基于89c52单片机电量计费器

1、毕昇rigol杯”全国大学生电子创新设计竞赛2012年“毕昇rigol杯”全国电子 创新设计竞赛基于stc89c52单片机智能电量计费器学 校：广东技术师范学院参赛队员：林安全黄锋琪林圻指导老师：施金鸿 伍银波&于stc89c52单片机智能电量计费器摘要通过调杳社会需求，我们可以发现数字电能表是以f的发展趋势，它能够力便实现与上位机 通信来实现统一管珂，本课题“基于stc89c52单片机智能电量计费器”分为存储部分、采 样部分、读卡部分、人机交换部分、吋钟模块、数据存储部分和数裾处理部分。核心处理部 分是采用stc89c52单片机，实现系统的精致化，其主耍功能是可以独立地完成电能数据的

2、 采集和处理等工作，并确仅电能数裾的准确、完整与nf卷，能对电能虽进行实时监测和计数。关键词：电量采样、电量计费、stc89g52单片机、id卡intelligent electric energy meter of stc89c52abstractthrough the investigation of the needs of society, we can find that the digital electric energy meter is development trend in the future, it can facilitate the realization of

3、plc and pc communication to achieve unified management. this subject" intelligent electric energy meter of stc89c52" is divided into storage, sampling part, a card reading part ,the man-machine exchange section part, clock module, data storage section part and data processing part. the cor

4、e processing is part of the stc89c52 development board, realize the system refined， its main function is can independently complete the electric energy data acquisition and processing and so on, and ensures that the electric energy data is accurate, complete and reliable, and monitoring of electric

5、energy and electric energy counting real time.key words: power sampling; calculating energy cost; stc89c52 development board; id card目录一、系统简介 5（一）控制模块：5（二）电源模块：7（三）采样模块：10（四）读卡模块12（五）人机交换模块13（六）时钟模块14（七）数据处理模块1s（八）数据存储模块19二、特色列举19三、技术说明20四、系统适川范围21参考文献22致谢 23附录 24系统简介控制模块：方案1:机械式电表，电表闪部冇电压线圈和电流线圈，川电

6、时电压线圈和电流线圈相互作 用产生电磁场，推动电表内的转子转动，转子再推动计度器id录用电景。如果电压线圈上的 电压反昀或流过电流线阁的电流反叫，电磁场就会反叫，使转子反转，进而计度器反叫计度。 但是容易发生盗电，窃电，而.r.计算精度低。方案2:采用单什机stc89cs52作为控制器，核心处理芯片釆用高性价比的单什机stc89cs52。 它集成度高，只有20个管脚，易于电路设计的小型化，迅然体积小，似足功能齐全，完全 满足产品的功能需要。片pj置通用8位巾央处理器和flash存储单元，功能强大。stc89cs52 单片机讨以为您提供许多高性价比的应用场合。m时利用继电器作为幵矢，控制用户端电

7、源 的提供。综上所述，我们选择方案2进行本项课题。流程图:电源模块本设计采川电子电路最常用的电源电路，川一个三端稳压集成电路芯片7805构建5v稳压 电源输出，为其它模块提供电源。它使用非常广泛，经过了前人的多次验证和完善，技术己 经非常成熟。电源模块3oc°f?+l|ifdidiodedianyuanconstantvinghvoutdcm5u3-cio loonf三端稳压集成电路7805芯片介绍。电了产品中，常见的三端稳压粜成电路冇正电压输出的78x x系列和负电压输出的79x x 系列。顾名思义，三端tc是指这种稳压用的集成电路从有三根引脚输出，分別是输入端、 接地端和输出端。

8、它的样子像足普通的三极管，t0-220的标准封装，也有9013样子的t0-92 封装。用78/79系列三端稳压1c来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来町靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压tc型兮中的78或79 j5面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6v，7909表示输出电压为负9v。在实际应用屮，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件卜不用），因为当稳压管温度过高吋，稳压性能将变差，甚至损坏器件。当制作中需耍一个能输出1.5a以上电流的稳压电源,通常采用几块三端稳压电路并联起来,使其最大输

