电子式单相电能表

ADE7755的二时段单相数字电能表设计

摘 要

Abstract

目录

第一章 绪论²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

1.2 课题研究背景及意义²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

1.2.1 课题研究背景²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

1.2.2 课题研究意义²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

1.3 数字电能表的发展和现状²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

1.3.1 电能表发展历程··························

1.3.2 数字电能表未来发展趋势··················

1.4 本文主要研究内容²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

第二章 电能计量原理及多功能电能表通信规约的介

绍··²²²

2.1 数字电能表的电能计量原理和方法²²²²²²²²²²²²

2.2 多功能电能表通信规约的介绍²²²²²²²²²²²²²²²²

2.3 本章小结·²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

第三章 基于ADE7755的计量模块硬件设计²²²²²²²²²²²²²

3.2 电能计量芯片ADE7755的简介²²²²²²²²²²²²²

3.2.1 功能简介及功能框图²²²²²²²²²²²²²²²²²

3.2.2 外部引脚及其功能说明²²²²²²²²²²²²²²²²

3.3 电能计量过程介绍²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

3.3.1 ADE7755工作原理·²²²²²²²²²²²²²²²²²²

3.3.2 电能计量电路设计²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

第四章 单相数字电能表的系统硬件设计·²²²²²²²²²²²²²

1.2 系统的总体设计²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

1.2.1 系统总体设计思路··²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

1.2.2 电能计量电路的基本组成²²²²²²²²²²²²²²²²²

1.3 电源模块设计²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

1.4 控制模块设计·²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

5.1.1 单片机8051简介²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

5.1.2 控制电路设计²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

1.5 LCD 显示模块设计²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

5.1.1

5.1.2

5.1.3 LCD 显示器工作原理简介²²²²²²²²²²²²²² 芯片1602简介²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 显示电路设计²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

1.6 通信接口模块设计²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

5.1.4

5.1.5

5.1.6

5.1.7 51单片机的串行通信基础²²²²²²²²² RS232串行口标准简介²²²²²²²²²²²²²² MAX232简介²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 通信接口电路设计²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

1.7 数据存储模块设计·²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

5.1.8

5.1.9 芯片24C02简介²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 存储模块电路设计··²²²²²²²²²²²²²²²²²

1.8 时钟芯片²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

5.1.10 DS1302简介

5.1.11 时钟电路设计

第五章 单相数字电能表的系统软件设计²²²²²²²²²²²²²

5.1 软件集成开发环境简介²²²²²²²²²

5.1.1

5.1.2 Keil C51μVision3介绍 编程语言选择

5.2 数字电能表系统软件的总体设计²²²²²²²²²²²²

5.3 系统软件主程序设计²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

5.4 电能计量模块²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

5.5 LCD 显示模块²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

5.6 数据存储模块²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

5.7 时钟芯片²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

5.8

第六章 课题结论与展望²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 参考文献²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2.1 课题研究背景

