基于51单片机的电子式单相智能电表设计

山东农业大学

毕 业 论 文

基于51单片机的电子式单相智能电表设计

院系： 机械与电子工程学院 专业班级： 电气工程及其自动化专业三班 届次：20**届 学生姓名： 学号： 指导教师：

二0**年六月六日

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目录

引言 (3)

1传统电能表 (3)

1.1电能表的发展 (3)

1.2 电能表的发展前景 (3)

2 智能电能表 (4)

2.1智能电表的概念 (4)

2.2 智能电能表的典型结构 (4)

2.3智能电表的主要特点 (4)

3系统设计的基本思路和具体设计任务以及结构框图 (4)

3.1系统设计的基本思路 (4)

3.2具体设计任务 (5)

3.3 系统结构框图 (5)

4系统硬件电路设计 (6)

4.1 计量芯片ADE7757 (6)

4.1.1 ADE7757功能及特点概述 (6)

4.1.2 ADE7757计量芯片的内部结构和各引脚功能 (6)

4.1.3 ADE7757的原理特性 (7)

4.1.4 ADE7757与单片机的接口 (8)

4.2电能计量电路设计 (8)

4.2.1电压采集通道设计 (9)

4.2.2电流采集通道设计 (10)

4.2.3计量芯片与单片机之间连线 (11)

4.3单片机外围电路设计及器件选择 (11)

4.3.1 单片机STC89C52概述、引脚配置及功能概述 (11)

4.3.2 单片机控制电路最小系统 (13)

4.3.3 LCD显示器模块设计 (14)

4.3.3.1 LCD显示器工作原理简介 (14)

4.3.3.2 芯片1602简介 (14)

4.3.3.3 显示电路设计 (16)

4.3.4 数据存储模块设计 (16)

4.3.4.1芯片24C02简介 (16)

4.3.4.2 存储模块电路设计图 (17)

4.3.5时钟模块设计 (18)

4.3.5.1 DS1302简介 (18)

4.3.5.2 时钟电路设计 (19)

4.3.6 通信模块设计 (19)

4.3.6.1单片机串行通信基础 (19)

4.3.6.2 RS232串行口标准简介 (20)

4.3.6.3 MAX232简介 (20)

4.3.6.4 接口电路设计 (21)

4.3.7 电源模块设计 (21)

5 系统软件程序流程图以及上位机设计 (23)

5.1主程序设计框图 (23)

5.2 功率计量流程图 (23)

5.3 按键查询流程图 (25)

5.4上位机设计 (25)

6 总结 (26)

参考文献 (27)

致谢 (28)

附录 (29)

Contents

Abstracts (1)

Introduction (1)

1Traditional meters (1)

1.1 The development of meters (1)

1.2 The prospects of meters (2)

2 Smart meters (2)

2.1The concept of smart meters (2)

2.2 The typical structure of smart meters (2)

2.3The main features of smart meters (3)

3The basic idea of system design and detailed design tasks and structure diagram (3)

3.1The basic idea of system design (3)

3.2The detailed design tasks (3)

3.3 System structure diagram (4)

4System hardware circuit design (4)

4.1 Metering chip ADE7757 (4)

4.1.1 ADE7757 functions and features Overview (5)

4.1.2 ADE7757 chip's internal structure and function of each pin (6)

4.1.3 The principle of ADE7757 (6)

4.1.4ADE7757 and microcontroller interface (6)

4.2 Energy Metering Circuit Design (7)

4.2.1Design of voltage acquisition channels (8)

4.2.2Design of the current acquisition channel (9)

4.2.3Metering connection between the chip and the microcontroller (9)

4.3 Single-chip peripheral circuit design and component selection (9)

4.3.1 SCM STC89C52 overview, pin configuration and function overview .. 12

4.3.2 Minimum System of MCU control circuit (13)

4.3.3 LCD display module design (13)

4.3.3.1 LCD monitor works Introduction (13)

4.3.3.2 Chip 1602 Introduction (14)

4.3.3.3 Display circuit design (15)

4.3.4 Design Data storage module (15)

4.3.4.1 Chip 24C02 Introduction (16)

4.3.4.2 The memory module circuit design (16)

4.3.5Clock Module Design (16)

