電子式智能單項電表畢業(yè)設(shè)計論文

1、1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘要 i 摘要 電能是國民經(jīng)濟、工業(yè)、商業(yè)、等人民生活的重要二次能源，電能在現(xiàn)代 社會中是普遍使用的，所以電能計量裝置在發(fā)、供、用電的地位是十分重要的。 電能計量裝置就更顯得重要，電能表作為測量電能的專用儀表，自誕生已有 100 多年的歷史。電能表在電能管理用儀器儀表中占有很大比例，其性能直接影響著 電能管理的效率和科學文化水平。100 多年來，隨著電力系統(tǒng)、所有以電能為動 力的產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及電能管理系統(tǒng)的不斷完善，電能表的結(jié)構(gòu)和性能也經(jīng)歷了不 斷更新、優(yōu)化的發(fā)展過程。電能表作為測量電能的專用儀表其性能直接影響著電 能管理的效率，為使電能計量儀器儀表適應工業(yè)現(xiàn)代化

2、和電能管理現(xiàn)代化飛速發(fā) 展的需求電子式電能表應運而生。 本設(shè)計的單相電子電能表具有用電計量、監(jiān)視、控制、管理四大功能，由于 內(nèi)部無機械摩擦而準確度高，靈敏度高，易實現(xiàn)自動化測量，用 rs485 可實 現(xiàn)遠方通信 。本次設(shè)計的多功能單相電子式電能表能采集計算電壓、電流、有 功電能、無功電能，在電能表本體上有 lcd 顯示器，顯示采集和計算的各種所 需數(shù)據(jù)；并具有 rs485 通訊接口。 該設(shè)計對電能表的功能及分類作了簡單的介紹，讓讀者對電能表有個基本的 了解，知道它是如何產(chǎn)生的及它的發(fā)展情況，它有什么用途，對單相電子式電能 表的硬件結(jié)構(gòu)作了詳細的描述，分別從電源電路、計量電路、通訊電路、管理電

3、路及其它部分電路四大部分著手介紹了各部分的原理及電路圖，并對它們分別作 了講解。 關(guān)鍵詞：電能表 電子式 單相式 rs485 多功能 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘要 ii abstract electricity is the national economy, the industrial, commercial, and peoples life as an important secondary energy, power in modern society is commonly used, so energy metering device in hair, offer, ele

4、ctricity position is very important. electricity measurement device is more important, the special power as measurement watt-hours meter, has since birth history of over 100 years. watt-hour meter in power management with instruments of very large proportion, its capability directly affects the effi

5、ciency of power management and scientific and cultural level. more than 100 years, along with the power system, all based on the power for the development of power industry and power management system, perfecting the structure and properties of the meter has experienced constantly updated, optimizin

6、g the process of development. as a special measuring electric power meter its capability directly affects the efficiency of power management, to make electricity measurement instruments to adapt to industrial modernization and power management modernization rapid development needs) -phase watt-hour

7、meter arises at the historic moment. this design single-phase electronic watt-hour meter has electricity meters, surveillance, control, management four function, due to internal no mechanical friction and high accuracy, high sensitivity, easy to realize automatic measurement, can be realized with rs

8、 - 485 distance communication. this design is muti_function single- phase) -phase watt-hour meter can acquisition calculation voltage, current, power, reactive power meritorious there in watt-hour meter ontology, lcd monitor and display the collection and calculation of the data; and with rs485 comm

9、unication interface. the design of the function and classification of watt-hour meter makes brief introduction to let readers have a basic understanding of watt-hour meter, know how it is produced and its development situation, it has what purposes, of single-phase) -phase watt-hour meter hardware s

10、tructure has made the detailed description, separately from the power supply circuit, measurement circuit, communication circuit, manage circuits and other parts circuit is introduced four most to all parts of the circuit diagram, and the principle and explain to them respectively. keywords：watt-hou

11、r,meterelectronic ,single-phase type, rs485 ,multi-function 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 目錄 iii 畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） ，是我個人在指導教 師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別 加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過 的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學位 或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人 或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了

12、謝意。 作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論 文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和 電子版本；學校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并 提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其 它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學校可以公布論 文的部分或全部內(nèi)容。 作者簽名： 日 期： 學位論文原創(chuàng)性聲明學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行 研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本 論文不包含任何其他個人或

13、集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本 文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定， 同意學校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學可以將本學位 論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、 縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 涉密論文按學校規(guī)定處理。 作者簽名：日期： 年 月 日 導師簽名： 日期： 年 月 日 指導教師評閱書指導

14、教師評閱書 指導教師評價：指導教師評價： 一、撰寫（設(shè)計）過程 1、學生在論文（設(shè)計）過程中的治學態(tài)度、工作精神 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、學生掌握專業(yè)知識、技能的扎實程度 優(yōu) 良 中 及格 不及格 3、學生綜合運用所學知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力 優(yōu) 良 中 及格 不及格 4、研究方法的科學性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計方案的合理性 優(yōu) 良 中 及格 不及格 5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計）期間的出勤情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格 二、論文（設(shè)計）質(zhì)量 1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及

15、格 不及格 三、論文（設(shè)計）水平 1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格 建議成績：建議成績： 優(yōu)優(yōu) 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所選等級前的內(nèi)畫“”） 指導教師：指導教師： （簽名） 單位：單位： （蓋章） 年年 月月 日日 評閱教師評閱書評閱教師評閱書 評閱教師評價：評閱教師評價： 一、論文（設(shè)計）質(zhì)量一、論文（設(shè)計）質(zhì)量 1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、是否完

