畢業(yè)設計論文-智能電表的設計

河南工素大學2013屆畢業(yè)生畢業(yè)論文I摘要隨著科技的進步，電子產業(yè)的發(fā)展，人們生活水平的提高，電子式智能電表的出現勢不可擋。智能電表相對于傳統(tǒng)的機械式電表，具有精度更高，能夠實現多費率計費，自動抄表，預付費等功能，優(yōu)勢不言而喻。相比傳統(tǒng)電表需要電工去現場進行抄表，智能電表能夠通過遠程通訊進行抄表，這樣就節(jié)省了大量的人力。同時，智能電表的多費率計費，能夠讓用戶在電能生產代價低的時候多用點。生產代價高的時候盡量節(jié)約用電。這樣能夠使發(fā)出的電能得到充分利用，有利于資源的節(jié)約。所以智能電表取代傳統(tǒng)電表是大勢所趨。智能電表具有數據保護功能，事件記錄功能(如編程次數，失壓次數等),遠程抄表等一系列給基于集成電路而實現的功能。本文就一種簡單智能電表的設計做出描述，主要通過載波通訊，485通訊，GPRS通訊，等各個單元來實現電表的數據傳輸，數據的顯示，報警，遠程抄表使電表具有簡單的智能。本文通過對智能電表各個模塊進行了簡單設計，做出基本原理圖。關鍵詞：智能電表485通信智能載波通信Title:ThedesignofthesmartmeterAbstractWiththeprogressofscienceandtechnology,thedevelopmentofelectronicindustryandtheimprovementofpeople'slivingstandard.Theemergenceofsmartmetinevitable.Respecttothetraditionalmechanicalmeters,Smartmetersishigherg,automaticmeterreading,prepaidfeefdataprotecting,eventloggingandautomaticmeterreadingbecauseoftheIC.paper,asimpledesignofsmartmeterswillbemadedescription.ItwillmakethtransferthoughGPRSand485Keywords:smartmeters485smartPowerLineCarrierI目次1前言 21.1智能電表的概念 21.2智能電表發(fā)展概況 21.3智能電表的結構 31.4智能電表的主要特點 31.5智能電表研究的目的以及意義 32智能電表的簡單設計思路 52.1智能電表的硬件設計方法 52.2智能電表硬件設計 2.3智能電表的軟件設計 83智能電表各個模塊的設計 3.1通訊模塊功能描述及設計 3.2繼電器模塊功能描述 3.3繼電器模塊性能描述 3.4載波通訊部分電路及簡要工作原理 3.5紅外控制電路及原理分析 3.6計量模塊 3.7ESAM電路及原理分析 4系統(tǒng)軟件設計 5智能電表常見問題分析 5智能電表常見問題分析 5智能電表常見問題分析 參考文獻 21前言所謂智能電表就是就是基于單片機，集成電路使電表具有簡單的數據分許能力及其他功能。相對于傳統(tǒng)電表，智能電表是電子式的，通過對智能電表內部單片機進行編程，可以使智能電表按照程序去進行簡單的操作，比如說，每天定時抄表，在程序中設定在每天的某個時刻，單片機讀取電表數據并做記錄。再通過GPRS模塊進行遠距離通信，這就使電表實現了無人自動抄表功能，也就有了簡單的智能。