多用戶電子式電能表的設(shè)計和調(diào)試

課程設(shè)計報告課程名稱：單片機在電力系統(tǒng)的應(yīng)用課題名稱：多用戶電子式電能表的設(shè)計和調(diào)試班級：姓名：學號：2023年01月05日前言多用戶電子式單相電能表采用單片機作為中央處理器，每塊電能表可對多達24戶的用電情況進行集中檢測、循環(huán)顯示。各戶的用電量可以就地讀取。多用戶電子式電能表采用了“分戶用電、集中檢測〞的方式，與傳統(tǒng)感應(yīng)式電能表相比，有效地提高了電能計量的準確性，而且整機體積小、質(zhì)量輕、安裝方便。在多用戶電子式電能表的前面板上有6位LED顯示器，前兩位為分戶號，后4位為分戶用電量，所顯示的用電量與分戶號相對應(yīng)，分戶循環(huán)顯示，每3s切換一戶。此外，電能表還必須有斷電保護功能，確保用戶在斷電后能夠保存之前的用電數(shù)據(jù)，在恢復供電時能夠繼續(xù)按照斷電前得數(shù)據(jù)開始計數(shù)。同時，該類電能表還必須有清零功能，每個控制單元上都對每戶設(shè)置了相應(yīng)的清零開關(guān)，當相應(yīng)的用戶開關(guān)按下時，該用戶的用電量亦隨之清零。目錄一設(shè)計任務(wù)及要求4二設(shè)計原理分析4三硬件電路設(shè)計43.1單片機電路板設(shè)計43.2+5V穩(wěn)壓電源73.3光電隔離電路73.4AD7755相關(guān)電路73.5參數(shù)設(shè)定113.6用戶清零電路的設(shè)計12四軟件設(shè)計124.1流程圖124.2程序內(nèi)容18五設(shè)計總結(jié)26六參考資料21一設(shè)計任務(wù)及要求設(shè)計任務(wù)：多用戶電子式單相電能表設(shè)計與調(diào)試設(shè)計目的：了解單片機在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，在全面掌握單片機的功能的根底上，初步接觸它在本專業(yè)的應(yīng)用范圍。要求獨立完成，培養(yǎng)我們獨立自主的習慣。設(shè)計內(nèi)容：硬件設(shè)計與軟件設(shè)計。硬件設(shè)計包括：C8051F360單片機整體電路設(shè)計、+5V穩(wěn)壓電源電路設(shè)計、光電隔離電路設(shè)計、基于AD7755的電能脈沖發(fā)生器電路設(shè)計；軟件設(shè)計包括：用C8051F360單片機及編寫具有掉電保存功能和清零功能的用戶電量顯示程序。設(shè)計要求：①AD7755電能脈沖發(fā)生器電路僅作電路硬件設(shè)計，其電能脈沖由C8051F360單片機P2口所接撥碼開關(guān)產(chǎn)生的脈沖模擬。②用戶電量顯示要求精確到小數(shù)點后3位③1000個電量脈沖為1度電④每個用戶顯示時間為3S左右⑤為防止突然停電而使用戶電量數(shù)據(jù)喪失，要求能將電量數(shù)據(jù)保存，需要設(shè)計單片機24C16模塊，使其具有掉電保存功能。⑥為了能夠方便記取各個用戶電量，需要為每一戶設(shè)計清零程序。二設(shè)計原理分析電子式電能表是在數(shù)字功率表的根底上開展起來的，采用乘法器實現(xiàn)對電功率的測量，其工作原理框圖如圖3-10所示。被測量的高電壓u、大電流i經(jīng)電壓變換器和電流變換器轉(zhuǎn)換后送至乘法器M，乘法器M完成電壓和電流瞬時值相乘，輸出一個與一段時間內(nèi)的平均功率成正比的直流電壓U，然后再利用電壓／頻率轉(zhuǎn)換器，U被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖頻率f，將該頻率分頻，并通過一段時間內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)，顯示出相應(yīng)的電能。圖1電子式電能表工作原理框圖三硬件電路設(shè)計3.1單片機電路板設(shè)計本設(shè)計采用的是C8051F360單片機為核心的電路板。C8051F360單片機整體電路板包含：C8051F360單片機、LED/FMQ報警、RS-232通信、USB接口、電源接口、LM336-2.5、下載/復位、外接器件、5V--3.3V、兩路AD輸入、信號輸入、PCF8563、24C16、74HC165、74HC164顯示等模塊。本次設(shè)計中主要用到的局部有C8051F360單片機、PCF8563、24C16和74HC164顯示等模塊。