毕业设计(论文)-基于MCU的单相电表检测仪设计(2)

量精度。

方案二：采用真有效值转换电路，分别测量出电压、电流和功率因数，利用微处理器计算出功率。便于对钳形互感器带来的相移进行修正或补偿，但电路较为繁琐，软件开销量较大。

根据上述分析，确定采用方案一，有功功率测量通道由既是专用电能计量芯片。 (3) 显示器

方案一：采用LED显示器，即数码管显示。传统的数码管具有：低功耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度要求比较高，称量快，精确可靠，操作简单。数码管是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。

方案二：使用液晶显示屏显示各种信息。液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等优点。LCD符合本设计系统的要求，利用其自带的字符库，进行编程还可以实现各信息的显示，即节省资源又省去了大量编程任务，且在强光照射下的户外进行检测时，LCD可清晰地显示数值。 根据上述分析，本设计系统采用方案二。

2.3 总体方案

根据上述方案论证，系统总体方案方框图如图2.2所示。

LCD显示器电压互感器电能计量芯片MCU电流互感器光电采样器键盘

图2.2 总体方案方框图

被测电能表通过光电采样器进行检测。光电采样器是由光发射管、光敏接受管及整形电路组成。低压电能表的转盘均有一小部分为涂黑的区域，这部分区域对光的反射能力较弱，而未被涂黑的区域则对光的反射能力很强。当光发射管发射的光经聚焦后照射到转盘上，在未被涂黑的区域，反射到光敏接受管，经整形后输出低电平；在涂黑的区

域没有反射光，光电采样器输出高电平。这样电能表的转盘每转一转就输出一个正脉冲，从第一个脉冲开始到第N+1个脉冲止，电能表的转盘共转过了N转，已知电能表的转盘数B及配用电流互感器的互感比H，则电能表在转盘转过N转后所计量的电能如公式（2-1）所示。

W1 = N ×H/B （2-1）

实时检测部分的主要作用是利用图2.2中设计的单元电路对电参数进行实时

检测，从而得到实际的有功功率。其过程如下：首先对电压和电流进行测量，然后把测量值送入CS5460芯片，每次采样后，利用单片机较强的运算功能，计算出本次采样周期内消耗的电能△W2i，则被测电能表的转盘转过N转后的实际电流，如公式（2-2）。

W2 = ∑△W2i （2-2）

显示部分主要用于显示电能表的相对误差，从误差的精度判断电能表是否正常工作。显示部分的选择有一定的要求，要考虑其显示的位数是否满足要求，是否便于携带，在强光照射下是否可以清楚读数。

键盘部分具有手动测量功能和自动测量功能。手动测量在被测表的转盘不光洁或涂黑区域脱漆时使用。当手动键按下时，清零定时器T1及△ti计时单元，开始W2的累加，当转盘转过N转时再次按下该键，则通过单片机计算出的r值送到LCD显示。自动测量键在任何时刻按下后，当第一个脉冲到来时，清除定时器T1及△ti计时单元，开始W2的累加，当第N+1个脉冲到来时，计算r值并显示。

3 硬件电路设计

3.1 单片机的选择及外围电路设计

(1) 单片机的选择

PIC系列单片机是Microchip公司生产的16位单片机，集成了CCP捕捉，PWM脉宽调制等功能，但是它单价较贵，又是精简指令集，给编程带来不便。ATEML公司的AT89C51单片机算术运算功能强大，变成灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。基于以上分析本设计系统采用ATEML公司的AT89C51实现设计要求。 1）AT89C51的简介

AT89C51是低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8K字节的可反复擦写的制度程序存储器（PEROM）和256字节的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高

密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理（CPU）和Flash 存储单元，3个16位定时/计数器。 2）主要性能参数：

ａ. 与MCS-51系列产品指令系统完全兼容 ｂ. 4K字节可重复擦写Flash闪速存储器 ｃ. 1000次擦写周期 ｄ. 全静态操作：0Hz-24Hz ｅ. 三级加密程序存储器 ｆ. 128 X 8字节内部RAM ｇ. 32个可编程I/O口线 ｈ. 2个16位定时/计数器 ｉ. 6个中断源

