基于51單片機的智能電表設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計

五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1智能電表的概念 11.2智能電表的發(fā)展背景 11.3智能電表的結(jié)構(gòu) 21.4智能電表的主要特點 2第2章主要芯片的介紹 42.1微控制器STC89C51單片機 42.1.1簡介 42.1.2主要特性 42.1.3引腳功能 42.2電能計量芯片CS5460A 62.2.1簡介 62.2.2主要特征 72.2.3引腳功能 72.3外部寄存器X5045 82.3.1簡介 82.3.2主要特性 82.3.3引腳功能 92.4時鐘芯片DS1302 92.4.1簡介 92.4.2主要特性 92.4.3引腳功能 102.574HC138譯碼器 102.5.1簡介 102.5.2主要特性 102.5.3真值表 112.6LED數(shù)碼管 11第3章總體設(shè)計方案 123.1設(shè)計功能要求 123.2智能電表的總體方案設(shè)計 12第4章硬件部分的組成 144.1電壓電流采樣模塊的設(shè)計 144.1.1電壓調(diào)理電路 154.1.2電流調(diào)理電路 154.2CS5460A的外部電路 154.3數(shù)碼管連接電路 164.4組合鍵盤連接電路 164.5EEPROM連接電路 184.6時鐘芯片DS1302連接電路 18第5章軟件部分的設(shè)計 195.1主程序流程 195.2CS5460數(shù)據(jù)交換方法 205.3時鐘芯片的讀寫流程 215.4外部寄存芯片的讀寫流程 215.5按鍵掃描流程 225.6數(shù)碼管顯示功能的實現(xiàn) 23結(jié)論 24參考文獻 25致謝 26附錄 27五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計第1章緒論1.1智能電表的概念智能電表它是科技時代的新產(chǎn)物，它能夠進行測量、數(shù)據(jù)處理，因此測量單元、數(shù)據(jù)處理單元是它的重要組成部分。在智能電表這一系統(tǒng)中，它能通過各類型的芯片來進行電能的測量、計算、存儲，并且具有實時監(jiān)控功能和自動控制等功能。和傳統(tǒng)的電能表相比。計量功能是智能電表的最基本的功能，而它本身就是一個電子式的電表，并且它能夠通過端口與外部時鐘進行通訊[1]。微處理器（單片機）是智能電表的最主要的核心器件，沒有了它，智能電表就不可以對大量的測量數(shù)據(jù)進行存儲、分析、判斷和處理等功能。智能電表通常具有自動檢測數(shù)據(jù)的功能、數(shù)據(jù)的強大處理功能、數(shù)據(jù)換算和自動調(diào)零功能、并且可以通過操作面板進行人機交流和顯示裝置。本次設(shè)計的智能電表主要運用了微機和通信等兩方面的技術(shù)，為了減少能耗，把采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)等功能運用芯片進行，這樣既可以節(jié)省了成本以及人力資源，還可以增加其工作的效率，可以滿足了現(xiàn)代的用電戶的需求[2]。1.2智能電表的發(fā)展背景現(xiàn)在，智能電表主要分為感應(yīng)式、電子式和智能式等類型，而我國又是生產(chǎn)電能表數(shù)量較大的國家，并且我國生產(chǎn)的電能表接近或者基本達到發(fā)達國家的技術(shù)水平，并且我國生產(chǎn)的電能表能夠滿足不用地區(qū)和國家的市場需求，而且我們還有價格優(yōu)勢，因此我國的電能表在全球各市場上有很好的競爭水平。隨著我國電網(wǎng)的不斷智能化，我們對電表之類的電能計量的器件的要求也不斷提高，我國的電網(wǎng)科技和外國在科學(xué)技術(shù)水平上差距不是很大，與此同時它還是低碳經(jīng)濟的最主要組成部分，所以其發(fā)展前景是相當(dāng)樂觀的，和國外的同類產(chǎn)品相比，我國的智能電表的作用完善、有規(guī)律、分類式的單價電費和控制負荷等功能都比其他國家高，這更加能夠滿足我國在電網(wǎng)上現(xiàn)代化智能化建設(shè)過程中的需求。目前，我國的用電戶人數(shù)非常之多，根據(jù)2009年的統(tǒng)計，在年底就已經(jīng)有2.3億的用電戶記錄在國家電網(wǎng)公司的服務(wù)系統(tǒng)中，按每戶平均有4個人計算，就有10.4億人口，這么龐大的數(shù)量，要在全國內(nèi)推廣智能電表看來絕非一件簡單的是，它不僅需要龐大的資金，而且還需要大量的人力、物力以及很長的時間來進行。同時，智能電表的功能多樣化和顯示的數(shù)據(jù)種類多，可以給用戶準備更多的用電服務(wù)，不過更換電表也是就要得到用電戶的同意、體諒和包含，所以用戶也要一個對智能電表進行一定的了解，因此我們就要動員社會各界的力量來對此進行有效的宣傳[3]。自從國家電網(wǎng)公司發(fā)布一系列的電網(wǎng)智能化改革的計劃之后，有關(guān)電表和智能化、自動化的產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨前所未有的前景。