9、出电流为n个1.5a。但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用一厂 家、同一批兮的产品，以保证参数的一致。：w外在输出电流上.衍冇一定的余量，以避免个别 集成稳压电路失效时导致k他电路的连锁烧毁。卜*而简单w顾一卜稳压管的工作原理。稔ft管的伏安特性及符号稳压管动态电阻稳压管也足一种晶体二极管，它足利川pn结的击穿区具有稳定电压的特性來工作的。它跟 常规二极管的用法刚好相反，正常工作吋的状态是加反向电压。稳压管的主耍参数如卜、1）稳定电压uz。uz就是pn结的击穿电压，它随工作电流和温度的不同而略冇变化。对于 同一型号的稳压管来说，稳压值存一定的离散性。2）稳定电流iz。稳压管工作时的参考

10、电流值。它通常有一定的范围，即izminizmax。3）动态电肌rz它是稳压管两端电压变化与电流变化的比值。整个电源模块岀来是一个稳定的5v,主耍提供给单片机、继电器以及通过5v转12v的 d125h电路m 1d卡感应部分提供电源，这样子就能保证单片机的正常运行，同吋利川继电 器开关电路来控制用户端的220v供成，使其达到控制的作用。木课题用到的继电器室 hk4100f,其特点足性价比髙耐压强，适合做电源的控制开关。继电器开关电路：电源模块框图:采样模块该部分为整个作品的核心部分，如何准确丼且稳定地采集电景数据是很关键的。而木作品釆 川的足ad1公司生产的ad7755计费芯片。足核心部分，怎样

11、准确稳定地采集电量数据是关 键。这里我用到了 ad7755芯片。ad7755是一种高准确度电能测m芯片，其技术指标超过 iec1036规定的准确度耍求。ad7755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）都使川数字电路，这使adh55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引脚f1和f2以较低频率形式输出存功功率平均值，能直接驱 动机电式计度器或与微控制器（mcu）接u。引脚cf以较岛频率形式输出有功功率瞬吋值, 用于校验或与mcu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

12、复位状态；当avdd降到4v以下，ad7755也被复位， 此时n、f2和cf都没冇输出。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侃证ad7755 在空载吋没侖潜动。通过计算对电压电流进行采样，我们算出芯片的频率与功率之比为：1.62 （a=f/p=1. 62,详细数据请看附录a） , ad7755有24脚dip和ssop两种封装。其内部结构和 工作原理如f:ad7755内部结构:go g1avddvagnd-o-ad7755躍: ac/dc dvdd dgnd 0(2>-人.人.人 纖戲*，？<&

13、lt;yv1pv1nx1, x2, x8, x16v2pv2nadc*v .>»*i.<*>»參參像 參攀嚳參蠡鏞 參參鲁籲攀參*曇參攀爆參眷嚳參參 b &-f.r川| (h i n 1 /"": :i vmpi:;: 參 * 參嚳*參 攀* 會參攀參鬱鬱 嫌修參參參 * 嘯*«»»*參»«««.毳-1<- oc* i| o c . . 參 參雜讀隹參 參 參.,资乘銮器v_yv參鬱攀攀 攀* 鲁參參參參m « « «參參參

14、參瘙參參參钃鲁參* 參蠡參蠡參 * ««*»* 參 » 雜* *» * a * «.11 i i.畺 * v 獻 > .- v w«* «驚譯 屬 « « 通 - -嚳參* 參參*»»攀 *»» 參嚳鬱 參* 攀攀 參嚳嚳鲁參攀攀拳 « 攀攀着 .11011 卿么* 倍号处理屯路難法器tx：x<:從:./ 攀«««««參參 * »*參參 參 穩峰攀* *參參 鲁鲁看 番 :&

15、lt;*:<:十:2.5v基准源数字-频率转换器r(s) resetad7755工作原理:i + i 1 1 i 1ref,wout clkin clkout scf so s1 revp cf f1 f2ad7755电路阁:id卡部分id p是一种只读式低频非接触式1c卡。它靠读p器感应供电并读出存储在e2pr0m芯片中的唯一卡号（id号），卡号在封位前写入，封卡后不能更改。它靠读卡器感应供电并读取存 储在芯r e2pr0m中卡兮.无源和免接触是该芯八两个敁突出的特点，射频接口电路是关键 的核心技术，它从读卡器接收射频能量，为芯片产生电源和时钟，并采用相移键控和加载调 幅等技术实现卡与

