基于单片机的多功能电表设计-毕设论文

毕业设计（论文）报告

题 目 基于单片机的多功能电表设计

系 别 专 业 班 级 学生姓名 学 号 指导教师

2013年 4 月

无锡科技职业学院毕业设计（论文）

基于单片机的多功能电表设计

摘要

随着物质生活的富裕，很多人搬入城市，电量成为大家生活的1部分。我们以FM3307/8单片机为核心，对8户居民的用电量进行测量，让大家了解什么如何利用单片机来测量电量。8路脉冲输出电能计量芯片AD7755能够把居民的用电量转换为一定数量的脉冲。74HC164串入并出8位移位寄存器和LED显示器能够实时循环显示8户居民的用电量。AT24C16通过I2C总线和单片机连接，单片机将居民的用电量实时写入AT24C16

AT24C16仍能保存数据，再次上

RS-485总线

与抄表集中器相连，接收抄表集中器下达的抄表，或预付费、清零等命令。抄表集中器内有GPRS通信模块，MC5，通过GPRS通信网与中心计算机联系，实现数据的上传或命令的下达。

工作时，电压经电阻的分压、电流经电流互感器在取样电阻上取样后，送入专用电能芯片进行处理，并转化为数字信号送到CPU进行计算。由于采用了专用的电能处理芯片，使得电压电流采样分辨率大为提高，且有足够的时间来更加精确的测量电能，从而使电能表的计量准确度有了显著改善。CPU用于分时计费和处理各种输入输出数据，通过串行接口将专用电能芯片的数据读出，并根据预先设定的时段完成分时有功电能计量和最大需量计量功能，根据需要显示各项数据、通过红外或RS485接口进行通讯传输，并完成运行参数的监测，记录存储各种数据。让计算机根据电费不同价格的时间分割点，实现电能表的复费率功能。计算机将用户提前购买的电量写入电能表中，当电量减到0时，P4，动作切断供电。

关键词：功率测量、AT89C51单片机、ADE7755、LED显示

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Electricity automatic controller

Abstract：Along with the material life of the rich, many people move into the city, as the 1 part of your life. We use FM3307\\/8 microcontroller as the core of the 8 households electricity consumption measurement, let everyone know what how to use single chip microcomputer to measure the amount of power. 8 pulse output electric energy metering chip AD7755 to the residents of the electricity into a certain number of pulses. 74HC164 series input and output 8 bit shift register and LED monitor can display real-time circulation of 8 households of electricity. AT24C16 through the I2C bus and the singlechip is connected with the MCU will residents consumption real-time write AT24C16 when power AT24C16 can still save the data once again after power on the MCU will save the data read \order to achieve power-down protection. Electric energy meter through the RS-485 bus and the concentrator is connected to receive the meter reading concentrator reading or prepaid, reset command. Meter reading concentrator has GPRS communication module MC55 to realize data ， the upload or command through GPRS communication network and center computer connection \

When working, voltage through the resistor divider, a current through the current transformer in the sampling resistance after sampling, into the special power chip for processing, and converted into digital signal is sent to the CPU calculation. Due to the adoption of a special power chip, the voltage and current sampling resolution is improved greatly, and have enough time to more accurate measurement of electric energy metering, so that the electric power meter accuracy has been significantly improved. CPU is used for time-sharing charging and processing a variety of input and output data, the special power chip via the serial interface to read data, and according to the preset time complete the time-sharing active electric energy metering and demand maximum measurement function, according to the need to display the data communication transmission, infrared or RS485 interface, monitoring and operation parameters store all kinds of data, records. Let the computer according to the different price of electricity time division point of the realization of multi-rate

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function table. Computer users will advance purchase power into electric energy meter when in power to 0 of the control port，P4 action to cut off power supply.