在未來智能電表發(fā)展的趨勢可以分為以下幾個方面：（1）模塊化這樣智能電表維修起來就會非常方便，就算是一個不懂它的人也可以對它進行簡單的維護和修理，只要注意用電安全就行了，并且它具有安全可靠性；（2）智能電表的多樣化它可以利用多功能控制元件來進行對智能家居的調(diào)控，比如說，我們可以控制空調(diào)的大型耗電設(shè)備在電費相對便宜階段啟動；（3）計算機的實時控制用電戶可以通過計算機對智能電表的某些功能進行調(diào)控，從而對電表下所有的用電器實行能源管制。1.3智能電表的結(jié)構(gòu)根據(jù)智能電表的介紹，不難看出，智能電表是由兩大部分組成，它們分別是軟件部分和硬件部分。我們也可以說它是一個小型化的專用的計算機系統(tǒng)。在硬件部分上，主要由微處理器（單片機）、信號的輸入輸出通道、標準的通信口、進行人機交換的通道以及外圍的電路組成。信號的輸入輸出通道主要能夠讓模擬信號以及數(shù)字信號通過，從而與外部進行數(shù)據(jù)交換，輸入輸出通道主要包括傳感器元器件、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、調(diào)理信號電路部分以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器。微處理器和它的外圍電路這部分主要是用來儲存數(shù)據(jù)和程序的，并且在單片機里面能夠?qū)?shù)據(jù)進行一定的運算和處理，這部分主要由數(shù)據(jù)寄存器和程序寄存器以及輸入輸出端口電路的部分組成的。人機交換的通道顧名思義就是人與機器進行互相交流的重要通道，它通常包括鍵盤部分、數(shù)碼撥盤部分、打印機部分、顯示部分等部分構(gòu)成的。標準的通訊接口很明顯就是用來與計算機進行交流的端口，這些端口方便計算機對被控器件進行有效的控制。在智能電表中，監(jiān)測程序和端口管理程序這兩部分就構(gòu)成了其軟件部分。其中接口管理程序主要是面向通信接口，它的只要作用就是接受并且分析各種各樣的程控碼，主要包括各種操作方式的程控碼、不同功能的程控碼以及各種工作參數(shù)的程控碼等等，以此同時各器件的實時工作狀態(tài)以及不同測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果都會通過通信接口的輸出儀器部分，以這種方法來響應(yīng)計算機的遠程控制指令。而監(jiān)測程序就實現(xiàn)對鍵盤模塊和顯示模塊進行操作，它可以設(shè)定某一按鍵的功能并存儲相應(yīng)的工作參數(shù)和運行方式，它可以通過I/O口對數(shù)據(jù)進行采樣并且設(shè)定好數(shù)據(jù)的類型等參數(shù)，還可以通過相應(yīng)的指令對數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)和狀態(tài)進行不同的分析處理，最后，當(dāng)數(shù)據(jù)處理完成后，它就可以以各種各樣的形式對分析和處理的結(jié)果進行顯示[4]。1.4智能電表的主要特點和機械時的電表進行對比，智能電表包含以下幾個特征：（1）精度高的測量智能電表能夠很好的運用單片機對命令的執(zhí)行的快速性以及數(shù)模轉(zhuǎn)換花費時間短的特點，能夠?qū)σ粶y量的數(shù)據(jù)進行多次的測量，然后對每次測量的數(shù)據(jù)進行求平均值，這樣就可以排除某些偶然的誤差以及一些不確定的干擾，它還可以通過微處理器的濾波命令來進行數(shù)字濾波，從而排除一些隨機誤差以及大誤差，用這些方法可以大大的提高測量的精度；（2）能夠進行間接的測量智能電表中的微處理器可以通過編程來進行各種計算，一些能以測量的數(shù)據(jù)可以通過幾種容易測量的數(shù)據(jù)進行整合和計算來得到；（3）可以進行自動校正智能電表會在剛上電時就會進行自動校正，而在測量的過程中對系統(tǒng)進行校正，可以減少誤差；（4）能夠自動修正誤差；（5）具有自診能力智能電表本身就具有故障診斷的功能，如果它發(fā)生了故障，就會啟動自診功能，就可以自己檢查出系統(tǒng)哪里出問題；（6）能夠進行復(fù)雜的控制；（7）可以通過程序來靈活改變功能；（8）智能電表的通訊接口通常都是GPIB口或者是RS232口，而這些端口的功能就幫助智能電表進行遠程操控。使其能夠簡單地與計算機或者其他不同儀器結(jié)合在一起，從而根據(jù)不同用戶的不同需要對多種不同數(shù)據(jù)進行的自動檢測，并通過系統(tǒng)的控制來完成[5]。

第2章主要芯片的介紹2.1微控制器STC89C51單片機2.1.1簡介STC89C51單片機具有低電壓、高性能的特點，它內(nèi)部帶有4K字節(jié)的快速寄存器，而他的處理器是8位的。單片機的內(nèi)部只讀存儲器中的數(shù)據(jù)可以重復(fù)擦除的次數(shù)達到1000多次，單片機的內(nèi)部存儲器主要采用一些高精度的并且不容易的丟失的材料和存儲技術(shù)來制造的。由于單片機內(nèi)部已經(jīng)包含多功能的8位處理器以及快速寄存器，所以STC89C51單片機也是一種高效率的微處理器[6]。其引腳圖如圖2-1所示。