基于单片机的数字电能表设计

毕业设计（论文）题目名称：基于单片机的数字电能表设计就读学校：河南工学院专业：工业自动化学生姓名：指导教师：中原工学院继续教育学院2016年4月

论文编号：070114200653 论文编号：070114200653 基于单片机的数字电能表设计Thedesignofdigitalwatt-hourmeterbasedonsinglechipmicrocomputer就读学校：河南工学院专业：工业自动化学生姓名：指导教师：2016年4月摘要19世纪三四十年代，中国人民的照明途径还是主要由煤油灯为主，而在经济飞速发展的，科技产品日新月异的今天，电的应用已经深入中国人民的日常生活。电灯、冰箱、空调等等，统统都与电有着密切的关系。电在当今社会不可或缺，同样也涌现出了对电量的计量，从而出现了电能表这一计量仪表。电能表的发展历程主要是由最初的单一费率电能表到如今的复费率电能表。这与我国的多费率用电政策有关，旨在消峰镇谷，平衡用电。同样，在现在科技飞速发展，各种电器，仪表都逐渐趋近于自动化、人性化和智能化。而这些电气设备大都含单片机或者是CPU控制器。在本次设计中将智能化技术融入电能表中，电能表作为重要的计量仪表，准确性、稳定性都是很重要的。而数字电能表具有精度高、测量准确、读数直观、使用方便等优点。本设计以AT89C51单片机为核心，以逐次比较型A/D转换器ADC0809、八段数码管为主体，构造了一款简易的数字电能表，能够实现同时测量8路0.00～5.00V的直流电压，最小分辨率为0.02V。关键词：AT89C51；ADC0809；数字电能表；八段数码管ABSTRACTThirtiesand19thcentury,theChinesepeople'swayofilluminationismainlycomposedofkerosenelampisgivenpriorityto,andwiththerapideconomicdevelopment,scienceandtechnologyproductswitheachpassingdaytoday,theapplicationsofelectricityhavetheChinesePeople'sDailylife.Lights,refrigerator,airconditionerandsoon,allhascloserelationshipwithelectricity.Electricityisessentialintoday'ssociety,andalsoemergedforthemeasurementofthepower,thusappearedthewatt-hourmetermeasuringinstrument.Thedevelopingcourseofwatt-hourmeterismainlycomposedofasinglerate,initialwatt-hourmeterintoday'scomplexratewatt-hourmeter.Thisisassociatedwithratemoreelectricitypolicyofourcountry,aimedatpeakvalleytown,balanceofpower.Also,inwhatisnowtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,allkindsofelectricalappliances,instrumenthasgraduallytendtobeautomated,humanizationandintelligent.ButmostoftheseelectricalequipmentincludingmicrocontrollerorCPUcontroller.Wewillintegratetheintelligentwatt-hourmeterinthedesignofwatt-hourmeterasimportantmeasuringinstrument,theaccuracy,stabilityisveryimportant.Anddigitalwatt-hourmeterwithhighprecision,measurementaccuracy,readingtheadvantagesofintuitiveandeasytouse.ThisdesignUSESAT89C51single-chipmicrocomputerasthecore,tocomparesuccessivetypeA/DconverterADC0809,eightdigitaltubeasthemainbody,constructedAsimpledigitalwatt-hourmeter,canbeachievedatthesametimemeasuring8roadfrom0.00Vto5.00Vdcvoltage,minimumresolutionof0.02V.Keywords:AT89C51；ADC0809；Digitalwatt-hourmeter；Eightdigitaltube目录20217第1章绪论 图4-2外部中断子程序流程图图4-3A/D转换子程序流程图3.