1、xxx 大学学士学位论文- I -基于单片机的电子式电能表设计与研究摘要随着经济的迅速发展，用电量日益增加，为电网的稳定运行带来了诸多不良因素。国家采取多费率用电政策，以消峰填谷，平衡用电。复费率电能表己经大规模取代了单一费率电能表。随着单片机技术的日益发展，以单片机为主控芯片的电子式电能表的生产已成规模。但是价格低廉、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，以美国 ADI 公司生产的 ADE7755 为电能计量芯片，以 89C52 为主要控制芯片，利用单片机技术，设计开发了一款单相复费率智能电子式电能表。硬件外围电路采用模块化
2、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为可以用来处理测量的小电压小电流。电源模块为整个智能电表提供了稳定的电源。数据存储模块，红外通信模块和 RS485 通信模块的设计完成了电能信息的及时存储和交换。显示控制模块为用户提供了清晰，实时的电量信息。软件分为启动前的动态自检程序，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电能分时段计量、数据通信等功能。关键词 电子式电能表；ADE7755；电能计量；信号处理xxx 大学学士学位论文- II -The design and research
3、 of electronic watt-hour meter based on single chipAbstractWith the development of economy and the increase of the electrical quantity, the running of the electric fence is threatened heavily. The government of china has adopted the policy of different prices of the electrical power, in order to kee
4、p balance of the electrical quantity consumption. Multi-rate watt-hour meter has taken the position of the single-rate watt-hour meter widely. With the development of single-chip technology, the research of electronic watt-hour meter is produced in a huge range. But, the low-price watt-hour meter wh
5、ich runs stably and has strong ability to resist interference still need to be designed.The paper is based on the research of electric energy measurement theory and digital signal processing theory, mainly utilizes chip ADE7755 produced by ADI company to measure power, single chip 89C52 to control t
6、he whole system. The paper finished the design of the single-phase intelligent Multi-rate watt-hour meter. The peripheral hardware adopted module design. Voltage and electricity module converts the high voltage and electricity to low ones that can be measured. The source module provides the whole sy
7、stem stable power. Data storage module, infrared communication module and RS485 module can storage and exchange the power information. LCD module provides users with clear and real-time energy information. Software includes dynamic checking module, power pulse collection module, data storing and exc
