【精品】程錦斌-畢業(yè)論文

1、£ n塊呀y(tǒng)angtze university畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機的電能計量器程錦斌電子信息學(xué)院電氣10601題 目: 學(xué) 生: 學(xué)院（系）： 專業(yè)班級: 指導(dǎo)教師:朱清祥時 間：20010年3月12日 20010年6月10日長江大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書i長江大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告ii長江大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計）指導(dǎo)教師審查意見iii長江大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計）評閱教師評語iv長江大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計）答辯會議記錄及成績評定v中外文摘要vi前言16第一章選題背景171.1電能表行業(yè)狀況171.2電能表行業(yè)特征171.3電能表國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r171.4電能表分類191.5本論文研究方

2、向19第二章方案論證202電能計量模塊設(shè)計要求202.2電能計量的基本原理202.3設(shè)計方案222.4方案論證26第三章硬件電路設(shè)計303屯能計量器總體設(shè)計框圖303.2屯壓信號的調(diào)理303.3電流信號的調(diào)理313.4相位測量電路333.5 a/d轉(zhuǎn)換電路343.6 led顯示電路373.7 rs-232通信電路373.8電源電路39第四章軟件程序設(shè)計404主程序設(shè)計404.2相位檢測模塊程序設(shè)計414.3 a/d轉(zhuǎn)換模塊程序設(shè)計434.4 led顯示模塊程序設(shè)計434.5 rs-232通信模塊程序設(shè)計45結(jié)論47參考文獻48致謝49長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)院（系）電子信息學(xué)院 專業(yè)

3、電氣工程及其自動化 班級 電氣10601學(xué)生姓名 程錦斌指導(dǎo)教師/職稱1. 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：基于單片機的電能計量器2. 畢業(yè)設(shè)計（論文）起止時間：2010年3月12日2010年6月17 e13. 畢業(yè)設(shè)計（論文）所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導(dǎo)教師選定部分） 智能化測量控制儀表原理與設(shè)計.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，徐愛鈞 單片機原理及接口技術(shù).編者：朱定華，出版：電子工業(yè)出版社 檢測技術(shù)及儀表.中國輕工業(yè)出版社 智能卡技術(shù)清華大學(xué)出版社，王愛英 交流電能表檢定和調(diào)整.中國計量出版社，藍(lán)永林4. 畢業(yè)設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容設(shè)計電能計量模塊，要求： 采用單片機作為主控芯片。 用比較式a/d

4、轉(zhuǎn)換器。 電能計量結(jié)果由串行口輸出，通信格式：波特率4800b/s,數(shù)據(jù) 位8位，停止位1位，無校驗。 計量精度2級。5. 畢業(yè)設(shè)計（論文）的目標(biāo)及具體要求 完整硬件設(shè)計電路。 軟件框圖及程序清單。6、完成畢業(yè)設(shè)計（論文）所需的條件及上機時數(shù)要求 須proteus仿真，上機時數(shù)80小時。任務(wù)書批準(zhǔn)日期年_月_日教研室（系）主任（簽字）任務(wù)書下達日期 _年_月 日指導(dǎo)教師（簽字） 完成任務(wù)日期 年 月 日學(xué)生（簽名）畢業(yè)設(shè)計開題報告題目名稱基于單片機的電能計量器 院 （系）電子信息學(xué)院專業(yè)班級電氣10601班學(xué)生姓名扌旨導(dǎo)教師朱清祥輔導(dǎo)教師開題報告日期2009年3月27日基于單片機的電能計量器學(xué)

5、生：程錦斌 電子信息學(xué)院指導(dǎo)教師：朱清祥電子信息學(xué)院一、題目來源專題研究。二、研究目的和意義電能計量器就是用來計量電能的設(shè)備，一般稱為電能表。在一切用電場合都要用 電能表來計量用電量。電能表分為很多種，有單相式電能表、三相式電能表、復(fù)費率 電能表、防竊電式電能表等。隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平不斷提高，特別是最 近兩年，國家為了擴大內(nèi)需，拉動消費，推出了家電下鄉(xiāng)等政策，家庭中家用電器越 來越多，隨之而來的則是電費的增加，這就使人民群眾更加關(guān)注電能表的計量性能。 由于價格和使用習(xí)慣等條件的制約，傳統(tǒng)的感應(yīng)式屯能表仍然在很多場合繼續(xù)使用。 而感應(yīng)式電能表有準(zhǔn)確度低、適用頻率窄、功能單一等缺點，越

6、來不能滿足耍求。電 字式電能表有感應(yīng)式所不可比擬的優(yōu)點，它功能多、精度高、便于自動抄表及具有先 進通訊接口。隨著單片機技術(shù)的快速發(fā)展，以單片機為主控芯片的電子式電能表也會 進入了快速發(fā)展期。由于市場上一般電子式電能表大都是采用美國adi公司生產(chǎn)的 ade7755電能計量芯片為計量模塊,所以生產(chǎn)成本比較高，可擴展性和靈活性也不好。鑒于此，我想設(shè)計一種數(shù)字式的電能計量裝置，通過電壓電流互感器、交流采樣、a/d轉(zhuǎn)換器準(zhǔn)確得出電壓電流值，再經(jīng)過8051單片機計算后，得到電能信息，用這種方法 代替價格較貴的電能計量芯片。三、閱讀的主要參考文獻及資料名稱1 徐愛鈞智能化測量控制儀表原理與設(shè)計北京航空航天大

7、學(xué)出版社.2 朱定華.單片機原理及接口技術(shù).電子工業(yè)出版社.3 李軍，李賦海.檢測技術(shù)及儀表.中國輕工業(yè)出版社.4 王愛英智能卡技術(shù).清華大學(xué)出版社.5 史健芳智能儀器設(shè)計基礎(chǔ).電子工業(yè)出版社.6 徐愛鈞單片機原理使用教程一基于proteus虛擬仿真.電子工業(yè)出版社.在國內(nèi)，早期主產(chǎn)的是第一代石英鐘控分時電能表。由于這種分時計費電 能表的可靠性較差。計時分段精度太低，易受干擾，使用功能單一，不能適應(yīng) 分時計費中的一些特殊要求，目前己基本淘汰停用。第二代是機電一體化結(jié)構(gòu) 的分時電能表。這種電能表采用1.0級感應(yīng)系電能表機芯為基礎(chǔ)，采用紅外光 屯變換器，脈沖輸出和單片機電路，帶有脈沖輸出及rs-2

