基于单片机的分时计费智能电度表的设计

2018-05-14朱栩赵雪

好日子（下旬） 2018年1期

朱栩赵雪

摘要：本设计主要是以如何设计新型的分时计时的电表以及电路为主要的研究目标，其工作原理是用单片机为处理器，进而实现时间的计算，用单片机来控制用户所用的电量的显示和相关继电器的开关和闭合，在完成正常工作的同时，电路还应该具有记忆性，对输入电表的信号做出处理反应的功能。我将对设计各个模块电路进行解析，仔细不留死角地解释了模块电路的设计过程，同时也在文中写出了对不同模块的各种工作原理的解释和改进之处。

关键词：51单片机；时钟电路；液晶显示；分时电表

引言

以前的人是如何用电的呢，首先每一户用电的家庭都需要按装电表，然后由抄表员在每一段规定时间去进行电表数据的记录，然后由用电用户亲自去当地的电费缴纳厅缴纳电费.这种运行模式存在很多的问题，浪费了大量的人力物力，同时工作效率也不高.为了处理与解决这些问题，经过对比国内外的各种电表设计吸取经验，设计出了以51单片机位基础的多功能分时智能电表。本电表使用单片机为核心，使用ADE7755电能检测模块检测用电量，运用时钟模块，实现用电量的分时计算管理。

本文将以硬件和软件两个方面进行讲解。将电路分成功能作用不同的模块，其中主要的包含电量的监测、电量的显示、为了保护系统而设计的报警电路，为了及时设计的时钟电路等诸项电路一一作出了分析和改进。在进行硬件设计的时候还进行了软件的设计，本在软件方面采用C语言进行编制，并将硬件和软件相结合。此项设计具有阶梯电价计费；可记录12个月的有功总电量和分时电量；可设置非工作营业时段和应急赊欠限量；具有内置声、光报警、跳闸断电功能等功能。

1 分时电表方案设计

此项设计在硬件方面是由不同的电路相组合而成。其中包含主要的控制系统单片机、数据显示模块、计数时钟模块、供电监测模块和电路的报警模块等。

1.1单片机模块

此项设计的控制核心为STC89C52型號的单片机，这款型号的单片机是由STC公司设计、研发生产的。它具有功率低，性能强大等特点，其中有CMOS8位控制器，可以在其中单独编制程序。其中内核为新式的MCS51，具有原来旧式的51单片机没有的新的控制功能[1]。主要体现在单芯片上，具有独立编程的功能，和8位的CPU。这种独特的设计方式，使得单片机在运算时，具有较为方便快捷的一面[2]。另外这个单片机的储存模块也相当强大，内涵512字节的储存空间，可以直接和串口相连以传输数据。

自带2KB的EEPROM存储空间；

1.2时钟模块的选择

时钟电路在本设计中尤为重要，本设计时钟芯片DS1302。它是由Dallas公司生产的，其有着高效率同时耗能低的特点。

1.3显示模块的选择

常见的显示屏有LCD显示屏和LED显示屏。LCD显示屏的优势巨大，其显示数据清晰、电子辐射较低、拥有良好的可视性、使用时轻巧方便、插口兼容、体型匀称小巧、功率消耗小等特点[3]。在设计本作品是发现需要显示的数据很多，经过对比LED与LCD显示屏发现，LCD显示屏比较适合本设计，所以选用LCD12864液晶显示屏来作为本设计的显示屏。