圖2-1STC89C51的引腳圖2.1.2主要特性（1）與MCS-51相兼容；（2）4K字節(jié)的可編程FLASH寄存器；（3）壽命：可1000循環(huán)寫/擦；（4）數(shù)據(jù)保留時間：10年；（5）全靜態(tài)的工作頻率：0Hz-24MHz；（6）三個級別的程序寄存器鎖定；（7）128×8位的內(nèi)部RAM；（8）32可編程的I/O線；（9）兩個是十六位的定時器或者說是計數(shù)器；（10）5個中斷源；（11）可編程的串行通道；（12）包含低功耗式閑置以及掉電的功能；（13）包含片內(nèi)振蕩電路以及片內(nèi)時鐘電路。2.1.3引腳功能（1）VCC：供電電壓。（2）GND：接地。（3）P0口：這個端口是一種雙向的數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎/O端口，在單片機的內(nèi)部，在與漏極開路的電路進行連接，所以它的八個引腳都可以吸收8TTL的門電流。假如當(dāng)它被置為邏輯1時，它就會成為高阻輸入端。又因為它可以用作外部程序寄存器，所以這是它會當(dāng)作是數(shù)據(jù)地址的低8位來進行處理。在進行程序編程的時候，它還可以當(dāng)作源代碼直接的輸入端口來使用；如果它用作輸出數(shù)據(jù)時，它每一引腳都必須要在單片機外部連接一個上拉電阻，這樣它才能夠正常使用；或者它可以利用外部鎖存器來輸出數(shù)據(jù)，這是它就不需要連接上拉電阻，但是要在鎖存器的輸出電路上連接電阻。（4）P1口：這個端口是一類雙向的八位的I/O端口，與P0不同的是它內(nèi)部已經(jīng)與上拉電阻相連，4TTL門電流可以通過它的緩沖器進行接收或者由其發(fā)送出來。如果它被置為高電平時，在單片機的內(nèi)部它就會被提高成高電平，這是它會被當(dāng)作輸入端口使用；如果由于外部的原因，它被拉成邏輯0時，他就會對外輸出一定的電流，這就是因為內(nèi)部為邏輯1。在進行程序編程或者校驗時，它會對數(shù)據(jù)或地址的低8為進行接收或發(fā)送。（5）P2口：這個端口是一種八位的雙向的I/O口，與P1相同同的是它內(nèi)部已經(jīng)與上拉電阻相連接，4TTL門電流可以通過它的緩沖器進行接收或者由其發(fā)送出來。如果它置高邏輯1，在單片機內(nèi)部它所對應(yīng)的引腳的電位就是被拉高，并且當(dāng)作輸入端，所以當(dāng)它被當(dāng)作輸入端時，它的管腳外部電位就會相對內(nèi)部被拉低，同時輸出電流。當(dāng)這一端口用作外部程序寄存器或是十六位的外部數(shù)據(jù)寄存器時候，這時它就會輸出十六位數(shù)據(jù)中的高8位數(shù)據(jù)。如果它的地址是“1”的時候，并且進行外部8位地址數(shù)據(jù)讀寫時，它就會很好地運用它的內(nèi)部電位被上拉的優(yōu)勢，輸出它的特殊功能寄存器里面的數(shù)據(jù)。當(dāng)進行程序編程和校正時，它口負責(zé)接收高8位的地址數(shù)據(jù)信號以及部分控制信號。（6）P3口：這個端口是一個八位的雙向的I/O口，與P1相同同的是它內(nèi)部已經(jīng)連接了上拉電阻，4TTL門電流可以通過它的緩沖器進行接收或者由其發(fā)送出來。當(dāng)它被置為邏輯1之后，它的每個管腳就會被內(nèi)部上拉電阻上拉成邏輯1，并且當(dāng)作輸入端口。而這組端口在單片機STC89C5都有自己對應(yīng)的第二功種能，如表2-1所示：表2-1P3口的第二功能I/O端口或位P3口的第二功能該端口的主要作用P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸出口P3.2/INT0外部中斷0P3.3/INT1外部中斷1P3.4T0計時器0外部輸入P3.5T1計時器1外部輸入P3.6/WR外部數(shù)據(jù)寄存器的寫選通P3.7/RD外部數(shù)據(jù)寄存器的讀選通（7）RST：復(fù)位輸入。（8）ALE/PROG：當(dāng)微處理器對外進行存儲器擴展時，當(dāng)它被置為高電平時，它就會啟動單片機的鎖存功能，這時微處理器就會把P0口的數(shù)據(jù)全部放進鎖存器里面，從而進行地址和數(shù)據(jù)隔離；如果它被置為邏輯0時，那么微處理器就不會啟動鎖存功能。在單片機沒有與外部寄存器進行數(shù)據(jù)交換是，它會把單片機的震蕩頻率分成6分并去其中一分進行輸出，而這個信號可以用作外部時鐘信號；反之，它會再去已分頻率的一半進行輸出。（9）/PSEN：當(dāng)它被置為邏輯0，就表示外部程序寄存器被選通。當(dāng)單片機對外部ROM進行讀取時，兩次/PSEN有效會在同一個機械周期中出現(xiàn)；但是，當(dāng)單片機讀取的是外部RAM時，這些有效的/PSEN信號就會被跳過。（10）EA/VPP：當(dāng)該引腳保持邏輯零時，單片機就會直接讀取外部程序寄存器中的數(shù)據(jù)，這是無論在單片機是否存在內(nèi)部程序寄存器。否則的話，在存在外部程序存儲器的條件下，首先讀取內(nèi)部程序存儲器的數(shù)據(jù)，再讀取外部的。在進行程序編程時，它會提供為單片機提供12V的燒寫電壓（11）XTAL1：單片機的片內(nèi)振蕩電路的輸入端口，以及時鐘接入引腳。（12）XTAL2：單片機的片內(nèi)振蕩電路的輸出端口，以及時鐘接入引腳。2.2電能計量芯片CS5460A2.2.1簡介CS5460A是美國的Crystalsystem公司生產(chǎn)的一種芯片，它一種專門用來測量電壓電流以及功率電能的芯片，它具有高精度、性能強、低成本等特點。