基于51单片机与CS5460的智能电表设计.doc

发布时间：2022-06-15 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.89M 资料格式：doc 举报版权申诉

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摘要

第1章绪论

1.1 智能电表的概念

1.2 智能电表的发展背景

1.3 智能电表的结构

1.4 智能电表的主要特点

2.1 微控制器STC89C51单片机

2.1.1 简介

2.1.2 主要特性

2.1.3 引脚功能

2.2 电能计量芯片CS5460A

2.2.1 简介

2.2.2 主要特征

2.2.3 引脚功能

2.3 外部寄存器X5045

2.3.1 简介

2.3.2 主要特性

2.3.3 引脚功能

2.4 时钟芯片DS1302

2.4.1 简介

2.4.2 主要特性

2.4.3 引脚功能

2.5 74HC138译码器

2.5.1 简介

2.5.2 主要特性

2.5.3 真值表

2.6 LED数码管

第3章总体设计方案

3.1 设计功能要求

3.2 智能电表的总体方案设计

第4章硬件部分的组成

4.1 电压电流采样模块的设计

4.1.1 电压调理电路

4.1.2 电流调理电路

4.2 CS5460A的外部电路

4.3 数码管连接电路

4.4 组合键盘连接电路

4.5 EEPROM连接电路

4.6 时钟芯片DS1302连接电路

第5章软件部分的设计

5.1 主程序流程

5.2 CS5460数据交换方法

5.3 时钟芯片的读写流程

5.4 外部寄存芯片的读写流程

5.5 按键扫描流程

5.6 数码管显示功能的实现

结论

参考文献

五邑大学本科毕业设计摘要电表表示着人们日常用电的多少，现在每家每户安装的基本上是带有转盘的那种电表，它只能显示出用电总量。若想查看上个月的用电量，只能靠电费单计算得来。现在已经是信息时代了，这种做法很显然跟不上社会潮流。近几年来，社会提倡低碳、绿色经济和可持续发展，在这种思想的推动下，智能电表将会成为社会的潮流。智能电表是在传统电表的基础上增加了自动化和智能化的功能，从而进一步提高电网的效率、提高供电的可靠性、电能的质量并且完善用电户的服务，从而更好适应电力市场。现在智能电网是全球电力部门研究和讨论的热点话题，智能电表是智能电网中的最重要的环节，它支撑着电网的信息化、自动化以及互动化等方面的实现。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。本次设计是运用单片机STC89C52为微处理器、CS5460A 芯片进行电能测量和计算、X5045芯片作为外部存储、数码管进行显示进行设计的。关键词智能电表；自动化；C51 单片机；CS5460A I

五邑大学本科毕业设计 Abstract Electricity meter means the number of people everyday electricity, and now every household is basically equipped with the kind of meter, which can only show the total amount of electricity. To see the power consumption last month, only by electricity single calculated. It is now the information age, and this approach is clearly not social trends. In recent years, the social promotion of low-carbon, green economy and sustainable development, in the promotion of this idea, smart meter will become the trend of the society. Smart meter is automatic and intelligent function is added on the basis of traditional meter, energy efficiency so as to further improve the power grid, improve power supply reliability, power quality and perfect service of the users, in order to better adapt to the power market. Now the smart grid is a hot topic in the global power sector research and discussion, the smart meter is the most important part of smart grid, which support the realization of grid informationization, automation and interaction of. The microprocessor is the most important core device of the smart meter.. It can store vast amounts of detection data and analyze, judge and process the results of the measurement.. This design is the use of single-chip microcomputer STC89C52 and CS5460A chip for power measurement and calculation, X5045 chip as the external storage, digital tube display design. Key words Smart meter Automation 51 MCU S5460A II