传统的感应式机械电能表从1890年发明以来已经有一百多年历史,

虽然经过多方面改进, 但仍然存在个突出问题:①工作不稳定, 精度低, 内部

的转动元件难免产生机械磨损, 使电能表测量误差越来越大; ②体积庞大,

价格昂贵; ③由于构造原理的问题, 很容易窃电。于是新型的数字式电能表

应用而生。数字式电能表可视性强, 大致可分为以下两类。第一类是在原

来机械式电能表的基础上, 仅在表盘上打一个很小的光电检测孔, 表盘每

转一圈给出一个脉冲信号, 经放大和整形后, 作为计数脉冲, 所计的客户用

电量通过数码管或LCD 显示出来。这种电能表只是改变了其计数显示方

式, 没有脱离传统感应式机械电能表的本质, 机械磨损还存在, 精度低, 不稳

定, 所以完全被淘汰。第二类是利用传感器来采样电流、电压, 然后把采样

到的电流、电压信号转换成数字信号或计数脉冲来计量客户所用电量,

再通过数码管或LCD 显示出来。

1.2.2 课题研究意义

研制电能计量装置具有非常重大的意义，它能对电能进行精确的计

量，并且能对主要的电参数如电压，电流，功率，功率因数，及频率等

进行监测，同时还具有存储显示功能，并同时具有完备的通信功能。数

字电能表的研制，大大促进了对电能的合理利用和调度

本文所设计的这种单相数字电能表是一种高精度多功能的单相电能

表，利用电能计量专用芯片来计量所耗电量(单向电能计量芯片

ADE7755), 功能多, 精度高, 更有利于实行远程抄表, 有利于电能的合理管

理和应用。

1.2 数字电能表的发展和现状

1.2.1 电能表发展历程

电能表的发展历经了由感应式电能表→机电式电能表→电子式电能

表→智能电表的过程。

早期的感应式电能表和机电式电能表大多结构简单、操作安全、维

修方便、造价低廉等，但是准确度低、适用频率窄、功能单一、功能扩

展困难、且对非线性负荷、冲击负荷的计量误差较大。而电子式电能表

则功能强大，准确度高，误差曲线平直且稳定，启动电流小、频率响应

范围宽、功耗小、便于安装使用、过载能力强、防窃电能力强，随着科

学技术的发展，尤其是电子技术，计算机技术、网络技术和通信技术的

飞速发展及日臻完善，自动化技术的不断进步，使得研制数字电能表成

为可能，并且具有巨大的商业价值和发展优势。

1.2.2 数字电能表未来发展趋势

自19世纪末第一只感应式电能表用于电量计量以来，随着技术的

进步尤其是上世纪70年代以来大规模集成电路的发展，电能表也由机

械式向电子式发展，目前电子式电能表已基本取代了传统的机械式电能

表，并开始走向智能化。而智能化数字电表正向着多功能、数字化、网

络化、智能化、实时互动化的方向发展，就是以单片机为核心，配以相

应的测试电路、通讯接口和相应的监控软件，通过总线把多个智能化功

能单元连成局域网，再由上位机测控软件实现。随着计算机、信息人工

智能、自动控制、系统工程的发展，一个全新的智能化系统已经形成。

集计算、信息、自动化、管理为一体的电能计量装置是发展的方向之一。电力检测仪实现智能化，能够进一步适应我国电力系统的发展，满足运

营管理的需要，解决特殊负载用户的计量问题

1.3 本文主要研究内容

本论文主要内容是设计一种单相数字电能表，完成对电能的精确计

量、显示以及通过串行通信接口实现与计算机之间远程通信。本次设计

主要是基于电能计量芯片ADE7755和MCS —51系列单片机8051。主

要任务是完成电能计量电路及显示的各个模块的硬件设计和软件设计

的程序框图，实现电能采集、电能计量、电能显示和与计算机的远程通

信等功能。

本论文主要结构如下：

第一章主要介绍数字电能表的研究背景、意义及其发展状况和趋势；

第二章主要介绍电能计量原理以及多功能电能表通信规约；

第三章主要是基于ADE7755的计量模块硬件设计，

第四章主要介绍数字电能表的硬件设计，主要分为电源模块、控制

模块、显示模块、通信接口模块几个部分；

第五章主要介绍数字电能表的软件设计；

第六章是对本论文的总结与展望。

第二章 电能计量原理及多功能电能表通信规约的介绍

2.1 数字电能表的电能计量原理和方法

电能基本表达式如下：

式中u(t)、i(t)、p(t)分别是顺势电压、瞬时电流、瞬时功率值，所以测量电能的基本方法是将电压、电流相乘，然后在时间上再累加（即积分）起来。 对于大多数电子式电能表，电能计量的原理基本相同，主要包括对电压和电流的实时采样，将采样得到的电压和电流值相乘，计算出有效值、有功功率、无功功率等。采样份直流采样和交流采样两种，与直流采样相比，交流采样具有计算灵活、精度高、响应速度快等优点。

当采样输入信号为正弦波时，测量时域、频域信号的算法有导数算法、半周期算法等。由于这些算法计算量小，因此应用较为普遍，尤其是对实时性要求很高的场合

2.2 多功能电能表通信规约的介绍

2.3 本章小结

第三章 基于ADE7755的计量模块硬件设计

3.1 电能计量芯片ADE7755的简介

3.1.1 功能简介及功能框图

（1） ADE7755功能概述

ADE7755是一种高准确度电能测量电路集成电路，主要用于单

相电表系统，其技术指标超过了IEC1036规定的准确度要求。它只

在ADC 和基准电路中使用了模拟电路，其他的信号处理都由数字

电路完成，这使得在恶劣的环境下仍然可以保持极高的准确度和长

时间的稳定性，通过引脚F1、F2以低频形式输出有功功率的平均

值，可以直接驱动机电式计数器，或者与微控制器接口，从引脚

CF 以高频形式输出有功功率的瞬时值，用于电能计量表的校准。

（2） 功能特点

● 精度高，在500：1动态范围内误差低于0.1%；

● F1、F2输出频率表示平均有功功率；

● 高频输出CF 用于校准，并提供即时有功功率；

● 逻辑输出引脚REVP 能只是负功率或错误链接；

● 可直接驱动机电式计数器和两相步进电机；

● 在片电源监控电路；

● 防潜动；

● 在片电压源2.5V ±9%;

