顯示32個字符，內(nèi)部帶 有80*8為的內(nèi)部ram緩沖區(qū)，可顯示阿拉伯?dāng)?shù)字，引文字母大小寫，常用符號 和日文片假名等，每一個

30、字符都有一個固定的代碼，在本次設(shè)計中，可以通過 lcd顯示萬年歷，分時電價，剩余金額等數(shù)據(jù)信息，可以通過鍵盤來切換顯示。 部分主要指令說明如下： 表3.1 lcd1602指令碼 指令碼功能 00111000設(shè)置16*2顯示，5*7點陣，8位數(shù)據(jù)接口 00001dcbd=1 開顯示；d=0關(guān)顯示 c=1顯示光標(biāo)；c=0不顯示光標(biāo) b=1光標(biāo)閃爍；b=0光標(biāo)不閃爍 000000nsn=1當(dāng)讀或?qū)懸粋€字符后地址加一，光標(biāo)加一 n=0當(dāng)讀或?qū)懸粋€字符后地址減一，光標(biāo)減一 s=1時寫一個字符，整屏顯示左移（n=1）或右移 （n=0） ，以得到屏幕移動光標(biāo)不移動的效果 12 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控

31、應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 s=0時寫一個字符，整屏顯示不移動 80h+地址碼設(shè)置地址數(shù)據(jù)指針 01h顯示清屏：所有指針清零，所有顯示清零 02h顯示回車：數(shù)據(jù)指針清零 lcd1602 讀寫時序圖如圖 3. 10、3.11 所示： 圖 3.10 lcd1602 寫時序圖 圖 3.11 lcd1602 讀時序圖 13 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 4 4 軟件設(shè)計軟件設(shè)計 本設(shè)計中，以stc89c52作為微處理器，采用c語言進行編程，配合硬件電 路，共同構(gòu)成了本次設(shè)計的核心部分。 4.14.1 軟件設(shè)計原理及設(shè)計軟件設(shè)計原理及設(shè)計 本次設(shè)計采用 c 語言，c 語言具有簡潔明了的特點，在本

32、次設(shè)計中，按照 各芯片的讀寫操作時序，以 spi 總線操作方式，分別對 ds12887 時鐘芯片， ade7758 電能計量芯片進行讀寫操作，即可基本完成本次設(shè)計的主要功能。 在讀取 ds12887 時鐘芯片時，按照其讀寫時序，當(dāng)要寫入數(shù)據(jù)時，先要寫 入地址，將 cs 置低，sa,ds 分別置高，rw 置高，然后給 p0 口賦值，即要寫 入的地址，然后將 as,rw 置低，再一次給 p0 口賦值，即要寫入的數(shù)據(jù)，最后 將 as,rw,cs,拉高，同理，在讀取數(shù)據(jù)時，也要先寫入一個地址，將 as,ds,rw 置高，將 cs 置低，給 p0 口賦值地址，然后將 as,ds 拉低，p0 讀 取數(shù)據(jù)，

33、最后 ds,as,cs,全部拉高。同時，在讀取 ade7758 芯片中有功功率時， 同樣，按照其讀時序圖，先將 cs 拉低，選中信號，再用 sck 模擬一個時鐘信 號輸入，先向 ade7758 寫入一個地址，再從芯片讀出數(shù)據(jù)，ade7758 和 ds12887 讀寫程序最大的不同在于，ds12887 可以將 8 位數(shù)據(jù)一次性讀出，而 ade7758 只能一位一位的讀取，因此，在書寫讀寫函數(shù)的時，需要指明，讀取 數(shù)據(jù)的位數(shù)。在 cs 保持低電平的時候，所有的數(shù)據(jù)傳輸必須全部完成，另外， 除了整體器件復(fù)位以外，沒有其他方法可以讓 ade7758 返回通信狀態(tài)，所以必 須傳輸各寄存器的 lsb,復(fù)位