1.2智能電表發(fā)展概況目前，不但是中國，世界其他國家都在致力于發(fā)展智能電表。在各個國家的大型企業(yè)于國家電網關口基本都已經實現了電表的電子化，而這電子化的趨勢正在向居民區(qū)擴散。在世界范圍內，掀起了電網改造的浪潮，而實現電表的遠程抄表，節(jié)約人力是各國發(fā)展智能電表的第一步，歐盟決定大比例提高其管轄范圍的的智能電表覆蓋率。而美國也決定增加其國內智能電表的數量，并大力發(fā)展智能電網。智能電網在未來幾年里將成為世界的話題，世界各國紛紛宣布將大力發(fā)展智能電網，這樣就使得其他節(jié)能方法得到帶動發(fā)展，如風能和太陽能。有力在世界范圍內實現資源的節(jié)約。在中國，在20世紀60年代就已經將眼光投向了電子式電表。說明中國人民頗具慧眼。在國內，智能電表也在飛速發(fā)展，我國近年來在進行智能電網的改造，那么智能電表的研究當然必不可免的進入了國家的眼中。我們可以從資料中了解到，國家電網對于智能電表的每年招標數量在逐年遞增。國家通過建立智能電表生產基地或者收購已有的電表生產企業(yè)來達到滿足其日益增加的智能電表的目的。而國家也頒布了有關支持智能電表發(fā)展的文件，這就更加說明國家對于智能電表產業(yè)的關注。所以說，可以預見，在將來很長的一段時間內，智能電表將是電表行業(yè)發(fā)展重點。31.3智能電表的結構智能電表其實就是一臺簡單的微型處理器。它主要有硬件結構和軟件結構組合而成。其中硬件主要有電源板，邏輯板，液晶顯示器板構成。其中電源板的作用就是通過電阻分壓網絡對電壓信號進行取樣，還有就是通過變壓器及整流電路為邏輯板提供直流工作電源。而邏輯板，就是為芯片內部程序的實現提供硬件條件。它其實就是一個通道，經過取樣的電流或者電壓信號，通過邏輯板的電路輸入計量芯片。液晶顯示板就相對而言比較簡單，芯片中經過計算得到的數據，通過電信號傳達出來，液晶顯示電路得到電信號后，在液晶顯示屏幕中將數據顯示出來，實現人們的讀取。1.4智能電表的主要特點1、量正向和反向電能，這樣人們不但能夠從電網上取電用，也可以把自己發(fā)的電用不完后返賣給電網。2、分時計量功能，因為我們現在一些地區(qū)已經實行分時收費，也就是在用電高峰期電價和用電低峰期電價是不同，分時計量能夠有利于人們節(jié)約用電。3、時段、費率功能。4、抄表功能，智能電表能夠通過其自帶GPRS模塊與服務器進行通訊，從而省去了傳統(tǒng)電表需要人員現場抄表的麻煩。5、報警功能，當認為的打開電表后，電表會向服務器發(fā)出警告，有利于供電局對于偷電行為的監(jiān)控6、費功能，現對于傳統(tǒng)電表，智能電表能夠實現預付費功能，能夠減少頻繁繳費的麻煩，使購電用電更加方便。1.5智能電表研究的目的以及意義現在國家正在逐步推行智能電網，而智能電網的推行必須有智能電表與其搭配，從這方面講，智能電表的研究是必不可少的。同時，現在全球都面臨著資源短缺的尷尬局面，各國都在推出了節(jié)約資源的各種辦法，其中智能電網的推廣就是資源節(jié)約的一種辦法。利用智能電表進行計量的智能電網，可以根據用電的高4峰或低谷進行電價的收費。眾所周知，在用電高峰時，發(fā)電所需成本是要高于用電低谷的，有了智能電表，人們就可以根據用電高低峰來決定電量的使用情況，從而為國家節(jié)約資源。還有，傳統(tǒng)電表需要人工去抄表，這就需要大量的人工成本，智能電表采取遠程抄表，這樣就節(jié)約了認購成本。大量智能電表中還有自動報警功能，可以杜絕偷電行為的發(fā)生，從而打擊不法分子。