基于单片机原理的电能表设计

设计任务LCD设计目的IC掌握信号获取、传输、处理及检测的一般方法；综合运用已有的理论和技术，制定设计方案，掌握用电量的测量方法；IC力；计的基本技能，为今后的深入学习等奠定基础。设计要求参考利用存储电路、IC卡、单片机及其接口技术研制出一种新型电能表，设计内容包括：IC设计合理的计算测量电路；ICLCD应用程序，并对程序作详细的分析和解释。列出制作该装置的元器件，搭建试验电路，并进行试验验证调试。撰写详细的设计技术报告。设计方案与技术分析ICLCDEEPROM1AT89C51IC控制等功能。AT89C51单片机简介Ⅰ、89C51单片机的基本组成本电能表的硬件设计原则是在低功耗的前提下，实现多功能目的，该芯片功耗低，特别PAGEPAGE31适用于电能表控制线路多、功能全、功耗低的要求。它能方便地读取ICEEPROM89C51一个8位的微处理器CPU。片内256字节数据存储器RAM/SFR/果、最终结果以及欲显示的数据等。4KBFlashROM，用以存放程序、一些原始数据和表格。（4）4个8位并行I/O端口P0-P3,每个端口既可以用作输入，也可以用作输出。16/计数器都可以设置成计数方式。5LCDLCD显示IC卡模块EEPROM存储器单片机（AT89C51）电能计量芯片电路电源电路图1硬件系统框图一个全双工UART的串行I/OPC行通信。片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。以上各个部分通过片内八位数据总线相连接。Ⅱ、89C51单片机引脚及其功能如图2所示为单片机AT89C51的引脚图。图2单片机AT89C51的引脚图XTAL（19脚：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL（18脚：振荡器反相放大器的输出端。RS9脚RST将使单片机复位。P0口3932脚P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。作为漏极开路8LSTTLP01，此时P0P3口1017脚P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/OP34个TTLP3“1”P3CPU不对P3SFR/输入线时，由内部硬件使锁存器Q1。PEROMALE10ms停止工作。但RAM，RAM电能计量芯片模块采用现在比较流行的电能计量芯片CS5460ACS5460ACrystalCS5460CS5460AΔΣ模-数转换器ADC、高速电能计算功能和一个串ΔΣIRMSVRMS23CS5460ACS5460ACS5460A具有方便的片上AC/DC系统校准功能。“自引导”的特点使CS5460A能独自工作，在系统上电后自动初始化。在自引导模式中，CS5460A从一个外部EEPROM工作时CS5460A概述Ⅰ、基本结构及功能图3CS5460内部结构图CS5460A3一个电流通道可编程增益放大器其增益为1050²一个电压通道固定增益放大器，其增益为10²两个同时采样的AD²两个高速数字滤波器²²一个功率计算引擎²一个片内电压基准²²一个持续监视串口通讯的看门狗²一个双向串行接口²一个校准用SRAMⅡ、主要特性在片计算和处理功能；可以从串行E2PROM具有ACDC看门狗定时器；（6）片上2.5V基准（60³10-6/OC）,单电源+5V或双向2.5V±10℅电源；具有功率方向输出指示；脉冲转换；具有相位补偿和系统校准功能；步进电机驱动器；内带电源监视器；10001±0.1%；<12mW；（15）电源配置：VA+=+5V,VA-=0V;VD+=+3V至+5V或VA+=2.5V,VA-=-2.5V;VD+=+3V1、控制命令字CS5460A包含一系列控制命令，对CS5460A写入指定的控制字，即可完成相应的操作。这些控制命令包括：、启动转换命令只要对CS5460A写OXE8控制命令，CS5460A即开始进行AD转换，并输出计算结果，这个命令一般在CS5460A复位操作完成后输入，以使CS5460A进入正常工作状态。0（OXFE）1（OXFF）这两个命令主要用在一连串的读写命令之前，复位串行通信接口。Power_up/HaltControl(OXAO)这个命令主要用在系统校准之前，以中断CS5460A正在执行的操作，而执行系统校准命令。10VIRGO这个命令完成指定的某项系统校准。