单相单用户电能表的设计_课程设计(编辑修改稿)

单相单用户电能表的设计_课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

本次设计中主要用到的部分有 C8051F360单片机、 AT24C16 掉电存储、 74HC164 驱动数码管 显示 以及 74HC165 按键等模块，下面将详细介绍各模块。 C8051F360 单片机电路部分 C8051F360 单片机为主要 控制 部件，其电路图如下图 所示。 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 存储器还具有在系统重新编程能力，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功耗。 其 、 口产生的脉冲向 74HC164显示输送数据，使其显示相关信息； P2口接拨码开关，模拟 AD7755 电量脉冲；PCF856 24C16 部件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。 山东科技大学课程设计 第 9 页 共 35 页 图 C8051F360单片机电路 单片机电路设计中 P2口接一并排开关，此设计中只用到 口，实现了对单用户电脉冲输入的模拟； 和 接八段数码管控制其显示； 和 分别接 AT24C16 的 SDA 和 SCL 管脚来控制存储部分的电路； 、 和 这三个口分别与 74HC165 芯片的对应管脚相连接，来实现用户电量按键清零的功能。 +5V 稳压电源的设计 电源电路是整个系统能稳定工作的前提和关键，系统中的各个单元电路都需要使用直流电源供电，本设计采用自制电源供电方式，将 220V 交流市电通 过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路整流和滤波，在固定式三端稳压器的两端形成一个并不十分稳定的直流电压，此直流电压经过 W7805 的稳压和电容的频率补偿，便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。 山东科技大学课程设计 第 10 页 共 35 页 用 Multisim电路仿真软件制作出的 +5V稳压电源 电路图如下图。 图 +5V稳压电源电路图 将图 中的 +5V 稳压电源 电路图进行 仿真 ，其 结果 如下图 所示。 图 +5V直流稳压电源仿真结果 山东科技大学课程设计 第 11 页 共 35 页 74HC164 驱动 LED数码管显示的设计 图 74HC164驱动LED数码管显示电路 山东科技大学课程设计 第 12 页 共 35 页 如图 所示为 74HC164 驱动 LED 数码管显示电路，设计中单片机的、 口产生的脉冲向 74HC164 显示输送数据，使其显示相关信息，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。 电路设计中 74HC164 是高速硅门 CMOS 器件， 是比较典型的移位寄存器， 它与低功耗肖特基型 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（ DSA 或 DSB）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，其管脚图 如图 所示。 74HC164 的使用原理为： 时钟信号从低电平变为高电平的时候将输出一个数据到输出端 D0，当时钟第二次由低电平变为高电平的时候将输出第二个数据到D0，而第一个数据将转移到 D1 端口。 依此类推，每一个时钟周期中都有一个串行数据输出到 D0，而其他的数据则不断往高位移动直到所有数据传输结束。 如果不再有时钟周期输入，则这些数据将暂存在输出端。 图 74HC164引脚图 数码管由 8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字 0 字符 A  F、 H、 L、 P、 R、 U、 Y、符号“ ”及小数点“ .”。 数码管的外形结构 连接 如 下 图 所示。 山东科技大学课程设计 第 13 页 共 35 页 图 数码管管脚连接图 通过以上对 74HC164 驱动数码管显示电路各个模块的介绍，联系单片机的控制原理，可得到 C8051F360单片机 控制 74HC164驱动数码管显示的具体过程如下：单片机 外接 8 片 74HC164 作为 8 位 LED 显示接口，把单片机的 出线， 作为移位时钟脉冲。 其中 A、 B（第 2 脚）为串行数据输入端， 2个引脚按逻辑与运算规律输入信号，共一个输入信号时可并接。 CLK为时钟输入端，可连接到 端。 每一个时钟信号的上升沿加到 CLK 端时，移位寄存器移一位， 8 个时钟脉冲过后， 8 位二进制数全部移入 74HC164 中。 Q0„Q 7并行输出端分别接 LED 显示器的 g„ e各段对应的引脚上。 