**学远程教育
科生毕业文（设计）
中文题目 基单片机数字电表设计
学生姓名 *** 专业 电气工程动化
层次年级 专升 学号 JD17030306009
指导教师 *** 职称 讲师
学中心**市教师进修学校**学中心[44] 成绩
2019年4月13日
摘
着中国济腾飞民生活水提高电需求日益增长前传统单费率政策已满足需求电网开始采新电政策衡高峰电低谷电保证电网安全稳定运行电表提出新求单片机技术已广泛应领域着价格低廉技术成熟运行安全稳定等优点单片机控制电表逐步取代传统电表
根题目求设计采STC单片机作控芯片线路实行单相测量实现实时测量电流电压效值瞬时功率电表带报警功行设置报警阈值超阈值蜂鸣器报警保护电路电表采模块化设计采集部分分电流采集模块电压采集模块功率素采集模块通单片机带AD转换器转换成处理数字信号单片机部程序运算实现电力参数实时测量显示功单片机系统集成LCD显示模块通LCD实时查电力参数电源模块双路输出单片机模块采集模块分提供5V+12V稳定直流软件部分带设置中断时设置报警值根采集数转换成读电力参数
关键字：单片机电表电力参数实时显示报警
Abstract
With rapid development of Chinese economy people's living standards improve and the demand for energy growing day by day The traditional single rate policy has been unable to meet the demand In this case the grid started the new electricity policy to balance peak power and low electricity guarantee the safe and stable operation of power grids This raise a new demand for electric energy meter now SCM technology has been widely used in various fields It has the advantages of low price mature technology safe and stable and now the electric energy meter which controlled by single chip microcomputer gradually replaced the traditional electric energy meter
According to the requirements of the topic this design uses STC microcontroller as the main control chip the circuit implementation of single phase measurement can achieve realtime measurement of current voltage effective value and instantaneous power The electric energy meter has the function of alarming which can set the alarm threshold if this threshold is exceeded super buzzer will alarm so that can protect the circuit Electric energy meter based on modular design collecting part is divided into current collecting module voltage acquisition module and the power factor of the acquisition module through the MCU builtin A D converter that convert the digital signals which can handle through the internal procedures in the microcontroller operation of electric power parameter measurement display function MCU minimum system integration of the LCD display module through the LCD realtime view of the power parameters power module for the dual output for the microcontroller module and acquisition module respectively 5V and +12V to provide a stable DC The software part is equipped with an interrupt which can set the alarm value at any time and can be converted into a readable power parameter according to the collected data
Keywords microcomputer electric energy meter electrical parameter realtime display alarm
目 录
摘 I
ABSTRACT II
1 绪 1
11 课题背景 1
12 发展情况 1
121国际发展情况 1
122国发展情况 2
13 发展趋势 3
14 课题研究基求 3
15 章结 4
2 电表电力参数芯片选择 5
21 互感器 5
22 电参数测量 5
221电压电流效值 5
222功率计算 5
23 控模块选择 6
24 显示模块 7
25 AD转换 7
26 章结 7
3 硬件部分 8
31 硬件整体结构 8
32 控芯片12c5a60s2 9
321STC12c5a60s2系统设计 9
33 LCD1602显示模块 10
331LCD1602部存储结构 11
332初始化设定LCD1602指令 11
333读写数 12
34 电流采集模块 14
341 IV变换部分电路： 14
342电压器： 15
343精密整流滤波 15
35 电压采样电路 17
351运放采样 17
352电压器 18
353精密整流滤波 18
36 电源模块 19
361桥式整流电路 20
362稳压芯片电路 20
37 功率素检测电路 21
371电路原理 22
372时间相位换算 22
38 章结 22
4 软件设计 23
41 软件思路 23
42 显示程序 23
43 程序 24
5调试 25
51 硬件调试 25
52 软件调试 25
6 结 26
谢 辞 27
参考文献 28
附录 基单片机数字电表设计电路原理图 29
附录二 基单片机数字电表设计电路PCB图 32
附录三 基单片机数字电表设计C语言程序 35
1 绪
11 课题背景
电出现类历史百年时间发展广泛速度快意想电表提出时代需求开始时候电解化学电表进行计费发明电磁感应电表世纪做诸改进技术成熟已难满足时代需求世纪历工业革命类生产力空前提高时带动科学技术发展类微电子领域计算机领域重技术突破新代电表产生奠定基础测量精度高实时电价计算远程抄表负荷曲线计算等优势明显现已取代传统电磁电表成未电表发展流 着国家电力行业规范化市场化改革国智化电网建设电远程抄表系统逐渐普实际中旧式电表已数字电表取代部分国外厂商生产电表运作良电网营运中电测量整电网生产运营缺环节发展更先进精准电表电网运营重意义着国电水求提高传统二次设备已满足电网安全稳定运行电网功率素会影响设备正常运行需检测设备进行更新换代实时调整电网项参数保证电网安全济运行减少电浪费
着民生活水提高电设备家里原样变成现时刻离开电器设备电设备已成缺生产力工具国家发展离开电民生产离开电民电需求断增长促进国家电网建设发电厂增电压等级升高发电厂装机容量增传统二次设备已满足电网稳定运行传统二次设备需值班数较法满足市场化电力行业济性求高新技术产业电质量求颇高求电网电力参数做实时监控电单位功功率超标导致电充分利造成电浪费时补偿导致电压波形畸变电设备寿命造成影响时调整会造成电设备受损保证电网电设备安全稳定运行势必电网中项电力参数进行实时监测参数进行判断预判合理项参数失常进行必补偿电力参数实时测量时电网安全运行保证电参数合理预判避免障发生
12 发展情况
121国际发展情况
电力产业发展起步阶段国际研发第代电表初代电表采电解化学原理计费直1890年国际发明电磁感应原理电表该原理电表已百年历史着国际电费制度改革提出新电价制度分段费率预付费制度等系列新代电费制度世纪七十年代国际电力行业迎次新发展机遇电计量设备提出负荷曲线记录电质量检测电表远距离通讯智抄表实时电价编程等新求传统铝盘式电表诸改善国际电力行业断增加新需求免力心世纪中叶类科学技术水次飞跃微电子电子信息领域飞跃式进展技术变革催生新代电表产生基微电子高新技术新代电表精度远高电磁感应式电表电力行业变革潮流中世界电表生产厂商意识电表业站稳脚发展设计表计供应商电价系统二次设备标准未完全指定时代厂家间通讯协议混乱制定二次设备生产标准迫眉睫欧洲二次设备厂引导成立DLMS户协会该协会IEC规约出台奠定基础样北美区出台ANSI规约标准时电力系统中着厂家制造标准二次设备标准混乱设备间兼容性差美国Itron公司势退出MV90表计兼容性十分强兼容系统中部分二次设备北美世界区广泛采成时代电表代表
122国发展情况
国电表发展水高国际发达国家二次监测设备发展水相存较差距国核心技术特核心部件材料加工水远国际水国加工精密材料中国制造软肋精密加工远远落国外先进水制造材料质量参差齐提高国精密加工工艺水提高国二次设备水关键问题新代数字式电表国已开始逐步取代传统电表国生产电表水高采传统工加工设备存较体差异设备良品率收素影响较国二次设备生产企业规模较少研发投入资金较少导致国设计电表缺乏竞争力国核心技术研发力度足导致国二次设备发展较缓慢
国电表原理划分两代第代铝盘式电表电流通线圈产生磁场铝盘中感应电流互斥驱动铝盘转动铝盘带动机械传动装置记录铝盘转动圈数达记录消耗电目通电磁感应驱动转动电消耗越快转速越快第代电表结构简单测量误差较采工抄表方式电网反馈实时性差催生第二代电表
第二代电表数字电表着微电子技术发展市面出现电表专芯片集成电力市场求种功通单片机编写程序外围电路设计实现电动计量远程传输动抄表等功测量准确度高稳定性成现流电表
世纪九十年代国厂商成功研制数字电表开始华东区范围运行良稳定障率低开始电力理部门接受国仪表厂商提供次发展机遇国厂商国外先进技术学理解结合国国情研发出批科技含量高产品
单相电子式电表专芯片报道1998年全国产量500万片2000年新代芯片ad7755中国销量超1000万片推1998~2000年年单相电表产量均数百万台仅江苏浙江两省完全统计单相式电表装量均100万台推全国装量应少数百万台单相式预付费卡电表相装量[1]
13 发展趋势
着年国高新技术发展国家制造业空前发展国电表制造技术较提高电磁感应式电表已逐渐新代数字式电表取代电表运行稳定性测量精度较提升着国电网规模扩初代单相数字电表已满足电参数测量求新代三相式电表已开始投放市场第代电表单统计电量通技术革新更新换代统计种电参数电表稳定性较高统计种电参数未电表发展趋势中模块化设计成流模块化设计助增加数字电表运行稳定性
