分体式单相电能表设计【毕业作品】

BI YE SHE JI

（20 届）

分体式单相电能表设计

所在学院

专业班级自动化

学生姓名学号

指导教师职称

完成日期年月

摘要

摘要

本课题基于各居民楼以及宿舍公寓的电能计量和数据远传中存在的问题，设计了一种分体式单相电能表。分体式单相电能表主要户外表（计量控制部分MCU）和户内表（插卡输电显示部分UIU）两部分组成，外表安装在室外，内表安装在室内，两表使用4芯通讯线连接。

系统主要构成：（1）电能计量单元：由ADE7755构成，它的主要作用是通过对电压、电流的采样，实现对各个用户所用电量累积和存储，并把电量转换成相应的脉冲信号，送进单片机进行处理。（2）单片机系统：本次主要采用PIC单片机，它具有性能高、速度快、体积小、价格低和通用性强等特点。它的主要作用是接收ADE7755送来的脉冲信号，转化并存储各用户的用电量，经过相应的处理后，控制显示单元定时和轮流显示各用户的用电量，同时控制对外通信，完成远程控制等工作。（3）采用RS485通信。（4）显示单元：采用LCD 显示，显示用户的剩余电量和用电总和。（5）接触式IC卡单元：实现预付费功能。采用射频卡。实现先买电，后用电，当电量不足时断电报警，通知用户买电。电量用尽时，自动实现断电功能。

随着我国电力行业的发展，电表也日益智能化。分体式单相电能表的电能计量、数据处理运算、IC卡读入、用电量显示等装置分装成户内户外两部分，两个表内各设一套通信装置，相互间利用RS485进行通信。主表可按原电能表的进出接线接入电网，另一个表放在家庭公寓内。目前，市场上的电能表有很多问题，如计量电能存在误差，户数越多，误差越大，并且电表箱损坏严重。分体式电能表能准确实现电能计量，实现预付费功能，并且能有效的制止窃电现象的发生。综合上述，分体式单相电能表，功能全、体积小、性能价格比高，符合我国农村和城市的现实状况，具有非常大的市场潜力。

关键词:分体式电能表、多用户、ADE7755

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ABSTRACT

This topic is based on energy metering for residential buildings, as well as dormitory apartment and remote data transmission problems, the design of a split single phase energy meter.Split single-phase energy meter outdoor table (measurement control part of the MCU) and the indoor tables (card transmission part of UIU) composed of two parts, the appearance is installed outdoors, the inner table installed in the interior, and two tables using the four core communication cable.

The system main components：(1) energy metering unit: ADE7755 constitute its main role is the sampling of the voltage, current, power accumulated and stored on individual users, and power conversion into the corresponding pulse signal sent to the microcontroller for processing.(2) single-chip system: The main use of the PIC microcontroller, which has high performance, high speed, small size, low price and versatility. Its main role is to receive the ADE7755 sent the pulse signal, conversion and storage of all users of electricity consumption, after appropriate treatment, the control unit timing and cycle the power consumption of each user, while controlling external communications, and complete remote control job.(3) by RS485. (4) Display unit: LED display to show the user the remaining sum of electricity consumption and electricity.(5) contact IC card unit: pre-paid functionality. Using radio frequency card. The realization of the first to buy electricity, electricity, when the low battery power alarm to notify the user to purchase electricity. Power is exhausted, the automatic power-off function.

With the development of China's power industry, electricity meters are becoming more intelligent. Split single-phase energy meter, energy metering, data processing operations, the IC card read into the power display devices such as packing into indoor and outdoor two parts, two tables, each with a set of communication devices, among use RS485 to communicate . The main table and out of the original energy meter wiring connected to the grid to another table in the family apartment. At present, the power meter on the market there are many problems, errors such as measurement

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of electrical energy, the more the number of households, the greater the error, and serious damage to the meter box. The split-type power meter accurate energy metering to achieve pre-paid function, and can effectively stop stealing phenomenon occurred. In summary, the split single-phase watt-hour meter, full-featured, small size, high cost performance, in line with the reality of China's rural and urban, with a very large market potential.