16、读卡器间的无线通讯。该卡具有操作方便、快捷、可靠、寿命松等突出优 以，是目前最为经济的非接触忒1d卡，因而在许多身份识别甚至收费领域得到了广泛的应 用，如在贪堂和浴室等营业收费系统中的应用。这类非接触式1d卡收费系统叫以通过后台 计算机管理系统的支持，该系统吋川于电3的收费中。木文在简单介绍系统硬件设计的葙础 上，详细分析了系统的软件设计.并提出了一种基于散列表的单片机快速査找算法。该算法 可大大提高系统的处理速度，是系统实现的关键。本课题主耍利用id卡作为用户电级充值 的手段，通过1d卡模块向单片机提供倍号，从而单片机系统控制继电器开关电路，使得在 金额不足的情况下，断开用户端用屯。打p后，

17、id卡模块再向单片机提供信号，使得继电 器重新导通，用户重新获得用电。该卡功能在木课题中，每打一次卡就充值一定金额，这样可以保证系统和金额的完整性。id卡模块框图：人机交换模块木课题当中，人机交换是通过按键米实行的，k中对应p3. 7是整个系统的兌位键和初始化, 还有一个中断按键是对放功能转换，然后按下p1. 6和p1. 7来进行初始位的加减，以上所述 的这些人机交换模式，在实际中可以通过vb软件对单片机进行读写和监督，也可以利川 cortcx-m3通过嵌入式形忒加入以人网与计电系统进行连接，然后进行系统的运行和监督。这是我们这产品发展的方句3qi/oo-4ondjj4gndrst+5dian

18、yuan丁 1ds1302n-1gndr7i<nlkq按键部分:j5 cllopf10kqk543|r415 rlkqr6gmdk6t±pl 3plgmdc2;p1.0/t2vccp1.1/t2exado/po.opl.2ad1/p0.1pl.3ad2/p0.2pl.4ad3/p0.3pl.5ad4/p0.4pl.6ad5/p0.5pl.7am/p0.6rstaiwp0.7p3.0/kxdvpp/heap3.1/txdnprog/alep3.2ajkto&pse14p33ajnt1ad/p2.7p3.4/t0a14/p2.6p3.5/t1a13/p2.5p3.6axwr

19、a12/p2.4p3.7axri>a11/p2.3xtal2a10/p2.2xtal1a9/p2.1gnda8/p2.020stc89c52uiplj 63938373635343332313029282726252423222140时钟模块为了能够做到实时性，本作品采用ds1320芯片，通过单片机处理，在液品显示上敁示岀实 时时间并.r.进行数据实时性，为用户捉供方便。vcc2 x1 x2 gnd 12 3 4ds1302是美国dallas公司推出的一种高性能、低功耗的实时吋钟芯片，附加31字节静态 ram,采川sp1三线接ui与cpu进行同步通信，丼可采川突发方式一次传送多个字节的吋

20、钟 信号和kam数裾。实时时钟可提供秒、分、时、闩、星期、月和年，一个月小与31天时可 以白动调整，.11.具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.55. 5v。采用双电源供屯（主电源和 备用电源），可设置备川电源充电方式，捉供丫对后背电源进行涓细电流充电的能力。ds1302 用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的 时间m时记录，因此广泛应用于测量系统中。vcci sclk i/o ce*<x1vcc2gno3ctkcex1 x21 t时钟模块框图:据处理模块木课题采stc89c52rc单片机，它集成度高、体积小，非常适合木课题的设计要求。k什内 含2

21、k bytes的可反复擦写flash只读程序存储器和128 bytes的随机存储数据存储器 (ram),兼容标准mcs-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和flash存储单元,功能强大。本课题stc89c52rc单片机是核心处理器，一方而耍处理电量的数据，另一方而耍对 继电器开关电路进行控制，从而保证整个系统的运行。主要性能参数：1. 增强型8051单片机，6吋钟/机器周期和12吋钟/机器周期可以任意选择，指令代码完 全兼容传统8051.2. 工作电压:5.5v3.3v （5v单片机）/3.8v2.0v （3v单片机）3. 工作频率范围：040mhz，相当于普通8051的080mhz,实际

22、工作频率卩j达48mhz4. 用户;、v:用程序空闽为8k字节5. 片上集成512字节ram6. 通用i/o 口（32个），复位后为：p1/p2/p3/p4是准双向口/弱上拉，p0 口是漏极开路 输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为i/o 口用时，需加上拉屯01。7. tsp （在系统可编程）/tap （在应川可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通 过串口（rxd/p3.0，txd/p3. 1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片8. 具有eeprom功能9. 具有看门狗功能10. 共3个16位定时器/计数器。即定时器to、tl、t211. 外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电

