一．前言

　　發(fā)展歷程

　　數(shù)字電能表在1952年由美國NLS公司首次從電位差計的自動化過程中研制成功。50多年來，數(shù)字電壓表有了不斷的進步和提高。數(shù)字電能表剛開始是4位顯示，然后是5位、6位，而現(xiàn)在發(fā)展到7位、8位數(shù)碼顯示；從最初的一兩種類型發(fā)展到原理不同的幾十種類型；從最早的采用繼電器、電子管發(fā)展到全晶體管、集成電路、微處理器化；從一臺儀器只能測一到兩種參數(shù)到能測幾十種參數(shù)的多用型；顯示器件也從輝光數(shù)碼管發(fā)展到等離子體管、發(fā)光二極管、液晶顯示器等。數(shù)字電壓表的體積和功耗越來越小，重量不斷變輕，價格也逐步下降，可靠性越來越高，量程范圍也逐步擴大。

　　數(shù)字電能表的高速發(fā)展，使它已成為實現(xiàn)測量自動化、提高工作效率不可缺少的儀表，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應用于電子、電工測量，自動化測試系統(tǒng)等領域。故數(shù)字電壓表已成為一種必不可少的測量儀器。本設計是基于單片機STM32的數(shù)字電能表。硬件電路設計簡單，具有讀數(shù)方便、誤差小、穩(wěn)定性高等特點，具有較高應用價值，特別適合平常簡單的測量。采用智能化的數(shù)字儀器將是必然的趨勢，它們不僅能提高測量準確度，而且能提高電測量技術的自動化程序，可以擴展成各種通用數(shù)字儀表、專用數(shù)字儀表及各種非電量的數(shù)字化儀表（如：溫度計、濕度計、酸度計、重量、厚度儀等），幾乎覆蓋了電子電工測量、工業(yè)測量、自動化儀表等各個領域。從而提高計量檢定人員的工作效率。

　　二．正文

　　1.簡介

　　數(shù)字電能表，是采用數(shù)字化的測量技術，將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成為離散的數(shù)字形式并加以顯示的電子測量儀表。傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數(shù)字化時代的需求。數(shù)字電能表具有以下九大特點：1. 顯示清晰直觀，讀數(shù)準確；2. 準確度高；3. 分辨率高；4. 測量范圍寬；5. 擴展能力強；6. 測量速率快；7．輸入阻抗高；8. 集成度高，微功耗；9. 抗干擾能力強。采用單片機的數(shù)字電能表不僅精度高、抗干擾能力強，可擴展性強、集成方便，還可以與PC進行實時通信。數(shù)字電能表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎，電壓表的數(shù)字化是將連續(xù)的模擬量如直流電壓轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的離散的數(shù)字形式并加以顯示，這有別于傳統(tǒng)的以指針加刻度盤進行讀數(shù)的方法，避免了讀數(shù)的視差和視覺疲勞。數(shù)字電能表的內(nèi)部核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的精度影響數(shù)字電能表的準確度，本文采用ADC0809對輸入模擬信號進行轉(zhuǎn)換，控制核心STM32單片機對轉(zhuǎn)換的結果進行運算和處理后，形成精度較高的數(shù)字信號輸出到LED數(shù)碼管進行顯示。

　　目前，由各種單片A/D 轉(zhuǎn)換器構成的數(shù)字電能表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等領域，顯示出強大的生命力。與此同時，擴展而成的各種通用及專用數(shù)字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術提高到嶄新水平。在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個被測量。而且隨著電子技術的發(fā)展，更是經(jīng)常需要測量高精度的電壓，所以數(shù)字電能表就成為一種必不可少的測量儀器。另外，由于數(shù)字式儀器具有讀數(shù)準確方便、精度高、誤差小、靈敏度高和分辨率高、測量速度快等特點而倍受用戶青睞，數(shù)字式電能表就是基于這種需求而發(fā)展起來的。

