复费率电子式单相电能表设计.docx

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复费率电子式单相电能表设计

复费率电子式单相电能表设计

摘要

随着经济的迅速发展，用电量日益增加。

国家采取多费率用电政策，以削峰填谷，平衡用电。

复费率电能表已经大规模取代了单一费率电能表。

随着单片机技术的发展，以单片机为主控芯片的电子式电能表的生产已成规模。

但价格低廉、运行稳定、可靠性高、抗干扰能力强的电子式电能表还有待进一步开发。

论文在对电能计量和数字信号处理理论研究的基础上，以AD7755为电能计量芯片，结合8051系列芯片，设计开发了一款单相复费率电子式电能表。

硬件外围电路采用模块化设计。

其中电压电流采样模块实现了将电网中的不可直接测量的大电压大电流转变成可以适应AD7755芯片处理范围的电压信号。

电源模块为整个电能表系统提供稳定电源。

数据存储模块、红外通信模块和RS-485通信模块的设计完成了电能信息的及时存储和交换。

LCD模块实现了清晰、实时的电量信息显示。

软件分为动态自检程序，计量电量的电能脉冲采集程序，数据信息处理和交换的数据存储程序，通讯中断子程序。

在单片机的核心控制下，实现了电子式电能表的分时段计量、数据通信等功能。

关键词：

复费率电能表，AD7755，电能计量，信号处理。

Multi-rateElectronicSingle-phaseElectricEnergyMeterDesign

Abstract

Withtherapiddevelopmentofeconomy,increaseincreasinglywithn.Thecountrytakethemulti-rateelectricitypolicy,inordertocutapeaktofillthevalley,balancetheuseofelectricity.Multi-rateelectricenergymeterhavebeenreplacedbyasinglerateelectricenergymeter.Withthedevelopmentofsingle-chiptechnology,thesingle-chipmicrocomputerchipelectronicelectricenergymeterhasbecomethescaleofproduction.Butthepriceislow,stableoperation,highreliability,strongantiinterferenceabilityoftheelectronictypeelectricenergymetertobefurtherdevelopment.Researchonelectricenergymeasurementanddigitalsignalprocessingonthebasisoftheoreticalresearch,takingAD7755asanelectricalenergymeasurementchip,combinedwiththe8051serieschips,designanddevelopmentofasingle-phasemulti-rateelectricenergymeter.Hardwareandperipheralcircuitadoptsmodulardesign.ThevoltageandcurrentsamplingmoduleimplementsthenetworkcouldnotbemeasureddirectlyhighvoltageandlargecurrentintocanbeadaptedtoAD7755chipprocessingrangeofvoltagesignal.Powermodulefortheelectricenergymetersystemtoprovideastablepowersupply.Adatastoragemodule,theinfraredcommunicationmoduleandRS-485communicationmoduletocompletethedesignoftheelectricenergytimelyinformationstorageandexchange.TheLCDmoduletoachieveaclear,real-timepowerinformationdisplay.Thesoftwareisdividedintodynamicself-checkingprogram,meteringelectricenergypulseacquisitionprogram,dataprocessingandexchangedatastorageprogram,communicationinterruptsubroutine.TheMCUcorecontrol,torealizetheelectronictypeelectricenergymeteroftimemeasurement,datacommunicationsandotherfunctions.

Keywords:

multi-rateelectricenergymeter,AD7755,electricenergymeasurement,signalprocessing.

1绪论

1.1选题背景及研究意义

改革开放以来，我国的经济面貌发生巨大改变，人民生活水平不断提高，工业，商业，农业以及新兴产业都得到迅猛发展。

与此同时，各行各业对用电的需求量居高不下，且呈增长态势，用电不均衡也成为国家供电部门的一大难题。

传统的固定费率电能表无法实现峰谷计费，这就要求使用复费率电能表。

为缓解日益紧张的电力供需关系，调解负荷曲线，提高资源利用率，改善用电不均的困境，复费率电能表开始得到逐步推广，开始对试点地区的用户进行分时段计费。

此后，全面实行峰，平，谷分时段电价，削峰填谷的基本思路有序展开。

1982年至1985年，国内大部分省市和地区紧跟潮流开始实施用电量分时计量以及根据本地情况而设定的新的收费制度，并达到预期的目标。

同时，国内大型供电企业也针对实际情况进行了多功能改进并将其作为促进科学用电的重要措施，只在开发低谷用电，鼓励低谷时段的电能用量。

近期，国家发改委又提出了阶梯电价制度，保障低收入阶层的用电。

至此，我国已成为实施多种电力消费模式来改善用电负荷的国家之一，并有望取得创新型成果。

从中也可以看出，把复费率计费作为基本功能将成为今后电能表发展的趋势。

结合各地区各单位的实际情况丰富，改进，创新电能表的功能和设计将是该领域研究的基本思路，以期为节约资源，合理利用能源，缓和电力供需矛盾，方便统一管理做出系统性的贡献。

