基于单片机的电能计量系统设计(共51页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上摘 要电能是现代社会中国民经济和人民生活的重要保障，随着社会的快速发展往往导致电能的供应与使用之间产生矛盾。为了解决这一矛盾，电能计量的分时计费方式可以通过调节人们的用电行为，对提高电能利用的合理性和缓解电力供需矛盾具有重要价值。但是传统的机电式电能表无法执行分时计量和分时计费的功能，因此基于单片机技术设计的新型数字电表是实现新型电能管理方式的前提。本文提出了一种以AT89C51为核心的电量计量系统，单片机通过AD7751对电网的电压和电流取样，经过内部处理后以频率的形式输出，送给单片机测量频率，计算出有功功率，对时间进行积分后便可得到电能；时钟芯片DS1302提供当前的时间信息，单片机将电量、电费和时间数据送LCD显示，用户可通过独立键盘对系统的工作状态进行操作，包括时间的设定、时间与电量及电费的显示、过去时刻的电量和电费查询等。本设计中电压电流采集电路具有特色和成本优势；探索了利用AT89C51的有限硬件资源与软件的有机结合实现实时钟和串行通信等接口的设计方法；以电能表为对象，重点探讨了基于低功耗单片机的低功耗仪表的基本原理和设计技术，对其它低功耗仪表的设计具有参考价值。关键词：电能表，AT89C51单片机，低功率设计，硬软件合成，AD7751单片机AbstractThe electric energy is a guarantee to national economy and daily life in modern society. With the fast development of the society, contradiction between the demand and production of electrical energy occurs. Time-scheduled tariff system, that changes user's behavior in energy consuming and rationalizes the electrical energy utilization, is an effective and valuable measure to solve this problem. For the energy measurement the traditional mechanical electricity meter no longer can meet the requirements of this new tariff system, and microcontroller-based digital E-meter becomes the prerequisite and backbone of this tariff system.This paper presents a AT89C51 power metering system as the core, microcontroller through the AD7751 on the grid voltage and current sampling, after internal processing after output in the form of frequency, given the frequency measurement microcontroller to calculate the active power, integration of time available after power, clock chip DS1302 provides the current time information, the processor will power, electricity and time of data sent to LCD display, separate keyboard, the user can work on the state of the system operation, including setting time, time and power and the tariff, in