C8051F360單片機為主要部件，它具有片內(nèi)上電復位電路、VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器器件，是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。用戶軟件對所有外設(shè)具有完全的控制，可以關(guān)斷任何一個或所有外設(shè)以節(jié)省功耗。其P1.0,P1.1口產(chǎn)生的脈沖向74HC164顯示輸送數(shù)據(jù)，使其顯示相關(guān)信息，P2口接撥碼開關(guān)，模擬AD7755電量脈沖，PCF8563、24C16部件實時存儲用戶電量信息，并在掉電后保存，單片機上電復位后能夠從中讀取數(shù)據(jù)。FM24C16是用先進的鐵電技術(shù)制造的16K位的非易失性的記憶體鐵電隨機存儲器FRAM具有非易失性并且可以象RAM一樣快速讀寫數(shù)據(jù)在掉電可以保存10年且比EEPROM或其他非易失性存儲器可靠性更高系統(tǒng)更簡單不象EEPROMFM24C16以總線速度進行寫操作無延時數(shù)據(jù)送到FM24C16直接寫到具體的單元地址下可以立即執(zhí)行FM24C16可以承受超過100億次的讀寫或者是比EEPROM高一萬倍的寫操作FM24C16的寫能力使得它在需要對非易失性記憶體快速讀寫的狀況下非常理想舉例說數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中對寫入數(shù)據(jù)的頻率要求高即速度要求非常快使用EEPROM可能喪失數(shù)據(jù)這種優(yōu)勢合并使得系統(tǒng)可以更可靠的實時采集數(shù)據(jù)FM24C16為使用串EEPROM的用戶提供了便利它在硬件上可以直接替換EEPROM。以下是電路板的相關(guān)電路圖。圖274HC164顯示電路圖324C16與C8051F360連接電路3.2+5V穩(wěn)壓電源電源是電能表設(shè)計的重要局部，其設(shè)計的好壞對整個系統(tǒng)的性能有較大影響。本設(shè)計使用的穩(wěn)壓電源是由MC7805實現(xiàn)的，輸入電壓220V,輸出電壓+5V。集成三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓精度高、工作穩(wěn)定可靠、外圍電路簡單、容易設(shè)計和制作、體積小、重量輕、本錢低、維修簡單。7805集成三端穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖2所示，這是一個輸出+5V直流電壓的穩(wěn)壓電路。IC采用集成三端穩(wěn)壓器7805，C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，RL為負載電阻。電路如下列圖。圖5+5V穩(wěn)壓電源電路圖3.3光電隔離電路在實際應(yīng)用中，許多電路鏈接之間需要非直接的連接，從而在提供數(shù)據(jù)的同時防止來自系統(tǒng)某一局部的危險電壓或電流對另一局部造成破壞，造成這種破壞的可能是電源質(zhì)量低劣、接地故障等各種故障。電路隔離的主要目的是通過隔離元件把干擾的路徑切斷，從而到達抑制干擾的目的。我們選用光電隔離法，光電隔離元件里面包含兩個根本元件：光發(fā)射元件和光接收元件，因光電隔離元件中的光發(fā)射元件和光接收元件中間是以光的形式相互聯(lián)系的，在電氣上沒有直接相連，從而到達在電氣上的隔離作用。光電耦合的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定。光電耦合電路如下列圖。圖6光電隔離原理電路圖3.4AD7755相關(guān)電路AD7755是AD公司推出的脈沖輸出的一種高準確度電能測量芯片，AD7755在低頻輸出端提供平均功率信息，在高頻輸出端輸出頻率正比有效功率的脈沖，AD7755還有自校準功能。AD7755內(nèi)部包含一個對AVdd電源引腳的監(jiān)控電路。在AVdd上升到4V之前，AD7755一直保持在復位狀態(tài)。當AVdd降到4V以下，AD7755也被復位，此時F1、F2和CF都沒有輸出。下列圖是AD7755的相關(guān)電路圖。圖7AD7755功能框圖圖8AD7755性能測試電路電流采樣電路：圖2.6電流采樣電路使用分流器的電流采樣電路如圖2.6所示，其中F1為分流器，R1、R2為采樣電阻，C1、C2為采樣電容，他們?yōu)殡娏鞑蓸油ǖ捞峁┎蓸与妷盒盘?，采樣電壓信號的大小由分流器的阻值和流過其上的電流決定。