16、成指定的論文（設(shè)計）任務（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 二、論文（設(shè)計）水平二、論文（設(shè)計）水平 1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格 建議成績：建議成績： 優(yōu)優(yōu) 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所選等級前的內(nèi)畫“”） 評閱教師：評閱教師： （簽名） 單位：單位： （蓋章） 年年 月月 日日 教研室（或答辯小組）及教學系意見教研室（或答辯小組）及教學系意見 教研室（或答辯小組）評價：教研室（或答

17、辯小組）評價： 一、答辯過程一、答辯過程 1、畢業(yè)論文（設(shè)計）的基本要點和見解的敘述情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、對答辯問題的反應、理解、表達情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格 3、學生答辯過程中的精神狀態(tài) 優(yōu) 良 中 及格 不及格 二、論文（設(shè)計）質(zhì)量二、論文（設(shè)計）質(zhì)量 1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 三、論文（設(shè)計）水平三、論文（設(shè)計）水平 1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu)

18、 良 中 及格 不及格 3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格 評定成績：評定成績： 優(yōu)優(yōu) 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所選等級前的內(nèi)畫“”） 教研室主任（或答辯小組組長）：教研室主任（或答辯小組組長）： （簽名） 年年 月月 日日 教學系意見：教學系意見： 系主任：系主任： （簽名） 年年 月月 日日 目目 錄錄 摘要摘要.i abstract.ii 1 電能計量基本概念電能計量基本概念.1 1.1 電能計量裝置.1 1.2 計量電路部分.2 2 電子式電能表電子式電能表.5 2.1 電子式電能表的發(fā)展史.5 2.2 電子式電能表的一般結(jié)構(gòu)與原理.5 2

19、.3 電子式電能表的功能與分類.6 2.3.1 電子式電能表的功能.6 2.3.2 電子式電能表的分類.8 2.4 各種電能表的比較.8 3 單相電子式電能表的硬件設(shè)計單相電子式電能表的硬件設(shè)計.10 3.1 電子式電能表的硬件框圖及結(jié)構(gòu).10 3.1.1 電源電路部分.10 3.1.2 輸入變換電路.11 3.1.3 乘法器電路.13 3.1.4 電壓頻率轉(zhuǎn)換器.19 3.1.5 分頻計數(shù)器.20 3.2 電源電路部分.21 3.3 通訊部分.24 3.4 mcu 及其它相關(guān)部分.25 4 單相電子式電能表的軟件設(shè)計單相電子式電能表的軟件設(shè)計.27 4.1 電能表的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.27 4

20、.2 電能表的程序流程圖.29 畢業(yè)設(shè)計小結(jié)畢業(yè)設(shè)計小結(jié).31 參考文獻參考文獻.32 致謝致謝.33 附錄一（電路圖附錄一（電路圖）.34 附錄二（程序）附錄二（程序）.35 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 電能計量 1 1 電能計量基本概念 電能是國民經(jīng)濟、工業(yè)、商業(yè)等人民生活的重要二次能源，電能可以方便地 轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。電力的生產(chǎn)和其他產(chǎn)品的生產(chǎn)不同，其特點是發(fā)電廠發(fā) 電、供電部門供電、用戶用電這三個部門是連成一個系統(tǒng)，不能間斷地同時完成， 而且是互相緊密聯(lián)系缺一不可，它們互相如何銷售，如何經(jīng)濟計算，那就需要一 個計量器具在三個部門之間進行測量計算出電能的數(shù)量，這個裝置就是電能計量

21、 裝置。 在電力市場的整體運作中，電能計量裝置的讀數(shù)作為電力產(chǎn)品貿(mào)易結(jié)算的依 據(jù)，已經(jīng)越來越受到貿(mào)易雙方的重視，是貿(mào)易雙方經(jīng)濟核算的重要指標。隨著我 國加入 wto、融入國際大市場的步伐，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化程度及勞動生產(chǎn)率 已大大提高，降低產(chǎn)品的電能成本已成為廣大電力用戶追求的目標3。必須加強 電能計量的學習，加強電能計量新技術(shù)的學習，使電能計量工作管理規(guī)范化，符 合國家標準，計量準確可靠。 1.1 電能計量裝置 電能計量是由電能計量裝置來確定電能量值的一組操作，是為實現(xiàn)電能量單 位及其量值準確、可靠的一系列活動。 電能計量原理框圖如圖所示。 圖 1.1 電能計量原理框圖 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計

22、（論文） 電能計量 2 用戶供電線路分支是與高壓配電系統(tǒng)相連接的，要對這個高壓供電系統(tǒng)分支 的電能進行計量，首先要通過電壓信號源器件將高電壓信號成正比地變?yōu)榈碗妷?信號，通過電流信號源器件將大電流成正比地變?yōu)樾‰娏餍盘枺蝗缓笸ㄟ^傳輸線 將這個低電壓、小電流信號傳輸給電能量采樣、測量、計算、顯示、存儲器件。 電壓信號源器件一般選用電磁式電壓互感器，也有用電容分壓器或電阻分壓器的， 高新技術(shù)選用光電壓互感器；電流信號源器件一般選用電磁式電流互感器，高新 技術(shù)選用電子式電流互感器、光電流互感器；傳輸線一般選用電纜，高新技術(shù)選 用光纜；電能量采樣、測量、計算、顯示、存儲一般由電能表來完成，高新技術(shù) 直

