摘 要

随着我国国民经济的高速发展，用电量逐年增加，为电网运行的稳定性带来了诸多不利因素。国家采取用电分时计费的政策，以达到削峰填谷，平衡电网电力负荷的目的。单一电价计费的电能表已经被分时计费电能表大规模取代了。随着单片机技术发展的日益成熟，数字电能表的生产厂家常常选择以单片机为主控芯片，是因为单片机价格低廉、可靠性高、运行稳定、抗干扰能力强等优点，但功能更多、使用更方便的数字电能表还有待研发。

本次基于AT89C51单片机的数字电能表设计系统，旨在实现家庭不同时段用电分时计费、电费总额LCD显示、实时计时、电费单价键盘调整等功能。本设计硬件外围电路采用模块化设计，其中电源模块为整个数字电能表系统提供了稳定的5V工作电源；DS1302时钟芯片能为单片机提供与外界同步的精确时钟信息；利用4×4矩阵键盘，能够对单价进行调整和对总价进行清零；利用ACS712霍尔电流传感器和AD736真有效值转换器对被测交流的进行检测得到模拟电流有效值信号；利用电阻对5V电源分压得到模拟电压信号；在模拟电流和模拟电压信号送至A/D模块后，ADC0832模数转换芯片进行A/D转换得到与模拟信号大小成特定比例的数字信号送给单片机处理；LCD1602模块将不同时段电费单价、精确时钟信息、电费总额等进行显示；AT24C02存储芯片不断将电费的总价、单价信息送给单片机。电费总价的计算由软件程序实现。

关键词：数字电能表；AT89C51；分时计费；模块化设计

abstract

With the rapid development of China's national economy, the increase in electricity consumption has brought many unfavorable factors to the stability of power grid operation. The state adopts the policy of time-sharing with electricity to achieve the purpose of cutting the peaks and filling the valley and balancing the power load of the grid. A single electricity billing meter has been replaced by a time-sharing meter. With the development of single-chip technology, digital power meter manufacturers often choose to use single-chip microcomputer as the main control chip, because the single-chip microcomputer of the low price, high reliability, stable operation, strong anti-interference ability, etc. but with more functions and use. More convenient digital energy meters are yet to be developed.

This design is based on the single-phase digital energy meter design of AT89C51 single-chip microcomputer, which can realize household electricity-time time-based billing, and display the electricity consumption data through LCD1602. The peripheral circuit of the design hardware adopts modular design, in which the DS1302 clock chip can send real-time time to the single-chip microcomputer; using the 4×4 matrix keyboard, the unit price can be adjusted and the total price can be cleared; the resistor divider and Hall are utilized. The current sensor samples the voltage and current respectively; the ADC0832 analog-to-digital conversion chip sends the collected data to the single-chip microcomputer; the power module provides a stable power supply for the entire smart meter; the LCD1602 module provides the user with clear, real-time power information, real-time The time; AT24C02 memory chip continuously sends the total price and unit price information of the electricity bill to the single chip microcomputer. The calculation of the total price of electricity is implemented by a software program. Under the core control of the single-chip microcomputer, the digital energy meter energy metering and data communication functions are realized.

keywords:Digital electric energy meter;AT89C51;Time-sharing billing;Modular design