1.2电能表发展概况及现状

电能表从发明至今已有100多年的历史，在长期的使用过程中为了满足用户日益增长的需求和行业标准，从最初的感应式电能表发展为感应式脉冲电能表，再到后来的纯电子式电能表，并开始走向智能化。

其结构和性能不断更新，优化，并伴随着电力供应系统和管理系统不断发展创新。

1.2.1国际上电能表的发展概况

电能工业发展最初曾使用电解化学原理电能表作为计量收费工具，1890年，感应式电磁原理电能表诞生。

随后电费制度的更新，尤其是伴随着各国电力市场发展而提出的分时计费，需量计费等要求，促使原有的感应式电能表不断改进扩充功能，但出于种种限制，其应用已难以满足电能市场的客观需求，遂被淘汰。

20世纪中叶，微电子和信息产业蓬勃发展，电能表的发展创新得到新技术的有力支持。

例如：

校验技术的高要求促成了高精度电子式电能计量工具的产生，并开始应用于商业，工业等行业。

1983年，国际上家庭计费所使用的电子式电能表已经开始试点使用，至1988年，已发展为实用化电能表。

新世纪来临，全球掀起了一股大范围的电力市场改革，各国电力公司将注意力集中到市场竞争的核心问题：

表计。

即高性能，高精度，智能化，系统化的电能计量工具才具有核心竞争力。

特别是具有灵活计费，可靠的双向通讯和数据传输，不同生产商的产品能够兼容使用的电能表对用户具有很强的吸引力及市场竞争力。

而这些考虑也正是该行业后来提出产品标准化和兼容性问题的原因。

国际上电子式电能表的不断革新经历了50多年，最初全部是依赖于模拟量乘法器原理，发展中也出现了多种原理线路，到后来大致分为两种：

时分割（Timedivision），霍尔效应（Halleffect）。

数字技术的发展使得上述原理的应用全部更换为A/D转换和计算机运算方法成为现实，且将成为一种趋势。

这些变革将为负荷控制，负荷曲线以及电能的质量记录提供支持，其通信功能和高准确度也得到保证。

1.2.2国内电能表的发展概况

电子式标准电能表在我国的应用始于20世纪70年代，从最初的进口到后来的自主研发，不断消化，创新技术，现在已经具备制造更高准确度的标准电能表的能力。

我国应用和制造计费用的电子式电能表进展很快，从开始使用到被电力公司广泛认可只用了十多年时间。

电力供应市场的不断变革中，我国国家电力网络和省市级电力网络也也不断升级改造，电子式电能表大范围取代原有产品，总数近万只，运行情况令人满意。

1993年，国内的单相电子式电能表试制成功，并迅速在华东地区试用，受到基层用电管理部门欢迎和好评，用户装用量快速增长。

如今，电子式单相电度表的专用芯片早已超过1000万片，仅浙江，江苏两个省份的单相电子式电度表装用量均高出100万台。

可见单相电子式电能表在我国的使用已经相当普遍。

1.2.3电子式电能表的发展趋势

发达国家的经验告诉我们，电子式电能表逐步取代感应式电能表是电能计量现代化的必然趋势。

电能计量技术的革新要从以下几个方面着手：

高精度的测量技术，硬件的可靠性，模块化设计使维护成本的大幅降低或者是免维护，双向的通信功能，产品的标准化和兼容性，功能多样性以满足不同需求，智能化管理系统。

我国的市场前景广阔，城乡电网改造，人民日常用电的需求和商业化的供电系统以及各类型的电力公司都对电能表的技术创新和成熟提出了较高要求。

1.3论文内容及结构

本文除了第一章绪论外，论文的主要内容及编排如下：

第二章主要介绍设计中需要用到的基本理论知识，电能计量原理、分时计量、单片机系统、MCU实时控制系统以及RS-485接口标准。

第三章主要说明总体的设计思路，电能表的功能设计，各个模块的划分及工作原理，模块设计中功能芯片的简要介绍以及芯片选择的可行性分析。

第四章主要叙述系统的软件运行设计，并绘制了相应的程序流程图。

第五章总结了全文的工作，做出了合理的评估，同时对进一步的设计方向展开了思考。

