課程設計報告
課程名稱：微控制器在礦山監控中的應用設計
課題名稱：多使用者電子式電能表的設計
姓名學號 ＿
專業電氣工程及其自動化班級 ＿09 ＿
2012 年 1 月 6 日
五、總結29
多使用者電子式電能表的設計
摘要： 本文介紹了一種以微控制器c8051f360為核心，採用專用電能計量晶元ad7755設計的單相多使用者電子式電能表，並提供了其硬體和軟體設計結構簡單，**便宜，適合一戶一表使用。該電能表可實現電能計量、數碼管顯示、，時間校正及時，功耗低，掉電後自動儲存資料等功能。
關鍵詞：電能表；微控制器；硬體設計；軟體設計
0引言隨著我國經濟的飛速發展，各行各業對電的需求越來越大，不同時間用電量不均衡的現象也日益嚴重。為緩解我國日趨尖銳的電力供需矛盾，調節負荷曲線，改善用電量不均衡的現象，全面實行峰、平、谷分時電價制度，「削峰填谷」，提高全國的用電效率，合理利用電力資源，國內部分省市的電力部門已開始逐步推出了多費率電能表，對使用者的用電量分時計費。電能表自誕生至今已有100多年的歷史，隨著電力系統及其相關產業的發展以及電能管理系統的不斷完善,電能表的結構和效能也經歷了不斷更新、優化的發展過程:
由最初的感應電能表,發展到後來的感應系脈衝電能表,直至現在的純電子式電能表。感應系電能表是利用處於交變磁場的金屬圓盤中的感應電流與有關磁場形成力的原理製成的。感應系脈衝電能表仍採用感應系電能表的測量機構作為工作元件,由光電感測器完成電能脈衝轉換,然後經電子電路對脈衝進行處理,從而實現對電能的測量。
純電子式電能表的原理是採用電子電路來實現電能計量,所以電子式電能表的共同特點是採用乘法器,根據所依託的乘法器為模擬的還是數字的分為模擬乘法器型電子電能表和數字乘法器型電子電能表。本文給基於c8051f360 微控制器的一種新型單相多使用者電能表設計，採用 ad7755電能計量晶元，電能計量準確。該電能表具有分時段計量，八段數碼管顯示，時間校正及時，功耗低，掉電後自動儲存資料的特點。
一、 設計任務
1、 設計目的
通過計算機程式設計實現多使用者電子式數碼顯示電能表的功能。
本次設計使用者數為八戶，即實現八位使用者迴圈顯示電能量。同時，基於e2prom 24c16晶元實現微控制器的掉電資料保護，基於74hc165晶元實現微控制器的清零。
2、 設計要求
基於ad7755晶元實現電能脈衝的發生；應用微控制器c8051f360編制程式完成脈衝的讀取、計數、計算、儲存、送顯示等功能；應用74hc164及八段解碼顯示器完成資料的顯示；應用74hc165及鍵盤控制對脈衝清零；應用e2prom 24c16完成資料的定時寫入以防停電時資料丟失。
二、 硬體設計
1、 設計總體框圖
2、 設計引數
基準電壓： 220v±10%
基準電流：ib=5a
最大電流：imax=4ib=20a
計量精度：1％
最小電流：imin=2%ib=0.1a
脈衝數：1000/
3﹑ ad7755相關引數計算
電能變換電路採用ad7755晶元（ib=5a,c=1000kw/h）,工作時ad7755晶元將電流取樣訊號和電壓取樣訊號送入緩衝放大器，經模擬乘法器相乘，再經v/f轉換器轉換將電壓訊號轉換為脈衝訊號，ad7755晶元的快速脈衝輸出為1000脈衝/kwh，與使用者使用電能相對應。
輸出的快速脈衝訊號送給微控制器，我們採用c8051f360微控制器對方波訊號進行採集和計數，p2口（8位）工作即可對8戶電能脈衝進行採集與計數，本實驗我們將為每戶開闢1個位元組的記憶體計數。
簡單的ade7755外圍應用電路是由電流取樣電路、電壓取樣電路、輕載調節電路、頻率選擇電路、高頻輸出和低頻輸出等組成。現對各個電路進行單獨分析。
下圖為 ad7755效能測試電路
圖2.5 ad7755效能測試電路
（1） 電流取樣電路：
圖2.6 電流取樣電路
使用分流器的電流取樣電路如圖2.6所示，其中f1為分流器，r1、r2為取樣電阻，c1、c2為取樣電容，他們為電流取樣通道提供取樣電壓訊號，取樣電壓訊號的大小由分流器的阻值和流過其上的電流決定。電流取樣通道採用完全差動輸入，v1p為正輸入端，v1n為負輸入端。
