基于单片机的数字电能表设计.docx
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基于单片机的数字电能表设计.docx
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基于单片机的数字电能表设计
摘要
随着中国经济的腾飞,人民生活水平的提高,对电能的需求日益增长,之前传统单一的费率政策已经不能满足需求,电网开始采用新的用电政策,用来平衡高峰用电和低谷用电,保证电网的安全稳定运行。
这就对电能表提出了新的要求,如今单片机技术已经广泛应用在各个领域,其有着价格低廉、技术成熟、运行安全稳定等优点,如今单片机控制的电能表逐步取代了传统的电能表。
根据题目要求,本设计采用STC单片机作为主控芯片,对线路实行单相测量,能实现实时测量电流、电压有效值和瞬时功率。
电能表带有报警功能,可自行设置报警阈值,超过阈值蜂鸣器报警,从而保护电路。
电能表采用模块化设计,采集部分分为电流采集模块,电压采集模块,功率因素采集模块,通过单片机自带的A/D转换器转换成可以处理的数字信号,经过单片机内部程序运算实现对电力参数的实时测量显示功能;单片机最小系统集成了LCD显示模块,通过LCD可实时查看电力参数;电源模块为双路输出,为单片机模块与采集模块分别提供5V与+-12V的稳定直流。
软件部分带有设置中断,可随时设置报警值,并根据采集数据转换成可读电力参数。
关键字:
单片机;电能表;电力参数;实时显示;报警
Abstract
WithrapiddevelopmentofChineseeconomy,people'slivingstandardsimproveandthedemandforenergygrowingdaybyday.Thetraditionalsingleratepolicyhasbeenunabletomeetthedemand.Inthiscase,thegridstartedthenewelectricitypolicytobalancepeakpowerandlowelectricity,guaranteethesafeandstableoperationofpowergrids.Thisraiseanewdemandforelectricenergymeter,nowSCMtechnologyhasbeenwidelyusedinvariousfields.Ithastheadvantagesoflowprice,maturetechnology,safeandstable,andnowtheelectricenergymeterwhichcontrolledbysinglechipmicrocomputergraduallyreplacedthetraditionalelectricenergymeter.
Accordingtotherequirementsofthetopic,thisdesignusesSTCmicrocontrollerasthemaincontrolchip,thecircuitimplementationofsinglephasemeasurement,canachievereal-timemeasurementofcurrent,voltageeffectivevalueandinstantaneouspower.Theelectricenergymeterhasthefunctionofalarming,whichcansetthealarmthreshold,ifthisthresholdisexceeded,superbuzzerwillalarm,sothatcanprotectthecircuit.Electricenergymeterbasedonmodulardesign,collectingpartisdividedintocurrentcollectingmodule,voltageacquisitionmodule,andthepowerfactoroftheacquisitionmodule,throughtheMCUbuilt-inA/Dconverterthatconvertthedigitalsignalswhichcanhandle,throughtheinternalproceduresinthemicrocontrolleroperationofelectricpowerparametermeasurementdisplayfunction.MCUminimumsystemintegrationoftheLCDdisplaymodule,throughtheLCDreal-timeviewofthepowerparameters;powermoduleforthedualoutput,forthemicrocontrollermoduleandacquisitionmodulerespectively5Vand+-12VtoprovideastableDC.Thesoftwarepartisequippedwithaninterrupt,whichcansetthealarmvalueatanytime,andcanbeconvertedintoareadablepowerparameteraccordingtothecollecteddata.
Keywords:
microcomputer;electricenergymeter;electricalparameter;real-timedisplay;alarm
1绪论
1.1课题背景