23、接用計算機來取代電能表。 1.2 計量電路部分 本次設(shè)計的單相電子式電能表的計量部分主要是針對 ade7755 計量芯片的 電路設(shè)計，它是有美國 adi 公司 2003 年研制生產(chǎn)的有功電能單相測量芯片。它 是為單相兩線制系統(tǒng)設(shè)計的，用來生產(chǎn)低成本、高精度單相電能表。 ade7755 內(nèi)部包括兩路數(shù)模轉(zhuǎn)換器（對來自電壓、電流傳感器的電壓信號進 行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，在電流通道中還設(shè)計了 pga 電路，同時還在電流通道中設(shè)置了 hpf 電路濾掉直流分量） ，一個基準電壓源（其標稱值為 2.5v，一般無需外接基 準）和用來計算有功功率的信號處理電路。 瞬時功率是通過電壓、電流信號的直接相乘得到的，此瞬時功

24、率信號經(jīng)過低 通濾波器得到有功功率，再經(jīng)過數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器累計脈沖得到有功電能量。 ade7755 的功率脈沖輸出是通過對上述有功功率信息的累計產(chǎn)生 p(t)=u(t)*i(t) 式 1.1 w(t)=p(t)= u(t)*i(t) 式 1.2 這個部分主要包括電壓拾取電路設(shè)計、電流拾取電路設(shè)計以及其他部分電路 的設(shè)計。 電壓拾取電路實際上是一個分壓電路，將火線和零線（負荷電壓）分壓： r23/（r9+r10+r11+r12） ，輸入到測量芯片輸入端 8 腳。通過電阻分壓確保 ade7755 電壓通道中信號電壓在其工作范圍內(nèi)6。上面帶有開關(guān)的電阻是一個電 阻調(diào)整網(wǎng)絡，可在一定范圍內(nèi)調(diào)整信號電壓的

25、大小。使電能表精度提高。 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 電能計量 3 圖 1.2 電壓拾取電路 圖 1.3 電流拾取電路 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 電能計量 4 在電流拾取電路中，r26、c15 和 r27、c16 組成兩個一階低通濾波器，濾除 電流通道中的高頻分量。c17 是通過 k10 的合開來選擇是否作用于系統(tǒng)的，它是 補償電流信號本身不平衡造成 ade7755 計量電能出現(xiàn)比較大的誤差，因此通過 人為造成不平衡，使得系統(tǒng)達到平衡的目的。 ade7755 其他電路部分，包括脈沖計數(shù)和電能方向指示。電能脈沖輸出為 cf（腳 22） ，經(jīng)過光耦輸出：pulse 電能脈沖，將引入單片機的輸

26、入端，進行電 能脈沖累計。revp 輸出（腳 20）指示電能方向，電能通過光耦輸出。光耦器件 是用來隔離 mcu 電路的。3.579545mhz 是 ade7755 推薦的主時鐘頻率。 avdd 和 dvdd 兩路電源為模擬和邏輯直流正 5v。 電路中 dvdd 和 avdd 通過 c18、c19、r28 組成的濾波電路連接在一起濾 除干擾。選擇內(nèi)部基準電源，在基準電源輸出端加上一個濾波電容 c20，防止外 界干擾。 目前廣泛使用的電能計量裝置包括：計量用電流電壓互感器、電能表、互感 器與電能表之間的二次回路、電能計量箱、電能計量集抄設(shè)備等。 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 電子式電能表 5 2

27、 電子式電能表 2.1 電子式電能表的發(fā)展史 世界上最早的電能表是愛迪生于 1880 年利用電解原理發(fā)明的直流電能表， 交流電的出現(xiàn)和被利用，對電能計量儀表提出了新的要求。測量直流電能的電能 表多采用電動系測量機構(gòu)，而用于測量交流電能的電能表則采用感應系測量機構(gòu)。 電能開發(fā)及利用的加快，對電能管理和電能表性能提出了更高的要求，感應 系電能表準確度等級不夠高，為使電能計量儀器儀表適應工業(yè)現(xiàn)代化和電能管理 現(xiàn)代化迅速發(fā)展的需要，電子式電能表應運而生。 電子式電能表是新一代電能表，在近幾年得到了用戶的普遍認可和接受，使 用逐漸廣泛起來。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和用戶用電管理水平要求的不斷提高，電 子式電能

28、表得到了迅猛的發(fā)展，成為電能計量不可缺少的重要組成部分。 電子式電能表其測量部分完全由電子元件構(gòu)成，而且內(nèi)部時鐘部分、電源部 分、顯示部分等均由電子元器件構(gòu)成。電子式電能表由于其構(gòu)成不同于機械電能 表而得名。由于內(nèi)部沒有可以轉(zhuǎn)動部分也成為靜止式電能表。 電子式電能表誕生在 20 世紀 40 年代，由歐洲的公司制造。它的誕生也是得 益于電子技術(shù)的發(fā)展。在 20 世紀 80 年代之前，電子式電能表并沒有顯示出它巨 大的生命力和活力，它的應用局限于高精度電能表、標準表和檢驗裝置，其成本 較高，性能和可靠性比機械表并不優(yōu)越很多。 在 20 世紀 90 年代，電子技術(shù)發(fā)展迅速，電子式電能表也取得了飛躍的