Keywords: split meter multi-user ADE7755

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目录

摘要 (Ⅰ)

ABSTRACT (Ⅱ)

目录 (Ⅴ)

第一章绪论 (1)

1.1电能表的发展历史 (1)

1.2分体式电能表国内外现状 (1)

1.3本文的主要研究内容 (2)

1.4本课题的主要研究意义 (2)

第二章电能表总体电路设计及功能 (4)

2.1电能表总体设计 (4)

2.2电能表功能 (4)

第三章电能表各部分硬件设计 (6)

3.1计量端部分硬件设计 (6)

3.1.1 电源电路硬件设计 (6)

3.1.2 计量部分硬件设计 (8)

3.1.3 单片机单元设计 (13)

3.1.4 显示电路设计 (15)

3.1.5 继电器电路设计 (15)

3.2刷卡端电路设计 (16)

3.2.1 MF RC500芯片概述 (16)

3.2.2 Mifarel射频卡的结构和工作原理 (19)

3.2.3 单片机电路和显示单元 (20)

3.2.4 IC卡座电路 (21)

3.3 远程通讯模块 (22)

第四章分体式单相电能表软件设计 (24)

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4.1分体式单相电能表总流程图 (24)

4.2计量端程序设计 (25)

4.2.1 脉冲采集程序流程图 (25)

4.2.2 显示部分流程图 (26)

4.2.3 中断程序流程图 (26)

4.3刷卡端程序设计 (27)

4.3.1 IC卡检测电路 (27)

4.3.2 射频卡读写程序 (28)

第五章形成干扰的原因和防范措施 (30)

5.1干扰形成的原因及影响 (30)

5.1.1形成干扰的主要原因 (30)

5.1.2对电能表的影响 (30)

5.2电能表抗干扰技术 (31)

结论 (33)

参考文献 (34)

致谢 (35)

附录 (36)

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第一章绪论

1.1电能表的发展历史

电能表是用来测量电能的仪表，俗称电度表、火表。最初的电能表是由美国人爱迪生利用电解原理发明的，他发明的是直流电能表。随着交流电的发现和应用，人们又发明了交流电能表。电能表按原理划分，电能表分为感应式和电子式两大类。

意大利人弗拉里斯提出用旋转磁场的方法来测量电量，将两个同频率但空间和相位不同的交变磁场作用于一个可转动的导体上，导体就能旋转。这种原理的电能表叫做感应式电能表。此后，德国人布勒泰制作成功了第一块感应式电能表。从此，感应式电能表得到了迅猛的发展，人们在缩小感应式电能表的体积和改善性能方面取得了长足的进步。感应式电能表的在具有成本低、操作简单等优点的同时，也存在许多缺点，比如在准确度方面比较低、功能比较单一等。

随着技术的不断发展，对电能表提出了新的要求，分体式电能表应运而生。由于机械感应式电能表对非线性负荷时误差较大，精度低、功能单一等缺点，它的发展受到了很大的限制。而分体式电能表功能齐全、精度高和通信功能，分体式电能表得到了长足的发展。分体式电能表集中了它们的优点，得到了长足的发展和广泛地应用。

1.2分体式电能表国内外现状

分体式电能表和机械式电能表相比有极大的优越性，它具有强大的通讯功能，可以应用于远程抄表，电能自动采集和计费等方面，因此分体式电能表得到了广泛的应用。而在初期，分体式式电能表推广受到了人们的质疑，主要原因是其使用寿命和可靠性指标方面存在较大的缺陷。初期的分体式电能表很容易失效，机械式电能表属于机械磨损型失效，随着使用时间的加长，精度逐渐降低，计量度数还在，其影响相对电子式电能表较小。而分体式电能表是偶发性失效，出现故障就可能导致计量数据丢失。此外，分体式电能表还有抗干扰

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能力差的弱点。随着电子技术的进一步发展，分体式电能表的各项性能逐步完善。分体式电能表已经逐步广泛应用。在国外，分体式电能表的发展非常快，欧洲许多国家已经停止感应式电能表的使用，更多使用分体式电能表。

