1、摘 要智能电表给高效率管理电能带来了极大的方便，因此逐渐普及到人们的家居生活。本论文针对用户的需求设计的一种智能电表，可用于单相工频电参数的精密测量，包括电流、电压、频率、有功功率、视在功率、有功电能，视在电能等，且具有显示功能。首先，论文介绍了电测量理论及仪器技术的发展情况，对目前常用的多种电参数测量技术在计量精度、成本以及可靠性等方面进行了分析比较，随后根据系统的技术要求和功能特点确定了总体设计和实现方案。硬件设计部分重点研究了如何简化电路、降低设备成本并能够实现多功能及高精度计量，采用高性能电能计量芯片取代了传统的采样电路进行电能的测量，并在设计时采用集成化元件简化外围电路，选用低功耗单
2、片机管理参数。论文的软件设计部分对电能计量芯片结合单片机实现多功能测量的原理进行了阐述，详细介绍了多种电参数的测量方法。同时，总体设计时采用了多种抗干扰技术。经调试本文设计的智能电表实现了多种电参数的测量，在达到高测量精度的基础上同时降低了仪器体积。在可靠性加强之后会得到很好的应用。关键词：智能电表；电能计量芯片第 2 页 共 42 页 AbstractIntelligent ammeters have brought great convenience to high efficient manage electrical energy, so they gradually spread t
3、o the household of people lives. This thesis aims to the needs of users designs a king of intelligent ammeters, which can be used to the precision measurement of single phase, industrial frequency electrical parameter , include current, voltage, frequency, active power, apparent power, active energy
4、, apparent energy and so on, and have display function.First, the thesis introduces the theory of electrical measuring and the development of instruments technologies, comparatively analyzes the current commonly electronic parameters measuring technologies in the measurement accuracy, cost and relia
5、bility, and then confirms overall design and realization of the program under the technical features and requirements. Hardware design Part focus on how to simplify circuit，lower equipment costs, realize multi-functional and high-Precision measurement. High-performance energy measure chip is used to
6、 replace the traditional sampling circuit to measure power, and many other integrated circuits simplify the external circuit. The design selects low-power microcontroller for parameters management. The thesis software design part expounds the measure principle of the energy measure chip with microco
7、ntroller, the method of measuring electronic parameters in detail. A variety of anti-jamming technologies are used in the module design at the same time.After adjustment, the intelligent ammeter realizes a variety of electrical parameters measurement，realizes high-precision measurement and reduces t
8、he volume of equipment. After enhanced the reliability，the system will have a very good application prospect.Key words: intelligent ammeters; high-performance energy measurement chips第 3 页 共 42 页 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已
