课程设计（论文）基于单片机的多用户电子式单相电能表设计与调试.doc

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1、课程设计报告多用户多功能电能表的设计姓名： 学号： 学院： 专业： 班级： 联系方式： 学年：时间： 目录一、 设计任务及要求1二、 设计原理分析1三、 硬件电路分析3四、 软件设计3.1 单片机电路板设计33.2+5V稳压电源53.3光电隔离电路63.4 芯片相关电路73.5 参数设定103.6 用户清零电路的设计五、 软件设计4.1 流程图104.2 程序清单134.3 实验元件图22六、设计总结29一、设计任务及要求 设计任务：基于单片机的多用户电子式单相电能表设计与调试 设计目的：了解单片机在电力系统中的应用，在全面掌握单片机的功能基础上，初步接触它在本专业的应用范围。 设计内容：硬件

2、设计与软件设计。硬件设计包括：单片机整体电路设计、+5V稳压电源电路设计、光电隔离电路设计、基于单片机的电能脉冲发生器电路设计；软件设计包括：用C8051F360单片机编写具有掉电保护功能和清零功能的用户电量显示程序。设计要求：1.AD7555电能脉冲发生器电路仅作电路硬件设计，其电能脉冲由C8051F360单片机P2口所接拨码开关产生的脉冲模拟；2.用户电量显示要求精确到小数点以后三位；3.1000个电量脉冲为1度电；4.每个用户显示时间为3s左右；5.为防止突然停电而使用户电量数据丢失，需要设计单片机24C621模块，使其具有掉电保护功能；6.为了能够方便记取各个用户电量，需要为每一位用户

3、设计清零程序。二、设计原理分析电子式电能表是在数字功率表的基础上发展起来的，采用乘法器实现对电功率的测量，其工作原理如框图所示。被测量的高压u、大电流i经电压变换器和电流变换器转换后送至乘法器M，乘法器M完成电压和电流瞬时值相乘，输出一个与一段时间内的平衡功率成正比的直流电压U，然后再利用电压/频率转换器，U被转换成相应的脉冲频率f，将该频率分频，并通过一段时间内计数器计数，显示出响应的电能。乘法器电压转换器计数显示控 制U/f变换电流变换器三、硬件电路分析3.1单片机电路板设计本设计采用的是C8051F360单片机为核心的电路板。C8051F360单片机整体电路板包含：C8051360单片机

4、、LED/FMQ报警、RS-232通信、USB接口、电源接口、LM36-2.5、下载/复位、外接器件、5V-3.3V、两路AD输入、信号输入、PCF8563、24C16、74C165、74HC164显示等模块。C8051F360单片机为主要部件，它具有片内上电复位电路、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器器件，是真正能独立工作的片上系统。FLASH存储器还具有系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户听软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省损耗。其P1.0，P1.1口产生的脉冲向74HC164显示输送数据，使其显示相关信息，P2口接拨码

5、开关，模拟AD7755电量脉冲，OCF8563、24C16不剪实时存储用户电量信息，并在掉电后保存，单片机上电复位后能够从中读取数据。FM24C16使用先进的铁电技术制造的16K位的非易失忆性的记忆铁电随机存储器FRAM具有非易失忆性并且可以像RAM一样快速写数据在掉电可以保存10年且比EEPROM或其他非易失忆性存储器可靠性更高系统更简单。FM24C16以总线速度进行写操作无延时数据送到FM24C16直接写到具体的单元地址下可以立即执行FM24C16可以承受超过100亿次的读写或者是比EEPROM高一万倍的写操作。FM24C16的写能力使得它在需要对非易失忆性记忆体快速写的状态下非常理想。举

6、例说数据采集系统中对写入数据的频率要求高即速度要求非常快，使用EEPROM可能丢失数据，这种优势合并使得系统可以更靠靠的实时采集数据。以下是电路板的相关电路图：（C8051F360P1.2接PC8563P1.6口，C8051F360P1.6接PC8563P1.3口）3.2 +5V稳压电源电源是电能表设计的重要部分，其设计的好换对整个系统的性能有较大影响。此次设计使用的稳压电源是由MC7805实现的，输入电压220V，输出电压+5V。集成三端稳压器稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、容易设计和制作、体积小、重量轻、成本低、维修简单。7805集成三端稳压器的典型应用电路如图所示，这是一个输出+