29、發(fā)展， 無論是高檔、高精度三相表，還是低檔、低精度單相表都有大量的、性能優(yōu)越的 電子式電能表產(chǎn)品2。電子式電能表在技術(shù)上從模擬乘法器到數(shù)字乘法器，性能 越來越好，而價格越來越低，大規(guī)模批量生產(chǎn)工藝也非常成熟，已形成了一個非 常有活力、欣欣向榮的產(chǎn)業(yè)。 2.2 電子式電能表的一般結(jié)構(gòu)與原理 電子式電能表通常由以下幾個部分組成：電源部分、顯示部分、測量部分、 管理部分、外部設(shè)備7。下面簡單的介紹以下各部分的功能： （1）測量部分：它接收交流電壓、電流信號，將其運算后得到相乘的電功 率信號，電子式電能表的精度和穩(wěn)定性等主要性能就由此部件決定。它是電子式 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 電子式電能表 6

30、 電能表的心臟，一般由模擬乘法器、數(shù)字乘法器或 a/d 模擬數(shù)轉(zhuǎn)換加高速微處理 器構(gòu)成。 （2）電源部分：將輸入的交流電壓整流、降壓、濾波后得到直流 5v、12v 等電壓等級的電壓，供給其他電路。電源部分非常重要，它是電子式電能表工作 的動力源，一般由線性或開關(guān)穩(wěn)壓電路構(gòu)成。 （3）顯示部分：將電能量及其他信息顯示出來。一般有數(shù)碼管 led、液晶顯 示器 lcd 以及機械計度器三種方式。 （4）管理部分：接收測量部件輸出的電功率信號，計算出各種所需的電量， 并且管理顯示、時鐘、通信接口、數(shù)據(jù)存儲器等部件。一般由單片機或嵌入式計 算機構(gòu)成其核心。它是電子式電能表的大腦，指揮其他部分完成工作。 （

31、5）外部設(shè)備：包括接口部分、外殼等。一般有數(shù)字通信接口，用于與其他 設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換、抄表、設(shè)置表計參數(shù)等，常用的有：遠紅外數(shù)字通信接口、 rs485 通信接口、ic 卡讀寫接口等。 下面是電子式電能表的原理框圖工作原理框圖 圖 2.1 電能表的原理框圖 2.3 電子式電能表的功能與分類 2.3.1 電子式電能表的功能 1 計量功能 電子式電能表的計量功能 具體地又分為累計和實時計量兩部分。累計計量功 能主要包括累計雙向供電的有功電能、無功電能 、視在電能的消耗量、斷電 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 電子式電能表 7 時間、斷電次數(shù)等。實時計量包含測量并顯示工頻電能的所有參數(shù)。 2 監(jiān)視功能

32、監(jiān)視功能為最大需量和防竊電監(jiān)視；其次還有缺相指示、停電和復電時間記 錄、預付費表的所購電能將用盡時的報警及電壓異常報警。 3 控制功能 主要的控制功能為時段與負荷控制。前者用于多費率分時計費；后者則是指 通過接口接收遠方控制指令或通過表記內(nèi)部的編程控制負荷。 4 管理功能 電子式電能表的管理功能包括按時段費率進行計費、預付費提示、為抄表提 供必要信息數(shù)據(jù)、可參與組網(wǎng)進入電能管理系統(tǒng)等。 5最大需量計量 需量的定義：定長時間的平均功率； 最大需量：需量的最大值。 定長時間也稱為需量周期，一般為 5、10、15、30、60 min。 而計算需量的間隔稱為滑差步進時間，一般為 1、3、5、15 mi

33、n。 其計量方法為：每個滑差步進時間到時，計算截止到當前時刻的一個需量周 期的平均功率，并且與最大值進行比較。如需量周期為 15 min，滑差步進時 間為 5 min，即每 5 min 計算一次當前 15 min 的平均功率，并且與最大值進行 比較，如果大于最大值，將其記錄為最大需量，如圖為最大需量計算說明。 功率 15 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 時間(min) 圖 2.2 功率分布 如圖所示，電能表從 0 min 開始計算需量，每 5 min 計算一次最大需量，當?shù)?50 min 計算時達到最大值。國內(nèi)只需要計

34、量有功最大需量，并依此進行收費。國 外有計量視在最大需量的需求。最大需量也需要分時計量。最大需量為一個月的 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 電子式電能表 8 最大值，過月時，要求將當月最大值保留到上月，而當前最大值清零重新開始計 量。一般要求記錄多個月最大需量。 2.3.2 電子式電能表的分類 一電能表按所測電能種類分，可分為有功電能表、無功電能表、直流電能 表三種。后者一般用于特殊行業(yè)，不用于電力貿(mào)易計量。有功電能表計量用戶實 際消耗的電能 w有，這些電能已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)的變成了機械能、熱能、光能、化學 能、生物能等5。無功電能表用于計量用戶的無功電能 w無。 無功不是用戶消 耗的電能而是用戶曾經(jīng)

35、存儲起來的電能，這部分電能會與電網(wǎng)進行能量交換。計 量無功的目的，是要核算一個抄表期內(nèi)的平均功率因數(shù) ，即平均力率，即 式 2.1 用戶消耗的無功越多，平均功率因 數(shù)就越低，配電網(wǎng)在為用戶輸送這些無功電能 時，要增加的線損就越多，增加了供電成本。因此在電費結(jié)算時要對功率因數(shù)進 行考核。 二電能表按相別和接線方式分，可分為單相、三相三線制和三相四線制三 種。 三按電壓等級分可分為高壓表（額定線電壓為 100v）和低壓表（額定相電 壓統(tǒng)一為 220v）兩種。 四按電流的測量范圍來分，可分為直通表和經(jīng)電流互感器接入兩種。 五按準確度等級分，可分為 0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5