8、32串行通信口，便 于數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送與監(jiān)控。儀表性能比較精密可靠，功能可滿足我國現(xiàn)階段分時 計費需求，生產(chǎn)工藝比較成熟，價格具有競爭力，是h前國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的 一代產(chǎn)品。但是美中不足的是各生產(chǎn)廠家均為口行開發(fā)專用單片機，存在產(chǎn)品 兼容性差，維修困難的缺點。在國外，數(shù)字式電能表發(fā)展很快。芬一蘭、瑞典、挪威等北歐各國和法、英、 德、西班牙、比利時和意大利等西歐國家，目前已經(jīng)全部完成了工商用戶電能 表100%的電子化。居民用戶表也正在逐步向電子化過渡，如法國2001年起已 停止購裝感應(yīng)表;意大利也從2005年開始逐步把感應(yīng)表更新為自動抄表的電子 表;而英國冃前已經(jīng)有80%居民用上了電子式表?，F(xiàn)有的電

9、能計量芯片多數(shù)由國 外廠商制造，因而他們掌握著數(shù)字式電能表的相關(guān)核心技術(shù)。隨著電子元器件的發(fā)展和應(yīng)用，電子式電能表表現(xiàn)出越來越多的優(yōu)點：（1）科學(xué)技 術(shù)含量高、技術(shù)性能優(yōu)越、計量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性能好；（2）節(jié)約能源、能耗小，自身能 耗僅為機械表的二分之一；（3）體積小、耗材低，安裝方便、快捷；（4）擴展功能，通 過加裝一些輔助設(shè)備就能實現(xiàn)分時計費功能和采用計算機實現(xiàn)遠(yuǎn)方自動抄表功能。因 具有優(yōu)越的技術(shù)特性和多種功能而被廣泛采用。五、主要研究內(nèi)容.需重點研究的關(guān)鍵問題及解決思路1.主要研究的內(nèi)容：電壓電流采樣模塊，電能計量和信號處理模塊，電源模塊，時鐘模塊，數(shù)據(jù)存儲 模塊，顯示模塊，通信模塊。2.重

10、點研究的關(guān)鍵問題及解決思路:a）電能計量和信號處理模塊（1）電能計量的原理tw= f u icos 4> dtto其中w是電能。u, i分別為交流信號有效值。e是電壓信號超前于電流信號的相 位差值，cosd）稱為功率因數(shù)，它表征了電網(wǎng)屮實際消耗電能的平均功率（有功功率） 與u, i的乘積（視在功率）的比值。（2）ad轉(zhuǎn)換電路ad轉(zhuǎn)換電路是整個系統(tǒng)的核心電路，用于將輸入的電圧、電流信號轉(zhuǎn)換成單片機 所能接受的數(shù)字量，本論文采用比較式a/d轉(zhuǎn)換器ad0808,主要完成電壓信號、電流 信號和相位差數(shù)據(jù)的實時采樣,從而為8051單片機精確計算提供數(shù)據(jù)。b）電源模塊電源電路負(fù)責(zé)給各個硬件模塊供電，

11、以保證整個電能表的正常運行。當(dāng)電網(wǎng)停電 時，給實時時鐘供電以保證時鐘的連續(xù)性的備用電源是鋰電池。電源轉(zhuǎn)換電路均采用 交流變壓器直接降壓整流，再經(jīng)過線性穩(wěn)壓獲得+5v直流電壓。c）通信模塊pc與電能表之間采用標(biāo)準(zhǔn)rs-232串行通信接口進行通信。d）總體系統(tǒng)設(shè)計框圖圖3. 1總體設(shè)計圖六、完成畢業(yè)設(shè)計(論文)所必須具備的工作條件(如工具書、計算機輔助設(shè)計、某類市場調(diào)研.實驗設(shè)備和實驗環(huán)境條件等)及解決的辦法(1) pc機一臺(2) 計算機輔助軟件:keil uvision3> proteus(3) 運行環(huán)境:window7七、工作的主要階段、進度與時間安排1. 準(zhǔn)備階段3刀12號-3h25

12、號擬劃畢業(yè)設(shè)計的整體方案并完成開題報告。2. 收集信息階段3月26號月9號杳找相關(guān)資料并做好記錄。3. 設(shè)計階段4月10號-5月9號分為硬件電路設(shè)計和程序設(shè)計兩塊，根據(jù)相關(guān)資料設(shè)計出具體方案。4. 調(diào)式階段5月10號-5月21號按照設(shè)計方案進行設(shè)計調(diào)試并接受中期檢查。5. 完善階段5月22號-6月5號檢查、修改錯誤并優(yōu)化設(shè)計。6. 論文答辯階段6月6號-6月17號八. 指導(dǎo)教師審查意見學(xué)生姓名專業(yè)班級畢業(yè)論文 （設(shè)計）題目指導(dǎo)教師職稱評審口期評審參考內(nèi)容：畢業(yè)論文（設(shè)計）的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平， 存在的主要問題與不足。學(xué)牛的學(xué)習(xí)態(tài)度和組織紀(jì)律，學(xué)牛掌握基礎(chǔ)和專