4.3.5.1 DS1302 Introduction (17)

4.3.5.2 Clock circuit design (18)

4.3.6 Communication Module (18)

4.3.6.1Serial communication infrastructure (18)

4.3.6.2 RS232 serial port standard profiles (19)

4.3.6.3 MAX232 Introduction.................................. 错误！未定义书签。

4.3.6.4 Interface Circuit Design ............................... 错误！未定义书签。

4.3.7 Power Module Design ............................................ 错误！未定义书签。

5 System software flowchart design............................................ 错误！未定义书签。

5.1Main design diagram ....................................................... 错误！未定义书签。

5.2 Power Measurement flow chart (24)

5.3 Key polling flow (24)

6 Summary (25)

References (26)

Acknowledgements (27)

Appendix (28)

基于51单片机的电子式单相智能电表设计

（山东农业大学机械与电子工程学院泰安 271018）

摘要：随着现代智能电网技术的大力发展，智能电表作为智能电网的不可或缺的组成部分，也将迎来疾速发展。将来，智能电表必将在全国大范围内安装。因此对智能电表技术进行研究，将会有重大的现实意义。传统电表测量精度不高，只显示用电总量，功能单一，并且人工抄表，十分繁琐。研究智能电表是为了实现电表高精度测量，用电数据保护，简单的自动报警，远程抄表等功能。其中远程抄表系统可以实现供电方和用电方的实时通信，不再需要人工抄表。本此设计在对传统电表的弊端分析之后，提出了智能电表的设计方案，该设计主要由数据采样模块，电能计量模块，单片机控制模块，数据显示模块，数据存储模块，数据通信模块等组成。其中，51单片机是智能电表的核心，外围其他所有的硬件都在它的控制下进行工作。外围硬件电路采用模块化设计，数据采集模块的功能是把电网中不可直接测量的大电压、大电流转变为可以直接处理测量的小电压、小电流，然后通过电能计量芯片ADE7757，完成对电能计量。显示模块的功能是为用户提供实时的电量信息。存储模块、通信模块的功能是实现电量信息的及时存储和与上位机的交换。

关键词：智能电表 51单片机 ADE7757 精确测量远程抄表

The design of smart meter based on 51 microcontroller

(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong 271018) Abstract: With the rapid development of modern smart grid technology, the smart meter as an important part of smart grid has been developed rapidly. In the future, smart meters must been installed in a wide range. So the research of smart meter technology is of practical significance.Traditional meter’s measurement accuracy is not high, only show the total amount of electricity, have single function, and the need for manual meter reading wastes resources. The main study of smart meters is in order to achieve high-precision measurement, data protection, automatic alarm, load control, remote meter reading and other functions. Remote meter reading system can achieve real-time communication, no need for manual meter reading. In this paper, I put forward the design of smart meters based on single-chip, which is designed primarily by the data sampling module, energy metering module, single-chip control module, display module, memory module, communication modules and other components. Single-chip is smart meters "brain", all the peripheral hardware work under its coordination control. The peripheral hardware circuits is modular, data sampling module can convert not directly measured large voltage and large current of the grid to small voltages and small currents be used to measure. Electricity metering IC ADE7757 can achieve energy metering. The display module provides real-time power information for the user. Storage module and communication module can storage and exchange the information of electricity in a timely manner with the host computer.

Keywords: Smart meters accurately measure ADE7757 microcontroller 51 remote meter reading