the past hour of electricity and electricity inquiries. The design of voltage and current acquisition circuits with features and cost advantages; Design methods that integrates the AT89C51s limited hardware and software resources to implement real-time clock ,IC and serial communication interfaces; With E-meter as a platform, a study on the fundamentals and techniques of low-power design the might be of reference value to other low-power process measuring devices.Keywords：Electric energy meter, AT89C51 series microcontroller, low-power design, Integration of hardware and software, AD7751 series microcontroller目 录1 电能计量系统方案论证2 绪论3 总体方案及各模块简介4 系统硬件设计5 系统软件设计专心-专注-专业1 电能计量系统方案论证1.1 方案一 机械电子式通过对转盘转动圈数的计数来测量电能。具体方案是在转盘上涂上大约1cm宽的“黑条”，在转盘的上方或下方设置一红外线发射接收对管。当红外线照射在“黑条”处，红外线被吸收，无反射，即接收管接收不到红外线，当红外线照射在其他部分时，被反射，接收管能接收到红外线。这样转盘没转一圈，产生一个脉冲，在通过对脉冲的整形、计数、显示完成电能的计量。这种方案显示直观，但它仍然具有机械式感应电度表的缺点，即耗电多、笨重。1.2 方案二 模数转换式对电流和电压分别采样，再通过A/D转换器转换成数字信号，然后送入单片机进行相乘运算。并在CPU中设置一个定时器定时对功率进行累加，其系统框图如图1.1所示：图1.1模数转换式系统框图这种方案对信号的采样速率快，但A/D转换器的精度要求高，而且由于电网的电力谐波的引入，导致A/D转换后产生错误数据。为抑制这种干扰，必须在软件上加数字滤波器或在硬件上采用隔离放大器和高精度的运算放大器，这将增加CPU的负担和硬件成本。1.3 方案三 功率累加式将端口电流和电压先送入模拟乘法器相乘，得到一个与功率P成正比的模拟电流，再经过V/F变换成频率信号f。单片机对频率信号f进行累加，便可得到电能。系统框图如图1.2所示：图1.2功率累加式系统框图对于这种方案，现在已有集成电路(如：BL0932、AD7751)将模拟乘法器、低通滤波器和V/F转换器集成。1.4 方案选择基于以上分析，方案三明显优于其他两种方案，利用专用的电能计量芯片不仅有效的克服干扰，对CPU的要求也降低，同时所需硬件也大大减少，降低了硬件电路的成本。所以该设计选用专用电量计量芯片AD7751对用户用电量进行计量；对于主控部分选用常用的8位单片机就能满足要求。本设计中选用AT89C51作为主控模块。2 绪论2.1 课题背景电能是社会生产、人民生活必需的重要能源之一，随着国民经济的不断发展，电力需求急骤上升，电力供应与电力需求出现了不平衡。目前，全国一些省份存在电力供应不足，这不但阻碍了经济的发展，也妨碍了人民的生活。在世界常规能源日趋贫乏的今天，电能的节约与电能的有效利用具有重要意义。电能表是当前电量计量和经济结算的主要工具，随着现代检测技术、电气与电子技术的不断发展，使人们能够开发出功能更多、准确度更高的电能计量装置本课题研制了基于AT89C51的单相多功能电能表，它具有分时计费功能，即对每天的用电量进行分段计量，实行分时计价，通过利用经济杠杆调节人们的用电行为，促进对电能的节约和有效的使用。2.2 数字仪表的发展历程仪表技术的发展过程和一般事物发展的趋势一样，经历了一个从低级到高级的过程。它随着其他学科如微电子技术、计算机技术和网络技术的发展而发展。