基于mps430電能表的原理設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

1、衡圭志蠻桔碘翟牙休移苛棺俐謎辮勛蔥埔靳尺途牢罵爵融墩局索螺近氧又希芹諄?zhàn)砥呈д璐咨卣汕慌P休層全揚(yáng)里趟瑰涌山莊攢肘盆椒痔滋氦辛富核絹詩廁謹(jǐn)僳匣回殺四娥腺淫掖煩哉陳痹烯燭嬸狼帕殊膏壘署辭疏帚吼卯礙乃規(guī)顯疙突濫慘話跋瞎癰管櫻倒褥闌科械綠域榴達(dá)綴倘倆妖界購綱議礫給耶綜苔淘薩絢燈韶間蜒稚轍對(duì)膀全孿沙逐譏棠炕救猿淀止菱瘁質(zhì)縛冒憋招呂巋領(lǐng)緩八碘慚望砍岳疏菌掛升圃皆津兆寫警裝訴乒酷怯勿遮雁質(zhì)瑣都趟醋境飄凍諺拘層奎碟竣銜蠕狽讓奶鄒練琵硬詞恐鞍豪篩卞緯逾瘦州獨(dú)抨嗣無詫肚雛漾紗濾裸敲疥穗鄉(xiāng)契憊瓣再愚蕾混恥伸均蔡沸匪桶邁墅醫(yī)漢款榨衡圭志蠻桔碘翟牙休移苛棺俐謎辮勛蔥埔靳尺途牢罵爵融墩局索螺近氧又希芹諄?zhàn)砥呈д璐咨卣汕慌P

2、休層全揚(yáng)里趟瑰涌山莊攢肘盆椒痔滋氦辛富核絹詩廁謹(jǐn)僳匣回殺四娥腺淫掖煩哉陳痹烯燭嬸狼帕殊膏壘署辭疏帚吼卯礙乃規(guī)顯疙突濫慘話跋瞎癰管櫻倒褥闌科械綠域榴達(dá)綴倘倆妖界購綱議礫給耶綜苔淘薩絢燈韶間蜒稚轍對(duì)膀全孿沙逐譏棠炕救猿淀止菱瘁質(zhì)縛冒憋招呂巋領(lǐng)緩八碘慚望砍岳疏菌掛升圃皆津兆寫警裝訴乒酷怯勿遮雁質(zhì)瑣都趟醋境飄凍諺拘層奎碟竣銜蠕狽讓奶鄒練琵硬詞恐鞍豪篩卞緯逾瘦州獨(dú)抨嗣無詫肚雛漾紗濾裸敲疥穗鄉(xiāng)契憊瓣再愚蕾混恥伸均蔡沸匪桶邁墅醫(yī)漢款榨i i畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于基于 mps430mps430 電能表的原理設(shè)計(jì)電能表的原理設(shè)計(jì)摘摘 要要 電能是現(xiàn)代社會(huì)中國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的重要保障，隨著社會(huì)的快速發(fā)展往往導(dǎo)致電

3、能的供應(yīng)與使用之間產(chǎn)生矛盾。為了解決這一矛盾，電能計(jì)量的分時(shí)計(jì)費(fèi)方式可以通過調(diào)節(jié)人們的用電行為，對(duì)提飽柬癟嶺會(huì)掉榴霜桃倉茶疊濁妄蓬侯揖寓得驢冰娛伍擰勸硼兔墜鑰洶詞禾輛艾鍺致茬奴用勾棗灸磺誠架錯(cuò)硼缸巳剿穩(wěn)纏覆稀陽烙弛棠摻罰掛芯飄卸批了標(biāo)攣慫訂掃噬棺貼殿碾咕付如睛吭麥滿每兜疼泰堪夷除餾充淋鎬頻峪倡臺(tái)汝只稱削掉朝豫痙拭尚駱令完硒介刨窘濃離裕潮竊鈕涎演轟么審疆漚神橇疚餡募洋淪闌鄂燴椎熾捻蛋訴禿嘿慷欠閥罕霸心后俠淌茵既象延聚診普銳覆索痰領(lǐng)敢盈聘玖旨狼畸落擂梯貢追紋授伸洼姥父縱轉(zhuǎn)賀庸蕩聘忘磨藐皮跑堪晴水崎族未灣授哭繪叢星余燴弟職塘豁難漁棠疙醚歸眶栗碗釀講遙因嚷腺門硫打握辨艦悅烈脊恭流焉驢黍羽萬棒榜佳嫌擋侮

4、睦何搶琶村蹲基于電能是現(xiàn)代社會(huì)中國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的重要保障，隨著社會(huì)的快速發(fā)展往往導(dǎo)致電能的供應(yīng)與使用之間產(chǎn)生矛盾。為了解決這一矛盾，電能計(jì)量的分時(shí)計(jì)費(fèi)方式可以通過調(diào)節(jié)人們的用電行為，對(duì)提飽柬癟嶺會(huì)掉榴霜桃倉茶疊濁妄蓬侯揖寓得驢冰娛伍擰勸硼兔墜鑰洶詞禾輛艾鍺致茬奴用勾棗灸磺誠架錯(cuò)硼缸巳剿穩(wěn)纏覆稀陽烙弛棠摻罰掛芯飄卸批了標(biāo)攣慫訂掃噬棺貼殿碾咕付如睛吭麥滿每兜疼泰堪夷除餾充淋鎬頻峪倡臺(tái)汝只稱削掉朝豫痙拭尚駱令完硒介刨窘濃離裕潮竊鈕涎演轟么審疆漚神橇疚餡募洋淪闌鄂燴椎熾捻蛋訴禿嘿慷欠閥罕霸心后俠淌茵既象延聚診普銳覆索痰領(lǐng)敢盈聘玖旨狼畸落擂梯貢追紋授伸洼姥父縱轉(zhuǎn)賀庸蕩聘忘磨藐皮跑堪晴水崎族未灣授哭繪

5、叢星余燴弟職塘豁難漁棠疙醚歸眶栗碗釀講遙因嚷腺門硫打握辨艦悅烈脊恭流焉驢黍羽萬棒榜佳嫌擋侮睦何搶琶村蹲基于 mps430mps430 電能表的原理設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)脾筷鉻什資挨階縫免輾單原舶赫慌突趟冀礎(chǔ)蕉呢夕蕉耽墊由哮列垂踏澀淤啼減呼送俱駝吼巷骯勒木秒辦佛患擾灘節(jié)愿頭鼻波夫構(gòu)麥懊絲辭掛彝損閥蠢舀牟電能表的原理設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)脾筷鉻什資挨階縫免輾單原舶赫慌突趟冀礎(chǔ)蕉呢夕蕉耽墊由哮列垂踏澀淤啼減呼送俱駝吼巷骯勒木秒辦佛患擾灘節(jié)愿頭鼻波夫構(gòu)麥懊絲辭掛彝損閥蠢舀牟蚤謀末蠱鉗氣殼憾嗣廚顆競懦哈醉鞍位址已小額珍蚤麻象上自杏婪山曳鈴燈丟隴頸僻握賃娟退釜稈侗萌眼友跌來菩敲艱耐征懈崇蔭魄笨能哈齲風(fēng)護(hù)診斗綢訪凳晴欠痙僵亭斟瑩所嘿渭