引言

伴随我国经济的飞速发展，电力已经成为国家的不可或缺的能源。然而目前的用电管理方式太过落后，始终采用先装表用电然后抄表付费的传统作业模式，并且绝大部分的电表都是分散的。但是这种管理方式对用户和管理人员来说，十分不方便，而且有一定的弊端。为了适应现代智能电网的发展要求，保证用户安全、方便、合理的用电，必须改进传统的电表和用电方式，使之符合现代智能电网的发展。很长一段时间来，我国主要生产感应式机械交流电表，虽然近几年开始生产使用简单的数字式电能表，但抄表绝大部分仍采用人工的方式。我们的社会正在逐渐步入信息化，网络化时代，电力系统也逐渐变得更加智能化，人工抄表对电力系统智能化管理的阻碍逐渐显现。对电力系统而言，除了用电终端还没实现与网络对接外，发电、输电、配电、区域变电等都基本实现了网络智能化管理，这对电力系统潜能的发挥会产生重大影响。因此，本次设计选择了基于51单片机的智能电表设计。此次设计的电能表应用微机技术、通讯技术等，减少了电表功耗，计量更加准确，用电数据可以自动上传，十分简便快捷，工作效率大大提高，最大程度上满足现代智能电网的要求。

1传统电能表

1.1 电能表的发展

电能表在我国电工仪表行业中是需求量最大的产品，而且电能表发展历史较长。伴随电力系统的发展，电能表经历了以下阶段：感应电能表——感应系统脉冲电能表——纯电子式电能表[1]。感应系电能表：电能表的金属圆盘在交变磁场中会感应出电流，与磁场相互作用就会产生力，正是这个力驱动电表工作[1]。感应系统脉冲电能表：工作元件与感应系电能表的测量机构类似，但是电能脉冲转换通过光电传感器完成，脉冲转换后然后利用电子电路处理计算，最终测得所消耗的电能[1]。纯电子式电能表：电能计量都是利用电子电路完成，所以电子式电能表的共同特点是都使用到乘法器。电能管理智能化要求访问电能表的电参数逐渐增多，还需要与电能表实现双向实时通讯，数字乘法器型电能表的核心是微处理器，因此其功能扩展容易，和配电自动化系统集成也就容易。在本世纪初，工商业用表的主流逐渐成为电子式电能表，不再是感应式电表。功能多样的智能电表增强了用电管理智能化的能力，因此未来大规模自动抄表很有可能成为现实。目前复费率表技术发展迅速，预付费技术也日渐完善，尤其是IC卡和非接触式卡等技术的使用，大大提高了预付费表的安全性和可靠性[2,3]。

1.2 电能表的发展前景

随着国家城乡电网改造，促使电工仪器仪表行业有了一个快速的发展，但是改造完成后，电工仪器仪表行业发展逐渐平稳，进入发展低潮，但发展没有停止。在高新技术尤其是电子信息技术快速发展下，要求电表不仅仅能完成电量的简单计量，还能实现管理、自动抄表等若干功能。电能表发展的主流将会是纯电子式，测量精度高、功能多样化、费率

多样化、网络化、抄表自动化等，而且在未来，这种发展趋势会越来越明显。

2智能电能表

2.1 智能电表的概念

智能电表，顾名思义就是把传统电表智能化，除了能够实现简单的计量外，还能实现电功率、电能等电参数的准确实时计量，与上位机实时通讯，用电管理等功能。智能电表技术主要应用微机技术、通讯技术等技术，把智能芯片作为核心[4]。

2.2 智能电能表的典型结构

从结构上说，智能电能表相当于具有特定功能的微型计算机系统，通常包括硬件和软件两部分。

硬件部分主要包括数据采集输入、输出电路，电能计量芯片ADE7757及相关电路，STC89C52单片机及相关电路，通信接口电路，人机交换电路。数据采集输入、输出电路实现模拟信号和数字信号的输入和输出。单片机及其外围电路实现程序和数据的存储并完成相关的程序、数据运算和处理。人与仪表的相互“交流”，主要通过液晶显示屏，上位机等。通信接口电路将仪表和计算机联系在一起，实现仪表和计算机信息的实时交换。

软件部分主要分为两部分，一部分主要针对键盘、单片机I/O接口、存储器和显示器等，控制协调他们正常工作，另一部分主要针对通信接口，控制协调仪表和计算机通信。比如操作键盘可以输入并存储电表的相关功能、操作方式以及工作参数；控制单片机I/O 接口电路完成数据采集；控制存储器可以把电表的各种状态，测量的电能数据分时实时地存储；控制液晶显示器可以把电表的各种状态，测量的电能数据通过图形、字符、数字等形式显示给用户。控制通信接口接收和分析来自通信总线的各种程序操作码，并根据计算机的远程命令，通过通信接口将电表的工作状态和测量的电能数据等输出到上位机，或者完成计算机要求的相应的动作[5]。

