基于單片機(jī)的數(shù)字電能表設(shè)計(jì)

佛山市華材職業(yè)技術(shù)學(xué)校　于煥江

基于單片機(jī)的數(shù)字電能表設(shè)計(jì)

佛山市華材職業(yè)技術(shù)學(xué)校于煥江

本設(shè)計(jì)采用AT89S52單片機(jī)作為主控芯片，電能采集選用ADE7755芯片模塊，可以對(duì)家用220V單相交流電的用電器用電量進(jìn)行采集，然后通過單片機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并傳送到液晶1602對(duì)用電量進(jìn)行顯示。存儲(chǔ)芯片采用AT24C02，用于掉電后對(duì)計(jì)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)以備恢復(fù)供電后可以繼續(xù)計(jì)量。該電能表經(jīng)過測(cè)試具有響應(yīng)速度快、電路簡(jiǎn)單、顯示穩(wěn)定清晰等諸多優(yōu)點(diǎn)。

單片機(jī)；電能表；ADE7755；LCD1602

1.系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)采用ADE7755芯片電能計(jì)量模塊作為220V單相交流電的電能采集。單片機(jī)通過采集ADE7755模塊輸出的信號(hào)，并通過程序算法進(jìn)行計(jì)算和分析，計(jì)算出用電器的用電量，實(shí)時(shí)的顯示到液晶1602上。單片機(jī)將計(jì)算出的數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)芯片AT24C02上，以保證出現(xiàn)斷電和恢復(fù)供電后可以繼續(xù)計(jì)量電能。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2　系統(tǒng)整體電路原理圖

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1電量采集電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的核心是由ADE7755構(gòu)成的電量采集電路，該電路的原理是將用電器的用電量以脈沖的形式輸出，單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖個(gè)數(shù)越多，說明用電器的用電量越大。ADE7755脈沖輸出與用電量的關(guān)系為每3200個(gè)脈沖代表用電器消耗1kWh。因此單片機(jī)只要采集ADE7755輸出的脈沖信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算，即可知道用電器的用電量。系統(tǒng)的整體電路原理圖如圖2所示。

2.2顯示電路設(shè)計(jì)

顯示電路采用通用的液晶LCD1602進(jìn)行顯示，主要是以數(shù)字的形式直觀的將用電器的用電量顯示出來。LCD1602的8位并行數(shù)據(jù)口與單片機(jī)的P0口進(jìn)行連接。RS、RW、EN控制端與單片機(jī)的P1.0-P1.2連接。其中3腳接10K的電位器用來調(diào)節(jié)LCD1602的對(duì)比度。

2.3存儲(chǔ)電路和清零電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)具有掉電存儲(chǔ)功能，存儲(chǔ)芯片采用AT24C02。該芯片采用I2C總線的形式與單片機(jī)進(jìn)行連接，其中SCL與單片機(jī)的P2.1腳連接，SDA與單片機(jī)的P2.2腳連接。單片機(jī)每計(jì)算完一次數(shù)據(jù)后，同時(shí)送到液晶顯示和AT24C02進(jìn)行保存，以備系統(tǒng)斷電和恢復(fù)供電后，可以繼續(xù)計(jì)量電能。單片機(jī)的P2.4腳接有一個(gè)按鍵，用來對(duì)AT24C02保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行清零。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的程序采用當(dāng)前比較流行的C語言。編程的軟件采用常用的keil軟件。系統(tǒng)整體的程序采用模塊化的方式完成，方便調(diào)試和程序的編寫。

程序構(gòu)成主要分為脈沖采集子程序、數(shù)據(jù)計(jì)算子程序、液晶顯示子程序、數(shù)據(jù)保存子程序，按鍵清零子程序。系統(tǒng)上電后單片機(jī)執(zhí)行初始化程序，主要是對(duì)單片機(jī)自身的初始化、液晶顯示的初始化和AT24C02的初始化。初始化完成后首先讀取AT24C02保存的數(shù)據(jù)，并顯示在液晶上，然后開始實(shí)時(shí)讀取ADE7755輸出的脈沖信號(hào)，當(dāng)有脈沖信號(hào)時(shí)，對(duì)脈沖進(jìn)行累計(jì)，按照每3200個(gè)脈沖為1kWh的算法進(jìn)行電量的計(jì)量，并送到液晶進(jìn)行顯示和AT24C02進(jìn)行保存。當(dāng)清零按鍵按下后，清除AT24C02保存的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)從0開始計(jì)量。本設(shè)計(jì)經(jīng)過實(shí)際使用和長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)運(yùn)行工作，狀態(tài)穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4.結(jié)束語

經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)的仿真和軟硬件電路的設(shè)計(jì)，基于單片機(jī)的數(shù)字電能表設(shè)計(jì)成功完成。只要硬件電路連接正確，程序算法設(shè)計(jì)合理，電能表的功能就會(huì)符合設(shè)計(jì)的要求。經(jīng)過測(cè)試驗(yàn)證本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠、成本低，是一款非常有使用價(jià)值和推廣價(jià)值的產(chǎn)品。

［1］周正鼎.單片機(jī)應(yīng)用與調(diào)試項(xiàng)目教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［2］宗建華等.智能電能表［M］.中國(guó)電力出版社，2010.

［3］褚大華.電子式電能表［M］.中國(guó)電力出版社，2009.

于煥江（1987—），男，山東諸城人，大學(xué)本科，現(xiàn)供職于佛山市華材職業(yè)技術(shù)學(xué)校，主要從事電子技術(shù)、嵌入式技術(shù)等的教學(xué)和研究。