V、I、R、G、O的说明如下：VI:00-不允许出现0001-电流通道选择电压通道选择R:0-DC1-AC校准G:0-正常操作1-执行增益校准O:0-正常操作执行偏置校准2、控制寄存器ConfigRegister(OX00)Default:=0x000001PC6PC5PC4PC3PC2PC1PC0GIEWAPH1PH0SI1SI0EODDL1DL0RSVHPFIHPFICPUK3K2K1K0K[3:0]：指示将主频MCLK分频作为CS5460A内部时钟DCLK：有效值分别为1、2、4。0001：DCLK=MCLK/10010：DCLK=MCLK/20100：DCLK=MCLK/4IHPF：电流通道高通滤波器控制位0=VHPF：电压通道高通滤波器控制位0=禁止高通滤波器，1=使用所有的滤波器RS：CS5460A复位控制位，当RS=1，CS5460A复位，复位周期至少10个机器周期DCO：当EOD=1，EDIR作为通用输出口，其输出电平由DC0决定。DC1：当EOD=1，EOUT作为通用输出口，其输出电平由DC1决定。EOD：EOUT，EDIR允许控制位。0：允许EOUT/EDIR输出（DEFAULT）1：用户定义的控制输出端SI[1：0]：00：低电平有效DEFAUL。01：高电平有效。10：下降沿有效。11：上升沿有效。EWA：允许多片CS5460A的EOUT和EDIR连接在一起DEFAULT=。GI：电流增益控制0=10；1=50；PC[6：0]：相位补偿，CS5460A没有自动相位补偿功能，通过调整PC[6：0]值可以实现-2.8度到+2.8度的相位补偿。CYCLECOUNTREGISTER（0X05）Bit23bit22bit0这个寄存器的值决定每秒钟完成计算的次数，其计算方法请参见后面的例子。PULSERATEREGISTER（0X06）Bit18bit17bit-5这个寄存器的值决定在某一功率时CS5460A每秒钟输出的脉冲数。其值的设置请参见后面的计算方法。STATUSREGISTERDRDYEOUTEDIRCRDYMATHRESIORVORPWORIRORVROREOREOORRESID3ID2ID1ID0WDTVODIODLSDO/IC状态寄存器指示CS5460Abit都会使bit001/IC：数据无效指示。读状态寄存器时判断该位可以确定该寄存器的值是否有效。LSD：低电压指示，当PFMON相对于VA-电平值低于2.5V时，该位置1。IOD：电流超界指示位，当输入电流值大于指定的满度电流时，该位置1。VOD：电压超界指示位，当输入电压值大于指定的满度电压时，该位置1。WDT：1。ID[3：0]版本标识。EOR：当计算出的能量值太大或太小超出范围时，该位置1。EOOR：当EOUTEOUT超界。VROR：电压超界。IROR：电流超界。PWOR：功率校准超界。VOR：电压校准超界。IOR：电流校准超界。MATH：（0。CRDY：转换完成。EDIR：01EOUT：EOUTDRDY：数据准备好或控制操作完成。CONTROLREGISTER（0X1C）RESRESRESRESRESRESRESRESRESRESRESRESRESRESRESRESMECHRESINTLSYNCNCPUNOSCSTEPSTOP：1=结束EEPROMBOOT模式。RES：保留。MECH：加宽EOUT和EDIR的输出脉宽。INTL：设置/INT引脚为开漏方式。SYNC：使CS5460A内部AD转换脉冲与转换命令同步。NOOSC：停止振荡器振荡。STEP：允许EOUT和EDIR输出作为步进马达驱动信号。Ⅲ、操作时序CS5460A串行口包括4条控制线：串行时钟SCL、串行数据输入SD输出SD）和片选CS，器读写时序如图4所示：图4CS5460A操作时序图CS5460A/SCLK824SCLKADC24位。上电复位后，串行状态机初始化为命令模式，等待接收有效的命令（输入串口的前8为数据寄存器输入输出数据。81624SCLKSDO8位的边界上（8，1624。同样，数据寄存器读出允许采用“命令链16个连续的读数据串行时钟脉冲后，执行写命令字（如状态寄存器清零命令，数据从SDI引脚输入，同时剩下的8位读出数据被传送到SDO16SDO8SDISDO引脚输出数据时，必须用SYNC0（NOP）SDI引脚处于选5图5CS5460A与AT89C51的硬件连接EEPROM存储器模块Ⅰ、AT24C01简介AT24C01是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行256³82.～5.5、擦写次数多（大于10000次、写入速度快（小于10m）等AT24C011，86为AT24C01图6AT24C01的引脚图SCL:串行时钟。