论文总字数：9386字

摘 要

本系统设计了一种以STC89C51为控制核心，将交流电压互感器TV1005M和交流电流互感器TA1005M监测到的交流电压和电流信号通过AD转换器PCF8591将电流和电压模拟量转化为数字量，用STC89C51计算出功率值，并且在LCD1602显示模块上进行显示。当电能超过设置的功率阈值，蜂鸣器报警并且通过继电器断开负载，以实现对人们进行的安全保护。该仪表针对应用场合经过测试，系统稳定、方便、可靠，具有很强的使用价值。

关键词：STC89C51嵌入式，LCD1602，智能控制

Abstract: This system is designed with STC89C51 as the control core. The AC voltage and current signals monitored by AC voltage transformer TV1005M and AC current transformer TA1005M are converted into digital quantities by AD converter PCF8591, using STC89C51. The power value is calculated and displayed on the LCD 1602 display module. When the electrical energy exceeds the set power threshold, the buzzer alarms and disconnects the load through the relay to achieve safety protection for people. The instrument has been tested for the application, the system is stable, convenient, reliable and has a strong use value.

Keywords: STC89C51 embedded,intelligent control, LCD1602

1 绪论

1.1国外电动汽车充电桩电能表发展现状

在美国，近年来，联邦政府对联合研究机构和汽车制造商一直进行着研究，并投资了一系列电动汽车充电基础设施规划项目，电动汽车行业。实际上已进入初步商业化流程。到目前为止，电动汽车充电站在美国基本上都有分布，其数量相对集中在加利福尼亚州，伊利诺伊州和纽约州。电动汽车充电站的分布主要与室外或室内停车场的安装有关，停车和充电的一体化是未来美国的主要发展方向^[1]。

欧盟已设立专项资金，帮助发展汽车公司共同参与建设。根据欧盟《替代能源基础设施建设指令》的要求，各国正在积极发展其充电基础设施。^[14]除欧盟成员国开发电动汽车充电系统外，欧盟还鼓励汽车制造商和能源公司共同合作开发电动汽车的公共充电基础设施。与此同时，福特，大众，宝马和戴姆勒计划在欧洲主要高速公路上安装电动汽车充电站。

日本的充电基础设施主要由两个主要参与者组成： 一是CHA deMO，由许许多多第三方认证的充电设备制造商组成。其二是NCS，由丰田，日产，三菱等汽车制造商资助，旨在为其提供更便捷，更高效的电动汽车充电网络。在这种模式下，NCS将承担充电设施的建设和运营成本（电费，运营成本），汽车制造商将成为购买者，并在某种意义上享受充值服务。

图1-1 国外电动汽车充电桩发展情况

1.2国内电动汽车充电桩电能表发展现状

根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟数据，截至2018年11月，联盟内成员单位总计上报公共类充电桩289724台，其中交流充电桩180935台、直流充电桩108251台、交直流一体充电桩538台。我们假设2018年12月份数据为前面11个月的平均数，那么2018年年末中国充电桩数量能达到310000桩，这一数字较2017年大约增加100000桩。其主要原因为：2018年中国新能源汽车增长迅速，11份月累计销售16.93万辆，前11个月累计销量达102.98万辆，突破百万辆大关^[2]。

图1-2 2015年~2018年国内充电桩占比分布（单位：百分比）

1.3选题研究目的和意义

现代社会中，电能是最常用最为常见的二次能源。经过数十年的发展，电动汽车以其无与伦比的环保和便捷正逐渐替代燃油车，成为下一代绿色出行的标配。为电动汽车提供能源的是充电桩。充电桩顾名思义就是为电动汽车提供能源的装置，其多采用市政220v交流电源作为供电方式^[11]，可固定在任意平整的墙面或者空地上。输出端有充电插口，将其直接连接到电动汽车的充电插口上即可为电动车进行充电。而作为充电桩最核心的电能表，将成为未来广泛需求的部分。故需要设计一种应用在电动汽车充电桩上的电能表。为了能够解决制约电动汽车充电桩发展所面临的一些问题，设计出一款操作方便、功能强大可靠稳定、使用快捷、实用性强的电动汽车充电桩电能表。

