智能化测控应用系统课程设计报告-基于单片机的分时计费智能电表设计报告.doc

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1、西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 目录目录 1 1 前言前言1 1 2 2 总体方案设计总体方案设计2 2 2.1 方案比较.2 2.1.1 方案一.2 2.1.2 方案二.3 2.2 方案比较及选择.4 3 3 单元模块设计单元模块设计5 5 3.1 各单元模块功能介绍及电路设计.5 3.1.1 电源模块电路.5 3.1.2 计量模块电路.5 3.1.3 时钟及 LCD 显示模块.6 3.1.4 信号采集电路.8 3.2 电路参数的计算元器件的选择.9 3.3 特殊器件介绍.9 3.3.1 ADE7758 介绍.9 3.3.2 STC89C52 单片机介绍.10 3.3.3DS

2、12887 时钟芯片介绍.10 3.3.4LCD1602 液晶显示屏介绍.11 4 4 软件设计软件设计1313 4.1 软件设计原理及设计13 4.2 设计软件介绍13 4.2.1Proteus 软件介绍.14 4.2.2 KEIL 8051 开发工具14 4.3 软件结构图14 4.3.1 电压电流采集子程序15 4.3.2 AD 转换子程序.16 5 5 系统调试系统调试1717 5.1 单片机及 1602 显示部分 17 5.2 万用板电路部分调试18 6 6 系统功能、指标参数系统功能、指标参数1919 6.1 系统能实现的功能19 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 6

3、.2 系统指标参数分析19 7 7 结论结论 2020 8 8 总结与体会总结与体会 2121 9 9 谢辞谢辞 2222 1010 参考文献参考文献 2323 附录附录 1 1（原理图、（原理图、PCBPCB、实物图）、实物图）2424 附录附录 2 2（主（主程程序）序）2727 1 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 1 1 前言前言 随着国民经济的不断发展，各地对于电能需求量也随之迅速增加，电力已 经成为国家的最重要能源。但是，当前居民用电的管理过于落后，居民用电管 理收费多年来一直采用先用电、后抄表、再付费的传统作业方式。居民用电绝 大多数实行“分表制” ，即若干集中居住

4、的家庭使用一个总的电表，每户装一个 分电表，作为居民交付电费的依据。但是这种管理方式，给居民和管理人员带 来诸多不便，而且还存在着一些弊端。为了适应社会的需要，保证用户安全、 合理、方便地用电，对传统的电表和用电的管理模式进行改造，使之符合社会 发展的需要就显得很有需要。加上现在很多电表不能分时计费，所以，我们一 致决定选择了基于单片机的分时计费智能电表设计。 所谓智能电表，就是应用计算机技术，通讯技术等，形成以智能芯片（如 CPU）为核心，具有电功率计量计时、计费、与上位机通讯、用电管理等功能的 电度表。本新型智能电表主要实现分时智能计费。本次设计主要采用 ADE7758 电能计量芯片和 S

5、TC89C52 单片机为核心，结合电流、电压采集，再通过信号滤 波传给 ADE7758，再经过 STC89C52 处理，最终在键控的触发下，送到 LCD 显示。 此电表能实现用户在 220V 电压下所用功率的计算，并根据国家规定的用电高峰 和低谷设置阶梯电价计算，并显示出用户各时段所耗功率。不仅具有传统电表 的功能，还能对用户的用电情况进行管理和控制，并且相比于传统电表的机械 式结构，没有机械摩擦，大大的提高了准确度和灵敏度，且易于实现自动化测 量，并且可以实现远程通讯和控制，具有较高的性能价格比，适合我国国情， 有广泛的引用价值。智能电表利用微机技术，通讯技术等等，减少了能量的消 耗，把采集

6、，处理集中于一体，节省成本和人力资源，提高了工作效率，适应 了现代用户的需求。 通过基于单片机的分时计费智能电表设计，使我们更加熟悉有关单片机开 发设计原理及方法，并能加深对单片机的理解和运用以及掌握单片机与外围接 口的方法和技巧，这些主要体现在以下方面： 1如何使用单片机的总线控制方式进行控制，以及单片机内部 AD 转换程 序的应用。 2.可以了解到 LCD 显示器的结构、工作原理以及这种显示器的接口实例。 3.怎样扩展显示接口、如何驱动外围元件等。 4.熟悉了单片机程序的编写，以及 C 语言程序的编写。 2 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 2 2 总体方案设计总体方案设计