8、hanging module, interrupted communication module. Under the control of the single chip 89C52, the whole system can measure the electrical quantity in different periods of time and finishes the data exchanging. Keywords Electronic watt-hour meter; ADE7755; Electric energy measurement; Signal processi
9、ng xxx 大学学士学位论文- III -目录摘要 .Abstract .第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 电子式电能表概述 .11.2.1 电子式电能表发展历史 .11.2.2 电子式电能表的分类 .21.2.3 电子式电能表的特点 .21.3 国内外电子式电能表的发展概况 .31.3.1 国外电子式电能表的发展概况 .31.3.2 国内电子式电能表的发展概况 .41.4 论文研究内容 .5第 2 章 电子式电能表电能计量基础 .62.1 电子式电能表的电能计量原理与方法 .62.1.1 数字乘法器 .62.1.2 有功电能的计量 .82.1.3 无功电能的计量 .82.
10、1.4 最大需量的计算 .92.2 电能参数的测量原理 .102.2.1 电压电流有效值的计算 .102.2.2 功率因素的计算 .102.3 本章小结 .10第 3 章 电子式电能表的硬件设计 .123.1 电能表总体设计方案框图 .123.2 电压电流采样模块 .133.3 电能计量模块 .143.3.1 ADE7755 芯片 .143.3.2 ADE7755 芯片引脚功能 .163.3.3 电能计量电路设计 .183.4 单片机最小应用系统 .193.5 电源模块 .203.5.1 系统电源的工作原理 .203.5.2 系统电源的硬件电路 .213.6 时钟模块 .233.7 数据存储模
11、块 .243.8 RS-485 通信模块 .25xxx 大学学士学位论文- IV -3.9 红外通信模块 .273.9.1 红外通信原理 .273.9.2 红外发射电路 .283.9.3 红外接收电路 .283.10 看门狗电路 .293.11 键盘及显示控制电路 .313.12 本章小结 .32第 4 章 电子式电能表的软件设计 .334.1 主程序 .334.2 动态自检程序 .344.3 电能脉冲采集程序 .354.4 数据存储程序 .364.5 通讯中断子程序 .394.6 本章小结 .41结论 .42致 谢 .43参考文献 .44附录 A .45附录 B .50附录 C .54xxx
12、 大学学士学位论文- 5 -第 1 章 绪论1.1 课题背景在我国目前使用的电能表中，由于产品价格等因素，机械式电能表仍占大部分。据山东省技术监督局 2000 年底对该省机械式电能表进行抽查的结果中看，使用了两年的机械式电能表几乎都达不到计量精度要求，相当比例的电能表计量误差较大。而且机械式电能表功耗较多、体积较大、功能简单，需要人工抄表。这是由机械表的结构原理所决定的。随着我国电力的发展和人们生活中家用电器的普及，用电量日益增大，并月用电的高峰和低谷存在较大的差距；电力系统网络结构日益复杂庞大，用传统的方法已无法实现当代供电和用电管理系统的需要。现代化的供、用电管理方法要求电能表具有分时计价
13、和自动远程抄表等功能。微电子技术、计算机技术和通信技术的高速发展为电子式电能表的迅速进步和日益成熟的提供了强大的技术支撑。近年来我国的城市居民住宅建设发展十分迅速，随之而来楼房所用电能表的数量也日益增多，人们常常简单地将市场上现有的商品化电能表集中挂成一面“表墙” 。当用户较多时，将给使用、维护和管理带来诸多不便。用什么样的电能表更有利于电能计量管理呢。研究表明，从我国目前一个公寓楼房单元通常住有十几户甚至几十户的实际出发，开发和应用集多表位于一体的、多用户多功能组合式新型电子电能表具有重要意义。本课题从一个崭新的角度出发，将微电子技术、计算机技术和通信技术结合运用于实践，把目前分散计量的电能
14、表数据通过单片机进行集中采集处理，研究设计了一种适合我国城镇居民用电计量的多用户单相电子电能表。它由电能专用芯片来测量各用户的电能，采用单片机作为数据处理中心，基本型的多用户电能表可同时实现对多个用户进行电能集中计量与管理，其功能有:电能计量、功率计量、多费率电价计算、数据显示与查询、数据存储、监视与控制和数据传输等。这种电能表由于运用单片机技术在确保电子电能表的测量精度和各项功能齐全的前提下，缩小了整机体积，使每户分摊的成本大大降低。并且这种电能表能够通过低压电力线载波扩频通信接口组成远程自动抄表系统，便于供电部门对居民的用电情况进行实时抄收、数据汇总和监控，为电力部门进行现代化管理提供一种
15、有效的手段。作为配电自动化系统的重要组成部分，在电子式电能表日益成为市场主流的今天，它将有很好的推广应用前景。1.2 电子式电能表概述1.2.1 电子式电能表发展历史 电子式电能表诞生于 20 世纪 40 年代，由欧洲的公司制造。它的诞生得益xxx 大学学士学位论文- 6 -于电子技术的发展。在 20 世纪 80 年代之前，电子式电能表并没有显现出它的巨大生命力和活力，它的应用局限于高精度电能表，标准表和检验装置，其成本也比较高，性能和可靠性并不比机械表优越很多。在 20 世纪 80 年代末、90 年代初，电子技术发展迅速，电子式电能表也取得了飞跃的发展，国外大公司推出了全电子式多功能电能表，
