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基于单片机的智能电表
基于单片机的智能电表
摘要
电表显示人们每天使用的电量。
现在每个家庭安装的基本上都是带转盘的电表。
它只能显示总用电量。
如果你想检查前一个月的用电量,你只能按电费计算。
现在是一个信息时代,这种做法显然无法跟上社会趋势。
近年来,绿色经济和可持续发展是社会发展的主旋律。
在这一理念的推动下,智能电表将成为社会的发展趋势。
智能电表为传统电表增加了智能化,从而进一步提高了电网的效率,提高了电源的可靠性,提高了电能的质量。
科技改善电力家庭服务,从而更好地适应电力市场。
智能电网现已成为全球电力行业研究和讨论的热门话题。
智能电表是智能电网中最重要的环节,它支持电网的信息,自动化和交互的实现。
微处理器是智能电表的最主要的核心器件。
它可以储存海量的检测数据,同时对测量出的结果进行分析、判断和处理。
本论文主要设计研究新型的智能电表电路,其主要特点是以STC89C52单片机为核心,实现电能的积算、数据的显示、控制电源的定时开启关闭,同时具有记忆电路,完成电表信号的读、写处理,监控电表工作的功能。
本文对每个模块逐一进行了研究,全面详细地论述了硬件电路的设计流程,对本设计中时钟电路模块、液晶显示电路模块的功能及工作原理进行了详细的说明。
关键词:
单片机;电能检测;智能电表
IntelligentElectricMeterbasedonsingleChipMicrocomputer
Abstract
Themetershowstheamountofelectricitypeopleuseeveryday.Noweveryhomebasicallyinstallsameterwithaturntable.Itcanonlyshowthetotalelectricityconsumption.Ifyouwanttochecktheelectricityconsumptionthepreviousmonth,youcanonlycalculateitonthebasisofelectricity.Thisisaninformationage,whichisclearlyunabletokeeppacewithsocialtrends.Inrecentyears,greeneconomyandsustainabledevelopmentarethemainmelodyofsocialdevelopment.Drivenbythisconcept,intelligentelectricmeterwillbecomethedevelopmenttrendofsociety.Theintelligentmeteraddsintelligencetothetraditionalmeter,whichfurtherimprovestheefficiencyofthepowergrid,improvesthereliabilityofthepowersupplyandimprovesthequalityofthepowersupply.ScienceandtechnologytoimprovetheelectricianCourtservice,soastobetteradapttotheelectricitymarket.Smartgridhasbecomeahottopicofresearchanddiscussionintheglobalpowerindustry.Smartmeteristhemostimportantlinkinsmartgrid,whichsupportstherealizationofinformation,automationandinteraction.Microprocessoristhemostimportantcoredeviceofintelligentmeter.Itcanstorealargeamountofdetectiondata,andanalyze,judgeandprocessthemeasuredresults.
Themaincharacteristicofthispaperistodesignandstudythenewintelligentmetercircuit.Itsmaincharacteristicistorealizetheintegrationofenergy,displayofdataandturnoffandturnonthepowersupplyatthesametimewithSTC89C52singlechipcomputer.Italsohasthememorycircuittofinishreadingandwritingofmetersignal.Processing,monitoringtheworkofthemeterfunction.Inthispaper,eachmodulehasbeenstudiedonebyone,thehardwarecircuitindetailthedesignprocess,thedesignoftheclockcircuitmodule,LCDcircuitmodulefunctionsandworkingprincipleofadetaileddescription.