7、本电表采用分时计费原则，将电压，电流等参数进行采集，并通过处理后 输入微处理器 STC89C52，进行运算，并最终实现对于电能的准确计量和控制 显示。 通过查阅大量相关技术资料，在老师的建议下，结合自己的实际知识，我 们主要提出了两种技术方案来实现系统功能。下面将首先对这两种方案的组成 框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述最终选择方 案的原因。 2.12.1 方案比较方案比较 智能电表的设计，是基于对用户电压电流信号进行采集，并通过微处理器 进行核心运算，当电压电流信号通过采集以后，通过高精度的 AD 采样保持， 最终输入微处理器，并通过用 C 语言编写的程序键控控制处理

8、器单片机，并且 要求通过功率和电费的计算，进行显示与报警。 对于电力参数的测试，例如电压，电流，有功功率，无功功率等，现在都 有成熟的测量计算方法，对于电压有效值的测量，可以利用积分电路来实现， 也可以利用时间采样信号，将信号值平方，去均值以后，得到平方根，通过 AD，进行采样，有功功率定义为，和为电压和电流的有效值，UICOSP UI 为功率因数。而对于非正弦波形的计算，只有通过积分运算来完成。COS 2.1.12.1.1 方案一方案一 在本设计方案中，核心器件为微处理器，这里我们选用是 STC89C52 单片 机，当信号采样后通过 AD 转换，送入微处理器，进行数据的分析和计算，智 能电表

9、的实现必须对用户的功率进行准确的计算，在信号采集模块中，通过电 压互感器和电流互感器，对用户的电压和电流信号进行采集，微处理器进行功 率和电费的计算，可通过 LCD 显示，并可以通过键盘对分时电价进行调整，实 现显示的转换和调整，并运用单片机内部时钟设计计时系统，以实现分时的控 制。但是此设计有诸多缺陷，首先，在信号采集方面，由于智能电表对于功率 的计算，如果单纯的使用单片机，会造成功率计算不准确，如果要提高计算的 精度，对于信号的 AD 转换就必须采用高精度期间，成本费用增加，其次即便 使用了高精度的 AD，在功率计算，补偿方面的程序也相对繁琐，再则，由于 使用分时计费系统，只用单片机内部时

10、钟信号进行粗略的计时，产生的时间误 差比较大，长时间的使用下会导致计时不准确，而使得电费的计算出现误差。 3 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 软件系统方面，其核心是编写功率计算程序和 AD 采样程序，并通过键盘 扫描实现显示的切换。 方案一如图 2.1 所示 信号采集 信号滤波 AD7758 转换微处理器LCD 显示 报警 察警 键盘控制 图 2.1 方案一 2.1.22.1.2 方案二方案二 本方案的设计思路与方案一大致相同，选用 STC89C52 单片机，作为微处 理器，通过电压传感器，电流传感器实现对用户的电压电流采集，并在单片机 中进行电价的计算，与方案一的不同之处在于

11、，方案二中功率计算部分和 AD 转换采集部分被一块电能计量芯片 ADE7758 进行代替，该芯片是以一款高准确 度的三相电能采集芯片，适用于计量各种三相，单项配置条件下的有功，无功， 视在电能，可省去高精度 AD 的费用的同时，也可以减少单片机内部处理功率 的步骤，转由 ADE7758 完成。同时，由于该智能电表采用分时计费系统，方案 二中采用一块时钟芯片以提高对于时间的计时准确程度，以确保该电表可以准 确计费，同时，由于时钟芯片本身集成有微型电池，可以在断电的情况下继续 运行，保证了在智能电表断电的同时，计时系统不至于停止工作。 在本方案中，由ADE7758进行功率的计算并进行校准，在该芯片

12、中，通过 有功增益寄存器写入数据，可对输出产生的平均功率进行改变，该芯片中在每 个相位集成了一个有功偏移寄存器，该寄存器为12位寄存器，用以对有功功率 进行校准，由于实际电路的工作环境的复杂和多变，以及芯片本身制造工艺和 各通道之间进行的干扰，都会造成误差的产生，有功功率寄存器的一个LSB相 当于有功功率乘法器输出的LSB的1/16。在满刻度输出时，如果乘法器的输出为 XCCCCS（838861d） ，LPF2输出端的1个LSB相当于在电流通道满刻度60dB 计量误差的0.0075。在满刻度时，60dB（输入信号级别为满刻度信号输入 4 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 的1/1