34、的方法是運用軟件進行復(fù)位。如前所述，在第一個 字節(jié)正在向目標(biāo)寄存器傳送是，可以同時開始另一個字符的傳送，但是第二個 字節(jié)的傳輸過程不應(yīng)該在第一個字節(jié)傳送完成前至少 900ns 內(nèi)不應(yīng)該結(jié)束。當(dāng) ade7758 寄存器經(jīng)行讀取操作訪問時，讀取命令個寫入命令之間至少需要有 1.1us 的時間間隔，若果間隔過小，將會導(dǎo)致寫入操作的最后一個字節(jié)丟失。 本次設(shè)計的另一個重點就是現(xiàn)實程序，1602 的顯示程序同樣按照其讀寫時 序圖完成，不同的是，1602 的顯示，需要在主程序的開始寫一個初始化函數(shù)用 以設(shè)定 1602 的顯示方式，光標(biāo)等等，在本次設(shè)計中，只涉及到 1602 的寫程序， 寫數(shù)據(jù)時，同樣需要先

35、寫入地址，寫地址時，先將 rs,en 置低，延遲后再將 en 拉高，賦予地址，最后將 en 拉低，寫數(shù)據(jù)與讀不同之處在于要將 rs 拉高 其余同寫地址時一樣。 4.24.2 設(shè)計軟件介紹設(shè)計軟件介紹 本次設(shè)計采用 keiluvision2 作為編程工具，用 proteus 進行實物制作前的 14 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 仿真，keil 作為現(xiàn)在主流的單片機編程工作具有操作簡單，快捷的優(yōu)點，同時 可以與 proteus 聯(lián)動方便調(diào)節(jié)和仿真，另用 stc-isp v31 將程序下載至單片機 上運行。下面對涉及到的軟件作進一步的介紹。 4.2.14.2.1proteus 軟件

36、介紹軟件介紹 proteus 軟件是來自英國 labcenter electronics 公司的 eda 工具軟件。 proteus 軟件有十多年的歷史，在全球廣泛使用，除了其具有和其它 eda 工具 一樣的原理布圖、pcb 自動或人工布線及電路仿真的功能外，其革命性的功能 是，他的電路仿真是互動的，針對微處理器的應(yīng)用，還可以直接在基于原理圖 的虛擬原型上編程，并實現(xiàn)軟件源代碼的實時調(diào)試，如有顯示及輸出，還能看 到運行后輸入輸出的效果，配合系統(tǒng)配置的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀等。 proteus 組合了高級原理布圖、混合模式 spice 仿真,pcb 設(shè)計以及自動布 線來實現(xiàn)一個完整的電子設(shè)

37、計系統(tǒng)。 4.2.24.2.2 keilkeil 80518051 開發(fā)工具開發(fā)工具 keil c51 是美國 keil software 公司出品的 51 系列兼容單片機 c 語言軟 件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，c 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有 明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用 c 來開發(fā)，體會更加深刻。 keil c51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 windows 界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體 會到 keil c51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊， 容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體

38、現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 4.34.3 軟件結(jié)構(gòu)圖軟件結(jié)構(gòu)圖 軟件設(shè)計的主要功能是完成分時計費，程序流程圖如圖 4.1 所示： 15 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 結(jié)束 開始 報警 程序初始化 是 讀取 ade7758 讀取完成？ 否 計算余額 余額是否 為 0？ 否 檢測標(biāo)志位 鍵盤掃描 lcd 顯示 檢測中斷？ 是 否 是 圖 4.1 主程序流程圖 4.3.14.3.1 電壓電流采集子程序電壓電流采集子程序 電壓電流采集子程序主要實現(xiàn)對電壓電流信號的同步采樣，其程序流程圖 如圖 4.2 所示： 16 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 打開電源 程序初始化 檢測信號

39、 傳輸給 ad 轉(zhuǎn)換端 口 關(guān)閉電源 否 是 圖 4.2 電壓電流子程序圖 4.3.24.3.2 ad 轉(zhuǎn)換子程序轉(zhuǎn)換子程序 ad 轉(zhuǎn)換子程序主要是實現(xiàn)將采集的電壓電流信號進行 ad 轉(zhuǎn)換， 得到單片 機能處理的數(shù)據(jù)，并計算出直流功率大小，然后鎖存功率，電流，電壓數(shù)據(jù)， 以供顯示。其程序流程圖如圖 4.3 所示： 打開 ad 電源 初始化 ad 轉(zhuǎn)換 停止轉(zhuǎn)換保存 轉(zhuǎn)換是否完成 否 是 是 圖 4.3 ad 轉(zhuǎn)換子程序圖 17 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 5 5 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試 隨著各種智能電表的應(yīng)用與普及，這一技術(shù)在科學(xué)研究，生產(chǎn)過程等領(lǐng)域 中發(fā)揮著越來越重要的作用。在