16、如斯伦贝谢、LANDISG、GYR 和美国 GE 公司，但是价格非常昂贵。国内电子式电能表产品是 20 世纪 90 年代出现的。首先是成都曙达公司推出的机电一体式电能表，珠海恒通仪表有限公司在 1993 年率先推出的电子式单相电能表，宁夏宁光仪表有限公司推出了电子式三相有功电能表，湖南威胜电子有限公司也于同年推出了集有功计量和无功计量于一表的电子式三相多功能电能表，填补了国内空白。三家公司作为中国电子式电能表巾场和产品的开拓者，他们的实践和努力为电子式电能表的发展打下了基础。随着国家城乡电网改造工程的开展，国内电子式电能表厂家如雨后春笋不断涌现，无论是高档、高精度三相电能表，还是低档、低精度单
17、相电能表都有大量的、性能优越的产品。电子式电能表在技术上从模拟乘法器到数字乘法器，性能越来越好，设计水平和生产工艺水平不断提高，而价格越来越低，大规模批量生产工艺也非常成熟，已形成了一个非常有活力、欣欣向荣的产业。到2005 年，国内生产厂家已达到 600 多家，极大地满足了市场的需求，这也进一步推动了电子式电能表的市场发展和产品性能的提高。1.2.2 电子式电能表的分类电子式电能表的分类方法很多，根据分类的角度不同，通常有以下几种：1、按规格分类有：单相电子式电能表、三相电子式电能表。2、按接入方式分类有：经互感器接入式电子式电能表、直接接入式电子式电能表。3、按功能分类有：有功电子式电能表
18、、无功电子式电能表、有功无功组合电子式电能表、有功复费率电子式电能表、最大需量电子式电能表、多功能电子式电能表。4、按原理分类有：模拟乘法器型、数字乘法器型等。1.2.3 电子式电能表的特点在短短的十几年时间内，电子式电能表得到如此大的发展，是因为与普通感应式电能表相比，在性能和功能方面有很大的优势。1、功能强大电子式电能表可实现正、反向有功、四象限无功、复费率、预付费、远程抄表等功能。特别是采用 A/D 转换原理的电能表，其功能的扩展十分方便；普通感应式电能表受其结构和原理的限制，要进一步扩展其功能很困难。2、准确度等级高且稳定感应式电能表的准确度等级一般为 0.53 级，并且由于机械磨损，
19、误差很xxx 大学学士学位论文- 7 -容易发生变化；而电子式电能表可方便地利用各种补偿技术轻易地做到较高的准确度等级，一般为 0.11 级，并且误差稳定性很好。3、启动电流小，差动曲线平整。感应式电能表要在 0.3下才能启动并计量；而电子式电能表非常灵敏。在 0.1下就可启动计量。4、频率响应范围宽感应式电能表的频率响应范围一般为 4555Hz；而电子式多功能电能表的频率响应范围为 402000Hz。5、受外磁场影响小感应式电能表是依靠磁场的原理进行计量的，因此外界磁场对表计的影响较大；而电子式多功能电能表主要是通过乘法器进行运算的，受外磁场影响较小。6、过载能力大感应式电能表一般只能过载
20、4 倍；而电子式多功能电能表可过载 610 倍。7、防窃电能力强窃电是我国城乡用电中一个无法回避的现实问题。感应式电能表由于自身的局限，防窃电能力较差；电子式电能表从基本原理上难以实现一定的防窃电功能。8、强大的事件记录功能具有强大的事件记录功能是电子式电能表的又一大特色。电子式电能表采用 CPU 作为管理功能的核心，可以实现大量的事件记录、监控功能，如：失压、失流、过压、过流、编程、开盖、电压合格率等；这些是感应式电能表所缺少的。9、便于安装使用感应式电能表的安装有严格的要求；而电子式电能表采用静止式的计量方式，因此不存在上述问题，加上体积小、重量轻，便于使用。表 1-1 列出了两种电能表的
21、性能比较。表 1-1 感应式电能表与电子式电能表的性能比较类别 感应式电能表 电子式电能表准确度（级别） 0.52.0 0.012.0频率范围（Hz ） 4555 402000启动电流 0.003 bI0.001 bI外磁场影响 大 小1.3 国内外电子式电能表的发展概况1.3.1 国外电子式电能表的发展概况1、电力工业发展初期曾用电解化学原理电能表计量收费，1890 年，发明了感应式电磁原理电能表沿用至今已有 100 多年。随着电费制度的发展，提出分时计量、需量计量预付费等要求，特别是 19 世纪 70 年代以来各国酝酿发展xxx 大学学士学位论文- 8 -电力市场又提出实时电价、负荷曲线计
22、量、双工通讯、远方采集数据、记录负荷曲线和电能质量、控制负荷以及费率编程等要求，原来的感应式电能表虽经多方面改进扩充，已很难满足电力市场日益发展的功能和要求。2、20 世纪中叶，开始随着微电子和信息产业的发展，新技术有力的支持电能表的革新，先是有高精度电子式标准电能表的出现满足了校验技术要求，继而 70 年代已开始商业化应用电子式电能表于大工业用户电能计量。3、国外家用计费用电子式电能表出现于 1983 年，到 1988 年已实用化。如英国在 Felixs-towe 的一个电能表厂 19851988 年间已累计生产单相电子式电能表 183 万只，供英国的 15 个配电公司，占有市场份额 40%