13、業(yè)知識的情況，解決實際問題 的能力，畢業(yè)論文（設(shè)計）是否完成規(guī)定任務(wù)，達到了學(xué)士學(xué)位論文的水平，是否同意參加答辯。評審意見：指導(dǎo)教師簽名：評定成績（百分制）：分（注：此頁不夠，請轉(zhuǎn)反面）學(xué)生姓名專業(yè)班級畢業(yè)論文 （設(shè)計）題h評閱教師職稱評閱ri期評閱參考內(nèi)容：畢業(yè)論文（設(shè)計）的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存 在的主要問題與不足。學(xué)牛掌握基礎(chǔ)和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力，畢業(yè)論文（設(shè)計）是否完成 規(guī)定任務(wù)，達到了學(xué)士學(xué)位論文的水平，是否同意參加答辯。評語：評閱教師簽名：評定成績（白分制）：分（注：此頁不夠，請轉(zhuǎn)反而）學(xué)生姓名專業(yè)班級畢業(yè)論文（設(shè)計）題目答辯時間

14、年月日時 答辯地點一、答辯小組組成答辯小組組長：成員：二、答辯記錄摘要答辯小組提問（分條摘要列舉）學(xué)生回答情況評判三、答辯小組對學(xué)生答辯成績的評定（百分制）：分畢業(yè)論文（設(shè)計）最終成績評泄（依據(jù)指導(dǎo)教師評分、評閱教師 評分、答辯小組評分和學(xué)校關(guān)于畢業(yè)論文（設(shè)計）評分的相關(guān)規(guī)定）等級（五級制）：答辯小組組長（簽名）：秘書（簽名）：年 月日院（系）答辯委員會主任（簽名）：院（系）（蓋章）基于單片機的電能計量器學(xué) 生：程錦斌 電子信息學(xué)院指導(dǎo)教師：朱清祥電子信息學(xué)院摘要電能計量器即是用于計量電能的儀器，一般稱為電能表。隨著我國經(jīng)濟發(fā) 展和人民生活水平不斷提髙，特別是最近兩年，國家為了擴大內(nèi)需，拉動消

15、費，推出 了家電下鄉(xiāng)等政策，在每個家庭中使用的家用電器越來越多，隨z而來的則是電費的 增加，這就使人民群眾更加關(guān)注電能表的計量性能。傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表越來不能滿 足用戶的要求，而屯字式電能表有感應(yīng)式所不可比擬的優(yōu)點，它功能多、精度高、便 于自動抄表及具有先進通訊接口。隨著單片機技術(shù)的快速發(fā)展，以單片機為主控芯片 的電子式電能表也會進入了快速發(fā)展期。由于市場上一 般電子式電能表大都是采用美 國adi公司生產(chǎn)的ade7755電能計量芯片為計量模塊,所以生產(chǎn)成木比較高，可擴展 性和靈活性也不好。鑒于此，本論文設(shè)計了一種電子式的電能計量裝置，通過對電壓 電流信號進行交流采樣，并檢測出功率因數(shù)，然后利用

16、所得參數(shù)求出使用的電量。最 后把累計的電量通過led顯示出來，利用串行口把電能計量結(jié)果輸送給上位機，以 實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表功能。關(guān)鍵詞1：電能計量；單片機 交流采樣led顯示 串行口electric energy meter based on microprocessorstudent:jinbin cheng, school of electronic 1 nformation5yangtze universityinstructs teacther:qingxiang zhu, school of electronic information,yangtze universityabstract

17、 electric energy meter is the instrument used to measure electric energy, commonly called it wattmete匚 with the development of economy and the improving of people's lives，especially the last two years, the government of china has adopted the policy of home appliances going to the countryside to

18、expand domestic demand, stimulate consumption, the household appliances were used in every family more and more, resulted in increase in electricity tariffs, which makes people more concerned about the performance of electric energy mete匚 the traditional induction wattmeter increasingly unable to me

19、et customer requirements and electronic energy meter has the incomparable advantage of induction, which with more features、precise and easier to automatic meter reading and advanced communication interface. with the rapid development of microprocessor technology ,electronic energy meter will enter a

20、 rapid development period which controlled by microprocessor . in market ,the ic ade7755 energy meter chip which produced by the u.s. adi is used as measurement module for a general electronic energy meter , so the production cost much, flexibility and expandability is not good. because of this, the

21、 paper includes a design of a electronic energy measurement device , through ac sampling to the voltage and current signal and measuring the power factor,then the electrical consumption quantity could be calculated at last, the total amount of power would be displayed through the led, used the seria

22、l port to transmit the results of power measurement to the host computer, realized remote meter reading functio n.keywords: metering of electric energy ; microprocessor; serial port ;ac sampling ;led display 亠刖旨電能計量器就是用來計量電能的設(shè)備，一般稱為電能表。在一切用電場合都要用 屯能表來計量用電量。目前市場上用的電能表有很多種，有單相式屯能表、三相式電 能表、復(fù)費率電能表、防竊電式電

23、能表等。電能表雖小，但在我國社會經(jīng)濟建設(shè)中起 著重要的作用。它的準(zhǔn)確與否涉及千家萬戶，直接關(guān)系著電力企業(yè)和用戶的經(jīng)濟利 益。由于價格和使用習(xí)慣等條件的限制，傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表仍然在很多場合繼續(xù)使 用。而感應(yīng)式電能表有準(zhǔn)確度低、適用頻率窄、功能單一等缺點，越來不能滿足要求。 電字式電能表有感應(yīng)式所不可比擬的優(yōu)點，它功能多、精度高、便于自動抄表及具有 先進通訊接口。隨著單片機技術(shù)的快速發(fā)展，以單片機為主控芯片的電子式電能表也 會進入了快速發(fā)展期。出于山場上一般電了式電能表大都是采用美國adi公司生產(chǎn)的 ade7755電能計量芯片為計量模塊,所以生產(chǎn)成本比較高，可擴展性和靈活性也不好。 鑒于此，本論