13、000） ，LPF2的平均数值为838.861 (838,861/1,000)。 LSB1/838.861/16100% = 测量值的0.0075% 。有功功率偏移寄存器修正分辨 率为0.0075% （ 60 dB） 。 方案二如图 2.2 所示 信号采集 ADE7758 转换 微处 理器 键盘输入 信号滤波 LCD 显示 报警 时钟芯片 图 2.2 方案二 另外ADE7758的各相拥有一个空载阀值，如果有功功率的测量值低于满刻 度的0.005%，则该值不会被累加，有效的避免了电表的浅动。ADE7758通过41 个电能寄存器连续累加有功功率以实现对信号的积分作用，这种离散的累加作 用就相当于连

14、续时间的积分作用，平均有功功率的计算时，是有符号运算的， 负电能将会在有功功率寄存器中被扣除。当有功功率为正，且达到最大值时， 有功功率的数值将反转到达满刻度的负值0X800，并继续增加，当有功功率为 负值，且持续减小到达最小时，会自动转为正的对大刻度0X7FFF，并继续降低。 2.22.2 方案比较及选择方案比较及选择 虽然两种方案都能实现本次设计。但是在软件系统上，该方案二与方案一 的区别在于，重点在对于 ADE7758 和 DS12887 两块芯片的读写程序的书写， 在硬件的搭建上降低了难度，但是在程序书写上难度有所增加。而且方案二增 加了时钟芯片，这样增加了 STC89C52 的精确度

15、和灵敏度，增强了系统的实时性， 时效性。通过对以上两种方案的具体描述，对他们各自的优缺点有了一定的了 解。考虑到控制精度，操作习惯和美观以及成本等因素，要完成对于电费的准 确计算，并综合本次课程设计成本进行考虑，最终选择了方案二为本次设计的 5 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 最终设计方案。 3 3 单元模块设计单元模块设计 本系统主要包括以下部分：电源模块电路、信号采集电路、计量模块电路、 时钟及 LCD 显示模块电路。辅助元件有电阻、电容、晶振、电源、按键等。先 对各模块分别作具体介绍： 3.13.1 各单元模块功能介绍及电路设计各单元模块功能介绍及电路设计 3.1.13.

16、1.1 电源模块电路电源模块电路 电源模块电路从电网 220V 电压作为输入，通过该电路后，输出端输出 大小为 5V 的电压，作为单片机及其他芯片的 VCC 电源，具体的电路图如 图 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 图 3.1 电源模块接线图 图 3.1 为电压模块的电路图，该模块以电网 220 交流电作为输入，通 过整流桥整流后，再经过滤波，最后通过一块 78L05 稳压芯片

17、进行稳压， 得到一个稳定的 5V 电源，78L05 的输出电流可达到 100mA，无需外接元件， 内部本身带有热过载保护，内部短路电流限制。通过 Proteus 软件仿真可 以看到，通过该电源模块可以很好的工作，并最终得到一个稳定的 5V 的电 源。然后此 5V 的电压就可以供给 STC89C52 和时钟芯片 DS12887。 3.1.23.1.2 计量模块电路计量模块电路 计量模块的核心是通过一块 ADE7758 芯片来完成，通过信号采集电路， 将变换后的电压电流信号输入到该芯片，ADE77581 是一款高准确度的三相 电能计量芯片，带有两路脉冲输出功能和一个串行接口。ADE7758 集成了

18、 6 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 二阶 -D 模数转换器, 数字积分器，基准电路，温度传感器，以及所有进 行有功，无功和视在电能计量以及有效值计量所需的信号处理元件。 图 3.2 计量模块电路接线图 图 3.2 为芯片 ADE7758 的具体接线图，ADE7758 作为一款适用范围极 广且功能强大的电能计量芯片在本次设计中担任了重要的角色，通过 DOUT 管脚直接与单片机连接，通过 SPI 总线方式，与单片机实现数据之 间相互通信，从而实现功率的计算，其中 DOUT 管脚与单片机 P1.4 连接， SCLK 与 P1.3 连接，DIN 与单片机 P1.7 连接，CS 片选信