ｊ. 可编程串行UART通道 ｋ. 低功耗空闲和掉电模式 3）功能特性概述：

AT89C51提供以下标准功能：4 K字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32根I/O口线，两三个16位定时/计数器，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。 (2) 单片机外围电路设计

AT89C51系列单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟，外部还需要附加电路。本设计选择AT89C51的内部时钟方式。其内部时钟方式利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就够了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路，见图3-1-1。外接晶振时，C1和C2值通常选择为30pF左右；外接陶瓷谐振器时C1和C2约为47pF。C1、C2对频率有微调作用，晶体或陶瓷谐振器的频率范围可在0MHz～24MHz/33MHz之间选择。为了减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机靠近。

复位是单片机的初始化操作，单片机在启动运行时，都需要先复位，它的作用是使CPU和系统中其他部分都处在一个相同的初始状态，并从这个状态开始工作。单片

机的整个复位电路包括芯片内、外部分，外部电路产生的复位信号通过复位引脚RST进入片内斯密特触发器在与片内复位电路相连。 单片机的外部复位电路由上电自动复位和按键手动复位两种。上电复位利用电容器充电来实现；在按键手动复位中本设计采用按键电平复位。 (3) AT89C51硬件电路设计的电路图如图3.1所示。 VCC1234567891011121314151617181920AT89C51P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RSTP3.0(RXD)P3.1(TXD)P3.2(INT0)P3.3(INT1)P3.4(T0)P3.5(T1)P3.6P3.7XTAL2XTAL1GNDVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROG!PSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.04039383736353433323130292827262524232221PR1 10K*8D0D1D2D3D4D5D6D7VCCPR2 10K*8VCCVCCR2100S1C122UFSW-PBR11KGNDC122PFXTALGNDC222PF6MHz 图3.1 单片机外围电路设计图 3.2 光电采样器的选择及接口电路 3.2.1 光电采样器的选择 光电采样技术在我国电度表校验上应用大约有近三十年的历史，在这段时间里随着计量表计的精度及计量装置自动化程度的提高，光电采样器也有了较大的改进。光电采样器的物理基础是光电效应，它通常是由光源、光通道、光电转换器件和测量电路四部分组成。如图3.2所示。 光源光量光通路光量光电器件电量测量电路电量输出X1X2 图3.2 光电式传感器的组成 基于本设计系统的精度要求，一般地光电采样器无法解决因为工作时间较长、在电 度表盘形成的锈斑或表面毛刺，引起的误脉冲的问题，给校表工作带来了极大的不便。由于以上原因,对于本设计系统，GST-4光电采样器非常适合本设计要求。GST一4型光电采样器采用双光点平行式安装，判断电路的新型采样方式，克服了以往的采样缺陷。 (1) GST一4型光电采样器的原理

GST一4的光学结构不同于普通光电采样器，它采用的是两个发射光，两个接收光点及一个亮度较弱的参照光点对光，这样就大大减少对光中的盲目性，只需把三个光点调成一条直线，对光即告完成。GST一4型的光电系统见图，它是由两个发光器件F1 、F2和两只光敏接收元件Sl、S2，以及一只对光管G组成。如图3.3所示。

图3.3 光电系统

从图中可以看到F1、F2之间的距离为d，这样就能保证射出的光点在铝盘上有一个距离为dl且dl>d。根据经验把d设计为5mm，这样对铝盘5mm内的光斑均不会产生脉冲。在图3.3中Sl、S2为接收管，G为对光点，在对接过程中，只需调动手轮，使三个光点在铝盘上，成一直线，就告完成。

这种从上面发射，下面接收的光路，打破了传统光电采样器的在同一水平面上左发射，右接收的方式，保证了有两条反射光路在Sl，S2上成像，使光电采样器感光更简单。 (2) GST一4光电采样器的优点

GST一4型光电采样器采用双光点对光、发光、接受，平行式安装采样参照对光光点以及专用的反射光线成像系统和专用数字电路，它除无需调整之外，主要有以下优点：

1) 对光速度快：因采用专用光线反射成像系统和参照对光系统，只需将三个光点调成一条直线就完成了对光过程。

2) 基本上排除所有干扰：产生干扰无非是铝盘的锈斑和毛刺，本产品从光路和电路两方面对抗干扰作了合理的设计，可抗除5mm的斑点和毛刺。

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