● 单5V 电源，低功耗；

● 采用SSOP24封装。

（3） 功能框图

3.1.2 外部引脚及其功能说明

ADE7755有24脚DIP 和SSOP 两种封装

（1）管脚排列图如下：

（2）管脚功能说明

● DVDD ，数字电源引脚。该引脚提供数字电路的电源，正常工作

电源电压应保持在5V ±5%，该引脚应使用 10µF 陶瓷电容进行去耦

● AC/DC，高通滤波器HPF 选择引脚。当该引脚输入高电平时，通道

1（电流通道）内的 HPF被选通，该滤波器所涉及的相位响应在45Hz

至 1kHz范围内在片内已得到补偿。在电能计量的应用中，应使 HPF

选通。

● A VDD ，模拟电源引脚。 该引脚提供 模拟电路的电源， 正常工作

电源电压应保持在5V ±5%，当使电源的纹波和噪声减小到最低程

度，该引脚应使用 10µF 电容并联 100nF 陶瓷电容进行去耦。

● NC （6号引脚），与6脚短接

● V1P ，V1N ，通道 1（电流通道）的正、负模拟输入引脚。完全差

动输入方式，正常工作最大信号电平为±470mV 。通道1有一个PGA 。

这两个引脚相对于AGND 的最大信号电平为±1V 。两个引脚内部都

有 ESD 保护电路，这两个引脚能承受±6V 的过电压，而不造成永

久性损坏。

● RESET ，复位引脚。当为低电平时，ADC 和数字电路保护复位状态，

在RESET 的下降沿，清除内部寄存器。

● REFIN/OUT，基准电压的输入、输出引脚。片内基准电压的正常值

为 2.5V±8%，典型温度系数为 30ppm/℃。 外部基准源可以直接

连接到该引脚上。无论用内部还是外部基准源，该引脚都应使用

10µF 钽电容和100nF 陶瓷电容对 AGND 进行去耦。

● AGND ，这是 模拟电路（即ADC 和基准源）的接地参考点，该引

脚应连接到印刷电路板的模拟接地面。模拟接地面是所有模拟电路

的接地参考点，如抗混叠滤波器、电流和电压传感器等。为了有效

地抑制噪声，模拟接地面与数字接地面只应有一点连接。星形接地

方法有助于使数字电流噪声远离模拟电路。

● SCF ，校验频率选择。该引脚的逻辑输入电平确定 CF引脚的输出

频率。

● S1，S0，这两个引脚的逻辑输入用来选择数字/频率转换系数， 这

为电度表的设计提供了很大灵活性。

● G1，G0，这两个引脚的逻辑输入用来选择通道1 的增益，可用来

选择增益是1,2,8, 和16。

● CLKIN ，外部时钟可从该引脚接入，也可把一个石英晶体接在CLKIN

和 CLKOUT 之间，提供时钟源，规定时钟频率为3.579545MHz 。作

为石英晶体负载的33pF 陶瓷电容应和振荡器门电路连接。

● CLKOUT ，如上所述，可把一个石英晶体接在 CLKIN 和 CLKOUT 之

间，提供一个时钟源。当CLKIN 上接有外时钟时 CLKOUT引脚能驱

动一个CMOS 负载。

● NC ，悬空。

● REVP ，当检测到负功率时，即电压和电流信号的相位差大于 90°

时，该引脚输出逻辑高电平。该输出没有被锁存，当再次检测到正

功率时，该引脚的输出复位。该输出的逻辑状态随 CF输出脉冲同

时变化。

● DGND ，这是数字电路（即乘法器、滤波器和数字频率转换器）的

接地参考点。该引脚应连接到印刷电路板的数字接地面，数字接地

面是所有数字电路（如机械或数字计数器、微控制器和 LED 显示

器的接地参考点。为了有效地抑制噪声，模拟接地面与数字接地面

只应有一点连接，如星形接地。

● CF ，频率较验输出引脚。其输出频率反映瞬时有功功率的大小，常

用于仪表校验。

● F2，F1，低频逻辑输出引脚，其输出频率反映平均有功功率的大小。

这两个逻辑输出可以直接驱动机电式计数器或两相步进电机。

3.2 电能计量过程介绍

3.2.1

ADE7755工作原理

芯片内部两个ADC 对来自电流和电压传感器的电压信号进行数

字化。ADE7755的模拟输入结构具有宽动态范围，大大简化了传感器

接口（可以与传感器直接连接），也简化了抗混叠滤波器的设计。电流