在CS5460中集成了兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個高度集成的串行接口的的模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及一個能夠高速計算電能的計數(shù)器，因此它能夠精確測量并且計算出所測電路中的有功電能、電壓電流的有效值以及電壓電流電功的瞬時值，所以它通常會用來研發(fā)三相四線制和單線兩相制電表。CS5460的電壓電流輸入端不能直接測量電力線上的數(shù)據(jù)，它需要通過低成本的電壓電流互感器來進行變比才能夠進行測量。而CS5460芯片與微處理器是通過串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞竭M行連接的。CS5460還具有“自引導(dǎo)”的功能，也就是說它能夠在沒有微處理器的情況下，能夠獨立運行。在此模式下，只要系統(tǒng)上電，它就會自動初始化，并且可以從外部寄存器中讀取要校準的數(shù)據(jù)以及啟動指令，這樣可以大大的降低成本，而且CS5460芯片的集成程度要遠遠高于微處理器[7]。它的引腳如圖2-2所示：圖2-2CS5460的引腳圖2.2.2主要特征（1）能夠在片內(nèi)進行數(shù)據(jù)計算和處理；（2）能夠在沒有微處理器的情況下，在自引導(dǎo)模式中，與外部寄存器連接，并且具有電能/脈沖互換功能；（3）具有數(shù)模/模數(shù)系統(tǒng)校正的能力；（4）運用簡單的三線數(shù)據(jù)串行傳輸接口進行數(shù)據(jù)傳輸，讀寫方便；（5）具有看門狗定時功能；（6）片上2.5V基準（60×10-6/OC）,單電源+5V或雙向2.5V±10℅電源；（7）具有方向的功率輸出指示；（8）可以精確的檢測和計算出瞬時的電壓電流和功率相應(yīng)的值、周期電能總量和電壓電流的有效值，并且能夠進行電能之間的脈沖轉(zhuǎn)換；（9）電能測量精度：0.1%；（10）能夠在片內(nèi)進行相位補償和對系統(tǒng)進行校準；（11）片內(nèi)含有機械計度器或者說是步進電機的驅(qū)動器；（12）內(nèi)帶電源監(jiān)視器；（13）電能數(shù)據(jù)的線性度：在1000：1的數(shù)據(jù)的動態(tài)檢測范圍中，電能的數(shù)據(jù)的線性度大約為±0.1%；（14）功率消耗<12mW；（15）電源配置：VA+=+5V，VA-=0V；VD+=+3V至+5V或VA+=2.5V，VA-=-2.5V；VD+=+3V。2.2.3引腳功能（1）OUT、XIN：這兩引腳能夠?qū)ο到y(tǒng)時鐘進行輸入輸出，它們之間通常接2.5—20MHZ的晶振，成為系統(tǒng)時鐘，同時片內(nèi)的分頻單元會把輸入的晶振頻率進行分頻，進而得到不同的時鐘頻率。另外還可以通過XIN管腳對CS5460進行外部時鐘的引入。（2）CPUCLK：CS5460芯片內(nèi)部的振蕩電路的輸出端端口。（3）SCLK：這是串行時鐘輸入端，我們可以根據(jù)這管腳輸入的串行時鐘的快慢來確定SDI輸入串行端和SDO輸出串行端的傳輸速率。在片內(nèi)，它與一個施密特觸發(fā)器相連，它要在CS有效的時候才會識別出時鐘信號。（4）SDO：行數(shù)據(jù)輸出引腳。（5）CS:片選引腳。（6）MODE：這是模式選擇的引腳，如果它被置為高電平時，CS5460就可以與外部串行數(shù)據(jù)寄存器組合，并且實現(xiàn)自引導(dǎo)的功能；如果它被置為邏輯零時，CS5460就會與微處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。（7）INT：中斷輸出引腳。（8）ETOU：電能輸出引腳。（9）EDIR：電能方向指示引腳。假如電能為負值時，這一端口就會輸出一個信號。（10）SDI：串行數(shù)據(jù)輸入引腳。（11）VIN+、VIN-：正負電壓的差分模擬量的輸入輸出端口。（12）VREFOUT：參考電壓輸出引腳。此引腳的電壓相對于VA-為2.5V。（13）VREFIN：參考電壓輸入引腳。（14）IIN+、IIN-：測量電流的輸入引腳（15）VD+：數(shù)字電源。（16）DGND：數(shù)字地。（17）VA+、VA-：正負電源的差分模擬量的輸入輸出端口。（18）PFMON：電源故障監(jiān)測引腳。用于監(jiān)控模擬電源。（19）RESET：復(fù)位引腳。2.3外部寄存器X50452.3.1簡介X5045是一種結(jié)合EEPROM功能、看門狗復(fù)位功能、電壓跌落檢測功能等三中功能的三合一的監(jiān)控芯片。它使用SPI總線與處理器進行通信，是在兼有儲存和監(jiān)測的單片機系統(tǒng)中的最佳選擇。它的引腳圖如2-3所示：圖2-3X5045的引腳圖2.3.2主要特性（1）支持MOTOROLA推出的SPI總線協(xié)議；（2）具有選重置時間的看門狗定能力；（3）能夠檢測供電電壓是否跌落以及具有復(fù)位控制功能；（4）5種標準的復(fù)位電壓；（5）當(dāng)供電電壓變成1V時，芯片仍然可以保證復(fù)位輸出；（6）多種芯片可選擇不同的工作電壓；（7）內(nèi)置4Kbit的EEPROM，可反復(fù)擦寫100萬次；（8）可對EEPROM數(shù)據(jù)進行全部或分區(qū)保護；（9）可對硬件和指令寫保護，使數(shù)據(jù)更加安全；（10）時鐘可達3.3MHZ；（11）讀寫速度快，16字節(jié)的頁的讀寫速度；（12）經(jīng)典寫周期為5mS；（13）商用級溫寬為0~70攝氏度，工業(yè)級溫寬為-40~84攝氏度（14）6字節(jié)的頁寫入模式；（15）復(fù)位信號輸出可持續(xù)輸出200MS。