2.3智能电表的主要特点

1.测量精度高，

2.可以间接测量难以测量的参数，如无功功率、功率因数等。

3.具有简单的控制功能，如过负荷控制。

4.具有按键查询功能，通过按键可以查询显示电量参数，设定仪表的处置参数。

5.具有通信接口，可以对智能电表远程控制，使其具有自动抄表功能，还可以与计算

机或其他仪表组合使用，构成功能多样的测量系统。

3系统设计的基本思路和具体设计任务以及结构框图

3.1系统设计的基本思路

通过电压、电流采样电路,将模拟信号输入计量芯片ADE7757，电能计量芯片ADE7757经过一系列的操作，输出相应的脉冲。单片机STC89C51可以测量瞬时有功功率，完成对

功率、电能及其他电参量的精确测量，设定时间参数后，还可以实现分时计量和存储等功能。单片机STC89C51还可以上位机实时通讯，完成电量信息和控制指令的交互。

3.2具体设计任务

测量相关的电参量，即采集电压信号和电流信号输入到计量芯片ADE7757中。设计出系统结构框图，完成系统硬件电路的设计，具体包括电压、电流采样等计量电路的设计，计量芯片和单片机的接口电路设计，单片机外围电路的设计以及数据存储模块、时钟模块、显示模块、电源模块和通信接口电路的设计。完成系统软件流程图的设计，主要包括主程序流程图、中断程序流程图和按键查询流程图的设计。

3.3 系统结构框图

系统结构图是系统硬件电路设计的基础，本设计的系统结构图如参考图3—1所示

图3—1系统结构框图设计

系统结构框图主要是由以下几部分组成：计量模块(电压、电流采样电路+计量芯片)、控制模块、存储模块、时钟模块、显示模块、电源模块、通信模块等。

本次设计的单相电能表核心芯片是ADE7757计量芯片和STC89C51单片机，利用单片机定时/计数器T0端对ADE7757的CF脚输出的脉冲计数，再根据计量芯片ADE7757的计量原理，就可以测得有功、无功等电参量。单片机利用AT24C02芯片对电参量的定时存储，

利用按键进行电参量的查询，利用1602液晶显示器进行电参量的显示，利用RS232总线把电参量进行远程传送，传送到电脑上位机。DS1302时钟芯片可以为电表计量存储提供时间参数，同时可以作为数字时钟。电源模块采用两种供电方式，一种是利用电源插座直接供电，另一种是采用USB供电。

4系统硬件电路设计

本部分主要对系统的硬件电路进行介绍，通过划分各个功能模块，选择相关的芯片。设计了ADE7757外围电路，包括电压、电流采样电路的设计，计量芯片ADE7757与单片机接口电路的设计，同时阐述了电能计量的一般原理和相关电路参数计算；设计了STC89C52外围电路，包括单片机最小系统以及外围相关模块的电路设计；最后介绍电表的供电模块设计。

4.1 计量芯片ADE7757

4.1.1 ADE7757功能及特点概述

计量芯片ADE7757由美国AD公司生产推出，它是一款高精度的专用电能计量集成芯片。虽然芯片引脚减少了，但并不影响他的功能，而且在它内部还增加了一个精确的振荡器电路，芯片的时钟就由此提供，不再需要在芯片外部再外接震荡电路。之所以称该芯片高精度，是因为它的内部电路绝大部分是数字电路，只有很少的是模拟电路，比如ADC和参考电路，这使得芯片的稳定性与精度大大提高[5]。

ADE7757计量芯片的低频输出引脚F1、F2，可以输出平均有功功率，它除了可以驱动机电计数器外还可以把它与微处理器的接口相接。而他的高频输出引脚CF则可以输出瞬时有功功率，可以把它用来校准。

