基于E2PROM 24C16芯片單片機課程設計-多用戶電能表打印

1、一、 設計任務1、 設計目的：通過計算機編程實現(xiàn)多用戶電子式數(shù)碼顯示電能表的功能。本次設計用戶數(shù)為八戶，即實現(xiàn)八位用戶循環(huán)顯示電能量。同時，基于E2PROM 24C16芯片實現(xiàn)單片機的掉電數(shù)據(jù)保護。2、 設計要求：基于AD7755芯片實現(xiàn)電能脈沖的發(fā)生；應用單片機C8051F360編制程序完成脈沖的讀取、計數(shù)、計算、存儲、送顯示等功能；應用74HC164及八段譯碼顯示器完成數(shù)據(jù)的顯示；應用E2PROM 24C16完成數(shù)據(jù)的定時寫入以防停電時數(shù)據(jù)丟失。二、 設計內容1、 硬件設計：（1）設計總體框圖：線路電壓線路電流電壓互感器電流互感器電能轉換脈沖芯片AD7755光電耦合C8051F360單片機

2、74HC164及八段譯碼顯示E2PROM24C16（2）設計參數(shù)：基準電壓： 220V10%基準電流：Ib=5A最大電流：Imax=4Ib=20A計量精度：1%最小電流：Imin=2%Ib=0.1脈沖數(shù)：3200/kw.h（3）參數(shù)計算：以AD7755設計的電能表的相關參數(shù)計算配合C8051F360芯片的16進制算法與課程設計的參數(shù)要求，參考基本電流與脈沖的建議數(shù)，選定基準電流Ib=5A，每kw.h計度需要的脈沖數(shù)為3200，即CF的輸出為3200imp/ kw.h。線路電壓220V,基本電流Ib為5A,動態(tài)范圍400(規(guī)定準確度的電流范圍為2%IbImax,即100mA40A);計度器的電表

3、常數(shù)C為3200imp/ kw.h,即AD7755發(fā)3200個脈沖,單片機記錄1 kw.h電。為滿足電流通道的動態(tài)范圍且留有充分的余量,選用350的分流器;以其將負載電流轉換為電壓,接V1P和V1N。線路電壓經電壓分壓器分壓,也降到允許的最大電壓范圍之內,接V2P和V2N。負載電流為基本電流(5A)時,線路的功耗為P=2205=1.1 kw。選擇f1-4=3.4Hz,SCF=0,S1=0,=S0=1,此時CF頻率為f1的32倍，所要求的頻率恰為f1，f2段的脈沖計數(shù)標準為100imp/ kw.h。乘以此常數(shù)得Ib情況下的輸出頻率:fF1=PC=1.13200/3600=0.9777778Hz查

4、AD7755數(shù)據(jù)表,所選擇f1-4=3.4Hz，滿足最大電流為40A和再留有足夠余量的要求。fF1=8.06U1U2Gf1-4U2REFU1=5350=1750V=1.75mV并以最大電流產生的壓降和表1,選擇G=16U2=fF1U2REF8.06U1Gf1-4=0.0305552.528.061.75163.4=248.9mV原理圖中R1、C1,R2、C2,R3、C3,R4(R5R16)、C4為抗混疊濾波器。因為AD7755以900kHz過采樣速率采樣,故大大簡化了抗混疊濾波器的設計。不過,兩個通道之間的相位匹配非常重要。例如,當cos=0.5時,0.2的外部相位誤差將產生0.6%的測量誤差

5、。為使兩個通道的相位匹配,電阻、電容的取值分別為R1=R2=R3=R4=1k(精度為1%);C1=C2=C3=C4=33nF;R5= 300k,R6= 150k,R7= 75k,R8=39k,R9=18k,R10=9.1k,R11=5.1k,R12=2.2k,R13=1.2k,R14=560,R15=R16=330k。考慮到選用的分流器和基準源都存在允差,原理圖中設置了校準網絡,通過短接或斷開J1J10,可在30%范圍內進行調節(jié)。因為R15+R16=660k,大于大于R4(1k),因此,即使R5R14全部短接,這條支路的-3dB頻率仍由R4和C4的值決定。據(jù)廠家介紹,從J1J10全部接通變化到