9、经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学 历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 第 4 页 共 42 页 学位论文原创性
10、声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文
11、按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日第 5 页 共 42 页 目 录引言 .11 绪论 .21.1 开题的背景和意义.21.2 国内外发展状况.21.3 任务及要求.41.4 完成的工作.42 电参数基本量的测量工作原理及芯片的选型 .62.1 电压电流有效值的测量.62.2 频率测量.72.3 功率及功率因数的测量.72.3.1 有功功率.72.3.2 视在功率.72.3.3 无功功率.72.3.4 功率因数.82.4 测量芯片的选型.82.5 中央控制芯片的选型.82.6 显示模块的选型.83 电参数测量模块硬件平台开发 .103.1 系统整体结构.
12、103.2 外部典型接线方式.103.3 前端采样电路.113.4 电参数处理部分.123.4.1 ADE7754.123.4.2 STC89C52 单片机.173.4.3 LCD1602 型液晶.193.5 硬 件 抗 干 扰 设 计 .214 电参数测量模块软件平台设计与实现 .234.1 ADE7754初始化流程.254.2 LCD1602初始化流程.254.3 ADE7754的中断.264.4 采样同步以及采样时间分配.274.5 软件抗干扰设计.275 系统的调试及误差分析 .28第 6 页 共 42 页 5.1 系统仿真.285.2 硬件调试.295.3 软件调试.305.4 调试
13、结果.305.5 误差分析.316 结论 .32谢 辞.33参考文献 .34附 录.35第 1 页 共 42 页 引言电力是人们日常生活和工业生产中的主要能源，在现代社会中有着非常重要的作用。随着我国电力市场的逐步建立和完善，电力系统越来越复杂，电力工业向大容量方向发展，企业生产技术管理对工业电力准确计量不断提出新的要求。而传统的测量电参数的方案，存在硬件电路复杂、软件运算量大、测量精度低等缺点。所以用单片芯片完成三相电源有功功率、电压有效值、电流有效值，及信号频率的测量已经成为了学者们研究的热点。节能降耗是现代工业进步的主要标志之一，提高电能有效利用率，对电能质量进行综合监测与治理，已成为迫
14、切需要解决的问题。要实现对电能质量的综合治理，就必须实现对电能质量的在线分析与实时监测，以了解电能质量的水平。这有利于及时发现电网上的电能质量问题，便于“早发现、早治理” ，为电网创造一个良好的环境。作为电力管理系统组成部分电力监控仪表也起着越来越重要的作用，针对不同领域的电力系统，研制一种精密的电力监测装置就具有非常重大的意义，它不但要能对如电压、电流、功率、功率因数、电能和频率等重要的电力参数进行实时检测，也需要具有完备的通信功能。第 2 页 共 42 页 1 绪论智能电表的发展与远程抄表技术的应用，使得人们的生产生活发生了巨大的变化，满足了不同用户的需求。1.1开题的背景和意义电能既是电
15、力企业的产品，又是商品。作为商品，其交易过程就必须遵循市场规律，做到买卖公平，它的交易过程是通过电能计量装置来实现的，电能计量装置起着秤杆子的作用，它的准确与否涉及千家万户的利益，直接关系着各项电业技术经济指标的正确计算。营业计费的准确性和公正性，事关电力工业的发展、国家与电力用户的合法利益。 在电力系统中，电能计量是电力生产、销售以及电网安全运行的重要环节，发电、输电、配电和用电均需要对电能准确计量。因此，电能计量技术的发展、电能计量仪表系统的研制，具有十分重要的意义。在社会生产、人民生活中，电能是不可缺少的。随着我国经济的高速发展和人民生活水平的提高，对电力能源需求也不断增长，用电量迅猛增
16、加，致使变电站数量增加、电压等级提高、供电范围扩大及输配电容量增大，采用传统的变电站一次及二次设备已越来越难以满足变电站安全及经济运行、少人值班甚至无人值班的要求。在大型的工厂以及企业中，稳定的电力供应和电能质量是企业生产的前提和保障。电网电压、电流的波动，将影响用电设备的功效发挥和使用寿命；电网频率的波动，不仅使过多的电能转换为热能而白白浪费掉，而且严重时有可能损坏设备；电网功率因数过低，将导致供电电能得不到充分利用，因此，必须有一种设备和手段对电网中的电力参数进行实时监测并做出相应的措施，保证电力系统与设备运行良好。在发电厂、变电站等供配电的主要环节必须实时监控线路中的电力参数，正确操作、
17、维护，保证供电区间的供电安全与正常运行；在工厂、企业和居民小区等用电环节为保证安全用电和防止偷电导致电能的非法流失，电力参数的实时检测特别是对有故障电能表的检验也是一个非常重要的问题。因此电力部门需要及时、准确地掌握用电情况，做好调度和规划。电力工业生产、电能计量、电力通讯以及自动化调度的安全、可靠和准确性都必须依靠安装在电力生产现场和用电现场的监测各电参量的仪表来完成和保证。目前电力工业进入商品市场经营模式，一些出故障的电能计量设备和窃电等非法用电现象的增加严重阻碍了电力的发展和运营。而电能校验设备的出现为电力生产、科学理创造了条件。1.2 国内外发展状况在过去的一个世纪里，源于科研、工农业