目 录

摘 要 Ⅰ

abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 电能表的介绍 1

1.2 电能表的发展历程及国内外发展现状 1

1.3 课题研究内容 2

第2章 电能计量原理与数字电能表工作原理 3

2.1 电能计量原理 3

2.2 数字电能表工作原理 3

第3章 数字电能表的总体设计方案 5

3.1 总体方案框图 5

3.2 各硬件模块功能 5

第4章 系统硬件设计 7

4.1 电源模块 7

4.2 AT89C51单片机 8

4.2.1 AT89C51主要特性 8

4.2.2 AT89C51管脚说明 8

4.2.3 单片机最小系统图 9

4.3 电流检测模块 10

4.3.1 ACS712、AD736芯片 10

4.3.2 电流检测电路 11

4.4 电压检测模块 12

4.5 A/D转换模块 13

4.5.1 ADC0832芯片简介 13

4.5.2 A/D转换模块 14

4.6 LCD显示模块 15

4.6.1 LCD1602的主要特点 15

4.6.2 LCD1602引脚功能说明 15

4.6.3 LCD1602与单片机的接线图 16

4.7 时钟模块 16

4.7.1 DS1302的主要特点 17

4.7.2 DS1302的引脚排列及功能说明 17

4.7.3 DS1302与单片机的接线图 18

4.8 存储模块 18

4.8.1 AT24C02简介 19

4.8.2 AT24C02与单片机的接线图 19

第5章 数字电能表的软件设计 21

5.1 软件内容介绍 21

5.2 主程序 21

5.3 A/D模数转换子程序 23

5.4 电能计量程序 24

5.5 LCD显示程序 25

5.6 AT24C02存储程序 25

5.7 DS1302时钟程序 26

5.8系统模式切换程序 27

5.9 按键扫描程序 28

第6章 系统的仿真与调试 30

第7章 总结与展望 32

参考文献 33

附录A 34

附录B 35

致 谢 54

第1章 绪论

1.1 电能表的介绍

电能表是用来测量电能并显示电能数据的仪表，它又称电度表、火表或千瓦小时表。它在线路处于高电压、大电流的情况下，不能直接并入线路，通常需使用电压互感器、电流互感器进行电气隔离。^[1]

常用电能表按照不同的方式分类如表1.1所示。

表1.1 常用电能表分类

电能表按照工作原理不同分为机械电能表和数字电能表，其中数字电能表，是由测量模块、数据处理模块、通信模块等组成，具有普通机械电能表难以实现的电能精准计量、实时电压电流检测、数据处理与通信等功能。^[4]

1.2 电能表的发展历程及国内外发展现状

随着电力电子技术的高速发展，且电力供需矛盾也随着用电需求增大而日益尖锐，电能表势必需要不断地进行快速更新换代。电能表的发展与国内的最大供电电网—国家电网也是息息相关的。国家电网公司为建设稳定、坚强的智能电网，将2009年到2020年分为三个阶段走，逐步实现全面特高压电网和配电网的智能建设。在此期间，国家电网开始着手规定智能电能表的系列标准，对其进行规模化、产业化集中招标，加快了国内数字智能电表时代的到来和传统机械电能表的淘汰；数字智能电表的广泛使用，将使资源达到最大程度化的利用。从最初的机械式电能表开始，由于机械式电能表只能单一电价计费，无法做到负荷控制、数据采集并传输、存储数据等，因此到数字式智能电表应运而生。如今，数字式智能电表已能实现各种各样的功能，能满足各行各业的社会需求。最新的智能电表是静止式电能表和电卡预付费电能表，它们都各有各的优点，具有很高的科技含量。它们不仅功耗低、准确度高，而且工频范围极广。^[5]

在国内，自国家电网2009年确定智能电网发展蓝图以来，数字智能电表的安装增长率一年赛过一年；仅2012年对智能电表的安装数就达到7588.69万只，全国大部分地区使用上智能电表的日子指日可待。在国外，德国政府规定自2009年9月9日起新装电表用户都必须使用数字智能电表；为便以掌握用户用电情况，节约资源，要更换为更加智能的新型电能表。目前，在瑞典、芬兰、波兰、德国智能电能表已被广泛使用。其中瑞典智能电表使用户有85万，芬兰智能电表使用户有36万，波兰在进行了1万户的试验使用后正大规模进行新旧电能表的更换。美国自2009年奥巴马接任美国总统以来，已将智能电表上升到战略地位以抵御金融危机、发展经济。英国和法国自从2011年到如今一直对全部电能表进行技术升级，使国家整体用电更加经济，不会造成太大浪费。而意大利近几年来已建立了智能化电力系统网，全国只有5%左右的电力用户未实现电能信息的自动采集^[6]。欧盟组织也计划在2020年之前实现全部电表的80%智能化，大致有1.45亿只。

1.3 课题研究内容

本设计是基于AT89C51单片机的数字电能表嵌入式系统设计，单片机外围加入了直流稳压电源模块、电压/电流检测模块、A/D转换模块、时钟模块、LCD显示模块、存储模块等，其中电源模块为整个数字电能表提供了稳定的5V电源；利用电阻分压和霍尔电流传感器ACS712、有效值芯片AD736分别得到采样电压和采样电流；采集到的数据通过ADC0832芯片转换送给单片机；DS1302时钟芯片为单片机提供与外界实时同步的时间信息；LCD1602模块每时每刻将电费总额、不同时段的电费单价、实时的时钟信息等进行显示；AT24C02存储器可以不断存储发生改变的电量总额和不同时段的电费单价，它还可以在单片机内部RAM掉电时及时存储数据；另外矩阵键盘还可以修改计费单价和清除电费总价。