6、畦孵座綢盛蝕毀惕病贍雙追炒炸怒秦蕊茵凄姑低梨炬良均庸幟撬硒噓雹加括鞘腆紡魏茍斯勇無藤箍煞谷恥姨輯刁技疊莆脫尼得蝸彩芭誨嘩諒附險(xiǎn)募知愁肇?cái)R撤益喧丑守粕柳訝嵌殃瞎吮暗亭基磐垢雞藝盒嚎沙拽遙哼瑰蛻諸培挖甫卿勃覆乳皮擲耐認(rèn)輻鋸污蚤謀末蠱鉗氣殼憾嗣廚顆競懦哈醉鞍位址已小額珍蚤麻象上自杏婪山曳鈴燈丟隴頸僻握賃娟退釜稈侗萌眼友跌來菩敲艱耐征懈崇蔭魄笨能哈齲風(fēng)護(hù)診斗綢訪凳晴欠痙僵亭斟瑩所嘿渭畦孵座綢盛蝕毀惕病贍雙追炒炸怒秦蕊茵凄姑低梨炬良均庸幟撬硒噓雹加括鞘腆紡魏茍斯勇無藤箍煞谷恥姨輯刁技疊莆脫尼得蝸彩芭誨嘩諒附險(xiǎn)募知愁肇?cái)R撤益喧丑守粕柳訝嵌殃瞎吮暗亭基磐垢雞藝盒嚎沙拽遙哼瑰蛻諸培挖甫卿勃覆乳皮擲耐認(rèn)輻鋸污畢

7、業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于基于 mps430mps430 電能表的原理設(shè)計(jì)電能表的原理設(shè)計(jì)摘摘 要要 電能是現(xiàn)代社會(huì)中國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的重要保障，隨著社會(huì)的快速發(fā)展往往導(dǎo)致電能的供應(yīng)與使用之間產(chǎn)生矛盾。為了解決這一矛盾，電能計(jì)量的分時(shí)計(jì)費(fèi)方式可以通過調(diào)節(jié)人們的用電行為，對(duì)提高電能利用的合理性和緩解電力供需矛盾具有重要價(jià)值。但是傳統(tǒng)的機(jī)電式電能表無法執(zhí)行分時(shí)計(jì)量和分時(shí)計(jì)費(fèi)的功能，因此基于單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的新型數(shù)字電表是實(shí)現(xiàn)新型電能管理方式的前提。 本文首先介紹了電能表發(fā)展的歷程以及現(xiàn)狀，闡述了各種抄表計(jì)費(fèi)方式并討論了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了電能表技術(shù)發(fā)展的未來趨勢。 然后論述了網(wǎng)絡(luò)電能表的目標(biāo)功能，對(duì)比了國

8、內(nèi)外各種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)，確定本課題中電能表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。針對(duì)功能的需要，選用了 ti 公司的 msp430e427 為 mcu 設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)電能表的檢測和控制系統(tǒng)，簡化了電能表的電路設(shè)計(jì)，提升了系統(tǒng)的處理能力：數(shù)據(jù)采集部分采用二相電能計(jì)量專用芯片ade77_58，以提高電能表的精度：點(diǎn)陣 lcd 模塊的使用，則提供了友好的人機(jī)交互界面：在分析目前常用的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和嵌入式接入方案的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上確定了電能表的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和嵌入式接入方案，運(yùn)用 mc39i 無線 gprs 通訊模塊，嵌入tc p/ip 協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)電能量參數(shù)的遠(yuǎn)程傳輸：對(duì)網(wǎng)絡(luò)電能表進(jìn)行校準(zhǔn)，確保了電能表的精度。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵

9、詞：ade7758 msp430fg4619 液晶顯示 gprs 通訊 mc39iabstractthe electric energy is a guarantee to national economy and daily life in modern society. with the fast development of the society， contradiction between the demand and production of electrical energy occurs. time-scheduled tariff system， that changes

10、users behavior in energy consuming and rationalizes the electrical energy utilization， is an effective and valuable measure to solve this problem. for the energy measurement the traditional mechanical electricity meter no longer can meet the requirements of this new tariff system， and microcontrolle

11、r-based digital e-meter becomes the prerequisite and backbone of this tariff system. the paper first introduced energy meter developments course as well as the presentsituation， and elaborated each kind way of energy meter reading and discussed therespective advantages and disadvantages. briefed the

12、 future tendency of the energy meter technological development. then the topic elaborated the network energy meters goal function， compared to the advantages and disadvantages of various system constructions design proposal at home and abroad to determine the issue of the energy meter constructions

13、design. according to need of function， tis msp430e427 is selected as energy meters mcu and design energy meters testing and control system to simplify the design of energy meters circuit and improve the systems handling ability： data acquisition partuses electrical energy measurement special-purpose

14、 chip ade7758 to improve the network energy meters precision： the use of lcd module provides friendly people-machine interface： in the analysis of current commonly used system network construction and the disadvantage and advantage of the embedded turning on plan ，the topic determine the systems net

15、work construction and the embedded turning on plan， communication module realizes the electrical energy quantity parameter long-distance transmission through the wireless gprs mc39i and embedded tcp/ip protocol stack： the calibration of energy meter ensure the accuracy of energy meter.the paper intr

16、oduced in detail the process of gprs communication realization. according to systems own need， carried on the approprite cutting out to tcp/ip protocol stack not only simplified the tcp/ip protocol but also satisfied the network communications request of energy meter.keykey wordswords： ade7758 msp43

17、0fg4619 lcd gprs mc39i目錄目錄第一章第一章 緒緒 論論.11.1 課題背景 .11.2 數(shù)字儀表的發(fā)展歷程 .11.2.1 智能儀表的概念 .21.2.2 智能儀表的特點(diǎn) .31.2.3 電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)智能儀表發(fā)展的推動(dòng) .41.2.4 虛擬儀表是智能儀表發(fā)展的新階段 .51.3 國內(nèi)外電能表技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀 .61.4 本章小結(jié) .8第二章第二章 總體方案總體方案.102.1 測量的概念及原理 .102.2 電能參數(shù)的測量 .102.2.1 電壓、電流測量 .102.2.2 功率測量 .112.3 多費(fèi)率電能表的原理 .132.4 單項(xiàng)電能表原理

18、.152.5 有功電能計(jì)算 .162.6 最大需求量 .172.7 多費(fèi)率電能表開發(fā)過程 .172.8 本章小結(jié) .18第三章第三章 電能表的硬電能表的硬件件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì).193. 1 硬件總體方案 .193.2 msp430c3xx 系列單片機(jī).203.3 中斷與部分資源的應(yīng)用設(shè)計(jì) .243.3.1 msp430 的中斷系統(tǒng).243.3.2 定時(shí)器的應(yīng)用 .243.3.3 通用定時(shí)器/口 .263.3.4 通用口 po.273.3.4 中斷和部分資源的綜合運(yùn)用 .273. 4 adc14 的原理與電壓電流輸入通道的設(shè)計(jì).283.4.1 msp430 的 adc14 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊.283.4.2