19、号与单片机 P1.2 连接。 3.1.33.1.3 时钟及时钟及 LCDLCD 显示模块显示模块 本次设计中，该电表要实现分时计费，既必须引入时钟系统，该时钟 系统必须准确，且在电表短时间断电之内，不会停止工作，因此，该模块 采用了一块时钟芯片 DS12887，该芯片为一款使用很广泛的时钟芯片，具 体电路图如图 3.3 所示： 7 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 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 CC 13 SQ W 14 N C 15

20、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 图 3.3 DS12887 接线图 图 3.3 为时钟芯片 DS12887 的连线图，其中 DS 与单片机 P2.1 口连接， R/W 与单片机 P2.5 口连接，AS 与单片机 P2.4 口连接，CS 与单片机 2.2 口连接。 通过该芯片可以提供比较精确的万年历。 同时智能电

21、表的显示模块选用 LCD 显示，下图为 LCD1602 显示电路： 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 图 3.4 LCD1602 接线图 通过该 LCD 液晶显示器，显示我们需要的一些信息。上述两个模块通过与 STC89C52 单片机进行连接，可以实现万年历的功能，且可以保证，在智能电 表短时间断电的情况下，时钟

22、不会停止运行，继而使智能电表的分时计费系统 可以准确的运行，我们用 Proteus 仿真,电路图如图 3.5 所示： 8 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 图 3.5 LCD 显示电路仿真图 图 3.5 为万年历显示模块，上图中可以通过按键对 LCD 显示进行调整，可 以显示万年历，分时电价，余额等信息。 3.1.43.1.4 信号采集电路信号采集电路 本次设计为智能电表，所以要对用户的电压和电流都进行采样，再通 过 ADE7758 芯片来得到一个较为准确的功率值并输入单片机中，因此电压 电流的采集电路如图 3.6 所示： T 1 T A3 2B M T 2 T V3 1B -0

23、 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 图 3.6 信号采集电路 图 3.6 为电流电压采集电路，在电流采集电路中，通过将电流互感器 TA32BM 串联到用户电路中，以采集用户的电流信息，TA32BM 额定输入输出 为 5A/2.5mA,通过电流互感器将大电流转换到 ADE7758 可以接受的小电流范围 9 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 内，然后通过滤波降低信号的干扰，最终输

24、入芯片，在电压采集电路中，通过 将电压互感器 TV31B-02 并联到用户的负载上，采集用户的电压信息，TV31B- 02 是一款电流型电压互感器，额定电流是 2mA/2mA,所以要在电压互感器的缘 边串联一个 51K 的电阻以降低互感器原边电流值到可承受的范围，最后通过 RC 电路滤波后，得到一个近似 0.5V 的电压以输入到 ADE7758 芯片，和前面的 电流值一起，计算出用户的功率。 电压互感器相当于一个内阻很小的电压源，正常运行时它的负载阻抗会很 大，相当于开路状态，二次侧只有很小的电流，当二次侧短路时，负载阻抗为 零，将产生很大的短路电流，会将电压互感器烧坏。因此，电压互感器二次侧

25、 严禁短路。 电流互感器在正常运行时，二次电流产生的磁通势对一次电流产生的磁通 势起去磁作用，励磁电流很小，铁芯中的总磁通就很小，二次绕组的感应电动 势不会超过几十伏。如果二次侧开路，二次电流的去磁作用消失，其一次电流 完全变为励磁电流，会引起铁芯内磁通剧增，铁芯处于高度饱和状态，加之二 次绕组的匝数很多，就会在二次绕组两端产生很高(甚至可达数千伏)的电压， 不但可能损坏二次绕组的绝缘，再者，由于磁感应强度剧增，使铁芯损耗增大， 严重发热，甚至烧坏绝缘。 3.23.2 电路参数的计算元器件的选择电路参数的计算元器件的选择 因为我们要测量的范围是，负载电压不超过 25V，电流不超过 2A，而单片

