多用户电子式电能表的设计

课程设计报告

课程名称：单片机在电力系统的应用课题名称：多用户电子式电能表的设计班级：电气工程及其自动化

姓名：

学号：

2010年07月3日

前言

多用户电子式单相电能表采用单片机作为中央处理器，每块电能表可对多达24户的用电情况进行集中检测、循环显示。各户的用电量可以就地读取。多用户电子式电能表采用了“分户用电、集中检测”的方式，与传统感应式电能表相比，有效地提高了电能计量的准确性，而且整机体积小、质量轻、安装方便。

在多用户电子式电能表的前面板上有8位LED显示器，前两位为分户号，后6位为分户用电量，所显示的用电量与分户号相对应，分户循环显示，每3s切换一户。

如果某户显示的用电量需要清零时，待电子式多用户电能表的LED显示器显示本户的用电量时，用导线将进线端子的清零控制端和信号地端短接，然后拉下电源开关，待重新合上电源开关后，清零完成。将短接的清零控制端和信号地端断开，用户用电量即可重新计量。

目录

一设计任务及要求--------------------------------------------------------2

二设计原理分析-----------------------------------------------------------

三硬件电路设计-----------------------------------------------------------2

3.1单片机电路板设计-----------------------------------------------------

3.2 +5V稳压电源----------------------------------------------------------

3.3光电隔离电路----------------------------------------------------------

3.4 AD7755相关电路--------------------------------------------------------

3.5参数设定-------------------------------------------------------------

四软件设计-----------------------------------------------------------------

4.1流程图----------------------------------------------------------------11 4.2程序内容--------------------------------------------------------------

五设计总结-----------------------------------------------------------------

六参考资料-----------------------------------------------------------------

一设计任务及要求

设计任务：多用户电子式单相电能表设计与调试

设计内容：硬件设计与软件设计。硬件设计包括：C8051F360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AD7755的电能脉冲发生器电路设计；软件设计包括：用C8051F360单片机及C语言编写具有掉电保存功能的用户电量显示程序。

设计要求：AD7755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。用户电量显示要求精确到小数点后2位，1600个电量脉冲为1度电，每个用户显示时间为3S左右。为防止突然停电而使用户电量数据丢失，要求能将电量数据保存，需要设计单片机24C16模块，使其具有掉电保存功能。

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，其工作原理框图如图3-10所示。被测量的高电压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均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的计数，显示出相应的电能。

图1 电子式电能表工作原理框图

三硬件电路设计

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：C8051F360单片机、LED/FMQ报警、RS-232通信、USB接口、电源接口、LM336-2.5、下载/复位、外接器件、5V--3.3V、两路AD输入、信号输入、PCF8563、24C16、74HC165、74HC164显示等模块。本次设计中主要用到的部分有C8051F360单片机、PCF8563、24C16和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口接拨码开关，模拟AD7755电量脉冲，PCF8563、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。

FM24C16是用先进的铁电技术制造的16K 位的非易失性的记忆体铁电随机存储器 FRAM 具有非易失性并且可以象RAM 一样快速读写数据在掉电可以保存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不象EEPROM 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性记忆体快速读写的状况下非常理想举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可靠的实时采集数据 FM24C16为使用串EEPROM 的用户提供了便利它在硬件上可以直接替换EEPROM 。以下是电路板的相关电路图。

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DS18B20稳压 0000000000000000000000000000接口

00排阻74HC165

24C16

PCF8563

信号输入

两路AD 输入

外接器件

下载/复位

5V--3.3V

LM336-2.5

LED/FMQ 报警

C8051F360

RS-232通信

USB 接口

电源接口

74HC164显示

图2 74HC164显示电路

O SC 11

O SC 02/INT 3V SS 4

SD A

5

SC L 6C LK 7V DD 8

PCF 8563

U 13

+3.3

R 185.1K

C Y232.768KH z

C 815pf

P1.6P1.3

C 9104/0.1uf

N C 1

N C 2N C 3G ND 4

SD A

5

SC L 6T ES T 7V CC 8U 12

A T24C 16

+3.3

C 7104/0.1uf

R 175.1K R 20 5.1K R 195.1K

+3.3

+3.3

C 730p

C 630p

R 51K

P0.41P0.32P0.23P0.1

4P0.05A GN D 6A V+7R ST /C2CK 8P4.6/C 2D

9P4.510P4.411P4.312P 4.213P 4.114P 4.015P 3.716

P 3.617G N D 18V D D 19P 3.520P 3.421P 3.322P 3.223P 3.1

24

P3.025P2.7

26P2.627P2.5

28P2.429

G ND

30

V DD

31

P2.3

32

P2.2

33

P2.1

34

P2.0

35

P1.7

36

P 1.6

37

P 1.538P 1.439P 1.340P 1.241G N D 42V D D 43P 1.144P 1.045P 0.746P 0.647P 0.5

48C 8051F 360

U 14C Y111.0592M

P0.2/R X D P0.1/TX D

+3.3

+3.3

+3.3

+3.3

P1.7P3.0R ST/C2CK P4.6/C 2D

P4.5P4.4P4.3

P 4.2P 4.1P 4.0P 3.7P 3.6P 3.5P 3.4P 3.3P 3.2P 3.1D A P 0.4

P0.3P 1.2P 1.5P 1.4P 1.3P 1.6P 0.7P 1.1P 1.0+5

PR2 5.1K*8排阻

C H12C H11

C H7

C H8

C H 15

C H16测试

测试

1234567816

1514131211109

U 16

SW-DIP8

DA C

图3 24C16与C8051F360连接电路