　　2.內(nèi)容簡介

　　本設計是以基于單片機的數(shù)字電能表設計為研究內(nèi)容。首先對數(shù)字電能表作詳細介紹，接著講述數(shù)字電能表的類型和作用以及一些數(shù)字電能表的制作原理和構造，對比一下各種方法制造的電能表，對各種電能表的制作做一個歸納和總結，最后給出自己的方案和準備采用的方法。

　　3.方案選擇

　　在本設計中，有方案的多樣性特點。由于大規(guī)模集成電路數(shù)字芯片的高速發(fā)展，各種數(shù)字芯片品種多樣，導致對模擬數(shù)據(jù)的采集部分的不一致性，進而又使對數(shù)據(jù)的處理及顯示的方式的多樣性。綜合大部分資料文獻之后發(fā)現(xiàn)，數(shù)字電能表一般分為以下幾類：

　　方案一：由數(shù)字電路及芯片構建。

　　此類數(shù)字電能表一般又分為三位半和四位半，即分別有三位完整顯示位和四位完整顯示位，最高位都只顯示0或者1。它由模擬電路與數(shù)字電路兩大部分組成，模擬部分包括輸入放大器、A/D轉(zhuǎn)換器；數(shù)字部分包括計數(shù)器、譯碼器、邏輯控制器、振蕩器和顯示器。其中，A/D轉(zhuǎn)換器是它的核心器件，它將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。模擬電路和數(shù)字電路是相互聯(lián)系的，由邏輯控制電路產(chǎn)生控制信號，按規(guī)定的時序?qū)/D轉(zhuǎn)換器中各組模擬開關接通或斷開，保證A/D轉(zhuǎn)換正常進行。A/D轉(zhuǎn)換結果通過計數(shù)譯碼電路變換成段碼，最后驅(qū)動顯示器顯示出相應的數(shù)值。

　　方案二：由單片機系統(tǒng)及數(shù)字芯片構建

　　這種方案是利用單片機系統(tǒng)與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、顯示模塊等的結合構建數(shù)字電能表。本系統(tǒng)以STM32單片機為核心控制器，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換將測得的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸人給單片機，經(jīng)單片機進行信號處理后，形成精度較高的數(shù)字信號輸出到LED數(shù)碼管進行顯示，并留有一定的接口，供擴展用。該電能表的測量電路主要由三個模塊組成：A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及顯示控制模塊。A/D轉(zhuǎn)換主要由芯片ADC0809來完成，它負責把采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為相應的數(shù)字量再傳送到數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理則由芯片STM32來完成，其負責把接收到的數(shù)字量經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生正確的數(shù)碼管的顯示段碼，再通過軟件程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)送單片機系統(tǒng)存儲并在顯示器上顯示出來。同時它還通過其三位I/O口產(chǎn)生位選信號，控制數(shù)碼管的亮滅。另外，STM32還控制著ADC0809的工作。顯示模塊主要由數(shù)碼管組成，顯示測量到的數(shù)值。

　　由于單片機的發(fā)展已經(jīng)成熟，利用單片機系統(tǒng)的軟硬件結合，可以組裝出許多的應用電路來。

　　4.方案比較

　　通過比較，我們會發(fā)現(xiàn)：與前一種設計相比，第二類設計有幾大突出特點，一是硬件電路與軟件系統(tǒng)的互相結合，二者缺一不可，只有在硬件連接無誤的基礎上，再加以精確的程序才能最終實現(xiàn)設計的成功，這是它的優(yōu)點也是缺點；二是通過單片機系統(tǒng)，我們還可以在原有的電路上不斷補充和改進我們的設計，不僅可以讓設計更加完美，而且可以在必要的時候?qū)ζ渖?，比如可以更換芯片、提高其精度等，而第一種則很難，若要更換芯片，則要改變整個電路的設計。由此可見，第二類設計的優(yōu)勢更明顯，也更合理。