着微电子技术发展成熟厂商推出电计量芯片相传统电表测量精度更高外围电路配套软件较简单价格便宜高度集成化设计分块化设计成未发展流
实际电网运行程中某时间点类负载消耗电总称电力负荷消耗电时间变化负荷曲线描述电力负荷量增加时会形成电网负荷高峰电力负荷减少时会形成电力负荷低谷电力负荷峰值谷值相差时会供电设备容量充分利运行济[2]求电网实时掌握时刻电情况传统电磁式电表采工抄表方式时滞性满足电网运行济性求发展新型功电表中国电力行业必然需求
14 课题研究基求
设计容
电力系统运行中电参数表征系统运行状态重参数通电参数合理预判定程度避免电力障发生次课程设计求电网中电力参数进行测量求电表具较高精度实现实时测量路电参数具定济性便携性课题求利单片机DSP设计功电力参数测试仪
二设计求
1通阅读材料认识该领域发展状况学掌握相关采样电路变送器工作原理
2解掌握电力参数（UIPQλ等）常测量方法
3少实现2路电参数实时计量显示
4测参数超预置阈值时通指示灯闪烁蜂鸣报警
15 章结
章次设计开篇介绍电表国外背景发展情况简介绍电表发展历程未发展趋势介绍数字电表优势文设计介绍做铺垫
2 电表电力参数芯片选择
21 互感器
测象电网民电电压电流变化周期50HZ电压220v交流电数值较高远超安全电压存定危险性单片机采样信号低需互感器测信号转换成采样信号互感器原理变压器类似采电磁感应原理次侧绕组测绕组二次绕组采样绕组通绕组变设置达降低采样信号目
22 电参数测量
次设计电表需线路中基参数进行测量电参数包括：电压效值电流效值电路中功率数角线路中电压电流相位差线路中视功率等基参数实际应中规模采样供电单位实时解电单位电高峰电质量等信息电生产储存供电单位通收集信息统计预判电生产单位进行协调电质量进行补偿避免造成电浪费提高电设备运行效
221电压电流效值
电流效值均方根值：交流电i通纯电阻电路做功直流电I通相电路做功相等称I交流电i效值电力基参数计算时采效值计算公式
I1T0Ti2dt （21）
类似电压效值计算：
U1T0Tu2dt （22）
222功率计算
正弦交流电功率计算中包含功功率功功率视功率电计算中离开三功率间关系面讨三功率功率间关系
电表征电流做功物理量意义户段时间消耗电量电微分电功率表示电消耗快慢功率分瞬时功率均功率方发生改变直流电说两者致交流电中刻功率实时计算定时间消耗电值需段时间功率瞬时值进行积分
功功率：设意时间电压U(t)电流I(t)该时间功率P瞬时U(t)×I(t)交流电中实时变化函数求时刻功率均值需段时间P瞬时进行积分段时间间隔∆t
P均t0t1u(t)×i(t)∆t （23）
功率数：里引入三脚函数cos∅该三脚函数表示功率数功率数表示电网中实际做功快慢端口电压电流效值相视功率功率数反应负载电效率高低功率数低说明负载中交变磁场转换功率降低电效率会供电线路造成电压畸变等良影响∅电压信号电流信号相位差交流电式变：
P均t0t1U×Icos∅∆t （24）
外部电路网络供量网络真正应量相等功功率视功率关系定义功率数值等负载UI间相位差实际应中提高功率数增加电利率保证电设备安全稳定运作功率数功功率视功率间表达式：
cos∅PS （25）
功功率：包含电磁感应原理负载中电机等含感性负载电设备电需转换成交变磁场电负载正常运行电转换成磁场程中需消耗量部分量做功功率
Qs*sp*p （26）
次设计电表模拟测量电器白炽灯视纯阻性负载次测量电设备没电磁转换功功率视0
视功率视功率指整端钮电压效值电流效值积反映外部电路整网络供量根定义：
SUI （27）
23 控模块选择
控制芯片分ARMSTC51两阵营次设计测量设备需控制功耗控制功耗规模安装会电造成浪费采电压供电单片机整系统实现低功耗方面控制芯片需处理调度较数控制芯片需较快处理芯片ARM芯片实现较快处理速度价格昂贵功繁测量设备性显剩考虑采STC51系列芯片
STC51芯片常STC89C51存较处理速度较慢性满足次设计需STC系列资料查阅终选定12c5a60s2单片机12c5a60s28051指令引脚完全相相8051具更ROM单片机部带60kROM常8051系列控芯片选择该控芯片具优点：相外围电路系统处理效常8051系列控芯片快8~12倍控芯片带8路10位AD幅度精简外围电路直接通编写程序读取模拟测量值单片机部带60kROM远高传统8051系列单片机次设计程序较长需较部储存空间综合性耗济性集成度等考虑终选定12c5a60s2次设计控制芯片
24 显示模块
显示模块常两款分lcd1602lcd12864
LCD1602款点阵组成液晶显示屏时显示16列2行字符5x75x11单字符点阵点阵显示字符设计需显示信息较简单满足显示需求编程点阵字库显示简单中文
LCD12864款带中文字库显示模块字库包含八千16x16点阵128ASCII字符带字库指令编程简单完成显示图形显示常显示模块
考虑次设计电表需显示电力参数较简单采LCD12864功剩LCD1602功满足次设计求LCD12864价格LCD16025倍规模生产成差巨次设计采LCD1602
25 AD转换
次设计采样模块通互感器采集电参数信号未处理信号模拟信号单片机够处理信号数字信号 次选取控芯片部带10位8路ad转换器通编程开启P1口AD转换需外加电路单片机部带AD转换器电压输入型电流采样信号交流电流信号需进行AD变换成处理直流电压信号需加入电阻负载转换成电压信号转换信号粗糙信号含较毛刺噪声需信号加工信号通精密整流滤波电路信号毛刺噪声信号变成较滑直流信号接入单片机进行AD转换滤波电路增加效分辨增加测量电路精确度
26 章结
章介绍电参数基运算基采样模块文理解电路基础时介绍次设计芯片选择思路文整体性介绍做铺垫
3 硬件部分
31 硬件整体结构
次设计整体方案图31示采模块化设计思路模块相独立法独立行功需单片机协调完成模块功单片机模块联系起单片机高集成度系统模块采集数统处理模块工作构成具完善功电表
图31 整体结构
电表模块组成：
（1）控制芯片：STC12c5a60s2电表控芯片电表核心硬件通合理搭建外围电路单片机行通功次设计单片机协调电表模块功电表测量计算功率实时显示电力参数压流报警功
（2）电参数采集模块：通互感器电路中电流转换成电流电压转换成电压电表测电路实现电气隔离保护电表员安全时测量线路电流电压降低采集范围
（3）AD转换模块：次采单片机集成AD转换模块降低电路复杂程度提高电表性具积极作AD转换初未处理电参数模拟信号转换成单片机处理数字信号输送单片机进行运算
（4）显示模块：采常LCD1602液晶显示器行机互交工作采集模块采集数单片机处理计算终出类读数通LCD显示实现机互交
（5）报警模块：报警模块设计蜂鸣器通键设置报警电压电流阈值电流电压达阈值单片机发出报警电触发蜂鸣器报警
（6）电源模块：电源模块通变压器降压作测电路高压交流电转换成低压交流电整理芯片带AD变换成供单片机直流电次设计电源模块具双路输出分12v5v单片机供电流5v采样模块精密整流电路供电压12v电源模块设计十分重需输出稳定高质量直流电保证系统稳定运行
32 控芯片12c5a60s2
图32 1 单片机引脚图
次设计电表采控制芯片STC12c5a60s2控芯片 众8051系列控芯片中 12c5a60s2着独特竞争力 12c5a60s2编程指令常8051控芯片完全相常8051控芯片相优点次设计重：首先样外围系统中处理力传统8051单片机812倍次12c5a60s2p1口集成8路10位AD转换器通编写部程序P1口开启AD转换功0~5v模拟电压信号转换成单片机处理数字信号AD转换器定程度降低电路设计复杂程度提高电表稳定性引脚图321
321 STC12c5a60s2系统设计
图32 2 系统原理图
单片机系统指单片机正常工作外围硬件电路发挥功需根设计求模块通单片机引脚单片机相连实现模块控芯片数交换终实现设计需功根查阅12c5a60s2引脚户手册设立电路12c5a60s2系统传统8051系列单片机异P1口带AD转换采集模块整流单片机p1口输入单片机原理图322
单片机编程性强芯片常作电路设计中控芯片部集成中央处理器具功数传输接口（输出输出）机存取储存器读储存器等部分通编程实现较复杂计算外围部件实现数交换控制外围电路等功单片机系统控芯片运作搭建简硬件模块系统般四部分组成分晶振时钟外部通讯设备复位电路控芯片组成
晶振时钟电路1819引脚通常采石英晶振引起部激振荡通外部时钟电路进行振荡两电容电路中起起震作时微调晶振频率
复位电路：单片机运行出现障停止运行时需进行复位操作单片机9引脚出现两周期高电单片机进行复位
33 LCD1602显示模块
LCD1602种常液晶显示模块时显示32字符2行16列功显示字母数字符号部带储存器CGROM中存储预设160字符阿拉伯数字常符号写英文字母日文假名等常字符该储存器CGRAM允许户定义字符带64字节空间知道字符占储存空间8字节LCD1602允许户定义8字符次设计需显示字符较简单处成易性考虑次采LCD1602作显示模块面LCD1602显示基原理功做简介绍
图33 1 LCD1602引脚图
LCD1602引脚图33 1示：
331LCD1602部存储结构
LCD1602置三储存器分辨DDRAMCGRAMCGROM三储存器功相编程时容易弄混
DDRAM：显示RAM功寄存外部接收数DDRAM址代码屏幕显示位置应第行址位00H~27H第二行址位40H~67H行40址位次设计仅行前16址位实际中想00H写入数A实际中相应位置显示出A需DDRAM址位加80H指定位置显示出相应数具体原文会介绍
CGRAM：LCD1602部带64字节存储器显示器带ASCII码图形满足户需求时LCD1602允许户建模CGRAM户建模区需注意LCD1602建模5X8点阵常字模提取软件直接提取5X8代码需8*8字模中右5*8字模提取代码代码高三位0提取代码直接
CGROM：LCD1602部带160ASCII字符户需显示数库里存时仅需CGROM中调字符址
332初始化设定LCD1602指令
1清屏指令
表33 1
RS
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
功：初始化设置液晶显示器清空DDRAM容光标复位左角第位零址计数器
2显示器开关控制
表33 2
RS
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
功：B：控制闪烁开关C控制光标开关D控制显示开关高电开低电关
3画面光标位移
表33 3
RS
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
0
0
0
1
SC
RL
*
*
功：SC1时画面移动字符SC0时光标移动字符RL移方1右移0左移
4工作方式设置
表33 4
RS
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
功：DL数接口设置高电时八位接口低电时四位接口N显示行数设置高电时两行低电时单行F点阵模式选择高电时5X10点阵低电时5X7点阵
333读写数
LCD1602液晶显示器中三脚RSRWE控制显示器读写功通三脚电变化实现单片机显示器信息传递电应功图：
表33 5
RS
RW
E
功
0
0
降
写命令
0
1
高电
读忙AC码
1
0
降
写数
1
1
高电
读数
初始化程序
初始化程序时许显示器进行显示模式设定显示器置写命令状态需注意E脚降触发功需注意DDRAM写入址时需DB7口置1设置显示址时需址位加80H原写命令程序段：
Void LCD_COM(uchar com)
{
rs0 设置写命令状态
rw0
P2com 命令传送P2口显示器IO角P2口相连
delay(5) 延迟函数显示器做接收准备
en1 E脚降触发先E置高电
