单片机计量器

A. 单片机有什么用

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。
单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。
单片机的应用：

1、在家用电器领域的应用
现在在家用电器的更新、市场开拓等方面，单片机的应用越来越广泛，比如电子玩具或者高级的电视游戏机中，会应用单片机实现其控制功能;而洗衣机可以利用单片机识别衣服的种类与脏污程度，从而自动选择洗涤强度与洗涤时间;在冰箱冷柜中采用单片机控制可以识别食物的种类与保鲜程度，实现冷藏温度与冷藏时间的自动选择;微波炉也可以通过单片机识别食物种类从而自动确定加热温度与加热时间等等，这些家用电器在应用单片机技术后，无论是性能还是功能，与传统技术相比均有长足的进步。
2、在医用设备领域的应用
现代医疗条件越来越发达，人们对医疗灭菌消毒技术也越来越重视，但是一些偏远地区的小医院、小诊所其消毒灭菌设备还十分简陋，无法有效的控制消毒质量。随着单片机技术的发展，其体积较小、功能强大、具有灵活的扩展性、应用方便的特点也越来越突出，因此在医用呼吸机、分析仪与监护仪、超声诊断设备、病床呼叫系统等设备中得到了广泛的应用。
3、在工业控制领域的应用
其实最早的单片机正是从工业领域开始兴起的，至今其在工业控制领域的应用仍然十分广泛，利用单片机技术构成多种多样的数据采集系统与智能控制系统，比如工厂流水线的智能化管理、智能化电梯、报警系统等等，均是通过单片机技术与计算机联网构成二级控制系统。
4、在仪器仪表领域的应用
上文中也谈到单片机具备集成度高、体积小、较强的控制功能与扩展的灵活性等特点，并且处理速度快，具有较高的可靠性，所以在智能仪器仪表领域其应用也十分广泛。从某种程度而言，单片机带动了传统测量、控制仪器仪表技术的一项革命，通过单片机技术实现了仪器仪表技术的数字化、智能化、综合化以及多功能化，与传统的电子电路或者数字电路相比，其功能更强大，综合性更突出。

B. 单片机定时器/计数器主要有什么作用

定时器：主要用于产生固定时间（比较精确），也可以作为UART等外设的频率发生器
计数器：主要是计量引脚产生脉冲的个数

C. 单片机定时器/计数器主要有什么作用

作用一：计数概念的引入

作用二：定时

作用三：溢出

单片机提供内部定时和外部计数的功能,功能差不多都是定时和计数达到终点时,产生中断,而CPU则暂时放下目前所执行的程序区处理中断。

定时器：主要用于产生固定时间（比较精确），也可以作为UART等外设的频率发生器。

计数器：主要是计量引脚产生脉冲的个数。

D. 怎样设计一个用ADE7755和用AT89S51的单片机设计出一个电能表

ADE7755是一种单相表记录芯片，将ADE7755记录的数据与AR89S51单片机进行数据传输，然后再用单片机输出给lcd屏幕显示即可设计出一个电能表；
ADE7755是一款适用于单相配电系统的高精度电能计量IC。它可提供基于输电线电压和电流计算的瞬时有功功率和平均有功功率。该器件规范超过IEC61036标准规定的精度要求。ADE7755中使用的唯一模拟电路是ADC和
参考电压
电路。所有其它信号处理（例如乘法和滤波）都是在数字域实现的。这种信号处理方法可在随环境条件和时间变化的很大范围内提供优异的稳定性和精度。
电流通道提供高增益模式,可直接连接低阻值分流电阻器而不损失动态范围。两通道之间的增益校准在器件外部进行调整。ADE7755采用SSOP封装。在各种负载条件下提供低频（F1/F2）和高频（CF）同步输出。
ADE7755是一种高准确度电能测量集成电路,其技术指标超过IEC1036
规定的准确度要求。ADE7755只在
ADC
和基准源中使用模拟电路,所有其它信号处（如相乘和滤波）都使用数字电路,
这使ADE7755
在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和
长期稳定性
。ADE7755
引脚
F1
和
F2
以较低频率形式输出有功功率平均值,能直接驱动机电式计度器或与微控制器（MCU）接口。引脚CF
以较高频率形式输出有功功率
瞬时值
,用于校验或与MCU
接口。ADE7755内部包含一个对
AVDD
电源引脚的监控电路。在
AVDD
上升到
4V
之前,ADE7755一直保持在复位状态。当AVDD
降到
4V
以下,ADE7755也被复位,此时
F1,F2
和
CF
都没有输出。内部相位匹配电路使电压和电流通道的相位始终是匹配的,无论通道1
内的高通滤波器（HPL）是接通的还是断开的。内部的空载阈值特性保证
ADE7755在空载时没有潜动。