24、文設(shè)計一種數(shù)字式的屯能計量裝置，通過對屯壓電流信號進行交流采 樣，并檢測出功率因數(shù)，再經(jīng)過8051單片機計算后，得到累計電量，用這種方法代替 價格較貴的電能計量芯片。木論文第一章節(jié)介紹選題背景；第二章節(jié)是方案論證；第 三章節(jié)是硬件電路設(shè)計；第四章節(jié)是軟件程序設(shè)計；最后是總結(jié)和參考文獻。第一章.選題背景1.1電能表行業(yè)狀況電能表是我國電工儀表行業(yè)中產(chǎn)量最大的產(chǎn)詁之一。近幾年，國家連續(xù)出臺的多 項與電能表行業(yè)發(fā)展相關(guān)的政策以及房地產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，為電能表需求的上升及 保持行業(yè)發(fā)展的相對穩(wěn)定起到了一定的保障作用。日前，市場上的大多數(shù)電能表為了 設(shè)計的簡易性，數(shù)字式電能計量裝置的設(shè)計多數(shù)采用現(xiàn)有的計

25、量模塊，得出所測參 數(shù)，再累計處理得出電能值，控制相應(yīng)的輸出模塊，達到設(shè)計功能。很少有產(chǎn)品利用 簡單的微處理控制器，口行設(shè)計來接收采樣信號，對采樣信號進行獨立的模數(shù)轉(zhuǎn)換， 最終實現(xiàn)電能計量。還有一些數(shù)字式計量電能表，是在機械式的基礎(chǔ)上，通過紅外對 管及其信號處理屯路將屯表的轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)圈數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字脈沖信號，從而實現(xiàn) 數(shù)字化計量和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?，并沒有從真正意義上實現(xiàn)全數(shù)字式的電能計量。隨著高新技術(shù)尤其是電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，電子式、多功能、高精度、 多費率、自動抄表等產(chǎn)品的優(yōu)勢突顯，且己經(jīng)逐步成為電能表發(fā)展的主流，在 未來兒年里，這種趨勢將更加明顯。1.2電能表行業(yè)的特征電能表行業(yè)的

26、特征主要表現(xiàn)為：大型骨干企業(yè)支柱作用突出。華立集團等在做精、做強電工儀器儀表產(chǎn)業(yè) 的同時，人力推進多元化發(fā)展戰(zhàn)略，積極培育新的經(jīng)濟増長點，發(fā)展新的產(chǎn)業(yè)， 成為行業(yè)經(jīng)濟增長的主要推動力，拉動了整個行業(yè)的發(fā)展。高新技術(shù)產(chǎn)品的增勢迅猛，不斷拓寬服務(wù)領(lǐng)域，橫向發(fā)展，向水、氣、熱 生活計量與抄表領(lǐng)域拓寬。全行業(yè)產(chǎn)能過剩，產(chǎn)品供大于求；電能表出口產(chǎn)品科技含量增加，高附加 值含量增加；生產(chǎn)集屮度進一步提高，集約經(jīng)營規(guī)模擴大；這些特點凸顯。1.3電能表國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r在國內(nèi)，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對屯的需求越來越人，不同時 間用電量不均衡的現(xiàn)彖也fl益嚴(yán)重。為緩解我國日趨尖銳的電力供需孑盾，調(diào) 節(jié)負(fù)荷

27、曲線，改善用電量不均衡的現(xiàn)彖，全面實行峰、平、谷分時電價制度，“削 峰填谷"，提高全國的用電效率，合理利用電力資源，國內(nèi)部分省市的電力部門 已開始逐步推出了多費率電能表，對用戶的用電量分時計費。1995年4月，由國 家計委、國家經(jīng)貿(mào)委和屯力工業(yè)部聯(lián)合在上海召開的全國計劃用電工作會議上 決定，用34年時間，在全國各大電網(wǎng)內(nèi)，有計劃、分步驟全面推行峰谷分時 電價制度?？俬標(biāo)是各網(wǎng)轉(zhuǎn)移高峰電力1015%,全國實現(xiàn)轉(zhuǎn)移高峰電力 10002000萬千瓦，推行的范圍不僅是工業(yè)、商業(yè)用戶，而且對非工業(yè)、農(nóng)業(yè) 用電也要逐步實行。在有條件的地區(qū)，即已經(jīng)實行一戶一表的居民用電區(qū)，也 將有計劃的開發(fā)低谷用

28、電，實行峰谷電價，以提高電能利用率，提高居民的用 電質(zhì)量。對電力用戶采用不同時段和不同計費標(biāo)準(zhǔn)。鼓勵低谷時段的電力消費。1980年，河南地區(qū)首先提出了按峰、谷時間分段計量電能，以經(jīng)濟手段促 進合理、均衡、科學(xué)用電的建議，繼而開始進行了試點，通過幾年實踐，初步 摸索了一些有參考價值的經(jīng)驗。隨后，山西省利用簡易設(shè)備先后在一部分用電 單位進行了聯(lián)合試點。19821985年，全國許多省市和地區(qū)也相繼實行了電能 分時計屋及與此和適應(yīng)的新的收費制度，并取得了非常大的成效。一些大的電 網(wǎng)局也把它作為技術(shù)改進的重要內(nèi)容和開展科學(xué)用電的重要措施之一。至此， 我國己跨進了用多種電價作為輔助管理手段和控制用電負(fù)荷的

29、國家行列。早期主產(chǎn)的第一代石英鐘控分時電能表。這種電能表通過導(dǎo)線連接石英鐘各 種不同時段來分別驅(qū)動峰、谷電磁計數(shù)器，分別顯示出峰、谷電量及總電量， 按總電量扣除峰、谷電量即為平常時段電量。曲于這種分時計費電能表的可靠 性較差。計時分段精度太低（最小分割為5min）,易受干擾，時段調(diào)整也比較麻 煩，使用功能單一，不能適應(yīng)分時計費屮的一些特殊要求，口前已基本淘汰停 用。第二代機電一體化結(jié)構(gòu)的分時電能表。這種電能表采用1.0級感應(yīng)系電能表 機芯為基礎(chǔ)，釆用紅外光電變換器，脈沖輸出和中央處理器（cpu）,單片機電 路，使用附帶的鍵盤編程或者紅外無線鍵盤來進行各種需求量、時鐘、時段、 雙休日的設(shè)定，可保