電流取樣通道最大差動峰值電壓應小於470mv，電流取樣通道有乙個pga，其增益可由ade7755的g1和go來選擇，見表1
表1當使用分流器取樣時，g1、g0都接高電平，增益選擇16，通過分流器的峰值電壓為±30mv，當設計電表為5（20）a規格時，分流器阻值選擇為500uω，當流過分流器的電流為最大電流20a時，其取樣電壓為500uω×20a=10mv，不超過峰值電壓半滿度值，這樣考慮能允許對電流訊號和高峰值因數進行累計。
當使用互感器取樣時，其電路如圖2.7所示：
圖2.7 互感器取樣電路
u×i×t=1/5×f1-4×3600
使用互感器取樣時，g1、g0都接低電平，增益選擇1，電流取樣通道最大差動峰值電壓為±470mv，其差動訊號由互感器的二次側電流流過電阻r30和r31產生，互感器二次側額定電流為5ma，當過載4倍時，二次側電流為20ma，其流過電阻r30和r31產生的差動訊號為96mv，遠小於峰值電壓半滿度值（235 mv）。
r1c1和r2c2組成兩個低通濾波器，衰減掉那些無用的高頻分量，從而防止有用頻帶內的失真。r1、r2、c1、c2阻值、容值的選取對電表的效能有很大的影響，因此取值為r1= r2=300歐，c1=c2=27nf。
（2） 電壓取樣電路：
圖2.8 電壓取樣電路
電壓輸入通道（v2n，v2p）也為差分電路，v2n引腳連線到電阻分壓電路的分壓點上，v2p接地。電壓輸入通道的取樣訊號是通過衰減線電壓得到的，其中r6至r15為校驗衰減網路，通過短接跳線j1至j9可將取樣訊號調節到需要的取樣值上，我們設計的電能表基本電流時電壓取樣值為174.2 mv，為了准許分流器的容差和片內基準源8%的誤差，衰減校驗網路應該允許至少30%的檢驗範圍，根據引數，其調節範圍為169.
8 mv –250 mv，完全滿足了調節的需要。這個衰減網路的-3db頻率是由 r4和c3決定的，r19、r23、r24確保了這一點，即使全部跳線都接通，r19、r23、r24的電阻值仍遠遠大於r4，r4和c3的選取要和電流取樣通道的r1c1匹配，這樣才能保證兩個通道的相位進行恰當的匹配，消除因相位失調帶來的誤差影響。
4、 光電隔離電路
在許多應用中，許多電路鏈結之間需要非直接的連線，從而在提供資料的同時避免來自系統某一部分的危險電壓或電流對另一部分造成破壞，造成這種破壞的可能是電源質量低劣、接地故障等各種故障。電路隔離的主要目的是通過隔離元件把干擾的路徑切斷，從而達到抑制干擾的目的，保護電子裝置。在兩點間避免電流流過，而允許有資料或功率傳送時需要使用隔離技術。
電路隔離主要有：模擬電路的隔離、數位電路的隔離、數位電路與模擬電路之間的隔離。所使用的隔離方法有：
脈衝變壓器隔離法、繼電器隔離法、光電耦合器隔離法、直流電壓隔離法、a/d轉換器隔離法。
傳統的光耦隔離電路雖然也能實現很高的線性度, 不過這些電路需要的電源種類較多, 線路比較複雜, 設計成本比較高。
為了解決這些問題, 本次設計中一種新的光電耦合結構, 由它組成的光耦隔離電路具有很高的線性度, 且只需採用普通的光電耦合器和簡單的電路結構。應用這個電路解決了彈載黑匣子的電壓取樣訊號的光電隔離問題。
光電耦合器的工作原理和特性如下。
光電耦合器件是把發光器件(如發光二極體)和光敏器件(如光敏三極體)組裝在一起, 通過光線實現耦合構成電) 光 ) 電的轉換器件。當電訊號送入光電耦合器的輸入端時, 發光器件將電訊號轉換為光訊號。光訊號經光敏器件感應接收, 再還原成電訊號。
圖1是一種典型反相應用電路, 當輸入端有電流流過時, 發光二極體發光,使光電三極體導通, 其集電極就有電流i c 流過。
光電耦合器其主要特點為:
1) 輸入、 輸出之間在電氣上相互絕緣;
2) 訊號傳輸是單方向的, 輸出端的雜訊不影響輸入端;
3) 體積小、 壽命長、 無觸點,功耗低;
4) 光電耦合器的傳輸特性具有非線性和隨溫度變化性;
圖1 光電隔離電路
5、 c8051f360微控制器部分管腳及引數
（1）由原理圖知：
p2.0~p2.7分配給八個使用者，作為脈衝輸入埠。
p1.1和p1.0分配給led顯示部分作為時鐘訊號和資料輸入。
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