朱栩 趙雪

摘 要：本設(shè)計(jì)主要是以如何設(shè)計(jì)新型的分時(shí)計(jì)時(shí)的電表以及電路為主要的研究目標(biāo)，其工作原理是用單片機(jī)為處理器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)時(shí)間的計(jì)算，用單片機(jī)來(lái)控制用戶所用的電量的顯示和相關(guān)繼電器的開(kāi)關(guān)和閉合，在完成正常工作的同時(shí)，電路還應(yīng)該具有記憶性，對(duì)輸入電表的信號(hào)做出處理反應(yīng)的功能。我將對(duì)設(shè)計(jì)各個(gè)模塊電路進(jìn)行解析，仔細(xì)不留死角地解釋了模塊電路的設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)也在文中寫(xiě)出了對(duì)不同模塊的各種工作原理的解釋和改進(jìn)之處。

關(guān)鍵詞：51單片機(jī)；時(shí)鐘電路；液晶顯示；分時(shí)電表

引言

以前的人是如何用電的呢，首先每一戶用電的家庭都需要按裝電表，然后由抄表員在每一段規(guī)定時(shí)間去進(jìn)行電表數(shù)據(jù)的記錄，然后由用電用戶親自去當(dāng)?shù)氐碾娰M(fèi)繳納廳繳納電費(fèi).這種運(yùn)行模式存在很多的問(wèn)題，浪費(fèi)了大量的人力物力，同時(shí)工作效率也不高.為了處理與解決這些問(wèn)題，經(jīng)過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外的各種電表設(shè)計(jì)吸取經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了以51單片機(jī)位基礎(chǔ)的多功能分時(shí)智能電表。本電表使用單片機(jī)為核心，使用ADE7755電能檢測(cè)模塊檢測(cè)用電量，運(yùn)用時(shí)鐘模塊，實(shí)現(xiàn)用電量的分時(shí)計(jì)算管理。

本文將以硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行講解。將電路分成功能作用不同的模塊，其中主要的包含電量的監(jiān)測(cè)、電量的顯示、為了保護(hù)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的報(bào)警電路，為了及時(shí)設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路等諸項(xiàng)電路一一作出了分析和改進(jìn)。在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候還進(jìn)行了軟件的設(shè)計(jì)，本在軟件方面采用C語(yǔ)言進(jìn)行編制，并將硬件和軟件相結(jié)合。此項(xiàng)設(shè)計(jì)具有階梯電價(jià)計(jì)費(fèi)；可記錄12個(gè)月的有功總電量和分時(shí)電量；可設(shè)置非工作營(yíng)業(yè)時(shí)段和應(yīng)急賒欠限量；具有內(nèi)置聲、光報(bào)警、跳閘斷電功能等功能。

1 分時(shí)電表方案設(shè)計(jì)

此項(xiàng)設(shè)計(jì)在硬件方面是由不同的電路相組合而成。其中包含主要的控制系統(tǒng)單片機(jī)、數(shù)據(jù)顯示模塊、計(jì)數(shù)時(shí)鐘模塊、供電監(jiān)測(cè)模塊和電路的報(bào)警模塊等。

1.1單片機(jī)模塊

此項(xiàng)設(shè)計(jì)的控制核心為STC89C52型號(hào)的單片機(jī)，這款型號(hào)的單片機(jī)是由STC公司設(shè)計(jì)、研發(fā)生產(chǎn)的。它具有功率低，性能強(qiáng)大等特點(diǎn)，其中有CMOS8位控制器，可以在其中單獨(dú)編制程序。其中內(nèi)核為新式的MCS51，具有原來(lái)舊式的51單片機(jī)沒(méi)有的新的控制功能[1]。主要體現(xiàn)在單芯片上，具有獨(dú)立編程的功能，和8位的CPU。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)方式，使得單片機(jī)在運(yùn)算時(shí)，具有較為方便快捷的一面[2]。另外這個(gè)單片機(jī)的儲(chǔ)存模塊也相當(dāng)強(qiáng)大，內(nèi)涵512字節(jié)的儲(chǔ)存空間，可以直接和串口相連以傳輸數(shù)據(jù)。

