單片機計量器

A. 單片機有什麼用

單片機是一種集成電路晶元，是採用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊矽片上構成的一個小而完善的微型計算機系統，在工業控制領域廣泛應用。
單片機的使用領域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統、家用電器等。各種產品一旦用上了單片機，就能起到使產品升級換代的功效，常在產品名稱前冠以形容詞——「智能型」，如智能型洗衣機等。
單片機的應用：

1、在家用電器領域的應用
現在在家用電器的更新、市場開拓等方面，單片機的應用越來越廣泛，比如電子玩具或者高級的電視游戲機中，會應用單片機實現其控制功能;而洗衣機可以利用單片機識別衣服的種類與臟污程度，從而自動選擇洗滌強度與洗滌時間;在冰箱冷櫃中採用單片機控制可以識別食物的種類與保鮮程度，實現冷藏溫度與冷藏時間的自動選擇;微波爐也可以通過單片機識別食物種類從而自動確定加熱溫度與加熱時間等等，這些家用電器在應用單片機技術後，無論是性能還是功能，與傳統技術相比均有長足的進步。
2、在醫用設備領域的應用
現代醫療條件越來越發達，人們對醫療滅菌消毒技術也越來越重視，但是一些偏遠地區的小醫院、小診所其消毒滅菌設備還十分簡陋，無法有效的控制消毒質量。隨著單片機技術的發展，其體積較小、功能強大、具有靈活的擴展性、應用方便的特點也越來越突出，因此在醫用呼吸機、分析儀與監護儀、超聲診斷設備、病床呼叫系統等設備中得到了廣泛的應用。
3、在工業控制領域的應用
其實最早的單片機正是從工業領域開始興起的，至今其在工業控制領域的應用仍然十分廣泛，利用單片機技術構成多種多樣的數據採集系統與智能控制系統，比如工廠流水線的智能化管理、智能化電梯、報警系統等等，均是通過單片機技術與計算機聯網構成二級控制系統。
4、在儀器儀表領域的應用
上文中也談到單片機具備集成度高、體積小、較強的控制功能與擴展的靈活性等特點，並且處理速度快，具有較高的可靠性，所以在智能儀器儀表領域其應用也十分廣泛。從某種程度而言，單片機帶動了傳統測量、控制儀器儀表技術的一項革命，通過單片機技術實現了儀器儀表技術的數字化、智能化、綜合化以及多功能化，與傳統的電子電路或者數字電路相比，其功能更強大，綜合性更突出。

B. 單片機定時器/計數器主要有什麼作用

定時器：主要用於產生固定時間（比較精確），也可以作為UART等外設的頻率發生器
計數器：主要是計量引腳產生脈沖的個數

C. 單片機定時器/計數器主要有什麼作用

作用一：計數概念的引入

作用二：定時

作用三：溢出

單片機提供內部定時和外部計數的功能,功能差不多都是定時和計數達到終點時,產生中斷,而CPU則暫時放下目前所執行的程序區處理中斷。

定時器：主要用於產生固定時間（比較精確），也可以作為UART等外設的頻率發生器。

計數器：主要是計量引腳產生脈沖的個數。

D. 怎樣設計一個用ADE7755和用AT89S51的單片機設計出一個電能表

ADE7755是一種單相表記錄晶元，將ADE7755記錄的數據與AR89S51單片機進行數據傳輸，然後再用單片機輸出給lcd屏幕顯示即可設計出一個電能表；
ADE7755是一款適用於單相配電系統的高精度電能計量IC。它可提供基於輸電線電壓和電流計算的瞬時有功功率和平均有功功率。該器件規范超過IEC61036標准規定的精度要求。ADE7755中使用的唯一模擬電路是ADC和
參考電壓
電路。所有其它信號處理（例如乘法和濾波）都是在數字域實現的。這種信號處理方法可在隨環境條件和時間變化的很大范圍內提供優異的穩定性和精度。
電流通道提供高增益模式,可直接連接低阻值分流電阻器而不損失動態范圍。兩通道之間的增益校準在器件外部進行調整。ADE7755採用SSOP封裝。在各種負載條件下提供低頻（F1/F2）和高頻（CF）同步輸出。
ADE7755是一種高准確度電能測量集成電路,其技術指標超過IEC1036
規定的准確度要求。ADE7755隻在
ADC
和基準源中使用模擬電路,所有其它信號處（如相乘和濾波）都使用數字電路,
這使ADE7755
在惡劣的環境條件下仍能保持極高的准確度和
長期穩定性
。ADE7755
引腳
F1
和
F2
以較低頻率形式輸出有功功率平均值,能直接驅動機電式計度器或與微控制器（MCU）介面。引腳CF
以較高頻率形式輸出有功功率
瞬時值
,用於校驗或與MCU
介面。ADE7755內部包含一個對
AVDD
電源引腳的監控電路。在
AVDD
上升到
4V
之前,ADE7755一直保持在復位狀態。當AVDD
降到
4V
以下,ADE7755也被復位,此時
F1,F2
和
CF
都沒有輸出。內部相位匹配電路使電壓和電流通道的相位始終是匹配的,無論通道1
內的高通濾波器（HPL）是接通的還是斷開的。內部的空載閾值特性保證
ADE7755在空載時沒有潛動。