Keywords:
MCU,powerdetection,intelligentmeter
1.前言
1.1智能电表的概念
智能电表它是科技时代的新产物,它能够进行测量、数据处理,因此测量单元、数据处理单元是它的重要组成部分。
在智能电表这一系统中,它能通过各类型的芯片来进行电能的测量、计算、存储,并且具有实时监控功能和自动控制等功能。
和传统的电能表相比。
计量功能是智能电表的最基本的功能,而它本身就是一个电子式的电表,并且它能够通过端口与外部时钟进行通讯。
微处理器(微控制器)是智能电表的最重要的核心设备。
没有它,智能电表不能存储,分析,判断和处理大量的测量数据。
智能仪表通常具有自动地检测数据,数据转换和自动调零功能,以及通过操作面板进行显示数据的功能。
本次设计的智能电表主要运用了微机和通信等两方面的技术,为了减少能耗,把采集数据和处理数据等功能运用芯片进行,这样既可以节省了成本以及人力资源,还可以增加其工作的效率,可以满足了现代的用电户的需求。
1.2智能电表的发展背景
电表诞生于1880年,最早的电表是以电磁感应为基本原理制造而成。
为了满足工业化和电源管理发展的需要,电子仪表已经出现。
基于感应原始电子仪表仍然具有测量的功能,但所述盘的旋转成为一个电脉冲;其次是基于乘数原理的电子式电能表,数字倍增器电子仪表具有扩展功能,适用于自动化系统集成等特点,已成为当今电表的主要发展方向。
目前,智能电表主要分为电感式,电子式和智能型等几种类型,我国生产的电能表不仅可以满足地区和国家的市场需求,而且我们还有有价格优势。
因此,中国的电能表在世界各个市场都具有良好的竞争水平。
随着中国电网的不断智能化,我们对电表等电能计量装置的要求也在不断提高。
中国的电网技术与国外的相关科技差别不大。
同时,它还是低碳经济,可持续发展道路的重要的部分,因此其发展前景相当乐观。
与国外同类产品相比,中国智能电表具有完善,规范,分类单价和控制负荷的功能,均高于其他国家。
它更能满足中国现代智能电网建设的需要。
目前,中国的用户数量非常庞大。
根据2009年的统计数据,截至年底,国家电网公司的服务系统已录得2.3亿户家庭。
根据每户4户的平均数,有人口10.4亿,在全国推广智能电表并非易事。
它不仅需要巨额资金,而且需要大量的人力,物力和长时间的执行。
同时,智能电表的功能多样化,显示的数据类型很多,用户可以准备更多的电力服务,但更换电表也需要得到用户的同意,理解和包容,所以用户还必须对一对智能电表有一定的了解,所以我们必须调动各行各业的力量生命有效地宣传这一点。
由于国家电网公司发布了一系列的计划,智能电网改革,电表和智能,自动化产业的发展面临着前所未有的发展前景。
智能电表是智能电网的智能终端。
它不是传统意义上的功率计。
除了传统的电能表的基本计量的功能,智能电表还具有双向数据通信功能,并且有防偷电功能等,以适应使用智能电网的发展趋势。
本文的主要任务是系统的硬件电路设计和软件的设计。
硬件电路采用模块化设计,包括接口电路、用电量检测电路、继电器驱动电路、LCD显示电路等,详细介绍了各单元的工作原理;系统软件采用C语言编制,给出了具体的程序流程图。
系统具有电量信息显示、掉电记忆、定时供停电、继电器智能开关控制、防干扰等功能。
2设计总体方案论证
本多功能智能电表可分为以下几个模块电路组成:
单片机模块,时钟模块,电能检测模块,液晶显示模块和电源模块等。
2.1单片机的方案选择
在嵌入式领域中有多种微处理器可以选择,比如FPGA、DSP、单片机、ARM等,在这些处理器中单片机的价格最低,性能适中,适合此类场合。
下面介绍一些常见类型的微控制器:
方案一:
51系列单片机。
51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称,其代表型号是ATMEL公司的AT89系列,它广泛应用于工业测控系统之中。
很多公司都有51系列的兼容机型推出,今后很长的一段时间内将占有大量市场。
51单片机是基础入门的一个单片机,还是应用最广泛的一种。
需要注意的是51系列的单片机一般不具备自编程能力。
方案二:
MSP430
MSP430系列是一个16位、具有精简指令集、超低功耗的混合型单片机,由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段,已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。