通道中的PGA 进一步简化了传感器接口。电流通道中的HPF 滤掉电流

信号中的直流分量，从而消除了由于电压或者电流失调所造成的有功功

率计算上的误差。

有功功率是从瞬时功率信号推导计算出来，瞬时功率信号是用电

流和电压信号直接相乘得到的。为了得到有功功率分量（即直流分量），只要对瞬时功率信号进行低通滤波就行了。下图示出了瞬时有功功率如

何通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获取有功功率。这个过程中所有

的信号处理都是由数字电路完成的，因此具有优良的温度和时间稳定

性。

ADE7755的低频输出是通过对上述有功功率信息的累计产生，即在两

个输出脉冲之间经过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功

率。当这个平均有功功率信息进一步被累加，就能获得电能计量信息。CF 输出的频率较高，累加时间较短，因此CF 的输出频率正比于瞬时

有功功率，这对于在稳定负载条件下进行系统校验是很有用的。

3.2.2 电能计量电路设计

电能测量电路如上图所示, 主要是由电压检测电路、电流检测电路

和电能计量芯片 ADE7755 及其外围电路组成。首先, 负载电流经过电

流传感器再通过滤波电路后转换成合适的电压信号送入到电能计量芯

片 ADE7755 的电流通道, 即 V1P 和V1N 端; 而 220V 相电压则通过

电压传感器降压后, 再通过滤波电路送入电能计量芯片 ADE7755 的电

压通道, 即 V2P 和 V2N 端二者经过 ADE7755 转换成有功功率以高

频脉冲形式从 CF 端输出然后接入到单片机 AT89C51 的外部中断信

号输入端, 即单片机控制电路从 ADE7755 的 CF 端采集脉冲经过处理

后得到的数据送到 LCD 显示电路进行显示, 并通过远程通讯电路把数

据传送到上位机。

CF 脚接在单片机的T0计数器上，由单片机对CF 脚输出的脉冲进

行计数，再根据ADE7755的原理，计算出功率所测功率。S0\S1和SCF

分别接在P2.0、P2.1、P2.2口。

第四章

4.1 单相数字电能表的系统硬件设计 系统的总体设计

4.1.1 系统总体设计思路

本文所设计的电能计量电路，主要由电能计量芯片ADE7755、单

片机8051、LCD 液晶显示电路、存储器、远程通讯接口以及电源部分

组成。

由高精度单向电能计量芯片ADE7755来采集电压、电流。经

ADE7755转换成有功功率，以高频脉冲形式输出，将输出功率传送至

单片机8051，作为输入。高性能单片机8051作为整个电能采集电路的

控制中心

将8051与LCD 显示电路相连接，LCD 显示电路采用1602芯片，

将所采集的电能数据经处理后在LCD 液晶显示器上显示，并将数据存

储在非易失存储器中，以防止停电时数据丢失，存储芯片选用24C02，

且同时通过远程通讯电路将所得数据传送至上位机，串行通讯接口选用

MAX232.

4.1.2 电能计量电路的基本组成

4.2 电源模块设计

电源模块为系统板上其它模块提供＋5V 电源，电源输入有两种方

式，一种为交直流电源从电源插座输入，输入的电压要求，直流输入应

大于7.5V ，交流输入应大于5V ，通过7805三端稳压器得到5V 的直流

电源供给系统其它模块工作，另一种为从USB 接口获取＋5V 电源，只

要用相应配套的USB 线从电脑主机获取＋5V 直流电源，在电源模块中

加有保护电路，即电路中有短路，不会对7805三端稳压器及电脑主机

电源有损害！其电路实现如下：

在电路中提供一个电源插座PHONEJACK2，将5V 直流电源引入系统中，经

过稳压器7805稳压后提供5V 电压源供单片机和各个电路正常工作，7805三端稳压器件。共有三个引脚：一号引脚为电压输入端，输入电压要大于5V ，二号引脚为5V 稳压输出端，三号引脚为接地端。。同时，为了更好的指示出通电状态，还引入了一个LED 发光二级管，当电源接通时，发光二极管导通发光，反之则熄灭。