電流采樣通道采用完全差動輸入，V1P為正輸入端，V1N為負輸入端。電流采樣通道最大差動峰值電壓應(yīng)小于470mV，電流采樣通道有一個PGA，其增益可由ADE7755的G1和GO來選擇，見表1：表1G1G0增益最大差動信號001±470Mv012±235Mv108±60Mv1116±30Mv當使用分流器采樣時，G1、G0都接高電平，增益選擇16，通過分流器的峰值電壓為±30mV，當設(shè)計電表為5〔20〕A規(guī)格時，分流器阻值選擇為500uΩ，當流過分流器的電流為最大電流20A時，其采樣電壓為500uΩ×20A=10mV，不超過峰值電壓半滿度值，這樣考慮能允許對電流信號和頂峰值因數(shù)進行累計。當使用互感器采樣時，其電路如圖2.7所示：圖2.7互感器采樣電路使用互感器采樣時，G1、G0都接低電平，增益選擇1，電流采樣通道最大差動峰值電壓為±470mV，其差動信號由互感器的二次側(cè)電流流過電阻R30和R31產(chǎn)生，互感器二次側(cè)額定電流為5mA，當過載4倍時，二次側(cè)電流為20mA，其流過電阻R30和R31產(chǎn)生的差動信號為96mV，遠小于峰值電壓半滿度值〔235mV〕。R1C1和R2C2組成兩個低通濾波器，衰減掉那些無用的高頻分量，從而防止有用頻帶內(nèi)的失真。R1、R2、C1、C2阻值、容值的選取對電表的性能有很大的影響，因此取值為R1=R2=300歐，C1=C2=27nF。電壓采樣電路：R24R24390K/0.25WR23390K/0.25WR97.5KR1256KR13100KR14200KR1015KR1130KR83.9KR72KR19100KC31000pFR4820|?R5820|?C41000pFAGNDAGNDR61KR31|?AGNDJ9J8J7J6J5J4J3J2J1CL-220pFCL+3.3nF~220VV2PV2N圖2.8電壓采樣電路電壓輸入通道〔V2N，V2P〕也為差分電路，V2N引腳連接到電阻分壓電路的分壓點上，V2P接地。電壓輸入通道的采樣信號是通過衰減線電壓得到的，其中R6至R15為校驗衰減網(wǎng)絡(luò)，通過短接跳線J1至J9可將采樣信號調(diào)節(jié)到需要的采樣值上，我們設(shè)計的電能表根本電流時電壓采樣值為174.2mV，為了準許分流器的容差和片內(nèi)基準源8%的誤差，衰減校驗網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該允許至少30%的檢驗范圍，根據(jù)參數(shù)，其調(diào)節(jié)范圍為169.8mV–250mV，完全滿足了調(diào)節(jié)的需要。這個衰減網(wǎng)絡(luò)的-3dB頻率是由R4和C3決定的，R19、R23、R24確保了這一點，即使全部跳線都接通，R19、R23、R24的電阻值仍遠遠大于R4，R4和C3的選取要和電流采樣通道的R1C1匹配，這樣才能保證兩個通道的相位進行恰當?shù)钠ヅ?，消除因相位失調(diào)帶來的誤差影響。輕載調(diào)節(jié)電路圖2.9輕載調(diào)節(jié)電路輕載調(diào)節(jié)電路如圖2.9所示，其原理是用電壓采樣處的電壓值再經(jīng)分壓后加到電流采樣的正或負端來增大或減小電流采樣，到達調(diào)節(jié)的目的。當短節(jié)S2到I+或I-時，附加到分流器端的電壓值為：Vq=R1×Vx/(R20+R1)R1、Vx，可通過改變R20的值來改變需要補償?shù)碾妷褐?。根?jù)計算當R5為200k時，Vq約為0.0003mV。在輕載時電流采樣值Vi=2.5mV×0.05=0.125mV。輕載誤差改變量為0.0003/0.125=0.0024即0.24%，在校驗臺上表現(xiàn)為輕載誤差增大或減小0.24。圖9AD7755引腳排列圖3.5參數(shù)設(shè)定+5V穩(wěn)壓電源的參數(shù)有：變壓器副邊繞組的交流電壓有效值，整流元件的參數(shù)，電容C1、C2的數(shù)值以及集成三端穩(wěn)壓器的選用。以下即參數(shù)計算：電容C1，可用下式進行計算：式中：10ms為交流電網(wǎng)電壓周期的一半。取Vimin=7.3V。因為在使用三端穩(wěn)壓器時,為了保證穩(wěn)壓性能,輸入端和輸出端間電位差至少應(yīng)在2V以上，一般對輸出電壓不大于18V的穩(wěn)壓器,輸入電壓應(yīng)小于35V,按輸出電流應(yīng)有10％的余量，取通過計算，得：C1=3014uF。變壓器副邊繞組的交流電壓有效值,可用下式進行計算：通過計算,得：V2=9.9V。