23、，且年返修率仅0.1%。4、世纪之交，电力市场改革浪潮遍及全球，各国电力公司都认识到市场竞争的核心是表计。特别是用户选择供应商和实时电价，要求表计有灵活、可靠的双向通讯功能和不同制造商生产表计在电力市场技术支持系统中的兼容性，因而提出了标准化和兼容性问题。在欧洲著名表厂创导下成立了 DLMS(计量部件描述语言消息规范)用户协会，DLMS 已构成 IEC 有关表计规约标准的基础。北美也以 ANSI 为基础实施标准化。因为现有系统中已运行着众多制造厂不同年代制造的表计，故美国 Itron 公司于 1986 年推出能兼容 100 多制造厂表计规约的 MV-90 表计数据采集编译系统，广泛应用于北美和
24、世界各地电力市场，起了较大作用。5、国际上电子式电能表经过 50 多年发展，开始都是基于模拟量乘法器原理的，在历史上曾有过多种原理线路，后来演变为时分割(Time di-vision)和霍尔效应(Hall effect)两种乘法器。美国 Govzelnik 对这两种乘法器的特点曾作比较。到目前标准电子式电能表和安装式计费电子式电能表中较多用时分割乘法器于0.2 级表计，而霍尔乘法器只用于 0.5 级及以下安装式计费电能表。由于数字技术的迅速发展，目前已有趋势全部更新为 A/D 转换，计算机处理方法，这样也更有利于实施负荷控制、记录电能质量、负荷曲线、发展表计的通信功能和确保高准确度。1.3.2
25、 国内电子式电能表的发展概况1、我国 20 世纪 70 年代开始用电子式标准电能表，先是进口后来到 8090年代国内已能商业化生产 0.05%级电子式标准电能表，也已研制出更高准确度等级的标准电能表。2、计费用电子式电能表在我国应用和制造发展都很快，从 20 世纪 90 年代开始到现在已大量使用只花了十多年就为广大电力公用企业接受。3、随着电力市场化改革的不断深入，我国网、省电网各级关口表在各级电能计量数据采集系统建设，大部分已更新为电子式电能表。且均为进口表计，总数近万只，运行情况较好。MV-90 多开发商表计数据采集、编译系统也已在运行中表现其良好兼容性。4、各地在普及实施分时电价的过程中
26、，大用户(大于 100kW)电能表大部分xxx 大学学士学位论文- 9 -更新机械电子式电能表，也有不少省局直接采用进口的 0.5 级电子式电能表，总计已达数万只。国产 0.5 级电子式电能表也开始在部分地区实用。5、1993 年由国内厂商试制成功单相电子式电能表后，1994 年起在华东试用 2000 只，第一年故障率小于 1%。这批表至今已连续运行 6 年以上，基层用电管理部门欢迎，因而装用量增长很快。单相电子式电能表的专用芯片据报道1998 年全国产量 500 万片，而 2000 年新一代芯片 ADE7755 在中国销量超过1000 万片。由此可以推论 19982000 年每年单相电子表产
27、量均有数百万台。仅江苏、浙江两省不完全统计，单相电子式电能表装用量均大于 100 万台。以此可以推论全国装用量应不少于数百万台。单相电子式预付费用卡电能表也有相当大装用量。1.4 论文研究内容本课题主要完成三个方面的内容：1、设计一种全数字低功耗多功能复费率的电度表，计量和控制精度高，功耗低，稳定性好，工作可靠，能够实现电量分时计量计费，具有通讯接口实现远程抄表等功能，当掉电时能够将重要信息保存起来。2、通过硬件的设计使电能表完成比较准确的电能计量，使电表在环境恶劣的情况下具有一定抗干扰能力。3、通过软件设计能够使电能表运行稳定，可靠，同时具有一定的智能纠错功能。xxx 大学学士学位论文- 1
28、0 -第 2 章 电子式电能表电能计量基础电能的测量方式有电解式、感应式、电子式，目前在实际应用中最常用的为感应式和电子式两种。以下对电子式电能表工作原理进行介绍，并介绍基于-A /D 转换器的数字乘法器的工作原理以及基本电能量的计量原理和电能参数的计算方法。2.1 电子式电能表的电能计量原理与方法电子式电能表中起主要作用的是电能测量单元，其作用是将输入电压与电流变换成与功率成一定比例关系的脉冲信号，送至分频和计数 8。它是电子式电能表的关键，其测量精度直接决定电能表的精度和准确度。电子式电能表的电能测量单元种类繁多，其中乘法器是该单元的核心组成部分。乘法器的类型决定了电子式电能表电能测量单元
29、的结构。由此大体可分为以模拟乘法器为核心和以数字乘法器为核心两类。模拟乘法器的又分为热电转换型、霍尔效应型、时分割型等；数字乘法器则以微处理器为核心的高精度 A/D 型为代表。初期的电子式电能表以时分割型为主的较多，目前的电子式电能表则以数字乘法器为主。本文主要介绍数字乘法器原理，在此基础上本节还将对基本电能量的计量原理进行阐述。2.1.1 数字乘法器数字乘法器型电子式电能表是以微处理器为核心，将经过采样网络变换的被测电压和电流信号由 A/D 转换器完成数字化处理，然后微处理器对数字化的被测对象进行各种判断、处理和运算，从而可实现多种功能。利用作图法可求得一个周期内各采样点的功率，图 2-1 为分时采样与采样点功率。从图 2-1 可以看到各采样点功率 为 ()kpt(21)()kAtui一个周期 T 内平均功率 为p= 1 1().().()AkAnutititi= (22) 1()nkk即各采样点功率 为 ()pt(23)()()kAkptuti则一周期内平均功率 为= (24) 1nkkti令 ，则一个周期内的电能 为1ktTW