18、生产甚至战争的需求，电测量理论以及仪表技术不断发展，电力仪表和普通仪表一样，发展经历了三个阶段:第一代是指针式仪表，如模拟万用表、电压表、电流表，这些仪表的基本结构是电磁式、电动式、感应式、静电式等，它的原理简单、坚固耐用、容易生产、成本低，第 3 页 共 42 页 但由于这类仪表本身机械结构和电磁结构的不稳定性和复杂性，一般精度较低，稳定性较差，应用场合有一定的局限性。第二代是数字测量仪表，这类仪表的基本原理是将被测量模拟信号通过电子线路转变为数字信号，进行计算并显示出来。这类仪器同指针式仪器相比较精度有了很大的提高，能直观读取测量结果，而且可靠性高，易于使用。但电子线路比较复杂，不能自动适
19、应测量环境的变化，而且仪器的校准复杂。第三代是智能仪器。所谓智能仪器，一般指含有微处理器的仪器，通过微处理器来控制数据的采集，并对数据进行处理。因此能够用软件的方法实现信息的采集、处理和存储，大大简化了仪器的整体结构。这类仪表不仅精度高，功能强大，而且能适应各种复杂的环境。电子技术和计算机技术的高速发展是电力仪表迅速进步、日益成熟的主要技术支撑。准确度高、可靠性好的元器件以及大规模集成电路等的采用，使电测仪表的使用寿命、准确度、稳定度等技术指标均显著改善。从对国内外产品的分析中可以看到，目前电子式电参数监测系统中对参数的测量一般采用的方法有以下几种:（1）双 MCU 结构，通过 A/D 芯片采
20、集三相电信息，送入前端 MCU 完成数据采集功能，然后由后端 MCU 通过软件计算出各参数，完成显示、控制和通信功能。其精度取决于 A/D 芯片的位数和采样频率、参数计算所采用的算法以及所选用单片机的处理速度，数据的精度不是很理想，同时用软件来计算参数会让编程变得复杂。这种结构的产品虽然能比较好的完成控制功能，但处理复杂数据的能力比较差，耗时过多;（2）DSP+MCU 结构，通过刀 D 芯片采集的信息直接送入 DSP 芯片进行处理，得到所需参数，由 DSP 完成数据的采集和运算，交给后端的 MCU，由 MCU 完成控制、通信和人机交互的功能。DSP 的处理速度很快，得到的数据精度也很高，但是
21、DSP 芯片的控制能力不好，系统需要另选单片机作为系统的控制器，这样系统硬件电路变得复杂，而且这种结构的产品增加了系统设计的难度，并造成一定的资源浪费，造价较高。上述类型的电参数测量仪表的设计往往利用位数较多的刀 D 转换电路或自动量程转换电路，原理上可达到很高的准确度，但是由于使用元件较多，原理复杂、成本偏高、可靠性也不能令人满意。随着现代电子产业的高速发展，测量电路的集成化、模块化成为未来发展的趋势，各大型的器件公司也纷纷推出自己计量芯片，这种集成芯片不仅精确度高，而且硬件软件设计简单、性价比高。近几年多种单、三相电能计量专用集成电路的成功开发使过去由分立式电子元器件搭接而成的电能测量电路
22、改制成专门的集成电路芯片，结果在不减少功能的前提下，使电参数测量仪表的体积大大减小，功耗和单位功能的成本降低、成品率提高，并可简化仪表的电路设计，降低其模块设计难度，从而能改进整个电路系统的性能，而更重要的是使仪表可靠性和精度明显提高。本文研制的智能电表通过选用高精度的计量芯片和高处理速度的 8 位单片机，采用电能计量专用芯片+单第 4 页 共 42 页 片机的方案并尽量采用集成化元件进行设计，这样在设计中，单片机只要对计量芯片的控制寄存器写入适当的控制字就可以了，大大节省了硬件设计所需的元件，影响系统精度的因素也随之减少，使高精度的测量更易实现，也因此提高了系统的可靠性。芯片中可通过串行口读
23、写的寄存器有数十个之多，可以读入所需要的所有电量，所以电能计量专用芯片的使用简化了单片机系统的设计。单片机不善于数据计算，而现在的计量芯片有硬件乘法器、开平方器和各种计量算法如 FFT 等，刚好弥补了这一不足，减少了单片机系统需要完成的任务。对于单片机系统而言，主要工作只需要写计量芯片的控制寄存器、读计量芯片的数据寄存器、接收状态信息、处理中断以及将计量芯片处理过的数据送到上位机进行处理存储与显示。这样的优点使仪表的两大单元(计量单元和数据处理单元)较为均衡和合理。目前的电能计量芯片的另一特点是把电测量理论关于电功率(电能)的一些基本理论融入了芯片制造技术中。比如功率表的角误差、乘法器的瞬时功
24、率信号频谱、关于无功功率(电能)的处理方法以及电源周波电能累计模式应用于校正等都充分说明了这一点，通过研究正确的校准方法，可以最大限度发挥计量芯片的功能，以较低的投资实现从前需要很多昂贵器件才能完成的功能，使系统具有硬件电路简单、可靠性好、测量参数众多、参数精度高等重要特点。1.3 任务及要求本次毕设任务是设计一种用于单、三相工频电参数精密测量系统，实现电流、电压、频率、相位、有功功率、无功功率等参数的测量、处理和远传通信功能。硬件电路采用 ADE7754 系列高精度单三相电能测量芯片与 ARM/51 微处理器、电压互感器和电流互感器的测量接口、显示接口，采扩展以太网接口及嵌入式 TCP/IP
25、 协议实现数据远程通信。要求：（1）制作硬件并完成软、硬件调试。（2）主要技术参数：ADE7754 电能测量芯片、ARM/51 微处理器、测量运算精度5%；（3）用 Proteus 进行软硬件系统的仿真。（4）用计算机绘制相关硬件的原理图、制版图、电气安装接线图各一份。1.4 完成的工作在设计时，主要完成了下列工作:（1）确定设计指标与设计方法查阅了大量的国内外有关电参数测量仪器方面的文献资料，剖析了一些电测仪器的实际产品，并吸取同类产品的优点，对所要做的工作有理论上的知识积累和系统的掌握。根据目前电参数测量仪表的发展趋势和现有的设计条件，提出了多功能电参数测量模块的整体方案和技术要求。进行软硬件设计的选型工作。（2）电参数测量模块的系统软硬件设计根据技术需求。进行电路原理图的设计，绘 PCB 图、制板，焊接，得到试验电路