在我国，随着电力生产对电能表的要求愈来愈高，分体式电能表渐渐地得到广泛的应用。分体式单相电能表的主要技术指标和单块电子式电能表相当，而功能比单表强，性能价格比高于单表。功能全、性能价格比高的特点，使分体式电能表具有很大的市场潜力。

1.3本文的主要研究内容

本文主要介绍了电能表技术发展和应用的现状，结合我国的国情研究设计了一种分体式单相电能表。它以微处理器为核心，通过adc7755，实现对电能的测量以及显示，采用PIC系列单片机设计了分体式单相电能表的数据处理系统，并通过RS485总线实现与外界的通信及信息传输。系统分为刷卡端和计量端，负责识别卡类型、显示是刷卡端，通过rs485连接多个计量端。负责对电能的计量的是计量端。

1.4本课题的主要研究意义

在我国目前使用的电能表中，机械式电能表功耗较多、体积较大、功能单一，人工抄表需要大量的人力物力。

分体式电能表在预付费电能表中的应用，大大增强了预付费电能表的抗攻击性能。采用分体式预付费电能表，主表可以安装在电线杆或者计量箱等用户较难接触到的位置，增加用户对电能表本体进行攻击的难度，从而降低用户对电能表的接线进行篡改或者对电能表薄弱部分进行攻击的可能性，增强主表的安全性。在窃电情况日益严重的今天，分体式电能表是一种简单有效的防窃电手段，开发和应用集多表位于一体的、多用户多功能组合式新型电能表具有重要意义。

分体式单相电表具有以下特点：

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1. 数字显示：LCD轮询显示剩余电量和累计用电量，清晰直观，操作户内表的按钮可以显示所有主表信息。

2. 防窃电：计量部分安装在户外用户不能直接接触到的地方，防窃电效果好。

3. 过电流保护：负载电流超过电表所允许的最大电流时，电表自动断电保护。

4. 显示单元可作为独立的功能模块，当本体失效时不会影响主表的功能；

5. 具有独立的IC卡口，实现了预付费功能，装电和抄表更加方便，而且可以鉴别卡的类型和用户；

6. 具有远程通讯接口，采用RS485进行通信，户外表安装在高处，而户内表安放于人们方便的地方，用户可以很方便的查看自己的用电信息，当出现故障时，可以及时的修理检测；

针对这些明显的特点，把目前分散计量的电能表数据通过单片机进行集中采集处理，研究设计了一种适合我国城镇居民用电计量的分体式单相电能表，它由ADE7755来测量各用户的用电量，采用PIC单片机处理数据。同时实现对对24户用电量同时计量并显示。另外使用RS485通信将电参数远传，并且采用IC 卡，实现了预付费功能，方便了人们的生活。在电子式电能表日益成为市场主流的今天，它将有很好的推广应用前景。

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第二章电能表总体电路设计及功能

2.1电能表总体设计

分体式单相电能表主要由两部分组成，刷卡端和计量端。

计量端以微处理器为核心，通过集成电路ade7755，实现对电能的测量以及显示，刷卡端主要由IC卡电路和显示单元组成，识别卡的类型并显示。在刷卡端和计量端之间，通过RS485总线实现与的通信及信息传输。

图2-1 分体式单相电能表总体结构图

2.2 电能表功能

在上述电路图中，实现的主要功能有：

1. 电能计量功能:电能计量功能对24户用电量同时计量，其中包括累计计量和实时计量。累计计量可实现对24个用户电能的消耗量进行累计计量，而实时计量则随时记录每个用户的用电量。

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2. 显示功能：在户内部分中，对24用户的用电量显示。

3. 采用RS485通信，将刷卡端和计量端连接起来，进行数据传输。

4. 接触式IC卡单元：实现预付费功能。采用射频卡。实现先买电，后用电，当电量不足时断电报警，通知用户买电。电量用尽时，自动实现断电功能。

5. 防窃电：计量端安装在户外用户不能直接接触到的地方，防窃电效果好。

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第三章电能表各部分硬件设计

分体式单相电能表采用轮询显示的查询方式，用ADE7755对每个用户进行电能计量，并由PIC单片机进行数据处理。分体式单相电能表可实现对24户用电量同时计量并显示。数据处理由PIC单片机和其扩展电路来完成，实现计数和累加、控制显示单元等处理任务。另外，采用RS485进行远传通信，连接多个计量端。刷卡端识别卡的类型、显示等。

