原標(biāo)題：基于PIC16C73單片機對數(shù)字式家用電度表的設(shè)計方案

設(shè)計一個基于 PIC16C73 單片機 和 74LS164 移位寄存器 的數(shù)字式家用電度表方案，涉及多個硬件和軟件部分的設(shè)計。在這一方案中，我將詳細描述每個組件的選擇原因、功能和作用，以及如何集成它們來構(gòu)建系統(tǒng)。

1. 系統(tǒng)設(shè)計概述

數(shù)字式家用電度表的主要任務(wù)是實時測量家庭用電量，并以數(shù)字方式顯示。該系統(tǒng)的核心部件包括：

• PIC16C73單片機：處理所有的計算和控制任務(wù)。

• 74LS164移位寄存器：用于驅(qū)動LED顯示屏。

• 電能計量模塊：用于采集電流和電壓數(shù)據(jù)。

• LED顯示屏：顯示當(dāng)前的電能消耗。

• 其他輔助電路：如電源管理、接口電路等。

2. 主要硬件組件選擇與作用

2.1 PIC16C73 單片機

• 功能：該單片機是數(shù)字電度表的“大腦”，負責(zé)執(zhí)行數(shù)據(jù)處理、控制電流采樣、計算電量以及通過移位寄存器控制LED顯示屏的顯示。

• 選擇理由：

• 內(nèi)置Flash和EEPROM：方便存儲程序和重要參數(shù)。

• 低功耗設(shè)計：對于家用電度表來說，低功耗是必需的。

• 豐富的I/O端口：可以直接連接外部電流和電壓采樣模塊，以及顯示控制模塊。

• 內(nèi)置定時器：可以用來計時并管理測量周期。

2.2 74LS164 移位寄存器

• 功能：74LS164用于將單片機的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，驅(qū)動LED顯示屏顯示電度數(shù)值。

• 選擇理由：

• 低延遲和快速響應(yīng)：74LS164的工作速度足夠快，適合控制快速響應(yīng)的顯示系統(tǒng)。

• 容易擴展：通過級聯(lián)多個74LS164，可以驅(qū)動多位LED顯示屏。

• 簡易的接口：只需兩根控制線（串行輸入和時鐘）即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，減少了單片機的負擔(dān)。

2.3 電能計量模塊（例如ZMPT101B電壓傳感器和ACS712電流傳感器）

• 功能：用于測量家庭電網(wǎng)的電壓和電流，從而計算電能消耗。

• 選擇理由：

• ACS712：該電流傳感器用于測量交流電流，可以直接將電流信號轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號供單片機讀取。

• ZMPT101B：該電壓傳感器可以用來測量交流電壓，輸出與電壓成比例的模擬信號。

2.4 LED 顯示屏（例如7段數(shù)碼管）

• 功能：顯示電度數(shù)值。

• 選擇理由：

• 清晰易讀：7段數(shù)碼管顯示清晰，適合用戶閱讀。

• 經(jīng)濟性：7段數(shù)碼管成本較低，且易于驅(qū)動。

2.5 電源模塊

• 功能：為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。

• 選擇理由：

• 需要使用穩(wěn)壓電源，以確保系統(tǒng)各部分的正常運行。

• 適配家庭220V電源輸入。

3. 詳細電路設(shè)計

3.1 電源電路

電源電路主要負責(zé)從220V AC電網(wǎng)提供穩(wěn)定的5V DC電壓，確保電度表正常工作。可以使用一個AC-DC轉(zhuǎn)換器，然后使用5V穩(wěn)壓芯片（如LM7805）來穩(wěn)定電源電壓。

3.2 電流和電壓采樣電路

使用ACS712電流傳感器和ZMPT101B電壓傳感器來分別采集電流和電壓信號。兩者均為模擬信號輸出，需通過ADC（由單片機內(nèi)置或外部添加）進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。

• 電流采樣電路：

• 使用ACS712電流傳感器，連接到電流回路，輸出的電壓信號將進入單片機的ADC通道進行轉(zhuǎn)換。

• 電壓采樣電路：

• 使用ZMPT101B電壓傳感器，連接到電壓回路，輸出電壓信號同樣通過ADC進行采樣。

3.3 處理電路

單片機PIC16C73在接收到ADC信號后，會進行電流和電壓的計算，結(jié)合公式：

$$P = U imes I$$P=U×I

計算瞬時功率，進而累加出總消耗電量。

3.4 顯示電路

通過74LS164移位寄存器將數(shù)據(jù)傳送到LED顯示屏，每個移位寄存器控制一位數(shù)字，通過串行通信方式從單片機獲取數(shù)據(jù)。