36、、1.0、2.0、3.0 級等等。準確度等級的數(shù)字越小 準確度等級越高。 六按結(jié)構(gòu)原理分，可分為感應式電能表、全電子式電能表、機電一體化電 能表。 七按測量功能分，可分為分時計費電能表、最大需量電能表、預付費電能 表、集抄電能表、多功能電等能表等。 2.4 各種電能表的比較 感應式電能感應式電能表已有 100 多年的歷史，其工藝成熟，價格低廉，過載能力強， 可靠性好，可視性好，但由于元件磨損、灰塵增多、電磁性能變差等因素的影響， 準確度等級不高，不易實現(xiàn)自動化，可是目前國內(nèi)乃至國外，尤其是在農(nóng)村電網(wǎng) 及三相低壓中，感應式電能表還占有相當大的市場。 222 /1 1 無有 無有 有 wwww w

37、 cos 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 電子式電能表 9 全電子式電能表全電子式電能表因其內(nèi)部沒有可動部件，無機械摩擦而準確度高，靈敏度高， 使用壽命長，易實現(xiàn)自動化計量，可實現(xiàn)遙測遙控，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動分析統(tǒng)計，計 量中可排除人為因素干擾，功能多，數(shù)據(jù)可存儲，便于無紙化抄核收作業(yè)，便于 遠方集中抄表。目前單相表選用全電子式電能表已經(jīng)很普遍。 機電一體化電能表機電一體化電能表又稱為脈沖電能表，它綜合了感應式及全電子式電能表的 優(yōu)點。該表型的電能采樣，仍然有感應式母表完成，這部分的結(jié)構(gòu)與一般感應式 電能表相同，用字輪顯示電度數(shù)。 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 電子式電能表 10 3 單相電子式電能表

38、的硬件設(shè)計 3.1 電子式電能表的硬件框圖及結(jié)構(gòu) 本電能表的硬件電路由電源電路設(shè)計、計量電路設(shè)計、通訊電路設(shè)計、 mcu（管理電路設(shè)計）及其它部分電路設(shè)計四大部分組成。 其中核心部分是計量電路的設(shè)計，這也是電子式電能表計量功能的體現(xiàn)，它 是電能表計量準確性的關(guān)鍵部分，但其他部分也是缺一不可的，他們相輔相成， 特別是單片機控制器，它是電能表的靈魂，實現(xiàn)系統(tǒng)中各個部件協(xié)調(diào)控制。 i2c 總線 圖 3.1 硬件框圖 計量芯片電路 （ade7755） mcu 部分 （89lpc931） 被測電壓 拾取電路 被測電流 拾取電路 rs-485 通訊 信道 系統(tǒng)掉電 檢測 lcd 驅(qū)動器 （pcf8576）

39、 lcd 顯示器 存儲器 eeprom 24wc08 實時時 鐘 8025 指示燈 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 11 3.1.1 電源電路部分 電源電路為了提高系統(tǒng)的抗干擾性、可靠性，分為三個獨立的電源，使計量 電路，rs-485 通訊和 mcu 的電源相互隔離，達到互不影響的目的，但是它們屬 于同一個變壓器，所以選擇變壓器的時候要注意，如圖 3.2。 (a) (b) (c) 圖 3.2 電源部分結(jié)構(gòu) 在計量部分，ade7755 芯片是一個數(shù)?；旌系碾娐?，因此設(shè)計比較困難，要 想達到良好的計量效果，要采取一定的抗干擾措施，如數(shù)字地和模擬地在 pcb 板 上單點連接

40、，特別是在對電流、電壓采樣的電路直接接在外部線路上，干擾比較 嚴重。 i2c 總線在整個系統(tǒng)中占有重要的作用，它關(guān)系到 lcd 顯示、電量數(shù)據(jù)存儲、 時間和日期的讀取等等，它是 mcu 與外部設(shè)備的接口，是 mcu 獲取信息的 窗 口4。 在通訊電路中，在通訊發(fā)生時 mcu 要接受通訊幀，判斷是否正確，并執(zhí)行 通訊命令。 從上面簡單的分析可以看出，mcu 是系統(tǒng)的控制器，起著決定性的作用。 3.1.2 輸入變換電路 電子式電能計量儀表中必須有電壓和電流輸入電路。輸入電路的作用，一 方面是將被測信號按一定的比例轉(zhuǎn)換成低電壓、小電流輸入到乘法器中；另一方 面是使乘法器和電網(wǎng)隔離，減小干擾。 （一）

41、電流輸入變換電路（一）電流輸入變換電路 要測量幾安培乃至幾十安培的交流電流，必須要將其轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃У男⌒盘?交流電壓（或電流） ，否則無法測量。直接接入式電子式電能表一般采用錳銅分 流片；經(jīng)互感器接入式電子式電能表內(nèi)部一般采用二次側(cè)互感器級聯(lián)，以達到前 級互感器二次側(cè)不帶強電的要求。 1錳銅片分流器 以錳銅片作為分流電阻 rs，當大電流 i(t)流過時會產(chǎn)生相應的成正比的微弱 電壓 ui(t)，其數(shù)學表達式為 ui(t)i(t)r 式 3.1 mcu 及其相關(guān)部 分電源電路 計量電源電路rs-485 通訊電 源電路 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 12 該小信號 ui(