Key Words: power measurement、AT89C51 MCU、ADE7755、LED display

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目录

前言 ................................................................................................................................ 1 第一章 论述 ................................................................................................................ 2 1.1课题的背景及应用范围 ...................................................................................... 2 1.2课题的目的 .......................................................................................................... 2 第二章 脉冲输出的电能计量集成电路 .................................................................... 3 2.1 论述 ..................................................................................................................... 3 2.2工作原理 .............................................................................................................. 4 2.3 ADE7755单相表计量芯片 4 第三章 多功能电表的核心74HC164与LED数码显示 .......................................... 8 3.1. 八位串入、并出移位寄存器74HC164 ........................................................... 8 3.2 LED数码管 ...................................................................................................... 9 第四章 AT24C16和单片机连接的中转站I2C总线 ................................................. 10 4.1 I2C总线介绍 .................................................................................................. 10 4.2 I2C总线的系统结构与接口 .......................................................................... 10 4.3 I2C总线的信号与数据传输 .......................................................................... 11 第五章 串行E2PROM芯片AT24CXX ........................................................................... 13 5.1 AT24CXX系列的基本功能 .......................................................................... 13 5.2 AT24CXX的工作原理 .................................................................................. 14 第六章 电能表与抄表集中器的纽带RS-485总线 ................................................ 17 6.1 RS-485简介 ..................................................................................................... 17 6.2 RS-485电平与TTL电平转换驱动电路 ......................................................... 19 第七章 抄表集中器的核心GPRS通讯技术介绍 .................................................... 20 7.1 GPRS工作原理 ................................................................................................. 20 7.2 GPRS模块主要性能简介 ................................................................................. 21 谢辞 .............................................................................................................................. 23 参考文献 ...................................................................................................................... 24

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前言

电能表，是用来测量电能的仪表，又称电度表，火表，千瓦小时表，指测量各种电学量的仪表。电能可以转换成各种能量。如：通过电炉转换成热能，通过电机转换成机械能，通过电灯转换成光能等。在这些转换中所消耗的电能为有功电能。而记录这种电能的电表为有功电能表。

伴随着我国工业化进程的前进步伐，工业及居民用电急剧增加，庞大的供电网络给用电管理单位带来了巨大挑战，也给居民、工厂带来了诸多不便。于是我们便出现了1种新型的电表，多功能电表。

所谓多功能电能表是指除计量有功（无功）外还具有分时、测量需量等两种以上的功能，并能显示，存储和输出数据的电能表本课题研究的功能电能表能够让居民可以方便的完成电量缴费，用户对用电量更加清晰明了。

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第一章 本课题的研究背景

1.1课题的背景及应用范围

作为测量电能的专用仪表电能表,自诞生至今已有100多年的历史。电能表又俗称电度表或千瓦时表。电能表在电能管理仪器仪表中占有很大比例,它的性能直接影响着电能管理的效率和科学化水平。100多年来随着电力系统及其相关产业的发展以及电能管理系统的不断完善电能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程。 伴随着我国工业化进程的前进步伐，工业及居民用电急剧增加，庞大的供电网络给用电管理单位带来了巨大挑战，也给居民、工厂带来了诸多不便。为此我国在“十二五规划”中提出建设“智能电网”的解决方案，实现电网、计算机网、电信网三网融合。传统的机械式电能表及电子式电能表无论是在计量精度还是在信息传递方面都难以满足“智能电网”的需求，在这种情况下多功能电能表应运而生。多功能电能表是指具有多功能、智能化等功能的新式电表，是智能电网的基本设备之一。多功能电能表能够更精确、更快速的完成对电能的计量任务，而且电表可以通过加密防止用户窃电，安全性更高。本课题研究的功能电能表能够让居民可以方便的完成电量缴费，用户对用电量更加清晰明了。

1.2课题的目的

本课题的目的就是设计一个限电自动控制器，使其在允许用电功率范围内能正常用电，超过限定功率即自动停电且发出报警声，并能通过数码管显示当前电流，电压，功率值。解决在生活中因违章使用大功率电器，使电路超负荷供电，从而造成电路老化引起火灾事故。真正确保公寓、学校、宿舍、网吧等用电量相对大的场所的用电安全。