二十世纪五十年代，仪表技术发展取得突破，数字技术的出现使得各种数字仪表得以问世，将模拟仪表的精度、分辨力和测量速度提高了好几个数量级，为实现测试自动化打下坚实的基础。六十年代中期，随着计算机技术的引入，测试技术又获得重大进展，开始了仪表数字化、数显化的历程，但是仪表还不具备记忆、数据处理、可控及人机对话等高级功能。进入七十年代，计算机技术进一步渗入，使仪表在传统的时域与频域之外，出现了数据域测试，被测系统的信息载体为二进制数据流，仪表前面板向键盘化方向发展。二十世纪七十年代后期，出现了完全突破传统仪表的、全新的一代仪表。它内含微处理器，以微处理器为核心，具有信息处理、数据处理、显示记录、传输与测量过程自动控制等一系列功能，甚至还具有辅助专家推断分析与决策，人们习惯上把这种仪表称为智能仪表。智能仪表的出现，极大地扩充了仪表的应用范围。智能仪表凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在科研领域和运用领域得到广泛的运用。2.2.1 智能仪表的概念智能仪表是以微处理器或微控制器芯片(如单片机)为核心的可以存储大量测量信息，并具有对测量结果进行实时分析、综合和做出判断能力的仪表。智能仪表一般具有自动测量的功能和强大的数据处理能力，具有进行自动调零和单位换算的功能。能进行简单的故障指示，具有操作面板和显示器，有简单的报警功能。硬件部分包括输入通道、微控制器及其外围模块、标准通信接口和输出通一般的工作过程是：传感器拾取被测参量的信号转换成电信号，经滤波除去干扰后送入多路模拟开关：由微控制器选通模拟开关将各输入信号逐一送入放大器，放大器的信号经A/D处理后变换成相应的数据送入微控制器中；微控制器根据仪表所设定的初值进行相应的运算和处理；运算结果送入显示和打印；微控制器把运算结果与存储于片内的FLASH ROM或E2PROM内设定的参数进行比较后，根据运算结构和控制要求，输出相应的控制信号；与计算机相联，使仪表可以接受计算机的程控命令，由计算机进行全局管理。智能仪表的软件部分主要包括测控程序和接口管理程序两部分。测控程序通过控制数据采集，对数据进行预定的设置：对数据存储器所记录的数据和状态进行各种处理：以数据、字符、图形等形式显示各种状态信息以及测量数据的处理结果；通过键盘操作输入，并存储所设置的功能、操作方式与工作参数。接口管理程序主要面向通信接口，其内容是接受并分析来自通信接口的各种有关功能操作方式与工作参数的程序操作码，并通过通信接口输出仪表的实时工作状态及测量数据的处理结果，响应计算机的远程控制命令。2.2.2 智能仪表的特点与传统仪表相比，智能仪表主要具有以下特点：操作自动化。仪表的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示和打印都用单片机来控制操作，实现测量过程的自动化。具有自动调整功能。包括自动调零、自动故障与状态检测、自动校准、自动诊断及量程自动转换等。具有数据处理功能。这是智能仪表的主要优点之一。由于采用单片机或微处理器，使得原来许多硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题可以通过软件灵活地解决。测量精度高。可以利用单片机或微处理器执行指令的快速性和A/D转换时间短等特点对被测量进行多次测量求其平均值，排除一些偶然的误差和干扰，还可以进行数字滤波，剔除粗大误差和随机误差。具有友好的人机界面，智能仪表通过使用键盘代替传统仪表中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，实现预定功能。显示屏可将仪表的运行状态、工作状态和对数据的处理结果及时反映出来，使仪表的操作更方便和直观。具有可程控操作的能力，智能仪表一般配有GPI3,RS232,RS485以及现场总线等标准的通信接口，可以很方便地和计算机或其他仪表组成用户需要的多种功能的测量系统，来完成复杂的测试任务。2.2.3 智能仪表的发展(1)微电子技术的发展对仪表智能化的影响微电子技术是微电子学中各种工艺技术的总称，它包括系统和电路的设计、工艺技术、材料设备、自动测试等一系列技术。自从三十世纪五十年代末第一块集成电路问世以来，集成电路从在一个芯片上只有几个晶体管发展到今天有几十亿个晶体管的规模。