在该引脚的上升沿时，系统将数据输入到每个EEPROM器件，在下降沿时输出。SDA：串行数据。该引脚为开漏极驱动，可双向传送数据。A0～A2:器件/页面寻址。为器件地址输入端。Wp：硬件写保护。当该引脚为高电平时禁止写入，为低电平时可正常读/写数据。Vcc：电源。一般输入+5V电压。Vss：接地。Ⅱ、硬件原理图7AT89C5124C01I2C/写校验操作。图7记忆单元硬件原理图LCD显示模块为现实多费率下对相应多项参数的显示，目前大多数相应电能表都采用液晶显示器LCD或发光二极管显示器LED。LCD的优点是一屏可以显示许多字符，工作电流小，供电系统停用图形液晶显示模块GXM12864，它内含KS0108B/HD61202CMOS技术实现的点阵图形LCD模块，有8128³64位映射DDRAM128³64KS0108BKS0107BKS0107B不与CPU和各种同步信号，比较简单。液晶显示模块GXM12864的工作原理图如图8所示。图8LCD显示模块GXM12864的工作原理图电位器R15RSTVout1DB0～DB7P0D/I、R/W线/CSA、/CSBP26、、、0P2.3在进行液晶显示模块的硬件调试时务必注意正确的接线错，否则会烧坏电路上的芯片。为避免液晶模块的损坏，在加液晶驱动电压V0/VEE比加逻辑电压VDD滞后50mV0/VEE需要比逻辑电压VDD提前50ms关断。GXM12864的引脚定义如表1所示。表1GXM12864的引脚定义引脚名称引脚名称引脚定义/CSA、/CSB、2VSSVSS数字地VDD逻辑电源+5VV0对比度调节D/I指令数据通道R/W读/写选择E使能信号、高电平有效DB0-DB78RST复位信号VEE液晶驱动电源A、K背光正电源端、背光接地端电源电路模块+5V-10V电压。本设计中系统采用电池供电，其输入电压为+3V，所以电源部分的设计要求为+3V输入，+5V和-10V双电压输出。MAX1677DC-DCLCD（0.7-5.5V）电池的空间和所需的不同电池电压与容量，灵活的选择电池的种类。9MAX1677Vin=3VVout1和Vout2，分别是+5V和-10V，+5V-10V作为液晶显示模块的背光电源。电路中的其他器件说明如下。

图9 直流电源的设计L1、L2为CoilCraft的DO1608C-103表贴磁芯电感，电感值为10Uh。D1、D216V二极管。R11R12式：R11=R12*[Vout/1.25-1]（R12的取值范围为10-200千欧姆）电阻R14和R13的比值决定了LCD对比度输出的电压值VLCD(对应图中的Vout2)需满足下面的公式：R14=R13*|VLCD|/1.25（V）（R14的取值范围为500-2000千欧姆）电阻R8和R7的比值决定了系统欠电压监测的门槛电压值VTRIP需满足下面的公式R8=R7*[VTRIP/0.614-1] (R7≤130千欧)LBO电压，LBO引脚输出为低电平。如果不是用欠电压监测的话，只需要将第三引脚接地即可。1.5VVout1连接MAX1677的第16+5VVout2连接MAX167710-10V前端电路调理模块的设计1、电压调理部分对于系统的前端电压调理部分，我们采用变比为2mA/2mA的电流互感器和高精度电阻作10220V2mA2mA/2mA1125ΩCS5460A然电阻R2RC动电容保护芯片。2、电流调理部分电流调理部分采用变比2000：1的电流互感器，然后经一精密电阻将电流信号转变成电压信号。并加入RC补测信号以差模电压的形式接到CS5460ACS5460A具有相位补偿功能（可进行-2.+2.°的相位补偿，步进0.3°，可以大大减小互感器角差的影响。图10前端调理电路实时时钟电路模块MCUlOs电源掉电情况下的时钟保护电路和备份电源自动切换控制电路RAMMCUMCU8DIPCPU23I／ODSl302DALLAS31RAM，日历时(2．5V5．5V)，功耗低芯11图11时钟芯片DSl302的接口电路采用三线串行通讯方式，/RST为通信允许信号，/RST=l，允许通信，/RST=0禁止通信。SCLK为串行数据的位同步脉冲信号。为双向串行数据传送信号。AT89C51单片机通过控制I／ODSl302X1X2的石英晶振，VCClVCC2VCCl1数据传送是以AT89C51AT89C51DSl302入一个命令字节开始。命令字节格式如图12图12命令字节格式命令字节的最高位必须为l，RAM／CK位为RAM／时钟选择位选择RAM操作，RAM／CK=0选择时钟操作A4至A0为片内日历时钟寄存器或RAM地址选择位。