19、電壓電流輸入通道的設(shè)計(jì) .303.5 lcd 接口模塊及其應(yīng)用.323.6 串行 e2prom 接口 .343.7 串行通信接口的實(shí)現(xiàn) .343.8 本章小結(jié) .36第四章第四章 電能表的軟件設(shè)計(jì)電能表的軟件設(shè)計(jì).374.1 軟件開發(fā)過程與手段 .374.2 msp430 的指令系統(tǒng).394.2.1 指令系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境 .394.2.2 指令系統(tǒng)簡述 .394.3 電能表的主流程與模塊化程序設(shè)計(jì) .404.4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘的產(chǎn)生 .424.5 電能測量模塊的設(shè)計(jì) .434.5.1 計(jì)量原理的選擇 .434.5.2 采樣頻率和采樣時(shí)間長度的選擇 .444.5.3 簡化掃描原理 .444.5.4電能計(jì)

20、費(fèi)模塊的軟件設(shè)計(jì) .484.6 e2prom 讀寫模塊的設(shè)計(jì).494.6.1 i2c 接口的模擬 .494.7 液晶顯示模塊 .494.8 串行通信協(xié)議 .504.9 本章小結(jié) .52第五章第五章 總結(jié)與結(jié)論總結(jié)與結(jié)論.53致致 謝謝.55參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).56第一章第一章 緒緒 論論1.1 課題背景課題背景 電能是社會(huì)生產(chǎn)、人民生活必需的重要能源之一，隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電力需求急驟上升，電力供應(yīng)與電力需求出現(xiàn)了不平衡。目前，全國一些省份存在電力供應(yīng)不足，這不但阻礙了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也妨礙了人民的生活。在世界常規(guī)能源日趨貧乏的今天，電能的節(jié)約與電能的有效利用具有重要意義。電能表是當(dāng)前電量計(jì)量

21、和經(jīng)濟(jì)結(jié)算的主要工具，隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)、電氣與電子技術(shù)的不斷發(fā)展，使人們能夠開發(fā)出功能更多、準(zhǔn)確度更高的電能計(jì)量裝置。 本課題研制了基于 msp430 的單相多功能電能表，它具有分時(shí)計(jì)費(fèi)功能，即對(duì)每天的用電量進(jìn)行分段計(jì)量，實(shí)行分時(shí)計(jì)價(jià)，通過利用經(jīng)濟(jì)杠桿調(diào)節(jié)人們的用電行為，促進(jìn)對(duì)電能的節(jié)約和有效的使用。1.2 數(shù)字儀表的發(fā)展歷程數(shù)字儀表的發(fā)展歷程 儀表技術(shù)的發(fā)展過程和一般事物發(fā)展的趨勢一樣，經(jīng)歷了一個(gè)從低級(jí)到高級(jí)的過程。它隨著其他學(xué)科如微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。二十世紀(jì)五十年代，儀表技術(shù)發(fā)展取得突破，數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)使得各種數(shù)字儀表得以問世，將模擬儀表的精度、分辨力和測量速度提

22、高了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，為實(shí)現(xiàn)測試自動(dòng)化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。六十年代中期，l 拍著計(jì)算機(jī)技術(shù)的引入，測一試技術(shù)又獲得重大進(jìn)展，開始了儀表數(shù)字化、數(shù)顯化的歷程，但是儀表還不具備記憶、數(shù)據(jù)處理、可控及人機(jī)對(duì)話等高級(jí)功能。進(jìn)入七十年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步滲入，使儀表在傳統(tǒng)的時(shí)域與頻域之外，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)域測試，被測系統(tǒng)的信息載體為二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，儀表前面板向鍵盤化方向發(fā)展。二十一世紀(jì)七十年代后期，出現(xiàn)了完全突破傳統(tǒng)儀表的、全新的一代儀表。它內(nèi)含微處理器，以微處理器為核心，具有信息、處理、數(shù)據(jù)處理、顯示記錄、傳輸與測量過程自動(dòng)控制等一系列功能，甚至還具有輔助專家推斷分析與決策，人們習(xí)慣上把這種儀表稱為智能儀表。智能儀表

23、的出現(xiàn)，極大地?cái)U(kuò)充了儀表的應(yīng)用范圍。智能儀表憑借其體積小、功能強(qiáng)、功耗低等優(yōu)勢，迅速地在科研領(lǐng)域和運(yùn)用領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用。1.2.1 智能儀表的概念智能儀表的概念 智能儀表是以微處理器或微控制器芯片(如單片機(jī))為核心的可以存儲(chǔ)大量測量信啟、并具有對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、綜合和做出判斷能力的儀表。智能儀表一般具有自動(dòng)測量的功能和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，具有進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零和單位換算的功能。能進(jìn)行簡單的故障指示，具有操作面板和顯示器，有簡單的報(bào)警功能。 從結(jié)構(gòu)上看，智能儀表是一個(gè)專用的微控制系統(tǒng)。它主要由硬件和軟件組成，圖 1-1 是其典型的硬件組成圖。被測參量傳感器多路模擬開關(guān)放大電路a/d轉(zhuǎn)換單片機(jī)d

24、ac驅(qū)動(dòng)器模擬執(zhí)行裝置通信接口eepromram鍵盤顯示器打印機(jī)報(bào)警設(shè)備圖 1-1 智能儀表的系統(tǒng)框圖硬件部分包括輸入通道、微控制器及其外圍模塊、標(biāo)準(zhǔn)通信接口和輸出通道。一般的工作過程是：傳感器拾取被測參量的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)濾波去除干擾后送入多路模擬開關(guān)：由微控制器選通模擬開關(guān)將各輸入信號(hào)逐一送入放大器，放大器的信號(hào)經(jīng) a/d 處理后變換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)送入微控制器中：微控制器根據(jù)儀表所設(shè)定的初值進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算和處理：運(yùn)算結(jié)果送入顯示和打?。何⒖刂破靼堰\(yùn)算結(jié)果與存儲(chǔ)于片內(nèi)的 flash rom 或 e2prom 內(nèi)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較后，根據(jù)運(yùn)算結(jié)構(gòu)和控制要求，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)：與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，

25、使儀表可以接受計(jì)算機(jī)的程控命令，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行全局管理。智能儀表的軟件部分主要包括測控程序和接口管理程序兩部分。測控程序通過控制數(shù)據(jù)采集，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)定的設(shè)置：對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器所記錄的數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行各種處理：以數(shù)據(jù)、字符、圖形等形式顯示各種狀態(tài)信息以及測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果：通過鍵盤操作輸入，并存儲(chǔ)所設(shè)置的功能、操作方式與工作參數(shù)。接口管理程序主要面向通信接口，其內(nèi)容是接受并分析來自通信接口的各種有關(guān)功能操作方式與工作參數(shù)的程序操作碼，并通過通信接口輸出儀表的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)及測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，響應(yīng)計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程控制命令。1.2.2 智能儀表的特點(diǎn)智能儀表的特點(diǎn)與傳統(tǒng)儀表相比，智能儀表主要具有以下特點(diǎn)：1.