E. at89s51單片機優點

AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件採用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術製造，兼容標准MCS-51指令系統及80C51引腳結構，晶元內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，AT89S51在眾多嵌入式控制應用系統中得到廣泛應用。
AT89S51單片機的優勢：

性能強大
AT89S51具有完整的輸入輸出、控制埠、以及內部程序存儲空間。與我們通常意義上的微機原理類似，可以通過外接A/D，D/A轉換電路及運放晶元實現對感測器傳送信息的採集，且能夠提供以點陣或LCD液晶及外接按鍵實現人機交互，能對內部眾多I/O埠連接步進電機對外圍設備進行精確操控，具有強大的工控能力。

易於學習
AT89S51系列單片機編寫程序的基本流程。其語法結構與我們常用的計算機C語言基本相同，不同之處在於增加了控制具體引腳工作的語句和命令，相對於計算機C語言，單片機C語言更簡練和明確，可以控制每個引腳的輸入輸出狀態。其主要語句集中在例如：「ifelse」、「while」、「for」等循環與判斷語句上，相比計算機C語言更簡單。有過計算機C語言學習經歷經過一段時間的熟悉就能夠熟練進行編程。
使用AT89S51系列單片機編程，可以在沒有實物單片機的情況下在普通電腦上進行程序編寫甚至是調試工作。一般工作中使用Keil公司開發的51單片機編程軟體進行編程，它採用目前流行的開發環境，集編輯，編譯和模擬於一體。在該軟體上用戶可以編寫匯編語言或C語言源程序，並利用該軟體生成單片機能運行的程序。

價格低廉
AT89S51晶元價格便宜，適合對大批量的計量儀器進行規模化改造，其單片售價不超過5元。

F. 怎樣設計一個用ADE7755和用AT89S51的單片機設計出一個電能表

隨著電力的需求越來越大，不同時間段用電量不均衡的現象日趨嚴重。為了合理地調控電力負荷和節約能源，電力公司已開始鼓勵使用多費率電能表。傳統的多費率電能表一般採用機械轉盤式計量方式，計量精度隨機械磨損而降低，時段設置單一，人工抄表勞動強度大，且偶有竊電情況發生等諸多弊端。本文給出基於AT89S52單片機一種新型多費率單相電能表設計，採用AD7755電能計量晶元，電能計量准確。該電能表具有分時段計量，液晶顯示，自動回抄，時段設置靈活，時間校正及時，新穎的防竊電，功耗低的特點。並對該電能表實驗測試數據進行性了誤差分析，指出電能計量中減小與消除誤差的方法。

1硬體電路設計

1.1總體結構

基於AT89S52單片機完成多費率單相電能表的設計，AT89S52有以下功能，8k位元組Flash閃速存儲器，三級加密程序存儲器，256位元組內部RAM，32個可編程I/O口線，3個16位定時/計數器，一個6向量兩級中斷結構，一個全雙工串列通信口，片內振盪器及時鍾電路，兩種低功耗電工作方式。是一個比較適合於以開關量信號輸入檢測的性價比較高的8位單片機。電能表硬體設計主要包括六大模塊，電壓和電流檢測電能計量電路AD7755模塊，串列存儲與看門狗X25045電路模塊，HT1621液晶顯示電路模塊，串列時鍾S3530A電路模塊，

RS485匯流排通訊電路模塊，防竊電檢測電路模塊，總體結構如圖1所示。

圖1：系統總體結構框圖

1.2電能計量

單相電能計量採用美國ADI公司的AD7755低功耗晶元實現。AD7755內部除了ADC和濾波、相乘電路外都採用了數字電路，有效的消除了尖脈沖等干擾信號，使得它在惡劣的環境條件下仍能保持極高的正確度和穩定性。對單相迴路中的電壓、電流信號采樣，計算出功率並積分將其轉換為電能脈沖輸出，CPU對來自AD7755輸出端CF的脈沖進行計量，計算出電能表的累計用電量。電能與脈沖的關系為：W=M/C，式中的W為電能，單位為千瓦時，M為脈沖累計個數，C為電表脈沖常數，選取C=1600，每千瓦時為1600個脈沖。