3.1计量端部分硬件设计

计量端部分的硬件设计包括电源电路设计、计量部分电路设计、单片机电路设计、显示单元电路设计、继电器电路设计。

3.1.1 电源电路硬件设计

本电能表的供电方式如图3-1所示，主电源从电网中引进，经过变压器后，降低电压，然后经过整流电路，使交流电流变为直流电路。经过整流电路后，然后通过滤波电路，这大大降低了输出电压中的纹波，并且尽量保留了其中的直流成分，使输出电压更加平滑，接近直流电压。由于滤波整流电路的输出电压是不稳定的，它随着输入电压或负载的变化而变化，因此，必须通过稳压电路来进行稳压。以78L05为主要芯片构成了三端电源稳压电路，它具有以下几个特点：

（1）最大输出电流为1.5A

（2）输出电压为5V

（3）具有热过载保护和短路保护

（4）输出晶体管安全工作区保护

78L05虽然是按固定电压来设计的，但是接入适当的外部器件后，就能获得不同的电压和电流。电源电路如图3-1所示：

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在电路图中，电源电路分为3个部分，分别是电能计量部分电源电路、PIC 单片机电源电路和RS485通信电源电路。电源电路部分为整个电能表的运行提供能量。

电源电路包括四个部分，通过变压器，使220v的电压降到所需要的电压，然后经过整流电路，使交流电流变为直流电流。然后再分别经过稳压电路和滤波电路，使电压稳定并且滤过电流中的交流部分，得到+5V的直流电源。

图3-1 电源电路

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3.1.2计量部分硬件设计

电能表就是用来测量用户用电量多少的仪器。感应式电能表和分体式电能表在测量用户用电量多少上的原理是不同的。但是，它们测量的基础上却是一样的，都是等于电功率（P ）乘以时间（T ）。

我国的额定电压为220V ，额定频率为50HZ 。假设在任意一段时间内，用电设备两端额定电压和额定电流分别为下面公式所示：

()sin()sin()m U t U wt wt == （2-1）

()sin()sin()m I t I wt wt φφ=-=- （2-2）

在电路课本中我们知道，设备两端有功功率为功率P=IUCOSφ，

则，用电设备在一个周期内所用的电能为:

()0cos T

t W p dt TUI φ==? （2-3） 由于在实际生活中，我们无法准确地测得一个周期内用电设备两端的电压和电流有效值，相位差更是没有办法测量，所以上面的公式只能在理论中应用，在实际测量中无法实践。

另外，还有一种传统的感应式电能表，它的原理是在金属铝转盘中产生的感应的电流，这个电流与线圈产生磁场相互作用，这个动力来推动铝盘旋转，以此来计算所消耗的电能。但是，它的缺点过多，比如易失真、精确度不足，而且由于摩擦阻力，会使计量单元出现极大的偏差。长时间后，甚至对电能计量电路造成毁灭性的灾难。

以上两种计量方法，由于都存在着严重不足，因此都被放弃了。

另外电能的测量方法有以下两种：

第一种是由一个A/D 转换器和CPU 来完成的，用户的电压和电流信号通过采样保持器来采集，并且通过A/D 转换器来转化为数字信号。PIC 单片机对数字信号进行运算求得瞬时功率。但这种方法其可靠性难以保证。

另一种方法是用ADE7755来进行电能计量，ADE7755和少量的外围器件电；路形成电能测量电路。每个用户的测量结果以一定频率的脉冲方式输送到PIC单片机系统集中处理。