而智能電表的預付費功能也為人們的生活帶來巨大的方面。所以智能電表的研究是很有意義的。52智能電表的簡單設計思路2.1智能電表的硬件設計方法智能電表其實就是一個含有微處理器和微控制器的簡單微機，既然是“智能電表”我們也可以把智能電表看作一個人。微處理器或者控制器就是智能電表的心臟，要想構成一個完整的人，僅僅只有心臟是不行的。作為人類必須的口耳是不能少的，這就像智能電表的通信端口，通過通信端口連接通信模塊就可以實現信息的收發(fā)。而人們將看到的東西通過眼睛顯現，智能電表則需要顯示裝置，通過顯示裝置來顯示微處理器處理過的數據。人們需要儲存營養(yǎng)，那么智能電表就需要儲存數據，故而RAM和ROM也是必須的。有些東西人體不能直接消化吸收，需要胃來消化，而對于智能電表來說，有些數據不能夠被微處理器直接分析，那么就需要A/D和D/A轉換器來實現數據的轉變。轉變成微處理器能夠理解的形式。人們通過手來觸摸感知東西，智能電表則需要傳感器來傳達。人們出現了什么問題會以生病的形式表現出來，在生病之前機體就會發(fā)出報警，所以智能電表也需要一個報警裝置，不過智能電表的報警裝置不是來表現自身問題的，而是防止竊電行為的發(fā)生。當有人試圖打開電表蓋篡改數據或者干一些其他違法勾當時，智能電表就會向中央處理器發(fā)出警告。這樣一來，智能電表才能夠像人一樣，實現簡單的智能。6被測量參量傳感器調理轉換微處理器D/驅動器報警裝置圖2-1智能電能表硬件原理圖2.2智能電表硬件設計2.2.1微處理器或者微控制器眾所周知，微處理器或者微控制器是任何智能器物的核心，因為任何東西想要具有最基本的智能，那么他必須去運算一些數據或者儲存一些數據。那么微處理器就是必不可少的了。微處理器就是一臺小型計算機，他能后把得到的數據按照內部設計程序的要求進行計算和處理。根據需要實現功能的不同，微處理器的選擇也不同，這樣才能發(fā)揮未處理的最大功能。本文選擇的基本都是現在較為流行的芯片。2.2.2傳感器傳感器是將外界輸入的被測量信號轉變成電信號的元器件或者裝置。在智能電表中其占及其重要的作用。傳感器的工作原理本文不做詳解，但是我們知道，智能電表肯定是要測量電的，傳感器就是將得到的信息的能量形式轉變成電信號。這主要是因為電信號相比其他信號而言更容易進行操作。72.2.3光耦光耦是以光為媒介傳輸電信號的器件，光耦是單項傳輸信號的。它的輸出端與輸入端是相互隔離的，而且是電氣隔離，這樣就避免了輸出信號對輸入信號的影響，使其工作更加穩(wěn)定，而且其使用范圍極廣，能夠構成各種邏輯電路，關鍵是它的傳輸效率還高。其主要有光敏三極管和發(fā)光二極管構成。當發(fā)光二極管電路導通時，發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管感光后電阻減小也導通。2.2.4A/D轉換器和D/A轉換器A/D轉換器是將模擬信號轉換成微處理器能夠處理的數字信號，而A/D轉換器的使用是有要求的，它必須根據輸入通道的總誤差來決定使用A/D轉換器的類型，因為不同的A/D轉化器其精度與分辨率是不同的。選擇正確的A/D轉化器才能保證電表的實時性。而D/A轉換器是將離線的控制信號轉換成離散的模擬信號。這是實現智能所必須的。同樣D/A轉換器芯片的選擇也是很重要的。這樣在設計轉換器時才能實現接口方面，電路的簡單，價格低廉的要求。2.2.5智能電表的通信接口的選擇(RS-485和RS-232)智能電表，通信接口是必須的。因為作為智能電表的一大功能，實現遠距離通信是必須的。