选择时钟操作时A4至A0为00H至06H对应日历时钟寄存器地址，分别存放秒，分，时，日，月星期，和年等信息。秒寄存器的最高位为时钟暂停控制位，该位为0时时钟振荡器暂停，DSl302进入低功耗状态，该位为1时启动时钟。地址07H为写保护寄存器，用以控制对片内日历时钟寄存器的写允许，地址08H为涓 流充电控制寄存器，控制内部涓流充电过程及充电电路的连接方式。选择片内RAMA4AORAM00H～1EH，RD／WDSl302RAM)地址，读取数据并通过I／OAT89C51，RD／W=0DSl302AT89C51DSl302RAMDSl302AT89C51I／0SCLK字节为单位，低位在前，高位在后，传送一个字节数据需要8SCLK13图13字节传送时序IC卡模块1、Mifare1射频IC卡Mifare1ICPhilipsMifare1ICS50系列微晶片，其内1KBEEPROM、数字控制模块和一个高效率射频天线模块。卡片本身不带电池供2VIC在信道保证和数据完整性方面，Mifare1标准还提供了信道检测、存储数据冗余校验、三Mifare1IC（1）1KB的EEPROM，分为16个扇区，每个扇区分为4块，每块16B，以块为存取单位。每个扇区有独立的一组）密码及存取权限设置。32具有防冲突机制、支持多卡操作。无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通信逻辑电路。101013.56MHZ。（8）106kbps的快速数据传输速率。（9）10cm（取决于天线设计。（10）工作温度范围：-20--+50。C。Mifare12、H6152图14H6152基本结构示意图H6152的基本结构如图14所示。图中，对外通信的接口为J3和J4。J37RS-232/422LEDH6152PCB板载天线电路和RS-232/422接口的集成读写模块，还提供了RS-232/422TTLH6152+5V工作频率：13.56MHz。、19200bps、38400bps57600bps4（3）接口：RS-232/422/485。天线尺寸：45mm³70mm。。电流供应：80mA。（8）工作温度：-40～+85℃.（9）最大读写距离：50mm。3、IC卡读写电路的原理及说明IC卡应用系统的硬件设计结构框图如图15所示单片机AT89C51是本设计的核心器件它主要完成了对射频卡1卡）的读写操作H6152读写器对射频卡进行读写后通过串口电平转换电路将RS－232电平转换为单片机所识别的 TTL电平，从而达到了使用AT89C51单片机来控制射频卡的读写过程。串口电平串口电平转换电路IC单片机AT89C51IC报警电路15硬件设计结构框图H6152316171816单片机模块图17串口电平转换模块图18H6152读写模块U1AT89C51P1.0H6152H6152XTAL0和XTAL1分别为反向放大器的输入和输出。该反向宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。本设计的外部时钟电路是将XTAL0(18XTAL1(19)脚分别对接外部晶体和微调电容的两端所构成。另外单片机中还带有复位端，为了安全方便，单片机采用了上电自动复位和手动复位两种。串口电平转换电路采用MaximMAX3232MAX3232TTL，然后与H6152的RS-232RS-232C和数据通信设备（DCE）之间的接口标准，是在微机接口应用中常用的一种串行通信总线标准，全称为EIA-RS-232C（ElectoronicIndustrialAssociateRecommendedStandard-232RS-232C2522229如COM19RS-232C5～15V（MARK信号5～15V表示逻0（SPACE信号，内阻为几百欧姆，可以带2500pF的电容负载。负载开路时电压不得253V13V0电能表程序设计如图19所示为电能表主流程图：开始开始电能采集实时时钟是峰电？谷电加峰电加数据存储LCD显示IC卡<5°断电图19主流程图程序如下：#include<reg51.h>#include<stdio.h>#include<intrins.h>sbitSDA=P1^3;sbitSCL=P1^4;#defineucharunsigned#definelcdP0sbitrw=sbitrs=P2^2sbite=P2^3sbitbusy=ACC^7unsignedcharcountunsignedchartimer//unsignedcountAunsignedcountBunsignedcount1 //峰值电量unsignedcount2unsignedcountunsigneddecountcountA=0;