片上集成了AD、DA、PWM、LCD驱动,其比较器AD采样方式能达到很高的精度,开发系统也很便宜。
缺点是在位操作时有点麻烦,不适合用于逻辑控制以及对功耗不敏感的使用场合。
从成本、开发的难易程度考虑,使用STC89C52单片机。
它是一种低功率,高性能CMOS8位微控制器具有8K可编程闪存,与80C51产品说明书和销,闪光的8K字节,256个字节RAM,32位I/O端口线,看门狗定时器,2数据完全兼容指针,3个16位的定时器/计数器,16-载体2级中断结构,全双工串行端口和时钟电路。
2.2数字时钟方案
数字时钟是本设计的最重要的部分,有两种方案可以选择。
方案一:
本方案采用Dallas公司的专用时钟芯片DS1302。
低功耗,高性能实时时钟芯片,具有31字节静态RAM,使用SPI三线接口与微控制器同步通信,并能够以突发模式传输多个字节的时钟和RAM数据一时间实时时钟可以提供年,月,日,周,小时,秒,每月可自动调整不到31天,并具有闰年补偿。
工作电压为2.5~5.5V。
它由双电源供电(主电源和备用电源),或者可以使用备用电源进行设置,该备用电源能够以精细电流为备用电源充电。
它确保时钟在意外情况下仍能正常工作,例如电源电压不足或突然断电。
当电源电压不足或突然断电时,系统会自动切换到外部备用电池供电系统。
即使系统未通电,备用电池也可以在程序未执行时确保芯片的正常运行,并且可以随时提供正确的时间。
方案二:
本方案完全用软件实现数字时钟。
原理为:
在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。
使用定时中断与软件结合来实现1秒定时中断,每产生一次中断,存储器内对应的秒值加1;当秒值达到60,则将其清零,并将相应的分值加1;若分值达到60,则清零分字节,并将时字节值加1;当时值达到24,则将十字节清零。
这种方案具有硬件电路简单的特点。
然而,每次执行程序时,定时器都要重新赋初值,所以该时钟精度较低。
而且,因为是软件来实现时钟,当单片机断电时,程序将不再执行,时钟也会停止工作。
基于本设计精度的考虑,这里采用方案一完成数字时钟的功能。
2.3电能检测方案
电能检测的工作原理为:
由分压器完成电压取样,由取样电阻完成电流取样,取样后的电机交换的通道以及外围的电路组成。
信号的输入输出通道主要能够让模拟信号以及数字信号通过,从而与外部进行数据交换,输入输出通道主要包括传感器元器件、数模转换器、调理信号电路部分以及模数转换器。
微处理器和它的外围电路这部分主要是用来储存数据和程序的,并且在单片机里面能够对数据进行一定的运算和处理,这部分主要由数据寄存器和程序寄存器以及输入输出端口电路的部分组成的。
人机交换的通道顾名思义就是人与机器进行互相交流的重要通道,它通常包括键盘部分、数码拨盘部分、打印机部分、显示部分等部分构成的。
标准的通讯接口很明显就是用来与计算机进行交流的端口,这些端口方便计算机对被控器件进行有效的控制。
在智能电表中,监测程序和端口管理程序这两部分就构成了其软件部分。
其中接口管理程序主要是面向通信接口,它的主要作用就是接受并且分析各种各样的程控码,主要包括各种操作方式的程控码、不同功能的程控码以及各种工作参数的程控码等等,以此同时各器件的实时工作状态以及不同测量数据的处理结果都会通过通信接口的输出仪器部分,以这种方法来响应计算机的远程控制指令。
而监测程序就实现对键盘模块和显示模块进行操作,它可以设定某一按键的功能并存储相应的工作参数和运行方式,它可以通过I/O口对数据进行采样并且设定好数据的类型等参数,还可以通过相应的指令对数据寄存器中的数据和状态进行不同的分析处理,最后电压、电流信号由乘法器转换为功率信号,经V/F变换后,将脉冲信号输入单片机系统进行处理。
本设计选用ADE7755制作电能检测模块,它是一种高精度的电功率测量芯片,其成本也较为便宜。
2.3.1ADE7755的内部功能框图
图1ADE7755的内部功能框图
它由两个部分组成:
模拟电路(模拟-数字转换电路、基准电路和电源电压监视电路)和数字信号处理电路。
测量的电压和电流由ADC换成数字量由相位校正电路、高通滤波器、乘法器、低通滤波器、频率转换器等实现数字信号处理以方便计量。
2.3.2ADE7755线路连接图
ADE7755线路连接图如图2
图2ADE7755线路连接图
此电路主要由ADE7755芯片、电流互感器、晶振等组成。
大电流先从I+、I-端流入,电流互感器以1000:
1的比例关系将大电流转化为小电流,从Q+、Q-端流出,再经过R11和R12两个电阻转化为可用于测量的交流电压,并经R13、C6和R17、C7组成的滤波网络滤波后送到ADE7755的测量通道V1;因为V1P、V1N端口只能允许470mV的电压通过,由V=RI得,允许最大通过电流为0.47/200=2.35mA,所以最大测量电流为2.35mA*1000=2.35A。
交流大电压通过隔离变压器降为小电压,再经过由R15和R16组成的分压电路,信号衰减100倍滤波后送到ADE7755的测量通道V2;V2P和V2N端口最大允许630mV电压通过。
3.58MHZ的晶振为ADE7755芯片提供稳定的工作时钟;有功功率瞬时值从引脚CF以频率方式输出,用单片机对此端口的频率进行检测可得到成线性比例关系的功率值。
本电路中的CF(22脚)接到单片机的P3.4口,I+和I-接到220V交流线路上,AC端接到隔离变压器的相输出端。
电流互感器在本测量作用电路中起到很重要的作用,它的性能会直接影响电表的精度和测量范围。
其特性表如表1:
表1特性表电流互感器
额定一次电流
5A
相位差(0负载)
<10分
额定二次电流
5mA
常通一次电流
15A
比值差(0负载)
±0.1%
最大可测量一次电流
30A
比值差非线性度(0负载)
<0.1%
线性工作范围
0—30A(负载5.1Ω)
从表中可以看出,本电路中的电流互感器的精度为0.1%,可最大测量30A的电流,转换比为1000:
1。
2.4显示电路的选择
常用的单片机显示电路被分为两类:
LED显示和LCD显示:
方案一:
LED显示屏:
是由若干个LCD显示屏组成,LCD显示屏(LEDSegmentDisplays)由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件,引线已在内部连接完成,只需引出它们的各个笔划,公共电极。
数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的,加上小数点就是8个。
这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。
当数码管特定的段加上电压后,这些特定的段就会发亮,以形成我们眼睛看到的字样了。
如:
显示一个“2”字,那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。
方案二:
LCD显示屏:
分为段式LCD和点阵式LCD,对于普通的段式LCD,需要专门的驱动电路,LCD显示的可视角度较小,本身不发光;对于具有驱动电路和微处理器接口的液晶显示模块(字符或点阵),一般采用并行接口,对微处理器的接口要求较高,占用资源多,但显示内容丰富。
LCD1602液晶显示屏:
也叫1602字符型液晶,它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符,每位之间有一个点距的间隔,每行之间也有间隔,起到了字符间距和行间距的作用,正因为如此所以它不能很好地显示图形(用自定义CGRAM,显示效果也不好)。
LCD128642LCD:
带中文字库的128X64是一种4位/8位并行,2线或3线串行接口。
它包含点阵液晶显示器和国家标准的一级和二级简体汉字库。
模块;其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字,128个16*8点ASCII字符集。
灵活的界面模式和简单方便的操作指令,可以形成完整的中文语言。
人机交互图形界面。
它可以显示8×4行16×16点阵汉字。
它还可以完成图形显示。
低电压和低功耗是另一个显著特征。
由模块组成的液晶显示方案比同类型的图形点阵液晶显示模块紧凑得多,无论硬件电路结构或显示程序如何,模块的价格略低于图形液体相同点阵的晶体模块。
显示模块采用具有汉字图形显示功能的点阵液晶12864,内置汉字库使用更方便。
本设计选用显示丰富灵活的LCD1602液晶显示屏作为显示模块。
2.5电源电路的选择
根据调整管的工作状态,我们常把稳压电源分成两类:
线性稳压电源和开关稳压电源。
我们通过一个表格来对比它们的优缺点,这样有利于我选择出适合该设计所需的电源电路,从而使我的设计更具有可靠性和实用性。
开关稳压电源和线性稳压电源的优缺点如表2
表2开关稳压电源和线性稳压电源的比较
开关稳压电源
线性稳压电源
定义
开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成