26、 机能够接受的电压小于 5V，所以我们电压采样时，用和电阻分压的k47k1 . 5 方式，这样就算电压得到 25V 时，我们所采的电压也只有 2.447V，单片机也能 正常工作，电压采样后经过一个电压跟随器，降低输出阻抗，电流采样时，通 过电压间接采样，因为我们所串联的电阻很小，并联一个的电阻得到一个1 . 0 小电压，然后再放大，得到送入单片机。 3.33.3 特殊器件介绍特殊器件介绍 3.3.13.3.1 ADE7758 介绍介绍 ADE7758是一款高精度的电能计量芯片，具有高准确度，适用于三相/三线， 三相/四线和其他各种三相系统，该芯片通过SPI数据串行接口和单片机进行连 接，模拟电

27、源端（AVDD）=数字电源（DVDD）=5V5%,模拟地端（AGND） =数字地（DGND） = 0 V, 使用片内基准源,CLKIN =10 MHz XTAL,温度范围为 40C至+85C。ADE7758的管脚图如图3.7所示： 10 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 图 3.7 ADE7758 管脚图 3.3.23.3.2 STC89C52 单片机介绍单片机介绍 STC89C52 是一款高速度，高密度，低功耗的单片机，内置 8 位中央处理 单元，256 字节片内数据 RAM,8K 片内程序 ROM，32 个双向 I/O 口，还包含 3 个定时/计数器，拥有 PDIP(40pi

28、n)和 PLCC(44pin)两种封装形式，本次设计中采 用 40 管脚双列直插封装，功能强大，可以适用于较为复杂的工作环境， STC89C52 单片机管脚图如图 3.8 所示： 图 3.8 STC89C52 管脚图 3.3.3DS128873.3.3DS12887 时钟芯片介绍时钟芯片介绍 DS12887 为一款时钟芯片，该器件可以提供 RTC/日历，闹钟，三个可屏蔽 中断和一个可编程方波以及一个 114 字节的 RAM，此 RAM 有电池备份，不会导 11 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 致断电后时钟停止的现象，该器件把石英晶体和电池集成在了一起，少于 31 天 的月份、月

29、末日期可自动调整，其中包括闰年补偿，该芯片还有一个精密的温 度补偿电路用来监视 VCC 的状态，如果检测到主电源故障可自动转换到备用供 电，该芯片接口支持 Intel 和 Motorola 两种模式，在本次设计中，采用的是 Intel 模式，具体补管脚图如图 3.9： 图 3.9 DS12887 管脚图 3.3.4LCD16023.3.4LCD1602 液晶显示屏介绍液晶显示屏介绍 LCD1602是一款工业字符型液晶显示屏，能够同时显示32个字符，内部带 有80*8为的内部RAM缓冲区，可显示阿拉伯数字，引文字母大小写，常用符号 和日文片假名等，每一个字符都有一个固定的代码，在本次设计中，可以

30、通过 LCD显示万年历，分时电价，剩余金额等数据信息，可以通过键盘来切换显示。 部分主要指令说明如下： 表3.1 LCD1602指令码 指令码功能 00111000设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口 00001DCBD=1 开显示；D=0关显示 C=1显示光标；C=0不显示光标 B=1光标闪烁；B=0光标不闪烁 000000NSN=1当读或写一个字符后地址加一，光标加一 N=0当读或写一个字符后地址减一，光标减一 S=1时写一个字符，整屏显示左移（N=1）或右移 （N=0） ，以得到屏幕移动光标不移动的效果 12 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 S=0时写一个字符，整屏

31、显示不移动 80H+地址码设置地址数据指针 01H显示清屏：所有指针清零，所有显示清零 02H显示回车：数据指针清零 LCD1602 读写时序图如图 3. 10、3.11 所示： 图 3.10 LCD1602 写时序图 图 3.11 LCD1602 读时序图 13 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 4 4 软件设计软件设计 本设计中，以STC89C52作为微处理器，采用C语言进行编程，配合硬件电 路，共同构成了本次设计的核心部分。 4.14.1 软件设计原理及设计软件设计原理及设计 本次设计采用 C 语言，C 语言具有简洁明了的特点，在本次设计中，按照 各芯片的读写操作时序，以