1.3RS485通訊MAX487晶元實現多費率電能表的RS485通訊控制

MAX487晶元具有RS485通訊協議，可以帶下位機128個、傳輸間隔大於1km、傳輸速率達250kb/s。電能表通過RS485匯流排與用電治理計算機相連，每隻電能表都有一個確定的唯一的八位十六進制的表號，初次安裝，電工需要把用戶信息與表號記錄後輸進用電治理計算機中，完成用戶與治理計算機的連接。治理計算機採用廣播式通訊方式下傳時段設置與校時信息，此時不帶有地址信息，而電能表中斷接收;上位機採用呼喚地址的方式上傳信息，即呼喚誰的地址，那隻電能表便把信息及其校驗碼打包向上傳送給用電治理計算機，實現電能回抄。MAX487的DE為發送器使能端，DE為1時發送器可以工作，DI為輸進端，A、B為輸出端。當DE為0時，停止發送輸出端為高阻。RE為輸進使能端，RE為0時答應接收器工作，A、B為輸進端，RO為輸出端;RE為1時，接收器被禁止，RO為高阻狀態。因此，採用半雙工通訊方式，把DE和RE相連然後接AT89S52的P1.4，通過AT89S52的P1.4引腳來控制收發工作狀態。

1.4串列存儲器

串列存儲器採用美國XICOR公司的X25045低功耗晶元，它具備看門狗定時器WTD、電源電壓監控和具有512位元組的串列E2PROM存儲器三種功能。WTD可以設置為200ms、600ms、1400ms喂狗定時間隔，軟體編程寫進X25045中。在程序正常運行期間，WTD在定時間隔內收到觸發信號，確保程序正常運行，一端WTD在定時間隔內沒有收到觸發信號，X25045便通過RESET引腳輸出一個高電平信號，觸發電能表復位來防止程序跑飛。X25045作為串列存儲晶元，512位元組分別用於存儲電能表編碼，多費率時段設置，上月和當月分時段的峰、平、谷電量和總累計電量等信息，存儲次數可改寫十萬次，數據可保存一百年，它與AT89S52可採用SPI協議匯流排介面相連。

1.5時鍾電路

時鍾電路採用S3530A晶元完成，它是一種支持I2C匯流排的低功耗時鍾晶元，它按照CPU經RS485通訊接收校時的數據來設置時鍾和日歷，靠自身的振盪繼續走時。在S3530A的Xin和Xout引腳之間跨接32.768kHz的晶體器振盪器。它通過兩線式與CPU連接，SDA腳和SCL腳分別接AT89S52的P2.0和P2.1，並有兩個中斷報警引腳可設置為輸出秒或分同步脈沖，向AT89S52提供周期為1秒的中斷信號，單片機系統將根據該信號通過I2C通訊介面讀取當前的時間，計算出該時刻所屬的時段，實現多費率電能表的分時段計量電能。該時鍾電路帶有備用鋰電池，正常工作時有電源Vcc供電，同時給3.6V鋰電池充電;當出現停電時，自動切換鋰電池為時鍾電路供電，即使停電時鍾走時也正確。

1.6液晶顯示

採用HOLTEK公司HT1621的LCD顯示驅動晶元,實現十六位LCD數字顯示。HT1621是具有128段(32×4)內置存儲器的LCD驅動器，它片內包括控制與計時電路、顯示RAM、LCD驅動及偏置、監視定時器等，採用了48腳SSOP封裝,具有體積小和功耗低的優點,非常適合於應用電能表中，其介面電路和外圍電路簡單，它和AT89S52之間採用串列介面，只需三根線。AT89S52的P2.4、P2.5、P2.6分別接到它的CS片選、WR寫答應、DATA串列數據三個引腳上，來控制刷新顯示RAM緩沖區。另外應用中，在VDD、VLCD間接一個20kΩ可調電阻，用來調節LCD顯示對比度，調節電阻，使得VDD=5V，VLCD=4V對比度較好。

1.7防竊電檢測等

記錄電能表接線端子蓋被人為打開的次數而分析是否竊電。電能表被安裝好後將表殼打上鉛封，用戶不能私自打開電能表接線的表蓋破壞鉛封，否則屬於竊電行為。因此我們採用霍爾感測器，檢測接線端子蓋是否被打開。假如接線端子蓋被打開，AT89S52的P1.6引腳的電平變化，就檢測到開蓋一次，記錄表的接線端子蓋被人為打開和破環的次數，判定是否有竊電發生，當發現有竊電現象時，給出報警、斷電並及時上傳到上位治理計算機。實踐證實該新奇的防竊電技術有效的防止竊電情況發生，效果較好。檢測電路框圖如圖2所示。