en0 触发写命令状态显示器接收指令
}
显示器写入容
初始化程序需显示器传输显示容CGRAM存入户建摸需LCD置写数状态初始化LCD需写命令程序设置显示器显示址显示器写入显示容写数程序：
Void LCD_DAT(uchar dat)
{
rs1 设置写数状态
rw0
P2dat 数传送P2口显示器IO角P2口相连
delay(5) 延迟函数显示器做接收准备
en1 E脚降触发先E置高电
en0 触发写命令状态显示器接收指令
}
具体显示模块程序设计篇会较详细介绍节介绍LCD1602基原理基指令章介绍显示器基础设置涵盖次设计电表显示器采指令
34 电流采集模块
次设计采集模块基思路：通电流互感器电流信号转换成信号通IV变化交流电流信号转换成交流电压信号交流电压信号精密整流滤波交流信号转换成直流信号传送单片机AD转换部分
电流采集模块分成两部分介绍第部分基IV变化第二部分精密整流滤波提高设计电表精度采电压器进行隔离图电流采集部分第部分图34 1：图34 1 电流采集模块 第部分
341 IV变换部分电路：
LM358次运算放器部集成两独立高增益部频率补偿运算放器LM358电源电压范围宽工作功耗较低运放芯片
谓IV变化电流信号转换成电压信号求输入电流输出电压成正简单IV变化电路中加入电阻R欧姆定律知道UoIi*R样电路应实际电路中接入负载时负载电阻叠加电路中电阻R输入输出值发生变化数电路中满足设计需求
考虑负载电路IV变化影响采种基LM358搭建IV变化电路IV变换电路保证电流电压转换线性关系剔负载电阻IV关系影响IV变化典电路面简介绍IV变换基原理采样模块电流互感器采集线路电流电流互感器输出端输入LM358脚2图LM358脚2运算放器外围电路组成IV变化电路该变化电路实质跨阻放器图中电位器R1C1组成相位补偿电路互感器户手册推荐加入补偿电路实测测量常规线路中效果明显理想运算放器虚短知UU+运算放器虚断知
IiUoRf （31）
式中Ii电流互感器输出电流UoIV变换输出电压Rf反馈电阻式知输出电压仅反馈电阻决定排负载阻值IV变换线性影响
342电压器：
电压器放倍数接运算放器实际电路中常电压器做缓前电路隔离电压器身特性输入阻抗高输出阻抗低次设计采样电路需采样数精准度定求考虑IV变换电路精密整流滤波电路间加入电压器进行前隔离运放输出电阻通常较高级电路输入阻抗较输出信号会前级电路输出电阻产生较损耗引起信号失真需前级电路级电路间加入电压器输入阻抗高输出阻抗低前端电路相开路端电路输出电阻低提高电路带负载力提高精密整流电路精密度提供保障
图34 2 电流采集模块 第二部分
343精密整流滤波
谓滤波电路交流电信号转换成直流电信号电路整流电路常三种中全波整流精密整流功致二者适应范围精度求较高电路设计中优先采精密整流电路精密整流滤波电路较准确交流电压零处信号原直流电压信号提高测量精度积极作
次设计整流电路基典精密整流电路设计输出端附增加滤波电容极性电容进行储滤波点电容滤波形毛刺典电路电阻配令R5R6R4R32R7R3设置位调电阻通改变R3调节输出增益
精密整流电路运作原理分两部分第部分输入电压零时第二部分输入电压零时面介绍第部分工作原理：
输入电压0时二极导通特性知：时D1截状态相开路D2位导通状态相导线样U2AR6R5构成反例运算电路R6R5反例运算电路增益1UAO1*Ui
U2BR3R4R7组成反求电路求电路知
UBOR3*UAOR7(R3*UiR4) （32）
通调节电位器R3改变输出增益次设计电路令R3R42R7式变成UBOUi知道精密整流电路中电阻配满足R5R6R4R32R7输入电压Ui＞0时精密整流电路输出增益1输出电压等输入电压
输入电压Ui<0时集成运放输出端必Uo>0二极导通特性知道D1处导通D2截状态导致R6中流电流零U2A部分运放电路视高阻输出没U2A输出U2B电流流入U2B电流流R4路电流时U2B变反例运算器R3R4U2B组成电路增益1反例运算电路输出
UBOUi （33）
Ui<0时精密整流电路输出值输入电压绝值精密整流电路成绝值电路
精密整流电路相全波整流电路输入阻抗较低通调节R3调节电路输出增益电位器R3处联电容输出电压实现滤波作提高波形质量该电路仅适低频信号整理电路频率较高时输出电压会零时出现输出电压失真节设计电路中二极需选择导通压降较保证波形质量
35 电压采样电路
图35 1 电压采集模块 第部分
次设计电压采样电路原理电流采样电路原理类似区仅电路中IV变换部分采样出信号直接进行精密整流输入单片机AD模块体结构类似分两方面介绍分运放采样电路精密整流滤波电路图运放采样部分电路：
351运放采样
电压信号采样方式两种第种电阻采样直接互感器输出端34角直接联采样电阻电阻采样简单采样方式需外界电源成低输出电压限负载电阻测量精度影响较考虑次设计级电路较采运放采样法精度高联电阻进行相位补偿时较强带负载力需外接电源电路较电阻采样电路负载降低电路性满足测量精度输出电压求设计采运放采样电路作次设计前端采样电路
图中U1B外围电路组成运放采样模块R4限流电阻电压互感器限流2ma计算限流电阻R4220V2ma110KΩ单片机置AD转换电压范围0~5V运放采样模块反馈采样电阻R2+R352ma里加入调电阻进行微调输出电压达求精度C1相位补偿电容补偿运放相位滞防止运放产生震荡
运放采样电路电流采样模块设计类似精密整流滤波电路前级电路间加入电压器目进行前级电路缓存隔离提高电路带负载力防止级电路输入电阻导致信号失真
352电压器
图35 2 电压采集模块 第二部分
电压器级电路精密整流滤波电路该电路交流信号转换成直流信号种全波整流电路面整流电路简原理说明：
谓滤波电路交流电信号转换成直流电信号电路常整流电路三种中全波整流精密整流功致二者适应范围精度求较高电路设计中优先采精密整流电路精密整流滤波电路较准确交流电压零处信号原直流电压信号提高测量精度积极作
353精密整流滤波
次设计整流电路基典精密整流电路设计输出端附增加滤波电容极性电容进行储滤波点电容滤波形毛刺典电路电阻配令R5R6R4R32R7R3设置调电阻通改变R3调节输出增益
精密整流电路运作原理分两部分第部分输入电压零时第二部分输入电压零时面介绍第部分工作原理：
输入电压0时二极导通特性知：时D1截状态相开路D2位导通状态相导线样U2AR6R5构成反例运算电路R6R5反例运算电路增益1UAO1*Ui
U2BR3R4R7组成反求电路求电路知
UBOR3*UAOR7(R3*UiR4) （34）
通调节电位器R3改变输出增益次设计电路令R3R42R7式变成UBOUi知道精密整流电路中电阻配满足R5R6R4R32R7输入电压Ui＞0时精密整流电路输出增益1输出电压等输入电压
输入电压Ui<0时集成运放输出端必Uo>0二极导通特性知道D1处导通D2截状态导致R6中流电流零U2A部分运放电路视高阻输出没U2A输出U2B电流流入U2B电流流R4路电流时U2B变反例运算器R3R4U2B组成电路增益1反例运算电路输出
UBOUi （35）
Ui<0时精密整流电路输出值输入电压绝值精密整流电路成绝值电路
精密整流电路相全波整流电路输入阻抗较低通调节R3调节电路输出增益电位器R3处联电容输出电压实现滤波作提高波形质量该电路仅适低频信号整理电路频率较高时输出电压会零时出现输出电压失真整流电路中二极需选择导通压降较保证波形质量
36 电源模块
图36 1 电源模块 第部分
电源模块电源种类分交流电源直流电源交流电源通常220v 50hz民电电器部芯片需低压直流供电次设计电表部需双路电源供电控制芯片需5V直流供电采样系统运放采正负12V电压供电满足系统供电求设计双路输出直流稳压电源常220V交流电整流成正负12V5V直流电输出次设计电源模块分两部分第部分桥式整流电路第二部分整流芯片组成稳压电路面介绍第部分设计电路图36 1示
361桥式整流电路
第部分桥式整流电路关键原理二极单相导通性较常功率整流电路图示桥式整流电路四相二极组成P1变压器降压输出端交流电处正半周时D1D6导通D2D5截止电流D1流出级电路D6流回交流电负半周理D2D5导通电流D2流入级电流D5流回电路交流电正半周负半周始终图中VCC+15流出电路VCC15流出电路构成简单全波整流电路桥式整流电路输入输出关系：
Uo09U2 （36）
Io09U2RL （37）
桥式整流电路中正负相位分导通两二极流二极电流Io2二极整流电流反电压应留10余量
362稳压芯片电路
图36 2 电源模块 第二部分
第二部分稳压模块第二部分模块原理图图36 2示：
市电交流电变压器降压转换成低压交流电交流电输入级电路桥式整流电路转换成脉动直流电C5C7滤波电容进行滤波通三端稳压芯片LM7812LM7912输出较稳直流电市电常电压波动等情况发生三端稳压电路增加C1C8滤波电容终输出高精度稳定性高直流电
稳压电路元件参数选择：
次设计采正负12V输出芯片LM7812LM7912分正负12V稳压芯片输入电压35V输出电流15A稳压芯片输入电压定求般选择输入电压整流芯片输出电压2~3V留出足够余量选输入电压正负15v考虑电网10波动取输入电压：
15X11165V变压器降压电压165V桥式整流电路接滤波电容时：
I（15~2）IL （38）
取IL1A变压器副边功率PI*U215*1652475W变压器效率07~08原边功率需3536w
二极设计输出电流1A次导通二极两流二极电流500ma二极反耐压2*1652333V选取1N4007桥式整流电路二极
电容次整流电路中起滤波作常功率电源电路中电容常滤波电路滤波电容取值式计算电路中做精确计算现实通估算选择器件留定余量
CtIcVipp （39）
t电容放电时间般取交流电周期半t05T001sIc电容放电电流般取输出电流值IcIomaxVipp芯片波纹电压根设计需求求出C取值1515uF取极性电容留定余量取2200uF电解电容作滤波电容防止电路激振荡滤波电容增加100nf极性电容
出简化电路目整流+12V直流电接入LM780512V直流电降压5v直流电单片机进行供电
37 功率素检测电路
图37 1 零较原理图
测量功率数实质较电压电流信号间相位差实际设计电路中实现考虑通电压电流信号零较采集两者间零点时间差通换算获两者间相位差国电力系统中电压频率50HZ电压频率转换成工频周期20MS电路中功率素检测精度决定零较电路中高电宽度测量电路中电流电压信号分整流低通滤波电压电流信号输入零较器中零较器零点信号转换成方波信号传送单片机通较电流电压零脉信号间时间差通单片机计算采集电压电流间时间差信号转换成相位差信号达测量电路中电压电流相位差目通测量相位差知电路功率数知道电路中电效率相位差电计量重参数图37 1功率素角测量电路原理图：
371电路原理
图中D1D2整流二极交流信号转换成脉动直流信号R3限流电阻三极S8050电流05A直接接入电路中流三极电流超额定电流成三极烧毁R5C1组成阻容滤波电路防止测电压毛刺导致三极勿动S8050三极次采信号输出关键部件
次电路原理：P3接入交流电交流电D1D2整流变脉动直流电电压三极基极导通电压时三极导通C脚电压E脚电压0输出单片机信号低电测电压三极导通电压时三极截三脚输出电压等VCC电压输出单片机高电三极导通电压约07V远远测电压220V致三极截电压控芯片输出高电时测电压0V
372时间相位换算
通该电路知道电压零时间电流零时间通单片机较知电流零点电流零点间时间差∆t次采控芯片晶振频率12MHZ测量精度远满足求知道∆t时间差信号换算成相位差换算公式：
∅∆tT*360o （310）
实际电路中测量出相位差线路中实际相位差具定误差该误差电路中滤波电路引起误差通补偿算法误差进行补偿通常采补偿查表法数补偿算法处理数具较高精度
38 章结
章介绍硬件电路模块模块实现运行详细原理明确模块电路选型芯片选型模块相间关系
4 软件设计
41 软件思路