30、護本刀最人需求量、上月最人需求量和本月峰、平、谷最 大需求量顯示及存儲。帶有脈沖輸出及rs232串行通信口，便于數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送 與監(jiān)控。儀表性能比較精密可靠，功能可滿足我國現(xiàn)階段分時計費需求，生產(chǎn)工藝比較成熟，價格具有競爭力，是冃前國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的一代產(chǎn)品。但是 美中不足的是各生產(chǎn)廠家均為口行開發(fā)專用單片機，存在產(chǎn)品兼容性差，維修 困難的缺點。在國外，數(shù)字式電能表發(fā)展很快。芬蘭、瑞典、挪威等北歐各國和法、英、徳、 西班牙、比利時和意大利等西歐國家，口前已經(jīng)全部完成了工商用戶屯能表100% 的電子化。居民用戶表也正在逐步向電子化過渡，如法國2001年起已停止購裝感應(yīng) 表;意大利也從2005年開始

31、逐步把感應(yīng)表更新為自動抄表的電子表;而英國h前已經(jīng) 有80%居民用上了電子式表?，F(xiàn)有的電能計量芯片多數(shù)由國外廠商制造，因而他們掌 握著數(shù)字式電能表的相關(guān)核心技術(shù)。隨著電了元器件的發(fā)展和應(yīng)用，電了式電能表表現(xiàn)出越來越多的優(yōu)點：(1) 科學(xué)技術(shù)含量高、技術(shù)性能優(yōu)越、計量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性能好；(2) 節(jié)約能源、能耗小，自身能耗僅為機械表的二分之一；(3) 體積小、耗材低，安裝方便、快捷；(4) 擴展功能，通過加裝一些輔助設(shè)備就能實現(xiàn)分時計費功能和采用計算機實現(xiàn)遠(yuǎn)方自動抄表功能。因具有優(yōu)越的技術(shù)特性和多種功能而被廣泛采用。1.4電能表分類電能表根據(jù)用途可分為兩大類：安裝式電能表(用于電能計量)和標(biāo)準(zhǔn)式電能

32、表 (用于電能表校驗)；根據(jù)結(jié)構(gòu)原理可分為感應(yīng)式電能表和電子式電能表；根據(jù)測量電 能的性質(zhì)分為有功電能表、無功電能表和最大需量電能表；根據(jù)功能不同分為預(yù)付費 電能表、復(fù)費率電能表、多功能電能表等；根據(jù)接入電路的方式不同可分為單相電能 表、三相三線電能表和三相四線屯能表。1.5本論文研究方向本論文冃的是設(shè)計出一種單相有功電子式多功能電能表，在參考前人論文的基礎(chǔ) 上，提出了不同的設(shè)計方法。不采用美國adi公司生產(chǎn)的ade力55電能計量芯片為 計量模塊，而是特別設(shè)計了一種電路作為電能計量模塊。使用轉(zhuǎn)換速度較快的比較式 a/d轉(zhuǎn)換器ad0808通過對電壓電流信號進行交流采樣，并檢測出功率因數(shù)。采用 8

33、051單片機作為控制和計算芯片。用8個led顯示出測得的結(jié)果，并且通過串行口把數(shù)據(jù)傳送給上位機。另外設(shè)計電源模塊給碩件電路供電。第二章、方案論證本章主耍討論了電能計量器所要達到的設(shè)計耍求以及設(shè)計齊個電路模塊幾種不 同的方案，并且根據(jù)要求選取最合理的方案。2.1電能計量模塊設(shè)計要求： 采用單片機作為主控芯片。 用比較式a/d轉(zhuǎn)換器。 電能計量結(jié)果由串行口輸出，通信格式：波特率4800b/s,數(shù)據(jù)位8位， 停 止位1位，無校驗。 計量精度2級。2.2電能計量的基本原理電能在物理上可以看成是從電源流向負(fù)載的能量流，用戶在單位時間內(nèi)消 耗電能的快慢程度用功率來表述。功率可以分為在一段時間內(nèi)的平均功率和

34、某 一時刻的瞬時功率。對于在一段時間內(nèi)大小和方向都不發(fā)生改變的直流電壓、 電流來講，平均功率值與其瞬時功率值是相等的。而對于交變的電壓，電流來 講，瞬時功率是時刻都在變化的，平均功率與瞬時功率是不相等的。要計算用 電設(shè)備在一段時間內(nèi)消耗的總的有功功率應(yīng)該在這段積分時間內(nèi)，對瞬時功率 進行累加。設(shè)瞬時電壓為u(t),電流為i(t),則瞬時功率為p(t)=u(t) - i(t),也是隨著時 間變化的苗數(shù)，它在某個周期內(nèi)的平均值應(yīng)等于該函數(shù)對時間積分后，再除以時間間 隔，所以平均功率應(yīng)為：ntp平均二e/at二 j p(t)dt / at= | u(t) i (t)dt/at(2. 1)toto對于

35、電壓電流均為正弦信號的交流電，式(2. 1)等價為:卻均二 e/atj tou icos 4> dt/ a t(2. 2)其中u, i分別為交流信號有效值。e是電壓信號超前于電流信號的相位差值， cose稱為功率因數(shù)，它表征了電網(wǎng)中實際消耗電能的平均功率(有功功率)與u, i 的乘積(視在功率)的比值。實際電網(wǎng)中，電壓電流信號基本上都不是只包含50iiz頻 率分量的正弦信號，而是含有很多諸如100hz, 150hz, 200hz等諧波的信號。此外， 電網(wǎng)負(fù)載尤其是開關(guān)電源還會引入各種各樣的噪聲，引起屯壓的諧波和波形畸變。事 實上我們可以發(fā)現(xiàn)瞬時功率信號p(t)=u(t) -i(t)本身是

36、一個含有直流分量和高頻分 量的信號，而任何頻率不為0的頻率分屋從長期來看對于時間積分都沒有貢獻，因此 電能計量數(shù)學(xué)上就相當(dāng)于計算瞬時功率p的直流分量在時間上的積分。這正是電能計 量器進行有功電能計量的基本原理。電壓信號與電流信號的乘積即為瞬時功率信號，其對時間的積分得到在一段時間內(nèi)消耗的電能。如圖2.1所示，當(dāng)電壓電流同相位時有p(t)=u(t) i (t)-v sincot i sincot-vi sin2°/=亍仃 _cos2cot)電壓電流同相位情況下的瞬時功率信號variable x圖2.1電壓電流同相位情況下的瞬時功率信號當(dāng)電壓和電流信號相位不同時，設(shè)電流信號滯后于電圧信號