40、科技社會的今天，人們對電表的計精度、穩(wěn)定 性以及綜合利用等要求愈來愈高。因此，對電路的精確調(diào)試是必不可少的一步， 為保證設(shè)計的質(zhì)量，我們小組對本次設(shè)計中的軟硬件進行了分塊調(diào)試。 5.15.1 單片機及單片機及 lcd1602lcd1602 顯示部分顯示部分 在按照原理圖將單片機的最小系統(tǒng)焊接完成后，我們用 stc-isp 軟件對其 進行下載程序的調(diào)試，如圖 5.1 所示： 圖 5.1 程序燒寫 lcd1602 顯示部分，在 proteus 軟件中進行了仿真，運行結(jié)果如圖 5.2 所 示，在確認仿真可行后，我們調(diào)用單獨的顯示程序，能正常顯示。 圖 5.2 1602 仿真圖 18 西華大學(xué)電氣信息

41、學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 5.25.2 萬用板電路部分調(diào)試萬用板電路部分調(diào)試 由于焊接的問題，首先需要檢測電路是否導(dǎo)通，連接是否通暢。萬用板電 路主要分成三塊：電流互感器 ta32b-m、電壓互感器 tv31 作為信號轉(zhuǎn)換，將 220v 轉(zhuǎn)換為電能處理芯片需要的信號，時鐘芯片 ds12c887 進行計時，電能處 理芯片 ade7758 對轉(zhuǎn)換后的電流電壓信號進行處理，計算出負載消耗的有功、 無功、視在功率，并將所得信號進行存儲。 調(diào)試過程中，首先應(yīng)對電流、電壓互感器的輸出端信號進行檢測，包括信 號的大?。ㄊ欠穹?ade7758 所需信號） 、波形是否符合要求，另外則應(yīng)注意 檢查電流電壓

42、互感器與 ade7758 的連接是否正確。在確定電流、電壓互感器能 正常工作后，就要開始調(diào)試芯片 ade7758，首先，該芯片是一款貼片芯片，在 經(jīng)過轉(zhuǎn)接板變?yōu)殡p列直插式后，容易出現(xiàn)短路情況，所以應(yīng)用萬用表對各個引 腳進行測試。其次，應(yīng)該注意檢查連線過程中的接觸問題，開始時沒有注意， 結(jié)果發(fā)生了干擾，對于這一問題，就是將各個引腳的連線接牢。對于時鐘芯片 ds12c887，這款芯片的管腳需要特別加以注意，認真閱讀芯片資料，否則容易 將控制信號線和數(shù)據(jù)線的位置連接錯誤，硬件電路的調(diào)試主要使用萬用表、示 波器完成，主要需要注意防止短路，保證各元件在正常上電時的安全。 在本次設(shè)計中，硬件部分的調(diào)試比較

43、順利，軟件部分就相對較難。分時計 費功能在軟件部分的程序中實現(xiàn)較為容易，主要是分清各個時間段的收費標(biāo)準(zhǔn)， 在按鍵的設(shè)計上，采用了復(fù)用的思想，在程序中運用了五個鍵盤掃描，大大減 少了按鍵的個數(shù)。在軟件的調(diào)試過程中，出現(xiàn)了一些問題，由于程序較長，有 好幾個全局變量比較混亂、在和硬件的對應(yīng)過程中，我們發(fā)現(xiàn)在畫原理圖時將 單片機的 p0 口復(fù)用了多次，這個問題一度讓我們的設(shè)計處于停滯狀態(tài)，后來， 我們將軟件中不同部分使用的端口進行了逐一的修改，才將這個問題解決。 19 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 6 6 系統(tǒng)功能、指標(biāo)參數(shù)系統(tǒng)功能、指標(biāo)參數(shù) 由于時間和條件的顯示，次次智能電表只是簡