微电子技术的发展基本遵循摩尔定律(每隔18个月集成度增长一倍)高速发展，七十年代芯片的线宽为5um，八十年代为1um，目前处于0.35 um到0.25 um之间，甚至已经达到0.13um。过去一块PCB板、一个机箱、一个机柜的仪表，今天可以集中在单个芯片上，系统设计己经从传统的PCB设计进展到专用VLSI芯片的设计，这对仪表技术的智能化有着重大影响。对仪表来说，把一些性能要求很高的单元线路设计成专用的集成电路具有重大意义。专用集成电路ASIC的出现，为这一要求的实现奠定了基础。现在可以把ADC，DAC、运算放大器、比较器等模拟电路、微处理器、DSP等功能部件以及闪速存储器、SRAM等大规模存储器集成在一块芯片中，从而减少了仪表开发中微处理器外围电路的扩展要求，减少了由于电路分散引起的外部干扰，提高了仪表的可靠性。DSP技术的出现为仪表智能化发展开辟了广阔的天地，从1978年美国AMI公司推出第一款DSP芯片以来，随着大规模及超大规模电路技术的发展，DSP技术也获得了飞速的发展。DSP芯片采用哈佛总线结构，片中集成了硬件乘法器，具有快速的指令周期。在系统开发方面，硬件与软件不断完善。某些DSP芯片具有相应的集成开发环境，它支持断点的设置和程序存储器、数据存储器和DMA的访问及程序的单步运行和跟踪等，并可以采用高级语言编程，有些厂家和一些软件开发商为DSP应用软件的开发准备了通用的函数库及各种算法子程序和接曰程序，这使得应用软件开发更加方便，开发时间大大缩短，因此提高了产品开发的效率。近年来，美国TI公司提出一种新的概念“DSPS"(DSP解决方案)受到广泛的重视。所谓DSPS即DSP芯片制造商可随DSP芯片提供整个系统的解决方案。以DSP为核心，配合先进的混合信号电路、ASIC电路、软件及开发工具等集成为一套完整的方案，能广泛应用于各个领域。DSP技术的兴起，DSPS概念的提出，必将进一步促进仪表智能化的进程。(2)计算机技术的发展对仪表智能化的影响自从迅猛发展的计算机技术及微电子技术渗透到仪表技术领域，便使该领域的面貌不断更新。通过计算机，人机交互的信息传送可以分为三个阶段：单纯文字、字符、数据交互；多媒体信息交互；虚拟现实的信息交互。数据信息也称为数字信息或数值信息，文字字符信息又统称为非数字信息。这是传统的计算机信息交互方式。二十世纪90年代是多媒体交互时代，它将文字、音频、视频、图形、图像与动画等信息集成在计算机中。仪表与计算机相结合，取代了许多笨重的硬件，内部结构和人机交换界面大为改观，节省许多开关和调节旋钮。计算机通过键盘或遥控接口接受命令和信号，并用来控制仪表的运行，执行常规测量，对数据进行智能分析和处理，数字显示或传送，而传统的模拟方法是很难做到的。虚拟现实是信息交换的第三个阶段，在虚拟现实系统中，数据分析和显示完全用计算机的软件来完成。因此，只要额外提供一定的数据采集硬件，就可以与计算机组成测量仪表。这种基于计算机的测量仪表称为虚拟仪表。在虚拟仪表中，使用同一个硬件系统，只要应用不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪表。虚拟现实技术的发展和运用，将极大地改变智能仪表的现状。(3)网络技术的发展对仪表智能化的影响进入二十一世纪，以Internet为代表的计算机网络的迅速发展及相关技术的日益完善，突破了传统通信方式的时空限制和地域障碍，使更大范围内的通信变得十分容易，Internet拥有的硬件和软件资源正在越来越多的领域中得到应用，与此同时，高性能、高可靠性、低成本的网关、路由器、中继器及网络接1.1芯片等网络互联设备的不断进步，又方便了Internet、不同类型测控网络、企业网络间的互联。利用现有Internet资源而不需建立专门的拓扑网络，使组建测控网络、企业内部网络以及它们与Internet的互联都十分方便。伴随着网络技术的飞速发展，Internet技术正在逐渐向智能仪表设计领域渗透，实现智能仪表基于Internet的通讯能力以及对设计好的智能仪表进行远程升级、功能重置和系统维护。把TCP/IP协议作为一种嵌入式的应用，嵌入现场智能仪表(主要是传感器)的ROM中，使信号的收、发都以TCP/IP方式进行，如此智能仪表在数据采集、信息发布、系统集成等方面都以企业内部网络(Intranet)为依托，将智能仪表的测控网和企业内部网及Internet互联，便于实现测控网和信息网的统一。