6、J1J10全部斷開,50Hz處產生的相移僅為0.0004?？紤]到分流器存在寄生電感,較大時需要進行補償。當分濾器阻值很小時,如,小于200,特別要注意此問題。AD7755的供電電壓由電容分壓器分壓、二極管整流、RC濾波和7805 IC穩(wěn)壓產生。7805的輸出以C13(10F)和C12(100nF)退耦,接AD7755的DVDD。VDD再經R22(10)、C10(100nF)和C11 (220F)濾波,接AD7755的模擬電路電源管腳AVDD。AD7755的CLKIN和CLKOUT管腳接3.579545MHz晶體和2只22pF陶瓷電容?？紤]抗電磁干擾,除原有的濾波電路外,原理圖電流輸入通道中增加

7、了Z3、Z4鐵氧體,電源電路部分增加了由Z1鐵氧體、C16電容和MOV1金屬氧化物壓敏電阻組成的濾波網絡等。C8051F360單片機部分管腳及參數(shù)由原理圖知：P1.0P1.7分配給八個用戶，作為脈沖輸入端口。P2.0和P2.1分配給LED顯示部分作為時鐘信號和數(shù)據(jù)輸入。P2.4和P2.5分配給24C16作為SCL和SDA信號腳。此外，C8051F360功能強大，結構復雜，其余端口與本設計無關，故其分配情況不再詳述。晶振采用11.0592MHz，電源使用3.3V。電源參數(shù)220V5V的共兩套，一套給AD7755，另一套給顯示模塊和5V3.3V電源。5V3.3V電源供給C8051F360和24C1

8、6。220V5V轉換電路中，相關參數(shù)如下：C1=330uf，為濾波電容；C2=0.33uf，用于抵消輸入線較長時的電感效應，以防止電路產生自激震蕩；C3=1uf，用于消除輸出電壓中的高頻噪聲。（4）器件選擇： AD7755電能脈沖發(fā)生器的選擇： AD7755是美國AD公司生產的專用于功率/電能測量的低成本集成電路。它的技術指標滿足GB/T17215-1998標準規(guī)定的準確度等要求。 AD7755有24條引腳,以DIP和SSOP形式封裝。AD7755在電子電能表中的連接如圖1所示。管腳功能如下:P1 DVDD,數(shù)字電路電源,5(5%)V；P2AC/DC,高通濾波選擇腳,邏輯高,高通濾濾器使能；P

9、3 AVDD,模擬電路電源,5(5%)V；P4、P19 NC,未接；P5-P6 V1P-V1N,通道1(電流通道)模擬輸入,最大差動輸入電壓為470mV；P7-P8 V2N-V2P,通道2(電壓通道)模擬輸入,最大差動輸入電壓為660mV； P9 RESET,復位引腳,邏輯低使ADC和數(shù)字電路保持復位狀態(tài),清內部寄存器；P10 REFIN/OUT,電壓基準腳,片上基準為5(8%)V,可接外部基準源；P11 AGND,模擬電路參考地;P12 SCF,校準頻率選擇腳；P13、P14 S1、S0,數(shù)-頻轉換頻率選擇腳；P15、P16 G1、G0,通道1增益選擇腳；P17 - P18 CLKIN- C

10、LKOUT,外接時鐘,鐘頻3.579545MHz；P20 REVP,負功率指示腳,電壓信號和電流信號之間的相位差90時變?yōu)檫壿嫺?P21DGND,數(shù)字電路參考地；P22 CF,校準頻率輸出；P23、P24 F2、F1,低頻輸出。 AD7755的內部功能框圖如下圖：它由模擬電路(模數(shù)轉換電路、基準電路與電源電壓監(jiān)測電路)和數(shù)字信號處理電路兩部分組成。被測電壓、電流轉換為數(shù)字量后,接下來的信號處理都在數(shù)字域實現(xiàn);AD7755內部的相位校正電路、高通濾波器、乘法器、低通濾波器、數(shù)字-頻率轉換器等都為數(shù)字電路。AD7755內有兩個以900kHz過采樣速率采樣的16位2階-模數(shù)轉換器(ADC)。被測電流

11、經可編程增益放大器(PGA)放大后接電流通道的ADC,并由此ADC轉換為對應的數(shù)字信號。再經相位校正和高通濾波,進入乘法器。乘法器的另一路輸入是由電壓通道ADC轉換而來的、與被測電壓對應的數(shù)字信號。相乘后產生瞬時功率信號。此信號經低通濾波器濾除其中的交流分量,提取出負載消耗的瞬時有功功率。AD7755對這個瞬時有功功率信號進行一段時間的累計、平均,求得平均有功功率,以較短時間對瞬時有功功率進行累計,求得與瞬時有功功率成正比的高頻頻率并經CF輸出,用于校準或送微控制器累加計數(shù),實現(xiàn)對電能的計量。電流通道的PGA的增益受管腳G1、G0控制。 高通濾波器是否接入受管腳AC/DC控制。邏輯高,HPF使