2.3.3引腳功能（1）CS/WDI使能及看門狗復(fù)位輸入；（2）SO數(shù)據(jù)輸出（可與SI復(fù)用）；（3）WP寫保護（低電平保護）；（4）Vss參考0電位；（5）SI數(shù)據(jù)輸入；（6）SCK時鐘輸入；（7）RESET重置信號輸出端（必須接上接電阻）；（8）Vcc電源電壓。2.4時鐘芯片DS13022.4.1簡介DS1302是美國達拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種實時時鐘電路的芯片，它具有低功耗、高性能并帶有RAM的特點，它能夠?qū)r、分、秒、年、月、日、周進行準確的計算，并且能夠計算閏年，它的工作電壓是2.5V到5.5V。它基本上是運用三線的接口與微處理器實現(xiàn)串行通訊。同時，它采用雙電源供電，以防斷電時時鐘能夠繼續(xù)運行。其引腳如圖2-4所示：圖2-4DS1302的引腳圖2.4.2主要特性（1）能夠?qū)r、分、秒、年、月、日、周進行準確的計算，并且能夠計算閏年；（2）31*八位數(shù)據(jù)暫存儲RAM；（3）使用串行I/O口的通訊方式，大大減少管腳的數(shù)量；（4）大范圍工作電壓2.0到5.5V；（5）當(dāng)工作電壓為2.0V時,工作電流應(yīng)該小于300nA；（6）通過單字節(jié)或者數(shù)組對數(shù)據(jù)進行傳輸；（7）簡單3線接口；（8）與TTL兼容Vcc=5V；（9）可選工業(yè)級溫度范圍-40℃到+85（10）與DS1202兼容；（11）在DS1202基礎(chǔ)上增加新特性；（12）對Vcc1有可選的涓流充電能力；（13）增加的七字節(jié)的數(shù)據(jù)暫存器。2.4.3引腳功能（1）X1X232.768KHz晶振管腳；（2）GND地；（3）RST復(fù)位腳；（4）I/O數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳；（5）SCLK串行時鐘；（6）Vcc1,Vcc2電源供電管腳。2.574HC138譯碼器2.5.1簡介74HC138是一款高速CMOS器件，7它可以把三位的二進制的地址演變成八個二進制地址，我們通常稱它為38譯碼器。同時它還有三個使能輸入端，其中有兩個邏輯0時是有效，一個邏輯1時有效，當(dāng)它們?nèi)齻€端口同時有效時，38譯碼器才會運行。因此，在單片機系統(tǒng)中，我們通常用它來進行引腳的擴充。它的引腳如圖2-5所示：圖2-574H138譯碼器的引腳圖2.5.2主要特性（1）復(fù)合的使能輸入端，能夠方便的對單片機的引腳數(shù)量進行擴展；（2）HBMEIA/JESD22-A114-C超過2000VMM；（3）EIA/JESD22-A115-A超過200V；（4）溫度范圍-40～+85℃-40～+125（5）多路分配功能。2.5.3真值表表2-274H138譯碼器真值表輸入輸出S1S2+S3A2A1A0Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y70XXXX11111111X1XXX11111111100000111111110001101111111001011011111100111110111110100111101111010111111011101101111110110111111111102.6LED數(shù)碼管LED數(shù)碼管事實上上就是由多個發(fā)光二級管夠成的，它們在系統(tǒng)里按照一定的方式組成一個數(shù)字“8”，它們在系統(tǒng)中已經(jīng)連接好，其中它們的陽極相互連接的，并與正電源相連接的叫做共陽數(shù)碼管，而它們陰極相互連接的，并且與負極電源相連的稱為共陰數(shù)碼管。而數(shù)碼管事實上包括由小數(shù)點在內(nèi)的八個發(fā)光二極管帶點的數(shù)字“8”，那就成為了八位段選碼，在字面上我們用a到g這7個字母加上dp來表示這些對應(yīng)的段選碼。當(dāng)數(shù)碼管內(nèi)相應(yīng)的引腳上電之后，對應(yīng)的LED燈被點亮，從而組成成我們可以看見的字樣了。常用LED數(shù)碼管顯示的數(shù)字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。本次設(shè)計，我運用兩個四位共陰數(shù)碼管進行表示。圖2-6四位數(shù)碼管的引腳圖第3章總體設(shè)計方案3.1設(shè)計功能要求本次設(shè)計的電表最重要的是實現(xiàn)的功能有以下的要求：能夠?qū)崿F(xiàn)單項交流電能的測量；電表參數(shù)：額定的工作電壓電流分別為220V、5A，最大工作電流為10A，最大顯示電能總量：99999.99Kw.h；能夠測量并通過轉(zhuǎn)換、計算得到功率、電壓和電流的瞬時值和電壓電流的有效值，并通過轉(zhuǎn)換、計算從而在數(shù)碼管上顯示。