原標(biāo)題：基于PIC16C73單片機(jī)對(duì)數(shù)字式家用電度表的設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)一個(gè)基于 PIC16C73 單片機(jī) 和 74LS164 移位寄存器 的數(shù)字式家用電度表方案，涉及多個(gè)硬件和軟件部分的設(shè)計(jì)。在這一方案中，我將詳細(xì)描述每個(gè)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(jì)概述

數(shù)字式家用電度表的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)測(cè)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(jī)：處理所有的計(jì)算和控制任務(wù)。

• 74LS164移位寄存器：用于驅(qū)動(dòng)LED顯示屏。

• 電能計(jì)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(jī)

• 功能：該單片機(jī)是數(shù)字電度表的“大腦”，負(fù)責(zé)執(zhí)行數(shù)據(jù)處理、控制電流采樣、計(jì)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(chǔ)程序和重要參數(shù)。

• 低功耗設(shè)計(jì)：對(duì)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(shí)器：可以用來計(jì)時(shí)并管理測(cè)量周期。

2.2 74LS164 移位寄存器

• 功能：74LS164用于將單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)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(kuò)展：通過級(jí)聯(lián)多個(gè)74LS164，可以驅(qū)動(dòng)多位LED顯示屏。

• 簡易的接口：只需兩根控制線（串行輸入和時(shí)鐘）即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，減少了單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。

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

• 功能：用于測(cè)量家庭電網(wǎng)的電壓和電流，從而計(jì)算電能消耗。

• 選擇理由：

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

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

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(jì)性：7段數(shù)碼管成本較低，且易于驅(qū)動(dòng)。

2.5 電源模塊

• 功能：為整個(gè)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(yùn)行。

• 適配家庭220V電源輸入。

3. 詳細(xì)電路設(shè)計(jì)

3.1 電源電路

電源電路主要負(fù)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?？梢允褂靡粋€(gè)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(hào)。兩者均為模擬信號(hào)輸出，需通過ADC（由單片機(jī)內(nèi)置或外部添加）進(jìn)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(hào)將進(jìn)入單片機(jī)的ADC通道進(jìn)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(hào)同樣通過ADC進(jìn)行采樣。

3.3 處理電路

單片機(jī)PIC16C73在接收到ADC信號(hào)后，會(huì)進(jìn)行電流和電壓的計(jì)算，結(jié)合公式：

$$P = U imes I$$P=U×I

計(jì)算瞬時(shí)功率，進(jìn)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(gè)移位寄存器控制一位數(shù)字，通過串行通信方式從單片機(jī)獲取數(shù)據(jù)。

• 數(shù)據(jù)流動(dòng)：

• PIC16C73單片機(jī)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(hào)，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。

4. 軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)初始化

在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，單片機(jī)會(huì)初始化所有的硬件資源（如ADC通道、定時(shí)器、串行通信接口等），并進(jìn)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(huì)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(jì)算電能消耗。通過定時(shí)器觸發(fā)定時(shí)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)定時(shí)數(shù)據(jù)采集。

4.3 數(shù)據(jù)顯示

將計(jì)算得到的電能數(shù)值通過移位寄存器控制LED顯示屏進(jìn)行顯示。為了提高顯示的流暢度，可以設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的刷新機(jī)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(dòng)復(fù)位顯示、查看歷史數(shù)據(jù)或進(jìn)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(jì)關(guān)鍵要素

1. 核心處理單元：PIC16C73單片機(jī)

• 該單片機(jī)為系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)電流和電壓數(shù)據(jù)的采集、計(jì)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(hào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行電量計(jì)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(jì)。

2. 顯示控制：74LS164移位寄存器

• 74LS164用于將單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行信號(hào)，驅(qū)動(dòng)多個(gè)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(jī)I/O端口的占用，提升系統(tǒng)的擴(kuò)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(shí)監(jiān)測(cè)電流并將其轉(zhuǎn)化為與電流成比例的模擬電壓信號(hào)。它的高精度和簡單的輸出接口使其成為測(cè)量交流電流的理想選擇，適合用于電度表的電流測(cè)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(hào)。該傳感器的設(shè)計(jì)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(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和計(jì)算。

5. 顯示模塊：7段數(shù)碼管

• 7段數(shù)碼管用于實(shí)時(shí)顯示電度表的電量數(shù)據(jù)。通過74LS164移位寄存器將單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸出傳遞給數(shù)碼管，從而實(shí)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(gè)部分能夠穩(wěn)定運(yùn)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)。