為了留有一定裕量，取V2=10.5V。橋式整流電路中，每個整流二極管在交流電網(wǎng)電壓最高時承受的最大反向峰值電壓為為了平安，整流管的反向耐壓應(yīng)當比上述值大50%以上，因此選擇整流管時，其反向耐壓應(yīng)按下式考慮：橋式整流電路中，每個整流二極管的正向電流平均值是輸出電流的一半，其最大值是由于在接通電源瞬間有相當大的沖擊電流(即充電電流)通過整流管，因此，整流管的參數(shù)(正向電流平均值)應(yīng)比上述值大0.5~2倍。假設(shè)按比上述值大0.8倍考慮,那么根據(jù)上述計算，可選用1A/25V或1A/50V的橋堆?！?〕變壓器副邊繞組電流的有效值Iac要比輸出電流Iomax大，這里我們?nèi)∫虼耍儔浩鞲边吚@組導線的粗細應(yīng)按額定電流〔交流有效值)為2A選用。〔5)電容C2的作用是減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾，其數(shù)值在100uF左右。3.6用戶清零電路的設(shè)計如圖，即為電能表的用戶清零電路，采用74HC165芯片作為清零信號的接收和發(fā)出的端口。P1.5接芯片的兩個時鐘脈沖信號端，同時P1.2也要有低電平信號才能使165芯片在P1.4口輸出相應(yīng)的信號。四軟件設(shè)計4.1流程圖設(shè)計主函數(shù)流程圖開始開始初始化定義寫SFR初始化定義寫SFR定義31H定義31H—3FH為脈沖存儲單元讀取24C16讀取24C16記錄P2口的狀態(tài)于22H單元記錄P2口的狀態(tài)于22H單元終端形式50ms時鐘初始化，計數(shù)存儲單元21H=0終端形式50ms時鐘初始化，計數(shù)存儲單元21H=0TF0=1?TF0=1?NY進入中段判斷P2口狀態(tài)改變進入中段判斷P2口狀態(tài)改變P2.x狀態(tài)改變P2.x狀態(tài)改變NY對應(yīng)存儲單元加1對應(yīng)存儲單元加1判斷是否有清零脈沖判斷是否有清零脈沖N2323133對應(yīng)用戶24C16相應(yīng)區(qū)域清零對應(yīng)用戶24C16相應(yīng)區(qū)域清零2221H單元內(nèi)滿60，即計滿3S21H單元內(nèi)滿60，即計滿3S1N 1Yi=9i=9調(diào)用顯示第i個用戶電量寫入24C16i自加1將第i戶脈沖個數(shù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)電量i置1返回主程序N14.1.2AT24C16讀寫函數(shù)流程圖用戶掃描函數(shù)流程圖數(shù)碼管顯示函數(shù)流程圖4.2程序內(nèi)容$NOMOD51$include(c8051f360.inc)CLKLED EQU P1.1;數(shù)碼管164時鐘 LED EQUP1.0 ;數(shù)碼管數(shù)據(jù)線 SDAEQUP1.3 SCLEQUP1.6ORG0000H LJMPMAINORG000BH LJMPT0_INTMAIN:LCALLCHUSHI;調(diào)用F360初始化程序//定義30H-3FH為脈沖存儲區(qū)域MOVR7,#10H;脈沖個數(shù)存儲區(qū)域清零MOVR1,#30HMC:MOV@R1,#00HINCR1DJNZR7,MC LCALLREAD;讀24C16 MOV20H,#1;用戶名 MOV21H,#0;定時2S的計數(shù)單元 MOV22H,P2;暫存P2口的狀態(tài) MOVTMOD,#01H MOVTH0,#0D8H;定時50ms采樣周期 MOVTL0,#0F0H SETBET0 SETBEA SETBTR0SJMP$//進入中斷子程序T0_INT:MOVTH0,#0D8H;進入中斷采樣 MOVTL0,#0F0H MOVR1,#3FH;第八戶 MOVR6,#00HMOVA,P2 XRLA,22H MOV22H,P2AA: JNBACC.7,AA1;判斷某戶是否有脈沖 LCALLCOUNT;有脈沖，那么計數(shù)AA1:INCR6CJNER6,#08H,AA2;判斷8戶是否均采樣完畢SJMPLCALAA2:DECR1;進入下一戶的存儲單元DECR1 RLA;左移一位 SJMPAALCAL:LCALLSCAN;判斷是否有清零信號LOO: INC21H MOVA,21H CJNEA,#28H,MM;定時2S，順序執(zhí)行顯示LCALLWRITE;調(diào)用寫入程序 MOV21H,#0 MOVA,20HDECA RLA;左移，即乘2 