4.3 控制模块设计

4.3.1 单片机8051简介 （1） 8051概述

MCS —51是指由美国INTEL 公司生产的一系列单片机的总称，

这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，

8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051

的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来

称呼MCS51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，

所以很多场合会看到8031的名称。INTEL 公司将MCS51的核心技术

授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，

当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是

这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL 公司开发生产

的。本论文中我们将用89C51来完成电能表的设计

（2） 功能特点

● 1个八位的处理器，片内带振荡器；

● 128字节的片内数据存储器；

● 21个特殊功能寄存器；

● 4KB 的片内程序存储器；

● 4个八位并行口（P0，P1，P2，P3）；

● 1个全双工串行口

● 2个16位的定时器/计数器，记为T0、T1；

● 5个中断源，即两个外部输入中断，两个定时器/计数器中断，一

个串行口中断；

● 2个中断优先级 ；

● 111条指令，具有位寻址功能，片内采取单总线结构。

（3） 管脚排列图

8051有40个引脚，常用的有40引脚的直插封装（DIP 方式），

如下图所示：

（4） 引脚功能说明

1. 电源引脚Vcc 和Vss

Vcc(40 脚) ：电源端，为＋5V 。

Vss(20 脚) ：接地端。

2. 时钟电路引脚XTAL1 和XTAL2

XTAL2（18 脚）：接外部晶体和微调电容的一端；在8051 片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。

XTAL1(19 脚) ：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。

3. 控制信号引脚RST,ALE,PSEN 和EA

RST/VPD(9 脚) ：RST 是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持备用电源的输入端。当主电源Vcc 发生故障，降低到低电平规定值时，将＋5V 电源自动两个机器周期(24个时钟振荡周期) 的高电平时，就可以完成复位操作。RST 引脚的第二功能是VPD, 即接入RST 端，为RAM 提供备用电源，以保证存储在RAM 中的信息不丢失，从而合复位后能继续正常运行。

ALE/PROG(30 脚) ：地址锁存允许信号端。当8051 上电正常工作后，ALE 引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率fOSC 的1/6。CPU 访问片外存储器时，ALE 输出信号作为锁存低8 位地址的控制信号。平时不访问片外存储器时，ALE 端也以振荡频率的1/6 固定输出正脉冲，因而ALE 信号可以用作对外输出时钟或定时信号。ALE 端的负载驱动能力为8 个LS 型TTL(低功耗甚高速TTL) 负载。此引脚的第二功能PROG 在对片内带有4KB EPROM 的8751 编程写入(固化程序) 时，作为编程脉冲输入端。

PSEN(29 脚) ：程序存储允许输出信号端。在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。此引肢接EPROM 的OE 端(见后面几章任何一个小系统硬件图) 。PSEN 端有效，即允许读出EPROM ／ROM 中的指令码。PSEN 端同样可驱动8 个LS 型TTL 负载。

EA （31 脚) ：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。此引脚的第二功能是Vpp 是对8751 片内EPROM 固化编程时，作为施加较高编程电压（一般12V ～21V ）的输入端。

4. 输入/输出端口P0/P1/P2/P3，以实现数据的并行输入输出，每一个口都有一个8位锁存器，复位后初始状态皆为“1”；

4.3.2

控制电路设计 8051控制电路的最小系统如下：

（1） 复位电路

单片机的复位操作有两种方式：上电复位和上电按钮复位。因为系统运行等的需要，常常需要人工按钮复位，因此本次设计中采用如图所示的上电按钮复位。

（2） 晶振电路

8051单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。设计电路中采用内部时钟接法，如上图所示。

4.4

LCD 显示模块设计

4.4.1 LCD 显示器工作原理简介

LCD 液晶显示器是一种极低功耗的显示器件，其工作电流小、重量轻、功耗低、寿命长，字迹清晰美观，在便携式仪表以及低功耗应用的较高档仪器仪表中被广泛采用。它从显示的形式上可分为段式、点阵字符式和点阵图形式，本次设计中采用点阵式LCD 显示器1602。

4.4.2 芯片1602简介

(1) 功能概述

1602字符型LCD 是一种专门用于显示字母、数字、符号

等点阵式LCD ，其主要技术参数如下：

显示容量：16³2个字符；

芯片工作电压：4.5V —5.5V ；

工作电流：2.0 mA（5.0V ）;