比较早使用的一类直流稳压电源
优点
功耗低、小型、轻量和高效率
输出电压比输入电压低;反应速度快,输出纹波较小;工作产生的噪声低
缺点
设计复杂、维修不方便
效率较低;发热量大(尤其是大功率电源)间接地给系统增加热噪声
因本设计电路功耗较低,采用开关稳压电源较为合适,选用220V/5V稳压模块为单片机、显示屏和其他电路提供+5V电源。
2.6基于单片机的智能电表的设计系统方案
本设计选用ADE7755制作电能检测模块。
时钟芯片DS1302采用双电源供电(主电源和备用电源),可设置备用电源充电方式,提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力,即使在断电的情况下也能使计时准确。
同时采用LCD1602液晶显示,通过软件编程可以完成更多的附加功能,对单片的利用率更高,更加能满足现代生活的需要。
其中电表的时间、定时开关机时间通过键盘来进行调节。
以上功能通过七个模块:
电源、时钟模块、电能模块、单片机、LCD显示屏、键盘和继电器电路即可满足设计要求。
本系统的电路设计方框图如图3所示,它由七部分组成:
1、电源为5V直流电;
2、时钟模块采用DS1302
3、电能检测芯片采用ADE7755
4、微型控制器部分芯片采用单片机STC89C52;
5、显示部分采用LCD1602显示屏来显示;
6、继电器电路由三极管和继电器组成;
7、按键用来调节时间和定时开关机。
图3系统原理框图
3系统硬件设计
3.1单片机设计方案
单片机是一个微型计算机的主要分支。
其结构特征使其能够由CPU,存储器,计时器,以及各种输入/输出接口电路大规模非常集成电路芯片上集成。
在其组成和功能方面,单片机是一台微型计算机。
单片机的性价比非常高、集成度高、体积小、有很高的可靠性,而且具有很强的控制功能,耗能小,电压低,操作时较为安全。
它外部总线增加了I2C、SPI等串行总线方式,进一步缩小了体积,简化了结构,其系统扩展、系统配置较典型、规范,容易构成各种规模的应用系统。
因此,微型计算机被广泛用于智能电表,机电一体化,实时控制,分布式多处理器系统,以及人们的生活各个角落。
单片机应用具有十分重要的意义,它已经从根本上改变了传统控制系统的设计思路和方法。
大多数过去的必须是功能性的模拟电路或数字电路实现的功能,单片机的软件已能够全部实现。
由软件代替硬件控制技术,是生产控制技术的一场革命。
使用单片机的智能性,智能电表可以很容易地设计成具有智能功能的。
微控制器有一个时钟振荡系统,微处理器系统利用时钟定时器/计数器功能来实现智能电表功能。
然而,这种设计系统时钟误差较大时,累积误差也更大,因此它可以通过纠错软件进行修正,或添加设计高精度时钟日历芯片,以达到精确的时间。
还有很多不同的微控制器功能都是兼容的,这就比较容易实现产品的多功能性。
目前在单片机系统中,广泛使用8XC5X主微处理器芯片微控制器系列。
该设备是标准MCS-51内核,兼容的硬件资源,种类齐全,功能完善,性能稳定,体积小,价格低,货源充足,方便调试和编程,所以应用广泛。
例如,常用的STC89C52单片机如图4,具有8KB闪存可编程可擦除只读存储器(EEPROM)的低电压,高性能CMOS8位微型计算机。
有32个可编程I/O引脚,2个16位定时器/计数器,6个中断源,可编程串行UART通道,可直接驱动LED输出。
系统内部的闪存芯片可适于允许程序或用常规的非易失性存储器编程到程序。
因此,STC89C52是一款功能强大,灵活性高和价格合理的单芯片,可在各种控制领域很容易地应用。
图4STC89C52单片机
STC89C52系列单片机的封装形式共分为DIP、PLCC及PQEP3中形式,常用的是DIP封装方式。
STC89C52单片机共40个引脚,大致可分为4类:
具体说明如表3
表3STC89C52单片机引脚名称及功能表
引脚
名称
功能
电源引脚
Vcc(40脚)
电源端,+5V
Vss(20脚)
接地端(GND)
时钟电路引脚
XTAL1(19脚)
外部接晶振输入端
XTAL2(18脚)
外部接晶振输出端
I/O引脚
P0口(39~32脚)
P0口是一组8位的漏极开路型双向I/O口,也是地址和数据的总线复用口
P1口(1~8脚)
P1口是一组带内部上拉电阻的8位准双向I/O口,可驱动4个TTL门电路
P
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