显示子转换程序LED数码管采用软件译码动态扫描方式。在显示子程序中实现多路循环显示程序。多路循环显示把8个存储单元的数值依次取出送到4位数码管上显示。每一路显示1秒，每次送出数据的同时把通道的地址也送出到数码管电路。每路数据显示时需经过转换变成十进制BCD码，放于4个数码管的显示缓冲中。流程图如图4-4：地址小于8？地址小于8？当前通道数据转换四位数据显示通道值加1通道值置0x00开始图4-4显示子转换程序流程图第5章系统的调试5.1硬件电路的调试硬件电路的调试主要是对硬件电路进行检查，使用万用表、示波器等常规工具检查电路制作是否正确，并核对元器件规格、型号，检查芯片间连线是否正确，是否有短路、虚焊、极性接错等故障，尤其应该注意芯片放置方向是否有误，各个芯片的接地线与电源线的连接是否有误。除此之外，硬件电路运行是否正常，还可通过测定一些重要的波形来确定。5.2软件调试5.2.1PROTEUS软件简介ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：1.实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。2.支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。3.提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。4.具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。5.2.2KEIL简介1.系统概述KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。下面详细介绍KeilC51开发系统各部分功能和使用。2.KeilC51单片机软件开发系统的整体结构C51工具包的整体结构，其中uVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。5.3软件调试软件调试的主要任务是排查错误，错误主要包括逻辑和功能错误，这些错误有些是显性的，而有些是隐形的，可以通过仿真开发系统发现逐步改正。Proteus软件可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真，用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。Proteus支持的微处理芯片包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列及Z80等等。Proteus可以完成单片机系统原理图电路绘制、PCB设计，更为显著点的特点是可以与Keiluvision2工具软件结合进行编程仿真调试。本系统的调试主要以软件为主，其中，系统电路图的绘制和仿真我采用的是Proteus软件，而程序方面，采用的是C语言，用Keil软件将程序写入单片机。（由于Proteus软件中无ADC0809仿真模块故用于其功能作用相近的ADC0808代替进行仿真）图5-1总电路图此电路的工作原理是：+5V模拟电压信号通过变阻器VR1分压后由ADC0809的IN0通道进入（由于使用的IN0通道，所以ADDA,ADDB,ADDC均接低电平），经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道D0-D7传送给AT89C51芯片的P0口，AT89C51负责把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的7段数码管的显示段码传送给四位LED，同时它还通过其四位I/O口P2.0、P2.1、P2.2、P2.3产生位选信号控制数码管的亮灭。此外，AT89C51还控制ADC0809的工作。5.3.1显示结果及误差分析1.显示结果当IN0口输入电压值为0V时，显示结果如图5-2所示，测量误差为0V。图5-2输入电压为0V时，LED的显示结果当IN0口输入电压值为1.55V时，显示结果如图5-3所示，测量误差为0.01V。图5-3输入电压为1.55V时，LED的显示结果当IN0口输入电压值为3.50V时，显示结果如图5-4。测量误差为0.01V。图5-4输入电压为3.50V时，LED的显示结果2误差分析通过以上仿真测量结果可得到简易数字电能表与“标准”数字电能表对比测试表，如下表5-1所示：表5-1简易数字电能表与“标准”数字电能表对比测试表输入电压值/V简易电能表测量值/V绝对误差/V0.000.000.000.500.500.001.001.000.001.501.500.002.002.000.002.502.490.013.003.000.003.503.490.014.504.490.014.995.000.01由于单片机AT89C51为8位处理器，当输入电压为5.00V时，ADC0809输出数据值为255（FFH），因此单片机最高的数值分辨率为0.0196V(5/255)。