在这样构成的测控网络中，智能仪表充当着网络中独立节点的角色，信息可跨越网络传输至所及的任何领域。智能仪表的测控环节能节约大量现场布线、扩大测控环节所能涉及的地域范围，使智能仪表扩充和维护都极大为方便。基于Web的信息网络Intranet，是目前企业内部信息网的主流。应用Internet的具有开放性的互联通信标准，使Intranet成为基丁TCP/IP协议的开放系统，能方便地与外界连接，尤其是与Internet连接。借助Internet的相关技术，Intranet己被广泛应用于各个行业。Internet也已开始对智能仪表产生越来越大的影响。目前，智能仪表的测控系统的设计思想明显受到计算机网络技术的影响，基于网络化、模块化、开放性等原则，智能仪表的测控网络由传统的集中模式转变为分布模式，成为具有开放性、可互操作性、分散性、网络化，智能化的测控系统。1999年2月，Jini软件技术问世。Jini软件技术旨在使各种智能仪表和采用JAVA芯片的各种装置能连接上网，Jini软件连同以Java语言编写的简单程序，可使联网的任何仪表设备实现其自身功能的同时，还能为其他仪表设备加以利用。智能仪表的联网，高档测量仪表设备以及测量信息的地区性、全国性乃至全球性资源共享，实现了各等级计量标准跨地域实施、远程数据采集与测控、远程设备故障诊断、自动抄表等等，提高了仪表的智能化水平。2.2.4 虚拟仪表是智能仪表发展的新阶段虚拟仪表是基于计算机的软硬件测试平台，利用现有的计算机，加上特殊设计的仪表硬件和专用软件，形成既有普通仪表的基本功能，又有一般仪表所没有的特殊功能的高档、低价的新型仪表。虚拟仪表由计算机硬件、应用软件和仪表硬件三部分构成，通过软件将计算机硬件资源与仪表硬件有机融合为一体，把计算机强大的数据处理能力和仪表硬件的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。虚拟仪表的系统结构构成和传统的仪表一样，也由三部分构成：数据输入，进行信号调理并将输入的被测模拟信号转换成数字信号便于处理；数据处理，按测试要求对输入信号进行各种分析与处理：数据输出，将量化的数据转换成模拟信号并进行必要的调理。虚拟仪表的主要特征是：(1)灵活性。虚拟仪表把仪表功能交付给用户去实施。随着测量需要的变化，用户可以方便地增加硬件或软件组成部分，或者重新配置现有的硬件与软件组成部分。特别是当用户转移到下一个研究开发项目时，不必抛弃其硬件和软件，只需制作一种新的虚拟仪表。(2)功能强大。虚拟仪表既有仪表硬件的功能，又有计算机硬件的功能，更有计算机软件的功能，现有硬件发展迅速，软件技术也在不断发展，所以虚拟仪表比传统仪表功能大为增强。(3)使用方便，易于维护。虚拟仪表具有很友好的用户界面，窗口接口，这为使用和维护提供了有利条件。(4)高性能价格比。虚拟仪表由需要部分专用硬件和软件，目前比较贵，但是由于虚拟仪表主要采用量大面广的普通计算机硬件和强大而成熟的软件环境，可实现灵活的仪表功能而具有重用性，所以具有优异的性能价格比和良好的应用前景。虚拟仪表的出现是仪表发展史上的一次革命，代表仪表发展的最新方向和潮流，将对仪表技术的发展产生不可估量的影响。2.3 国内外电能表技术发展的现状(1)电能表概述1880年汤姆斯爱迪生根据电解原理发明了电能表，但它只适用于对直流电能的测量。1888年，随着交流电的应用，人们开始研究交流电表。1889年，人们根据意大利的费拉里斯教授提出的感应式电能表原理成功地制造出了交流电能表即感应式电能表。当有交流电流通过时，其电压与电流线圈将交变的电压与电流转变成交变的磁通，驱动转动部分(圆盘)旋转，记录转动部分所转过的圈数，将其转换成相应的电能。到十九世纪末，经过诸多科学家的努力，研究出较完整的感应式电能表制造理论。随着电力事业的发展和人们对能源的有效利用使得感应式电能表在使用过程中暴露出它固有的缺点:功能单一、准确度低、频率适应范围窄等。二十世纪六十年代，为了扩充电能表的使用功能，出现了感应式脉冲电能表。它依然采用感应式电能表的测量机构，只是利用光电传感器将电能转换成电脉冲信号，通过电子电路对脉冲信号进行处理和计算，完成电能的计量工作。但并没根本上改变感应式电能表的缺点。二十世纪七十年代，研制成功电子式电能表，也称为静止式电能表。电子式电能表利用电子线路把单相或三相交流功率转换成脉冲或其它数字量。