37、30。，女閤2. 2所示。并設(shè)電壓和電流波形都是正弦的，那么瞬時功率信號屮的有功功率分量(直流分量) 為:p(t)=u(t) i (t)-v sin(ot /sin(cot- )-.cos(2cot-)-cos衛(wèi)c朋衛(wèi)c°ss2)2 6 2 6電壓電流相位須況e的瞬ih功率信號n/11/、/v/2/7012345678910variable x圖2. 2電壓電流相位差為30。情況下的瞬時功率信號從以上推導(dǎo)可知，當(dāng)功率因數(shù)為1即電壓電流同相位時，瞬時信號中的有功功率分量(直流分 量)為(v1)/2,當(dāng)電壓電流相位差為3()。時，瞬時信號屮的有功功率分量(直流分量)為(v7/ 2) co

38、s 30° o2, 3設(shè)計方案2.3.1電壓信號的調(diào)理電壓信號調(diào)理有兩種方案，包括電阻網(wǎng)絡(luò)和電壓互感器。(1)電阻網(wǎng)絡(luò)。電阻網(wǎng)絡(luò)采用的是最簡單的電阻分壓原理構(gòu)成的，如圖2. 3所示。輸送到電能計量裝置的等效電圧與主冋路電圧的關(guān)系為uv (t)=u(t) r2/rx +&)式中，叫(c為送入電能計量單元供測量電壓的等效電壓；u(t)為被測量電壓。應(yīng)用屮一般采用多級分壓，以便提高耐壓和方便補償及調(diào)試。r2r、u（t）圖2.3電阻分壓原理圖（2）電壓互感器。采用電壓互感器可實現(xiàn)初級和次級的電氣隔離，并可提高電能表的抗干擾能力。其屯氣原理圖如圖2. 4所示。輸送到電能計量裝置的等效電

39、壓與主回路電壓的關(guān)系為圖2. 4電壓互感器電氣原理圖2.3.2電流信號的調(diào)理直通式屯能表電流調(diào)理元器件采用猛銅分流器；互感器接入式電能表電流調(diào)理部 件采用電流互感器。（1）鎰銅片分流器。鎰銅分流器的測量原理如圖2. 5所示。輸送到電能計雖裝 置的電流等效電壓與主冋路電流的關(guān)系為式中，他為鎰銅分流器的電阻:kt）為流過鎰銅分流器的電流；s為鎰銅分流器1、2 z間的電壓。圖2. 5猛銅分流器測量原理圖獲得的等效電壓小信號s送入電能計量單元，以實現(xiàn)流過電能表的電流i(t) 的測量。(2)電流互感器。采用互感器能將電能表內(nèi)主回路與二次回路、電壓與電流冋 路隔離分開，使供電主冋路電流互感器二次側(cè)不帶強電

40、，可提高電子式電能表的抗干 擾能力。電流互感器電氣原理如圖2. 6所示。圖2.6電流互感器電氣原理圖電流互感器一次、二次電流的關(guān)系為i(f) =kir(z)式屮，i(r)為流過電能表主回路和屯流；匚為流過電流互感器二次側(cè)的屯流；k為 電流互感器的變比，k二n2/n1,n2為二次線圈，n1為一次線圈。輸送到電能計量裝置的電流等效電壓與主回路電流的關(guān)系為s二匚心二i(/) rj*式屮，s為送往電能計量裝置的電流等效電壓；心為負(fù)載電阻。2. 3. 3相位測量方案方案一：采用過零比較器，將正弦波信號整成方波信號，其前后沿分別對應(yīng)于正 弦波的正和過零點與負(fù)相過零點，對兩路方波信號進行杲或操作之后輸出脈沖

41、序列的 脈寬可以反映兩列信號的相位差，以輸入信號所整成的方波信號作為基頻，由單片機 對獲収的計數(shù)值進行處理得到兩路信號的相位差。方案二：電壓測量法。脈寬信號經(jīng)過一個積分電路，通過脈沖對電容的充電這樣 一個積分過程，將脈沖寬度轉(zhuǎn)換成電容上的電壓信號，然斤利用a/d轉(zhuǎn)換器將電壓 信號測量出來(需要同時測量信號周期的積分電壓和相位差的積分電壓)，測得的相位差為0 = n (rad)u、式屮匕為相位斧脈沖在電容上積分得到的電壓；口為半周期的脈沖在電容上積分得 到的電壓。2. 3.4顯示器件的選擇方案方案一：使用led顯示器。led是一種由特殊的半導(dǎo)體材料制作的pn結(jié)。當(dāng)正 向偏置時，由于大量的電了-空

42、穴復(fù)合，lei)釋放出熱量而發(fā)光。led的正向工作壓降 一般為1. 21. 6v,發(fā)光工作電流為520ma,發(fā)光強度基本上與正向電流成正比。led 顯示器常分為段碼式顯示器和點陣式顯示器。段碼式led顯示器由數(shù)個led組成一個 陣列，并封裝于一個標(biāo)準(zhǔn)尺寸的管蕪內(nèi)。這類顯示器的結(jié)構(gòu)主要有：由7個led構(gòu)成 的字形7段數(shù)碼顯示器；由12個led構(gòu)成的“田”字形數(shù)碼顯示器；由16 個led構(gòu)成的“米”字行數(shù)碼顯示器等。點陣式led顯示器是以點陣格式進行顯示的, 其優(yōu)點是顯示的符號比較逼真，更易識別，不足z處是接口電路及控制程序比較復(fù)雜。 點陣式led顯示器一般有4x7、5x7、7x9點陣等形式。最常