E. at89s51单片机优点

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
AT89S51单片机的优势：

性能强大
AT89S51具有完整的输入输出、控制端口、以及内部程序存储空间。与我们通常意义上的微机原理类似，可以通过外接A/D，D/A转换电路及运放芯片实现对传感器传送信息的采集，且能够提供以点阵或LCD液晶及外接按键实现人机交互，能对内部众多I/O端口连接步进电机对外围设备进行精确操控，具有强大的工控能力。

易于学习
AT89S51系列单片机编写程序的基本流程。其语法结构与我们常用的计算机C语言基本相同，不同之处在于增加了控制具体引脚工作的语句和命令，相对于计算机C语言，单片机C语言更简练和明确，可以控制每个引脚的输入输出状态。其主要语句集中在例如：“ifelse”、“while”、“for”等循环与判断语句上，相比计算机C语言更简单。有过计算机C语言学习经历经过一段时间的熟悉就能够熟练进行编程。
使用AT89S51系列单片机编程，可以在没有实物单片机的情况下在普通电脑上进行程序编写甚至是调试工作。一般工作中使用Keil公司开发的51单片机编程软件进行编程，它采用目前流行的开发环境，集编辑，编译和仿真于一体。在该软件上用户可以编写汇编语言或C语言源程序，并利用该软件生成单片机能运行的程序。

价格低廉
AT89S51芯片价格便宜，适合对大批量的计量仪器进行规模化改造，其单片售价不超过5元。

F. 怎样设计一个用ADE7755和用AT89S51的单片机设计出一个电能表

随着电力的需求越来越大，不同时间段用电量不均衡的现象日趋严重。为了合理地调控电力负荷和节约能源，电力公司已开始鼓励使用多费率电能表。传统的多费率电能表一般采用机械转盘式计量方式，计量精度随机械磨损而降低，时段设置单一，人工抄表劳动强度大，且偶有窃电情况发生等诸多弊端。本文给出基于AT89S52单片机一种新型多费率单相电能表设计，采用AD7755电能计量芯片，电能计量准确。该电能表具有分时段计量，液晶显示，自动回抄，时段设置灵活，时间校正及时，新颖的防窃电，功耗低的特点。并对该电能表实验测试数据进行性了误差分析，指出电能计量中减小与消除误差的方法。

1硬件电路设计

1.1总体结构

基于AT89S52单片机完成多费率单相电能表的设计，AT89S52有以下功能，8k字节Flash闪速存储器，三级加密程序存储器，256字节内部RAM，32个可编程I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路，两种低功耗电工作方式。是一个比较适合于以开关量信号输入检测的性价比较高的8位单片机。电能表硬件设计主要包括六大模块，电压和电流检测电能计量电路AD7755模块，串行存储与看门狗X25045电路模块，HT1621液晶显示电路模块，串行时钟S3530A电路模块，

RS485总线通讯电路模块，防窃电检测电路模块，总体结构如图1所示。

图1：系统总体结构框图

1.2电能计量

单相电能计量采用美国ADI公司的AD7755低功耗芯片实现。AD7755内部除了ADC和滤波、相乘电路外都采用了数字电路，有效的消除了尖脉冲等干扰信号，使得它在恶劣的环境条件下仍能保持极高的正确度和稳定性。对单相回路中的电压、电流信号采样，计算出功率并积分将其转换为电能脉冲输出，CPU对来自AD7755输出端CF的脉冲进行计量，计算出电能表的累计用电量。电能与脉冲的关系为：W=M/C，式中的W为电能，单位为千瓦时，M为脉冲累计个数，C为电表脉冲常数，选取C=1600，每千瓦时为1600个脉冲。