3.2智能電表的總體方案設(shè)計本次設(shè)計制作的智能電表能夠具有以下功能：通過單片機的外部數(shù)據(jù)寄存器儲存三個月份交替日的總電能度數(shù)，并通過計算得到本月、上月和上上月的用電量，并通過數(shù)碼管顯示對應(yīng)的數(shù)值；能夠測量并通過轉(zhuǎn)換、計算得到功率、電壓和電流的瞬時值和電壓電流的有效值，并通過轉(zhuǎn)換、計算從而在數(shù)碼管上顯示；能夠顯示自裝表后的總的用電電量。本次設(shè)計制作的電表主要由電流、電壓互感器、電能計量芯片、數(shù)碼管顯示模塊、組合鍵盤、實時時鐘芯片、外部存儲芯片等。如圖3-1所示。圖3-1智能電表的設(shè)計概念上圖3-1表明了智能電表的硬件中的電壓電流互感器能夠使220V電力線上電壓電流轉(zhuǎn)變成電能計量芯片能夠允許輸入的電壓電流范圍。本次設(shè)計的智能電表主要由測量計算模塊、單片機、數(shù)碼管顯示模塊、外部寄存器、時鐘電路模塊以及電源電路組成，如圖3-2所示。圖3-2智能電表的硬件組成第4章硬件部分的組成本次設(shè)計的智能電表可以分為六大組成部分，他們分別是電能計量模塊、實時時鐘模塊、數(shù)碼管顯示模塊、外部數(shù)據(jù)存儲、電源電路、微處理器等組成。智能電表它本身就是一個微型的計算機控制系統(tǒng)，它的主要核心是微處理器，也就是我們常說的單片機。智能電表想實現(xiàn)不同功能就要運用不同的器件與單片機來進行組合。通常我們會使用簡單方便的芯片和單片機進行組合，這樣可以降低成本，減少編程的麻煩。本次設(shè)計的智能電表通過傳感器來將外界的被測量的信號轉(zhuǎn)變成電信號，本次采用CS5460A芯片通過雙差分電路來采集電壓電流信號；然后進行信號的調(diào)理，從而改善型號的質(zhì)量，并且提高信號的抗干擾的能力；最后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換進而把數(shù)據(jù)傳給單片機進行處理，這些步驟在CS5460A芯片內(nèi)就可以完成，但是數(shù)據(jù)進制的轉(zhuǎn)換就靠微處理器來進行。在單片機內(nèi)進行數(shù)據(jù)處理后，執(zhí)行存儲信息或顯示，這些可以通過編程來實現(xiàn)的[8]。4.1電壓電流采樣模塊的設(shè)計在運用CS5460測量電能的過程中，我們基本上利用電壓電流互感器來隔離電力線，因為CS5460的測量輸入端有允許通過的最大電壓電流的限制，而這樣做不僅可以保護芯片，同時還可以減少電力線上的各種各樣的干擾信號對測量效果的影響?，F(xiàn)在我們使用的照明線路上的電壓電流有效值為：220V，10A，在這種情況下，我們可以假設(shè)照明線路上的電壓電流的最大額定值分別為：300V，30A。我們使用的電力線是單相二線制交流線路，因此它們屬于正弦曲線的交流信號，我們通常是以最大值的0.7071倍來進行測量的。但是，在實際上，電力線上的交流信號不是標準的正弦信號，所以我們采用其最大值的0.6倍來進行計算?；ジ衅魇且环N高精度、低阻抗的元器件，同時它能夠在存在高次諧波的條件下，它的延時都會很少。在使用互感器對電路進行隔離后，CS5460的輸入端口就不需要再次運用其他方法進行隔離。圖4-1電流電壓采集和調(diào)理電路連接圖4.1.1電壓調(diào)理電路在被測電壓接入CS5460之前，我們要對其進行降壓處理。而在這次設(shè)計中，我們使用了2MA/2MA的電壓互感器來進行降壓處理。不過，這個型號的電壓互感器在接入電力線之前一定要連接一個110K歐的電阻，把電力線的電壓轉(zhuǎn)換成2MA以下的電流，以保護電壓互感器。電路經(jīng)過電壓互感器之后，在電壓互感器的輸出端連接一個電阻，其要小于62.5歐，因為CS5460測量電壓輸入端的最的值為125MV，這個電阻的作用就是把電流再轉(zhuǎn)換成電壓。然后，在電壓互感器的二次側(cè)上接上一定大小的電阻電容，進而構(gòu)成RC濾波電路，對輸入的電壓執(zhí)行濾波操作。4.1.2電流調(diào)理電路在電流調(diào)理部分中，還是那句話，CS5460不能直接連接到電力線測電流，這次可以運用1000/1的電流互感器，本次使用的電流互感器是兩個引腳的，我們把電力線從互感器的中間穿過當(dāng)作一次側(cè)，而它的兩個引腳就作為二次側(cè)輸出端，不過，我們要記得在二次側(cè)上接上負載，這樣才能保護互感器，剩下的電路和電壓調(diào)理部分相同，也是連接RC濾波網(wǎng)絡(luò)，對輸入的電流執(zhí)行濾波操作。4.2CS5460A的外部電路單片機STC89C51的控制指令集以及管腳都與Inter系列的微控制器相兼容，微處理器內(nèi)部有一個可以擦寫的程序寄存器和一個數(shù)據(jù)寄存器，它們的大小分別為4K字節(jié)和256字節(jié)。其工作原理與8031微處理器相同。CS5460芯片與微處理器的數(shù)據(jù)傳輸是通過串口傳輸方式來進行的，這一樣做可以大大減少數(shù)據(jù)傳輸是所需要的I/O口，這樣可以為單片機省下大量的端口，從而可以讓系統(tǒng)實現(xiàn)更多的功能。圖4-2CS5460外部電路連接圖由圖4-2可知CS5460A的1和24引腳接晶振，其中圖中引出的引腳除了電壓電流輸入信號外就是指STC89C51的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4引腳分別與CS546OA的SDI、RST、SCLK、SDO、CS引腳進行交換數(shù)據(jù)。