43、用的是5x7點陣，它由 35個發(fā)光二極管組成5列x7行的矩陣。用多個點陣式led顯示器可以組成大屏幕led 顯示屏，用來顯示漢字、圖形和表格，而且能產(chǎn)生齊種動畫效果。led顯示器的顯示 方式有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示z分。在靜態(tài)顯示方式中，侮個數(shù)碼管都有齊口的驅(qū)動器 件。為了便于程序控制，在選擇led驅(qū)動器件時，往往選擇帶鎖存功能的器件，用以 鎖存各自待顯示數(shù)碼。因此，靜態(tài)顯示系統(tǒng)在每次顯示輸出后能夠保持顯示不變，僅 在待顯示數(shù)碼需要改變時，才更新其數(shù)字顯示器中鎖存的內(nèi)容。這種顯示方式的優(yōu)點 是亮度高，控制程序簡單，顯示穩(wěn)定可靠；缺點是功耗人，當(dāng)顯示的位數(shù)較多時，占 用的i/o端口較多。在動態(tài)顯示方

44、式中，所有位的段選線并聯(lián)起來，由一個8位1/ 0端口控制，而各位的共陽極或共陰極分別由相應(yīng)的i/o端口控制，形成齊位的輪 流選通，即led顯示器分時輪流工作，每次只能使一個器件顯示15ms。由于人的 視覺暫留現(xiàn)象和發(fā)光二極管的余暉效應(yīng)，人眼仍然感覺所有的器件都在同時顯示，獲 得穩(wěn)定的視覺效果。此種顯示方式的優(yōu)點是占用i/o端口少，隨著高亮度led數(shù)碼 管的出現(xiàn)，動態(tài)顯示同樣可以達到很好的顯示效果。方案二：使用lcd。lcd是一種川液晶材料制成的顯示器件。液晶顯示器具有體積小、重量輕、低功耗、字跡 清晰、壽命長等突出特點，己被廣泛地應(yīng)用于各種儀器儀表、低功耗系統(tǒng)、終端顯示等方而，尤 其是衣便攜式

45、儀器設(shè)備中更顯示出其獨特的優(yōu)勢。lcd主要有筆段式、字符點陣式和圖形點陣式 3種形式。筆段式主要用來顯示數(shù)字、西文字母或某些字符，字符點陣式主要川來顯示字符、數(shù) 字和符號等，圖形點陣式可以顯示圖形和漢字等復(fù)雜信息。要顯示lcd的某一字段，必須給該 字段兩電極加上電圧，這一驅(qū)動電床常采用交流。lcd的驅(qū)動方式分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。不同的 lcd顯示器件要采用不同的驅(qū)動方式。靜態(tài)驅(qū)動方式的lcd每個顯示器的毎個字段都要引出電 極，所有顯示器的公共電極連在一起后引出。顯示位數(shù)越多，引出線也越多，相應(yīng)的駟動電路也 越多，故適川于顯示位數(shù)較少的場合。動態(tài)驅(qū)動方式實際上是用矩陣驅(qū)動法來驅(qū)動字符顯示。字 符引

46、線相當(dāng)于行引線，公共電極相當(dāng)于列引線，字符的每一個字段相當(dāng)于矩陣的一個點。動態(tài)驅(qū) 動方式對以減少lcd的引出線和相應(yīng)的驅(qū)動電路，故適用于顯示位數(shù)較多的場合。2.4方案論證2. 4.1電壓信號的調(diào)理在電壓信號調(diào)理的兩個方案中，方案一采用電阻網(wǎng)絡(luò)來分壓，具優(yōu)點是線性好、 成本低、硬件電路簡單，缺點是無法實現(xiàn)電氣隔離。方案二采用電壓互感器調(diào)理電壓 信號，雖然能實現(xiàn)電器隔離，但是成本偏高，設(shè)計硬件電路較復(fù)雜，線性差。因此， 采用方案一來實現(xiàn)電壓信號的調(diào)理。2.4.2電流信號的調(diào)理在電流信號的調(diào)理方案中，方案一是用猛銅分流器來分流，然后把獲得的等效 電壓小信號送入電能計量單元。猛銅分流器具有線性好和溫度

47、系數(shù)小的優(yōu)點。方案二 提出了屯流互感器，采用互感器能將電能表內(nèi)主回路與二次回路、屯壓與電流回路隔 離分開，使供電主回路電流互感器二次側(cè)不帶強電，可提高電子式電能表的抗干擾能 力。因為在使用電能表的電路中，電壓基木沒有變化，電流變化很大，電能表的準(zhǔn)確 度與測得的電流是否真實有很大關(guān)系，所以必須使二次側(cè)不帶強電，免受強電的干擾。 因此采用方案二來實現(xiàn)電流信號的調(diào)理更為合理。2. 4.3相位測量方案相位測量方案屮，方案一是采用過零比校器，將正弦波信號整成方波信號，電壓電流兩路信號經(jīng)整形異或后，所得的脈沖占空比能反映相位差的大小，由此測得其相 位差。采用此種方法，可使量化誤差大大減小，精度很高。方案二

48、是電壓測量法，這 種方法需要把脈沖寬度轉(zhuǎn)換成積分電容上的電壓信號，然斤再通過a /d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換 成數(shù)字量。由于采用電容充放電的測量形式，故不能用于較高分辨率的測量；此外積 分電容上的漏屯流、溫漂以及a/d轉(zhuǎn)換器的量化誤差，導(dǎo)致這種相位差測量方法很 難達到高的精度。另外，由于積分電路的存在，降低了系統(tǒng)的采樣速度，使電路只能 用于信號變化緩慢的低速系統(tǒng)。因為第一種方案外圍電路簡單也較容易實現(xiàn)，故采用 第一種方案。2. 4.4 a/d轉(zhuǎn)換器的選用a/d轉(zhuǎn)換器的作用是把連續(xù)的電壓電流信號轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)，它是電能計量器的 關(guān)鍵器件。從工作原理上看，常用的a/i）轉(zhuǎn)換器有積分式、比較式以及電荷平衡式等。