42、t)送入乘法器，作為測量流過電能表的電流 i(t)。 錳銅分流器和普通電流互感器相比，具有線性好和溫度系數(shù)小等優(yōu)點。錳銅 分流器 a 選用 f2 錳銅片，厚度 2mm，取樣電阻 rs 選 175，則當基本電流為 5a 時，1、2 之間的取樣信號 ui0.875mv。 2電流互感器 采用普通互感器（電磁式）的最大優(yōu)點是電能表內(nèi)主回路與二次回路、 電壓和電流回路可以隔離分開，實現(xiàn)供電主回路電流互感器二次側(cè)不帶強電，并 可提高電子式電能表的抗干擾能力。其原理框圖如圖 3.3 所示。 l l i (t ) n 2 i t(t ) r l u i(t ) （a） （b） 圖 3.3 電流互感器電氣原理圖

43、 （）穿線式；（b）接入式 i(t)ki it(t) 式 3.2 式中 i(t)流過電能表主回路的電流； it(t)流過電流互感器二次側(cè)的電流； ki電流互感器的變比。 式 3.3 式中 u(t)送往電能計量裝置的電流等效電壓； rl負載電阻。 （二）電壓輸入變換電路（二）電壓輸入變換電路 和被測電流一樣，上百伏（100v 或 220v）的被測電壓也必須經(jīng)分壓器或電 壓互感器轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃У男‰妷盒盘枺娇伤腿氤朔ㄆ?。電子式電能表?nèi)使用的分 壓器一般為電阻網(wǎng)絡或電壓互感器。 1電阻網(wǎng)絡電阻網(wǎng)絡 l i lt r k ti rtitu )( )()( l l i (t ) n 2 i t(t ) r

44、 l u i(t ) 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 13 采用電阻網(wǎng)絡的最大優(yōu)點是線性好、成本低，缺點是不能實現(xiàn)電氣隔離。 實用中，一般采用多級（如 3 級）分壓，以便提高耐壓和方便補償與調(diào)試。典型 接線如圖 3.4 所示。 圖 3.4 典型電阻網(wǎng)絡線路圖 2電壓互感器電壓互感器 采用互感器的最大優(yōu)點是可實現(xiàn)一次側(cè)和二次側(cè)的電氣隔離，并可提高電能 表的抗干擾能力，缺點是成本高。其電路圖如圖 3.5 所示。 u(t)ku uu(t) 式 3.4 式中 u(t)被測電壓； uu(t)送給乘法器的等效電壓。 + - + - u( t )u( t )n 1 n 2 圖 3.

45、5 電壓互感器電路圖 3.1.3 乘法器電路 模擬乘法器是一種完成兩個互不相關(guān)的模擬信號（如輸入電能表內(nèi)連續(xù)變化 的電壓和電流）進行相乘作用的電子電路，通常具有兩個輸入端和一個輸出端， 是一個三端網(wǎng)絡，如圖 3.6 所示。理想的乘法器的輸出特性方程式可表示為 u0（t）kux(t)uy(t)， 式 3.5 式中 k是乘法器的增益。 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 14 u x(t) uy(t) u x(t) uy(t) uo(t) uo(t) x y 圖 3.6 乘法器表示方式 從乘法的代數(shù)概念出發(fā)，乘法器具有四個工作區(qū)域，由它的兩個輸入電壓 極性來確定。根據(jù)兩個輸入

46、電壓的不同極性，乘積輸出的極性有四種組合，可以 用圖 3.7 平面中的四個象限來具體說明。凡是能夠適應兩個輸入電壓極性的四種 組合的乘法器，稱為四象限乘法器9。若一個輸入端能夠適應正、負兩極性電壓， 而另一個輸入端只能適應單一極性電壓的乘法器，則稱為二象限乘法器。若乘法 器在兩個輸入端分別限定為某一種極性的電壓能正常工作，它就是單象限乘法器。 iii iiiiv (-)*(+)=(-)(+)*(+)=(+) (-)*(-)=(+)(+)*(-)=(-) -x maxx max -y max y max o 圖 3.7 模擬乘法器的工作象限圖 實現(xiàn)兩個輸入模擬量相乘的方法有多種多樣。乘法器是電子

47、式電能表的 核心部分，并非每一種乘法器電路都能適用電子式電能表，下面介紹電子式電能 表中常用的乘法器。 （一）時分割乘法器 時分割模擬乘法器的工作過程實質(zhì)上是一個對被測對象進行調(diào)寬調(diào)幅的 工作過程。它在提供的節(jié)拍信號的周期 t 里，對被測電壓信號 ux作脈沖調(diào)寬式處 理，調(diào)制出一正負寬度 t1、t2之差（時間量）與 ux成正比的不等寬方波脈沖， 即 t2t1k1ux；再以此脈沖寬度控制與 ux同頻的被測電壓信號 uy的正負極性 持續(xù)時間，進行調(diào)幅處理，使 uk2uy；最后將調(diào)寬調(diào)幅波經(jīng)濾波器輸出，輸出 電壓 u0為每個周期 t 內(nèi)電壓 u 的平均值，它反映了 ux、uy兩同頻電壓乘積的平 1