32、SPI 总线操作方式，分别对 DS12887 时钟芯片， ADE7758 电能计量芯片进行读写操作，即可基本完成本次设计的主要功能。 在读取 DS12887 时钟芯片时，按照其读写时序，当要写入数据时，先要写 入地址，将 CS 置低，SA,DS 分别置高，RW 置高，然后给 P0 口赋值，即要写 入的地址，然后将 AS,RW 置低，再一次给 P0 口赋值，即要写入的数据，最后 将 AS,RW,CS,拉高，同理，在读取数据时，也要先写入一个地址，将 AS,DS,RW 置高，将 CS 置低，给 P0 口赋值地址，然后将 AS,DS 拉低，P0 读 取数据，最后 DS,AS,CS,全部拉高。同时，在

33、读取 ADE7758 芯片中有功功率时， 同样，按照其读时序图，先将 CS 拉低，选中信号，再用 SCK 模拟一个时钟信 号输入，先向 ADE7758 写入一个地址，再从芯片读出数据，ADE7758 和 DS12887 读写程序最大的不同在于，DS12887 可以将 8 位数据一次性读出，而 ADE7758 只能一位一位的读取，因此，在书写读写函数的时，需要指明，读取 数据的位数。在 CS 保持低电平的时候，所有的数据传输必须全部完成，另外， 除了整体器件复位以外，没有其他方法可以让 ADE7758 返回通信状态，所以必 须传输各寄存器的 LSB,复位的方法是运用软件进行复位。如前所述，在第一

34、个 字节正在向目标寄存器传送是，可以同时开始另一个字符的传送，但是第二个 字节的传输过程不应该在第一个字节传送完成前至少 900ns 内不应该结束。当 ADE7758 寄存器经行读取操作访问时，读取命令个写入命令之间至少需要有 1.1us 的时间间隔，若果间隔过小，将会导致写入操作的最后一个字节丢失。 本次设计的另一个重点就是现实程序，1602 的显示程序同样按照其读写时 序图完成，不同的是，1602 的显示，需要在主程序的开始写一个初始化函数用 以设定 1602 的显示方式，光标等等，在本次设计中，只涉及到 1602 的写程序， 写数据时，同样需要先写入地址，写地址时，先将 RS,EN 置低

35、，延迟后再将 EN 拉高，赋予地址，最后将 EN 拉低，写数据与读不同之处在于要将 RS 拉高 其余同写地址时一样。 4.24.2 设计软件介绍设计软件介绍 本次设计采用 KeiluVision2 作为编程工具，用 Proteus 进行实物制作前的 14 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 仿真，Keil 作为现在主流的单片机编程工作具有操作简单，快捷的优点，同时 可以与 Proteus 联动方便调节和仿真，另用 STC-ISP V31 将程序下载至单片机 上运行。下面对涉及到的软件作进一步的介绍。 4.2.14.2.1Proteus 软件介绍软件介绍 Proteus 软件是来自英

36、国 Labcenter electronics 公司的 EDA 工具软件。 Proteus 软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它 EDA 工具 一样的原理布图、PCB 自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能 是，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图 的虚拟原型上编程，并实现软件源代码的实时调试，如有显示及输出，还能看 到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等。 Proteus 组合了高级原理布图、混合模式 SPICE 仿真,PCB 设计以及自动布 线来实现一个完整的电子设计系统。 4.2.24.2.2 KEILK

37、EIL 80518051 开发工具开发工具 Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软 件开发系统，与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有 明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用 C 来开发，体会更加深刻。 Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows 界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体 会到 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑， 容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 4.34.3 软件结构

38、图软件结构图 软件设计的主要功能是完成分时计费，程序流程图如图 4.1 所示： 15 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 结束 开始 报警 程序初始化 是 读取 ADE7758 读取完成？ 否 计算余额 余额是否 为 0？ 否 检测标志位 键盘扫描 LCD 显示 检测中断？ 是 否 是 图 4.1 主程序流程图 4.3.14.3.1 电压电流采集子程序电压电流采集子程序 电压电流采集子程序主要实现对电压电流信号的同步采样，其程序流程图 如图 4.2 所示： 16 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 打开电源 程序初始化 检测信号 传输给 AD 转换端 口 关闭电源 否

39、是 图 4.2 电压电流子程序图 4.3.24.3.2 AD 转换子程序转换子程序 AD 转换子程序主要是实现将采集的电压电流信号进行 AD 转换， 得到单片 机能处理的数据，并计算出直流功率大小，然后锁存功率，电流，电压数据， 以供显示。其程序流程图如图 4.3 所示： 打开 AD 电源 初始化 AD 转换 停止转换保存 转换是否完成 否 是 是 图 4.3 AD 转换子程序图 17 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 5 5 系统调试系统调试 随着各种智能电表的应用与普及，这一技术在科学研究，生产过程等领域 中发挥着越来越重要的作用。在科技社会的今天，人们对电表的计精度、稳定