2基本理论概况

2.1电能计量原理

电能总量基本表达式如下：

（2.1）

u（t），i（t），p（t）在式中分别指瞬时电压值，瞬时电流值以及瞬时功率，将电压值与电流值相乘所得的积并在时间曲线上累加所得的积分值就是所测电能的值。

目前已投入使用的电子式电能表中，电功率计算的基本原理大致相同。

其核心就是对电流以及电压的实时采样，将经过处理后的两组数据求积，从而得出功率的有效值，也包括有功功率和无功功率。

现阶段普遍采用交流采样的处理办法，且与直流采样相比，其方法计算灵活，精度高。

若采样的输入信号是正弦波，导数算法和半周期算法便可以用于测量时域，频域信号，并且有利于发挥算法计算量小，实时性等优点。

求积的过程将用数字乘法器来实现。

如图2.1所示。

图2.1电能计量原理图

2.2分时计量

把自然的一天24小时分成若干个小的时间段，并相应的结合各段时间的用电情况给出特征描述：

峰，平，谷，同时针对不同的用电情况及需求制定不同的费率，从而实现电能的分时计量。

不同时间段采取不同的收费标准，旨在利用适当经济杠杆原理促使用户尽可能的在用电高峰期减少用电量，从宏观上有利于缓和高峰期供电系统的压力以及开发用电低谷时段的用电需求。

同时也能起到削峰填谷，提高电能利用率的作用，并使供电网络达到最高效率。

分时计量还对电能表的软硬件系统提出了要求，包括自带的实时时钟，以及预先设置好的时段参数和程序。

2.3单片机系统简介

单片机是英文ComputeronaSingleChip一词的翻译，通常称为微控制器（MicrocontrollerorMicrocontrollerUnit），缩写为MCU。

与通用微处理器的区别是它强调高度集成。

它的时钟频率和处理器运行速度一般不高（只有几十MHz或者更低），但足够满足典型嵌入式应用的需求。

与其他通用计算机相比，其特点是功耗很低，大部分产品拥有节能模式，可用于电池供电和全天候工作的场所。

随着半导体技术和大规模集成电路的发展，单片机芯片的集成程度越来越高，功能也越来越强大。

目前，单片机的独特优点使其被广泛应用于车辆发动机控制，无线遥控，办公家电，电力工具，和玩具等自动控制产品和设备中。

通过减小尺寸，降低成本和功耗，单片机相对于采用独立微处理器，存储器和I/O设备的通用计算机系统，在许多电控过程中具有更高的性价比和应用前景。

MCS-51系列单片机最早由Intel公司开发，生产并推向市场。

这一系列单片机囊括了像8031,8051,8751,8032,8052，8752等品种，其中8051属于最原始最典型的产品。

该系列里面其他型号都是由8051衍生而来，包括功能的删减，增加及改变。

由于INTEL公司将MCS-51的核心技术通过专利转让和出售等方式移交给ATMEL，NXP,Infineon，ST，AD,富士等公司，使得上述公司获得了生产许可证，造成市场中单片机的型号和功能多样化。

其中89C51在我国非常流行，并得到广泛应用。

所以试图了解其他衍生型号单片机的基础就是先要了解最经典的机型8051。

其主要特征如下：

1.针对控制应用优化的8位CPU；

2.扩展的布尔处理能力；

3.64KB程序存储器寻址空间；

4.64KB片外数据存储器寻址空间；

5.4KB片内程序存储器；

6.128字节片内数据RAM；

7.32根双向，可独立寻址的I/O线；

8.2个16位定时/计数器；

9.1个全双工UART串口；

10.6个中断源/5个中断向量，可设置成2个优先级的中断结构；

11.片内时钟振荡器；

2.4微机实时控制系统

微型计算机应用系统大多为实时控制系统，指有效使用某一种或几种微处理器作为控制核心，配合优化设计的检测电路，驱动电路，控制电路以及人机接口设备等，在控制软件的管理与操纵下，完成某些特定的实时检测或者控制任务的软件及硬件整体。