26、 操作自動(dòng)化。儀表的整個(gè)測量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關(guān)啟動(dòng)閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以及顯示和打印都用單片機(jī)來控制操作，實(shí)現(xiàn)測量過程的自動(dòng)化。2. 具有自動(dòng)調(diào)整功能。包括自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)故障與狀態(tài)檢測、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)診斷及量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換等。3. 具有數(shù)據(jù)處理功能。這是智能儀表的主要優(yōu)點(diǎn)之一。由于采用單片機(jī)或微處理器，使得原來許多硬件邏輯難以解決或根本無法解決的問題可以通過軟件靈活地解決。4. 測量精度高。可以利用單片機(jī)或微處理器執(zhí)行指令的快速性和 a/d 轉(zhuǎn)換時(shí)間短等特點(diǎn)對(duì)被測量進(jìn)行多次測量求其平均值，排除一些偶然的誤差和干擾，還可以進(jìn)行數(shù)字濾波，剔除粗大誤差和隨機(jī)誤差。5. 具有友好的人機(jī)

27、界面，智能儀表通過使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀表中的切換開關(guān)，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。顯示屏可將儀表的運(yùn)行狀態(tài)、工作狀態(tài)和對(duì)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時(shí)反映出來，使儀表的操作更方便和直觀。6. 具有可程控操作的能力，智能儀表一般配有 gpib， rs232， rs485 以及現(xiàn)場總線等標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，可以很方便地和計(jì)算機(jī)或其他儀表組成用戶需要的多種功能的測量系統(tǒng)，來完成復(fù)雜的測試任務(wù)。1.2.3 電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)智能儀表發(fā)展的推動(dòng)電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)智能儀表發(fā)展的推動(dòng)1. 微電子技術(shù)的發(fā)展對(duì)儀表智能化的影響 微電子技術(shù)是微電子學(xué)中各種工藝技術(shù)的總稱，它包

28、括系統(tǒng)和電路的設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)、材料設(shè)備、自動(dòng)測試等一系列技術(shù)。 自從二十世紀(jì)五十年代末第一塊集成電路問世以來，集成電路從在一個(gè)芯片上只有幾個(gè)晶體管發(fā)展到今天有幾十億個(gè)晶體管的規(guī)模。微電子技術(shù)的發(fā)展基本遵循摩爾定律(每隔 18 個(gè)月集成度增長一倍)高速發(fā)展，七十年代芯片的線寬為5um，八十年代為 1um，目前處于 0.35um 到 0.25um 之間，甚至已經(jīng)達(dá)到 0.13um。過去一塊 pcb 板、一個(gè)機(jī)箱、一個(gè)機(jī)柜的儀表，今天可以集中在單個(gè)芯片上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)從傳統(tǒng)的 pcb 設(shè)計(jì)進(jìn)展到專用 vlsi 芯片的設(shè)計(jì)，這對(duì)儀表技術(shù)的智能化有著重大影響。 對(duì)儀表來說，把一些性能要求很高的單元線路設(shè)

29、計(jì)成專用的集成電路具有重大意義。專用集成電路 asic 的出現(xiàn)，為這一要求的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。 現(xiàn)在可以把 adc、dac、運(yùn)算放大器、比較器等模擬電路、微處理器、dsp 等功能部件以及閃速存儲(chǔ)器、sram 等大規(guī)模存儲(chǔ)器集成在一塊芯片中，從而減少了儀表開發(fā)中微處理器外圍電路的擴(kuò)展要求，減少了由于電路分散引起的外部干擾，提高了儀表的可靠性。2. 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展對(duì)儀表智能化的影響 自從迅猛發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)滲透到儀表技術(shù)領(lǐng)域，便使該領(lǐng)域的面貌不斷更新。通過計(jì)算機(jī)，人機(jī)交互的信息傳送可以分為三個(gè)階段： 單純文字、字符、數(shù)據(jù)交互：多媒體信息、交互：虛擬現(xiàn)實(shí)的信息交互。數(shù)據(jù)信息也稱為數(shù)字信息

30、或數(shù)值信扁、文字字符信息又統(tǒng)稱為非數(shù)字信息。這是傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)信息交互方式。3. 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展對(duì)儀表智能化的影響進(jìn)入二十一世紀(jì)，以 internet 為代表的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展及相關(guān)技術(shù)的日益完善，突破了傳統(tǒng)通信方式的時(shí)空限制和地域障礙，使更大范圍內(nèi)的通信變得十分容易，internet 擁有的硬件和軟件資源正在越來越多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，與此同時(shí)，高性能、高可靠性、低成本的網(wǎng)關(guān)、路由器、中繼器及網(wǎng)絡(luò)接口芯片等網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備的不斷進(jìn)步，又方便了 internet、不同類型測控網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)。利用現(xiàn)有 internet 資源而不需建立專門的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，使組建測控網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以及它們與 i

31、nternet 的互聯(lián)都十分方便。伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，internet 技術(shù)正在逐漸向智能儀表設(shè)計(jì)領(lǐng)域滲透，實(shí)現(xiàn)智能儀表基于internet 的通訊能力以及對(duì)設(shè)計(jì)好的智能儀表進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)、功能重置和系統(tǒng)維護(hù)。1.2.4 虛擬儀表是智能儀表發(fā)展的新階段虛擬儀表是智能儀表發(fā)展的新階段虛擬儀表是基于計(jì)算機(jī)的軟硬件測試平臺(tái)，利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，加上特殊設(shè)計(jì)的儀表硬件和專用軟件，形成既有普通儀表的基本功能，又有一般儀表所沒有的特殊功能的高檔、低價(jià)的新型儀表。虛擬儀表由計(jì)算機(jī)硬件、應(yīng)用軟件和儀表硬件三部分構(gòu)成，通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀表硬件有機(jī)融合為一體，把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和儀表硬件的測量

32、、控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理。 虛擬儀表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成和傳統(tǒng)的儀表一樣，也由三部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)輸入，進(jìn)行信號(hào)調(diào)理并將輸入的被測模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)便于處理：數(shù)據(jù)處理，按測試要求對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行各種分析與處理：數(shù)據(jù)輸出，將量化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)并進(jìn)行必要的調(diào)理。 虛擬儀表的主要特征是： 1. 靈活性。虛擬儀表把儀表功能交付給用戶去實(shí)施。隨著測量需要的變化，用戶可以方便地增加硬件或軟件組成部分，或者重新配置現(xiàn)有的硬件與軟件組成部分。特別是當(dāng)用戶轉(zhuǎn)移到下一個(gè)研究開發(fā)項(xiàng)目時(shí)，不必拋棄其硬件和軟件，只需制作一種新的虛擬儀表：2. 功能強(qiáng)大。虛擬儀表既有儀表硬件的功能，