自帶2KB的EEPROM存儲(chǔ)空間；

1.2時(shí)鐘模塊的選擇

時(shí)鐘電路在本設(shè)計(jì)中尤為重要，本設(shè)計(jì)時(shí)鐘芯片DS1302。它是由Dallas公司生產(chǎn)的，其有著高效率同時(shí)耗能低的特點(diǎn)。

1.3顯示模塊的選擇

常見(jiàn)的顯示屏有LCD顯示屏和LED顯示屏。LCD顯示屏的優(yōu)勢(shì)巨大，其顯示數(shù)據(jù)清晰、電子輻射較低、擁有良好的可視性、使用時(shí)輕巧方便、插口兼容、體型勻稱小巧、功率消耗小等特點(diǎn)[3]。在設(shè)計(jì)本作品是發(fā)現(xiàn)需要顯示的數(shù)據(jù)很多，經(jīng)過(guò)對(duì)比LED與LCD顯示屏發(fā)現(xiàn)，LCD顯示屏比較適合本設(shè)計(jì)，所以選用LCD12864液晶顯示屏來(lái)作為本設(shè)計(jì)的顯示屏。

1.4電源電路的選擇

因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)使用了STC89C52單片機(jī)和時(shí)鐘芯片DS1302，由于電路功耗不是很高因本設(shè)計(jì)采用了5V的開(kāi)關(guān)電源來(lái)進(jìn)行供電，確保正常電路運(yùn)行。

1.5分時(shí)電表系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)是在保證電表能正常運(yùn)行，同時(shí)它能完成分時(shí)計(jì)量的作用，其原理圖為1.1圖

（1）單片機(jī)：STC89C52單片機(jī)；

（2）時(shí)鐘模塊：DS1302時(shí)鐘模塊；

（3）設(shè)計(jì)的顯示模塊：LCD12864型號(hào)液晶屏；

（4）設(shè)計(jì)的電源模塊：使用5V相對(duì)的穩(wěn)壓模塊提供電源；

（5）電量檢測(cè)電路：使用ADE7755電能檢測(cè)模塊檢測(cè)用電量；

（6）按鍵電路：使用4個(gè)按鈕，用來(lái)設(shè)置時(shí)間和單價(jià)；

（7）繼電器控制電路：使用繼電器用來(lái)控制電表輸出；

（8）報(bào)警電路：使用蜂鳴器，用作電表的信息提醒。

2 系統(tǒng)各模塊硬件電路設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)STC89C52各個(gè)引腳與實(shí)物圖如圖2.1所示：

單片機(jī)最小系統(tǒng)組成：

（1）復(fù)位電路

本設(shè)計(jì)采用了由10k電阻和10uf電容組成的阻容上電復(fù)位電路。采用較小的電容和較大的電阻連接在一起形成RC暫態(tài)電路，而后連接在re單片機(jī)的復(fù)位端。這時(shí)電路中一旦出現(xiàn)高電平，便會(huì)自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位。

（2）晶振電路

此項(xiàng)設(shè)計(jì)采用了11MHz的晶振和2個(gè)小容量的電容，并將其結(jié)合在一起形成了晶振電路，這個(gè)新的晶振電路主要是用來(lái)給單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)流。這個(gè)單片機(jī)電路是由許多個(gè)門(mén)電路相結(jié)合組成的。但是門(mén)電路在工作狀態(tài)時(shí)需要時(shí)鐘信號(hào)來(lái)沖擊門(mén)電路，來(lái)作為觸發(fā)信號(hào)，每當(dāng)提供一個(gè)脈沖，門(mén)電路就發(fā)生相應(yīng)的動(dòng)作，也就是說(shuō)提供多少個(gè)脈沖，門(mén)電路就會(huì)做出相應(yīng)的多少次反應(yīng)。脈沖頻率越高，單片機(jī)性能也越高。