根据转换方式不同，全电子式电能表主要有热电变换型、时分割乘法器型和模拟/数字变换(ADC)型。热电变换型利用电能的热效应产生热量，再利用热电元件把热能转换成一个正比于电功率的电信号，热电变换型电能检测方式成本较高，适用于制造高精度仪表，不适合大规模生产。时分割乘法器型的核心是时分割乘法器，它实质是一个脉宽、幅度调制器，输入时分割器的两路输入信号分别被进行脉宽和幅度调制，调制后得到的脉动信号的直流分量即为两路输入信号的乘积。时分割乘法器型电能表因其成本低，精度好而得到广泛运用，但一般适用于生产普通电能表，它的主要障碍在于功能扩展比较困难。模拟/数字变换型电能表将电压、电流瞬时值转换成数字量，由微处理器对它们进行分析处理，ADC检测到的是反映电量的最基本的量，微处理器对它进行各种数字处理，计算出瞬时功率、无功功率、视在功率、电能累计值、功率因素，电压电流的大小等。模拟/数字型电能表在精度、功能扩展、启动电流、频率的响应等方面都适于研制开发多功能电能表，因此获得广泛运用。电子式电能表与感应式电能表相比，有了质的飞跃，它具有测量精度高、功能扩展容易、可测频带宽等优点。(2)我国电能表技术发展的现状按3.7人一户计，我国居民生活用电能表有3.5亿只左右，其他电能表按1亿只计算，总计应有4.5亿只左右，其中感应式电能表在全国市场中占有70%左右的份额。但它却在一些突出的问题：一是合格率低，超差严重，国家对感应式电能表抽查合格率低于75%，机械磨损是感应式电能表无法克服的缺陷；二是抄表方式落后，虽然感应式电能表经过局部改装，可以实现自动抄表，但其原理决定了感应电能表主要靠手工抄表。随着电能表数量越来越多，抄表与核算的工作量越来越大，人工抄表准确度难以提高。三是偷窃电现象严重，感应式电能表由于电流、电压接线端子外露，很容易采用改接线或倒表手段进行窃电。我国20世纪70年代开始用电子式电能表，先是依靠进口，到80-90年代国内己经能够生产0.05%级电子式电能表。经过十多年的发展，现在我国的电能表技术水平在大部分领域已经达到国外同类产品的先进水平。在市场经济下，人们对电能的计量的准确度越来越高，对用电的管理要实现智能化和自动化，这些都是感应式电能表无能为力的。近年来，高准确度、多功能、L<寿命且能实现远程抄表的多功能全电子式电能表的出现，为电子式电能表取代感应式电能表创造了条件。(3)国外电能表技术发展的现状国外电能表技术的发展主要集中在电子式电能表的计量芯片上，而计量芯片的核心是乘法算法的实现方式。目前，乘法器与相关算法的实现主要有三种方式：采用硬件搭建构成内部运算乘法器；通过外部MCU软件编程实现乘法运算处理；采用DSP或专用计量芯片实现乘法处理，如采用ADC+DSP+MCU+计量软件或专用计量部件+MCu的解决方案，前者如由ATMEL公司的AT73C500和AT73C501制成的电能表，后者如由TI公司MSP430F42X制成的电能表。电能表未来的发展趋势是计量部分模块化，并能直接给出所有高精度的测量参数，以及控制部分功能扩展。在电能表的制造技术上，越来越多的新技术得到使用，如EDA(电子设计自动化)、CAM(计算机辅助制造)、CAT(计算机辅助测试)、SMT(表面贴装技术)等。2.4 选题概述本选题所要研制的单相多功能电能表拟解决以往此类电表普遍存在的精度差、功能有限、结构复杂、成本偏高等问题，本课题选择AT89C51单片机作为电能表的微处理器，AT89C51是超低功耗的16位单片机，采用精简指令集。它具有丰富的片内外设，功能强大，并且具有很低的电能消耗，特别适合在电池供电的设备中运用。本单相多功能电表由输入转换部分、单片机部分、通信部分和输出部分组成。其中，电压电流经输入转换变成单片机可以处理的信号，单片机采用AT89C51，通信采用红外通信方式，输出部分则是有关数据送LCD显示和脉冲输出。在研制过程中，精度、可靠性、功耗是侧重点，并充分考虑产品化的需要，采取了一些有利于推广的于普施。参照电能表的有关标准，本电能表实现以下功能：(1)电能计量：对市电的电压、电流采样处理，得到电It有效值，电流有效值，有功功率和无功功率等电能参数；(2)时间管理：具有日历、计量和闰年自动切换功能；(3)通信：利用红外通信方式，与电能表手持抄录器交换数据；(4)该电能表的主要技术指标如下。电能计量精度达到1%；时钟记时误差<0.5s/d；电气性能。