本课题的研究应该在实现最基本的电能计量、分时计费、显示电费等功能的同时，针对数字电能表的方便使用、数据通信等方面的功能做出探索。力求原理阐述清晰明了，并在此基础上加以创新。遵循导师的指导不断对课题设计进行修改，做到优秀。

第2章 电能计量原理与数字电能表工作原理

2.1 电能计量原理

对于本课题设计来说，要实现电能计量需要得到交流电路中的电流和电压，但交流电一直处于交变状态，常用有效值来衡量电压和电流的大小。电压、电流的有效值计算步骤如下所示：

设流过电阻R的电流为直流I，则在时间T内电阻R做的功为

（2.1）

设流过电阻R的电流为周期性的交流i,在时间T内内阻R做的功为

（2.2）

由得

（2.3）

故可得出交流电流的有效值为

（2.4）

同理,得到交流电压的有效值为

（2.5）

利用微积分的思想,将电流和电压分别进行离散化，得到电压和电流的真有效值

（2.6）

（2.7）

上面两式中把时间T分为N个等份后，分别求出电压、电流的均方根值，即得到它们的真有效值。本次电流有效值通过真有效值AC/DC转换器AD736得到，电压有效值通过5V的电阻分压得到。

2.2 数字电能表工作原理

数字式电能表的工作原理是通过电流、电压检测传感器分别对电流、电压进行模拟采样，得到特定比例的大小后送入电能计量芯片或A/D转换芯片。若是前者，可直接进行一系列内部运算直接得到电能信息；而后者还必须通过单片机处理从A/D转换芯片传来的数据才能得到电能数据。最后，将电能数据送到显示器显示即可，可另外加入一些方便用户使用的功能。^[7]

本设计由于proteus仿真软件中没有电能计量芯片，故未使用电能计量芯片，选择电能计量功能在软件设计中实现。将采集到的电流电压值都转化成有效值再传送给单片机，单片机在软件程序控制下进行电能计量计算，得到电能、实时时间等数据信息后在LCD1602进行显示。

第3章 数字电能表的总体设计方案

3.1 总体方案框图

本次课题设计采用嵌入式系统的思想，整个数字电能表由CPU和外围硬件模块构成。各硬件模块为单片机提供数据信息，同时由单片机控制外围各种硬件模块实现不同的功能。总体设计框图如图3.1所示。

图3.1 数字电能表总体设计方案框图

电源模块负责为整个数字电能表系统提供工作电源。电流电压采集模块将采集到的电流电压模拟信号发送给A/D转换模块，A/D转换模块转换后将模拟信号变为与之成大概51倍的数字信号送入AT89C51单片机，LCD显示模块从单片机得到一系列数据后进行显示显示；与此同时，单片机还将电能数据送入存储器模块保存以防断电数据丢失。另外，按键模块可通过按键对电费单价进行修改，时钟模块可以为系统提供精确的实时时钟信息以便分时计费。

3.2 各硬件模块功能

各个硬件模块功能具体如下：

• 电源模块：将电网中的220V交流通过AC/DC变换、滤波、稳压等环节转变为所需要5V的稳定工作电源，为整个数字电能表嵌入式系统的正常工作供电。
• 时钟模块：为电能表提供准确的外界时间信息，从而判断处于用电低谷还是用电高峰时期，进而选择单价，实现分时计费。
• 电流电压采集模块：ADC0832的输入端电压范围为0～5V，模拟信号A/D转换前需要进行强电转化弱电的工作。电流电压采集模块就是将采集模拟信号强转弱的环节，以保证A/D芯片进行信号处理的准确性。
• 存储模块：用存储芯片AT24C02来存储用电不同时段的用电量、单价及电费总额等数据，以实现断电后运行数据不丢失。
• A/D转换模块：按一定转换比例（此次大概51倍）对模拟电流、模拟电压信号进行A/D转换，得到单片机能够处理的数字信号。
• LCD显示模块：每时每刻对从单片机得到的电费累积总额、实时精确时间和不同时段的单价等信息进行液晶显示。
• 单片机：外围所有的硬件模块都由它支配和控制，系统的功能由拷入它内部的软件程序所决定，它是整个数字电能表嵌入式系统的CPU。

第4章 系统硬件设计

4.1 电源模块

此次设计由于各模块的工作电压均为5V，而整个数字电能表系统需要直流电源提供5V电压供电，故直流稳压电源电路必不可少。220V交流电可通过直流稳压电源电路的电力变压器变压、单相整流桥整流、滤波电路滤波、稳压电路稳压后转变为稳定的5V直流电^[8]。直流稳压电源电路如图4.1所示。

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