电出现在人类历史不过几百年的时间,但其发展之广泛,速度之快是人们意想不到的,这对电能表提出了每个时代不同的需求,人们最开始的时候使用的是电解化学电能表进行计费,而后发明的电磁感应电能表使用了将近一个世纪,虽对其做了诸多改进,技术成熟,但如今已难以满足时代的需求。
上世纪经历工业革命后,人类的生产力有了空前的提高,同时带动了科学技术的发展,人类在微电子领域和计算机领域有了重大的技术突破,这就为新一代电能表的产生奠定了基础,其测量精度高,实时电价计算,远程抄表,负荷曲线计算等优势明显,现已取代传统电磁电能表成为未来电能表发展的主流。
随着国家对电力行业的规范化和市场化改革,我国对智能化电网的建设,电能远程抄表系统逐渐普及,实际使用中旧式电能表已经被数字电能表取代,其大部分为国外厂商生产的电能表,且运作良好。
电网营运中,电能的测量为整个电网生产,运营不可或缺的环节,故发展更为先进、精准的电能表,对电网的运营有重要的意义。
随着国内对用电水平要求的提高,传统的二次设备已经不能满足电网安全稳定运行了,如电网的功率因素会影响设备的正常运行,需对检测设备进行更新换代,实时调整电网各项参数,才能保证电网安全经济运行,减少电能浪费。
随着人民生活水平的提高,用电设备家里从原来的几样变成现在我们无时无刻地离不开电器设备,用电设备已经成为了我们不可或缺的生产力工具,国家的发展离不开电,人民生产离不开电,人民对电能的需求不断增长,这就促进了国家电网的建设,发电厂增多,电压等级升高,发电厂装机容量的增大,传统的二次设备已经不能满足电网的稳定运行,且传统二次设备需值班人数较多,无法满足如今市场化的电力行业经济性要求。
一些高新技术产业对电能质量要求颇高,这就要求电网对电力参数做到实时监控。
如用电单位的无功功率超标,导致电能不能充分利用,造成电能浪费,若不及时补偿,则可能导致电压波形畸变,对用电设备的寿命和使用造成影响,若不及时调整则会造成用电设备受损。
为了保证电网和用电设备安全稳定运行,我们势必要对电网中各项电力参数进行实时监测,对参数进行判断及预判,合理对对各项参数失常进行必要的补偿。
故电力参数实时测量时电网安全运行的保证,对电能参数的合理预判可避免故障的发生。
1.2发展情况
1.2.1国际发展情况
在电力产业发展起步阶段,国际上研发了第一代电能表,初代电能表采用了电解化学原理计费。
直到1890年,国际上才发明了以电磁感应为原理的电能表,至今使用该原理的电能表已经有百年历史了。
随着国际上对电费制度的改革,提出了新的电价制度如分段费率、预付费制度等一系列新一代电费制度。
上世纪七十年代,国际电力行业又迎来了一次新的发展机遇,对电能计量设备提出了如负荷曲线记录、电能质量检测、电能表远距离通讯、智能抄表、实时电价编程等新的要求,传统的铝盘式电能表虽经过诸多改善,但对国际电力行业不断增加的新需求不免力不从心。
上世纪中叶,人类的科学技术水平有了一次大的飞跃,在微电子和电子信息领域有了飞跃式进展,技术变革催生了新一代的电能表的产生,基于微电子的高新技术,新一代电能表精度远高于电磁感应式电能表。
在电力行业变革的潮流中,世界各地电能表生产厂商意识到电能表要在业内能站稳脚跟就要发展自主设计的表计。
不同的供应商和不同的电价系统,在二次设备标准还未完全指定的时代,厂家之间的通讯协议混乱,故制定二次设备生产标准迫在眉睫,在欧洲二次设备大厂的引导下成立了DLMS用户协会,该协会给后来的IEC规约的出台奠定了基础。
同样的在北美地区也出台了ANSI规约标准,当时的电力系统中有着不同厂家制造的不同标准的二次设备,其标准混乱不同设备之间的兼容性差,美国Itron公司顺势退出了MV-90表计,其兼容性十分强大,能兼容系统中大部分二次设备,因此在北美乃至世界地区广泛采用,成为那个时代电能表的代表。
1.2.2国内发展情况
我国电能表发展水平并不高,与国际发达国家二次监测设备发展水平相比,是存在较大的差距的,我国在核心技术上,特别是核心部件的材料加工水平远不及国际水平,国内加工精密材料是中国制造的软肋,在精密加工上是远远落后于国外先进水平的,且制造材料的质量也是参差不齐,因此如何提高我国精密加工的工艺水平,是如何提高我国二次设备水平的关键问题。
新一代数字式电能表虽在我国已开始逐步取代传统电能表,但我国生产电能表水平仍不高,采用传统的人工加工,设备存在较大的个体差异,设备良品率收到人为因素影响较大。
且我国二次设备生产企业规模较少,对研发投入资金较少,导致我国设计电能表缺乏竞争力,国内核心技术研发力度不足,导致国内二次设备发展较为缓慢。
国内电能表可以原理的不同划分为两代,第一代为铝盘式电能表,电流通过线圈产生磁场,与铝盘中的感应电流互斥,驱动铝盘转动,铝盘带动机械传动装置,记录铝盘转动圈数从而达到记录消耗电能的目的,其主要是通过电磁感应来驱动其转动,若电能消耗越快其转速就越快。
第一代电能表结构简单,但其测量误差较大,只能采用人工抄表的方式给电网反馈,实时性差,由此催生了第二代电能表。
第二代电能表为数字电能表。
随着微电子技术的发展,市面上出现了电能表专用的芯片,集成了当今电力市场要求的多种功能,可通过单片机编写程序和外围电路的设计,实现对电能的自动计量,远程传输,自动抄表等功能,其测量准确度高,稳定性好,成为了现在主流电能表。
上世纪九十年代,国内厂商成功研制数字电能表,开始在华东地区小范围使用,使用至今运行良好稳定,且故障率低,开始被电力管理部门所接受,这给国内的仪表厂商提供了一次发展的机遇,国内厂商经过对国外先进技术的学习和理解,结合本国国情,研发出一批科技含量高的产品。
单相电子式电能表的专用芯片报道1998年全国产量为500万片,而2000年新一代芯片ad7755在中国销量超1000万片,由此推论1
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