49、表2.1所示為幾種常用a/d轉(zhuǎn)換器的特點和性能，表中帶*號的為積分式a/d轉(zhuǎn)換器, 其余均為比較式a/d轉(zhuǎn)換器。表2. 1幾種常用a/d轉(zhuǎn)換器的特點和性能芯片型號分辨率（位 數(shù)）轉(zhuǎn)換時 間轉(zhuǎn)換 誤差模擬輸入 范圍數(shù)字輸出 電平外部時鐘工作電 壓基準(zhǔn)電壓 （y ）adc0808、08098位100us±1/2± 1lsb0 +5vttl 電平要單電源+5vadc121012位或10位loous（12 位）30us（10 位）±1/2lsb0 +5v0 +10v-5v+5vcmos 電 平由%決定）不要+5v±15v+5v或+15vad57412位或8位25

50、us±1lsb0 +10v0 +20v-5v+5v- 10v +10vttl電平不要±15v 或±12v和+5v不需外供*icl710912位>30ms±2lsb4v+4vttl電平可以 不要+5v和-5v怙為1/2 量程值*mc144333位半>100ms±1lsb-0. 2v+0.2v-2v+2vttl電平可以 不要+5v和-5v怙為量程 值*icl71354位半100ms±1-2v+2vttl電平要+5v和怙為1/2左右lsb-5v量程值由上表可知，積分式a/d轉(zhuǎn)換器分辨率高，但是轉(zhuǎn)換時間長，而家用電的頻率 是50h

51、乙 周期是20ms,積分式a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時間達不到要求，不能采用。兒種不同的比較式a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時間均能達到要求，而且分辨率都在8位以上，能 實現(xiàn)電能表計量精度2級。因為電能計量器耍處理電壓和電流兩路信號，而8051單 片機的i/o端口有限，不宜采用兩片a/d轉(zhuǎn)換芯片，所以要采用輸入通道大于或等 于二的a/d轉(zhuǎn)換器。adc0808、0809是一種8路模擬量輸入，8位數(shù)字量輸出的比 較式a/d轉(zhuǎn)換芯片。由于輸出級有一個8位三態(tài)輸出鎖存器，因而adc0808、0809 的數(shù)據(jù)輸出端可以直接與單片機的數(shù)據(jù)總線連接。選用adc0808、0809作為a/d芯 片轉(zhuǎn)換很合適。2. 4.5顯示器件的選擇

52、方案論證方案一是選用led顯示器來顯示，led顯示器由發(fā)光二極管構(gòu)成，具有工作電壓 低、體積小、壽命長、響應(yīng)速度快、顏色豐富等特點。方案二選用lcd來顯示，lcd 雖然也具有體積小、垂量輕、低功耗、字跡清晰、壽命長等特點，但是lcd價格比 led顯示器高，而且程序設(shè)計較復(fù)雜。綜合考慮選擇方案一較合理。2. 4.6通信方式方案論證根據(jù)設(shè)計要求，電能計量結(jié)果由串行口輸出，所以設(shè)計采用串行通信方式。串行 通信是指數(shù)據(jù)一位一位地按順序傳送，其突出優(yōu)點是只需要一根傳輸線，特別適宜于 遠(yuǎn)距離傳輸。電能計量器把用戶每月的用電量通過串行通信傳送給遠(yuǎn)方的pc機。pc 機內(nèi)通常都裝有一個rs-232異步通信適配器

53、版，其主要器件為可編程的uart芯片， 從而使pc有能力與其他具有標(biāo)準(zhǔn)rs-232串行通信接口的設(shè)備進行通信。8051單片 機本身具有一個全雙工的串行口，但單片機的串行口為ttl電平，需耍外接一個 ttl-rs-232電平轉(zhuǎn)換器才能夠與pc的rs-232串行口連接，木文采用max232芯片實 現(xiàn)電能計量器與pc之間的通信。2. 4.7電源模塊方案論證電能計量器的電源模塊應(yīng)解決以下三個問題：(1) 將50hz的電網(wǎng)220v交流電壓變成電能計量器所需的直流低電壓5v；(2) 提供后備電池，確保電網(wǎng)停電時電能計量器重要數(shù)據(jù)不丟失；(3) 將電網(wǎng)瞬時的掉電信號提供給單片機進行處理。工頻電源是最常見的供

54、電方式，典型電路原理圖如圖2. 7所示。這種電源采用小 型c型鐵芯變壓器，能量轉(zhuǎn)換率在80%左右，靜態(tài)空載電流410ma,初級絕緣強度 在2kv左右。這種電源方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、電氣隔離好、傳統(tǒng)可靠、缺點是體積 大、不容易解決掉相故障。變壓器t將220v交流屯降壓，送整流橋ur,經(jīng)三端穩(wěn)壓 管輸出直流t作電源。t第三章.硬件電路設(shè)計電能計量器的硬件電路設(shè)計部分主要完成電壓、電流信號調(diào)理電路、相位檢測電 路、a/d轉(zhuǎn)換電路、結(jié)果顯示電路和通信電路。設(shè)計主要是用proteus軟件完成。3.1電能計量器總體設(shè)計框i圖3. 1總體設(shè)計圖3.2電壓信號的調(diào)理首先采用電阻網(wǎng)絡(luò)降壓，得到低電壓uv(t),

55、再通過低通濾波器，濾去高頻率的諧波信號，得到ui(t),如圖32所示。uv(t)二u(t)生二u(t)!二型 式 3. 1&+心+/?3100 + 100 + 1201有源低通濾波屯路參數(shù)計算：截止頻率：fh =_!=79. 6hz 式 3.22冰c頻率低于 九時，電壓增益：人二1 + &式3.3則有 ui(t)=uv(t).a.(t).(l+|)=2uv(t) = 式 3.4u(t)=100. 5ui(t) 式 3.5只要測出ui(t),根據(jù)式3. 5便可得到u(t)o3.3電流信號調(diào)理利用電流互感器，只要知道二次側(cè)小信號電流就可以計算出一次側(cè)的大電流。如 圖3. 3所示，已知電