時(shí)鐘電路圖為2.2圖

2.2時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

DS1302引腳：DS1302引腳圖參照?qǐng)D為3.2圖。

在程序進(jìn)行設(shè)計(jì)和編程的過(guò)程中，應(yīng)該考慮到DS1302的工作順序，哪個(gè)引腳先工作，哪個(gè)引腳后工作。這就對(duì)控制字提出了更高的要求，我們?cè)诮o相應(yīng)的寄存器寫(xiě)控制字時(shí)，還應(yīng)該讀取其中的數(shù)據(jù)。因此還要對(duì)DS1302的控制方式有一個(gè)簡(jiǎn)單的了解。其中它的控制字如圖所示。

通過(guò)控制字來(lái)控制DS1302來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)的相互傳輸都是通過(guò)控制字來(lái)進(jìn)行的。每一位控制字都有其獨(dú)特的意義：

1）BIT7：對(duì)于BIT7來(lái)說(shuō)，它的控制字的最高位應(yīng)該是1.如果最高位的羅輯是0，那么DS1302便不能識(shí)別數(shù)據(jù)。

2）BIT 6：BIT的數(shù)據(jù)如果是1，則表示RAM的數(shù)據(jù)顯示，如果為0，那么表示日歷或者是時(shí)鐘的數(shù)據(jù)。

3）BIT 5至BIT 1（A4～A0）：從BIT到BIT1統(tǒng)一用A4～A0表示，以此來(lái)定義片內(nèi)寄存器與RAM的相關(guān)地址。

其中BIT5到1的定義如下：

當(dāng)?shù)诹粩?shù)為零時(shí)，這就表明這個(gè)地址代表時(shí)鐘和寄存器。在A4-AO為零時(shí)上定義由小到大依次為秒數(shù)、分鐘數(shù)、小時(shí)數(shù)、天數(shù)、周數(shù)、月數(shù)、年數(shù)。當(dāng)A4-A0為7時(shí)，這時(shí)的定義為寄存器。當(dāng)A0-A0為八是，這時(shí)代表的是充電參數(shù)。當(dāng)其為31時(shí)，這代表突發(fā)模式的寄存器。但是當(dāng)位6為1時(shí)，RAM的定義是A4-A0為0-30.而RAM的每個(gè)地址和相應(yīng)的數(shù)字對(duì)應(yīng)。

4）BIT的最低位的有效位，如果是零，那么這就表明，正在錄入操作，如果變成了1，那么就表示正在進(jìn)行操作。另外，控制字時(shí)從最低位開(kāi)始輸出，一個(gè)個(gè)向高位拓展，數(shù)據(jù)從0位的開(kāi)始慢慢的向6位開(kāi)始輸入，讀出的數(shù)據(jù)也是由低到高。

具體電路如圖2.3所示：

2.3液晶顯示電路設(shè)計(jì)

1602液晶屏有以下引腳：

VSS接電源地。

VDD接+5V。

VO是液晶顯示的偏壓信號(hào)。

RS是在傳遞數(shù)據(jù)或者接受數(shù)據(jù)時(shí)所選擇的數(shù)據(jù)。接入單片機(jī)的IO端，當(dāng)輸出低電平時(shí)，是選擇命令，當(dāng)RS為高電平時(shí)，為選擇數(shù)據(jù)[7]。

RW在錄入或者輸出端的引腳，也接入單片機(jī)的IO端。當(dāng)RW位高電平時(shí)，從單片機(jī)中讀取數(shù)據(jù)，如果不需要讀取數(shù)據(jù)，可以將其調(diào)到VSS檔位。當(dāng)RW為低電平時(shí)，這時(shí)為單片機(jī)寫(xiě)入命令或是寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

E指的是在執(zhí)行命令時(shí)使用的引腳，同樣需要接入單片機(jī)的一個(gè)I/O端。

D0—D7是在并行數(shù)據(jù)的輸入或者是輸出時(shí)需要經(jīng)過(guò)的引腳，接口較多，可以接在P0—P3任意的8個(gè)I/O口。如果是4線并行驅(qū)動(dòng)，只須接4個(gè)I/O口。

LED+的背光正極，要接上一個(gè)電阻，起限流作用。LED-背光負(fù)極，接VSS。

RS、RW、E端口為控制端，通過(guò)控制RS、RW、E端口來(lái)調(diào)節(jié)命令和數(shù)據(jù)的識(shí)別。LCD12864工作原理圖為2.5圖