12、能。用來去除電流通道的直流偏移和由此引起的誤差。高通濾波器接入或斷開造成的相移,由相位校正電路校正,使電壓通道和電流通道的相位匹配。如前所述,管腳F1、F2輸出與平均有功功率成正上的電壓有效值具有下列關系:fF1=fF2=8.06U1U2Gf1-4U2REF(1)式中,U1、U2分別為電流通道和電壓通道輸入端的rms差動電壓(V),G為電流通道的增益,選擇方法見表1；UREF為基準電壓值(V)；f1-4為以S1、S0邏輯輸入選擇的頻率(Hz),選擇方法見表2。表2f1-4等選擇表表2第7列是與兩個通道都輸入最大電壓所對應的最高輸出頻率(Hz)?？紤]到實際電網電壓存在波動和負載電流可能超載,設計

13、電能表時,兩個模擬通道的輸入電壓一般都留有足夠的超量程余地。比如,取允許的最大值的一半。表2第5列是用管腳SCF、S1、S0邏輯輸入選擇的轉換系數(shù),CF腳輸出的頻率為fCF=KfF1(2)由表2知,CF端輸出的頻率能高達fF1的2048倍。（5）設計原理圖：單片機實際原理圖：八段譯碼顯示： 74HC164共六個E2PROM 24C16芯片AD7755電能脈沖發(fā)生器電源兩組穩(wěn)壓電源C8051F360與24C16接線部分2、 軟件設計：(以100個/度為例)（1） 程序框圖：開始開辟空間，單片機初始化，中斷初始化清零鍵并行輸入165，R1指向HOUSE0首地址上升沿輸入165，DATE165輸出D

14、ATE165=1？否R1指向的連續(xù)3個空間清零寫入對應的24C16內R1不變R1加3是R1指向HOUSEEND（48H）?否是讀P2口的脈沖、計數(shù)并寫入對應空間主程序 中斷服務程序INTDELAY保護A和R1中斷重新初始化R2減至0？是R2=#TIME將要顯示的數(shù)據(jù)傳至顯示緩沖區(qū)顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)送顯示INC R4R4=8？R4=0是重開中斷A、R1出棧否否RETI讀脈沖子程序 READPULSE讀P2并保存與ORIGIONSTATE異或 R1指向 HOUSE0首地址右移一位C=1？INC R1，INC R1 R1指向的數(shù)據(jù)存入24C16R1=200？R1清零，R1指向的數(shù)據(jù)存入24C16 INC

15、 R1，INC R1R1指向的數(shù)據(jù)存入24C16R1=100？R1清零，R1指向的數(shù)據(jù)存入24C16 INC R1，INC R1 R1指向的數(shù)據(jù)存入24C16R1指向下一通道首地址R1指向HOUSEEND（48H）?A出棧， ORIGIONSTATE=ARET否是否是否是是否（2） 設計程序$NOMOD51$include (c8051f360.inc)/用戶空間：8*3=24字節(jié)，30h47hHOUSE0 EQU 30HHOUSEEND EQU 48H/6字節(jié)的顯示緩沖區(qū)50H55HDISPLAYREGION1 EQU 50HDISPLAYREGION2 EQU 51HDISPLAYREGI

16、ON3 EQU 52HDISPLAYREGION4 EQU 53HDISPLAYREGION5 EQU 54HDISPLAYREGION6 EQU 55H/P2口的原狀態(tài)ORIGIONSTATE EQU 56H/用于顯示讀開關的特殊位CLKDISPLAY EQU P1.1DATEDISPLAY EQU P1.0PL EQU P1.2DATE165 EQU P1.4CLK165 EQU P1.5SCL EQU P1.6SDA EQU P1.3/延時計數(shù)TIM EQU 05H;* ORG 0000HLJMP MAIN ORG 000BHLJMP INTDELAYORG 0100HMAIN: LCA