在國際上現在流行的通信接口是RS-485,所以在智能電表行業(yè)，多說485通信。RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2—6)V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2—6)V表示。相對于早些時候較為流行的RS-232,RS-485在接口信號所需電平降低了，這樣以來能夠更好地保護接口電路芯片。且RS-485D的電平與TTL電平能夠實現兼容，這樣與TTL電路的連接就不是問題了。RS-485的數據傳輸速率最高可達10Mbps。RS-485將差分接收器和平衡驅動器進行了有機有效的結合，增強了其抗干擾性。相對于RS-232,RS-485實際可達3000米的傳輸距離更加具有優(yōu)勢。另外RS-232接口在總線上只允許連接1個收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發(fā)器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設備網絡。82.3智能電表的軟件設計在硬件設計完成情況下，開始設計軟件流程圖。因為電表的功能主要靠軟件實現。軟件來實現信號的處理計算等。首先要確定電表是否上電，也就是電表是否被安裝。在確定已上電的情況下，進行系統(tǒng)的初始化，將電表出廠時自帶數據去除。然后進行系統(tǒng)測試，看系統(tǒng)是否正常工作。如果系統(tǒng)正常則進入下一步。這就是簡單的準備程序。然后就是電表上的按鍵，掃描電表按鍵是否被按下，確定被按下則確定是按下哪個鍵，然后調用該鍵對應子程序。然后進行命令狀態(tài)查詢，受到命令后實行系統(tǒng)控制程序。這就是智能電表的基本程序框架。9上電復位上電復位復位轉移初始化系統(tǒng)測試正常?等待轉移提示符顯示鍵掃描散轉循環(huán)轉移#01鍵功能程序功能程序功能程序命令狀態(tài)查詢系統(tǒng)控制程序條件控制轉移鍵按下?圖2-2智能電能表的典型結構準備程序鍵功能程序ddct3智能電表各個模塊的設計3.1通訊模塊功能描述及設計MAX3085EESA芯片介紹：信系統(tǒng)的收發(fā)芯片，包含一個發(fā)送器和一個接收器。MXA3085傳輸和接受的數據傳輸率可高達2.5Mbps,為半雙工型。另外，MAX3085有驅動使能和接受使能管腳，當關閉時，驅動和接受輸出為高阻。2持bOO在上述電路中，為了實現零延遲，所以收發(fā)使能端不是由程序來控制的，而是有硬件來實現，這就需要兩個光耦。同時程序要保證采用半雙工的方式來傳送數據，也就是說接受和發(fā)送不是同時進行的。-200mV<UA-UB<+200mV時，輸出不確定。電阻R6、R7分別為A、B線上的上拉下拉電阻，通過這兩個電阻使得當-200mV<UA-UB<+200mV時，輸出邏輯1。所以這兩個電阻又被稱為失效保護電阻(偏置電阻)。當接收器輸入端開路、短路或總線浮空(總線上所有驅動器輸出為高阻時)均能起到保護作用。雙二極管V1、V2起到電壓鉗位作用，使得電壓范圍在-0.7V到5.7V之間，在允許范圍之內(接收器的共模輸入電壓范圍是-7V到+12V),同時可以減小共模干擾。通過瞬變抑制器TVS1的穩(wěn)壓作用可以消除線路的浪涌干擾，工作更可靠。熱敏電阻F1可以防止用戶誤操作時將強電施加于A、B端，從而保護轉換電路不被損壞。