40、性以及综合利用等要求愈来愈高。因此，对电路的精确调试是必不可少的一步， 为保证设计的质量，我们小组对本次设计中的软硬件进行了分块调试。 5.15.1 单片机及单片机及 LCD1602LCD1602 显示部分显示部分 在按照原理图将单片机的最小系统焊接完成后，我们用 STC-ISP 软件对其 进行下载程序的调试，如图 5.1 所示： 图 5.1 程序烧写 LCD1602 显示部分，在 Proteus 软件中进行了仿真，运行结果如图 5.2 所 示，在确认仿真可行后，我们调用单独的显示程序，能正常显示。 图 5.2 1602 仿真图 18 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 5.25.

41、2 万用板电路部分调试万用板电路部分调试 由于焊接的问题，首先需要检测电路是否导通，连接是否通畅。万用板电 路主要分成三块：电流互感器 TA32B-M、电压互感器 TV31 作为信号转换，将 220V 转换为电能处理芯片需要的信号，时钟芯片 DS12C887 进行计时，电能处 理芯片 ADE7758 对转换后的电流电压信号进行处理，计算出负载消耗的有功、 无功、视在功率，并将所得信号进行存储。 调试过程中，首先应对电流、电压互感器的输出端信号进行检测，包括信 号的大小（是否符合 ADE7758 所需信号） 、波形是否符合要求，另外则应注意 检查电流电压互感器与 ADE7758 的连接是否正确。

42、在确定电流、电压互感器能 正常工作后，就要开始调试芯片 ADE7758，首先，该芯片是一款贴片芯片，在 经过转接板变为双列直插式后，容易出现短路情况，所以应用万用表对各个引 脚进行测试。其次，应该注意检查连线过程中的接触问题，开始时没有注意， 结果发生了干扰，对于这一问题，就是将各个引脚的连线接牢。对于时钟芯片 DS12C887，这款芯片的管脚需要特别加以注意，认真阅读芯片资料，否则容易 将控制信号线和数据线的位置连接错误，硬件电路的调试主要使用万用表、示 波器完成，主要需要注意防止短路，保证各元件在正常上电时的安全。 在本次设计中，硬件部分的调试比较顺利，软件部分就相对较难。分时计 费功能在

43、软件部分的程序中实现较为容易，主要是分清各个时间段的收费标准， 在按键的设计上，采用了复用的思想，在程序中运用了五个键盘扫描，大大减 少了按键的个数。在软件的调试过程中，出现了一些问题，由于程序较长，有 好几个全局变量比较混乱、在和硬件的对应过程中，我们发现在画原理图时将 单片机的 P0 口复用了多次，这个问题一度让我们的设计处于停滞状态，后来， 我们将软件中不同部分使用的端口进行了逐一的修改，才将这个问题解决。 19 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 6 6 系统功能、指标参数系统功能、指标参数 由于时间和条件的显示，次次智能电表只是简略的实现其功能，在实物的 构架中，利用一块

44、单片机开发板，并自己利用万用板搭建了其他的外围电路， 因此该硬件总共分为三大部分：电源部分，采集部分，核心处理部分。 6.16.1 系统能实现的功能系统能实现的功能 本系统实现的功能是分时段计费。主要实现以下功能： （1）用户在 220V 电压下所用功率的计算。 （2）显示用户各时段所耗功率。 （3）具有应用 LED 实时显示各时段费用及总费用功能。 6.26.2 系统指标参数分析系统指标参数分析 电源部分使用 220V 交流电，通过变压器变压为 9V 之后，利用一块 L7805 稳压芯片，很好的得到了一个较为稳定，且接近 5V 的电压，误差在+0.02V 左 右，可以利用其很好为单片机与核心