ADE7757的基本特性和参数有，它内置的振荡器电路，就可以为芯片提供时钟源，从而不需要外接震荡电路；由于内部电路大部分是数字电路，测量精度高，稳定性兼容性好，与50HZ/60HZ的IEC521/1036标准都能兼容；具有简单的检测功能，如果接线错误或负功率时，逻辑输出引脚REVP能发出指示；功耗较低，单5V电源下就可以工作，也可以采用交流输入，而且其内部含有电源监视器。

4.1.2 ADE7757计量芯片的内部结构和各引脚功能

ADE7757计量芯片内部结构框图如图4—1所示，

图4—1 ADE7757计量芯片内部结构框图

ADE7757的的各引脚功能如表4—1所示，

表4—1 ADE7757的的各引脚功能

4.1.3 ADE7757的原理特性

由ADE7757的内部原理图可知，电压传感器和电流传感器送入到芯片中的电压信号

在ADC电路的作用下被数字化。由于芯片的模拟输入结构，芯片的传感器接口电路大大简化，并且使得芯的动态范围也大大增大，而且芯片的滤波器设计也被简化。电流信号中一般会有直流成分，这会影响到电表的精确性，但是电流通道（V1通道）中有一个高通滤波器（HPF），电流信号中的直流成分会被它全部虑掉，电表的精确性大大提高。

由瞬时功率信号可以计算有功功率。而电流与电压信号相乘可以得到瞬时功率。

有功功率的积累可获得低频输出F1、F2。低频输出就代表输出脉冲积累时间长。因为输出频率和平均有功功率存在正比关系，因此对平均有功功率的信息积累，就能计算出有功功率。与此相反，高频输出引脚CF脚能缩短积累的时间，因此高频输出脚的输出频率与瞬时有功功率存在正比关系。

4.1.4 ADE7757与单片机的接口

ADE7757计量芯片与单片机最简单的连接是利用CF的高频输出完成。连接时，把CF设置为最大输出频率，然后把CF与单片机计数器或接口连接，设置单片机内部定时器，使其在规定的时间内完成脉冲计数。所以此计数时间内所消耗的电能等于平均功率与此计数时间相乘。

图4—2 ADE7757与单片机接口连接

4.2电能计量电路设计

电能计量电路的设计主要围绕对ADE7757计量芯片的电路设计，包括电压采集通道设计和电流采集通道设计和ADE7757计量芯片与单片机的接线电路设计设计。首先，电网负载电流通过电流传感器再通过滤波电路变换成适当的电压信号之后被送入电能计量芯片ADE7757的电流通道；电网的相电压220V由电压传感器降压之后，再通过滤波电路被送入计量芯片ADE7757的电压通道。二者经过计量芯片ADE7757转换之后变成有功功率，然后从CF端以高频脉冲形式输出，最终接入单片机的T0端。单片机的计数器能对CF脚输出的脉冲计数，根据计量芯片ADE7757的原理，通关相关的公式转化，最终便可以计算出所测功率。此部分电路图如图4—3。

图4—3 电能计量整体电路图

4.2.1电压采集通道设计

在电路理论方面上说，电压采集通道电路要首先保证输入计量芯片ADE7757电压通道中的电压信号处于芯片的工作范围内，所以电压采集通道可以采用电阻分压电路来实现。通常电能表工作的环境是不定的，而且电能表元件参数也会存在一定的误差，因此在分压电路中，设计一个电阻调整网络，这样便可以使电压信号大小在一定范围内改变，从而可以校验计量芯片ADE7757输出脉冲的频率，调整电能表的精确度，所以分压电路又有校验的作用[6]。如图4—4，改变跳线J就可以短接R，从而调整整个电阻网络的总电阻，有调

整和校验的作用。

图4—4 电压通道

4.2.2电流采集通道设计

如图4—5所示，电流采集通道电路实际上相当于一个PGA可编程差动放大电路，外围电路的目的是抗混频滤波，图中的R3C5和R4C7组成了两个一阶低通滤波器，把电流通道中的高频成分滤除[6]。因此为了减少误差，抗混频滤波器选取的电容器和电阻器必须

为精密的。

图4—5 电流通道

4.2.3计量芯片与单片机之间连线

如图4—6所示，高频输出引脚CF通过光耦PS2501与单片机的T0端连接,REVP经过一电阻与发光二极管连接，这样便会有指示电能方向作用，如果电能方向反向或接线错误，则会产生高电平。