//谷值电量voidmain() //主函数程序{countB=ReadMemory();//读电量计数模块值decount=countB-countA; //一样则开始计数；while(decount==0){count++;while(count<100){timer=readbyte(); //if(timer>12)count1++;elsecount2++ ;Remain=total-count1*0.5-count2*0.6; //计算剩余的金额write(count1);write(count2);write(Remain);}}

//向ＩＣ卡内分别写入峰值电量、谷值电量、剩余金额if(remian<5.0)flag=1;}

／／如果剩余金额不足则置报警显示位unsignedcharControl,enumeepromtypeenumer)//EEPROM程序{voidDelay(unsignedcharDelayCount);/*voidStart(void);/**/voidStop(void);/*IICbitRecAck(void);/**/voidNoAck(void);/*IICvoidAck(void);/*IIC*/unsignedcharReceive(void);/*IICvoidSend(unsignedcharsendbyte);/*IIC*/unsignedchardataj,i=ERROR;biterrorflag=1;/*while(i--){Start();/*启动总线*/Send(Control&0xfe);/*IICif(RecAck())continue;/**/if(RecAck())continue;}Send((unsignedchar)Addr);/*IIC*/if(RecAck())continue;/*if(!(Control&0x01))判断是读器件还是写器件{j=Length;errorflag=0;/*while(j--){Send(*DataBuff++);/*向IIC总线写数据*/if(!RecAck())continue;/*如写正确结束本次循环*/errorflag=1;break;}}else{

if(errorflag==1)continue;break;Start();/*启动总线*/Send(Control);/*IIC*/if(RecAck())continue;//器件没应答结束本次本层循环while(--Length)/*字节长为0结束*/{*DataBuff++=Receive();Ack();/*IIC*/}*DataBuff=Receive();/*NoAck();/*IIC*/errorflag=0;break;}Stop();/*IICif(!(Control&0x01)){Delay(255);Delay(255);Delay(255);Delay(255);return(errorflag);}/*****以下是对IIC总线的操作子程序*****//******启动总线*****/voidStart(void){SCL=0;/*SCL,SDA*/SDA=1;/*状态,SCL=1;_nop_();_nop_();_nop_();SDA=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();SCL=0;SDA=1;}/*****IIC****voidStop(void){SCL=0;/*SCL,SDASDA=0;表示一个停止状态,该状态终止所有通讯*/SCL=1;_nop_();_nop_();_nop_();/*SDA=1;_nop_();_nop_();_nop_();SCL=0;}/*****检查应答位*****/bitRecAck(void){SCL=0;SDA=1;SCL=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();CY=SDA;/*因为返回值总是放在CY中的SCL=0;return(CY);}/****IIC****voidAck(void){SDA=0;/*EEPROM通过在收到每个地址或数据之后,*/SCL=1;/*SDA低电平的方式确