五邑大学本科毕业设计目录要......................................................................................................................................... I 摘 Abstract ......................................................................................................................................... II 第 1 章绪论.................................................................................................................................1 1.1 智能电表的概念............................................................................................................. 1 1.2 智能电表的发展背景..................................................................................................... 1 1.3 智能电表的结构............................................................................................................. 2 1.4 智能电表的主要特点..................................................................................................... 2 第 2 章主要芯片的介绍.............................................................................................................4 2.1 微控制器 STC89C51 单片机......................................................................................... 4 2.1.1 简介.....................................................................................................................4 2.1.2 主要特性.............................................................................................................4 2.1.3 引脚功能.............................................................................................................4 2.2 电能计量芯片 CS5460A................................................................................................ 6 2.2.1 简介.....................................................................................................................6 2.2.2 主要特征.............................................................................................................7 2.2.3 引脚功能.............................................................................................................7 2.3 外部寄存器 X5045......................................................................................................... 8 2.3.1 简介.....................................................................................................................8 2.3.2 主要特性.............................................................................................................8 2.3.3 引脚功能.............................................................................................................9 2.4 时钟芯片 DS1302........................................................................................................... 9 2.4.1 简介.....................................................................................................................9 2.4.2 主要特性.............................................................................................................9 2.4.3 引脚功能...........................................................................................................10 2.5 74HC138 译码器...........................................................................................................10 2.5.1 简介...................................................................................................................10 2.5.2 主要特性...........................................................................................................10 2.5.3 真值表...............................................................................................................11 2.6 LED 数码管...................................................................................................................11 第 3 章总体设计方案...............................................................................................................12 3.1 设计功能要求............................................................................................................... 12 3.2 智能电表的总体方案设计........................................................................................... 12 第 4 章硬件部分的组成...........................................................................................................13 4.1 电压电流采样模块的设计........................................................................................... 14 I

五邑大学本科毕业设计 4.1.1 电压调理电路...................................................................................................15 4.1.2 电流调理电路...................................................................................................15 4.2 CS5460A 的外部电路.................................................................................................. 15 4.3 数码管连接电路........................................................................................................... 16 4.4 组合键盘连接电路....................................................................................................... 16 4.5 EEPROM 连接电路......................................................................................................18 4.6 时钟芯片 DS1302 连接电路........................................................................................ 18 第 5 章软件部分的设计...........................................................................................................19 5.1 主程序流程................................................................................................................... 19 5.2 CS5460 数据交换方法................................................................................................. 20 5.3 时钟芯片的读写流程................................................................................................... 21 5.4 外部寄存芯片的读写流程........................................................................................... 21 5.5 按键扫描流程............................................................................................................... 22 5.6 数码管显示功能的实现............................................................................................... 23 结论...........................................................................................................................................24 参考文献.......................................................................................................................................25 致谢...........................................................................................................................................26 附录...........................................................................................................................................27 II

五邑大学本科毕业设计第 1 章绪论 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[1]。微处理器（单片机）是智能电表的最主要的核心器件，没有了它，智能电表就不可以对大量的测量数据进行存储、分析、判断和处理等功能。智能电表通常具有自动检测数据的功能、数据的强大处理功能、数据换算和自动调零功能、并且可以通过操作面板进行人机交流和显示装置。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[2]。 1.2 智能电表的发展背景现在，智能电表主要分为感应式、电子式和智能式等类型，而我国又是生产电能表数量较大的国家，并且我国生产的电能表接近或者基本达到发达国家的技术水平，并且我国生产的电能表能够满足不用地区和国家的市场需求，而且我们还有价格优势，因此我国的电能表在全球各市场上有很好的竞争水平。随着我国电网的不断智能化，我们对电表之类的电能计量的器件的要求也不断提高，我国的电网科技和外国在科学技术水平上差距不是很大，与此同时它还是低碳经济的最主要组成部分，所以其发展前景是相当乐观的，和国外的同类产品相比，我国的智能电表的作用完善、有规律、分类式的单价电费和控制负荷等功能都比其他国家高，这更加能够满足我国在电网上现代化智能化建设过程中的需求。目前，我国的用电户人数非常之多，根据 2009 年的统计，在年底就已经有 2.3 亿的用电户记录在国家电网公司的服务系统中，按每户平均有 4 个人计算，就有 10.4 亿人口，这么庞大的数量，要在全国内推广智能电表看来绝非一件简单的是，它不仅需要庞大的资金，而且还需要大量的人力、物力以及很长的时间来进行。同时，智能电表的功能多样化和显示的数据种类多，可以给用户准备更多的用电服务，不过更换电表也是就要得到用电户的同意、体谅和包含，所以用户也要一个对智能电表进行一定的了解，因此我们就要动员社会各界的力量来对此进行有效的宣传[3]。自从国家电网公司发布一系列的电网智能化改革的计划之后，有关电表和智能化、自动化的产业的发展面临前所未有的前景。在未来智能电表发展的趋势可以分为以下几个方面：（1）模块化这样智能电表维修起来就会非常方便，就算是一个不懂它的人也可以对它进行简单的维护和修理，只要注意用电安全就行了，并且它具有安全可靠性； 1