次设计电表控芯片单片机STC12c5a60s2设计接收模块采样信号线路采样模块三分电压采样模块电流采样模块零采样信号采样模块采集信号输入单片机带8路10位AD转换器单片机接收采样信号部程序运算采样值换算实际测量值实际测量值显示LCD1602显示模块次设计控制模块含三键行设置报警值三键功分选择设置报警电压电流选设置电参数加选设置电参数减
42 显示程序
LCD1602写入数两种模式第种写入指令初始化设置令rs0rw0en降触发写入次初始化设置序0x38设置字形IO接口0x0c设置显示屏开启关闭光标0x06显示址右移0x01清屏流程图图42 1示
图42 1 初始化指令 图42 2 显示数
第二种指令写入显示数显示数写入LCD1602DDRAM寄存器中寄存器址代表显示字符LCD1602实际位置LCD1602显示应寄存器DDRAM存储显示容流程图图42 2示
43 程序
程序首先程序显示器LCD1602单片机带AD转换器定时器进行初始化设置设定工作模式系统键进行扫面键时系统中断进行报警阈值设定单片机实时接收采集模块采集模拟信号进行AD转换成数字信号计算数字信号转换成实际测量值系统实时测量值设置报警阈值旦实际测量值报警阈值单片机蜂鸣器信号触发报警单片机测量数值实时发送液晶显示器LCD1602实现测量值实时显示功图43 1程序流程图
图43 1 整体程序流程图
5调试
51 硬件调试
调试思路分开模块测试调试首先先电源部分开始万表直流档位测试电源输出端否+12V+5V输出正常电压输出接电次控系统硬件调试简单写某IO口高低电延时程序接LED烧写进果LED闪烁代表控系统工作正常调试检测电压电流部分PCB信号发生器产生50hz正弦交流电互感器两端输入输出端万表测输出电压调节电位器信号放倍数达单片机控AD采集允许电压范围没部分调试成功原理图接部分电源线信号线
52 软件调试
先写显示程序1602液晶够显示需程序界面然单独写单片机AD采集程序数显示液晶否准确程序流程图逻辑算法C语言实现
6 结
设计单片机STC12c5a60s2控芯片数字电表次设计硬件电路实现市电民交流电电流效值电压效值电压信号电流信号间相位差测量通单片机带AD转换器采集模拟信号转换成单片机读数字信号单片机部计算程序模拟采集数字信号转换成实际测量值通LCD1602显示模块进行显示次设计电表具报警功提供户三键分设定电压电流报警阈值旦电压电流超阈值会引发电表报警模块LCD1602显示报警电参数
次设计采模块化设计思路模块相独立模块间会产生影响模块间通单片机联系起终实现测量电参数功次毕设存足例未采集成芯片实际测量值芯片相存定误差足需未学工作中断改进完善次设计未改善提供实践基础
谢 辞
半年学时间次毕业设计终圆满完成设计中深刻体会实践检验理标准设计四年学知识全面测试实践力理知识提高
次设计李震老师悉心指导完成李老师认真负责工作态度严谨做学术研究精神深厚理水受益匪浅撰写程中李老师提出积极修改意见帮助克服许困难文圆满完成里表达衷心感谢撰写文程中提供帮助老师学表示感谢感谢母校老师辛勤工作您私奉献够知识海洋畅游诲倦师德身作作风必学生活工作产生深刻影响表达崇高敬意衷心感谢
参考文献
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附录 a 控模块
附录 基单片机数字电表设计电路原理图
附录 b 电源模块
附录 d 电压采集模块
附录 c 电流采集模块
附录 e 功率数采集模块
附录二 b 电源模块
附录二 a 控模块
附录二 基单片机数字电表设计电路PCB图
附录二 d 电压采集模块
附录二 c 电流采集模块
附录二 e 功率数采样模块
附录三 基单片机数字电表设计C语言程序
#include LCD1602h
#include keyh
#include adch
sbit buzzP2^0 蜂鸣器IO口
float ADC_Value[4]0 四通道ADC值
char temp_char[10]temp_char1[10]temp_char2[10]temp_char3[10] 显示暂存ADC值
char temp_char4[10] 显示时间暂存
char temp_char_I[10]显示阈值暂存值
char temp_char_V[10]
float Threshold_Value_I_F15Threshold_Value_V_F15 设定阈值
int Threshold_Value_I0Threshold_Value_V2200 键设定阈值
unsigned char Flag_Set1Flag_Work0 设置模式标志位工作模式标志位 设置键次数变量
unsigned char Flag_I0Flag_V0 报警记录标志位
int count0count_time0count_time_Filter0 计算功率数时间
float temp_time50 时间显示暂存变量
float PF0 功率数
int PF_filter(int Data)
{
int sum 0count0
int temp0
for ( count0count<15count++)
{
tempData
sumsum+temp
Delay_MS(10)
}
return (sum15)
}
void Timer0Init(void) 100微秒@12000MHz
{
TMOD 0x01 设置定时器模式
TL0 (65536100)256 设置定时初值
TH0 (65536100)256 设置定时初值
IT0 1 set INT0 int type (1Falling 0Low level)
EX0 1 enable INT0 interrupt
IT1 1 set INT1 int type (1Falling only 0Low level)
EX1 1 enable INT1 interrupt
ET0 1 开定时器0中断
TR0 0 定时器0停止计时
EA 1 开总中断
}
void main (void)
{
float temp0
LCD1602_Init()
Timer0Init() 定时器初始化
buzz1
InitADC() Init ADC sfr
while(1)
{
if(Key_Count2)
Key_Module() 机交互键阈值设置模式
if(Key_Count0||Key_Count1)
{
LCD1602_Display(00Set_I)
LCD1602_Display(10Set_V)
Threshold_Value_I_FThreshold_Value_I100
Threshold_Value_V_FThreshold_Value_V100
sprintf(temp_char_I1fThreshold_Value_I_F)
sprintf(temp_char_V051fThreshold_Value_V_F)
LCD1602_Display(06temp_char_I)
LCD1602_Display(16temp_char_V)
LCD1602_Display(09A)
LCD1602_Display(111V)
}
else if(Key_Count2)
{
LCD1602_Display(00St)
LCD1602_Display(10I)
LCD1602_Display(17V)
LCD1602_Display(15A )
LCD1602_Display(114V)
ADC转换显示1602部分
ADC_Value[0]ADC_filter(0)500 AD换算实际AD电压值
ADC_Value[0]ADC_filter(0)1430 电流换算实际电流值
ADC_Value[1]ADC_filter(1)*191164+41182 电压换算实际交流电压值
ADC_Value[0]((ADC_filter(0)500)*97182)+41182 AD换算实际电压值
幅值限制
超阈值报警指示部分
if(ADC_Value[0]>Threshold_Value_I_F&&Flag_I0)
{
buzz0 蜂鸣器报警
LCD1602_Display(03err )
LCD1602_Display(07I)
LCD1602_Display(09 )
Flag_I1
}
else if(ADC_Value[0] {
buzz1 蜂鸣器动作
LCD1602_Display(03nor )
LCD1602_Display(09 )
Flag_I0
}
if(ADC_Value[1]>Threshold_Value_V_F&&Flag_V0)
{
buzz0 蜂鸣器报警
LCD1602_Display(03err)
LCD1602_Display(06V)
LCD1602_Display(09 )
Flag_V1
}
else if(ADC_Value[1] {
buzz1 蜂鸣器动作
LCD1602_Display(03nor )
LCD1602_Display(09 )
Flag_V0
}
实时电压电流显示
if(ADC_Value[1]<85)
{
ADC_Value[1]0
}
sprintf(temp_char1fADC_Value[0])
sprintf(temp_char1051fADC_Value[1])
LCD1602_Display(12temp_char)
LCD1602_Display(19temp_char1)
count_time_FilterPF_filter(count_time)
temp_time(count_time_Filter2000)*3600
PFfabs(cos(temp_time)) 零点相位差时间转换功率数
if((04 {
LCD1602_Display(08 W)
temp(PF*ADC_Value[0]*ADC_Value[1])
sprintf(temp_char4030ftemp)
LCD1602_Display(011temp_char4)
LCD1602_Display(014W)
}
}
temp_timecount_time100 单位ms
}
}
void T0_time()interrupt 1
{
count++
TL0 (65536100)256 设置定时初值
TH0 (65536100)256 设置定时初值
}
External interrupt0 service routine
void exint0() interrupt 0 (location at 0003H)
{
count0
TR0 1 定时器0开始计时
}
External interrupt1 service routine
void exint1() interrupt 2 (location at 0013H)
{
TR0 0 定时器0停止计时
count_timecount
}
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**学远程教育
科生毕业文（设计）
中文题目 基单片机数字电表设计
学生姓名 *** 专业 电气工程动化
层次年级 专升 学号 JD17030306009
指导教师 *** 职称 讲师
学中心**市教师进修学校**学中心[44] 成绩
2019年4月13日
摘
着中国济腾飞民生活水提高电需求日益增长前传统单费率政策已满足需求电网开始采新电政策衡高峰电低谷电保证电网安全稳定运行电表提出新求单片机技术已广泛应领域着价格低廉技术成熟运行安全稳定等优点单片机控制电表逐步取代传统电表