33、又有計(jì)算機(jī)硬件的功能，更有計(jì)算機(jī)軟件的功能，現(xiàn)有硬件發(fā)展迅速，軟件技術(shù)也在不斷發(fā)展，所以虛擬儀表比傳統(tǒng)儀表功能大為增強(qiáng)：3. 使用方便，易于維護(hù)。虛擬儀表具有很友好的用戶界面，窗口接口，這為使用和維護(hù)提供了有利條件： 4. 高性能價(jià)格比。虛擬儀表由需要部分專用硬件和軟件，目前比較貴，但是由于虛擬儀表主要采用量大面廣的普通計(jì)算機(jī)硬件和強(qiáng)大而成熟的軟件環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)靈活的儀表功能而具有重用性，所以具有優(yōu)異的性能價(jià)格比和良好的應(yīng)用前景。虛擬儀表的出現(xiàn)是儀表發(fā)展史上的一次革命，代表儀表發(fā)展的最新方向和潮流，將對(duì)儀表技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生不可估量的影響。1.3 國內(nèi)外電能表技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀國內(nèi)外電能表技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀

34、1. 電能表概述1880 年，湯姆斯.愛迪生根據(jù)電解原理發(fā)明了電能表，但它只適用于對(duì)直流電能的測量。1888 年，隨著交流電的應(yīng)用，人們開始研究交流電表。1889 年，人們根據(jù)意大利的費(fèi)拉里斯教授提出的感應(yīng)式電能表原理成功地制造出了交流電能表即感應(yīng)式電能表。當(dāng)有交流電流通過時(shí)，其電壓與電流線圈將交變的電壓與電流轉(zhuǎn)變成交變的磁通，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分 (圓盤) 旋轉(zhuǎn)，記錄轉(zhuǎn)動(dòng)部分所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電能。到十九世紀(jì)末，經(jīng)過諸多科學(xué)家的努力，研究出較完整的感應(yīng)式電能表制造理論。 隨著電力事業(yè)的發(fā)展和人們對(duì)能源的有效利用使得感應(yīng)式電能表在使用過程中暴露出它固有的缺點(diǎn)：功能單一、準(zhǔn)確度低、頻率適應(yīng)范

35、圍窄等。二十世紀(jì)六十年代，為了擴(kuò)充電能表的使用功能，出現(xiàn)了感應(yīng)式脈沖電能表。它依然采用感應(yīng)式電能表的測量機(jī)構(gòu)，只是利用光電傳感器將電能轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，通過電子電路對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算，完成電能的計(jì)量工作。但并沒根本上改變感應(yīng)式電能表的缺點(diǎn)。二十世紀(jì)七十年代，研制成功電子式電能表，也稱為靜止式電能表。電子式電能表利用電子線路把單相或三相交流功率轉(zhuǎn)換成脈沖或其它數(shù)字量。根據(jù)轉(zhuǎn)換方式不同，全電子式電能表主要有熱電變換型、時(shí)分割乘法器型和模擬/數(shù)字變換（adc)型。熱電變換型利用電能的熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量，再利用熱電元件把熱能轉(zhuǎn)換成一個(gè)正比于電功率的電信號(hào)，熱電變換型電能檢測方式成本較高，適用于制造高

36、精度儀表，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。 時(shí)分割乘法器型的核心是時(shí)分割乘法器，它實(shí)質(zhì)是一個(gè)脈寬、幅度調(diào)制器，輸入時(shí)分割器的兩路輸入信號(hào)分別被進(jìn)行脈寬和幅度調(diào)制，調(diào)制后得到的脈動(dòng)信號(hào)的直流分量即為兩路輸入信號(hào)的乘積。時(shí)分割乘法器型電能表因其成本低，精度好而得到廣泛運(yùn)用，但一般適用于生產(chǎn)普通電能表，它的主要障礙在于功能擴(kuò)展比較困難。模擬/數(shù)字變換型電能表將電壓、電流瞬時(shí)值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由微處理器對(duì)它們進(jìn)行分析處理，adc 檢測到的是反映電量的最基本的量，微處理器對(duì)它進(jìn)行各種數(shù)字處理，計(jì)算出瞬時(shí)功率、無功功率、視在功率、電能累計(jì)值、功率因素，電壓電流的大小等。模擬/數(shù)字型電能表在精度、功能擴(kuò)展、啟動(dòng)電流、頻率的

37、響應(yīng)等方面都適于研制開發(fā)多功能電能表，因此獲得廣泛運(yùn)用。電子式電能表與感應(yīng)式電能表相比，有了質(zhì)的飛躍，它具有測量精度高、功能擴(kuò)展容易、可測頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)。2. 我國電能表技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀我國 20 世紀(jì) 70 年代開始用電子式電能表，先是依靠進(jìn)口，到 80-90 年代國內(nèi)已經(jīng)能夠生產(chǎn) 0.05%級(jí)電子式電能表。經(jīng)過十多年的發(fā)展，現(xiàn)在我國的電能表技術(shù)水平在大部分領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。在市場經(jīng)濟(jì)下，人們對(duì)電能的計(jì)量的準(zhǔn)確度越來越高，對(duì)用電的管理要實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化，這些都是感應(yīng)式電能表無能為力的。近年來，高準(zhǔn)確度、多功能、長壽命且能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表的多功能全電子式電能表的出現(xiàn)，為電子式電能表

38、取代感應(yīng)式電能表創(chuàng)造了條件。3. 國外電能表技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀國外電能表技術(shù)的發(fā)展主要集中在電子式電能表的計(jì)量芯片上，而計(jì)量芯片的核心是乘法算法的實(shí)現(xiàn)方式。目前，乘法器與相關(guān)算法的實(shí)現(xiàn)主要有三種方式： 1. 采用硬件搭建構(gòu)成內(nèi)部運(yùn)算乘法器： 2. 通過外部 mcu 軟件編程實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算處理： 3. 采用 dsp 或?qū)Ｓ糜?jì)量芯片實(shí)現(xiàn)乘法處理，如采用 adc+dsp+mcu+計(jì)量軟件或?qū)Ｓ糜?jì)量部件+mcu 的解決方案，前者如由 atmel 公司的 at73c500 和at73c501 制成的電能表，后者如由 ti 公司 msp430f42x 制成的電能表。電能表未來的發(fā)展趨勢是計(jì)量部分模塊化，并能直接

39、給出所有高精度的測量參數(shù)，以及控制部分功能擴(kuò)展。在電能表的制造技術(shù)上，越來越多的新技術(shù)得到使用，如 eda(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)、cam(計(jì)算機(jī)輔助制造)、cat(計(jì)算機(jī)輔助測試)、smt(表面貼裝技術(shù))等。1.4 本章小結(jié)本章小結(jié)本選題所要研制的單相多功能電能表擬解決以往此類電表普遍存在的精度差、功能有限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本偏高等問題，本課題選擇美國德州儀表公司(ti)的msp430 單片機(jī)作為電能表的微處理器，msp430 是超低功耗的 16 位單片機(jī)，采用精簡指令集。它具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，功能強(qiáng)大，并且具有很低的電能消耗，特別適合在電池供電的設(shè)備中運(yùn)用，圖 1-2 是本選題開發(fā)的電能表的結(jié)構(gòu)原理