光耦U1、U2的光電隔離作用隔離了外界干擾，以防止干擾直接進入主芯片，同時也提高了系統(tǒng)可靠行。電阻R8和電容C1的延時作用使得硬件控制發(fā)送時更可靠。3.2繼電器模塊功能描述以輸入的兩個控制信號通過“磁保持繼電器驅動電路模塊”來驅動磁保持繼電器實現通、斷控制。OO00繼電器模塊原理分析在空閑狀態(tài)，JK_on=JK_off=0,三極管Q3、Q4無輸入信號而截止，Q1、Q2無驅動信號同時截止；輸入繼電器合閘信號“JK_on=1,JK_off=0”后，Q3導通，Q1獲得驅動信號同時導通，Q4、Q2無驅動信號截止，J1輸出1+2-的驅動電壓；輸入繼電器拉閘信號“JKon=0,JKoff=1”后，Q4導通，Q2獲得驅3.3繼電器模塊性能描述選用了低壓降、高放大倍數的驅動三極管，最大限度的降低了功率管的損耗，提高了輸出電壓。由于采用了單級驅動，要求驅動輸入信號要有一定的高電平電流驅動能力。輸出電流較小，一般應小于200mA。輸入信號應有較強的高電平驅動能力(大于3mA)。無電壓輸出(1+2+)JKon=1,JKoff=0J1輸出1+2-3.4載波通訊部分電路及簡要工作原理載波通訊就是在供電同時進行電力使用情況的信號傳輸，主要采用兩種電力線載波技術：窄帶技術和擴頻技術。窄帶技術：模擬的FM(調頻)、數字的FSK;擴頻技術：直接序列擴頻DS、調頻FH。電力線載波通信所需要的直接序列擴頻調制電路已經在PL3105芯片內部集成，外圍的配置電路主要包括功率放大電路、濾波整形電路、諧振電路、二次濾波電路。1、濾波整形電路由于放大后的信號Q波形含有豐富的諧波成分，為減少對電網的諧波污染需要進行濾波整形。電感L2、電容C15完成整形濾波后，再通過耦合線圈T1耦合到低壓電力線上，雙向二極管D9起保護作用。2、載波發(fā)送電路圖3-3載波發(fā)送電路2、濾波整形電路由于放大后的信號Q波形含有豐富的諧波成分，為減少對電網的諧波污染需要進行濾波整形。電感L2、電容C15完成整形濾波后，再通過耦合線圈T1耦合到低壓電力線上，雙向二極管D9起保護作用。3、載波接收電路圖3-4載波接收電路如圖3載波接收電路，R11在接受本地強發(fā)射信號時可以有效地吸收衰減。電感L1、電容C10組成并聯諧振回路，諧振以中心頻率為120KHZ進行設計，完成對有效信號的帶通濾波，良好的選頻回路可以有效地提高載波的接受你靈敏度。將接收到的信二極管D2、D3的作用是號電位鉗制在±0.7V。接收信號經過電容C12后引入到芯片內部進行混頻處理，SIGIN載波接受信號被內部上拉后平移到2.5V±0.7V,以利于后續(xù)處理。3.5紅外控制電路及原理分析紅外控制電路實現的是對電表的遠程控制，通過遠程可以抄讀電表的各種數據，一般有發(fā)射電路和接收電路兩部分組成。圖3-10紅外控制模塊HM238R是一個微型的接收紅外遙控的控制系統(tǒng)。其優(yōu)點是非?？煽浚词乖诟蓴_環(huán)境中也能防止不受控制的脈沖的輸出。在現在廣泛應用于紅外遙控系統(tǒng)。紅外發(fā)射回路是通過主CPU發(fā)出命令輸出38KHZ的脈沖信號，電平信號的變化促使LED紅外發(fā)射管導通并發(fā)射紅外信號，相當于對TXD-IFR信號進行38KHZ的脈沖調制；而如上圖的接受回路，主要由紅外接收管內部的電路來完成。當接收到的紅外信號是38K時，V34138通過接收電路，在RXD-IFR紅外信號接收處輸出低電平，并將信號傳送到CPU,友CPU處理并完成執(zhí)行命令。否則的話，不執(zhí)行紅外接收命令。