山东科技大学信息与电气工程学院单片机在电力系统中的应用多用户电能表设计姓名＿＿＿＿学号＿＿手机Email专业电气工程及其自动化＿班级指导教师及职称＿＿公茂法教授＿＿开课学期至＿学年＿学期提交时间年月日摘要：本文主要设计一个多用户电子式单相电能表，以C8051F360单片机为核心，配备电能变换模块、LED显示模块、存储芯片等功能模块，实现对8户的用电情况进行集中检测、循环显示。
采用查找资料、protel画原理图、软件调试等方法，最终实现了电能计量、数码管显示、掉电存储等功能。
关键词：AD7755电能测量芯片C8051F360单片机LED数码管24C16存储芯片目录引言..................................................................................................................错误！未定义书签。
一设计任务及要求 (4)1.1硬件设计 (4)1.2软件设计 (4)1.3设计的主要要求： (4)二设计原理 (4)2.1系统方案 (4)2.2设计总论..........................................................................................错误！未定义书签。
2.3设计方案框图 (5)三硬件电路设计 (5)3.1硬件设计总述 (5)3.1.1单片机电路部分 (9)3.1.2稳压电源 (5)3.1.3光电隔离电路 (10)3.1.4AD7755相关电路 (5)3.1.524C16设计方案...................................................................错误！未定义书签。
3.2本章小结..........................................................................................错误！未定义书签。
四软件电路设计. (11)4.1流程图设计 (11)4.1.1主函数流程图： (11)4.1.2循环显示8户电能程序框图：..........................................错误！未定义书签。
4.1.3读24C16子程序框图： (11)4.1.4写24C16子程序框图：......................................................错误！未定义书签。
4.1.5中断子程序框图 (11)4.2设计程序清单 (11)五总结 (11)六参考文献 (12)当今社会，电子技术蓬勃发展，电子式电能表无论在价格、功能、可靠性等方面都优越于传统感应式电能表，电子式电能表所具有的强大功能及特点，使用越来越广泛。
本文给出基于C8051F360单片机的一种新型单相多用户电能表设计，采用AD7755电能计量芯片，电能计量准确。
该电能表具有分时段计量，六段数码管显示，时间校正及时，功耗低，掉电后自动存储数据的特点。
一设计任务及要求该课程设计任务要求完成是基于C8051F360单片机的多用户电子式电能表的设计与调试。
其中包括硬件设计、软件设计和程序调试三部分。
1.1硬件设计硬件设计包括稳压电源的设计、AD7755电能转换器的设计和单片机控制部分的设计。
1.2软件设计软件设计包括用C语言编写的用户电量显示程序、按键清零程序、脉冲检测程序和掉电保存等程序。
1.3已知参数：基准电压：220V×±10%；基准电流：Ib=10A；最大电流：Imax=4Ib=40A；最小电流：Imin=2%Ib=0.2；1.4设计要求：（1）该交流电能表能实现对8户单相交流电能的测量；（2）将8户电能信息用数码管轮流显示，每隔3s显示一户；（3）具有按键清零功能；（4）具有掉电保存电能数据功能；（5）计1000个脉冲为1度电。
（6）计量精度：1%（要求<=2%）；（7）最大计度容量：99.99kW·h二设计原理2.1系统方案根据设计题目要求,以及原始资料的精度要求,电能转化部分选用电能转化脉冲芯片AD7755,它是一种高准确度电能测量集成电路，稳定性强并且价格不贵；电路控制部分选用单片机芯片C8051F360，它具有片内上电复位、VDD监视、看门狗定时器等功能，是真正独立工作的片上系统；数据掉电保存部分选用掉电存储芯片FM24C16，该芯片是用先进的铁电技术制造的16K位的非易失忆的记忆体；数码管显示部分利用74HC164串入并出8位移位寄存器和数码管配合进行数据显示；按键清零部分利用74HC165并入串出8位移位寄存器实时扫描按键，根据按键要求对相应用户电量清零；各电路电源部分选用稳压芯片MC7805，将交流电经过整流、滤波、稳压得到所需电源。
该系统主要由显示模块、MCU模块、AD7755模块、存储器模块和前端电路调理模块部分组成。
前端电路调理模块采用变比1：1的电流型电压互感器，电流模块采用变比2000：1的电流互感器，利用取样电阻采样信号，经变换后的信号以差模电压的形式接到AD7755芯片，取样电阻的阻值由被测信号的最大值决定，然后经AD7755转换后将电压、电流、电能等信号传给单片机C8051F360，C8051F360组成的MCU模块控制所有芯片的工作、截止及计算和模块的显示，显示模块采用液晶模块，液晶正常显示当前测量的用户号、用电量；存储模块采用AT24C16，为系统提供数据存储，可以做到掉电不丢失数据。