2电动汽车充电桩电能表总体框架设计

2.1整体介绍

本设计以STC89C51芯片为控制核心，交流电压互感器TV1005M和交流电流互感器TA1005M为电流电压信息采集的数据来源，通过51单片机来控制AD转换电路PCF8591采集数据。用LCD1602显示，制作一个基于STC89C51单片机的充电电能检测查看和控制系统。成功实现了方便控制、简单控制而且系统稳定方便，对于电动汽车充电桩电能表人性化设计有着不可替代的作用。

2.2系统设计方案

根据本设计要求，系统主要包括了STC89C52单片机电路 交流电压互感器TV1005M电路 交流电流互感器TA1005M 继电器电路 AD转换PCF8591电路 LCD1602液晶显示电路 蜂鸣器电路 电源电路。系统的整体框图如图所示

图2-1 整体设计框图

本设计可将交流电压、交流电流、和功率值实时显示在液晶1602上，如果交流功率超过200W，则继电器断开（继电器默认闭合），同时，蜂鸣器鸣叫报警。如果交流功率低于200W，则继电器闭合，蜂鸣器不鸣叫^[3]。

其中核心控制芯片采用51单片机大大提高了系统的稳定性和处理速度。LCD显示模块采用可显示数字和字母的LCD1602让人感觉更加贴近生活；数据采集部分采用各类市场上常见的AD转换模块，资源丰富。整个系统设计经过多次测试稳定性可靠，各个模块之前相互协调工作。

3硬件各主要部分的选择与分析

3.1 A/D采样芯片的选择与分析

图3-1PCF8591芯片

本设计采用PCF8591芯片。本系统选择PCF8591作为A/D采样芯片。PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I²C总线接口。PCF8591的三个地址引脚A0，A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同一I2C总线上访问八个PCF8591器件而无需额外的硬件。 PCF8591上的地址，控制和输入和输出信号通过双向I2C总线串行传递^[4]。

3.2 控制系统微处理器研究

在设计的过程中，尝试了用多个微处理器作为控制核心。一是用了网上比较常见的STM32F407单片机。在运用该控制芯片时出现了很多问题比如，由于STM32F407单片机没有内部AD模块，需要单独连接AD芯片这样会占用太多的资源。二是选择价格昂贵性能优越的QG8单片机作为系统的核心模块。这个芯片体积小，内部资源丰富，并且解决了很问题。但是运用飞思卡尔半导体公司的QG8单片机时成本太高而且开放难度太大网上资源比较少。但是运用STC公司的单片机STC12C5A16S2却可以解决上面的矛盾使得系统更可靠。整体能力和运用思卡尔半导体公司的QG8单片机设计的硬件系统几乎一样，更重要的是价格便宜系统稳定，方便以后推广应用。这样更有一定的显示意义和很大的使用价值，为本设计的市场化打下了良好的基础^[5]。

3.3 5V电源电路的选择与分析

图3-1 电源电路原理图

本系统选择5V直流电源作为系统总电源，为整个系统供电，电路简单、稳定。DC为电源的DC插座，可以直接接USB电源线，一端插在DC插座上，另外一端可以插在5V电源上，如电脑USB、充电宝、手机充电器等等。LED为红色LED灯，作为系统是否有点的指示灯，电阻为1K电阻，起到限流作用，保护LED灯，以防电流过大烧坏LED灯。SW为自锁开关，开关按下后，红灯亮，此时系统电源5V直流输出。开关再次按下后，红灯灭，此时系统电源无5V电源输出。

3.4 LCD1602显示模块设计

LCD屏幕显示方式分为字段和字符显示两种。用来显示充电电压、电流、电能等。字段显示类似于LED显示，只要相应的信号被发送到相应的引脚即可。 字符显示必须显示必要的基本字符。 此设计使用字符显示。 LCD 1602用作系统中显示设备的输出信息。 与传统的LED数码管显示器相比，LCD模块具有以下优点：占地面积小，功耗低，显示内容丰富等，并且不需要外部驱动电路。LCD1602可以显示2行共计16个汉字。在开机时液晶先初始化各个部分，等待传感器初始化结束后，液晶会显示当前充电的电压、电流、电能等状况。