• 數(shù)據(jù)流動：

• PIC16C73單片機通過SPI協(xié)議發(fā)送串行數(shù)據(jù)。

• 數(shù)據(jù)通過74LS164轉(zhuǎn)換為并行信號，驅(qū)動數(shù)碼管顯示。

4. 軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)初始化

在系統(tǒng)啟動時，單片機會初始化所有的硬件資源（如ADC通道、定時器、串行通信接口等），并進入主循環(huán)。

4.2 數(shù)據(jù)采集與處理

在主循環(huán)中，系統(tǒng)會定期通過ADC讀取電壓和電流的值，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算電能消耗。通過定時器觸發(fā)定時任務(wù)，實現(xiàn)定時數(shù)據(jù)采集。

4.3 數(shù)據(jù)顯示

將計算得到的電能數(shù)值通過移位寄存器控制LED顯示屏進行顯示。為了提高顯示的流暢度，可以設(shè)計一個簡單的刷新機制，定期刷新顯示數(shù)據(jù)。

4.4 用戶界面（可選）

如果需要，可以增加一些按鈕或其他輸入設(shè)備，允許用戶手動復(fù)位顯示、查看歷史數(shù)據(jù)或進行其他操作。

5. 電路框圖

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|                   |
|      AC Power     |
|     220V AC       |
|                   |
+-------------------+
         |
         |
         v
+-------------------+
| AC-DC Converter   |----> 5V DC Power
|   (e.g., LM7805)  |
+-------------------+
         |
         v
+-------------------+               +-------------------+
|   PIC16C73 MCU    |<----> ADC ----|   ACS712 Current  |
|                   |               |   Sensor          |
|                   |               +-------------------+
|                   |               +-------------------+
|                   |<----> ADC ----|   ZMPT101B Voltage|
|                   |               |   Sensor          |
+-------------------+               +-------------------+
         |                                   |
         v                                   v
+-------------------+               +-------------------+
| 74LS164 Shift Reg |<----> 7-Segment Display
|                   |
+-------------------+

設(shè)計關(guān)鍵要素

1. 核心處理單元：PIC16C73單片機

• 該單片機為系統(tǒng)的核心，負責(zé)電流和電壓數(shù)據(jù)的采集、計算和處理。內(nèi)置ADC模塊可以直接讀取電流和電壓傳感器輸出的模擬信號，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進行電量計算。其低功耗和豐富的I/O接口使其非常適合用于家用電度表的設(shè)計。

2. 顯示控制：74LS164移位寄存器

• 74LS164用于將單片機的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行信號，驅(qū)動多個7段數(shù)碼管顯示電能消耗數(shù)據(jù)。由于移位寄存器的串行輸入方式，可以有效減少單片機I/O端口的占用，提升系統(tǒng)的擴展性和穩(wěn)定性。

3. 電流采集：ACS712電流傳感器

• ACS712電流傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測電流并將其轉(zhuǎn)化為與電流成比例的模擬電壓信號。它的高精度和簡單的輸出接口使其成為測量交流電流的理想選擇，適合用于電度表的電流測量模塊。

4. 電壓采集：ZMPT101B電壓傳感器

• ZMPT101B電壓傳感器用于采集家庭電壓，輸出與電壓成比例的模擬信號。該傳感器的設(shè)計考慮到了家庭電網(wǎng)的電壓特性，能夠穩(wěn)定準(zhǔn)確地傳輸電壓數(shù)據(jù)，供單片機進行實時監(jiān)測和計算。

5. 顯示模塊：7段數(shù)碼管

• 7段數(shù)碼管用于實時顯示電度表的電量數(shù)據(jù)。通過74LS164移位寄存器將單片機的數(shù)據(jù)輸出傳遞給數(shù)碼管，從而實現(xiàn)清晰、直觀的數(shù)字顯示，用戶可以方便地讀取當(dāng)前電能消耗情況。

6. 電源模塊：穩(wěn)壓電源管理

• 系統(tǒng)使用AC-DC轉(zhuǎn)換器將家庭220V交流電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5V直流電源，保證電度表各個部分能夠穩(wěn)定運行。通過LM7805穩(wěn)壓芯片，確保電源的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的可靠性，提供持續(xù)的電力供應(yīng)。