17、LL CHUSHI /調用初始化程序 MOV SP,#80H MOV ORIGIONSTATE,#0 MOV R4,#0 / R4存用戶號 MOV R2,#TIM / R2用于延時計數(shù) SETB ET0 SETB EA MOV TMOD,#11H MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H /中斷初始化，T0，T1全為方式1 LCALL READ /從24C16內讀用戶空間的數(shù)據(jù)存入對應空間SETB TR0 /*主程序循環(huán)處*MAIN0:CLR PL /串行讀入開關狀態(tài) NOP NOP SETB PLMOV R1,#HOUSE0 /R1指向house0首地址CLRING:CLR CLK

18、165 SETB CLK165JB DATE165,NOTCLR /判斷開關狀態(tài)LCALL CLR24C16 /將R1指向的連續(xù)3個空間清零并寫入對應的/24C16內R1不變NOTCLR:INC R1INC R1INC R1CJNE R1,#HOUSEEND,CLRING /循環(huán)8次，每次進三字節(jié) LCALL READPULSE /讀脈沖程序并計數(shù) SJMP MAIN0/*T0的中斷服務程序INTDELAY*INTDELAY: PUSH ACC MOV A,R1 PUSH ACC /保護主程序的A和R1 CLR TR0 MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H DJNZ R2,NOC

19、HANGE /R2減至0后才調用傳送，調用顯示 MOV R2,#TIM LCALL DELIVER /將第R4戶的數(shù)據(jù)傳到顯示緩沖區(qū) LCALL DISPLAY /將顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)送顯示 INC R4 /戶號加1 CJNE R4,#8,NOCHANGE MOV R4,#0 /顯示到第7戶后清零NOCHANGE: SETB TR0 POP ACC MOV R1,A POP ACC RETI/*初始化子程序*CHUSHI: MOV SFRPAGE,#0FH MOV P1MDIN,#0FFH ;數(shù)字輸入MOV P1MDOUT,#0EFH ;推挽輸出 MOV XBR1,#40H ;交叉開關使能 MOV

20、 PCA0MD,#00H ;關閉看門狗 MOV PSCTL,#13HMOV OSCICN,#83H ;內部振蕩器允許，不分頻 MOV DPTR,#tab MOV R1,#HOUSE0 /將用戶空間全部清零ZERO:MOV R1,#0INC R1CJNE R1,#48H,ZERORET/*讀脈沖子程序*/用R1指向內存地址用于進位和加1 READPULSE:MOV A,P2 PUSH ACC /保護P2口狀態(tài) XRL A,ORIGIONSTATE /與原狀態(tài)異或，有邊沿為1 MOV R1,#HOUSE0 LOOP: RRC A /依次右移 JNC NOPULSE INC R1 /有脈沖加1 LC

21、ALL CONSERVR /將R1指向的數(shù)據(jù)存入24C16內的對應的空間CJNE R1,#200,NOPULSE /每個脈沖讀2次小數(shù)位滿200進位清零 MOV R1,#0 LCALL CONSERVR INC R1 INC R1 LCALL CONSERVR CJNE R1,#100,DEC1/個位、十位滿百進1清零 MOV R1,#0 LCALL CONSERVR INC R1 INC R1 LCALL CONSERVR SJMP DEC2NOPULSE: INC R1DEC1: INC R1 DEC2:INC R1 CJNE R1,#HOUSEEND,LOOP POP ACCMOV OR

22、IGIONSTATE,A RET/*傳送至顯示緩沖區(qū)子程序*/入口參數(shù)為R4=通道號DELIVER:MOV DISPLAYREGION6,R4 /戶號 INC DISPLAYREGION6 MOV A,R4 MOV B,#3MUL ABMOV B,#HOUSE0 ADD A,BMOV R0,A /根據(jù)戶號算出該用戶的首地址MOV A,R0MOV B,#2DIV AB /小數(shù)位除2MOV B,#10 DIV ABMOV DISPLAYREGION1,B /百分位MOV DISPLAYREGION2,A /十分位INC R0 MOV A,R0MOV B,#100DIV AB MOV A,B MOV

23、 B,#10DIV AB MOV DISPLAYREGION3,B /個位 MOV DISPLAYREGION4,A /十位 INC R0 MOV DISPLAYREGION5,R0 /百位RET;*顯示子程序*/無入口參數(shù)DISPLAY:MOV DPTR,#TAB MOV A,DISPLAYREGION1 MOVC A,A+DPTR LCALL DATEOUT /將A串行輸出程序 MOV A,DISPLAYREGION2 MOVC A,A+DPTR LCALL DATEOUT MOV DPTR,#TAB2 /個位帶小數(shù)MOV A,DISPLAYREGION3 MOVC A,A+DPTR LC