3.6計量模塊計量系統(tǒng)通過電流互感器與采樣電阻完成電流信號的取樣，將電壓取樣信號與電流采樣信號都以電壓信號送入計量芯片(電流采樣部分有一些小電阻，把電流轉換為電壓)。通過對采樣值的積分和軟件濾波運算獲得電壓、電流值，通過對采樣值的乘積運算獲得對應的瞬時功率，然后通過對瞬時功率的積分，得到一段時間內的能量。CPU對能量進行累加并以脈沖信號輸出。CSG550計量模塊CSG550計量模塊功能描述CSG550是一顆高精度的單相電能專用計量芯片，適用于單相兩線制和單相三線制系統(tǒng)，其內部集成了3路獨立的二階Z-△架構的16位ADC,可同時采樣一路電壓、兩路電流，測量功率、有效值、功率因數和頻率等電參數。本模塊主要實現了對單相交流電能進行精確計量，并能通過SPI通信接口輸出功率、有效值、功率因數和頻率等電參數。IK的壹tu圖3-6電壓及電流采樣電路電壓與電流采樣在能量的測量中，需要使用電壓互感器和電流互感器將電力線相互隔離，這樣以來就能減少電力線上交流信號對于輸入通道信號的干擾。電壓互感器具有高精度和低阻抗的特性。同時，它具有很小的延遲在高次諧波的情況下。3.7ESAM電路及原理分析vsSPGMvssC63RSTFUNECLKVPP87659圖3-22ESAM電路模塊在電網的售電系統(tǒng)中，ESAM在智能電表中主要扮演者保護者的功能，在有數據需要抄讀或者發(fā)出，重要數據的儲存時，都必須經過ESAM模塊的安全認可。它就像運輸部門的安檢。只有遠程主站和電表中的ESAM模塊確定了數據和密鑰的安全性后才能進行數據的傳輸。其中，ESAM重要有電網運行管理方負責，這樣有力于運營商對于用電安全的監(jiān)控。4系統(tǒng)軟件設計智能電表的設計中，軟件與硬件同樣重要，如果說硬件是人類的軀體，那么軟件就是人類的大腦。要想實現真正的智能，軟件時必不可少的。硬件電路只有在軟件在的指導下才能發(fā)揮它應有的作用。MCU初始化AB|硬件初始化軟件工作變量初始化各模塊初始化系統(tǒng)參數是否初始化NAYB初始化系統(tǒng)參數是否進入系統(tǒng)參數自校正N系統(tǒng)參數自校正模塊主功能模塊Y圖4-1自校模塊流程圖系統(tǒng)初始化進入測量模式芯片采樣計算存入相應寄存器鍵盤控制讀取顯示液晶顯示鍵盤命令電能表鑒定模式Y采樣計算輸出脈沖電能表鑒定模式5智能電表常見問題分析電表黑屏的原因一般由以下幾種情況引起：電壓線斷了或者未焊接，變壓器壞了，5v電壓接地，主芯片未燒寫程序，液晶驅動芯片與主芯片數據線不通。2、紅外通訊失敗紅外接收或者發(fā)送電路有漏焊或者連錫，紅外發(fā)射二極管焊反，三極管損壞，紅外接收管連錫或者損壞。3、插卡失敗卡座上的線焊錯位置，卡座金屬片接觸不好，卡座線路有不通的地方。在智能電表中，計量模塊是其最基本功能，要做到計量的準確性。而GPRS功能則是其必要附加功能，智能電表的主要目的之一就是要節(jié)省人力抄表成本。所以在設計中，選用移動SIM卡來完成這樣功能，在移動通信已經較為完善的今天，利用移動通信技術來解決遠程抄表已不是難題。當然要注意電表周圍移動信號的覆蓋情況，不然會因為信號不好而導致電表在遠程系統(tǒng)中的掉線情況，或者在線但數據難以抄回。同時也證實，紅外通信技術在智能電表中的實現也已經比較成熟，利用手握式掌機，在電表附近利用紅外通信進行參數的設置或者查詢。同時，因為我即將從事電表的維修工作，所以我對智能電表的未來發(fā)展充滿期待?？梢韵胂笤诓贿h的將來，智能電網將覆蓋全國，人們的生活用電也智能化，那么不但為人們