CS5460A的數(shù)據(jù)重置管腳RES與微處理器STC89C51的P1.1引腳連接，并由微處理器STC89C51向CS5460A提供復(fù)位信號。4.3數(shù)碼管連接電路這次設(shè)計中，顯示部分是運用數(shù)碼管進行顯示的，如圖4-3所示，可以知道，數(shù)碼管沒有直接與微處理器進行連接，而是通過138譯碼器和74H753鎖存器來與微處理器連接。138譯碼器的輸出端口與數(shù)碼管的位選端的端口相連，其中138譯碼器的A、B、C三個輸入端口分別與單片機的P3.5、P3.6、P3.7口相連；74H573鎖存器則連接數(shù)碼管的段選端的端口，同時也是為了驅(qū)動數(shù)碼管，它輸出的信號需要經(jīng)過100歐的電阻連接到數(shù)碼管的段選端端口。圖4-3數(shù)碼管的接線圖4.4組合鍵盤連接電路本次設(shè)計的智能電表上已經(jīng)使用的按鍵中都有屬于自己對應(yīng)的功能，它可以讓用戶按鍵查詢本月、上月、上上月中各個月的電總量。還可以查詢瞬時電流值、瞬時電壓值、電壓有效值電流有效值、瞬時功率值。雖然本次設(shè)計只是使用鍵盤組中8個按鍵，但是每個按鍵都會對應(yīng)一個功能。圖4-4鍵盤組的連接圖如圖4-4所示本次設(shè)計的組合鍵盤采用由P2.7、P2.6、P2.5、P2.4口四根數(shù)據(jù)線提供行線，P2.3、P2.2、P2.1、P2.0提供列線組成的行列式組合鍵盤。在鍵盤組的設(shè)計中，每一個按鍵的兩端分別連接到不同的I/O口，把16個按鍵擺放成4*4的形式，這樣就可以看到每個按鍵都是設(shè)置在每一行每一列的各個交點上，同時把行線或列線上其中一個端口接上一個10K歐的上拉電阻，這樣就構(gòu)成成了我們所說的組合鍵盤。鍵盤組的掃描是把行和列分開進行的。其方法是:給P2.3、P2.2、P2.1、P2.0列線端口都設(shè)置為低電平，然后把行線電平情況讀到累加器內(nèi)。假如某一個鍵被按下，則這個鍵所在的列線的電平就會變成邏輯零，因此行線的輸入就不會全部為零。如果鍵盤組中有按鍵被按下，則我們就會把列線逐一置為邏輯零，再對行線進行檢查其輸入的狀況。假如全為高電平，那么所按下的就鍵不可能在這一行，假如不全補是高電平，那么所按下的鍵就一定在這一行行。本次設(shè)計只使用了組合鍵盤中的一半按鍵，剩下的按鍵暫時空在那，可以根據(jù)用戶的需要，在系統(tǒng)可以實現(xiàn)的情況下，通過編程增加更多不同的功能。4.5EEPROM連接電路圖4-5X5045連接電路圖圖4-5所示為X5045芯片與單片機的硬件接線圖，從圖中我們看到X5045的復(fù)位重置端口連接到單片機STC89C51的9腳，而這一管腳的連接是X5045芯片要實現(xiàn)看門狗作用所必須的。STC89C51的P1.6、P1.7、P3.0、P3.1引腳分別與X5045的CS、SO、SI、SCLK引腳進行數(shù)據(jù)交換。寫保護引腳WP與電源相連。4.6時鐘芯片DS1302連接電路圖4-6DS1302與單片機的連接圖DS1302與單片機STC89C51的連接只需三條線SCLK、I/O、RST分別與STC89C51的P3.2、P3.3、P3.4連接。在雙電源供電的情況下，運用微機系統(tǒng)的電源作為主電源。在這種連接方式中，可以保證智能電表在斷電的情況下，時鐘芯片繼續(xù)運行，以保證時間數(shù)據(jù)不會丟失。DS1302由Vcc1/Vcc2兩者中的較大一個供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc1+0.2V時,Vcc2給DS13O2提供電能;當(dāng)Vcc1大于Vcc2+0.2V時,Vcc1給DS1302提供電能。第5章軟件部分的設(shè)計5.1主程序流程本次設(shè)計的電能表的運行時間順序主要為:當(dāng)微機系統(tǒng)通電之后，微處理器就對各個芯片執(zhí)行初始化命令，然后進入的循環(huán)，而且還是個死循環(huán)；在循環(huán)過程中，微處理器先運行清看門狗的子程序；然后讀取CS5460的電能寄存器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過1S的延時再次讀取該寄存器的數(shù)據(jù)并進行累加；再然后，讀取時鐘芯片的實時時鐘數(shù)據(jù)，判斷代表月份的數(shù)據(jù)是否產(chǎn)生變化，如果是就把累加的數(shù)據(jù)存放在外部數(shù)據(jù)寄存器X5045中；最后，運行按鍵掃描的子程序，如果查詢到某個按鍵并確定他已經(jīng)按下，然后就跳到相應(yīng)的子程序中。智能電表的執(zhí)行過程如圖5-1。根據(jù)圖5-1來對單片機內(nèi)部進行編程，從而達到當(dāng)初設(shè)計使所需要的功能。圖5-1智能電表的主程序控制順序程序框圖5.2CS5460數(shù)據(jù)交換方法CS5460芯片中包含有16個24位不同類型的寄存器，它們分別是實現(xiàn)配置、直流電流偏移、交流電壓、直流/交流電流增益、直流/交流電壓增益、周期計數(shù)、脈沖速率、有符號、無符號、時基校準、功率偏移、交流或電壓的偏移、狀態(tài)、屏蔽、控制等功能的16個不同類型的寄存器。它們是主要是用來對CS5460進行配置、輸入端口進行數(shù)據(jù)的收集和串行端口的輸入輸出來進行。