23、路，power down模式可由外部中断低电平 触发屮断力*式唤醒12. 通川异步串行u （uart）,还可川定吋器软件实现多个uart13. 工作温度范围：-40+85°c （工业级）/075°c （商业级）14. pdip 封装stc89c52rc单片机的工作模式掉电模式：典型功耗0.1 ma,可由外部屮断唤醒，中断返回后，继续执行原程序 空闲模式：典型功耗2ma 正常工作模式：典型功耗4ma7ma掉电模式n由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备t2/p1.0 t2ex/p1. 1 pl. 2 pl. 3 pl. 4 pl. 5pl. 6 pl. 7

24、rst rxd/p3. 0 txd/p3.1intq/p3. 2 int1/p3.3t0/p3.4 t1/p3.5 wr/p3.6 rd/p3.7 xtal2 xtal1 vss 12345 6 78 901234 56789z0 11111 1111123ip-40876 543 210987 65432 1 333 3 33 333222 22222 2j vccpo. o/ado po. 1/ad1 po. 2/ad2 po.3/ad3 po.4/ad4 po.5/ad5 po.6/ad6 po.7/ad7ea )ale/prog psenp2. 7/a15 p2. 6/a14 p2.

25、5/a13 p2. 4/a12 p2. 3/a11 p2.2/a1o p2.1/a9 p2. 0/a8通过合理利用上衙的单门机资源，再结合keil的c51编程开发环境，我们可以很好地编写 白己的数据处玴算法，结合仿真调试，我们的想法可以从逻辑上得到验证。单什机的资源很 灵活，其屮可编程性的特点更足让数裾处理变得简单和科学。数据处理模块椐数据存储模块本设计用的电擦除可编程芯片csi24wc016,是一个16k位屮行e2pk0m , (a)部含有2048 个8位字节catalyst它是通过i2c总线接口工作的。它的核心就是可编程e2pr0m。电擦除可编程e2pr0m能在计算机系统中进行迕线修改，并

26、能在断电的情况下保持修改结果。 串行e2pr0m芯片小巧，硬件接口非常简单，可靠性髙，具有保护性能，速度快，安全稳定， 因此在被测数据需随机保存而乂频繁掉电的场合k己成为酋选擗件。本设计采川24系列中 行e2pr0m,它是目前串行e2pr0m中用m最大的一类。24系列串行e2pr0m除其有-般串行 e2pr0m的体积小、功耗低、工作电压允许范围宽等特点外，还具有型号多、容量大、二总 线i办议，占用t/ 0 1_1线少，容呈扩展配置及艽方便灵活，读写操作相对简单等优点，它的 擦写次数高达100万次，数据保存吋间长达100年。在智能化装置中，它和单片机相配和, 正得到h益广泛的应川。i2c(int

27、erintegrated circuit)总线是一种由philips公司开发的两线式串行总线，用于 连接微控制器及其外围没备。i2c总线产生于在80年代，最初为音频和视频设备开发，如 今主要在服务器管理中使用，k中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行 杳询，以管理系统的配置或掌握组件的功能状态，如屯源和系统风扇。可随时监控内存、硬 盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。由于硬件接u非常简 单，可靠性高，正慢慢扩展到很多智能电子设备中应用，本课题的设计就是利用这种总线技 术实现与外部存储器件的通信。ycc'cc1)0.11<2 gni) 10k

28、£le0e1 he2> scl wcsdakrlnl?u1丄5em24c02mn6sr11)0.010k£7gnt)特色列举采用stc89c52单八机对整个电能呈计费系统进行控制，实现统一的优化。而利川继电器很 好地控制用户端的供电，使得屯表使用简单。感应卡的电能景计费器的设计与实现以及非接 触式1d的使川，人人解决的了使川麻烦，持久等问题。采川1d卡技术和smt工艺，具有计 鲎准确、精度稳定、安全保密、性能可靠、功能齐全、低功粍、操作简单方便等优点。技术说明电量计费系统应是一个相对独立的系统，它与其它系统功能正常与否关系不人，其主要功能 是可以独立地完成电能数据的采

