1、单片机在矿山监控中的应用设计多用户电能表的应用设计2009 级 单片机在矿山监控中的应用设计课程设计论文 2012 年 1 月2摘要：本文主要是设计多用户单相电子式电能表，电子式电能表是通过对用户供电电压和电流实时采样，采用专用的电能表集成电路，对采样电压和电流信号进行处理并相乘转换成与电能成正比的脉冲输出,通过计度器或数字显示器显示。本次设计的电能表要实现对 8 户的用电情况进行循环采集检测。关键词：AD7755 电能表 24C162009 级 单片机在矿山监控中的应用设计课程设计论文 2012 年 1 月2目 录一、设计目的及要求 .11.1 设计目的 .11.2 设计要求 .1二、设计内
2、容 .12.1 设计系统方案 .12.2 设计方案框图 .2三、硬件电路设计 .23.4 5V 稳压电源的设计 .53.5 光电隔离电路 .5四、软件电路设计 .114.3 读 24C16 子程序框图 .134.4 写 24C16 子程序流程图 .144.5 中断子程序流程图 .154.6 程序清单 .15五、结论 .232009 级 单片机在矿山监控中的应用设计课程设计论文 2012 年 1 月21引 言多用户电子式单相电能表采用单片机作为中央处理器，每块电能表可对多达8户的用电情况进行集中检测、循环显示。各户的用电量可以就地读取。多用户电子式电能表采用了“分户用电、集中检测”的方式，与传统
3、感应式电能表相比，有效地提高了电能计量的准确性，而且整机体积小、质量轻、安装方便。在多用户电子式电能表的前面板上有6位LED显示器，前两位为分户号，后4位为分户用电量，所显示的用电量与分户号相对应，分户循环显示，每3s切换一户。此外，电能表还必须有断电保护功能，确保用户在断电后能够保存之前的用电数据，在恢复供电时能够继续按照断电前得数据开始计数。 同时，该类电能表还必须有清零功能，每个控制单元上都对每户设置了相应的清零开关，当相应的用户开关按下时，该用户的用电量亦随之清零。一、设计目的及要求1.1 设计目的掌握单片机在电力系统中的应用，并且可以通过计算机的编程实现对户的用电状况进行显示，进一步
4、熟练单片机编程，了解 24C16 的功能实用。完成系统的硬件设计及软件设计。1.2 设计要求1户数：8 户2. 精度：0.0013. 脉冲数：每 1000 个脉冲为 1 度电 4. 循环显示：8 户电能循环显示，每隔 3S 显示一户5. 掉电保护：掉电时不能丢失数据，24C16 掉电保护电路的设计6. 数据显示：实现交流电表对单相交流电能的测量并显示二、设计内容2.1 设计系统方案根据设计要求电能转化模块其芯片可选 AD7755 ,因为 AD7755 是一种高准确度电能测2009 级 单片机在矿山监控中的应用设计课程设计论文 2012 年 1 月3量集成电路，稳定性强并且价格不贵；单片机芯片选
5、择 C8051F36x 器件，它具有片内上电复位1电路、看门狗定时器和时钟振荡器，是真正独立工作的片上系统；数据保护电路芯片可选 E2PROM 24C16，用先进的铁电技术制造的 16K 位的非易失忆的记忆体；另外要求为LED 显示，使用 74HC164 串入并出 8 位移位记存器进行存储数据；因为各芯片需提供直流电源,我们要进行设计交直流变化和降压电路。2.2 设计方案框图电压信号电流型电压互感 器电流信号电流互感 器电 能 转换 脉 冲芯 片 AD7755光电耦 合LED显 示单 机芯片C8051F360E2PROM24C16图 1 设计总体框图三、硬件电路设计3.1. 24C16 功能介
6、绍VCC 0WP 1SCL 2SDA 3A04A15A26VSS7图 2 24C16 管脚图CAT24WC16 支持是一个 16 位串行 CMOS EEPROM，功耗小，有一个 16 字节页写缓存区，通过 I2C 总线接口进行操作，有专门的写保护功能。其中 I2C 总线协议规定，任何数据传送到总线的器件作为发送器，任何从总线接收数据的器件为接收器。SCL 是一个输入管脚，2009 级 单片机在矿山监控中的应用设计课程设计论文 2012 年 1 月产生器件所有数据发送和接收的时钟，SDA 是一个开漏输出管脚，用于器件所有数据的发送和接收， A0、A1、A2 为器件地址输入端，WP 接到 VCC