圖2：防竊電檢測框圖

掉電保護電路，用AT89S52的P1.7輸進引腳檢測掉電信號，當系統正常工作是P1.7位高電平，當忽然發生斷電時，P1.7變成低電平，採用查詢方式檢測到P1.7的變為低電平後，將進進掉電保護程序。電源電路中有個大濾波電容1000uf/25v，當掉電後能維持系統十多秒的工作時間，確保電能表存儲好重要數據。光電隔離電路，在系統中AD775的脈沖輸出端，繼電器控制端，RS485通訊端分別使用了4N35光電隔離器。通過光的耦合作用傳遞電信號，把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，進步系統抗干擾的能力。

2軟體程序設計

2.1軟體程序資源分配

多費率單相電能表軟體程序共包括初始化及主程序，X25045讀寫程序，RS485串列通訊處理程序，中斷處理程序，定時器處理程序，HT1621顯示控製程序，電能分時段計量與掉電處理程序，系統自檢與軟體抗干擾處理八大程序模塊。系統的中斷資源分配為INT0中斷用於AD7755脈沖檢測，INT1用於秒同步檢測，定時器T0用於定時100ms，T1未使用，T2用於串列通訊程序波特率發生器，串列口中斷設置為RS485非同步通訊接收中斷。

2.2程序模塊的設計

電能表的工作過程主程序模塊如圖3所示，每次上電要進行初始化，初始化包括對AT89S52單片機定時器、串列口、中斷等工作方式的設定，寫進串列存儲晶元X25045的控制字，串列時鍾晶元S3530A控制字，串列液晶驅動晶元HT1621控制字。新電能表的初次工作要對X25045初始值設定，包括電能表表號的設置，時段的設置，時鍾的設置，存儲地址的分配等。本系統設置了三個時段，單片機每秒從時鍾晶元S3530A中讀取時鍾值，然後根據串列存儲晶元X25045中預先設置好的時段，分析該時刻屬於哪個時段，根據相應的時段把電能存儲AT89S52的RAM存儲器中，然後電能每累計夠1度便寫進到X25045相應的地址中。16位液晶顯示器輪流顯示時段與電能信息。若有通訊請求將採用中斷方式與上位機進行數據通訊。若停電，將執行掉電保護程序。其它程序模塊流程圖略。

圖3：主程序流程圖

測試結果

該電能表在淄博貝林電子有限公司進行了誤差測試和運行試驗，上位計算機完成用電治理時段設置，設置三個費率時段，第一時段00點00分點到06點30分，為谷電量時段，第二時段06點30點到22點30分，為峰電量時段，第三時段22點30點到24點00分，為平電量時段。費率時段設置由電力供電公司根據國家政策規定設定到計算機治理系統中，通過RS485串列通訊傳送到電能表中，並存儲於X25045中。每月峰、平、谷、累計電量存進電能表中，並打包傳送到上位計算機治理系統，通訊波特率設為9600bit/s。用0.1級標准電子式電能表校驗台作為標准表，該多費率電能表為被測表，貝林電子有限公司針對不同負荷的情況下進行測試，限於篇幅僅列出負荷為5KW時的實測數據如表1所示。測試結果表明該復費率電能表誤差小於1%，屬於1.0級標准。經實驗得知減小電能計量誤差方法，一是通過調節AD7755的匹配電阻調整到精確值;二是該匹配電阻阻值要求隨溫度變化阻值變化較小;三是在電能計量過程中，在時間段的切換時，計量電能的尾數部分不足0.01度的電能計進下一個時間段中，避免了不足0.01度的電能丟失而造成累計電量有誤差。

表1：標准表與被測表丈量值符合5KW

結束語

多費率電能表根據不同的時段設置，實現電能分時計量，採用RS485串列通訊，實現電量自動回抄，實時校時。該電能表經淄博貝林電子有限公司生產表明，設計技術新奇，計量正確，走時精確，時段設置靈活，防竊電設計新奇，各項技術指標均達到國家多費率電能表的技術標准，具有廣闊的應用遠景。

本文作者創新點在於採用AD7755電能計量晶元計量正確;串列X25045存儲靈活可靠，串列時鍾S3530A走時精確，RS485匯流排傳輸可靠性高，防竊電新奇設計。採用I2C匯流排結構多費率單相電能表設計更加公道，具有性價比高的特點