原标题：基于PIC16C73单片机对数字式家用电度表的设计方案

设计一个基于 PIC16C73 单片机 和 74LS164 移位寄存器 的数字式家用电度表方案，涉及多个硬件和软件部分的设计。在这一方案中，我将详细描述每个组件的选择原因、功能和作用，以及如何集成它们来构建系统。

1. 系统设计概述

数字式家用电度表的主要任务是实时测量家庭用电量，并以数字方式显示。该系统的核心部件包括：

• PIC16C73单片机：处理所有的计算和控制任务。

• 74LS164移位寄存器：用于驱动LED显示屏。

• 电能计量模块：用于采集电流和电压数据。

• LED显示屏：显示当前的电能消耗。

• 其他辅助电路：如电源管理、接口电路等。

2. 主要硬件组件选择与作用

2.1 PIC16C73 单片机

• 功能：该单片机是数字电度表的“大脑”，负责执行数据处理、控制电流采样、计算电量以及通过移位寄存器控制LED显示屏的显示。

• 选择理由：

• 内置Flash和EEPROM：方便存储程序和重要参数。

• 低功耗设计：对于家用电度表来说，低功耗是必需的。

• 丰富的I/O端口：可以直接连接外部电流和电压采样模块，以及显示控制模块。

• 内置定时器：可以用来计时并管理测量周期。

2.2 74LS164 移位寄存器

• 功能：74LS164用于将单片机的串行数据转换为并行数据，驱动LED显示屏显示电度数值。

• 选择理由：

• 低延迟和快速响应：74LS164的工作速度足够快，适合控制快速响应的显示系统。

• 容易扩展：通过级联多个74LS164，可以驱动多位LED显示屏。

• 简易的接口：只需两根控制线（串行输入和时钟）即可实现数据传输，减少了单片机的负担。

2.3 电能计量模块（例如ZMPT101B电压传感器和ACS712电流传感器）

• 功能：用于测量家庭电网的电压和电流，从而计算电能消耗。

• 选择理由：

• ACS712：该电流传感器用于测量交流电流，可以直接将电流信号转化为模拟电压信号供单片机读取。

• ZMPT101B：该电压传感器可以用来测量交流电压，输出与电压成比例的模拟信号。

2.4 LED 显示屏（例如7段数码管）

• 功能：显示电度数值。

• 选择理由：

• 清晰易读：7段数码管显示清晰，适合用户阅读。

• 经济性：7段数码管成本较低，且易于驱动。

2.5 电源模块

• 功能：为整个系统提供稳定的电源。

• 选择理由：

• 需要使用稳压电源，以确保系统各部分的正常运行。

• 适配家庭220V电源输入。

3. 详细电路设计

3.1 电源电路

电源电路主要负责从220V AC电网提供稳定的5V DC电压，确保电度表正常工作。可以使用一个AC-DC转换器，然后使用5V稳压芯片（如LM7805）来稳定电源电压。

3.2 电流和电压采样电路

使用ACS712电流传感器和ZMPT101B电压传感器来分别采集电流和电压信号。两者均为模拟信号输出，需通过ADC（由单片机内置或外部添加）进行数字化转换。

• 电流采样电路：

• 使用ACS712电流传感器，连接到电流回路，输出的电压信号将进入单片机的ADC通道进行转换。

• 电压采样电路：

• 使用ZMPT101B电压传感器，连接到电压回路，输出电压信号同样通过ADC进行采样。

3.3 处理电路

单片机PIC16C73在接收到ADC信号后，会进行电流和电压的计算，结合公式：

$$P = U imes I$$P=U×I

计算瞬时功率，进而累加出总消耗电量。

3.4 显示电路

通过74LS164移位寄存器将数据传送到LED显示屏，每个移位寄存器控制一位数字，通过串行通信方式从单片机获取数据。

• 数据流动：

• PIC16C73单片机通过SPI协议发送串行数据。

• 数据通过74LS164转换为并行信号，驱动数码管显示。

4. 软件设计

4.1 系统初始化

在系统启动时，单片机会初始化所有的硬件资源（如ADC通道、定时器、串行通信接口等），并进入主循环。

4.2 数据采集与处理

在主循环中，系统会定期通过ADC读取电压和电流的值，并根据这些数据计算电能消耗。通过定时器触发定时任务，实现定时数据采集。

4.3 数据显示

将计算得到的电能数值通过移位寄存器控制LED显示屏进行显示。为了提高显示的流畅度，可以设计一个简单的刷新机制，定期刷新显示数据。

4.4 用户界面（可选）

如果需要，可以增加一些按钮或其他输入设备，允许用户手动复位显示、查看历史数据或进行其他操作。

5. 电路框图

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

设计关键要素

1. 核心处理单元：PIC16C73单片机

• 该单片机为系统的核心，负责电流和电压数据的采集、计算和处理。内置ADC模块可以直接读取电流和电压传感器输出的模拟信号，转换为数字信号，进行电量计算。其低功耗和丰富的I/O接口使其非常适合用于家用电度表的设计。

2. 显示控制：74LS164移位寄存器

• 74LS164用于将单片机的串行数据转换为并行信号，驱动多个7段数码管显示电能消耗数据。由于移位寄存器的串行输入方式，可以有效减少单片机I/O端口的占用，提升系统的扩展性和稳定性。

3. 电流采集：ACS712电流传感器

• ACS712电流传感器能够实时监测电流并将其转化为与电流成比例的模拟电压信号。它的高精度和简单的输出接口使其成为测量交流电流的理想选择，适合用于电度表的电流测量模块。

4. 电压采集：ZMPT101B电压传感器

• ZMPT101B电压传感器用于采集家庭电压，输出与电压成比例的模拟信号。该传感器的设计考虑到了家庭电网的电压特性，能够稳定准确地传输电压数据，供单片机进行实时监测和计算。

5. 显示模块：7段数码管

• 7段数码管用于实时显示电度表的电量数据。通过74LS164移位寄存器将单片机的数据输出传递给数码管，从而实现清晰、直观的数字显示，用户可以方便地读取当前电能消耗情况。

6. 电源模块：稳压电源管理

• 系统使用AC-DC转换器将家庭220V交流电源转换为稳定的5V直流电源，保证电度表各个部分能够稳定运行。通过LM7805稳压芯片，确保电源的稳定性和系统的可靠性，提供持续的电力供应。