模块最佳工作电压：5.0V ；

字符尺寸：2.95³4.35（W ³H ）㎜

（2） 引脚功能简介

第1脚： VSS 为地电源；

第2脚：VDD 接5V 正电源；

第3脚：VL 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K 的电位器调整对比度；

第4脚：RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选

择指令寄存器；

第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行

写操作，当RS 和R/W同时为低电平时可以写入指令或显示地址，当RS 为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS 为高电平R/W为低电平时可以写入数据；

第6脚：E 端为使能端，当E 端由高电平跳变为低电平时，液晶模

块执行命令；

第7~14脚：D0—D7为8位双向数据线；

第15脚：背光源正极；

第16脚：背光源负极。

4.4.3

显示电路设计

4.5 通信接口模块设计

4.5.1 51单片机的串行通信基础

计算机的数据传送共分为两种方式：并行数据传送和串行数据传送。 并行数据传送的特点是：多个数据位同时传送，传送速度快，效率高，单并行数据传送有多少数据位就需要多少根线，因此传送成本高。并行数据传送比较适用于短距离的数据传送，如计算机内部的数据传送都采用并行方式。

串行数据传送的特点是：数据传送按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成，成本低但速度慢。计算机与外界的数据传送大多数是串行的，其传送的距离可以从几米到几千千米。

通常把计算机与外界的数据传送称之为通信，因此所谓串行通信也就是串行数据传送。串行通信又分为异步和同步两种方式。在8051中使用的串行通信都是异步方式。

串行通信的数据通路形式有单工、半双工和全双工三种形式，8051的串行口结构比较复杂，具有四种工作方式，这些工作方式可以用SCON 中的SM0和SM1两位来确定。

4.5.2

RS232C 串行口标准简介

RS-232C 是美国电子工业协会EIA 于1962年指定的一种串行通信接口标准。RS-232C 标准规定了在串行通信中数据终端设备和数据通信设备间物理连接线路的电气特性、通信格式和约定，是异步串行通信中应用最广的总线标准。

完整的RS-232C 借口有主信道、辅信道共22跟西安组成，不过该标准对引脚的加些特性并未作出严格规定，一般采用标准的25芯D 型插座，尽管辅信道也用于串行通信，单速率低。很少用。此外，当两个设备以异步方式通信时，也无需使用主信道中所有的联络信号，因此RS-232C 借口也可以用9芯D 型插座。

其实RS-232C 接口联络信号没有严格定义，在极端情况下可能不是用联络信号，只通过TXD 、RXD 和GND 三根线连接实现串行通信。

4.5.3 MAX232简介

MAX232 芯片是美信公司专门为电脑的 RS-232 标准串口设计的单电源电平转换芯片, 使用+5v 单电源供电。

主要特点：

1、符合所有的 RS-232C 技术标准

2、只需要单一 +5V 电源供电

3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V 和-10V 电压 V+、V-

4、功耗低，典型供电电流 5mA

5、内部集成 2 个 RS-232C 驱动器

管脚封装图：

引脚介绍：

第一部分是电荷泵电路。由 1、2、3、4、5、6 脚和 4 只电容构成。功能是产生+12v 和-12v 两个电源，提供给 RS-232 串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚

构成两个数据通道。其中 13 脚（R1IN ）、12 脚（R1OUT ）、11 脚（T1IN ）、14 脚（T1OUT ）为第一数据通道。8 脚（R2IN ）、9 脚（R2OUT ）、10 脚（T2IN ）、7 脚（T2OUT ）为第二数据通道。 TTL/CMOS 数据从 T1IN 、T2IN 输入转换成 RS-232 数据从 T1OUT 、T2OUT 送到电脑 DB9 插头；DB9 插头的 RS-232 数据从 R1IN 、R2IN 输入转换成 TTL/CMOS 数据后从 R1OUT 、R2OUT 输出。

