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课程设计-基于单片机的单相电度表设计
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更新于2024-12-26
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单片机课程设计
基于单片机的单相电度表
设计
专 业:电气工程及其自动化
指导教师:
小组成员:
信息与电气工程学院电气工程系
2024 年 12 月 9 日
摘要
—I—
摘要
随着现代智能电网技术的大力发展,智能电表作为智能电网的不可或缺的
组成部分,也将迎来疾速发展。将来,智能电表必将在全国大范围内安装。因
此对智能电表技术进行研究,将会有重大的现实意义。传统电表测量精度不高,
只显示用电总量,功能单一,并且人工抄表,十分繁琐。研究智能电表是为了
实现电表高精度测量,用电数据保护,简单的自动报警,远程抄表等功能。其
中远程抄表系统可以实现供电方和用电方的实时通信,不再需要人工抄表。本
此设计在对传统电表的弊端分析之后,提出了智能电表的设计方案,该设计主
要由数据采样模块,电能计量模块,单片机控制模块,数据显示模块,数据存储模
块,数据通信模块等组成。其中,51 单片机是智能电表的核心,外围其他所
有的硬件都在它的控制下进行工作。外围硬件电路采用模块化设计,数据采集
模块的功能是把电网中不可直接测量的大电压、大电流转变为可以直接处理测
量的小电压、小电流,然后通过电能计量芯片 ADE7757,完成对电能计量。
显示模块的功能是为用户提供实时的电量信息。存储模块、通信模块的功能是
实现电量信息的及时存储和与上位机的交换。
关键词:单片机;智能电表;数据采集;通信
目录
—II—
目录
1.1 绪论 .........................................................3
2. 单相电度表工作原理 ............................................3
2.2 单相电度表介绍 ...............................................3
2.3 方案设计 .....................................................3
3. 硬件电路的工作原理 ............................................5
3.4 计量芯片 ADE7757 ..............................................5
3.4.1 ADE7757 功能及特点分析 ......................................5
3.5 电能计量电路设计 .............................................6
3.5.2 电压采集通道设计 ...........................................7
3.5.3 电流采集通道设计 ...........................................8
3.5.4 计量芯片与单片机之间连接 ...................................8
3.6 单片机外围电路设计及器件选择 .................................8
3.6.5 单片机 STC89C51 功能概述.....................................8
3.6.6 显示电路设计 ..............................................11
3.6.7 数据存储模块设计 ..........................................12
3.6.8 通信模块 ..................................................13
3.6.9 时钟模块设计 ..............................................14
3.6.10 按键模块设计 .............................................15
3.6.11 电源模块设计 .............................................15
4. 软件设计 .....................................................16
4.7 系统主程序框图 ..............................................16
4.8 功率计量流程图 ..............................................17
4.9 按键查询流程图 ..............................................18
5.总结 ..........................................................19
6.参考文献 ......................................................20
7 附录 ...........................................................21
单片机课程设计
—3—
1.1 绪论
本次设计提出了一种基于 STC89C51 单片机的单相电度表设计,采用单片
机作为核心控制元件,结合电阻、电容、LCD1602 液晶显示屏、发光二极管
等硬件模块进行电能计量和数据显示。系统通过 C 语言编程实现电度表功能,
包括采集电压和电流信号、计算有功功率和累计电能等核心任务。设计过程中
使用 Keil5 编程环境,这是目前应用广泛的单片机开发平台,能够满足高效调
试和仿真需求。本次设计实现了单相电度表的基本功能,采用单片机控制的方
式,具备实时测量和数据显示的能力。设计中还注重理论与实践的结合,通过
调试优化了电路与程序,提高了系统的稳定性和精确性,为电度表的进一步开
发奠定了基础。
2. 单相电度表工作原理
2.1 单相电度表介绍
从结构上说,智能电能表相当于具有特定功能的微型计算机系统,通常包
括硬件和软件两部分。
硬件部分主要包括数据采集输入、输出电路,电能计量芯片 ADE7757 及
相关电路。STC89C51 单片机及相关电路,通信接口电路,人机交换电路。数
据采集输入、输出电路实现模拟信号和数字信号的输入和输出。单片机及其外
围电路实现程序和数据的存储并完成相关的程序、数据运算和处理。人与仪表
的相互“交流”,主要通过液晶显示屏,上位机等。通信接口电路将仪表和计
算机联系在一起,实现仪表和计算机信息的实时交换。
软件部分主要分为两部分,一部分主要针对键盘、单片机 I/0 接口、存储
器和显示器等,控制协调他们正常工作,另一部分主要针对通信接口,控制协
调仪表和计算机通信。比如操作键盘可以输入并存储电表的相关功能、操作方
式以及工作参数;控制单片机 I/0 接口电路完成数据采集;控制存储器可以把
电表的各种状态,测量的电能数据分时实时地存储;控制液晶显示器可以把电
表的各种状态,测量的电能数据通过图形、字符、数字等形式显示给用户。控
制通信接口接收和分析来自通信总线的各种程序操作码,并根据计算机的远程
命令,通过通信接口将电表的工作状态和测量的电能数据等输出到上位机。
2.2 方案设计
单相电度表的设计方案要实现以下功能:
(1) 通过电压、电流采样电路,将模拟信号输入计量芯片 ADE7757,电能
单片机课程设计
—4—
计量芯片 ADE7757 经过一系列的操作,输出相应的脉冲。单片机 STC89C51
可以测量瞬时有功功率,完成对功率、电能及其他电参量的精确测量,设定时
间参数后,还可以实现分时计量和存储等功能。单片机 STC89C51 还可以上位
机实时通讯,完成电量信息和控制指令的交互。
(2)测 量 相 关 的 电 参 量 , 即 采 集 电 压 信 号 和 电 流 信 号 输 入 到 计 量 芯 片
ADE7757 中。设计出系统结构框图,完成系统硬件电路的设计,具体包括电
压、电流采样等计量电路的设计,计量芯片和单片机的接口电路设计,单片机
外围电路的设计以及数据存储模块、电源模块和通信接口电路的设计。完成系
统软件流程图的设计,主要包括主程序流程图、中断程序流程图和按键查询流
程图的设计。
图 1 单相电表结构图
如图 1为单相电表结构图,系统结构框图主要是由以下几部分组成:计量
模块(电压、电流采样电路+计量芯片)、控制模块、存储模块、时钟模块、显
示模块、电源模块、通信模块等。本次设计的单相电能表核心芯片是 ADE7757
计量芯片和 STC89C51单片机,利用单片机定时/计数器 T0端对 ADE7757的
CF 脚输出的脉冲计数,再根据计量芯片 ADE7757的计量原理,就可以测得有
功、无功等电参量。单片机利用 AT24C02芯片对电参量的定时存储,利用按键
进行电参量的查询,利用1602液晶显示器进行电参量的显示,利用 RS232总线
把电参量进行远程传送,传送到电脑上位机。DS1302时钟芯片可以为电表计
量存储提供时间参数,同时可以作为数字时钟。电源模块采用两种供电方式,
一种是利用电源插座直接供电,另一种是采用 USB 供电。
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