根题目求设计采STC单片机作控芯片线路实行单相测量实现实时测量电流电压效值瞬时功率电表带报警功行设置报警阈值超阈值蜂鸣器报警保护电路电表采模块化设计采集部分分电流采集模块电压采集模块功率素采集模块通单片机带AD转换器转换成处理数字信号单片机部程序运算实现电力参数实时测量显示功单片机系统集成LCD显示模块通LCD实时查电力参数电源模块双路输出单片机模块采集模块分提供5V+12V稳定直流软件部分带设置中断时设置报警值根采集数转换成读电力参数
关键字：单片机电表电力参数实时显示报警
Abstract
With rapid development of Chinese economy people's living standards improve and the demand for energy growing day by day The traditional single rate policy has been unable to meet the demand In this case the grid started the new electricity policy to balance peak power and low electricity guarantee the safe and stable operation of power grids This raise a new demand for electric energy meter now SCM technology has been widely used in various fields It has the advantages of low price mature technology safe and stable and now the electric energy meter which controlled by single chip microcomputer gradually replaced the traditional electric energy meter
According to the requirements of the topic this design uses STC microcontroller as the main control chip the circuit implementation of single phase measurement can achieve realtime measurement of current voltage effective value and instantaneous power The electric energy meter has the function of alarming which can set the alarm threshold if this threshold is exceeded super buzzer will alarm so that can protect the circuit Electric energy meter based on modular design collecting part is divided into current collecting module voltage acquisition module and the power factor of the acquisition module through the MCU builtin A D converter that convert the digital signals which can handle through the internal procedures in the microcontroller operation of electric power parameter measurement display function MCU minimum system integration of the LCD display module through the LCD realtime view of the power parameters power module for the dual output for the microcontroller module and acquisition module respectively 5V and +12V to provide a stable DC The software part is equipped with an interrupt which can set the alarm value at any time and can be converted into a readable power parameter according to the collected data
Keywords microcomputer electric energy meter electrical parameter realtime display alarm
目 录
摘 I
ABSTRACT II
1 绪 1
11 课题背景 1
12 发展情况 1
121国际发展情况 1
122国发展情况 2
13 发展趋势 3
14 课题研究基求 3
15 章结 4
2 电表电力参数芯片选择 5
21 互感器 5
22 电参数测量 5
221电压电流效值 5
222功率计算 5
23 控模块选择 6
24 显示模块 7
25 AD转换 7
26 章结 7
3 硬件部分 8
31 硬件整体结构 8
32 控芯片12c5a60s2 9
321STC12c5a60s2系统设计 9
33 LCD1602显示模块 10
331LCD1602部存储结构 11
332初始化设定LCD1602指令 11
333读写数 12
34 电流采集模块 14
341 IV变换部分电路： 14
342电压器： 15
343精密整流滤波 15
35 电压采样电路 17
351运放采样 17
352电压器 18
353精密整流滤波 18
36 电源模块 19
361桥式整流电路 20
362稳压芯片电路 20
37 功率素检测电路 21
371电路原理 22
372时间相位换算 22
38 章结 22
4 软件设计 23
41 软件思路 23
42 显示程序 23
43 程序 24
5调试 25
51 硬件调试 25
52 软件调试 25
6 结 26
谢 辞 27
参考文献 28
附录 基单片机数字电表设计电路原理图 29
附录二 基单片机数字电表设计电路PCB图 32
附录三 基单片机数字电表设计C语言程序 35
1 绪
11 课题背景
电出现类历史百年时间发展广泛速度快意想电表提出时代需求开始时候电解化学电表进行计费发明电磁感应电表世纪做诸改进技术成熟已难满足时代需求世纪历工业革命类生产力空前提高时带动科学技术发展类微电子领域计算机领域重技术突破新代电表产生奠定基础测量精度高实时电价计算远程抄表负荷曲线计算等优势明显现已取代传统电磁电表成未电表发展流 着国家电力行业规范化市场化改革国智化电网建设电远程抄表系统逐渐普实际中旧式电表已数字电表取代部分国外厂商生产电表运作良电网营运中电测量整电网生产运营缺环节发展更先进精准电表电网运营重意义着国电水求提高传统二次设备已满足电网安全稳定运行电网功率素会影响设备正常运行需检测设备进行更新换代实时调整电网项参数保证电网安全济运行减少电浪费
着民生活水提高电设备家里原样变成现时刻离开电器设备电设备已成缺生产力工具国家发展离开电民生产离开电民电需求断增长促进国家电网建设发电厂增电压等级升高发电厂装机容量增传统二次设备已满足电网稳定运行传统二次设备需值班数较法满足市场化电力行业济性求高新技术产业电质量求颇高求电网电力参数做实时监控电单位功功率超标导致电充分利造成电浪费时补偿导致电压波形畸变电设备寿命造成影响时调整会造成电设备受损保证电网电设备安全稳定运行势必电网中项电力参数进行实时监测参数进行判断预判合理项参数失常进行必补偿电力参数实时测量时电网安全运行保证电参数合理预判避免障发生
12 发展情况
121国际发展情况
电力产业发展起步阶段国际研发第代电表初代电表采电解化学原理计费直1890年国际发明电磁感应原理电表该原理电表已百年历史着国际电费制度改革提出新电价制度分段费率预付费制度等系列新代电费制度世纪七十年代国际电力行业迎次新发展机遇电计量设备提出负荷曲线记录电质量检测电表远距离通讯智抄表实时电价编程等新求传统铝盘式电表诸改善国际电力行业断增加新需求免力心世纪中叶类科学技术水次飞跃微电子电子信息领域飞跃式进展技术变革催生新代电表产生基微电子高新技术新代电表精度远高电磁感应式电表电力行业变革潮流中世界电表生产厂商意识电表业站稳脚发展设计表计供应商电价系统二次设备标准未完全指定时代厂家间通讯协议混乱制定二次设备生产标准迫眉睫欧洲二次设备厂引导成立DLMS户协会该协会IEC规约出台奠定基础样北美区出台ANSI规约标准时电力系统中着厂家制造标准二次设备标准混乱设备间兼容性差美国Itron公司势退出MV90表计兼容性十分强兼容系统中部分二次设备北美世界区广泛采成时代电表代表
122国发展情况
国电表发展水高国际发达国家二次监测设备发展水相存较差距国核心技术特核心部件材料加工水远国际水国加工精密材料中国制造软肋精密加工远远落国外先进水制造材料质量参差齐提高国精密加工工艺水提高国二次设备水关键问题新代数字式电表国已开始逐步取代传统电表国生产电表水高采传统工加工设备存较体差异设备良品率收素影响较国二次设备生产企业规模较少研发投入资金较少导致国设计电表缺乏竞争力国核心技术研发力度足导致国二次设备发展较缓慢
国电表原理划分两代第代铝盘式电表电流通线圈产生磁场铝盘中感应电流互斥驱动铝盘转动铝盘带动机械传动装置记录铝盘转动圈数达记录消耗电目通电磁感应驱动转动电消耗越快转速越快第代电表结构简单测量误差较采工抄表方式电网反馈实时性差催生第二代电表
第二代电表数字电表着微电子技术发展市面出现电表专芯片集成电力市场求种功通单片机编写程序外围电路设计实现电动计量远程传输动抄表等功测量准确度高稳定性成现流电表
世纪九十年代国厂商成功研制数字电表开始华东区范围运行良稳定障率低开始电力理部门接受国仪表厂商提供次发展机遇国厂商国外先进技术学理解结合国国情研发出批科技含量高产品
单相电子式电表专芯片报道1998年全国产量500万片2000年新代芯片ad7755中国销量超1000万片推1998~2000年年单相电表产量均数百万台仅江苏浙江两省完全统计单相式电表装量均100万台推全国装量应少数百万台单相式预付费卡电表相装量[1]
13 发展趋势
着年国高新技术发展国家制造业空前发展国电表制造技术较提高电磁感应式电表已逐渐新代数字式电表取代电表运行稳定性测量精度较提升着国电网规模扩初代单相数字电表已满足电参数测量求新代三相式电表已开始投放市场第代电表单统计电量通技术革新更新换代统计种电参数电表稳定性较高统计种电参数未电表发展趋势中模块化设计成流模块化设计助增加数字电表运行稳定性
着微电子技术发展成熟厂商推出电计量芯片相传统电表测量精度更高外围电路配套软件较简单价格便宜高度集成化设计分块化设计成未发展流
实际电网运行程中某时间点类负载消耗电总称电力负荷消耗电时间变化负荷曲线描述电力负荷量增加时会形成电网负荷高峰电力负荷减少时会形成电力负荷低谷电力负荷峰值谷值相差时会供电设备容量充分利运行济[2]求电网实时掌握时刻电情况传统电磁式电表采工抄表方式时滞性满足电网运行济性求发展新型功电表中国电力行业必然需求
14 课题研究基求
设计容
电力系统运行中电参数表征系统运行状态重参数通电参数合理预判定程度避免电力障发生次课程设计求电网中电力参数进行测量求电表具较高精度实现实时测量路电参数具定济性便携性课题求利单片机DSP设计功电力参数测试仪