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第二章 脉冲输出的电能计量集成电路

2.1 论述

AD7755是一种高准确度电能测量集成电路，其技术指标超过了IEC1306规定的准确度要求。有关IEC1306电能表参考设计方案介绍，请参见ADI公司应用笔记AN559。AD7755只在ADC和基准源中使用模拟电路，所有其它信号处理都使用数字电路，这使AD7755在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。AD7755的引脚F1和F2以较低频率形式输出有功功率平均值，能直接驱动机电式计度器或与微控制器接口。引脚CF以较高频率形式输出有功功率瞬时值，用于校验或与微控制器接口。AD7755内部包含一个对AVDD电源引脚的监控电路，在AVDD上升到4V之前AD7755一直保持在复位状态。当AVDD降到4V一下AD7755也被复位，此时F1，F2和CF都没有输出。内部相位匹配电路使电压和电流通道的相位始终是匹配的，无论通道1内的高通滤波器HPL，是接通的还是断开的。内部的空载阈值特性保证AD7755在空载时没有潜动。

2.2工作原理

两个ADC对来自电流和电压传感器的电压信号进行数字化，这两个ADC都是16位二阶ΣΔ模数转换器，过采样速率达900kHz。AD7755的模拟输入结构具有宽动态范围，大大简化了传感器接口可以与传感器直接连接。电流通道中的PGA进一步简化了传感器接口。电流通道中的HPF滤掉电流信号中的直流分量从而消除了由于电压或电流失调所造成的有功功率计算上的误差。

2.3ADE7755单相表计量芯片

2.3.1 ADE7755单相表计量芯片概述

ADE7755是一款适用于单相配电系统的高精度电能计量IC。它可提供基于输电线电压和电流计算的瞬时有功功率和平均有功功率。该器件规范超过

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IEC61036标准规定的精度要求。ADE7755中使用的唯一模拟电路是ADC和参考电压电路。所有其它信号处理（例如乘法和滤波）都是在数字域实现的。这种信号处理方法可在随环境条件和时间变化的很大范围内提供优异的稳定性和精度。

电流通道提供高增益模式,可直接连接低阻值分流电阻器而不损失动态范围。两通道之间的增益校准在器件外部进行调整。ADE7755采用SSOP封装。在各种负载条件下提供低频（F1/F2）和高频（CF）同步输出。

ADE7755是一种高准确度电能测量集成电路,其技术指标超过IEC1036 规定的准确度要求。ADE7755只在 ADC 和基准源中使用模拟电路,所有其它信号处（如相乘和滤波）都使用数字电路, 这使ADE7755 在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。ADE7755 引脚 F1 和 F2 以较低频率形式输出有功功率平均值,能直接驱动机电式计度器或与微控制器（MCU）接口。引脚CF 以较高频率形式输出有功功率瞬时值,用于校验或与MCU 接口。ADE7755

内部包含一个对 AVDD 电源引脚的监控电路。在 AVDD 上升到 4V 之 前,ADE7755一直保持在复位状态。当AVDD 降到 4V 以下,ADE7755也被复位,此时 F1,F2 和 CF 都没有输出。内部相位匹配电路使电压和电流通道的相位始终是匹配的,无论通道1 内的高通滤波器（HPL）是接通的还是断开的。内部的空载阈值特性保证 ADE7755在空载时没有潜动。 额

2.3.2 ADE7755单相表计量原理框图

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图2-1

2.3.3 AD7755面临的问题及注意事项

1，在某些特殊场合的使用过程中,有时会出现AD7755的CF和F1/F2两个输出有不同步现象,这是由于在负载电流小于国际标准IEC1036和国家标GBN7215规定的启动电流时(AD7755的启动电流要小于标准规定的启动电流),AD7755的CF端的工作方式和F1/F2端的工作不完全相同,F1/F2端可能会处于工作和不工作之间,导致两端口输出不完全一致,按标准规定,负载电流小于启动电流,电能表可以不作计量,因此虽然不同步但输出结果都符合国家标准。

2，为了使电源的纹波和噪声减小到最低程度,DVDD(数字电源引脚)、AVDD(模拟电源引脚)REFIN/OUT(基准电压输入输出引脚)都应使用10μF电容并联100nF瓷介电容进行去耦。