第三部分是供电。15 脚 GND 、16 脚 VCC （+5v）。

4.5.4

通信接口电路设计

4.6 数据存储模块设计

4.6.1 芯片24C02简介

（1） 概述

CAT24WC02是一个2K 位串行 CMOS E2PROM 内部含有256个

8 位字节 CATALYST 公司的先进 CMOS 技术实质上减少了器件的

功耗， CAT24WC02有一个 16 字节页写缓冲器 该器件通过I2C 总

线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。

（2） 功能特性

● 与 400KHz I2C 总线兼容

● 1.8 到 6.0 伏工作电压范围

● 低功耗 CMOS 技术

● 写保护功能 当 WP 为高电平时进入写保护状态

● 页写缓冲器

● 自定时擦写周期

● 1,000,000 编程/擦除周期

● 可保存数据 100 年

● 8 脚 DIP SOIC 或 TSSOP 封装

● 温度范围 商业级 工业级和汽车级

（3） 管脚配置与管脚描述

工作温度：工业级 -55℃ ~+125℃

商业级 0 ℃~+75℃

贮存温度：-65℃~+150℃

各管脚承受电压：-2.0~Vcc+2.0V

Vcc 管脚承受电压：-2.0 ~+7.0V

封装功率损耗 （Ta=25℃）：1.0W

焊接温度(10 秒) ：300℃

输出短路电流 100mA

（5） I2C 总线协议

CAT24WC02支持I2C 总线数据传送协议，I2C 总线协议规定，任何

将数据传送到总线的器件作为发送器。任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据(发送或接收) 的模式，通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个24WC01和24WC02器件，4个24WC04 器件，2个24WC08器件和1个24WC16器件连接到总线上。I2C 协议定义如下：

● 只有在总线空闲时才允许启动数据传送。

● 在数据传送过程中，当时钟线为高电平时，数据线必须保持稳定状态，

不允许有跳变时。钟线为高电平时，数据线的任何电平变化将被看作总

线的起始或停止信号。

● 起始信号时，时钟线保持高电平期间，数据线电平从高到低的跳变作为

I2C 总线的起始信号。

● 停止信号时，时钟线保持高电平期间，数据线电平从低到高的跳变作为

I2C 总线的停止信号。

4.6.2

存储模块电路设计

4.7 时钟芯片

4.7.1 DS1302 简介

DS1302是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、 低功耗的实时时

钟芯片，附加31字节静态 RAM ，采用 SPI 三线接口与 CPU 进行

同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和 RAM

数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与

31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.5～

5.5V 。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电

方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302的外部

引脚分配及内部结构如下图所示。DS1302用于数据记录，特别是对

某些具有特殊意义的数据点的记录上， 能实现数据与出现该数据的

时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。

DS1302外部引脚分配

DS1302内部结构图

各引脚的功能为：

Vcc1：主电源；Vcc2：备份电源。当 Vcc2>Vcc1+0.2V 时，

由 Vcc2向 DS1302供电，当 Vcc2

I/O：三线接口时的双向数据线；

CE ：输入信号，在读、写数据期间，必须为高。该引脚有两

个功能：第一，CE 开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，CE 提供结束单字节或多字节数据传输的方法。

4.7.2

时钟电路设计

第五章 单相数字电能表的系统软件设计

5.1 软件集成开发环境

5.1.1 Keil C51μVision3介绍

（1） Keil8051简介

Keil 软件公司提供的专用的8051嵌入式应用开发工具套件，可以编译

C 源文件、汇编源文件、连接定位目标模块和库、生成并调式目标程序，为实际的每一种8051及其派生系列产品生成嵌入式应用系统。

KeilC51交叉编译器兼容ANSI （美国国家标准协会）C 编译器，准用于

为8051微控制器系列产生快速紧凑的目标代码。

使用Keil8051开发工具套件，以工程的形式组织各类文件，工程开发

周期与任何其他软件开发工程的周期大致相同，步骤如下：

创建工程，从器件数据库选择应用系统的8051目标芯片，并设置开

发工具命令选项。

● 创建和编写C 或者汇编源文件。

● 通过工程管理器连编应用系统。

● 纠正源文件中的错误。

● 测试连接后的应用系统。

（2）Keil C51μVision3

Keil C51 µVision3集成开发环境是Keil Software 公司开发的基于80C51内核的微处理器的软件开发平台，可用于多种8051MCU 的集成开发环境（IDE ），内嵌多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成从工程建立和管理、编译、链接、目标代码的生成、软件仿真及硬件仿真等完整的开发流程。尤其是C 编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平，而且可以附加灵活地控制选项，在开发大项目时非常理想。除增加了源代码、功能导航器、模板编辑以及改进的搜索功能外，µVision3还提供了一个配置向导功能，加速了启动代码和配置文件的生成。此外其内置的仿真器可模拟目标MCU ，包括指令集、片上外围设备及外部信号等。µVision3提供逻辑分析器，可监控基于MCU I/O引脚和外设状态变化下的程序变量的变化。由于µVision3的众多优点，受到许多工程师的青睐[8]。