45、芯片进行供电，但在此次设计中由于经费、 时间有限，并未采用原定供电方案，而是直接采用了 USB 接口供电。采集电路 部分，也是自己利用万用板搭建，运用电压互感器，电流互感器为核心，进行 变压采样，变压后的电压理想值为 0.5V，由于实际环境等影响，其电压真实值 为 0.57V，但不会对功率计算造成太大的影响，电压电流信号进 ADE7755 之后， 即可由单片机进行读取，获得有功功率，用于计算电价，在制作过程中，可以 测量电脑的负载功率，可以用 15W 的灯泡作为用户的负载, 20 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 7 7 结论结论 本次系统以单片机为控制核心，实现了电路电压电流的

46、采样，并最终分时 计费。LED 能随着按键控制显示被测功率，并能通过按键切换显示电压电流大 小，在超过量程时数码管闪烁报警。 本系统设计可推广到各种电子测量系统中，实现直流电路各参数的测量。 在生产生活中，本系统简单明了为生活带来便利；在工业生产中，可以加以各 种适当变化，进行电路参数的自动测量，如对电路负载的直流电压、电流和功 率自动测量显示。进而可以随时的观察到电路的变化，进行电路的检测，维护。 如在电路系统中可以根据不同的负荷得到不同的电压信号，再由电压信号得到 各种参数了解电路负荷的变化，以便实时检测。实现系统的自动化调度。综上 所述，该系统的设计和研究具在社会生产和生活中具有重要地位

47、。 本系统设计实现了电路的直流输入功率的测量，并能通过键盘切换显示负 载电压和被测电流。当被测电压高于 25V 或电流高于 2A 时，数码管将闪烁，作 为超过量程的报警功能。但是由于以前做的实践性工作不是很多，设计的器件 不够精确和环境不够专业，该系统设计并不能实现精确的功率测量，但是由于 时间的限制，以没有在进一步的改进，这和工业生产生活中的要求还有差距。 该系统的进一步研究应该从提高采样精度和系统工作电压的稳定性出发，取得 更精确的测量结果。 21 西华大学电气信息学院智能化测控应用系统设计报告 8 8 总结与体会总结与体会 此次课程设计作品是基于单片机的分时计费智能电表的设计，通过对电路

48、 负载电压和电流的采样，对采样进行 AD 转换，再根据功率计算公式，由UIP 单片机计算并控制 LCD 动态显示。 总的来说，我对这门课是热情高涨的。第一，我从小就对这种小制作很感 兴趣，那时不懂焊接，却喜欢把东西给拆来装去，但这样一来，这东西就给废 了。现在智能化测控应用系统设计正是学习如何把东西“装回去” 。每次完成一 个步骤，我都很有“成就感” 。第二，智能化测控应用系统设计，是以学生自己 动手，掌握一定操作技能并亲手设计、制作、组装与调试为特色的。它将基本 技能训练，基本工艺知识和创新启蒙有机结合，培养我们的实践能力和创新精 神， 。作为信息时代的大学生，作为国家重点培育的高技能人才，

49、仅会操作鼠标 是不够的，基本的动手能力是一切工作和创造的基础和必要条件。 通过四个星期的学习，使我们对智能化测控应用系统的理论有了初步的了 解。我们了解到了焊普通元件与电路元件的技巧、工艺流程、功率计的工作原 理与组成元件的作用等。这些知识不仅在课堂上有效，对以后的电子工艺课的 学习有很大的指导意义，在日常生活中更是有着现实意义；也对自己的动手能 力是个很大的锻炼。实践出真知，纵观古今，所有发明创造无一不是在实践中 得到检验的。没有足够的动手能力，就奢谈在未来的科研尤其是实验研究中有 所成就。在实习中，我锻炼了自己动手技巧，提高了自己解决问题的能力。比 如做功率计组装与调试时，好几个焊盘的间距特别小，稍不留神，就焊在一起 了，但是我还是完成了任务。 。我觉得自己在以下几个方面与有收获： 1、对智能化测控应用系统设计的理论有了初步的了解。我们了解到了焊普 通元件与电路元件的技巧、功率计的工作原理与组成元件的作用等。这些知识 不仅在课堂上有效，对以后的电子工艺课的学习有很大的指导意义，在日常生 活中更是有着现实意义。 2、对自己的动手能力是个很大的锻炼。在实习中，我锻炼了自己动手技巧， 提高了自己解决问题的能力。比如在焊接芯片时，怎样把那么多脚分开焊接对 我们来说是个难题，可是经过训练后，我们做到了。虽然在实习中会遇到难题， 但是从中我学到了很