7、5V直流电压的稳压电路。IC采用集成三级管稳压器7805，C1、C2分别为输出端和输入端滤波电容，RL为负载电阻。电路如下图：3.3 光电隔离电路在实际应用中，许多电路连接之间需要非直接的连接，从而在提供数据的同时避免来自系统某一部分的危险电压或电流对另一部分造成破坏，造成这种破坏的可能是电源质量低劣、接地故障等各种故障。电路隔离的主要目的是通过隔离元件把干扰的路径切断，从而达到抑制干扰的目的。选用光电隔离法，光电隔离 元件里包含两个基本元件：光发射元件和光接收原件。因为光电隔离元件中的光发射元件和光接受云间是以光的形式互相联系的，在电气上没有直接相连，从而达到在电器上的隔离作用。光电耦合的主

8、要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，工作稳定。光电耦合电路如下图3.4 ADD7755相关电路AD7755是AD公司推出的脉冲输出的一种高准确度电能测量芯片，AD7755在低输出端提供平均功率信息，在高输出端输出频率正比有效功率的脉冲，AD7755还有自校准功能。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，AD7755一直保持复位状态。党AD7755降到4V以下，AD7755也被复位，此时F1、F2和CF都没有输出。AD7755相关电路图如下，来自网络资料：3.5 参数设定+5V稳压电源的参数：变压器副边绕组的交流电压有效

9、值，整流元件的参数，电容C1、C2的数值以及集成三端稳压器的选用。参数计算：1)电容：2）变压器欺负边绕组的交流电压有效值：3）桥式整流电路中，每个整流二极管在交流电网电压最高时承受的最大反向峰值电压为：4）变压器副边绕组电流有效值要比输出电流大，这里取5）电容C2的作用时间小稳压电源输出端有输入电源引入的低频干扰，其数值在100uF左右。四、 软件设计4.1 流程图设计4.1.1 主函数流程图4.1.2 AT24C16读写函数流程图4.1.3 用户扫描函数流程图4.1.4 数码管显示函数流程图五、附录：程序清单： $NOMOD51 $include (c8051f360.inc) CLK E

10、QU P11;/LED 时钟 DATE EQU P10;/LED 数据 PB0 EQU P2.0 PB1 EQU P2.1 PB2 EQU P2.2 PB3 EQU P2.3 PB4 EQU P2.4 PB5 EQU P2.5 PB6 EQU P2.6 PB7 EQU P2.7 ORG 00H LJMP MAIN ORG 0BH LJMP T0_INT ORG 0100H/主程序/MAIN: LCALL CHUSHI LCALL RD01MAIN1: MOV 20H,P2 ; 读取外部P2口状态 MOV TMOD,#01H MOV TH0,#0D5H MOV TL0,#0A0H ; 利用计数器

11、T0读取外部脉冲 SETB ET0 SETB EA SETB TR0BEGIN: MOV R0, #60H MOV R7, #1HLOOP: MOV A,R0 MOV B,#10 DIV AB PUSH ACC MOV A,B LCALL XS;显示个位 POP ACC MOV B,#10 DIV AB PUSH ACC MOV A,B LCALL XS;显示十位 POP ACC MOV B,#10 DIV AB PUSH ACC MOV A,B LCALL XS;显示百位 POP ACC MOV B,#10 DIV AB PUSH ACC MOV A,B LCALL XS;显示千位 MOV

12、A,#10 LCALL XS;显示 MOV A,R7 LCALL XS;显示户名 LCALL XS LCALL XS INC R0 INC R7 LCALL DELAY CJNE R7, #9, LOOP LCALL WR01 LJMP BEGIN/初始化程序/CHUSHI: /MOV SFRPGEN,#01H MOV SFRPAGE,#0FH MOV P1MDIN,#0FFH MOV P1MDOUT,#0EFH ;推挽输出 MOV XBR1,#40H ;交叉开关使能 MOV PCA0MD,#00H ;关闭看门狗clear Watchdog Enablei /MOV FLKEY,#0a5H M