7、所有内容被写保护（只能读） ，WP管脚接到 VSS 或悬空，允许器件进行正常的读/写操作。CAT24WC16 使用铁电技术制造的 16K 位的非易失性的记忆体，并且可以快速读写数据被可以长时间掉电保存，并且其非易失性存储器可靠性更高，系统更简单，并且 24C16 可以承受超过 100 亿次的速写或者是比 EPROM 高一万倍的写操作，当数据采集系统对写入数据的频率要求比较高即速度要求快的时候 E2PROM 24C16 也可以可靠的实时采集数据。3.2 六段数码管显示电路Vin3 ADJ1+Vout 2WY1LM317T 丙C17104/0.1uFg f a b dp c d e+5g f a
8、b dp c d e g f a b dp c d e g f a b dp c d e g f a b dp c d e g f a b dp c d e+5 +5 +5 +5 +5 +5COM COM COM COM COM COMP1.0P1.1 A1B2 CLK8 /MR9Q713Q612Q51Q410Q36Q25Q14Q03 U1074HC164A1B2 CLK8 /MR9Q713Q612Q51Q410Q36Q25Q14Q03 U474HC164A1B2 CLK8 /MR9Q713Q612Q51Q410Q36Q25Q14Q03 U174HC164L2-L19+5 +5+5 A1B2
9、CLK8 /MR9Q713Q612Q51Q410Q36Q25Q14Q03 U974HC164A1B2 CLK8 /MR9Q713Q612Q51Q410Q36Q25Q14Q03 U374HC164A1B2 CLK8 /MR9Q713Q612Q51Q410Q36Q25Q14Q03 U674HC164A1B2 CLK8 /MR9Q713Q612Q51Q410Q36Q25Q14Q03 U274HC164A1B2 CLK8 /MR9Q713Q612Q51Q410Q36Q25Q14Q03 U774HC164A1B2 CLK8 /MR9Q713Q612Q51Q410Q36Q25Q14Q03 U874HC16
10、4R61KR23390L4L5L6 L1-L13A1B2 CLK8 /MR9Q713Q612Q51Q410Q36Q25Q14Q03 U574HC164+5L18-L15 L2L10-L8L1 L3 L7SM1 SM2 SM3 SM4 SM5 SM6 RRR Yelow GrenGren RR RRYelowL14RR25.1KR215.1K+5图 3 74HC164 与 LED 数码管显示电路图数码管显示电路采用 74HC164,本次设计使用六个共阳极 LED 数码管，其数码管段码值如表 3-1：段码值 88H EBH 4C 49 2B 19 18 CB 08 09 7F数值 0 1 2 3
11、4 5 6 7 8 9 -表 3-1 数码管段码值74HC164 芯片是一个 8 位移位寄存器，串行输入，并行输出，当时钟信号端（CLOCK）出现上升沿时，开始向 164 中写入数据，串行数据输入端为 A,B 的线与，当 A、B 中任意一个为低电平时，禁止新数据输入，但本设计可以直接向 164 送数据，因 P1.0 管脚为 A、B的线与，当 P1.0 管脚为 1，则向 164 送 1，若 P1.0 为 0，则向 164 送 0。如若想送一个数据 49H，需先把数据送给寄存器 A，将寄存器 A 中的数据带进位循环右移，此时 C 中的数据为 1,先将时钟输入端 CLOCK 清零，再将时钟输入端 C
12、LOCK 置一，读入 C 中的数据送给 164的 Q0,再将寄存器 A 中的数据右移一位，此时 C 中的数为 0，然后寻找时钟输入端的上升沿，将 0 写入，此时 164 的 Q0 管脚变为 0，Q1 管脚变为 1，照此规律依次将八位二进制数存入164 中，最后 Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7 中的数据分别为 01001001，即 49H。因本设计所使用的电路板有 10 个 74HC164,6 个 LED 数码管前后各有两个与二极管连接的 164，数据传输时会先将第一个数据传给第一个 74HC164，这样如果传送 6 位数据，则会出现最后两个 LED 数码管不显示数据的现象，因此应在调用两次显