在分体式单相电能表中，电能计量部分主要是由ADE7755芯片来完成的，下面介绍测量原理。ADE7755芯片是由ＡＤ公司生产的，与原有的同系列AD7755相比，其芯片引脚较少，采用单+5V电源供电、低功耗的CMOS芯片。具有量程宽(负载能力可达4-6倍)，精度高，内部具有掉电、上电自动复位电路等性能优点。当发生短路、开路和旁路的情况时，除了具有输出指示外，还能以原精度继续计量。它是一种高准确度的电能计量芯片。与其他计量芯片比较，ADE7755具有采用低成本、低功耗、上电自动复位电路等优点。此外，它只在A/D转换电路和基准源中使用模拟电路，所有的其它信号处理(如相乘、滤波等)都使用了数字电路，有效的去除了尖脉冲等干扰信号，使得ADE7755在恶劣的环境能保持极高的准确度和长期稳定性。当电路发生短路等故障时，还可以继续计量，而精确度则保持不变。在ADE7755中，低频频率从F1和F2两个引脚输出，高频频率从CF管脚输出。能用于仪表校验或与MCU接口。逻辑输出REVP 能指示负功率或错线。电流通道中的可编程增益放大器(PGA)使仪表能使用小阻值的分流电阻。内部包含一个对A Vdd电源引脚的监控电路，在Avdd上升到4V之前，ADE7755一直保持在复位状态;当A Vdd下降到4V以下，ADE7755也被复位，此时Fl,F2和CF都没有输出。无论电流通道的HPF接通或断开，ADE7755的内部相位匹配电路使得电压和电流通道的相位始终匹配。另外，ADE7755内部的空载阐值特性保证了它在空载时没有潜动。

ADE7755芯片有24个引脚，采取DIP和SSOP两种封装形式，ADE7755的引脚的基本功能介绍如下:

1. DVdd引脚:电路电源引脚，电源电压为5V士5%;

2.复位引脚:当为逻辑低电平时，具有复位功能，使ADC和数字电路复位;

3. NC引脚:未接任何电路;

4. REFIN/OUT引脚:可接外部电源;

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5. SCF引脚:行使校准功能;

6.A Vdd引脚：为模拟电路提供电源;

7，8. VIP、V l N引脚:将电流以模拟信号的形式输入，具有最大差动输入电压;

9．AGND引脚:接地端;

10．CF引脚:此引脚的作用是输出校准频率;

11，12. S1,S0引脚:具有转换频率的功能;

13，14. Gl、GO引脚:能增加通道1的增益;

15，16. CLKIN,CLKOUT引脚:外接时钟电路，随时断电;

17. REVP:逻辑转换引脚，当电压和电流之间的信号相位大于或等于90度时，转变为逻辑高状态;

18. AC/DC引脚：当为逻辑高电平时，发挥滤过高电平的作用

19，20. V2N、V2P引脚:将模拟信号输入通道2，具有最大差动输入电压;

21.DGND引脚:数字电路接地端;

22，23. F2,Fl引脚:输出低频信号。

模拟和数字电路两部分电路构成了ADE7755芯片的内部结构。当ADE7755接收被测电压、电流后，被测电流经过放大器后，再经过A/DC转换为对应的数字信号，而被测电压则转化为相应的数字信号。被测电压、电流转换为数字量后，接下来的信号处理都由数字电路实现，包括相位校正电路、高通滤波器、乘法器、低通滤波器和数字/频率转换器等。ADE7755内有两个以900kHz过采样速率采样的16位2阶∑-?A/D转换器。被测电流经可编程增益放大器(PGA)放大后接电流通道的A/DC，并由此A/DC转换为对应的数字信号。再经相位校正和高通滤波，进入乘法器。乘法器的另一路输入是由电压通道A/DC转换而来的与被测电压对应的数字信号。两者的乘机则为瞬时功率。计算得出的有功功率经过低通滤波器，将其中的交流分量除去，剩下的则为瞬时有功功率。ADE7755中的存储器将瞬时有功功率进行累积，并求出平均值，即为平均有功功率，有功

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功率从F1、F2，2个管脚输出，由外接的计量器存储相应的电能。同时，ADE7755还累积瞬时有功功率，计算并得到与瞬时有功功率成正比的高频频率，由CF引脚输出送入PIC单片机中。