1.3RS485通讯MAX487芯片实现多费率电能表的RS485通讯控制

MAX487芯片具有RS485通讯协议，可以带下位机128个、传输间隔大于1km、传输速率达250kb/s。电能表通过RS485总线与用电治理计算机相连，每只电能表都有一个确定的唯一的八位十六进制的表号，初次安装，电工需要把用户信息与表号记录后输进用电治理计算机中，完成用户与治理计算机的连接。治理计算机采用广播式通讯方式下传时段设置与校时信息，此时不带有地址信息，而电能表中断接收;上位机采用呼唤地址的方式上传信息，即呼唤谁的地址，那只电能表便把信息及其校验码打包向上传送给用电治理计算机，实现电能回抄。MAX487的DE为发送器使能端，DE为1时发送器可以工作，DI为输进端，A、B为输出端。当DE为0时，停止发送输出端为高阻。RE为输进使能端，RE为0时答应接收器工作，A、B为输进端，RO为输出端;RE为1时，接收器被禁止，RO为高阻状态。因此，采用半双工通讯方式，把DE和RE相连然后接AT89S52的P1.4，通过AT89S52的P1.4引脚来控制收发工作状态。

1.4串行存储器

串行存储器采用美国XICOR公司的X25045低功耗芯片，它具备看门狗定时器WTD、电源电压监控和具有512字节的串行E2PROM存储器三种功能。WTD可以设置为200ms、600ms、1400ms喂狗定时间隔，软件编程写进X25045中。在程序正常运行期间，WTD在定时间隔内收到触发信号，确保程序正常运行，一端WTD在定时间隔内没有收到触发信号，X25045便通过RESET引脚输出一个高电平信号，触发电能表复位来防止程序跑飞。X25045作为串行存储芯片，512字节分别用于存储电能表编码，多费率时段设置，上月和当月分时段的峰、平、谷电量和总累计电量等信息，存储次数可改写十万次，数据可保存一百年，它与AT89S52可采用SPI协议总线接口相连。

1.5时钟电路

时钟电路采用S3530A芯片完成，它是一种支持I2C总线的低功耗时钟芯片，它按照CPU经RS485通讯接收校时的数据来设置时钟和日历，靠自身的振荡继续走时。在S3530A的Xin和Xout引脚之间跨接32.768kHz的晶体器振荡器。它通过两线式与CPU连接，SDA脚和SCL脚分别接AT89S52的P2.0和P2.1，并有两个中断报警引脚可设置为输出秒或分同步脉冲，向AT89S52提供周期为1秒的中断信号，单片机系统将根据该信号通过I2C通讯接口读取当前的时间，计算出该时刻所属的时段，实现多费率电能表的分时段计量电能。该时钟电路带有备用锂电池，正常工作时有电源Vcc供电，同时给3.6V锂电池充电;当出现停电时，自动切换锂电池为时钟电路供电，即使停电时钟走时也正确。

1.6液晶显示

采用HOLTEK公司HT1621的LCD显示驱动芯片,实现十六位LCD数字显示。HT1621是具有128段(32×4)内置存储器的LCD驱动器，它片内包括控制与计时电路、显示RAM、LCD驱动及偏置、监视定时器等，采用了48脚SSOP封装,具有体积小和功耗低的优点,非常适合于应用电能表中，其接口电路和外围电路简单，它和AT89S52之间采用串行接口，只需三根线。AT89S52的P2.4、P2.5、P2.6分别接到它的CS片选、WR写答应、DATA串行数据三个引脚上，来控制刷新显示RAM缓冲区。另外应用中，在VDD、VLCD间接一个20kΩ可调电阻，用来调节LCD显示对比度，调节电阻，使得VDD=5V，VLCD=4V对比度较好。

1.7防窃电检测等

记录电能表接线端子盖被人为打开的次数而分析是否窃电。电能表被安装好后将表壳打上铅封，用户不能私自打开电能表接线的表盖破坏铅封，否则属于窃电行为。因此我们采用霍尔传感器，检测接线端子盖是否被打开。假如接线端子盖被打开，AT89S52的P1.6引脚的电平变化，就检测到开盖一次，记录表的接线端子盖被人为打开和破环的次数，判定是否有窃电发生，当发现有窃电现象时，给出报警、断电并及时上传到上位治理计算机。实践证实该新奇的防窃电技术有效的防止窃电情况发生，效果较好。检测电路框图如图2所示。