2.2设计方案框图电压信号电流信号电流型电压互感器电流互感器电能转化脉冲芯片AD7755单片机芯片C8051F360光电隔离电路断电保护LED显示按键清零三硬件电路设计3.1硬件设计总述系统主要由电量采集转化电路、微处理器控制电路、非易失存储器电路、显示电路、供电控制电路、按键清零电路等部分组成。
电量采集转化电路采用专用集成电路设计将电量采集转化为8路脉冲信号，每一户的计量脉冲信号，经I／O 接口电路连接到系统总线，在微处理器的控制下，轮流采集并计数其脉冲信号，达到500个脉冲时电量自加0.01kW•h，并将电量存储到非易失存储器中，以防掉电数据丢失。
整个电表采用定时方式，轮流显示用户使用的电量数据。
3.2稳压电源设计电源是电能表设计的重要部分，其设计的好坏对整个系统的性能有较大影响。
本设计使用的稳压电源是由MC7805实现的，输入电压220V,输出电压+5V 。
集成三端稳压器稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、容易设计和制作、体积小、重量轻、成本低、维修简单。
7805集成三端稳压器的典型应用电路如图2所示，这是一个输出+5V 直流电压的稳压电路。
IC 采用集成三端稳压器7805，D1稳压模块中E2、E3分别为输入端和输出端滤波电容，C11、C12分别为输入端和输出端高频滤波电容。
D1稳压模块中E1、E2分别为输入端和输出端滤波电容，C9、C10分别为输入端和输出端高频滤波电容。
电路如下图。
图3-3稳压电源电路图3.3AD7755电能转换设计AD7755是脉冲输出的一种高准确度电能测量芯片，AD7755在低频输出端提供平均功率信息，在高频输出端输出频率正比有效功率的脉冲，AD7755还有自校准功能。
下图是AD7755的相关电路图。
图3-5AD7755功能框图图3-6AD7755性能测试电路3.3.1AD7755电能转换设计原理如上图所示，将电流信号转换为合适的电压信号，由通道一输入，通道一输入最大差动信号峰值为470mV，有效值约为330mV;电压信号经过处理，输入到通道二，通道二输入最大差动信号峰值为660mV,有效值约为467mV。
两路电压信号经过A/D转换器、滤波器、乘法器等，将信号输入到数字一频率转换器转换为一定频率的脉沖信号。
对这个脉冲信号进行计数就可以计量用户的用电量。
可编程增益放大器的放大倍数G 可视情况随意选择，由Gl、G0的逻辑电平确定。
但是通道一输入电压乘以增益G的最大差动信号峰值始终为470mV。
通过设置SO、S1可以选择不同的Fl-4进行选择。
脉冲输出的基本方式是从F1或F2输出，但是这两个引脚输出的脉冲频率较低，最高为几百个脉冲/kW.h。
也可以选择高频脉冲输出，高频脉冲可以从CF端输出，脉冲数可达几千个脉冲/kW.h。
若要使用高频则需要对SCF引脚进行配置。
但是实际使用时脉冲频率不可太高，所以，选用这种脉冲输出方式时通常把SCF、SO、S1都接低电平，脉冲频率可以低一些。
另外在采集电流、电压信号时，要合理选择采集方式，输入到通道一、通道二的电压信号选在最大允许输入信号的1/3到2/3范围内为宜。
在这个范围内，信号采集误差较小。
在选择采集信号方式时，应考虑到抗干扰能力和电阻等原器件的功耗问题。
若通道一采用电阻分压方式将电流转换成电压信号，则G应取最大值，这样可以有效减小电阻上的功率损耗。
另外还可以釆用电流互感器，将电流信号转换为电压信号。
这两种方式各有优势，将在下面进行详细叙述。
若釆用Fl、F2输出脉冲对用户电能进行计量，则可以使得两个通道输入电压在合理的电压范围内，即最大允许输入信号的1/3到2/3范围内。
若釆用高频脉冲输出方式，脉冲频率不应太高，这时通道一、二采集的电压信号可能会低于理想的电压范围。
但是不会有太大偏差，不会对设备性能有太大影响。
我个人认为，还可以通过调节参考电压调节单位电能脉冲数。
以上是对AD7755工作原理的简单叙述，要真正用好这个芯片来实现本方案设计还需要对一些重要参数进行分析计算及配置。
3.3.2AD7755参数分析及计算输出脉冲方式有两种，一种是通过Fl、F2输出的较低频率的脉冲；另一种是通过CF端输出地高频脉冲。
本设计中用Fl、F2输出低频脉冲方式。
下面将做详细介绍：按照公式F=8.06*V1*V2*G*F1-4/VREF2计算出F。
其中V1为通道一的输入电压V1*G,即经过程放大器后的输入电压有效值；V2为通道二的输入电压有效值；可以通过对SO、S1的配置进行选择。
其关系如下：通常情况下先根据最大输入电流和输入电压以及F1-4的取值范围算出可选脉冲数范围，再根据自己的要求确定实际脉冲数，最后有公式/VREF2向回推算出VI、V2检验二者是否在各自的理想电压范围内。
若不符合要求再进行修改。
F=8.06*V1*V2*G*F1-4在计算出F频率后，要计算出一个小时会输出多少个脉冲，即F*3600个。
另外要根据设计要求算出一个小时耗电量，P=(I*V)/1000(kW.h),用(F*3600)/P即为脉冲数/kW.h。