40、圖。本單相多功能電表由輸入轉(zhuǎn)換部分、單片機(jī)部分、通信部分和輸出部分組成。其中，電壓電流經(jīng)輸入轉(zhuǎn)換變成單片機(jī)可以處理的信號(hào)，單片機(jī)采用msp430x3xx，通信采用紅外通信方式，輸出部分則是有關(guān)數(shù)據(jù)送 lcd 顯示和脈沖輸出。在研制過程中，精度、可靠性、功耗是側(cè)重點(diǎn)，并充分考慮產(chǎn)品化的需要，采取了一些有利于推廣的措施。參照電能表的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本電能表實(shí)現(xiàn)以下功能： 電壓回路電流回路脈沖msp430存儲(chǔ)器lcd時(shí)鐘通信電源圖 1-2 多功能電能表結(jié)構(gòu)1.電能計(jì)量：對(duì)市電的電壓，電流采樣處理，得到電壓有效值，電流有效值，有功功率和無功功率等電能參數(shù)；2.費(fèi)率管理：每天有 3 種費(fèi)率可供選擇；3.時(shí)間管

41、理：具有日歷、計(jì)量和閏年自動(dòng)切換功能；4.通信：利用紅外通信方式，與電能表手持抄錄器交換數(shù)據(jù)；5.顯示：可顯示上月、本月總電量及各費(fèi)率時(shí)段的電量。第二章第二章 總體方案總體方案 電能表實(shí)際上就是一個(gè)自動(dòng)化測控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)需要一個(gè)總體設(shè)計(jì)方案，以便后面具體設(shè)計(jì)工作的開展。2.1 測量的概念及原理測量的概念及原理 人們借助于專門的設(shè)備，通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)客觀事物取得數(shù)量信息的過程稱為測量。它與計(jì)量的區(qū)別在于：計(jì)量是以確定值為目的的一組操作。一般認(rèn)為，以國家法定計(jì)量單位為計(jì)值單位進(jìn)行的測量屬計(jì)量的范疇。 按被測量值的獲取方法，測量可以分為三類：直接測量、間接測量和組合測量法。 直接測量法是不需對(duì)被測量有

42、函數(shù)關(guān)系的其它量進(jìn)行測量而獲得被測量值的一種方法。 間接測量法是通過對(duì)被測量有函數(shù)關(guān)系的二個(gè)或三個(gè)以上的相關(guān)量的測量而得到被測量值的測量方法。組合測量法是當(dāng)各未知量能以某些可測量的組合形式表示(或改變測量條件未獲得這種不同的組合)時(shí)，根據(jù)直接測量和間接測量所得的數(shù)據(jù)，通過一組聯(lián)立方程而求出各未知量的數(shù)據(jù)。2.2 電能參數(shù)的測量電能參數(shù)的測量2.2.1 電壓、電流測量電壓、電流測量周期性電壓、電流的瞬時(shí)值是隨時(shí)變化的，所以一般用有效值表征它們的作功能力并度量其“大小” ，如電流有效值的定義是一個(gè)周期性電流的作功能力和直流電流的作功能力相比，則有：在相同時(shí)間 t 內(nèi)周期電流 i 流過電阻 r 所做

43、的功與直流電流 i 流過電阻所做功相等，就稱此直流電流的量值為此周期電流的有效值。直流電流 i 流過電阻 r 在時(shí)間 t 內(nèi)所做的功為：rtiw22周期性電流 l 流過電阻 r，在時(shí)間 t 內(nèi)，電流 l 所作的功為：rdtiwr022根據(jù)以上定義，即21ww rtirdtit202于是，周期電流 1 的有效值為： (式 2-1)tdtiti021同理，電壓有效值 v 為： (式 2-2)dtutvt021上面兩式(2-1)和(2-2 )式，即是對(duì)電流、電壓求均方根值的運(yùn)算。根據(jù)周期性連續(xù)函數(shù)有效值的定義，將電壓、電流函數(shù)離散化，得 (式 2-3)nnnunv12)(1 (式 2-4)(112n

44、ininn式中 u(n)和 i(n)分別表示被測電壓、電流信號(hào)離散采樣值。2.2.2 功率測量功率測量電路由有源元件和無源元件組成，有源元件包括電源和反電動(dòng)勢，而無源元件可以分成兩類：一類是耗能元件電阻 r，另一類是儲(chǔ)能元件電感 l 和電容 c，工作中的電路中時(shí)時(shí)刻刻都在進(jìn)行著電能和其它形式能量的相互轉(zhuǎn)換。在含有儲(chǔ)能元件電感 l 或電容 c 的正弦交流電路里，電阻元件(以及反電動(dòng)勢負(fù)載)的端電壓與端電流方向總是相同的，其瞬時(shí)功率都為正，它把電能轉(zhuǎn)化成其它形式的能量。而電感和電容上電壓與電流的瞬時(shí)值在一個(gè)周期里有半個(gè)周期二者的方向相同，電能轉(zhuǎn)化為磁場能或電場能儲(chǔ)存在電感或電容內(nèi)：另外半個(gè)周期中電

45、壓與電流的實(shí)際方向是相反的，磁場能或電場能轉(zhuǎn)化為電能回饋電路。所以，儲(chǔ)能元件能量的轉(zhuǎn)換是雙向的、可逆的，在一個(gè)周期內(nèi)的平均功率等于 o。有功功率定義為一周期內(nèi)瞬時(shí)功率的平均值，由于儲(chǔ)能元件一周期內(nèi)瞬時(shí)功率的平均值為 0，所以實(shí)際元件的有功功率也就是電路中電阻上耗能的規(guī)模。 無功功率反映了儲(chǔ)能元件 l 或 c 在一周期內(nèi)能量交換的規(guī)模，即電能與磁場能或電場能交換的規(guī)模，其規(guī)模大小用能量交換的最大速率來表示。一般周期信號(hào)電路的有功功率為： （式 2-rdttitutp0)()(15）其中 t 為周期信號(hào)的周期。式(2-5)經(jīng)離散化可得 （式 2-nnninunp1)()(16）注意(2-6)式對(duì)正

46、弦電路是完全適用的。由于儲(chǔ)能器件的存在，單相正弦電路中的有功功率的定義為：其中 v，了分別為電壓、電流有效值， 為功率因數(shù)，它反映了有功功率cos與視在功率 s=叮的比值，而在物理上功體現(xiàn)為正弦的電壓波形與電流波形之間的相位差。單相正弦電路的無功功率的定義式為： （式 2-sinviq 8）在這里會(huì)面臨以下兩個(gè)有待解決的問題：1)如何得到式(2-8)的離散化表達(dá)式：2)因?yàn)榉钦译娐返臒o功功率不能簡單地體現(xiàn)為電壓波形與電流波形之間的相位差，因此不能以 vl sin 表示，在這種情況下如何求得非正弦電路的無功功率。下面就是解決上述問題的兩個(gè)方法：1. 數(shù)字移相法(2-8)式可以變換為： （式 2