RS的復(fù)位腳應(yīng)該與單片機(jī)的P27的引腳相接。RW與P26相連。E端和P25相連。

2.4電源電路設(shè)計(jì)

電源電路必須要穩(wěn)定可靠，才能使設(shè)計(jì)正常運(yùn)行，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的電路所用電源為5V電源，所以電源電路需要為電路提供5V的穩(wěn)壓供電，其由電源電路上的M2來(lái)實(shí)現(xiàn)，其將220V的交流電源變?yōu)?5V的直流電源。

電源電路圖為 2.6圖所示：

2.5繼電器控制電路設(shè)計(jì)

繼電器是多功能分時(shí)電表的控制部件，整個(gè)負(fù)載電源都要依靠繼電器來(lái)控制。在正常的情況下，繼電器處于閉合狀態(tài)，但是當(dāng)需要與電源切斷時(shí)，繼電器需要作出反應(yīng)來(lái)關(guān)閉電源。

此項(xiàng)設(shè)計(jì)是一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，主要由電阻和三極管構(gòu)成。當(dāng)發(fā)出開(kāi)電信號(hào)之后，P37開(kāi)始輸出低電平，2接口開(kāi)放，繼電器開(kāi)始工作。當(dāng)發(fā)出關(guān)閉信號(hào)時(shí)，P37輸出高電平，2接口關(guān)閉，繼電器結(jié)束工作。

三極管基極電阻的取值為1K。此控制電路的電路原理圖如圖2.7所示：

2.6電量計(jì)量電路設(shè)計(jì)

電量計(jì)量電路的主要用途是對(duì)電量進(jìn)行計(jì)數(shù)。測(cè)量用電器的傳感器的計(jì)量模塊為ADE7755。它的工作原理為用電量可以用脈沖的數(shù)量來(lái)表示，在小于10A的小電流情況下，脈沖顯示的數(shù)量為6400。這就表明電表在閃爍6400位一度電。脈沖數(shù)作為電量的計(jì)數(shù)方式是極其準(zhǔn)確且高效的。

電量傳感器的工作原理如下圖所示。其中J1為電源的輸入端口，J2為電源輸出端口。下邊的M1為供電模塊。供電模塊的輸出脈沖在經(jīng)過(guò)隔離之后，開(kāi)始傳遞到單片機(jī)的中斷口附近，在經(jīng)過(guò)中斷之后，開(kāi)關(guān)發(fā)生動(dòng)作。

2.7報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

報(bào)警電路原理圖如圖2.10所示：報(bào)警電路主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)按鍵音反饋，按下按鈕時(shí)，單片機(jī)P35輸出低電位，三極管Q1導(dǎo)通，蜂鳴器得電鳴叫。電阻R2為三極管Q1的基極限流電阻。

2.8鍵盤(pán)控制電路的設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)中按鍵數(shù)量較少。只需要4個(gè)：

S1返回按鍵，其作用為返回，點(diǎn)擊S1直接回到主菜單。

S2加數(shù)鍵，用來(lái)調(diào)整數(shù)值的大小，按一下則加一。

S3減數(shù)鍵，用來(lái)調(diào)整數(shù)值的大小，按一下則減一。

S4 菜單鍵，單機(jī)進(jìn)入菜單來(lái)設(shè)計(jì)程序。

其電路如圖2.11所示：

參考文獻(xiàn)

[1]韓竺秦，牛王元，李玉華，等.基于STC89C52的太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子質(zhì)量，2016（2）：31-34.

[2]牛闖，王翰章，趙玉立，等.基于STC89C52單片機(jī)的循跡智能車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2013（10）：2488-2492.

[3]黃俊凱.嵌入式圖形用戶界面的技術(shù)研究[D].桂林工學(xué)院 桂林理工大學(xué)，2004.

[4]朱海濤.基于單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)及顯示[J].電子世界，2013（6）：26-27.

[5]李楠.基于MC68HC908LJ12的三相多功能電能表的研究[D].江南大學(xué)，2008.

[6]史凱.基于PSoC3的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].山東科技大學(xué)，2012.

[7]青霞.多路巡檢儀的研究與開(kāi)發(fā)[D].內(nèi)蒙古大學(xué)，2013.