這些寄存器所相應(yīng)的地址如下表5-1所示：表5-1CS5460A的內(nèi)部寄存器相對應(yīng)的名稱和地址其中，當(dāng)A為1或0時，分別表示寫和讀寄存器。CS5460芯片的串行通訊接口有一個緩沖區(qū)，在這個區(qū)間內(nèi)，CS5460會對單片機發(fā)送的命令進行解析。當(dāng)時鐘信號在上升沿的時候，CS5460就會對單片機發(fā)送的命令進行解析，當(dāng)命令解析完畢之后，CS5460就會立即執(zhí)行相應(yīng)的命令，當(dāng)它與單片機進行數(shù)據(jù)傳輸時，緩沖區(qū)就會用來暫時存放發(fā)送或接收與微處理器交換的數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)上電之后，CS5460芯片就會被初始化，同時它還會處在有效的操作狀態(tài)中，也就是說，系統(tǒng)上電之后，CS5460芯片就等待單片發(fā)送命令字。當(dāng)芯片上的狀態(tài)機接收到有效的命令字以后，他就會立刻進行解碼，同時命令轉(zhuǎn)換器就會做出相應(yīng)的動作。要對CS5460芯片的某一寄存器進行數(shù)據(jù)訪問就要經(jīng)過串行端口來進行，也就是說數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟钜矔?jīng)過數(shù)據(jù)串行傳輸?shù)亩丝赟DI口來進行傳輸，并且先從高位開始傳送8位代碼字實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。假如命令字中含有寫操作命令時，串行端口將會在之后的24個時鐘周期內(nèi)記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，記錄方式還是按照高位在先的原則。寫操作需要24位數(shù)據(jù)，而讀操作可能需要8位、16位或者24位不等。如果單片機在讀取寄存器的數(shù)據(jù)是，又發(fā)送新的命令，那么之前的讀操作就會立即停止，并執(zhí)行新的命令。我們可以根據(jù)串口傳輸?shù)臅r序來編寫對應(yīng)的子程序。5.3時鐘芯片的讀寫流程智能電表中的時間是由DS1302來提供的，它與單片機是通過串行端口來進行通訊的。如果電表要進行時間的校準時，單片機就會向它發(fā)送相應(yīng)的命令；如果系統(tǒng)要判斷時間時，就會讀取它的實時時鐘數(shù)據(jù)，并且與之前所得的實時時鐘進行比較，從而得出相應(yīng)的結(jié)果。時鐘芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)的讀寫全部都是有單片機發(fā)送相應(yīng)的命令，在由其進行對應(yīng)的操作，時鐘芯片所有數(shù)據(jù)的傳輸都是根據(jù)命令來執(zhí)行的。比如說它的最高位就一定要置為高電平時才會有效，否則的話就會不允許對時鐘芯片進行寫操作，只能讀里面的數(shù)據(jù)。位6為邏輯零時就表示對時鐘數(shù)據(jù)執(zhí)行讀寫，反之就是對RAM實行讀寫。當(dāng)最低位被置為低電平時，就可以把數(shù)據(jù)寫入芯片中，反之就是把芯片的數(shù)據(jù)讀出來。而在串行時鐘的上升沿，數(shù)據(jù)就會寫入芯片，在下降沿，數(shù)據(jù)就會從芯片中讀出來，并且每個數(shù)據(jù)都是從最低位開始讀起。最后，剩下的5個位就表示為芯片內(nèi)指定的寄存器。下表5-2為DS1302命令字的格式：表5-2DS1302的命令格式1RAMA4A3A2A1A0RDCKWR765432105.4外部寄存芯片的讀寫流程在X5045芯片中包含三個寄存器，其中它們分是指令、狀態(tài)和寫使能等寄存器。它與微處理器是通過串口通信方式來實行連接的。串行端口SI是用來進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，CS端口和WP端口則分別是給芯片提供片選信號和寫保護信號的，其中CS在低電平是有效，WP在高電平時有效，而它與單片機的數(shù)據(jù)傳入是在串行時鐘的上升沿進行的，也就是說在下降沿時輸出數(shù)據(jù)。該芯片的數(shù)據(jù)全部由高位開始。不過在進行寫操作之前，我們要先執(zhí)行WREN命令，這是要讓寄存器能夠進行寫操作，在寫完數(shù)據(jù)之后要進行復(fù)位，運用WRDI指令。同時，我們能夠利用狀態(tài)寄存器，對看門狗的執(zhí)行的定時參數(shù)進行設(shè)定。下表5-3為X5045的命令名稱及其格式：表5-3X5045的命令名稱及其格式假如要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在時鐘數(shù)據(jù)信號的上升沿期間被鎖存在輸入線上，那么該數(shù)據(jù)就會在串行數(shù)據(jù)信號的下降沿傳送到輸出線上。單片機STC89C51與X5045的接口軟件設(shè)計中，要設(shè)置X5045的使能鎖存器、讀狀態(tài)寄存器和看門狗的初始值，同時還要編寫對應(yīng)的子程序，只有這些還不夠，我們還要編寫字節(jié)的讀寫子程序。我們把這塊芯片的相應(yīng)的子函數(shù)合理的調(diào)用，那么我們想要它執(zhí)行的功能就會