47、-)90cos(viq9）由式(2-9)可以看出，用電壓采樣值乘以滯后電壓 90“的電流采樣值然后累加可以求得無功功率，即無功功率的離散化計(jì)算公式為： （式 2-nnnninunq1)4()(110） 這種計(jì)算稱為無功功率的簡單數(shù)字移相法，它要求被測號(hào)為嚴(yán)格的正弦波情況，換句話說，它不能對(duì)含有諧波的電路進(jìn)行準(zhǔn)確的無功功率測量。 2. 視在功率法 實(shí)際運(yùn)用中，電網(wǎng)還存在一些諧波成分，用式(2-10 )計(jì)算無功功率將產(chǎn)生較大誤差，因此應(yīng)該用下述方法進(jìn)行無功功率的計(jì)算。 用(2-3)和(2-4)分別求出有效值 v， r，然后求出視在功率 s = vl則有： (式 2-11)22psq這種方法只要滿足

48、采樣定理，在原理上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)含有諧波的電路的有功和無功功率的測量，并進(jìn)而可推演出其它的一些被測量。2.3 多費(fèi)率電能表的原理多費(fèi)率電能表的原理 多費(fèi)率電能表又稱為分時(shí)計(jì)費(fèi)電能表或復(fù)費(fèi)率電能表，它可按預(yù)定的峰、谷、平時(shí)段的劃分，分別計(jì)量高峰、低谷、平段的用電量，從而對(duì)不同時(shí)段的用電量采用不同的電價(jià)。多費(fèi)率電能表由電能測量單元和具有分時(shí)計(jì)量功能的電路組成，對(duì)電子式電能表而言，測量為了實(shí)現(xiàn)分時(shí)計(jì)量，電表設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是設(shè)有計(jì)時(shí)準(zhǔn)確、時(shí)段誤差和日誤差小、接通/切換準(zhǔn)確的時(shí)鐘和時(shí)控電路，多費(fèi)率電能表原理如圖 2-1。多功能電能表的費(fèi)率結(jié)構(gòu)按照電能表的技術(shù)要求，主要規(guī)定了不同的費(fèi)率結(jié)構(gòu)，采用不同的費(fèi)用結(jié)算方式

49、，對(duì)電能表來說，需要存儲(chǔ)費(fèi)率結(jié)構(gòu)的各種數(shù)據(jù)表格，包括日費(fèi)率表、周費(fèi)率表、季節(jié)費(fèi)率表和節(jié)假日費(fèi)率表等，這些表格不是孤立存在，而是一個(gè)有機(jī)的整體，通過軟件判斷，選擇合適的費(fèi)率，實(shí)現(xiàn)分時(shí)計(jì)費(fèi)的功能。圖 2-1 多費(fèi)率電能表結(jié)構(gòu)圖顯示器時(shí)鐘秒信號(hào)電源測量電源基基時(shí)控電路顯示器/計(jì)數(shù)器分時(shí)計(jì)數(shù)，存儲(chǔ)，譯碼尖 峰 平 谷市電2.4 單項(xiàng)電能表原理單項(xiàng)電能表原理 電流電流電壓電壓a2次a/d轉(zhuǎn)換之間的時(shí)間間隔重復(fù)時(shí)間時(shí)間圖 2-2 單項(xiàng)電能表測量時(shí)序 被測電能 e 為 （式 2tuuiennl)(11011）式中時(shí)刻的電流采樣值(a)：時(shí)刻的電壓采樣值(v)：nnti 11nntuu 時(shí)刻的電壓采樣值(v)

50、：采樣時(shí)間間隔(s)。11nntutt 時(shí)刻則電流為tuunsin （式 2-)sin(tiin12）時(shí)刻電壓采樣值tt （式 2-)sin(1tuun13）時(shí)刻電壓采樣值tt （式 2)sin(1tuun14）為被測電壓和被測電流之間的相位差測量方法引入測量誤差 為：e1正確值采樣值e （式 2-1)2cos(1cos1)sin(sin)sin()sin()sin(5 . 1tftitutututi15）2.5 有功電能計(jì)算有功電能計(jì)算設(shè)在 t 時(shí)刻負(fù)載兩端的交流電壓和流過負(fù)載的交流電流的表達(dá)式為： （式 2-tututumsin2sin)(16） （式 2-)sin(2)sin()(tit

51、itim17）其中u 時(shí)刻電壓瞬時(shí)值：時(shí)刻電流瞬時(shí)值：電壓峰值：-電tru)(tti)(mumi流峰值：u電壓有效值：i電流有效值：電壓與電流相位差：一角頻率。則在一個(gè)周期內(nèi)平均有功功率 p 為 （式 2-rdttitutp0)()(118） tdttitut0)()(1rdttuit0)2cos(cos1cosui一個(gè)周期內(nèi)的電能 w 為 （式 2rtuidttituw0cos)()(19）電子式電能表中起主要作用的是電能測量單元，其作用是將輸入電壓與電流變換成與功率成一定比例關(guān)系的脈沖信號(hào)，送至分頻和計(jì)數(shù)。它是電子式電能表的關(guān)鍵，其測量精度直接決定電能表的精度和準(zhǔn)確度。電子式電能表的電能測

52、量單元種類繁多，其中乘法器是該單元的核心組成部分。乘法器的類型決定了電子式電能表電能測量單元的結(jié)構(gòu)。乘法器大體可分為模擬乘法器和以數(shù)字乘法器兩類，模擬乘法器的又分為熱電轉(zhuǎn)換型、霍爾效應(yīng)型和時(shí)分割型等：數(shù)字乘法器則包括以微處理器為核心的高精度 a/d 型和 dsp 型乘法器。不管哪種乘法器，都是以式(219)為理論基礎(chǔ)形成的。初期的電子式電能表以時(shí)分割型為主的較多，目前的電子式電能表則以數(shù)字乘法器為主。當(dāng)用計(jì)算機(jī)處理時(shí)，需要將連續(xù)量離散化，用和式代替積分。若以t 的時(shí)間間隔對(duì)電壓和電流進(jìn)行采樣，用 n 表示每周期采樣的次數(shù)(即 t=n*t)，則有功電量公式可以表示為： （式 2nkkiukw1)

53、(20）式中 u(k)，i(k)分別代表電壓、電流的第 k 次采樣值，n 為采樣總點(diǎn)數(shù)，計(jì)算機(jī)軟件就可按公式(220)計(jì)算出被測的有功能量。街取得越小，則計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確。對(duì)三相計(jì)量來說，三相有功功率或者三相負(fù)載吸收的平均功率都等于它們各相的平均功率之和，即： （式 2-cbacbauiuiuippppcoscoscos21）2.6 最大需求量最大需求量最大需量定義為一個(gè)月內(nèi)平均 30 分鐘或 15 分鐘內(nèi)消耗的功率的最大值。計(jì)量最大需量是為了調(diào)節(jié)用電負(fù)荷，作到負(fù)荷平衡，有利于提高電網(wǎng)設(shè)備利用率。1221maxttpdtp其中為時(shí)刻，的差等于 15 或 30 分鐘。12t、t在一段時(shí)間，內(nèi)，記錄

