原標題：基于PIC16C73單片機對數字式家用電度表的設計方案

設計一個基于 PIC16C73 單片機 和 74LS164 移位寄存器 的數字式家用電度表方案，涉及多個硬件和軟件部分的設計。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建系統。

1. 系統設計概述

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

• PIC16C73單片機：處理所有的計算和控制任務。

• 74LS164移位寄存器：用于驅動LED顯示屏。

• 電能計量模塊：用于采集電流和電壓數據。

• LED顯示屏：顯示當前的電能消耗。

• 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：該單片機是數字電度表的“大腦”，負責執行數據處理、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：

• 內置Flash和EEPROM：方便存儲程序和重要參數。

• 低功耗設計：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據轉換為并行數據，驅動LED顯示屏顯示電度數值。

• 選擇理由：

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

• 容易擴展：通過級聯多個74LS164，可以驅動多位LED顯示屏。

• 簡易的接口：只需兩根控制線（串行輸入和時鐘）即可實現數據傳輸，減少了單片機的負擔。

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段數碼管）

• 功能：顯示電度數值。

• 選擇理由：

• 清晰易讀：7段數碼管顯示清晰，適合用戶閱讀。

• 經濟性：7段數碼管成本較低，且易于驅動。

2.5 電源模塊

• 功能：為整個系統提供穩定的電源。

• 選擇理由：

• 需要使用穩壓電源，以確保系統各部分的正常運行。

• 適配家庭220V電源輸入。

3. 詳細電路設計

3.1 電源電路

電源電路主要負責從220V AC電網提供穩定的5V DC電壓，確保電度表正常工作。可以使用一個AC-DC轉換器，然后使用5V穩壓芯片（如LM7805）來穩定電源電壓。

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（由單片機內置或外部添加）進行數字化轉換。

• 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移位寄存器將數據傳送到LED顯示屏，每個移位寄存器控制一位數字，通過串行通信方式從單片機獲取數據。

• 數據流動：

• PIC16C73單片機通過SPI協議發送串行數據。

• 數據通過74LS164轉換為并行信號，驅動數碼管顯示。

4. 軟件設計

4.1 系統初始化

在系統啟動時，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。

4.2 數據采集與處理

在主循環中，系統會定期通過ADC讀取電壓和電流的值，并根據這些數據計算電能消耗。通過定時器觸發定時任務，實現定時數據采集。

4.3 數據顯示

將計算得到的電能數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，可以設計一個簡單的刷新機制，定期刷新顯示數據。

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備，允許用戶手動復位顯示、查看歷史數據或進行其他操作。

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
|                   |
+-------------------+

設計關鍵要素

1. 核心處理單元：PIC16C73單片機

• 該單片機為系統的核心，負責電流和電壓數據的采集、計算和處理。內置ADC模塊可以直接讀取電流和電壓傳感器輸出的模擬信號，轉換為數字信號，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計。

2. 顯示控制：74LS164移位寄存器

• 74LS164用于將單片機的串行數據轉換為并行信號，驅動多個7段數碼管顯示電能消耗數據。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，提升系統的擴展性和穩定性。

3. 電流采集：ACS712電流傳感器

• ACS712電流傳感器能夠實時監測電流并將其轉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。該傳感器的設計考慮到了家庭電網的電壓特性，能夠穩定準確地傳輸電壓數據，供單片機進行實時監測和計算。

5. 顯示模塊：7段數碼管

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

6. 電源模塊：穩壓電源管理

• 系統使用AC-DC轉換器將家庭220V交流電源轉換為穩定的5V直流電源，保證電度表各個部分能夠穩定運行。通過LM7805穩壓芯片，確保電源的穩定性和系統的可靠性，提供持續的電力供應。