这就决定了电能表的最高分辨率只能到0.0196V，从上表可看到，测试电压一般以0.01V的幅度变化。从上表可以看出，简易数字电能表测得的值基本上比标准电压值偏大0-0.01V，这可以通过校正ADC0809的基准电压来解决。因为该电能表设计时直接用5V的供电电源作为电压，所以电压可能有偏差。当要测量大于5V的电压时，可在输入口使用分压电阻，而程序中只要将计算程序的除数进行调整就可以了。第6章结论与展望6.1结论本次毕业设计我通过自己的努力，同学的帮助和老师的指点下，已经完成。中间遇到的很多困难，也让我意识到了知识虽然学到了，但是运用才是最重要的。本次毕业设计顺利完成，让我明白了很多问题，也让我在临毕业前又一次受教。或许这次毕业设计并不足够完美，但是在过程中我也学到了很多东西。在坚持不懈的过程中我收获了珍贵的经验和教训。在本次毕业设计的成果如下：•完整的数字电能表设计•主程序及子程序•提高电能表稳定性及精确性•降低成本6.2不足之处及未来展望由于各方面因素，不论是经费及个人能力问题，本次毕业设计设计出的电能表还有很多缺点。但是我相信随着社会的发展，电能表将会越来越智能，更加稳定，精确的多功能电能表也将投入生产，最重要的是低成本的电能表。而现在国内外已经参考文献《单片机应用技术》[M].王静霞,电子工业出版社,2002.《单片机接口技术》[M].杜伟略,西安电子科技大学出版社,2008.《ATMEL89系列单片机的原理与开发实践》[M].欧阳文,中国电力出版社,2012.单片机实现数字电能表的软硬件设计[J].河海大学常州分校学报,2002,(03）.基于AT89C51单片机的数字电能表设计[J].宋凤娟,孙军等.工业控制计算机,2007,（04）.多费率电能表产品及其国家标准[M].陈克昌,北京,2003.基于数模转换器和嵌入式计算机的数据采集系统[J].电子元件应用,2003,5（10）.Kestam.AnelectricwatermeterdesignusingMSP430F41x,TexasInstumentsIncorporated，2002,6.《数字电子技术技术》[M].阎石,北京,高等教育出版社,2001.《多功能单相数字电能表设计》[J].沈阳理工大学学报,2006,25（4）.《基于单片机电能表的设计与实现》[J].企业技术开发（学术版）,2010,29（5）.《高可靠低成本单相复费率电能表的设计》[J].福建电脑,2008,24（9）.《智能型复费率数字电能表的设计》[J].刘洪利,上海电力学院学报,2005,（3）.DS1302TrickChargTimekeepingChip,.数字电能表的设计与制作[J].《大众科技》,2011,（10）.致谢在临近毕业，走向工作岗位的时候，毕业设计给了我们一次检验自己的机会，他让我们明白了，所学知识在社会上的应用。理论是实践的基础，也让我明白了理论的重要性。在大学的学习中让我认识到了专业知识和动手能力的重要性，他们是相辅相成的，高考的失利，让我与本科无缘。感谢中原工学院给了我深造的机会，让我可以在读专科的同时完成本科学业。这也算是我一个未完成的梦吧。本次毕业论文设计我得到了很多老师和同学的帮助，其中我的论文指导老师李老师对我的关心和支持尤为重要。每次遇到难题，我最先做得就是向李老师寻求帮助，而李老师每次不管忙或闲，总会抽空来找我面谈，然后一起商量解决的办法。我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。这几个月以来，李老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想给我以无微不至的关怀，在此谨向李老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。同时也非常感谢在本次设计中为我提供帮助的各位同学，因为我要以相同的题目参加自考本科的毕业答辩，要求相对来说比专科要高。最后，再次感谢李老师的多次指导和修改。以及对设计中一些难点对我进行辅导。在这次设计中充分调动了我三年所学的知识。让我明白了，理论是一切实践的基础，实践是理论的运用。附录A原理图附录B主要源程序代码主程序voidmain(){P0=0xff;//初始化端口P2=0x00;P1=0xff;P3=0xff;EA=1;EX1=1;P2_7=0;test();}各子程序（1）外部中断子函数voidint1()interrupt2{if(m!=8){OE=0;ad_data[m]=addata;OE=1;m++;scan();}else{m=0;}}（2）0809AD转换子函数voidtest(){unsignedchari=0;unsignedcharad_con;ad_con=s;P0=