二设计求
1通阅读材料认识该领域发展状况学掌握相关采样电路变送器工作原理
2解掌握电力参数（UIPQλ等）常测量方法
3少实现2路电参数实时计量显示
4测参数超预置阈值时通指示灯闪烁蜂鸣报警
15 章结
章次设计开篇介绍电表国外背景发展情况简介绍电表发展历程未发展趋势介绍数字电表优势文设计介绍做铺垫
2 电表电力参数芯片选择
21 互感器
测象电网民电电压电流变化周期50HZ电压220v交流电数值较高远超安全电压存定危险性单片机采样信号低需互感器测信号转换成采样信号互感器原理变压器类似采电磁感应原理次侧绕组测绕组二次绕组采样绕组通绕组变设置达降低采样信号目
22 电参数测量
次设计电表需线路中基参数进行测量电参数包括：电压效值电流效值电路中功率数角线路中电压电流相位差线路中视功率等基参数实际应中规模采样供电单位实时解电单位电高峰电质量等信息电生产储存供电单位通收集信息统计预判电生产单位进行协调电质量进行补偿避免造成电浪费提高电设备运行效
221电压电流效值
电流效值均方根值：交流电i通纯电阻电路做功直流电I通相电路做功相等称I交流电i效值电力基参数计算时采效值计算公式
I1T0Ti2dt （21）
类似电压效值计算：
U1T0Tu2dt （22）
222功率计算
正弦交流电功率计算中包含功功率功功率视功率电计算中离开三功率间关系面讨三功率功率间关系
电表征电流做功物理量意义户段时间消耗电量电微分电功率表示电消耗快慢功率分瞬时功率均功率方发生改变直流电说两者致交流电中刻功率实时计算定时间消耗电值需段时间功率瞬时值进行积分
功功率：设意时间电压U(t)电流I(t)该时间功率P瞬时U(t)×I(t)交流电中实时变化函数求时刻功率均值需段时间P瞬时进行积分段时间间隔∆t
P均t0t1u(t)×i(t)∆t （23）
功率数：里引入三脚函数cos∅该三脚函数表示功率数功率数表示电网中实际做功快慢端口电压电流效值相视功率功率数反应负载电效率高低功率数低说明负载中交变磁场转换功率降低电效率会供电线路造成电压畸变等良影响∅电压信号电流信号相位差交流电式变：
P均t0t1U×Icos∅∆t （24）
外部电路网络供量网络真正应量相等功功率视功率关系定义功率数值等负载UI间相位差实际应中提高功率数增加电利率保证电设备安全稳定运作功率数功功率视功率间表达式：
cos∅PS （25）
功功率：包含电磁感应原理负载中电机等含感性负载电设备电需转换成交变磁场电负载正常运行电转换成磁场程中需消耗量部分量做功功率
Qs*sp*p （26）
次设计电表模拟测量电器白炽灯视纯阻性负载次测量电设备没电磁转换功功率视0
视功率视功率指整端钮电压效值电流效值积反映外部电路整网络供量根定义：
SUI （27）
23 控模块选择
控制芯片分ARMSTC51两阵营次设计测量设备需控制功耗控制功耗规模安装会电造成浪费采电压供电单片机整系统实现低功耗方面控制芯片需处理调度较数控制芯片需较快处理芯片ARM芯片实现较快处理速度价格昂贵功繁测量设备性显剩考虑采STC51系列芯片
STC51芯片常STC89C51存较处理速度较慢性满足次设计需STC系列资料查阅终选定12c5a60s2单片机12c5a60s28051指令引脚完全相相8051具更ROM单片机部带60kROM常8051系列控芯片选择该控芯片具优点：相外围电路系统处理效常8051系列控芯片快8~12倍控芯片带8路10位AD幅度精简外围电路直接通编写程序读取模拟测量值单片机部带60kROM远高传统8051系列单片机次设计程序较长需较部储存空间综合性耗济性集成度等考虑终选定12c5a60s2次设计控制芯片
24 显示模块
显示模块常两款分lcd1602lcd12864
LCD1602款点阵组成液晶显示屏时显示16列2行字符5x75x11单字符点阵点阵显示字符设计需显示信息较简单满足显示需求编程点阵字库显示简单中文
LCD12864款带中文字库显示模块字库包含八千16x16点阵128ASCII字符带字库指令编程简单完成显示图形显示常显示模块
考虑次设计电表需显示电力参数较简单采LCD12864功剩LCD1602功满足次设计求LCD12864价格LCD16025倍规模生产成差巨次设计采LCD1602
25 AD转换
次设计采样模块通互感器采集电参数信号未处理信号模拟信号单片机够处理信号数字信号 次选取控芯片部带10位8路ad转换器通编程开启P1口AD转换需外加电路单片机部带AD转换器电压输入型电流采样信号交流电流信号需进行AD变换成处理直流电压信号需加入电阻负载转换成电压信号转换信号粗糙信号含较毛刺噪声需信号加工信号通精密整流滤波电路信号毛刺噪声信号变成较滑直流信号接入单片机进行AD转换滤波电路增加效分辨增加测量电路精确度
26 章结
章介绍电参数基运算基采样模块文理解电路基础时介绍次设计芯片选择思路文整体性介绍做铺垫
3 硬件部分
31 硬件整体结构
次设计整体方案图31示采模块化设计思路模块相独立法独立行功需单片机协调完成模块功单片机模块联系起单片机高集成度系统模块采集数统处理模块工作构成具完善功电表
图31 整体结构
电表模块组成：
（1）控制芯片：STC12c5a60s2电表控芯片电表核心硬件通合理搭建外围电路单片机行通功次设计单片机协调电表模块功电表测量计算功率实时显示电力参数压流报警功
（2）电参数采集模块：通互感器电路中电流转换成电流电压转换成电压电表测电路实现电气隔离保护电表员安全时测量线路电流电压降低采集范围
（3）AD转换模块：次采单片机集成AD转换模块降低电路复杂程度提高电表性具积极作AD转换初未处理电参数模拟信号转换成单片机处理数字信号输送单片机进行运算
（4）显示模块：采常LCD1602液晶显示器行机互交工作采集模块采集数单片机处理计算终出类读数通LCD显示实现机互交
（5）报警模块：报警模块设计蜂鸣器通键设置报警电压电流阈值电流电压达阈值单片机发出报警电触发蜂鸣器报警
（6）电源模块：电源模块通变压器降压作测电路高压交流电转换成低压交流电整理芯片带AD变换成供单片机直流电次设计电源模块具双路输出分12v5v单片机供电流5v采样模块精密整流电路供电压12v电源模块设计十分重需输出稳定高质量直流电保证系统稳定运行
32 控芯片12c5a60s2
图32 1 单片机引脚图
次设计电表采控制芯片STC12c5a60s2控芯片 众8051系列控芯片中 12c5a60s2着独特竞争力 12c5a60s2编程指令常8051控芯片完全相常8051控芯片相优点次设计重：首先样外围系统中处理力传统8051单片机812倍次12c5a60s2p1口集成8路10位AD转换器通编写部程序P1口开启AD转换功0~5v模拟电压信号转换成单片机处理数字信号AD转换器定程度降低电路设计复杂程度提高电表稳定性引脚图321
321 STC12c5a60s2系统设计
图32 2 系统原理图
单片机系统指单片机正常工作外围硬件电路发挥功需根设计求模块通单片机引脚单片机相连实现模块控芯片数交换终实现设计需功根查阅12c5a60s2引脚户手册设立电路12c5a60s2系统传统8051系列单片机异P1口带AD转换采集模块整流单片机p1口输入单片机原理图322
单片机编程性强芯片常作电路设计中控芯片部集成中央处理器具功数传输接口（输出输出）机存取储存器读储存器等部分通编程实现较复杂计算外围部件实现数交换控制外围电路等功单片机系统控芯片运作搭建简硬件模块系统般四部分组成分晶振时钟外部通讯设备复位电路控芯片组成
晶振时钟电路1819引脚通常采石英晶振引起部激振荡通外部时钟电路进行振荡两电容电路中起起震作时微调晶振频率
复位电路：单片机运行出现障停止运行时需进行复位操作单片机9引脚出现两周期高电单片机进行复位
33 LCD1602显示模块
LCD1602种常液晶显示模块时显示32字符2行16列功显示字母数字符号部带储存器CGROM中存储预设160字符阿拉伯数字常符号写英文字母日文假名等常字符该储存器CGRAM允许户定义字符带64字节空间知道字符占储存空间8字节LCD1602允许户定义8字符次设计需显示字符较简单处成易性考虑次采LCD1602作显示模块面LCD1602显示基原理功做简介绍
图33 1 LCD1602引脚图
LCD1602引脚图33 1示：
331LCD1602部存储结构
LCD1602置三储存器分辨DDRAMCGRAMCGROM三储存器功相编程时容易弄混
DDRAM：显示RAM功寄存外部接收数DDRAM址代码屏幕显示位置应第行址位00H~27H第二行址位40H~67H行40址位次设计仅行前16址位实际中想00H写入数A实际中相应位置显示出A需DDRAM址位加80H指定位置显示出相应数具体原文会介绍
CGRAM：LCD1602部带64字节存储器显示器带ASCII码图形满足户需求时LCD1602允许户建模CGRAM户建模区需注意LCD1602建模5X8点阵常字模提取软件直接提取5X8代码需8*8字模中右5*8字模提取代码代码高三位0提取代码直接
CGROM：LCD1602部带160ASCII字符户需显示数库里存时仅需CGROM中调字符址
332初始化设定LCD1602指令
1清屏指令
表33 1
RS
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
功：初始化设置液晶显示器清空DDRAM容光标复位左角第位零址计数器
2显示器开关控制
表33 2
RS
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
功：B：控制闪烁开关C控制光标开关D控制显示开关高电开低电关
3画面光标位移
表33 3
RS
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
0
0
0
1
SC
RL
*
*
功：SC1时画面移动字符SC0时光标移动字符RL移方1右移0左移
4工作方式设置
表33 4
RS
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
功：DL数接口设置高电时八位接口低电时四位接口N显示行数设置高电时两行低电时单行F点阵模式选择高电时5X10点阵低电时5X7点阵
333读写数
LCD1602液晶显示器中三脚RSRWE控制显示器读写功通三脚电变化实现单片机显示器信息传递电应功图：
表33 5
RS
RW
E
功
0
0
降
写命令
0
1
高电
读忙AC码
1
0
降
写数
1
1
高电
读数
初始化程序
初始化程序时许显示器进行显示模式设定显示器置写命令状态需注意E脚降触发功需注意DDRAM写入址时需DB7口置1设置显示址时需址位加80H原写命令程序段：
Void LCD_COM(uchar com)
{
rs0 设置写命令状态
rw0
P2com 命令传送P2口显示器IO角P2口相连
delay(5) 延迟函数显示器做接收准备
en1 E脚降触发先E置高电
en0 触发写命令状态显示器接收指令
}
显示器写入容
初始化程序需显示器传输显示容CGRAM存入户建摸需LCD置写数状态初始化LCD需写命令程序设置显示器显示址显示器写入显示容写数程序：
Void LCD_DAT(uchar dat)
{
rs1 设置写数状态
rw0
P2dat 数传送P2口显示器IO角P2口相连
delay(5) 延迟函数显示器做接收准备
en1 E脚降触发先E置高电
en0 触发写命令状态显示器接收指令
}
具体显示模块程序设计篇会较详细介绍节介绍LCD1602基原理基指令章介绍显示器基础设置涵盖次设计电表显示器采指令
34 电流采集模块
次设计采集模块基思路：通电流互感器电流信号转换成信号通IV变化交流电流信号转换成交流电压信号交流电压信号精密整流滤波交流信号转换成直流信号传送单片机AD转换部分