在给出了 8个脉冲后，最先进入 74HC164 的第一个数据到达了最高位，然后再来一个脉冲，第一个脉冲就会从最高位移出， 8片 74HC164 首尾相串，而时钟端则接在一起，这样，当输入 8个脉冲时，从单片机 端输出的数据就进入到了第一片 74HC164 中了，而当第二 次 8个脉冲到来后，这个数据就进入了第二片 74HC164，而新的数据则进入了第一片 74HC164，这样，当第 8 次 8 个 脉冲完成后， 8位数据便显示在八段数码管上了。 24C16 芯片掉电存储的设计 AT24C16 是用先进的铁电技术制造的 16K 位非易失性记忆体铁电随机存储器 ，其 FRAM 具有非易失性并且可以象 RAM 一样快速读写数据 ， 在掉电 后 可以保存 10 年且比 EEPROM 或其他非易失性存储器可靠性更高 、 系统更简单 ， 而 不像 山东科技大学课程设计 第 14 页 共 35 页 EEPROM。 24C16 以总线速度进行写操作 ， 无延时 ， 数据送到 24C16 中 直接写到具体的单元地址下 ， 可以立即执行。 24C16 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 ， 24C16 的写能力使得它在需要对非易失性记忆体快速读写的状况下非常理想 的完成任务， 这种优势合并使得系统可以更可靠的实时采集数据。 SCL 连接 C8051F360 的 引脚为串行输入端，上升沿写入 ； SDA 连接 为串行输 出 端。 每次中断显示时写入一次 单 用户的脉冲数量，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 ， 24C16 掉电保存电路 如下 图 所示。 图 24C16掉电保存电路 由于其控制引脚较少，占用单片机口线较少，在少量数据存储中有非常大优势，因为在本设计中，我们只需将校表数据及少量的电能数据存储其中，以做到系统掉电时不丢失数据，免除每次开机时的校表过程，故选用控制引脚简洁的AT24C16 将非常的合适。 74HC165 芯片按键清零的设计 74HC165 芯片按键清零的电路图如下图 所示， 74HC165 是 8 位并行输入串行输出移位寄 存器，可在末级得到互斥的串行输出（ Q0 和 Q7），当并行读取（ PL）输入为低时，从 D0到 D7 口输入的并行数据将被异步地读取进寄存器内。 而当 PL 为高时，数据将从 DS 输入端串行进入寄存器，在每个时钟脉冲的上升沿向右移动一位（ Q0 → Q1 → Q2 等）。 设计 中用 74HC165 使能端， 作为 74HC165 脉冲输入端 作为 74HC165 输出端检测按键信息，进行清零。 山东科技大学课程设计 第 15 页 共 35 页 图 74HC165按键清零电路 AD7755 电能转换设计 电能变换电路采用 AD7755 芯片（ Ib=10A,C=1600KW/h） ,它 是脉冲输出的一种高准确度电能测量芯片， 工作时 AD7755 芯片将电流采样信号和电压采样信号送入缓冲放大器，经模拟乘法器相乘，再经 V/F 转换器转换将电压信号转换为脉冲信号， AD7755 芯片的快速脉冲输出为 1600 脉冲 /KWh，与用户使用电能相对应。 AD7755 在低频输出端提供平均功率信息，在高频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 芯片的外围封装电路、性能检测电路图及主要参数分析及计算见附录二所示， AD7755 的 功能框图如下图 所示。 图 AD7755的功能框图 山东科技大学课程设计 第 16 页 共 35 页 （ 1） AD7755 电能转换设计原理 如 AD7755 的 功能框图 所示，将电流信号转换为合适的电压信号，由通道一输入，通道一输入最大差动信号峰值为 470mV，有效值约为 330mV； 电压信号经过处理，输入到通道二，通道二输入最大差动信号峰值为 660mV， 有效值约为467mV。 两路电压信号经过 A/D 转换器、滤波器、乘法器等，将信号输入到数字一频率转换器转换为一定频率的脉沖信号。 对这个脉冲信号进行计数就可以计量用户的用电量。 可编程增益放大器的放大倍数 G 可 视情况随意选择，由 G0、 Gl的逻辑电平确定 ，通道一的 增益 选择 表 如下 所示。 表 通道一的 增益 选择 表 通过设置 SO、 S1可以选择不同的 Fl4进行选择。 脉冲输出的基本方式是从F1或 F2 输出，但是这两个引脚输出的脉冲频率较低，最高为几百个脉冲 /。 也可以选择高频脉冲输出，高频脉冲可以从 CF 端输出，脉冲数可达几千个脉冲 /。 若要使用高频则需要对 SCF引脚进行配置。 但是实际使用时脉冲频率不可太高，所以，选用这种脉冲输出方式时 通常把 SCF、 SO、 S1都接低电平，脉冲频率可以 低一些。 另外在采集电流、电压信号时，要合理选择采集方式，输入到通道一、通道二的电压。