29、集和处理等工作，并确保电能数裾的准确、完整与可靠， w此电能计费系统必须具有以卜特点：（一）完整性由于电能数据具有累加性和传递性的特点，任何情况下保证不能丢失电能原始数据，系统通 过在采集处理及传输等环节采川相应的技术来保证数据的完整性。（二）一致性电能系统的用户有很多，来a不m的部门和单位，任何时刻任何用户所而对和处理的电能数 据应该完全一致，既可以使任何一个对电能数据的合法处理，能同吋反映和传递到其他川户， 体现统一性和公平性。（三）同吋性山于电力市场中买卖各方的电能交易同吋进行，同吋完成，电能的统计吋段和结算费率的设 定也是以时钟为基准进行的，因而整个系统备统一的标准时钟系统，保证各个计

30、量点在m 一时刻完成电能的计虽及电能数据的带时标的存储。（四）及时性根裾不同电力市场运营的要求，对屯能数据的累加和处理根据实际要求做到准实时，对于现 货交易的电力市场则对电能数据的传输和统计周期柯较高要求。（五）灵活性电m计费系统在数据采集与传输、数裾保存和利用等方而有很人的灵活性，能在不同应用场 合和功能耍求的怡况卜'灵活统计。继电器的使用，使得电路控制变得简单容鉍，单片机可以 很好地优化整个系统。（六）安全性系统的电能原始数据不能删除，屯能计s和结算模型也只用在授权许可下j能修改，完善的 保安措施，不同等级的用设立相应的访问权限，保证电能计m的合法性和严肃性。（七）开放性一个电能s

31、计s系统涉及到多个不同的厂站，可能会采川不同的电能表计和不同的电能数裾 采集装置，以不同的数裾通信规约昀主站系统传送数据，主站系统用户也可能会以不同的万 式接入系统，或采川不同的应川环境实现不同的应川功能，这就要求系统在数裾采集，传输 和数据处理及应用等多个环节有良好的开放性，采用当今流行的各类技术标准，以适应不同 用户和应用环境的耍求。系统适用范电m计费控制器应用在电呈计费系统的前端数裾采集，设计目标主要而向出租屋的计费系 统，这样是住户免于用只有当而缴费冰能解决用电问题。产品设计定位在中低端档次，设计 的总原则是性价比高。参考文献1 谈平光.电子技术基础（模拟部分）.北京：高等教育出版社，

32、2006.1.2 牛杲光.单片机原理与接北京：电子工业版社，2008. 23 王利强等,电路cad-protel dxp 2004电路设计与实践.天津：天津大学出版社，2008. 84 李维缇,郭强编著.液晶显示应用技术.北京:电子工业出版社，2001.5 ad7755中文资料.致谢本课题设计是在我的指导教师施金鸿老师和伍银波老师的亲切关怀和悉心指导 下完成的。他们严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深 地感染和激励着我们。从题目的选择到最终完成，两位老师都始终给予我们细心 的指导和不懈的支持。同吋十分感谢组委会以及达盛科技集团的人力支持！附录a电量采样图:i/au/vp0j

33、*t)f/hza=f/pa (average)0. 312. 990. 92691. 71. 8340705581.621810950. 474.482. 10563.691.7524696050.686. 354.3187.241.6767021770. 777.265. 59029.421.6850917680.939. 158. 509514.51.7039779071. 1510. 9712.615520.61.6329118941.62181091.2912. 1615. 686425.51.62561199551.3712.8117.549729.51.6809404151.451

34、4. 1320. 488533.31.6253019991. 5915. 4624. 581440. 11.6313147341.6916. 6928. 206146.31.6414888981.7617.3730.5712491.6028157221.8718. 6534. 875557.31.6429871972.0319.7340. 051964.91.6203975342. 1220.944.30871.91. 6227317872. 1921.647. 30476.51.6171993912. 2422. 149. 50480.71.6301712992.3122.852.66885

35、.31.6195792512. 362456. 6491.91.6225282492.4424.660.024971.6160202592.4825.262.496101.21.6193036352. 5726.568. 105110.41.6210263562. 6727.773.959119.51.6157600832.7628.979.764128.51.6110024572. 7929.682. 584133. 71.6189576672. 8930.889.012143. 41.6110187392.9732. 195. 3371531. 6048333813. 0433.3101.232163.91. 6190532643. 1334.6108. 298174.51.6112947613. 1235.8111.696184.31.6500143253. 2837121.36195.21. 6084377063. 5238133. 76210. 11. 5707236843.5638.8138. 128216.81.