图3-2 LCD1602液晶显示电路原理图

3.5蜂鸣器报警电路（低电平有效）设计

有源蜂鸣器是一种集成化的电子蜂鸣器，由直流电压供电，广泛应用于电子产品，如电脑，打印机，复印机，报警器，电子玩具，汽车电子，电话，定时器等。本系统使用的报警模块为5 V有源环模块，如图3-3 所示：电路由三极管9012控制。只要MCU控制引脚为低电平，报警就会触发报警，否则不会被激活，R5电阻是用于保护的限流电阻。

图3-3 蜂鸣器报警电路原理图

3.6 TV、TA-1005-1M交流电压电流互感器模块电路设计

交流电流电压互感器模块通过交流变压器和交流互感器检测交流电压和交流电，并通过5V继电器电路负责通断。本次选用的交流电压互感器型号为TV1005M，交流电流互感器型号为TA1005M。

交流电压电流互感器内部结构原理如下图所示。采用了D1、D2作为二极管的单向导电性，从而使得输入的220V交流电压转换为直流电压，再将其通过电容进行滤波，使得波形更加平滑。转换过后的直流电压经过两个分压电阻R2和R3，将原来为模拟量的直流电压转换为可读取的电压信号。R6电阻和LED共同组合为指示灯模块，R6电阻起到一个限流保护作用。220V交流电从J1端口输入，RL1是一个继电器，5V电压驱动，和屏幕共用，原来当继电器吸合时，屏幕亮度会有一个明显的下跌，因此对接入的5V电源的稳定性有一些要求，但单片机能够驱动的电流有限，因此此处为了保护单片机，加入了一个9012三极管对RL1进行辅助驱动，但当RL1继电器吸合或者断开时，产生反向的感应电动势会反过来损伤9012三极管，这里又用到了二极管的单向导电性，通过加装的1N4007二极管将感应电动势消除，这样可以起到一个保护三极管的作用。当继电器闭合时，LED1亮，反之，熄灭。设置LED1的目的是为了能够直观的看到继电器的吸合状况。与上面一样，其也带有一个限流电阻R5以保护LED。继电器的吸合与否由RY1来控制，当RY1为高电平时，继电器吸合，反之则松开。

图3-4 交流电压电流模块原理图

4程序设计分析

4.1主程序设计

系统主程序的总体结构如图3-1所示。系统的主程序开始以后，首先是对系统环境初始化，包括设置定时器、A/D转换，LCD1602初始化；然后LCD显示屏进入开机状态，显示开机信息（LCD_log），转入正常的显示，并接收数据，每次显示两串字符。接着由于单片机没有停机指令，所以可以设置系统程序不断地循环执行数据信息显示。

根据总体结构，可将程序划分为几个功能化模块：显示子程序、定时器程序、i2c总线、A/D转换。各个模块可进行独立设计、调试和查错，最终再连接成一个整体。

图4-1 程序流程图

4.2AD转换器部分分析

首先，先发送起始条件的数据信号，当起始条件建立时间大于4.7us,延时。再使用字节数据传送函数将将数据c发送出去,可以是地址,也可以是数据,发完后等待应答,并对此状态位进行操作。8位数据发送完后释放数据线，准备接收应答位。再使用字节数据传送函数接收从器件传来的数据，并判断总线是否发送应答信号。读取A/D转值程序后向无子地址器件发送字节数据函数。从启动总线到发送地址和数据，结束总线的全过程。

4.3 LCD1602显示程序分析

首先，将LCD1602进行初始化，使用DispStr函数，计算字符串有效字符的个数，让液晶从某个位置起连续显示一个字符串。再通过DispNchar函数，让液晶从某个位置起连续显示N个字符。这一系列操作是通过LocateXY向液晶输入显示字符位置的坐标信息而实现的。最后等待1602液晶完成内部操作，将P4口切换为输出状态，流程结束。

5系统设计结果与调试

5.1系统设计结果分析

LCD1602液晶模块是测量数据显示是否准确的重要部分，打开电路板的总开关时液晶先初始化，之后会相继显示电流电压以及电能的数据。这时蜂鸣器会报警告诉数据已经在液晶显示屏上面全部打印出来，数据一方面在LCD1602上面打印出来，另一方面通过引脚传输到STC89C52控制核心中，当电能表显示的电能达到预设值时，STC89C52控制继电器将用电器断开，系统停止运行，可以按复位键重新开始流程。经过多次测试，系统可以运行，达到预期的期望^[6]。