图3-2 ADE7755芯片

单用户电能测量电路主要有电压和电流检测电路、ADE7755芯片和其外围电路组成。

电能计量电路主要工作原理是，首先被测电流经过传感器，再经过放大器后，经过滤波电路滤掉其中的直流成分。再经过A/DC转换为对应的数字信号，送到ADE7755的电流计量管脚，即VIP管脚和VIN管脚。而被测电压则转化为相应的数字信号，送到ADE7755的V2P和V2N端口。两者的乘积即为有功功率。ADE7755中的存储器将瞬时有功功率进行累积，并求出平均值，即为平均有功功率，有功功率从F1、F2，2个管脚输出，由外接的计量器存储相应的电能。同时，ADE7755还累积瞬时有功功率，计算并得到与瞬时有功功率成正比的高频频率，由CF引脚输出送入PIC单片机中。

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图3-3 电能脉冲的采集电路

电能脉冲还需要进行整形和分频。

电能脉冲经过TLP521-1后，一般情况下，电能脉冲都是用中断方式来处理的。就是把脉冲信号线送入单片机的外部中断引脚，中断程序通过脉冲的上升沿或下降来启动，以此来计数。而分体式单相电能表，有24个用户的电能脉冲需要检测，而所采用的PIC单片机只有18个中断源。另外当用电量较大时，脉冲频率加快，有可能导致PIC单片机丢失脉冲信号。对于这个问题，对脉冲的检测方法是:查询方式采用总线查询，然后通检测是通过电平来完成。电能脉冲通过74HC74，作用是进行二分频，这样做的目的是对脉冲进行整形;并且延长电平保

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持时间，以此来满足PIC 单片机对对脉冲检测的要求，然后送入PIC 单片机进行处理。

D 正边沿触发器

BQ

T>0.25 s T>0.25 s

图3-4 电能脉冲的分频和整形

3.1.3单片机单元设计

分体式单相电能表使用的是PIC 单片机，它主要完成对数据的处理，并且控制显示电路和其他电路。

PIC 单片机是美国微芯公司所生产的单片机型号。PIC16F946-I/PT 单片机是率先采用RISC 结构的微处理器。，它具有指令单字节化、低功耗、寻址方式简单和驱动能力强的特点。PIC16F946-I/PT 除了具有PIC 单片机所有特点外，它片内还带有64、128或256字节的EEPROM 数据存储器，另外其他程序存储器也不是传统的OPT 型，而是Flash 型存储器。可实现直接在电路板上擦/写程序。在这里PIC16F946-I/PT 单片机主要任务是处理ADE7755上传来的脉冲信号，并且将其计算，储存和显示。

下面先来介绍PIC16F946-I/PT 芯片：

1.MCLR/V pp 管脚：复位输入端/编程电压输入管脚。当电平为低电平时，MCLR 管脚实行复位功能。

2. OSC1/CLKIN 管脚：时钟振荡器晶体连接端口/外部时钟输入端

3. OSC2/CLKOUT 管脚：时钟振荡器晶体连接端，时钟信号输出端。

4. RA0~RA5管脚：RA 是一个输入/输出可编程双向6线端口。此外还有第2，第3功能。

5. RB0~RB7管脚：RB是一个输入/ 输出可编程双向端口；做输入时内部有可编程弱上拉电路。此外还有第2，第3功能。

6. RC0~RC7管脚：RC是一个输入/输出可编程双向端口。此外还有第2，第3功能。此外还有第2，第3功能。

7. RD0~RD7管脚：RD是一个输入/输出可编程双向端口。此外全部管脚都具有第2功能。

8. RE0~RE2管脚：RE是一个输入/输出可编程3线双向端口。此外全部管脚都具有第2、第3功能。

9. VSS管脚：接地端。

10. VDD管脚：正电源端。

PIC16F946单片机是分体式单相电能表的关键部分，它的主要功能是接收用ADE7755的脉冲信号，然后对脉冲信号进行处理、存储。显示信息后再对外输出结果。

图3-5 PIC16F946芯片的管脚图

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