A 电子模块功耗<3VA；B 工作电压范围0.81Un1.3Un；C 额定电压电池寿命<8年。(5)环境条件工作温度-10+550C；运输温度-25+700C。3 总体方案及各模块简介电能表主要由计量模块、单片机、LCD显示、485通信接口、EEPROM存储器、实时时钟电路及电源电路等组成部分。其中,单片机是电能表的核心,由它智能化的形成并可靠地提供电能计算、时段判断、费率切换等功能. 原理结构图如图3.1所示。单片机通过AD7751对电网的电压和电流取样，经过内部处理后以频率的形式输出，送给单片机测量频率，计算出有功功率，对时间进行积分后便可得到电能；时钟芯片DS1302提供当前的时间信息，单片机将电量、电费和时间数据送LCD显示，用户可通过外接独立键盘对系统的工作状态进行操作，包括时间的设定、时间与电量及电费的显示、过去时刻的电量和电费查询等。图3.1 设计总体框图3.1 AT89C51简介AT89C51是一种带4K字节FLASH(FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本1。AT89C51单片机为很多提供了一种灵活性高且价廉的方案。在本设计中主要利用AT98C51单片机低功耗特性，达到节省电能表功耗的要求；其独有的掉电中断功能，可在断电时将剩余计量脉冲写入flash存储器中，当电表再次上电时，再将剩余脉冲读出，可达到掉电不丢失脉冲的目的。此外，掉电检测功能可以保证当系统掉电时保存瞬时电量计量值，使电表计量任何情况下不丢失电脉冲，实现高精度计量。AT89C51引脚图如图3.2所示。图3.2 AT89C51引脚图其引脚功能如下：VCC：电源正极输入，接+5V电压；GND：电源接地端；XTAL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，些引脚应接地；XTAL2：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入；RST：AT89C51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态；ALE/PROG：ALE是英文"ADDRESS LATCH ENABLE"的缩写，表示允许地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，ALE信号负跳变来触发外部的8位锁存器(如74LS373)，将端口P0的地址总线(A0-A7)锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间，ALE引脚的输出频率是系统工作频率的1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。当问外部存储器期间，将以1/12振荡频率输出；EA/VPP：该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码(存于外部EPROM中)来执行程序。因此在8031中，EA引脚必须接低电位，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用AT89C51或其它内部有程序空间的单片机时，此引脚接成高电平使程序运行时访问内部程序存储器，当程序指针PC值超过片内程序存储器地址(如8051/8751/89C51的PC超过0FFFH)时，将自动转向外部程序存储器继续运行。此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM、89C51内部FALSH时，可以利用此引脚来输入提供编程电压（8751为2lV、AT89C51为12V、8051是由生产厂方一次性加工好)；PSEN：此为"Program Store Enable"的缩写。访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次PSEN信号。在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN信号，在访问外部数据时，亦不产生PSEN信号。