担任控制核心常见的微处理器芯片包括80xx系列（如8086,8088），51系列（如MCS-51，AT89C,8XC51）,DSP（如TMS320F2812）,ARM系列嵌入式计算机（如ARM710）等等。

微型计算机实时控制系统已经广泛应用于各种工业，民用，交通，军事等领域。

针对不同的应用现象，微型计算机实时控制系统的结构是不同的。

然而，系统的基本组成结构，开发方法和设计步骤还是有规律的。

典型微型计算机实时控制系统按功能可划分为6个模块：

主机，人机接口，扩展接口，数据交换及隔离，信号传感与驱动变换，被控对象本体。

2.5RS-485接口标准

在许多应用环境中，要求用较少的信号线来实现通信，或者要求在同一通信网络中能允许有多个发送器，由此导致了目前应用广泛的RS-485串行接口总线的产生。

它实际上是RS-422的变形，即RS-422为全双工模式，而RS-485为半双工模式，这一改动，对实现多站互连提供了很大的方便。

此外，在RS-485互连中，因为是半双工模式，某一时刻只能有一个站发送数据，另一个站只能接收，因此，RS-485的发送端必须由使能端加以控制，一般情况下，此端应为无效，以禁止发送。

只有在本站需要发送是，才能使能端变为有效，由TXD端将数据发出，且发送完后，应将使能端关闭，以便接收对方来的数据。

尽管RS-485推出比较晚，但由于其能实现多点对多点的半双工通信，在同一网络中的平衡电缆线上，最多可连接32个发送器/接收器对。

再加上抗干扰能力，最大传输距离和最大传输速率方面均大大地优于RS-232C，因而在许多场合，特别是在实时控制，微机测控网络等领域得到了广泛认可。

3设计思想

3.1总体功能设计

参考相关行业标准，并结合论文题目及要求，本设计将使电能表具备如下主要功能：

1.电能计量功能，能测算正，反向有功电能，并按峰，平，谷分时段计算，储存数据；

2.实时时钟，多时段，多费率计费功能；

3.显示功能；

4.通信功能，RS-485接口，红外通讯；

5.可编程功能；

6.便捷抄表功能；

此外，还应该具有低功耗，高精度，硬件可靠免维护等功能。

3.2系统基本设计思路及原理图

本设计中的复费率电子式单相电能表采用了模块化设计。

主要包括电能计量模块，控制器模块，数据存储模块，实时时钟模块，LCD显示模块，串行通信模块，红外通信模块，电源模块。

这其中电能计量模块又包含信号处理模块，电压，电流采样模块。

其他不同功能和作用的模块通过控制器模块（MCU）紧密联系在一起，共同组成整个功能完备的复费率电子式单相电能表。

如图3.1所示。

现将各模块的基本作用，工作原理及器件选择说明如下：

1.控制器模块：

该模块是整个电能表的核心部分，在它的命令调解下，外围的各模块才进行相应的工作运行。

通过提前写入的各种控制程序，主控制器才得以控制其他模块的工作状态。

经过筛选分析，最终选择8051高性能系列单片机，既功能强大的AT89C51单片机。

2.电能计量模块：

该模块主要完成电信号的测量采样，处理，数模转换，运算，将模拟电信号转换为微处理器可以读取，存储，操作的数字电信号。

其中为了使强电和弱电分离，提高安全性，采样模块中的电路设计有意使系统硬件与供电网络进行了有效隔离。

并且把主网中的大电流和大电压转化成小电流，小电压，这样才使高精度的计量芯片进行信号处理运算成为可能。

经过综合分析，该模块采用高性能高准确度的计量芯片AD7755。

3.