ADDA,#30H;將存儲單元與用戶聯(lián)系并對應(yīng)MOVR1,ALCALLDIP;調(diào)用顯示程序INC20H;用戶名加1 MOVA,20H CJNEA,#09H,MM MOV20H,#1MM: RETI//初始化子程序chushi:MOVSFRPAGE,#0FH MOVP1MDIN,#0FFH;數(shù)字輸入MOVP1MDOUT,#0EFH;推挽輸出MOVXBR1,#40H;交叉開關(guān)使能 MOVPCA0MD,#00H;關(guān)閉看門狗 MOVPSCTL,#13H MOVOSCICN,#83H;內(nèi)部振蕩器允許，不分頻MOVDPTR,#tab RET//脈沖計數(shù)子程序COUNT:PUSHACCCLRCMOVA,@R1 ADDA,#1 MOV@R1,A DECR1 JNCLL INC@R1;有進位LL:INCR1;某戶地位地址POPACC RET //顯示子程序 DIP:MOV51H,20H;設(shè)51H--56H為數(shù)碼管顯示存儲區(qū)域MOV52H,#10MOV53H,#0 MOVA,@R1MOVB,#80H;設(shè)1000個脈沖為1度電 MULAB MOV25H,A INCR1 MOVA,@R1 MOVB,#02H DIVAB ADDA,25H MOVB,#100 DIVAB MOV54H,A;十分位 MOVA,B MOVB,#10 DIVAB MOV55H,A;百分位 MOV56H,B;千分位 MOVR0,#56HMOVR7,#0RE:CALLdispn INCR7 DECR0 CJNER7,#8,RERETdispn:MOVDPTR,#TABMOVA,@R0PUSHACCMOVCA,@A+DPTRCJNER0,#53H,NEXT ANLA,#0F7HNEXT:MOV R4,#08hRR1:RRC A JC SET1 JNC SET0SET1:CLR CLKLED SETB LED SETB CLKLED DJNZr4,RR1 JMP RETURNSET0:CLR CLKLED CLR LED SETB CLKLED DJNZR4,RR1RETURN:POP ACCRET//寫2416程序 WRITE:LCALLSTR;調(diào)開始子程序 MOVA,#0A0H;控制字，2416的物理地址和寫控制位LCALLI2C_W1W;調(diào)向2416寫一字節(jié)并接收信號子程序JBF0,WRITE;假設(shè)寫失敗，從頭開始 MOVA,#00H;選擇地址LCALLI2C_W1W JBF0,WRITE;至此，地址寫完MOVR0,#30H MOVR7,#10HII1: MOVA,@R0;將30h-3FH的內(nèi)容寫到2416中 LCALLI2C_W1WJBF0,WRITE INCR0 DJNZR7,II1 LCALLSTP;調(diào)停止子程 LCALLDELAY RET//讀2416程序READ:LCALLSTRMOVA,#0A0H;控制字，2416的物理地址和寫控制位LCALLI2C_W1W;調(diào)向2416寫一字節(jié)并接收信號子程序JBF0,READ;假設(shè)寫失敗，從頭開始 MOVA,#00H;選擇地址LCALLI2C_W1W JBF0,READ;至此，地址寫完 lcallSTR MOVA,#0A1H;控制字，2416的物理地址和讀操作位LCALLI2C_W1WJBF0,READ MOVR0,#30HMOVR7,#16JJ3:LCALLI2C_R1W;調(diào)用從2416中讀1字節(jié)子程序 MOV@R0,A;將從2416中讀出的內(nèi)容存儲到30h-3Fh中 INCR0 DJNZR7,JJ3 SETBF0 LCALLI2C_R1WLCALLSTP RET//啟動2416子程序STR:SETBSDA NOP SETBSCL NOP NOP NOP NOP NOP CLRSDA NOP NOP NOP NOP NOP CLRSCL RET//停止2416子程序STP:CLRSDA NOP SETBSCL NOP NOP NOP NOP NOP SETBSDA NOP NOP NOP NOP NOP RET//向2416中寫一字節(jié)并接收2416返回的信號I2C_W1W:MOVR5,#8 CLRSCLAR_LP1:NOPNOP NOP NOP NOPRLCAMOVSDA,C NOP NOP SETBSCL NOP NOP NOP NOP NOP CLRSCL DJNZR5,AR_LP1 NOP NOP SETBSDA NOP NOP NOP SETBSCL NOP NOP NOP NOP CLRF0 JNBSDA,ACKEND SETBF0ACKEND:NOP CLR