44、略的實現(xiàn)其功能，在實物的 構(gòu)架中，利用一塊單片機開發(fā)板，并自己利用萬用板搭建了其他的外圍電路， 因此該硬件總共分為三大部分：電源部分，采集部分，核心處理部分。 6.16.1 系統(tǒng)能實現(xiàn)的功能系統(tǒng)能實現(xiàn)的功能 本系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是分時段計費。主要實現(xiàn)以下功能： （1）用戶在 220v 電壓下所用功率的計算。 （2）顯示用戶各時段所耗功率。 （3）具有應(yīng)用 led 實時顯示各時段費用及總費用功能。 6.26.2 系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)分析系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)分析 電源部分使用 220v 交流電，通過變壓器變壓為 9v 之后，利用一塊 l7805 穩(wěn)壓芯片，很好的得到了一個較為穩(wěn)定，且接近 5v 的電壓，誤差在+0.0

45、2v 左 右，可以利用其很好為單片機與核心芯片進行供電，但在此次設(shè)計中由于經(jīng)費、 時間有限，并未采用原定供電方案，而是直接采用了 usb 接口供電。采集電路 部分，也是自己利用萬用板搭建，運用電壓互感器，電流互感器為核心，進行 變壓采樣，變壓后的電壓理想值為 0.5v，由于實際環(huán)境等影響，其電壓真實值 為 0.57v，但不會對功率計算造成太大的影響，電壓電流信號進 ade7755 之后， 即可由單片機進行讀取，獲得有功功率，用于計算電價，在制作過程中，可以 測量電腦的負載功率，可以用 15w 的燈泡作為用戶的負載, 20 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 7 7 結(jié)論結(jié)論 本次系

46、統(tǒng)以單片機為控制核心，實現(xiàn)了電路電壓電流的采樣，并最終分時 計費。led 能隨著按鍵控制顯示被測功率，并能通過按鍵切換顯示電壓電流大 小，在超過量程時數(shù)碼管閃爍報警。 本系統(tǒng)設(shè)計可推廣到各種電子測量系統(tǒng)中，實現(xiàn)直流電路各參數(shù)的測量。 在生產(chǎn)生活中，本系統(tǒng)簡單明了為生活帶來便利；在工業(yè)生產(chǎn)中，可以加以各 種適當(dāng)變化，進行電路參數(shù)的自動測量，如對電路負載的直流電壓、電流和功 率自動測量顯示。進而可以隨時的觀察到電路的變化，進行電路的檢測，維護。 如在電路系統(tǒng)中可以根據(jù)不同的負荷得到不同的電壓信號，再由電壓信號得到 各種參數(shù)了解電路負荷的變化，以便實時檢測。實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化調(diào)度。綜上 所述，該系統(tǒng)的

47、設(shè)計和研究具在社會生產(chǎn)和生活中具有重要地位。 本系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了電路的直流輸入功率的測量，并能通過鍵盤切換顯示負 載電壓和被測電流。當(dāng)被測電壓高于 25v 或電流高于 2a 時，數(shù)碼管將閃爍，作 為超過量程的報警功能。但是由于以前做的實踐性工作不是很多，設(shè)計的器件 不夠精確和環(huán)境不夠?qū)I(yè)，該系統(tǒng)設(shè)計并不能實現(xiàn)精確的功率測量，但是由于 時間的限制，以沒有在進一步的改進，這和工業(yè)生產(chǎn)生活中的要求還有差距。 該系統(tǒng)的進一步研究應(yīng)該從提高采樣精度和系統(tǒng)工作電壓的穩(wěn)定性出發(fā)，取得 更精確的測量結(jié)果。 21 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 8 8 總結(jié)與體會總結(jié)與體會 此次課程設(shè)計作品是基于

48、單片機的分時計費智能電表的設(shè)計，通過對電路 負載電壓和電流的采樣，對采樣進行 ad 轉(zhuǎn)換，再根據(jù)功率計算公式，由uip 單片機計算并控制 lcd 動態(tài)顯示。 總的來說，我對這門課是熱情高漲的。第一，我從小就對這種小制作很感 興趣，那時不懂焊接，卻喜歡把東西給拆來裝去，但這樣一來，這東西就給廢 了?，F(xiàn)在智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計正是學(xué)習(xí)如何把東西“裝回去” 。每次完成一 個步驟，我都很有“成就感” 。第二，智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計，是以學(xué)生自己 動手，掌握一定操作技能并親手設(shè)計、制作、組裝與調(diào)試為特色的。它將基本 技能訓(xùn)練，基本工藝知識和創(chuàng)新啟蒙有機結(jié)合，培養(yǎng)我們的實踐能力和創(chuàng)新精 神， 。作為信息時代的大學(xué)生，作為國家重點培育的高技能人才，僅會