3，CF的输出即使在稳定负载条件下仍然随时间变化,这种变化是由于瞬时有功功率信号中的cos2ωt引起的.CF以高频输出时,对瞬时有功功率进行累加完成频率转换的过程,累加时间较短,减弱了对cos2ωt的平均作用,部分瞬时功率信号成分通过了数字—频率转换器,解决办法是CF的输出频还应该用频率计数器进一步平均,消除纹波。CF用于带微处理器的计量场合,也应平均后再计算功率。

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4，AD7755是对ESD(静电放电)敏感的器件,在人体和测试设备上的静电荷很容易累计高达4000V,并在没有察觉的情况下被放电,虽然有ESD保护电路,但高能量的放电仍能造成器件的永久性损坏,因此应该采取静电放电预防措。

2.3.4 数据处理部分

此部分由8253、单片机和LCD显示电路组成.芯片8253内部有3个独立16位计数器,计数频率达2MHz,而AD7755在输入满度交流信号的情况下,CF的最高输出频率为5.57kHz,完全可满足AD7755的计数要求,可通过单片机的控制实现多路测量.内部定时器设定积分时间内对CF输出的脉冲计数,平均功率正比于平均频率:平均功率=脉冲个数/积分时间.一个周期内消耗的电能为:电能=平均功率×积分时间=脉冲个数.本文重点分析三相交流电的测量.[2]三相交流电有三相三线制和三相四线制,三相三线制一般iA+iB+ic=0,其三相有功功率为 P=uANiA+uBNiB+uCNiC=uANiA+uBNiB-uCN(iA+iB)=uACiA+uBCiB (4) 三相四线制其三相有功功率之和为

P=uANiA+uBNiB+uCNiC (5) 由式(4),式(5)可知,三相三线制功率输入信号为线电压和相电流,三相四线制为相电压和相电流,我们可在测量原理图的基础上用图4对三相有功功率进行测三线四线制时,直接取3个相电压和3个相电流分送3个AD7755,AD7755输出脉冲送8253,由它的3个独立计数器计量功率脉冲.三相三线制只需接2个AD7755,另一个AD7755没有脉冲输出,对应计数器值为零。

图2-2： 三相有功功率测量原理示意图

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2.3.5 AD7755有关电路

核心芯片，分流器，分压电路，基本电压源，保护电路，光电耦合器输出电路。

图2-3：原理示意图

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第三章 多功能电表核心74HC164与LED数码显示

74HC164是高速硅门 CMOS 器件，与低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引脚兼容。74HC164是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端，A或B，之一串行输入，任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。时钟 (CLK) 每次由低变高时，数据右移一位，输入到 Q0，Q0 是两个数据输入端，A和B，的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。主复位 ( MR________) 输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。

3.1 特性

门控串行数据输入，异步中央复位，符合 JEDEC 标准 no. 7A，静电放电 (ESD) 保护, HBM EIA/JESD22-A114-B 超过 2000 V,MM EIA/JESD22-A115-A 超过 200 V 。多种封装形式，额定从 -40 °C 至 +85 °C 和 -40 °C 至+12 5 °C 。3.1.3中央处理器（CPU）。

是单片机的核心单元，通常由算术逻辑运算部件ALU和控制部件构成。CPU就象人的大脑一样，决定了单片机的运算能力和处理速度。并行输入/输出（I/O）口:通常为独立的双向口，任何口既可以用作输入方式，又可以作输出方式，通过软件编程来设定。现代的单片机的I/O口也有不同的功能 ，有的内部具有上拉或下拉电阻，有的是漏极开路输出，有的能提供足够的电流可以直接驱动外部设备。I/O是单片机的重要资源，也是衡量单片机功能的重要指针之一。串口输入/输出口:用于单片机和串行设备或其它单片机的通信。串行通信有同步和异步之分，这可以用硬件或通用串行收发器件来实现。不同的单片机可能提供不同标准的串行通信接口，如UART、SPI、I2C、Micro Wire等。

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3.2 LED数码管

led数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。图2是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。led数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ki35.html