13、示子程序，将两个存在与二极管连接的 164 中的数据移到 LED 数码管中，显示全部数据。本次设计使用的共阳极 LED 数码管的管脚设置图如下：2009 级 单片机在矿山监控中的应用设计课程设计论文 2012 年 1 月图 4 LED 数码管管脚设置图其显示原理为公共阳极接高电平，管脚接电平，二极管导通，则相应的笔画段亮，由发亮的笔画段组合得到各种显示字符，上图使用的数码管阴极各段接 10001000 时，显示器显示“0”字符，即对于共阳极 LED 显示器， “0”字符的字形码是 88H。很多产品为方便接线，常不按规则的方法去对应字段与位的关系，这时字形码就必须根据接线自行设计了。 3.3 C
14、8051F360 功能介绍C8051F360 单片机为主要部件，它具有片内上电复位电路、VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器器件，是真正能独立工作的片上系统。FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新 8051 固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。其 P1.0,P1.1 口产生的脉冲向74HC164 显示输送数据，使其显示相关信息，P2 口接拨码开关，模拟 AD7755 电量脉冲，PCF8563、24C16 部件实时存储用户电量信息，并在掉电后保存，单片机上电复位后能够从中读取数据。2009 级 单片机在矿山
15、监控中的应用设计课程设计论文 2012 年 1 月C730pC630pR51KP0.41 P0.32P0.23 P0.14P0.05 AGND6AV+7 RST/C2CK8P4.6/C2D9 P4.510P4.411 P4.312P4.213P4.114P4.015P3.716P3.617GND18VDD19P3.520P3.421P3.322P3.223P3.124P3.0 25P2.726P2.6 27P2.5 28P2.429GND 30VDD 31P2.332P2.2 33P2.1 34P2.035P1.7 36P1.637P1.538P1.439P1.340P1.241GND42VD
16、D43P1.144P1.045P0.746P0.647P0.548C8051F360U14CY111.0592MP0.2/RXDP0.1/TXD+3.3+3.3+3.3+3.3P1.7P3.0RST/C2CKP4.6/C2DP4.5P4.4P4.3P4.2 P4.1 P4.0 P3.7 P3.6 P3.5 P3.4 P3.3 P3.2 P3.1DA P0.4 P0.3P1.2 P1.5P1.4P1.3 P1.6P0.7 P1.1P1.0 +5PR2 5.1K*8丙丙 CH7CH8CH15CH1612345678161514131211109U16SW-DIP8DAC图 5 C8051F360
17、电路图3.4 5V 稳压电源的设计1 2 3 4ABCD4321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 4-Jul-2010 Sheet of File: C:Documents and Setingsuser1丙丙丙丙丙丙丙丙(丙丙丙).DdbDrawn By:T20V1234D124V1234D224VC20.33uFC60.33uF116RA15KQ1NPNVin1GND2Vout 3U 7805Vout 1GND2Vin3U7905D5DIODE+5V-5V+C510uF/50V+C110uF/50V+C710uF/25V+C310uF/25V+C410uF/25V图 6 稳压电源电路的设计电源电路设计是整个电路设计中的重要部分，其性能的好坏对整个电路的影响极大，是整个系统能稳定工作的前提和关键，系统的各个单元电路都需要使用直流电源供电。本设计将 220V 交流市电通过电源变压器换成交流低压，再经过桥式整流电路整流和滤波，在固定式三端稳压器两端形成一个并不是很稳定的直流电压，然后再经过 W7805 的文雅和电容的频率补偿，形成精度高，稳定性好的直流输出电压，并且集成三端稳压器精度高、外围电路简单，体积小、容易设计和制作、维修简单。