图2：防窃电检测框图

掉电保护电路，用AT89S52的P1.7输进引脚检测掉电信号，当系统正常工作是P1.7位高电平，当忽然发生断电时，P1.7变成低电平，采用查询方式检测到P1.7的变为低电平后，将进进掉电保护程序。电源电路中有个大滤波电容1000uf/25v，当掉电后能维持系统十多秒的工作时间，确保电能表存储好重要数据。光电隔离电路，在系统中AD775的脉冲输出端，继电器控制端，RS485通讯端分别使用了4N35光电隔离器。通过光的耦合作用传递电信号，把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，进步系统抗干扰的能力。

2软件程序设计

2.1软件程序资源分配

多费率单相电能表软件程序共包括初始化及主程序，X25045读写程序，RS485串行通讯处理程序，中断处理程序，定时器处理程序，HT1621显示控制程序，电能分时段计量与掉电处理程序，系统自检与软件抗干扰处理八大程序模块。系统的中断资源分配为INT0中断用于AD7755脉冲检测，INT1用于秒同步检测，定时器T0用于定时100ms，T1未使用，T2用于串行通讯程序波特率发生器，串行口中断设置为RS485异步通讯接收中断。

2.2程序模块的设计

电能表的工作过程主程序模块如图3所示，每次上电要进行初始化，初始化包括对AT89S52单片机定时器、串行口、中断等工作方式的设定，写进串行存储芯片X25045的控制字，串行时钟芯片S3530A控制字，串行液晶驱动芯片HT1621控制字。新电能表的初次工作要对X25045初始值设定，包括电能表表号的设置，时段的设置，时钟的设置，存储地址的分配等。本系统设置了三个时段，单片机每秒从时钟芯片S3530A中读取时钟值，然后根据串行存储芯片X25045中预先设置好的时段，分析该时刻属于哪个时段，根据相应的时段把电能存储AT89S52的RAM存储器中，然后电能每累计够1度便写进到X25045相应的地址中。16位液晶显示器轮流显示时段与电能信息。若有通讯请求将采用中断方式与上位机进行数据通讯。若停电，将执行掉电保护程序。其它程序模块流程图略。

图3：主程序流程图

测试结果

该电能表在淄博贝林电子有限公司进行了误差测试和运行试验，上位计算机完成用电治理时段设置，设置三个费率时段，第一时段00点00分点到06点30分，为谷电量时段，第二时段06点30点到22点30分，为峰电量时段，第三时段22点30点到24点00分，为平电量时段。费率时段设置由电力供电公司根据国家政策规定设定到计算机治理系统中，通过RS485串行通讯传送到电能表中，并存储于X25045中。每月峰、平、谷、累计电量存进电能表中，并打包传送到上位计算机治理系统，通讯波特率设为9600bit/s。用0.1级标准电子式电能表校验台作为标准表，该多费率电能表为被测表，贝林电子有限公司针对不同负荷的情况下进行测试，限于篇幅仅列出负荷为5KW时的实测数据如表1所示。测试结果表明该复费率电能表误差小于1%，属于1.0级标准。经实验得知减小电能计量误差方法，一是通过调节AD7755的匹配电阻调整到精确值;二是该匹配电阻阻值要求随温度变化阻值变化较小;三是在电能计量过程中，在时间段的切换时，计量电能的尾数部分不足0.01度的电能计进下一个时间段中，避免了不足0.01度的电能丢失而造成累计电量有误差。

表1：标准表与被测表丈量值符合5KW

结束语

多费率电能表根据不同的时段设置，实现电能分时计量，采用RS485串行通讯，实现电量自动回抄，实时校时。该电能表经淄博贝林电子有限公司生产表明，设计技术新奇，计量正确，走时精确，时段设置灵活，防窃电设计新奇，各项技术指标均达到国家多费率电能表的技术标准，具有广阔的应用远景。

本文作者创新点在于采用AD7755电能计量芯片计量正确;串行X25045存储灵活可靠，串行时钟S3530A走时精确，RS485总线传输可靠性高，防窃电新奇设计。采用I2C总线结构多费率单相电能表设计更加公道，具有性价比高的特点