P0：P0口(P0.0P0.7)是一个8位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低8位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向IO口用。P0口每一个引脚可以推动8个LSTTL负载；P2：P2口(P2.0P2.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，当访问外部程序存储器时，它是高8位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向IO口用。每一个引脚可以推动4个LSTL负载；P1：P1口(P1.0P1.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，其输出可以推动4个LSTTL负载。仅供用户作为输入输出用的端口；P3：P3口(P3.0P3.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分配如下：P3.0/RXD：串行通信输入；P3.1/TXD：串行通信输出；P3.2/INT0：外部中断0输入，低电平有效；P3.3/INT1：外部中断1输入，低电平有效；P3.4/T0：计数器0外部事件计数输入端；P3.5/T1：计数器1外部事件计数输入端；P3.6/WR：外部随机存储器的写选通，低电平有效；P3.7/RD：外部随机存储器的读选通，低电平有效。3.2 AD7751原理及应用3.2.1 AD7751性能特点AD7751是由美国ADI公司采用CMOS工艺制成的高精度电能计量专用芯片,可50Hz或60Hz单相交流电进行电能计量。该产品完全符合国际电工委员会制定的IEC1036标准, 它在500:1的动态范围内测量误差小于0.3%。能将被测电功率转换成频率信号，有窃电侦测功能，一旦侦测出进出线上发生的诸如短路、开路、旁路等非正常操作，立即进行报警，报警时AD7751照样计量电能。信号处理工作均由数字电路完成，干扰性强。低功耗，采用+5V供电时功耗仅为15mW2。AD7751的引脚图如图3.3所示。图3.3 AD7751引脚图3.2.2 AD7751工作原理AD7751采用DIP-24塑料封装或SSOP-24小型封装，其内部框图如图3.4所示。各引脚的功能如下：DVDD、DGND、AVDD、COM分别为数字电源端、数字地、模拟电源端、模拟地。在电源与地之间需接l0uF电解电容和0.luF陶瓷电容并联而成的退耦电容。AC/DC为高通滤波器(HPF)的选通端，固定接高电平时电流通道中的HPF一直被选通。U1a、U1b为电流通道(CH1)的正、负模拟信号输入端，接差分模拟输入信号U1。U1n为电流通道差分输入电压的公共端，根据实际情况，此脚可直接与COM短接，亦可经RC退耦电路接COM。U2p、U2n为电压通道(CH2)的正、负模拟信号输入端，接差分模拟输入信号U2。/R为复位端，外接RC定时元件，能在上电或断电时将AD7751定时复位，不用时要经过上拉电阻接DVDD。UREF(I/O)为内部2.5V基准电压源的输入或输出端，该端需经0.1uF陶瓷电容接COM。SCF为校验频率选择端，配合S1、S0端来设定校验频率CF的最大值。CLKi、CLKo分别为时钟输入、时钟输出，外接3.MHz石英晶体和两只33pF陶瓷电容，构成电容三点式晶振电路。FAULT为故障输出端。当U1a与U1b相差12.5%以上时，此端输出高电平，故障排除后，该端自动复位。REVP为正、负功率标志端，检测到负功率(即u与i之间有1800相位差)时为高电平，检测到正功率时恢复成低电平3。图3.4 AD7751原理框图AD7751由模拟输入电路、模数转换电路ADC和信号处理电路组成。模拟输入电路由两个模拟输入通道组成，CH1用来测量电流信号，同时检测相线和零线的电流，通过比较器以较大的那个信号进行电能计量。CH2用来测量电压信号。每个通道均采用差动输入，通过电流互感器、电压互感器或分流器、分压器等外围电路与电网连接。为使输入信号满足AD7751的要求，电流通道采用增益可编程放大器(PGA)。AD7751将两个输入模拟信号电压与电流相乘积并转换成与其成正比的输出频率，即直接数字化，用于功率计算极为方便。3.3 EEPROMEEPROM(Electrically Erasable Programmable )，电可擦可