一．前言

　　發展歷程

　　數字電能表在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，數字電壓表有了不斷的進步和提高。數字電能表剛開始是4位顯示，然后是5位、6位，而現在發展到7位、8位數碼顯示；從最初的一兩種類型發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到能測幾十種參數的多用型；顯示器件也從輝光數碼管發展到等離子體管、發光二極管、液晶顯示器等。數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。

　　數字電能表的高速發展，使它已成為實現測量自動化、提高工作效率不可缺少的儀表，現在已經廣泛應用于電子、電工測量，自動化測試系統等領域。故數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的數字電能表。硬件電路設計簡單，具有讀數方便、誤差小、穩定性高等特點，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字儀表、專用數字儀表及各種非電量的數字化儀表（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

　　數字電能表，是采用數字化的測量技術，將連續的模擬量轉換成為離散的數字形式并加以顯示的電子測量儀表。傳統的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數字化時代的需求。數字電能表具有以下九大特點：1. 顯示清晰直觀，讀數準確；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。數字電能表是諸多數字化儀表的核心與基礎，電壓表的數字化是將連續的模擬量如直流電壓轉換成不連續的離散的數字形式并加以顯示，這有別于傳統的以指針加刻度盤進行讀數的方法，避免了讀數的視差和視覺疲勞。數字電能表的內部核心部件是A/D轉換器，轉換器的精度影響數字電能表的準確度，本文采用ADC0809對輸入模擬信號進行轉換，控制核心STM32單片機對轉換的結果進行運算和處理后，形成精度較高的數字信號輸出到LED數碼管進行顯示。

　　目前，由各種單片A/D 轉換器構成的數字電能表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業自動化儀表、自動測試系統等領域，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展，更是經常需要測量高精度的電壓，所以數字電能表就成為一種必不可少的測量儀器。另外，由于數字式儀器具有讀數準確方便、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，數字式電能表就是基于這種需求而發展起來的。

　　2.內容簡介

　　本設計是以基于單片機的數字電能表設計為研究內容。首先對數字電能表作詳細介紹，接著講述數字電能表的類型和作用以及一些數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。由于大規模集成電路數字芯片的高速發展，各種數字芯片品種多樣，導致對模擬數據的采集部分的不一致性，進而又使對數據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現，數字電能表一般分為以下幾類：

　　方案一：由數字電路及芯片構建。

　　此類數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。它由模擬電路與數字電路兩大部分組成，模擬部分包括輸入放大器、A/D轉換器；數字部分包括計數器、譯碼器、邏輯控制器、振蕩器和顯示器。其中，A/D轉換器是它的核心器件，它將輸入的模擬量轉換成數字量。模擬電路和數字電路是相互聯系的，由邏輯控制電路產生控制信號，按規定的時序將A/D轉換器中各組模擬開關接通或斷開，保證A/D轉換正常進行。A/D轉換結果通過計數譯碼電路變換成段碼，最后驅動顯示器顯示出相應的數值。

　　方案二：由單片機系統及數字芯片構建

　　這種方案是利用單片機系統與模數轉換芯片、顯示模塊等的結合構建數字電能表。本系統以STM32單片機為核心控制器，經A／D轉換將測得的模擬信號轉換為數字信號輸人給單片機，經單片機進行信號處理后，形成精度較高的數字信號輸出到LED數碼管進行顯示，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轉換模塊、數據處理模塊及顯示控制模塊。A/D轉換主要由芯片ADC0809來完成，它負責把采集到的模擬量轉換為相應的數字量再傳送到數據處理模塊。數據處理則由芯片STM32來完成，其負責把接收到的數字量經過數據處理，產生正確的數碼管的顯示段碼，再通過軟件程序將采集到的數據送單片機系統存儲并在顯示器上顯示出來。同時它還通過其三位I/O口產生位選信號，控制數碼管的亮滅。另外，STM32還控制著ADC0809的工作。顯示模塊主要由數碼管組成，顯示測量到的數值。

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

　　4.方案比較

　　通過比較，我們會發現：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設計的成功，這是它的優點也是缺點；二是通過單片機系統，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對其升級，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，第二類設計的優勢更明顯，也更合理。