5.2实物演示说明

图5-1 实物说明

首先我们按下电源键，可以看到此刻LCD上显示当前交流电压电流模块采集到的电压和电流信息为0，因为交流电压电流信息采集模块此刻还没有接入220V，用电器也没有开启，因而为0。

接通220V，未打开用电器，此刻可以看到LCD开始显示实时采集到的电压数据，电压偶有波动也正常，基本是在220V左右。

此时将电吹风推到将开未开的程度，用来模拟电动汽车充电。可以看到电流一下上去了，电功率此时也开始波动。但未达到预设值，所以未触发报警。

再将电吹风开到2档，此刻电流急剧上升，超过预设的值，继电器断开，黄色LED熄灭，同时蜂鸣器开始鸣叫。

5.3出现的问题

在实现液晶数据显示时，有时候会出现显示乱码，经过多次测试发现是由于数据位数已经数据格式造成的；例如当数据为4位十进制数据时如果用3位限制显示就会出现乱码，如果是字符串格式数据用十进制标准打印到液晶显示时会出现显示数据错误。为了能够使得传感器数据测量的真实性能够显示出来，设置了其测量数据格式数据位数与打印的格式和位数完全一样。

第二个问题是数据按照一定的通信协议通过串口传送到服务器时出现显示错误，经过多次调整和调试，发现当接收端数据和发射数据不同步时会出现这种情况，最后调整为发射和接受间隔都为1S间隔。本系统设计还有许多问题有待改进。比如由于本设计采用的是LCD1602液晶作为显示模块，其中电流太大功耗也比较多，当继电器吸合时液晶屏幕会有一个明显的亮度下降。下一步打算通过更换更加节能的OLED显示屏来改进这一问题，这样一来可以通过更换屏幕显示原理，从而达到节省更多电量的目的，使得本系统的使用寿命更长。第二个就是在原来的基础上添加语音模块，如果家中有老人就使用本系统就会带来很大的不方便性，因为LCD1602屏幕显示对比度堪忧，且漏光严重，长时间盯着看很伤眼睛。所以，当添加语音模块之后，一方面可以通过液晶显示屏显示数据，另一方面可以通过语音播报系统把当前电动汽车充电的一些情况播报出来，这样就实现了老人也能很轻松自如的了解充电的所有情况，是非常具有人性化的设计。第二个问题就是数据传输方面，为了让身在任何地方的你都能看到充电中的情况，势必要在其中加入无线网络传输数据的功能。为了解决这个问题可以通过NRF24L01 2.4G无线模块将数据传输到家用主机甚至是服务器中，这样不管你人在什么地方都可以通过电脑访问，或者通过手机查询、控制使用情况，使其更加方便和人性化。

结 论

这次设计是我大学的毕业设计也是我大学四年来成果的结晶，我从中学到了很多，比如硬件方面一些最基本常用的电路，通过理论与实践的结合，我学会了通过需要来设计完成电路，其中对于STC89C52单片机的学习，我从中花费了将近一个月的时间去完成它，之前LCD1602液晶显示模块一直显示不正常，有时候显示不到数据。经过多次的上网查资料以及问同学问老师，最终解决了问题。在传感器与程序设计方面也走了不少的弯路。其实这些都是学的不精的问题，只有把每一种用到的知识都懂了，也就不是问题了。比如C语言等这些最常见的都是要懂的，单片机编程这块也非常重要，特别是在各部分协同运行中，我要设置一定的启动顺序来完成数据的处理和显示。这样电流、电压互感器采集到的数据就可以传输到STC89C52中以控制和接收。通过这次的毕业设计我深切的体会到了技术的重要性，电路设计和编程方面，在以后不管是工作和学习中要有一种严谨踏实的工作作风，做什么事情都不能有半点马虎。更重要的是要有一定的耐心，特别是在编程方面，如果没有一定的耐心是很难完成程序的。另一方面就是做技术要有耐心和信心，不要遇到什么困难就放弃这样是永远做不好的，同时还要有信心，不要对自己的能力产生怀疑。总之这次毕业设计不仅仅是毕业设计它也告诉了我很多东西，让我的大学四年画上了圆满的句号。

参 考 文 献

[1]马震.多功能智能电表设计[D].安徽：安徽理工大学，2018:24.

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