实时时钟模块：

该模块为设计复费率电能表提供精准的时间参考，在此前提下，电能表可通过相应的编程设计实现复费率计费。

在阅读相关器件的资料后，为降低功耗，提高准度，排除了使用8051内部计时器的方案，最后选定一款由美国DALLAS公司设计制造的高性能，低功耗芯片DS1302。

图3.1整体系统框图

4.电源模块：

该模块可以提供整个硬件系统的正常用电，通过电能转换将主供电网络的交流220V电压整流成为可供系统使用的5V直流，也就是小电源。

其特点是在突发停电情况下，仍能通过专用备用电池继续长时间供电，从而保证了系统时钟的连续性和准确性。

5.数据存储模块：

用以存放所有计量信息的存储单元。

存储的信息随时可供主控制器读取，然后用来控制其他模块的工作，例如显示模块。

微处理器对计量芯片的测算信息进行读取，用来保存在存取单元。

实际应用中，这个过程就是计算出电能使用量后将数据保存，供计费使用。

该模块采用24C02芯片，COMS技术的使用降低了器件的功耗。

6.RS-485通信模块：

该模块为电能表与外部兼容设备或者上级管理系统进行通信的部件，借助该部分电路，单片机可以与上位机进行通信，包括数据的上传和下发。

该部分的通信遵守RS-485接口标准，同时选用MAX485芯片。

其驱动器摆率不受限制，可大幅提高传输速率。

7.红外通信模块：

该模块采用近红外光通信，能够方便的实现电能表与抄表器之间的数据交换。

所需器件为红外发光器件和相配套的红外接收器。

8.LCD显示模块：

该模块主要给抄表人员提供实时准确的用电信息，并可以将峰，平，谷各时段的用电信息按设置的方式显示出来，方便，准确。

作为一种终端显示部件，本设计中选择LCD1602显示屏，因其具有功耗低，使用年限长，可靠性好等特点。

3.3模块器件介绍及设计可行性分析

3.3.1控制器模块及AT89C51单片机

AT89C51是美国ATMEL公司生产的COMS8位单片机，实用性能较高，使用电压需求低。

其自带的可反复编辑的只读程序储存器（PEROM）容量大小为4Kbytes，随机数据储存器（RAM）容量大小为128bytes。

器件生产过程中，生产商加入了高密度以及非易失性存储技术，同时能兼容原有的MCS-51指令体系。

在许多高性价比的应用场合，该单片机内置的FLAH存储单元以及8位核心处理器具有明显的竞争优势，如今，借助于本身强大的功能AT89C51已经广泛应用于许多控制领域。

AT89C51单片机具备如下标准功能：

128字节内部RAM,1个5向量2级中断结构，片内振荡器和时钟电路，32个I/O端口，4k字节flash闪速储存器，2个16位定时/计数器，一个全双工串行通信接口。

同时，AT89C51可在0Hz的静态频率工作并支持节电工作模式。

部分情况下，CPU停止工作时，RAM，中断系统，串行通信部分仍然能保持工作状态，这种情况称为空闲模式。

AT89C51单片机有40个管脚，可划分为电源、时钟、I/O引脚和控制四个类型。

如图3.2所示。

引脚功能简要说明：

Vcc：

电源电压

GND：

接地端

P0口：

双向型I/O口，也可用作地址、数据总线复用口。

当成输出使用时，以吸收电流方式驱动8个逻辑门电路，若对其端口写“1”将可成为高阻抗输入端。

在flash编程时，P0口接收指令，但是在程序需要校验时则输出指令字节，同时要求外接上拉电阻。

P1口：

8位双向I/O端口，若对端口写“1”，可作为输入口

P2口：

与P1口相似，进行flash编程或者检验时，P2也接收其他控制信号以及高位地址。

图3.2AT89C51的引脚图

P3口：

8位双向I/O端口，除此之外，它的第二功能有更为重要的用途。

如表3.1所示。

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输入口）

P3.2

（外中断0）

P3.3

（外中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0外部输入）

P3.5

T1（定时/计数器1外部输入）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

表3.1P3口的第二功能

RST：

复位输入，利用振荡器接收两个机器周期的高电平从而使单片机进行复位操作。

ALE/PROG：

可对外输出时钟或者用于定时。

每次读取一个外部数据储存单元就会跳过一个ALE脉冲。

存储器编程时，这个引脚还有其他的作用，就是输入连续的编程脉冲（PROG）。

PSEN：

程序储存允许（PSEN）输出为外部程序储存器的读选通信息，AT89C51单片机从外围读取指令时，单位时间内双次

有效，也就是说输出两个脉冲。

与此同时，当访问外部信息存储单元时，不会出现这两次有效的

信号。

EA/Vpp：

外围指令访问允许。

若要CPU只访问外部信息存储单元，则EA口须保持低电平，也就是接地。

若EA口为高电平（接VCC端），则CPU执行内部信息存储单元中的指令。

XTAL1：

可以作为内部振荡反相放大装置的端口，还有其他情况，如作为单片机自带的时钟发生装置的输入端口。

XTAL2：

可以作为内部振荡反相放大装置的端口。

另外值得一提的是，AT89C51单