认表示收到读SDA*/_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();SCL=0;_nop_();SDA=1;}/*********IIC*****/voidNoAck(void){SDA=1;SCL=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();SCL=0;}/*********IIC总线写数据*****/voidSend(unsignedcharsendbyte){unsignedchardatafor(;j>0;j--){SCL=0;sendbyte1;/*CY=sendbyte^7;SDA=CY;/*CY*/SCL=1;}SCL=0;}/*********IIC*****/unsignedcharReceive(void){registerreceivebyte,i=8;SCL=0;while(i--){SCL=1;receivebyte=(receivebyte<<1)|SCL=0;}return(receivebyte);}/********一个简单延时程序*************/voidDelay(unsignedcharDelayCount){while(DelayCount--);}voidlcd_mwcode(uchari) //LCD液晶显示，{rw=1;rs=0;lcd=0;e=1;do{ACC=lcd; //e=0;}while(busy);rw=0;lcd=i;e=1;e=0;}voidlcd_mwdata(uchari) //输入数据，{rw=1;rs=0;lcd=0;e=1;do{ACC=lcd;e=0;}while(busy);rw=0;rs=1;lcd=i;e=1;e=0;}voidsetpos(ucharrow,ucharcol)//选择行，列，{lcd_mwcode(0xb8+row);lcd_mwcode(0x40+col);}voidlcd_init(void) //初始化{lcd_mwcode(0xc0);lcd_mwcode(0x3f);}voiddisp1(ucharcode*hz) //显示汉字上半区，{uchari;for(i=0;i<16;i++)lcd_mwdata(*(hz+i));}voiddisp2(ucharcode*hz) //{uchari;for(i=16;i<32;i++)lcd_mwdata(*(hz+i));}voidselect(ucharx){switch(x){case1:cs1=0;cs2=1;break;//左屏，case2:cs1=1;cs2=0;break;//右屏，default:cs2=0;cs2=0;}}}ucharreadbyte(temp) //时钟程序{uchar i；Iongdelay0；temp=0；for(i=0；i<8；i++){temp=temp>>1：if(dat==1)temp=temp+0x80；clk=1：shortdelay0；clk=0；／／时钟下降沿读出有效shortdelay0；}returntemp；}ucharDateWrite(1ongidata*_bur)序

//IC卡程{uchartemp=(uchar*)_Value；／／转存指针ucharwritecheck=DATA_ERR；／／写入状态标记，用于返回值_buf[0]=*(temp+3)；_buf[1]=*(temp+2)；_buf[2]=(temp+1)；_buf[3]=*temp；／／数据转存到缓冲区_buf[4]=~_buf[0]；_buf[5]=~_buf[1]；_buf[6]=_buf[2]；_buf[7]=~_buf[3]；／／值备份_buf[8]=_bur[0]；_buf[9]=_buf[1]；_buf[10]=_buf[2]；_buf[11]=_buf[3]；_buf[12]=_LgeAdr；_buf[13]=~_LgcAdr；_bull14]=LgcAdr；_buf[15]=~_LgcAdr；／／转存地址，并备份writecheck=writecheck&mifs_write(_block+1，_buf)writecheck=writecheckmifs_write(_block，_buf)writecheck}reset_5460=0;//reset_5460为CS5460A的复位脚 //计量模Delay_10MS();reset_5460=1