48、學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 15 均值，實現(xiàn)了兩信號的相乘，輸出的調(diào)寬調(diào)幅方波如圖 3.8 所示。 u u x u y t u o t 1 t 2 t 圖 3.8 調(diào)寬調(diào)幅波示意圖 也有的時分割乘法器對電流信號 ix、iy進行調(diào)寬調(diào)幅處理，輸出的直流 電流信號 i0表示電流 ix、iy乘積的平均值。前者稱為電壓平衡型時分割乘法器， 后者稱為電流平衡型時分割乘法器。 采用三角波作為節(jié)拍信號的電壓型時分割乘法器的電路原理下所示。被測電 壓轉(zhuǎn)換為 ux，被測電流轉(zhuǎn)換成電壓 uy。電路的上半部分是調(diào)寬功能單元，下半部 分是調(diào)幅功能單元。由運算放大器 n1 和電容 c1組成積分

49、器，對經(jīng) r1、r2輸入 的電流作求和積分；un和un是正、負基準電壓，在電路的設(shè)計中，基準電壓 un的幅值應比輸入電壓 ux大得多；s1、s2為兩個受電平比較器控制并同時動作 的開關(guān)；電平比較器是具有兩個穩(wěn)態(tài)的直流觸發(fā)器；運算放大器 n2、電阻 r4和 電容 c2組成了濾波器。積分輸出電壓 u1和三角波發(fā)生器產(chǎn)生的節(jié)拍三角波電壓 u2都加到電平比較器上，當 u1u2時，電平比較器輸出低電平，s1、s2分別接 un、uy；當 u1u2，達到 b 點時，u1u2。 由于三角波電壓繼續(xù)向上變化，致使 u1u2，電平比較器輸出低電平，s1接通 un，電壓 u1再次向下變化。如此反復，積分器輸出電壓

50、u1呈鋸齒波形。 設(shè)開關(guān) s1接通un的時間為 t1，接通un的時間為 t2，且 t1t2t。當 系統(tǒng)達穩(wěn)態(tài)時，積分器在 t1、t2時間段內(nèi)的總積分電荷量應為零，即 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 16 式 3.6 式 3.7 式 3.8 即開關(guān) s1接通un、un的時間差（t2t1）與輸入電壓 ux成正比。 u x 積分器輸出u 1 角波 u 2 比較器輸出u 3 零電平 u o u t t 1 t 2 t 1 t 2 t 3 a b c 圖 3.9 三角波信號的時分割乘發(fā)器波形圖 2調(diào)幅功能單元調(diào)幅功能單元 開關(guān) s2在比較器的控制下與 s1同時動作， 在 t1期

51、間接通 uy，輸出電壓 u 為uy，在 t2期間接通uy，輸出電壓 u 變?yōu)閡y。經(jīng)濾波器輸出后， 得到電壓 u0為 u 的反向平均值 0 2 21 1 21 t r u r u t r u r u nxnx x n u ur tr tt 1 2 21 0)()( 21 2 21 1 tt r u tt r u nx 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 17 式 3.9 即輸出電壓 u0 與 ui 成正比，因此整個電路是一個實現(xiàn)了 u、i 乘積運算的乘 法器，它的輸出相應于 ui 乘積的平均值，亦即平均功率。 在調(diào)寬電路中，受積分器積分電荷總量平衡條件的約束，對 ux的最

52、大幅值有 一定限制，它的正邊界是當 t10、t2t 時un所能平衡的 ux值，負邊界是當 t1t、t20 時un 所能平衡的 ux 值，因此 ux 的幅值應滿足條件 2 1 r ur n x u 2 1 r ur n 式 3.10 至于 uy，其輸入幅值僅受為獲取uy的倒相器的動態(tài)范圍所限制。 目前在全電子式電能表制造業(yè)中，采用時分割模擬乘法器的占有相當大比例。 與其他類型的模擬乘法器相比，時分割模擬乘法器的制造 技術(shù)比較成熟且工藝性好，原理較為先進，具有更好的線 性度，其最突出的優(yōu)點是具有較高的準確度級別，可達到 0.01 級，基本上解決了如何提高準確度的問題。其主要缺點是帶寬較窄，僅為數(shù)

53、百赫茲。 （二）數(shù)字乘法器（二）數(shù)字乘法器 微處理器在全電子式電能表中主要用于數(shù)據(jù)處理，而在其測量機構(gòu)中的應用 并不多。隨著芯片速度的提高和外部接口電路的更加成熟，微處理器的功能將得 到充分發(fā)揮和擴展?？梢灶A計， 應用數(shù)字乘法器技術(shù)來完成功率 電能測量的前景十分廣闊。采 用數(shù)字乘法器，由計算機軟件來完成乘法運算，可以在功率因數(shù)為 01 的全范 圍內(nèi)保證電能表的測量準確度。這是多種模擬乘法器難以勝任的。采用數(shù)字乘法 器的全電子式電能表的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 3.10 所示。 微處理器控制雙通道 ad 轉(zhuǎn)換，同時對電壓、電流進行采樣，由微處 理器完成相乘功能并累計電能。平均功率表示為 式 3.11 式

54、中 t交流電壓、電流的周期。 穩(wěn)壓電源外部接口 cpu 顯示及鍵盤 rom ram 雙通道a/d轉(zhuǎn)換 電壓 電流 圖 3.10 數(shù)字乘法器的電能表結(jié)構(gòu)框圖 uiukuuu ur r t tt uu yxyx n y 1 221 0 n k kiku t p 1 )()( 1 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 18 以t 為時間間隔將上式中的積分做離散化處理，即對電壓、電流同時進 行采樣，則 式 3.12 其中： tnt 這就是用軟件計算被測平均功率即有功功率的數(shù)學模型。從上式可以看出， 平均功率的計算與功率求解過程與功率因數(shù)無關(guān)，因此，可以得出采用數(shù)字乘法 器的全電子式

