靳恒偉

摘 要

電能是現(xiàn)代居民生活最基本的保障，電能的出現(xiàn)大大加快了社會(huì)文明的進(jìn)步。但在社會(huì)不斷發(fā)展的情況下，電子產(chǎn)品越來越多，人們對(duì)電能的需求出現(xiàn)了矛盾。為了將這一根本矛盾緩解，可以采用分時(shí)計(jì)費(fèi)的方式調(diào)節(jié)人們的用電行為。本研究是基于80C51單片機(jī)作為主控芯片，對(duì)數(shù)字電能表進(jìn)行設(shè)計(jì)。該電能表可以對(duì)家用220V的電器所用電量進(jìn)行采集并計(jì)算，通過單片機(jī)將不同時(shí)段的用電量分別計(jì)費(fèi)，同時(shí)大大提高了電能計(jì)量裝置的可靠性，將用電進(jìn)行了科學(xué)化和自動(dòng)化的管理。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 數(shù)字電能表 設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)工作原理

當(dāng)今電力自動(dòng)化的程度逐漸提高，越來越多的居民區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的使用。近年來，為了適應(yīng)峰谷電價(jià)不同的需要，分時(shí)數(shù)字電能表產(chǎn)生了。它可以分別計(jì)量峰，谷，平三個(gè)時(shí)段的用電量，對(duì)不同時(shí)間的用電量采取不同的計(jì)價(jià)方式，發(fā)揮電價(jià)調(diào)節(jié)的作用，將電力資源進(jìn)行合理的應(yīng)用。數(shù)字電表分為電能計(jì)量模塊和電能數(shù)據(jù)處理及通訊模塊這兩個(gè)方面。電能計(jì)量模塊是通過使用電能計(jì)量芯片來記錄是否有電能產(chǎn)生，電壓，電流值，功率等數(shù)據(jù)。然后再將采集到的數(shù)據(jù)傳遞到電能數(shù)據(jù)處理模塊。該模塊將處理后的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到Flash芯片中，將電能數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上。整體框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)施

2.1 電量采集電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的數(shù)字電能表，是一種基本結(jié)構(gòu)與特性和通用儀表類似的智能型儀器，但又有其自身的特點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)在三相交流電表存在的局限性，為了是儀器更為精準(zhǔn)，本研究通過采取多種措施，如電表對(duì)性的接口有較高的要求，而且計(jì)算任務(wù)重大，于是通過采用增強(qiáng)型的單片機(jī)80C51，來完成復(fù)雜的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)高速采樣的要求。系統(tǒng)的整體電路原理圖如圖2所示。

在此設(shè)計(jì)中，是以80C51芯片為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和變換功率，是其不僅具有一般數(shù)字功率的準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)，還可以將電壓，電流，功率同時(shí)測(cè)得。電能表作為一個(gè)獨(dú)立的電能計(jì)量系統(tǒng)，不僅需要對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，還需要具有控制和管理，外部接口以及顯示的功能。將80C51芯片作為處理器，就可以建立具有一定功能接口的電能計(jì)量系統(tǒng)。另外，在整個(gè)電能計(jì)量系統(tǒng)中都采用模塊化的思想，將儀器按照功能把軟件和硬件分為若干模塊并分別進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)試，然后進(jìn)行總體的調(diào)試。

2.2 顯示電路設(shè)計(jì)

顯示電路是采用LCD以數(shù)字的形式進(jìn)行顯示。LCD的數(shù)據(jù)口連接80C51單片機(jī)的P0口。RS，RW，EN控制端分別與P1.1，P1.2，P1.4進(jìn)項(xiàng)連接。

2.3 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

時(shí)間是數(shù)字電能表一個(gè)非常重要的參考數(shù)據(jù)，主要是記錄所耗電能的時(shí)刻，對(duì)于有效監(jiān)控電能的使用情況有著重大的意義。由于80C51內(nèi)部的時(shí)鐘精確度不夠，因此本設(shè)計(jì)中采用了時(shí)鐘芯片。單機(jī)片系統(tǒng)將通過時(shí)鐘芯片產(chǎn)生的信號(hào)讀取具體的時(shí)間日期以及數(shù)據(jù)，計(jì)算出各個(gè)時(shí)段的費(fèi)率。在停電的時(shí)候，時(shí)鐘電路中的備用電池能夠使其能夠精確計(jì)算電能消耗的各個(gè)時(shí)段直到回復(fù)供電。

2.4 停電抄表電路模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中為了保證停電時(shí)系統(tǒng)的核心部分仍能正常工作，采用的是3.6V的鋰電池與低功耗穩(wěn)壓芯片相配合的方式作為系統(tǒng)的后備電源。當(dāng)停電需要查表時(shí)，可以通過按鍵將系統(tǒng)中斷喚醒，數(shù)字就會(huì)顯示在液晶屏上。停電時(shí)與正常供電時(shí)所采用的電源形式不一樣。為了實(shí)現(xiàn)這兩者之間的切換，我們將電源開關(guān)電路經(jīng)過的穩(wěn)壓芯片的電壓控制在3.3V左右，而電池供電的電壓控制在3V左右，再將肖特基二極管連接在兩個(gè)電路的輸出端。在正常供電的時(shí)候由于二極管不可以反響導(dǎo)電而被切斷供電；在停電時(shí)，開關(guān)電源的輸出電壓為0，在二極管正向?qū)ê?，電池供電電路就將?huì)向系統(tǒng)供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在由單機(jī)片組成的檢測(cè)系統(tǒng)中，軟件的設(shè)計(jì)也相當(dāng)重要。當(dāng)完成整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)后，此時(shí)就要設(shè)計(jì)軟件來完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。在系統(tǒng)的硬件條件相同的情況下，軟件決定了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

C語(yǔ)言在單片機(jī)軟件的開發(fā)中發(fā)揮出越來越重要的作用，在軟件的開發(fā)中開發(fā)者不必總是編寫冗長(zhǎng)復(fù)雜的匯編語(yǔ)言程序。該系統(tǒng)程序通過采用模塊化的方式調(diào)試和完成程序的編寫。編寫的該程序主要是由脈沖采集子程序，液晶顯示子程序，停電抄表子程序等組成。當(dāng)單機(jī)片執(zhí)行初始化程序完成后，該程序首先讀取芯片上保存的數(shù)據(jù)并顯示出來，然后實(shí)時(shí)讀取電能計(jì)量模塊輸出的脈沖信號(hào)，并對(duì)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行累計(jì)，以3200個(gè)脈沖為1kWh進(jìn)行電量的計(jì)量，并通過液晶顯示屏顯示出來。本設(shè)計(jì)通過多次的實(shí)驗(yàn)，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，計(jì)量產(chǎn)生的結(jié)果精確，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)對(duì)數(shù)字電能表進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其能夠?qū)Σ煌瑫r(shí)段的電量進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)量。在電路硬件連接正確，程序設(shè)計(jì)合理的情況下，電能表的功能就會(huì)符合設(shè)計(jì)的要求，并經(jīng)過一些列的運(yùn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，計(jì)量的結(jié)果也相當(dāng)精確。而且本設(shè)計(jì)的方法簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)出來的數(shù)字型電能表性能好，所耗費(fèi)的成本少，是一個(gè)具有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的產(chǎn)品。

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