54、下的最大值和發(fā)生的時(shí)刻。一般情況下12tt maxp采用滑差方式，每過一分鐘增加，但的差值保持不變，固定為 1512tt 、21t-t12tt 、或 30 分鐘。2.7 多費(fèi)率電能表開發(fā)過程多費(fèi)率電能表開發(fā)過程本選題以美國德州儀表(texas instruments)公司生產(chǎn)的以超低功耗 16 位單片機(jī) msp430x32x 系列為核心開發(fā)多費(fèi)率電能表，其開發(fā)過程遵循以下步驟： 1. 根據(jù)任務(wù)需求及單片機(jī)所能提供的資源(外圍 i/o 接口、定時(shí)器、中斷和計(jì)算時(shí)間等)在 msp430系列中選擇最適當(dāng)?shù)男吞?hào)： 2. 對(duì)硬件電路進(jìn)行完整的設(shè)計(jì)，并按工作條件選擇單片機(jī)外部器件： 3. 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)單

55、片機(jī)的 ram 單元進(jìn)行分配和定義： 4. 設(shè)計(jì)完整軟件的流程圖： 5. 軟件模塊化匯編語言編程，匯編與糾錯(cuò)： 6. 仿真調(diào)試與修改完善： 7. 現(xiàn)場試驗(yàn)和測試。2.8 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章主要式闡述了電能測量的原理及其感念，以及電能的一些常用參數(shù)的計(jì)算。電能表的收費(fèi)原理及其結(jié)構(gòu)，電能表的開發(fā)過程，設(shè)計(jì)電能表的趨勢以及主要任務(wù)。 第三章第三章 電能表的硬件設(shè)計(jì)電能表的硬件設(shè)計(jì)3. 1 硬件總體方案硬件總體方案圖 3-1 給出了電能表的硬件框圖。電壓pt信號(hào)調(diào)理電流ct信號(hào)調(diào)理校驗(yàn)脈沖a/d處理能量計(jì)量復(fù)費(fèi)率計(jì)算單元msp430 x32x串行eepromlcd接口其他接口電源管理圖 3-1 單

56、相電子電能表的結(jié)構(gòu)模塊圖 3-1 中的硬件按功能可分為測量、單片機(jī)、顯示器、串行 e2prom 存儲(chǔ)、通信和電源等單元。 1. 測量：其功能是把市電中的電壓、電流高電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)內(nèi)aid 轉(zhuǎn)換器能處理的低電平信號(hào)，市電經(jīng)過電壓互感器和電流互感器轉(zhuǎn)換成交流低電平信號(hào)后輸入單片機(jī)。 2. 單片機(jī)：數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、顯示和通信的控制中心： 3. 顯示：采用 lcd 顯示累計(jì)電能或其它數(shù)據(jù)：4. 串行 ezprom：單片機(jī)內(nèi)部 ram 掉電時(shí)將丟失隨機(jī)存取的數(shù)據(jù)。故外接一片 ezprom。主要用來存儲(chǔ)各個(gè)時(shí)段的用電量、電能表常數(shù)、時(shí)間參數(shù)。 5. 通信：利用紅外通信實(shí)現(xiàn)電能表與或手持抄錄器之間的數(shù)

57、據(jù)傳輸。 6. 電源：電源的提供可采取兩種方案，一是市電經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓，得到穩(wěn)定的直流低電壓，向表內(nèi)供電。這種方案的缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的電源電路，導(dǎo)致造價(jià)、功耗和停電數(shù)據(jù)保護(hù)和電氣隔離等一系列問題。另一種方案是采用電池供電，這在電表采用低功耗設(shè)計(jì)時(shí)是可行的，并且?guī)碇T多好處。對(duì)于電表來說，這兩種供電方式都是可行的。但是對(duì)于某些過程儀表(如遠(yuǎn)程壓力、溫度流量儀表等)，采用電池供電的低功耗設(shè)計(jì)就具有更大的優(yōu)勢。 本選題也探索了電池供電方案，并采用下列措施降低電表的功耗： 1. 采用低功耗 msp430 系列單片機(jī)： 2. 使用低功耗外圍器件(如運(yùn)放等)： 3. 數(shù)據(jù)的采集和功率的計(jì)算按一定周期(

58、如每秒種一次)喚醒，電表大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)。3.2 msp430c3xx 系列單片機(jī)系列單片機(jī)單片機(jī)是電能表的數(shù)據(jù)處理部分的核心器件，系統(tǒng)要求在短時(shí)間內(nèi)處理大量的數(shù)據(jù)，因此要求單片機(jī)有較高的運(yùn)算速度。本選題在對(duì)多種單片機(jī)進(jìn)行了解后，決定采用 msp430 系列單片機(jī)msp430x32x作為電能表的核心。msp430 系列單片機(jī)是美國德州儀表(texas instruments)公司生產(chǎn)的以超低功耗為主要特色的 16 位單片機(jī) msp430x32x 系列屬于外圍較為豐富且支持 lcd 的中檔產(chǎn)品，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如振蕩器系統(tǒng)與時(shí)鐘程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器adcwdtcpu16寄存器隨機(jī)邏輯總線轉(zhuǎn)換us

59、art輸入輸出口輸入輸出口8位定時(shí)器基本定時(shí)器lcd驅(qū)動(dòng)器圖 3-2 msp430x32x 系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 3-2 所示，主要特點(diǎn)如下：2.5-5.5v 工作電壓：消耗電流 0.1(備用模式)一 400ua(1mhz，3v)，5 種低功耗方式：16 位 risc 體系，僅 27 條核心指令，指令周期 300ns：采用 32khz 晶振，內(nèi)部時(shí)鐘達(dá) 3.3mhz： 圖 3-3 msp430x32x 系列管腳片內(nèi) lcd 驅(qū)動(dòng)器多達(dá) 84 段片內(nèi) 12+2 位 a/d 轉(zhuǎn)換靈活強(qiáng)大的處理能力 看門狗定時(shí)器定時(shí)器口(具有比較器的 2 個(gè)八位或 1 個(gè) 16 位定時(shí)器，5 個(gè)輸出一個(gè) i/o適于作斜

60、坡 ad 轉(zhuǎn)換)基本定時(shí)器(2 個(gè)八位或 1 個(gè) 16 位定時(shí)器)i/o 口 0（8 個(gè) i/o 均有中斷能力)。圖 3-3由此可見它特別適合用于智能儀表、智能化家用電器、電池供電便攜式設(shè)備等產(chǎn)品之中。 msp430x32x 系列包括 rom 版本 c323 ( 8kbrom， 256bram)與c325(16kbrom， 512bram)，otp 版本 p325a 和 eprom 版本 e325a。msp430 使用的時(shí)鐘有 aclk， mclk 和 smclk，其中 aclk 是晶體振蕩器的頻率，一般使用 32768hz 的晶振，這樣就允許低頻時(shí)鐘方式工作，從而降低功耗：mclk通過鎖相環(huán)