在Keil C51集成开发环境下是使用工程的方式来管理文件的，而不是单一文件的模式。所有的文件包括源程序、头文件以及说明性的技术文档，他们都可以放在同一工程项目文件中管理。一般可以按照下面的步骤来创建一个自己的应用程序。

● 新建一个工程项目文件；

● 为工程选择目标器件（如8051）；

● 为工程项目设置软件调试环境；

● 创建源程序文件并输入程序代码；

● 保存创建的源程序项目文件；

● 把源程序文件添加到项目中；

● 将工程编译、链接生成目标文件；

● 对生成的目标文件调试和仿真。

Keil C51 µVision3集成开发环境如下图所示：

（3）单片机Keil μVision3集成开发环境简单运用

一，创建一个工程

1、打开keil 软件开发环境

2、点击菜单project ，选择new project

3、输入文件名字，选择要保存的路径，点击保存

4、选择单片机型号

5、点击确定，弹出对话框“询问是否复制标准8051”启动代码并将其加入工程。选择“是”

6、创建源程序文件：点击菜单File---new

7、输入程序

8、选择菜单File---save

9、选择要保存的路径，输入文件名“必须输入扩展名asm”

10、点击Target1前面的“+”展开source group1

11、右键点击source group1弹出菜单，选择add files to group source

group1，选择刚才编写的文件，点击add 按钮，把文件加入工程

12、点击close ，关闭对话框

二，参数设置

右键点击target1，选择option for target “target1”

三，程序测试与仿真

1、project---build target 编译

2、如有错误，在编译窗口有详细说明，改正，保存，在编译。

3、debug---Start/stop debug session

5.1.2 编程语言选择

8051内核的单片机编程语言常用的有二种，一种是汇编语言，一种是C 语言。单片机在推广应用的初期，主要使用汇编语言，这是因为当时的开发工具只能支持汇编语言。采用汇编语言编写的应用程序可直接操纵系统的硬件资源，能编写出高运行效率的程序代码，程序运行速度快。但因汇编语言难学、可读性差、调式修改困难，且编写比较复杂的数值计算程序非常困难。为了提高编制单片机系统应用程序的效率，改善程序的可读性和可移植性，最好采用高级语言编程，随着硬件技术的发展，单片机开发工具的功能也有很大的提高，对于8051单片机，有四种语言支持，即汇编语言、PL/M语言、C 语言和BASIC 语言。C 语言是一种通用的程序设计语言，其代码效率高、数据类型及运算丰富，并具有良好的程序结构，使用于各种应用的程序设计，现在的单片机仿真器普遍支持C 语言程序的调式。

C语言编写的程序所产生的目标代码的运行速度极高，所需存储空间极小，完全可以和汇编语言媲美。与汇编语言相比，用C 语言编写应用程序具有如下特点：

● 无需了解机器硬件及其指令系统；

● C51能管理内部寄存器的分配、不同存储器的寻址和数据类型等细

节问题；

● C51虽然在小程序中执行速度较慢，但是在较大的程序中代码效率

很高；

● C51程序由若干函数组成，具有良好的模块化结构，便于改进和扩

充；

● C51程序具有良好的可读性和可维护性, 而汇编语言在大应用程序

开发中，开发难度增加，可读性差；

● C51有丰富的库函数，可大大减少用户的编程量，显著缩短编程与

调式时间，大大提高软件开发效率；

● 使用汇编语言编制的程序，当机型改变时，无法直接移植使用，而

C 语言程序是面向用户的程序设计语言，能在不同的机器上运行，

可移植性好。

应用C 语言编制程序的步骤是：

● 使用通用的文字编辑软件，例如用EDIT 、仿真器开发商提供的集成

开发软件等编写C 语言源程序；

● 可用支持C 语言的仿真器对编好的程序进行调式、纠错和优化； ● 对调试好的源程序进行编译；

● 将生成的目标程序文件，用编程器写入单片机的程序存储器，就完

成了程序制作的全过程。

5.2 数字电能表系统软件的总体设计

5.3 系统软件主程序设计

5.4 电能计量模块

5.5 LCD 显示模块

5.6 数据存储模块

5.7 时钟芯片

5.8

5.9

第六章 课题结论与展望