1.4电源电路的选择

因为本设计使用了STC89C52单片机和时钟芯片DS1302，由于电路功耗不是很高因本设计采用了5V的开关电源来进行供电，确保正常电路运行。

1.5分时电表系统

本设计是在保证电表能正常运行，同时它能完成分时计量的作用，其原理图为1.1图

（1）单片机：STC89C52单片机；

（2）时钟模块：DS1302时钟模块；

（3）设计的显示模块：LCD12864型号液晶屏；

（4）设计的电源模块：使用5V相对的稳压模块提供电源；

（5）电量检测电路：使用ADE7755电能检测模块检测用电量；

（6）按键电路：使用4个按钮，用来设置时间和单价；

（7）继电器控制电路：使用继电器用来控制电表输出；

（8）报警电路：使用蜂鸣器，用作电表的信息提醒。

2 系统各模块硬件电路设计

2.1单片机电路设计

单片机STC89C52各个引脚与实物图如图2.1所示：

单片机最小系统组成：

（1）复位电路

本设计采用了由10k电阻和10uf电容组成的阻容上电复位电路。采用较小的电容和较大的电阻连接在一起形成RC暂态电路，而后连接在re单片机的复位端。这时电路中一旦出现高电平，便会自动进行复位。

（2）晶振电路

此项设计采用了11MHz的晶振和2个小容量的电容，并将其结合在一起形成了晶振电路，这个新的晶振电路主要是用来给单片机提供时钟信号流。这个单片机电路是由许多个门电路相结合组成的。但是门电路在工作状态时需要时钟信号来冲击门电路，来作为触发信号，每当提供一个脉冲，门电路就发生相应的动作，也就是说提供多少个脉冲，门电路就会做出相应的多少次反应。脉冲频率越高，单片机性能也越高。

时钟电路图为2.2图

2.2时钟电路设计

DS1302引脚：DS1302引脚图参照图为3.2图。

在程序进行设计和编程的过程中，应该考虑到DS1302的工作顺序，哪个引脚先工作，哪个引脚后工作。这就对控制字提出了更高的要求，我们在给相应的寄存器写控制字时，还应该读取其中的数据。因此还要对DS1302的控制方式有一个简单的了解。其中它的控制字如图所示。

通过控制字来控制DS1302来传输数据。在这个设计中，数据的相互传输都是通过控制字来进行的。每一位控制字都有其独特的意义：

1）BIT7：对于BIT7来说，它的控制字的最高位应该是1.如果最高位的罗辑是0，那么DS1302便不能识别数据。

2）BIT 6：BIT的数据如果是1，则表示RAM的数据显示，如果为0，那么表示日历或者是时钟的数据。

3）BIT 5至BIT 1（A4～A0）：从BIT到BIT1统一用A4～A0表示，以此来定义片内寄存器与RAM的相关地址。

其中BIT5到1的定义如下：

当第六位数为零时，这就表明这个地址代表时钟和寄存器。在A4-AO为零时上定义由小到大依次为秒数、分钟数、小时数、天数、周数、月数、年数。当A4-A0为7时，这时的定义为寄存器。当A0-A0为八是，这时代表的是充电参数。当其为31时，这代表突发模式的寄存器。但是当位6为1时，RAM的定义是A4-A0为0-30.而RAM的每个地址和相应的数字对应。

4）BIT的最低位的有效位，如果是零，那么这就表明，正在录入操作，如果变成了1，那么就表示正在进行操作。另外，控制字时从最低位开始输出，一个个向高位拓展，数据从0位的开始慢慢的向6位开始输入，读出的数据也是由低到高。

具体电路如图2.3所示：

2.3液晶显示电路设计

1602液晶屏有以下引脚：

VSS接电源地。

VDD接+5V。

VO是液晶显示的偏压信号。

RS是在传递数据或者接受数据时所选择的数据。接入单片机的IO端，当输出低电平时，是选择命令，当RS为高电平时，为选择数据[7]。

RW在录入或者输出端的引脚，也接入单片机的IO端。当RW位高电平时，从单片机中读取数据，如果不需要读取数据，可以将其调到VSS档位。当RW为低电平时，这时为单片机写入命令或是写入数据。

E指的是在执行命令时使用的引腳，同样需要接入单片机的一个I/O端。

D0—D7是在并行数据的输入或者是输出时需要经过的引脚，接口较多，可以接在P0—P3任意的8个I/O口。如果是4线并行驱动，只须接4个I/O口。

LED+的背光正极，要接上一个电阻，起限流作用。LED-背光负极，接VSS。