电流采集模块分成两部分介绍第部分基IV变化第二部分精密整流滤波提高设计电表精度采电压器进行隔离图电流采集部分第部分图34 1：图34 1 电流采集模块 第部分
341 IV变换部分电路：
LM358次运算放器部集成两独立高增益部频率补偿运算放器LM358电源电压范围宽工作功耗较低运放芯片
谓IV变化电流信号转换成电压信号求输入电流输出电压成正简单IV变化电路中加入电阻R欧姆定律知道UoIi*R样电路应实际电路中接入负载时负载电阻叠加电路中电阻R输入输出值发生变化数电路中满足设计需求
考虑负载电路IV变化影响采种基LM358搭建IV变化电路IV变换电路保证电流电压转换线性关系剔负载电阻IV关系影响IV变化典电路面简介绍IV变换基原理采样模块电流互感器采集线路电流电流互感器输出端输入LM358脚2图LM358脚2运算放器外围电路组成IV变化电路该变化电路实质跨阻放器图中电位器R1C1组成相位补偿电路互感器户手册推荐加入补偿电路实测测量常规线路中效果明显理想运算放器虚短知UU+运算放器虚断知
IiUoRf （31）
式中Ii电流互感器输出电流UoIV变换输出电压Rf反馈电阻式知输出电压仅反馈电阻决定排负载阻值IV变换线性影响
342电压器：
电压器放倍数接运算放器实际电路中常电压器做缓前电路隔离电压器身特性输入阻抗高输出阻抗低次设计采样电路需采样数精准度定求考虑IV变换电路精密整流滤波电路间加入电压器进行前隔离运放输出电阻通常较高级电路输入阻抗较输出信号会前级电路输出电阻产生较损耗引起信号失真需前级电路级电路间加入电压器输入阻抗高输出阻抗低前端电路相开路端电路输出电阻低提高电路带负载力提高精密整流电路精密度提供保障
图34 2 电流采集模块 第二部分
343精密整流滤波
谓滤波电路交流电信号转换成直流电信号电路整流电路常三种中全波整流精密整流功致二者适应范围精度求较高电路设计中优先采精密整流电路精密整流滤波电路较准确交流电压零处信号原直流电压信号提高测量精度积极作
次设计整流电路基典精密整流电路设计输出端附增加滤波电容极性电容进行储滤波点电容滤波形毛刺典电路电阻配令R5R6R4R32R7R3设置位调电阻通改变R3调节输出增益
精密整流电路运作原理分两部分第部分输入电压零时第二部分输入电压零时面介绍第部分工作原理：
输入电压0时二极导通特性知：时D1截状态相开路D2位导通状态相导线样U2AR6R5构成反例运算电路R6R5反例运算电路增益1UAO1*Ui
U2BR3R4R7组成反求电路求电路知
UBOR3*UAOR7(R3*UiR4) （32）
通调节电位器R3改变输出增益次设计电路令R3R42R7式变成UBOUi知道精密整流电路中电阻配满足R5R6R4R32R7输入电压Ui＞0时精密整流电路输出增益1输出电压等输入电压
输入电压Ui<0时集成运放输出端必Uo>0二极导通特性知道D1处导通D2截状态导致R6中流电流零U2A部分运放电路视高阻输出没U2A输出U2B电流流入U2B电流流R4路电流时U2B变反例运算器R3R4U2B组成电路增益1反例运算电路输出
UBOUi （33）
Ui<0时精密整流电路输出值输入电压绝值精密整流电路成绝值电路
精密整流电路相全波整流电路输入阻抗较低通调节R3调节电路输出增益电位器R3处联电容输出电压实现滤波作提高波形质量该电路仅适低频信号整理电路频率较高时输出电压会零时出现输出电压失真节设计电路中二极需选择导通压降较保证波形质量
35 电压采样电路
图35 1 电压采集模块 第部分
次设计电压采样电路原理电流采样电路原理类似区仅电路中IV变换部分采样出信号直接进行精密整流输入单片机AD模块体结构类似分两方面介绍分运放采样电路精密整流滤波电路图运放采样部分电路：
351运放采样
电压信号采样方式两种第种电阻采样直接互感器输出端34角直接联采样电阻电阻采样简单采样方式需外界电源成低输出电压限负载电阻测量精度影响较考虑次设计级电路较采运放采样法精度高联电阻进行相位补偿时较强带负载力需外接电源电路较电阻采样电路负载降低电路性满足测量精度输出电压求设计采运放采样电路作次设计前端采样电路
图中U1B外围电路组成运放采样模块R4限流电阻电压互感器限流2ma计算限流电阻R4220V2ma110KΩ单片机置AD转换电压范围0~5V运放采样模块反馈采样电阻R2+R352ma里加入调电阻进行微调输出电压达求精度C1相位补偿电容补偿运放相位滞防止运放产生震荡
运放采样电路电流采样模块设计类似精密整流滤波电路前级电路间加入电压器目进行前级电路缓存隔离提高电路带负载力防止级电路输入电阻导致信号失真
352电压器
图35 2 电压采集模块 第二部分
电压器级电路精密整流滤波电路该电路交流信号转换成直流信号种全波整流电路面整流电路简原理说明：
谓滤波电路交流电信号转换成直流电信号电路常整流电路三种中全波整流精密整流功致二者适应范围精度求较高电路设计中优先采精密整流电路精密整流滤波电路较准确交流电压零处信号原直流电压信号提高测量精度积极作
353精密整流滤波
次设计整流电路基典精密整流电路设计输出端附增加滤波电容极性电容进行储滤波点电容滤波形毛刺典电路电阻配令R5R6R4R32R7R3设置调电阻通改变R3调节输出增益
精密整流电路运作原理分两部分第部分输入电压零时第二部分输入电压零时面介绍第部分工作原理：
输入电压0时二极导通特性知：时D1截状态相开路D2位导通状态相导线样U2AR6R5构成反例运算电路R6R5反例运算电路增益1UAO1*Ui
U2BR3R4R7组成反求电路求电路知
UBOR3*UAOR7(R3*UiR4) （34）
通调节电位器R3改变输出增益次设计电路令R3R42R7式变成UBOUi知道精密整流电路中电阻配满足R5R6R4R32R7输入电压Ui＞0时精密整流电路输出增益1输出电压等输入电压
输入电压Ui<0时集成运放输出端必Uo>0二极导通特性知道D1处导通D2截状态导致R6中流电流零U2A部分运放电路视高阻输出没U2A输出U2B电流流入U2B电流流R4路电流时U2B变反例运算器R3R4U2B组成电路增益1反例运算电路输出
UBOUi （35）
Ui<0时精密整流电路输出值输入电压绝值精密整流电路成绝值电路
精密整流电路相全波整流电路输入阻抗较低通调节R3调节电路输出增益电位器R3处联电容输出电压实现滤波作提高波形质量该电路仅适低频信号整理电路频率较高时输出电压会零时出现输出电压失真整流电路中二极需选择导通压降较保证波形质量
36 电源模块
图36 1 电源模块 第部分
电源模块电源种类分交流电源直流电源交流电源通常220v 50hz民电电器部芯片需低压直流供电次设计电表部需双路电源供电控制芯片需5V直流供电采样系统运放采正负12V电压供电满足系统供电求设计双路输出直流稳压电源常220V交流电整流成正负12V5V直流电输出次设计电源模块分两部分第部分桥式整流电路第二部分整流芯片组成稳压电路面介绍第部分设计电路图36 1示
361桥式整流电路
第部分桥式整流电路关键原理二极单相导通性较常功率整流电路图示桥式整流电路四相二极组成P1变压器降压输出端交流电处正半周时D1D6导通D2D5截止电流D1流出级电路D6流回交流电负半周理D2D5导通电流D2流入级电流D5流回电路交流电正半周负半周始终图中VCC+15流出电路VCC15流出电路构成简单全波整流电路桥式整流电路输入输出关系：
Uo09U2 （36）
Io09U2RL （37）
桥式整流电路中正负相位分导通两二极流二极电流Io2二极整流电流反电压应留10余量
362稳压芯片电路
图36 2 电源模块 第二部分
第二部分稳压模块第二部分模块原理图图36 2示：
市电交流电变压器降压转换成低压交流电交流电输入级电路桥式整流电路转换成脉动直流电C5C7滤波电容进行滤波通三端稳压芯片LM7812LM7912输出较稳直流电市电常电压波动等情况发生三端稳压电路增加C1C8滤波电容终输出高精度稳定性高直流电
稳压电路元件参数选择：
次设计采正负12V输出芯片LM7812LM7912分正负12V稳压芯片输入电压35V输出电流15A稳压芯片输入电压定求般选择输入电压整流芯片输出电压2~3V留出足够余量选输入电压正负15v考虑电网10波动取输入电压：
15X11165V变压器降压电压165V桥式整流电路接滤波电容时：
I（15~2）IL （38）
取IL1A变压器副边功率PI*U215*1652475W变压器效率07~08原边功率需3536w
二极设计输出电流1A次导通二极两流二极电流500ma二极反耐压2*1652333V选取1N4007桥式整流电路二极
电容次整流电路中起滤波作常功率电源电路中电容常滤波电路滤波电容取值式计算电路中做精确计算现实通估算选择器件留定余量
CtIcVipp （39）
t电容放电时间般取交流电周期半t05T001sIc电容放电电流般取输出电流值IcIomaxVipp芯片波纹电压根设计需求求出C取值1515uF取极性电容留定余量取2200uF电解电容作滤波电容防止电路激振荡滤波电容增加100nf极性电容
出简化电路目整流+12V直流电接入LM780512V直流电降压5v直流电单片机进行供电
37 功率素检测电路
图37 1 零较原理图
测量功率数实质较电压电流信号间相位差实际设计电路中实现考虑通电压电流信号零较采集两者间零点时间差通换算获两者间相位差国电力系统中电压频率50HZ电压频率转换成工频周期20MS电路中功率素检测精度决定零较电路中高电宽度测量电路中电流电压信号分整流低通滤波电压电流信号输入零较器中零较器零点信号转换成方波信号传送单片机通较电流电压零脉信号间时间差通单片机计算采集电压电流间时间差信号转换成相位差信号达测量电路中电压电流相位差目通测量相位差知电路功率数知道电路中电效率相位差电计量重参数图37 1功率素角测量电路原理图：
371电路原理
图中D1D2整流二极交流信号转换成脉动直流信号R3限流电阻三极S8050电流05A直接接入电路中流三极电流超额定电流成三极烧毁R5C1组成阻容滤波电路防止测电压毛刺导致三极勿动S8050三极次采信号输出关键部件
次电路原理：P3接入交流电交流电D1D2整流变脉动直流电电压三极基极导通电压时三极导通C脚电压E脚电压0输出单片机信号低电测电压三极导通电压时三极截三脚输出电压等VCC电压输出单片机高电三极导通电压约07V远远测电压220V致三极截电压控芯片输出高电时测电压0V
372时间相位换算
通该电路知道电压零时间电流零时间通单片机较知电流零点电流零点间时间差∆t次采控芯片晶振频率12MHZ测量精度远满足求知道∆t时间差信号换算成相位差换算公式：
∅∆tT*360o （310）
实际电路中测量出相位差线路中实际相位差具定误差该误差电路中滤波电路引起误差通补偿算法误差进行补偿通常采补偿查表法数补偿算法处理数具较高精度
38 章结
章介绍硬件电路模块模块实现运行详细原理明确模块电路选型芯片选型模块相间关系
4 软件设计
41 软件思路
次设计电表控芯片单片机STC12c5a60s2设计接收模块采样信号线路采样模块三分电压采样模块电流采样模块零采样信号采样模块采集信号输入单片机带8路10位AD转换器单片机接收采样信号部程序运算采样值换算实际测量值实际测量值显示LCD1602显示模块次设计控制模块含三键行设置报警值三键功分选择设置报警电压电流选设置电参数加选设置电参数减
42 显示程序
LCD1602写入数两种模式第种写入指令初始化设置令rs0rw0en降触发写入次初始化设置序0x38设置字形IO接口0x0c设置显示屏开启关闭光标0x06显示址右移0x01清屏流程图图42 1示
图42 1 初始化指令 图42 2 显示数
第二种指令写入显示数显示数写入LCD1602DDRAM寄存器中寄存器址代表显示字符LCD1602实际位置LCD1602显示应寄存器DDRAM存储显示容流程图图42 2示
