基于單片機(jī)的數(shù)字電能表的設(shè)計

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)大大加快了社會文明的進(jìn)步。但在社會不斷發(fā)展的情況下，電子產(chǎn)品越來越多，人們對電能的需求出現(xiàn)了矛盾。為了將這一根本矛盾緩解，可以采用分時計費(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，對數(shù)字電能表進(jìn)行設(shè)計。該電能表可以對家用220V的電器所用電量進(jìn)行采集并計算，通過單片機(jī)將不同時段的用電量分別計費(fèi)，同時大大提高了電能計量裝置的可靠性，將用電進(jìn)行了科學(xué)化和自動化的管理。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 數(shù)字電能表 設(shè)計

1 系統(tǒng)工作原理

當(dāng)今電力自動化的程度逐漸提高，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)峰谷電價不同的需要，分時數(shù)字電能表產(chǎn)生了。它可以分別計量峰，谷，平三個時段的用電量，對不同時間的用電量采取不同的計價方式，發(fā)揮電價調(diào)節(jié)的作用，將電力資源進(jìn)行合理的應(yīng)用。數(shù)字電表分為電能計量模塊和電能數(shù)據(jù)處理及通訊模塊這兩個方面。電能計量模塊是通過使用電能計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

本文設(shè)計的基于單片機(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，如電表對性的接口有較高的要求，而且計算任務(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，功率同時測得。電能表作為一個獨(dú)立的電能計量系統(tǒng)，不僅需要對結(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量系統(tǒng)。另外，在整個電能計量系統(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)計與調(diào)試，然后進(jìn)行總體的調(diào)試。

2.2 顯示電路設(shè)計

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 時鐘電路設(shè)計

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

2.4 停電抄表電路模塊設(shè)計

本設(shè)計中為了保證停電時系統(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，可以通過按鍵將系統(tǒng)中斷喚醒，數(shù)字就會顯示在液晶屏上。停電時與正常供電時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電路的輸出端。在正常供電的時候由于二極管不可以反響導(dǎo)電而被切斷供電；在停電時，開關(guān)電源的輸出電壓為0，在二極管正向?qū)ê?，電池供電電路就將會向系統(tǒng)供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

C語言在單片機(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復(fù)雜的匯編語言程序。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)時讀取電能計量模塊輸出的脈沖信號，并對產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行累計，以3200個脈沖為1kWh進(jìn)行電量的計量，并通過液晶顯示屏顯示出來。本設(shè)計通過多次的實(shí)驗(yàn)，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，計量產(chǎn)生的結(jié)果精確，達(dá)到了設(shè)計的要求。

4 結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn)

[1]汪國林.基于MSP430的數(shù)字電能表的設(shè)計技術(shù)研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2004.

[2]劉洪利.智能型復(fù)費(fèi)率數(shù)字電能表的設(shè)計[J].上海電力學(xué)院學(xué)報，2005，21（03）：241-243.

[3]孟祥宇.基于單片機(jī)的數(shù)字電能表設(shè)計[J].中國科技博覽，2013（28）：21-22.

[4]馬忠梅.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計[J].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013：46-46.