13、OV PSCTL,#13H MOV OSCICN,#83H ;内部振荡器允许，不分频 RET/中断子程序/T0_INT: MOV TH0, #0D5H MOV TL0, #0A0H PUSH ACC MOV A, 20H MOV 20H, P2 JNB ACC.0, BJ1 NEXT1: JNB ACC.1, BJ2 ;判断外部脉冲的状态 NEXT2: JNB ACC.2, BJ3 ;判断外部脉冲的状态 NEXT3: JNB ACC.3, BJ4 ;判断外部脉冲的状态 NEXT4: JNB ACC.4, BJ5 ;判断外部脉冲的状态 NEXT5: JNB ACC.5, BJ6 ;判断外部脉冲的

14、状态 NEXT6: JNB ACC.6, BJ7 ;判断外部脉冲的状态 NEXT7: JNB ACC.7, BJ8 ;判断外部脉冲的状态 JMP DONE BJ1: JB PB0,ADD1 ;与原来外部的状态进行比较 JMP NEXT1 ;若相等则继续读外部状态 BJ2: JB PB1,ADD2 ;若不等则相应的用户的脉冲数加一 JMP NEXT2 BJ3: JB PB2,ADD3 JMP NEXT3 BJ4: JB PB3,ADD4 JMP NEXT4 BJ5: JB PB4,ADD5 JMP NEXT5 BJ6: JB PB5,ADD6 JMP NEXT6 BJ7: JB PB6,ADD7

15、 JMP NEXT7 BJ8: JB PB7,ADD8 JMP DONE ADD1: INC 60H JMP NEXT1 ADD2: INC 61H JMP NEXT2 ADD3: INC 62H JMP NEXT3 ADD4: INC 63H JMP NEXT4 ADD5: INC 64H JMP NEXT5 ADD6: INC 65H JMP NEXT6 ADD7: INC 66H JMP NEXT7 ADD8: INC 67H DONE:POP ACCRETI/显示子程序/-显示子程序-XS: PUSH ACC MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR MOV R4,#08

16、hRR1: RRC A JC SET1 JNC SET0SET1: CLR CLK SETB DATE SETB CLK DJNZ r4,RR1 JMP RETURNSET0: CLR CLK CLR DATE SETB CLK DJNZ R4,RR1RETURN: POP ACC RET/延时子程序/DELAY: MOV R2,#0ffH MOV R3,#0ffH MOV R5,#07H LOOP0001 :NOP DJNZ R2,CC01 LJMP CC1 CC01: LJMP LOOP0001CC1: DJNZ R3,CC02 LJMP CC2 CC02: LJMP LOOP0001CC

17、2: DJNZ R5,CC03 LJMP CC3 CC03: LJMP LOOP0001CC3:RET/往XRAM写数据子程序/WR01: MOV EMI0CF ,#20H MOV DPTR,#0100H MOV R0,#60H MOV R7,#00HLOOP2: MOV A,R0 INC DPTR INC R0 INC R7 CJNE R7,#08,LOOP2 RET/读XRAM的数据/RD01: MOV EMI0CF , #00H MOV DPTR , #0100H MOV R7 , #00H MOV R0 , #60HLOOP3 : MOVX A,DPTR MOV R0 , A INC R0 INC DPTR INC R7 CJNE R7 , #08H , LOOP3 RET/TAB 数据列表/TAB: DB 88H,0EBH,4CH,49H,2BH,19H,18H,0CBH,08H,09H,7FHEND 4.3 附录二：实验元件图 六、实验总结 通过单片机课程设计，熟悉了单片机的原理和应用，对汇编语言有了进一步的了解和认识，并在调试程序的过程中锻炼了动手能力和分析问题的能力。通过与同学的交流最终完成了实验，积累了经验和知识。通过实验巩固了以前所学的知识，所学课本知识得到了很好的整合，受益匪浅。 2012/1/5