43 程序
程序首先程序显示器LCD1602单片机带AD转换器定时器进行初始化设置设定工作模式系统键进行扫面键时系统中断进行报警阈值设定单片机实时接收采集模块采集模拟信号进行AD转换成数字信号计算数字信号转换成实际测量值系统实时测量值设置报警阈值旦实际测量值报警阈值单片机蜂鸣器信号触发报警单片机测量数值实时发送液晶显示器LCD1602实现测量值实时显示功图43 1程序流程图
图43 1 整体程序流程图
5调试
51 硬件调试
调试思路分开模块测试调试首先先电源部分开始万表直流档位测试电源输出端否+12V+5V输出正常电压输出接电次控系统硬件调试简单写某IO口高低电延时程序接LED烧写进果LED闪烁代表控系统工作正常调试检测电压电流部分PCB信号发生器产生50hz正弦交流电互感器两端输入输出端万表测输出电压调节电位器信号放倍数达单片机控AD采集允许电压范围没部分调试成功原理图接部分电源线信号线
52 软件调试
先写显示程序1602液晶够显示需程序界面然单独写单片机AD采集程序数显示液晶否准确程序流程图逻辑算法C语言实现
6 结
设计单片机STC12c5a60s2控芯片数字电表次设计硬件电路实现市电民交流电电流效值电压效值电压信号电流信号间相位差测量通单片机带AD转换器采集模拟信号转换成单片机读数字信号单片机部计算程序模拟采集数字信号转换成实际测量值通LCD1602显示模块进行显示次设计电表具报警功提供户三键分设定电压电流报警阈值旦电压电流超阈值会引发电表报警模块LCD1602显示报警电参数
次设计采模块化设计思路模块相独立模块间会产生影响模块间通单片机联系起终实现测量电参数功次毕设存足例未采集成芯片实际测量值芯片相存定误差足需未学工作中断改进完善次设计未改善提供实践基础
谢 辞
半年学时间次毕业设计终圆满完成设计中深刻体会实践检验理标准设计四年学知识全面测试实践力理知识提高
次设计李震老师悉心指导完成李老师认真负责工作态度严谨做学术研究精神深厚理水受益匪浅撰写程中李老师提出积极修改意见帮助克服许困难文圆满完成里表达衷心感谢撰写文程中提供帮助老师学表示感谢感谢母校老师辛勤工作您私奉献够知识海洋畅游诲倦师德身作作风必学生活工作产生深刻影响表达崇高敬意衷心感谢
参考文献
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[6] 谭浩强C语言设计教程[M] 北京：清华学出版社2007
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报1992(03)6568
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[9] 张靖武周灵彬单片机系统PROTEUS设计仿真[M]北京 电子工业出版社2007
[10] 王玺电力系统数字测频方法研究[D] 郑州学2010
[11] 陆延信郁建中 三相电路瞬时电流中功功畸变电流快速检测装置仿真研究[J] 电气传动1991(01)121126
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[13] 朱芸乐秀璠高悬高精度单相电测量芯片电力参数测量中应[J] 电力动化设备2004(01)7880
[14] 余锡存单片机原理接口技术[M]西安西安电子科技学出版社2000
[15]Wen XL Li Y Research and Design of Intelligent Wireless Electric Power Parameter Detection Algorithm Combining FFT with Wavelet Analysis[C]2009 Proc IntlConf on Networks Security Wireless Communications & Trusted Coputing(NSWCTC’09)56 May2009627630
附录 a 控模块
附录 基单片机数字电表设计电路原理图
附录 b 电源模块
附录 d 电压采集模块
附录 c 电流采集模块
附录 e 功率数采集模块
附录二 b 电源模块
附录二 a 控模块
附录二 基单片机数字电表设计电路PCB图
附录二 d 电压采集模块
附录二 c 电流采集模块
附录二 e 功率数采样模块
附录三 基单片机数字电表设计C语言程序
#include LCD1602h
#include keyh
#include adch
sbit buzzP2^0 蜂鸣器IO口
float ADC_Value[4]0 四通道ADC值
char temp_char[10]temp_char1[10]temp_char2[10]temp_char3[10] 显示暂存ADC值
char temp_char4[10] 显示时间暂存
char temp_char_I[10]显示阈值暂存值
char temp_char_V[10]
float Threshold_Value_I_F15Threshold_Value_V_F15 设定阈值
int Threshold_Value_I0Threshold_Value_V2200 键设定阈值
unsigned char Flag_Set1Flag_Work0 设置模式标志位工作模式标志位 设置键次数变量
unsigned char Flag_I0Flag_V0 报警记录标志位
int count0count_time0count_time_Filter0 计算功率数时间
float temp_time50 时间显示暂存变量
float PF0 功率数
int PF_filter(int Data)
{
int sum 0count0
int temp0
for ( count0count<15count++)
{
tempData
sumsum+temp
Delay_MS(10)
}
return (sum15)
}
void Timer0Init(void) 100微秒@12000MHz
{
TMOD 0x01 设置定时器模式
TL0 (65536100)256 设置定时初值
TH0 (65536100)256 设置定时初值
IT0 1 set INT0 int type (1Falling 0Low level)
EX0 1 enable INT0 interrupt
IT1 1 set INT1 int type (1Falling only 0Low level)
EX1 1 enable INT1 interrupt
ET0 1 开定时器0中断
TR0 0 定时器0停止计时
EA 1 开总中断
}
void main (void)
{
float temp0
LCD1602_Init()
Timer0Init() 定时器初始化
buzz1
InitADC() Init ADC sfr
while(1)
{
if(Key_Count2)
Key_Module() 机交互键阈值设置模式
if(Key_Count0||Key_Count1)
{
LCD1602_Display(00Set_I)
LCD1602_Display(10Set_V)
Threshold_Value_I_FThreshold_Value_I100
Threshold_Value_V_FThreshold_Value_V100
sprintf(temp_char_I1fThreshold_Value_I_F)
sprintf(temp_char_V051fThreshold_Value_V_F)
LCD1602_Display(06temp_char_I)
LCD1602_Display(16temp_char_V)
LCD1602_Display(09A)
LCD1602_Display(111V)
}
else if(Key_Count2)
{
LCD1602_Display(00St)
LCD1602_Display(10I)
LCD1602_Display(17V)
LCD1602_Display(15A )
LCD1602_Display(114V)
ADC转换显示1602部分
ADC_Value[0]ADC_filter(0)500 AD换算实际AD电压值
ADC_Value[0]ADC_filter(0)1430 电流换算实际电流值
ADC_Value[1]ADC_filter(1)*191164+41182 电压换算实际交流电压值
ADC_Value[0]((ADC_filter(0)500)*97182)+41182 AD换算实际电压值
幅值限制
超阈值报警指示部分
if(ADC_Value[0]>Threshold_Value_I_F&&Flag_I0)
{
buzz0 蜂鸣器报警
LCD1602_Display(03err )
LCD1602_Display(07I)
LCD1602_Display(09 )
Flag_I1
}
else if(ADC_Value[0]
buzz1 蜂鸣器动作
LCD1602_Display(03nor )
LCD1602_Display(09 )
Flag_I0
}
if(ADC_Value[1]>Threshold_Value_V_F&&Flag_V0)
{
buzz0 蜂鸣器报警
LCD1602_Display(03err)
LCD1602_Display(06V)
LCD1602_Display(09 )
Flag_V1
}
else if(ADC_Value[1]
buzz1 蜂鸣器动作
LCD1602_Display(03nor )
LCD1602_Display(09 )
Flag_V0
}
实时电压电流显示
if(ADC_Value[1]<85)
{
ADC_Value[1]0
}
sprintf(temp_char1fADC_Value[0])
sprintf(temp_char1051fADC_Value[1])
LCD1602_Display(12temp_char)
LCD1602_Display(19temp_char1)
count_time_FilterPF_filter(count_time)
temp_time(count_time_Filter2000)*3600
PFfabs(cos(temp_time)) 零点相位差时间转换功率数
if((04
LCD1602_Display(08 W)
temp(PF*ADC_Value[0]*ADC_Value[1])
sprintf(temp_char4030ftemp)
LCD1602_Display(011temp_char4)
LCD1602_Display(014W)
}
}
temp_timecount_time100 单位ms
}
}
void T0_time()interrupt 1
{
count++
TL0 (65536100)256 设置定时初值
TH0 (65536100)256 设置定时初值
}
External interrupt0 service routine
void exint0() interrupt 0 (location at 0003H)
{
count0
TR0 1 定时器0开始计时
}
External interrupt1 service routine
void exint1() interrupt 2 (location at 0013H)
{
TR0 0 定时器0停止计时
count_timecount
}
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