图4—6 计量芯片与单片机连线

4.3单片机外围电路设计及器件选择

4.3.1 单片机STC89C52概述、引脚配置及功能概述

STC89C52RC单片机是由宏晶科技生产，它运行速度快，抗干扰能力强，功耗低，相对于传统的8051单片机来说，是新一代单片机。虽然具有许多新特性，但其指令代码却和传统8051单片机完全兼容。除此之外，它有两种工作机器周期即12时钟/机器周期和6时钟/机器周期，而且这两种机器周期可以任意选择。其他的工作特性有工作电压分为5.5V～3.3V（5V单片机）和3.8V～2.0V（3V单片机）两种。留给用户的应用程序存储空间为8K字节，而且还有512字节RAM。通用I/O口较多，一共有32个，分别是P1、P2、P3、P4，这些I/O口都是准双向口和弱上拉。STC89C52单片机不仅在系统中可编程，在应用同样可编程，因此对它编程通过串口RxD和 TxD即 P3.0和P3.1端口即可完成，从而不需要专门的编程器，也不需要专门的仿真器，通过这种方式直接下载用户程序，速度非常快，完成一片只需数秒。具有EEPROM、看门狗等功能。与传统的8051单片机相比，它多一个16位定时器\计数器，因此它一共有3个16位定时器\计数器，即定时器T0、T1、T2 。它外部有4路可以由下降沿或低电平触发的外部中断，其Power Down模式可以由外部中断低电平触发中断的方式唤醒。它还具有通用的异步串行口（UART），如果使用定时器软件，就可实现多个通用的异步串行口[7]。采用的PDIP封装模式。

STC89C52RC单片机的工作模式有三种，分为正常工作模式、掉电模式、空闲模式。其中正常工作模式的功耗很低，功耗通常为4mA～7mA。掉电模式的功耗更低，功耗通常小于0.1μA，单片机工作在这种模式下，如果出现外部中断，就会被唤醒，当中断返回之后，继续执行原程序，因此这种模式通常在水表、电表、气表等由电池供电的系统及便携设备中使用。空闲模式的功耗通常为2mA。

STC89C52单片机的引脚配置图如图4—7所示，

图4—7 单片机STC89C52引脚配置图STC89C52RC主要引脚功能说明如下表4—2所示，

4.3.2 单片机控制电路最小系统

单片机控制电路最小系统如图4—8所示，

图4—8 单片机控制电路最小系统

（1）复位电路

单片机可以通过两种方式复位，一种是系统上电复位，还有一种是在系统运行过程

中，通过人工按钮复位。由于系统在实际运行过程中通常需要人工按钮复位，所以

本设计中采用如图4—8所示的上电按钮复位。

（2）晶振电路

图4—9 单片机晶振电路

在单片机内部有一个反相放大器，反相放大器的输入端和输出端分别是XTAL1和XTAL2，这个反相放大器可用作构成内部振荡器。本次设计中，单片机的晶振电路采用的是内部时钟接法，具体接线如上图4—9所示。

4.3.3 LCD显示器模块设计

4.3.3.1 LCD显示器工作原理简介

LCD液晶显示器是一种应用非常广泛的显示器，它重量轻，安装携带方便，工作电流小，功耗低，使用寿命长，而且显示的字迹清晰美观。因此在便携式仪表和低功耗的高档仪器仪表广泛采用LCD液晶显示器。LCD液晶显示器根据用户的需求具有不同显示方式最常见的显示方式有段式、点阵字符式和点阵图形式，本次设计中所采用的是LCD显示器1602，它的显示方式是是点阵式。

4.3.3.2 芯片1602简介

之所以选择1602 LCD液晶显示器，是因为它是一款专门用于显示符号、数字、字母等的点阵式LCD。它的主要技术参数有，显示容量为16×2个字符，芯片工作的电压范围为4.5—5.5V，工作电流如果在工作电压5.0V 时为2.0mA，其最佳的工作电压就为5V。

芯片1602的引脚图如下图4—10所示