24、ALL DATEOUTMOV DPTR,#TAB MOV A,DISPLAYREGION4 MOVC A,A+DPTR LCALL DATEOUT MOV A,DISPLAYREGION5 MOVC A,A+DPTR LCALL DATEOUT MOV DPTR,#TAB2 MOV A,DISPLAYREGION6 MOVC A,A+DPTR LCALL DATEOUT LCALL DATEOUT LCALL DATEOUTRET/*數(shù)據(jù)輸出子程序DATEOUT*DATEOUT: MOV R3,#8LOOOOOOP:RLC A CLR CLKDISPLAY MOV DATEDISPLAY,C

25、SETB CLKDISPLAY DJNZ R3,LOOOOOOPRET/*掉電保護數(shù)據(jù)子程序*/入口參數(shù)：R1=需保護數(shù)據(jù)所在地址CONSERVR:PUSH ACCMOV A,R1MOV R7,AMOV A,R1MOV R6,ALCALL I2C_WR/入口參數(shù)R6=數(shù)據(jù)；R7=EEPROM地址 POP ACCRET /*24C16連續(xù)3字節(jié)清零程序*/入口參數(shù)：R1=需清零空間的首地址CLR24C16: MOV R1,#0 LCALL CONSERVR INC R1 MOV R1,#0 LCALL CONSERVR INC R1 MOV R1,#0 LCALL CONSERVR DEC R1

26、 DEC R1 /保證R1不變 RET/*上電讀24C16子程序*READ: MOV R1,#HOUSE0READING:MOV A,R1 MOV R7,A LCALL I2C_RD /入口參數(shù)：R7=24C16地址 出口參數(shù)：R7=數(shù)據(jù) MOV A,R7 MOV R1,A INC R1 CJNE R1,#HOUSEEND,READING RET/*寫入24C16*/入口參數(shù)：R6=數(shù)據(jù)；R7=EEPROM地址I2C_WR:LCALL STAR ;發(fā)起始條件 MOV A,#0A0H ;發(fā)器件地址 LCALL SENDI2C JB F0,RETURN1 ;數(shù)據(jù)接收錯誤 MOV A,R7 ;發(fā)字節(jié)

27、地址 LCALL SENDI2C JB F0,RETURN1 ;接收數(shù)據(jù)錯誤 MOV A,R6 LCALL SENDI2C ;發(fā)一個數(shù)據(jù) JB F0,RETURN1 ;接收數(shù)據(jù)錯誤 LCALL STP LCALL LDELAY10MS ;寫周期延時約10msRETURN1: RET/*讀24C16*/入口參數(shù)：R7=EEPROM地址/出口參數(shù)：R7=數(shù)據(jù)I2C_RD: LCALL STAR ;發(fā)送起始條件MOV A,#0A0H ;發(fā)器件地址LCALL SENDI2CJB F0,RETURN ;接收數(shù)據(jù)錯誤MOV A,R7 ;發(fā)地址LCALL SENDI2CJB F0,RETURNLCALL S

28、TAR ;重新發(fā)送起始標志MOV A,#0A1H ;發(fā)讀操作命令LCALL SENDI2CJB F0,RETURNSETB F0LCALL LOADI2CMOV R7,ALCALL STP ;發(fā)終止條件RETURN: RET/I2C啟動條件/STAR:SETB SDANOPSETB SCLNOPNOPNOPNOPCLR SDANOPNOPNOPNOPCLR SCLRET/I2C終止條件/STP: CLR SDANOPSETB SCLNOPNOPNOPNOPSETB SDANOPNOPNOPNOPRET/LOADI2C/LOADI2C: SETB SDA ;置數(shù)據(jù)線為輸入方式MOV R5,#08HRCV: NOPCLR SCL ;置低準備接收數(shù)據(jù)位NOPNOPNOPNOPNOPSETB SCL ;置高使數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)有效NOPNOPCLR CJNB SDA,RCV0 ;讀數(shù)據(jù)位，若為0則置0SETB C ;讀數(shù)據(jù)位，若為1則置1RCV0: RLC A ;接收數(shù)據(jù)位放入ACC中NOPNOPDJNZ R5,RCV ;沒接收完繼續(xù)CLR SCL ;接收完置低發(fā)應