五邑大学本科毕业设计（2）智能电表的多样化它可以利用多功能控制元件来进行对智能家居的调控，比如说，我们可以控制空调的大型耗电设备在电费相对便宜阶段启动；（3）计算机的实时控制用电户可以通过计算机对智能电表的某些功能进行调控，从而对电表下所有的用电器实行能源管制。 1.3 智能电表的结构根据智能电表的介绍，不难看出，智能电表是由两大部分组成，它们分别是软件部分和硬件部分。我们也可以说它是一个小型化的专用的计算机系统。在硬件部分上，主要由微处理器（单片机）、信号的输入输出通道、标准的通信口、进行人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，它的只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，当数据处理完成后，它就可以以各种各样的形式对分析和处理的结果进行显示[4]。 1.4 智能电表的主要特点和机械时的电表进行对比，智能电表包含以下几个特征：（1）精度高的测量智能电表能够很好的运用单片机对命令的执行的快速性以及数模转换花费时间短的特点，能够对要被测量的数据进行多次的测量，然后对每次测量的数据进行求平均值，这样就可以排除某些偶然的误差以及一些不确定的干扰，它还可以通过微处理器的滤波命令来进行数字滤波，从而排除一些随机误差以及大误差，用这些方法可以大大的提高测量的精度；（2）能够进行间接的测量智能电表中的微处理器可以通过编程来进行各种计算，一些能以测量的数据可以通过几种容易测量的数据进行整合和计算来得到；（3）可以进行自动校正智能电表会在刚上电时就会进行自动校正，而在测量的过 2

五邑大学本科毕业设计程中对系统进行校正，可以减少误差；（4）能够自动修正误差；（5）具有自诊能力智能电表本身就具有故障诊断的功能，如果它发生了故障，就会启动自诊功能，就可以自己检查出系统哪里出问题；（6）能够进行复杂的控制；（7）可以通过程序来灵活改变功能；（8）智能电表的通讯接口通常都是 GPIB 口或者是 RS232 口，而这些端口的功能就帮助智能电表进行远程操控。使其能够简单地与计算机或者其他不同仪器结合在一起，从而根据不同用户的不同需要对多种不同数据进行的自动检测，并通过系统的控制来完成[5]。 3

五邑大学本科毕业设计第 2 章主要芯片的介绍 2.1 微控制器 STC89C51 单片机 2.1.1 简介 STC89C51 单片机具有低电压、高性能的特点，它内部带有 4K 字节的快速寄存器，而他的处理器是 8 位的。单片机的内部只读存储器中的数据可以重复擦除的次数达到 1000 多次，单片机的内部存储器主要采用一些高精度的并且不容易的丢失的材料和存储技术来制造的。由于单片机内部已经包含多功能的 8 位处理器以及快速寄存器，所以 STC89C51 单片机也是一种高效率的微处理器[6]。其引脚图如图 2-1 所示。 2.1.2 主要特性图 2-1 STC89C51 的引脚图（1）与 MCS-51 相兼容；（2）4K 字节的可编程 FLASH 寄存器；（3）寿命：可 1000 循环写/擦；（4）数据保留时间：10 年；（5）全静态的工作频率：0Hz-24MHz；（6）三个级别的程序寄存器锁定；（7）128×8 位的内部 RAM；（8）32 可编程的 I/O 线；（9）两个是十六位的定时器或者说是计数器；（10）5 个中断源；（11）可编程的串行通道；（12）包含低功耗式闲置以及掉电的功能；（13）包含片内振荡电路以及片内时钟电路。 2.1.3 引脚功能（1）VCC：供电电压。 4

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