55、電能表的電能測量與功率因數(shù)無關(guān)的結(jié)論，這是這類電能表的一個 重要特點。 ad 轉(zhuǎn)換器的準確度一般較高，其轉(zhuǎn)換誤差可以忽略。通過軟件來完成采 樣及乘法計算的準確度與t 的選取有關(guān)。t 越小，準確度越高，但計算量將增 加，且會使實時性變差。由采樣理論可知，連續(xù)信號離散后得到的時間序列不丟 失原信號的信息，不僅采樣頻率要滿足奈奎斯特定律，而且必須等分連續(xù)的信號 周期，否則會產(chǎn)生測量誤差。為此采用軟件鎖相技術(shù)將采樣頻率自動地鎖定在輸 入信號頻率的 n 倍上，這樣可以在輸入頻率發(fā)生變化時自動調(diào)整采樣間隔，使時 鐘的漂移變化也不會給測量帶來誤差。 使用微處理器技術(shù)制造全電子式電能表的前景十分看好，但成本高

56、是其商品 化的一個主要障礙；數(shù)字乘法器的發(fā)展還要依靠于電路的集成和芯片價格的降低， 但其功能強大、性能優(yōu)越，在未來先進的電能管理領(lǐng)域中一定會廣為應用。 3.1.4 電壓頻率轉(zhuǎn)換器 目前采用的電壓頻率轉(zhuǎn)換器，大多是利用積分方式實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。電子式電能 表常用的雙向積分式電壓頻率轉(zhuǎn)換器的原理電路如圖 3.11 所示。運放 n 和電 容 c 組成積分器，上下電平比較器有兩個比較電平 u1、u2。輸出電壓波 形如圖 3.12 所示。當開關(guān) s 接通u1 時，電容 c 充電，輸 出電壓 u0 往負向變化（ab 段） ；當達到比較器的下限電平 u2 時，比較器控制開 關(guān) s 接通u1，c 放電，電壓 u0 往

57、正向變化；當達到比較器的上限電平 u1 時， s 再次接通十 u1，如此反復，達穩(wěn)態(tài)后，便得到了周期為 t 的三角波。由于 ab 段和 cd 段的積分斜率是一樣的，故積分時間也相等，均為 t/2。根據(jù)積分器輸入、 輸出電壓關(guān)系 式 3.13 得到輸出電壓 u0 的頻率 t dttitu t p 0 )()( 1 2 1 21 t rc u uu 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 19 式 3.14 即輸出頻率 f 與輸入電壓 u1成正比。 倒相器 上下電平 比較器 +u i -u i r u s c n u o - + u i 圖 3.11 雙向積分式電壓頻率轉(zhuǎn)換器的原

58、理電路圖 圖 3.12 雙向積分式電壓頻率轉(zhuǎn)換器的波形圖 這種電壓頻率轉(zhuǎn)換器的主要特點是輸出頻率較低，選擇高穩(wěn)定性的 r、c 元件，可使其準確度長期保持在0.1的水平。 3.1.5 分頻計數(shù)器 在機電式電能表中，由光電轉(zhuǎn)換器將電能信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號；而在電子式 電能表中，電能信號轉(zhuǎn)化成相應脈沖信號的工作是由乘法器及電壓頻率轉(zhuǎn)換器 完成的。這兩種脈沖信號在送入計數(shù)器計數(shù)之前，需要先送入分頻器進行分頻， 以降低脈沖頻率8。這樣做，一方面是為了便于取出電能計量單位的位數(shù)（如百 分之一度位） ；另一方面是考慮到計數(shù)器長期計數(shù)的容量問題。 ii uu uurct f )(2 11 21 1 學院本科畢業(yè)

59、設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 20 所謂分頻，就是使輸出信號的頻率分為輸入信號頻率的整數(shù)分之一；所謂計 數(shù)，就是對輸入的頻率信號累計脈沖個數(shù)。 在電子式電能表中，分頻器和計數(shù)器一般采用 cmos 集成電路器件。這是因 為集成電路器件工作可靠性、抗干擾能力、功率消耗、電路保安和機械尺寸等一 系列指標均優(yōu)于分立元器件組成的電路。 圖 3.13 為分頻計數(shù)器原理框圖和脈沖波形。圖中電壓頻率轉(zhuǎn)換器送來的 脈沖信號 fx 經(jīng)整形電路整形后，可輸出一系列規(guī)則的矩形波，并輸入到控制門， a 點的波形如圖所示。把由石英晶體振蕩器產(chǎn)生的標準時鐘脈沖信號經(jīng)分頻后作 為時間基準。分頻后的標準時鐘脈沖信號

60、，如圖 b 點的波形也送至控制門，于是 控制門打開，將計數(shù)脈沖輸出，得到如圖 c 點的波形。計數(shù)器可記錄時間 t 內(nèi)通 過控制門的脈沖數(shù)，每一個脈沖所代表的電量數(shù)經(jīng)計算確定后，便可經(jīng)譯碼電路 由顯示器顯示出來。 整形 電路 石英 振蕩器 控制門 分頻器 計數(shù)器 數(shù)碼管 顯示 f xo ac b (a) a b c (b) 圖 3.13 分頻計數(shù)器原理框圖 （a）框圖；（b）脈沖波形 3.2 電源電路部分 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 21 單相電子式電能表的電源電路為三個部分：電量計量電源電路、rs-485 通訊 電源電路、mcu 及其相關(guān)部分電源電路。 電源是保證