1、 信息技术课程设计报告 （ 2011/2012 学年第一学期） 实验名称： 基于网络的分时段电能表 实 时 数 据监控系统设计 指导教师： 高 X X 班级学号： B080510XX 学生姓名： 王 X X 学 院： 自 动 化 专 业： 电气信息工程 第 1 页 基于网络的分时段电能 表 实时数据监控系统 设计 1、 课程设计目的 1) 进一步融合大学期间所学的理论知识和实践技能； 2) 提高 学生问题分析能力和实际操作能力； 3) 通过完成一个较完整的简单课题，对实际的系统设计与实现有一个初步的认识。 2、课题内容 应用基于计算机的实时监控技术，采用 包括单片机、数码显示、按键模块、 电能
2、表模块、控制管理模块 等相关组件，实现数字 式 电 能 表 的 监控系统设计。 3、要求及技术指标 （ 1）基于单片机、计算机设计一个数字 式 电 能 表信息 监测 系统 ，监控 中心可以和 数字式电表实时 双向 通信 。 （ 2）每个 电能表能够进行 数据采集 并计算实时功率和电能度数，并能够显示实时功率和电能度数。 （ 3）电能表接收监控中心的计费费率，计算出总的电 费，并保存明细。 （ 4）电度表把实时功率和电能度数等数据送到监测中心，并在计算机屏幕上显示。 （ 5）监控中心 的计算机 对实时 传来的功率和电能度数 进行数据处理，根据 相 应的决策算法 （比如分时段计费，分为波峰和波谷不
3、同电价） 控制 电能表的 计费费率 ，并发送给电度表。 4、成果验收形式 验收形式包括： （ 1） 数字式 电 能 表系统的设计及相关说明； （ 2）监控中心 的 决策算法软件， 单片机中的 采集及 计算 单元 等 C语言或者汇编语言 软件； （ 3）实物验收 ，测量精度不大于 2%。 （ 4）如果没有完成，则按各功能模块电路的完成情况给分。电流信 号幅度电路 和 电压 电流 信号 相位 调理电路 是主要的验收点。 5、 系统设计方案 5.1 整体 方案 设计 5 1 1 整体方案 整体方案包括 单片机、数码显示、按键模块、 电能表模块、 控制管理 等模块。 第 2 页 单 片 机 （ 功 率
4、 和电 能 度 数 计 算及 电 费 计 算 ）时 钟 电 路键 盘 及 显 示电 路电 压 信 号 捕获通 信 模 块监 控 调 度 中 心（ 功 率 和 电 能 度数 显 示 及 费 率 信息 发 送 等 ）电 流 信 号 捕获电 压 信 号 幅度 调 理电 流 信 号 幅度 调 理电 压 信 号 相位 调 理电 流 信 号 相位 调 理电 源 电 路系统功能框图 电能表模块 包括 ：电压信号捕获、电流信号捕获、电压信号幅度调理、电流信号幅度调理、电压信号的相位调理、电流信号的相位调理。 电压信号捕获和电流信号捕获：采用电流互感器与精密电阻网络组成调理电路，将电压和电流转换为芯片可以就收的
5、电压信号。该方案设计简单，精度 高，实现与电网的隔离，保证了安全。 电压信号幅度调理：由电压信号捕获得到的信号是工频 50Hz 的小信号，峰值大概为 2V，通过 一个接近理想的二极管整流电路，得到信号的有效值。理论上讲如果系统中有 AD 模块，就可以直接采样，得到数字形式的有效值。在本设计中，不采用 AD 转换的方式，而采用 V-F（电压到频率）的变换电路，把表示有效值的电压转换为一定频率的方波信号，然后再送给单片机的 IO 脚进行处理。单片机中软件实现计数就可以知道这个频率，然后就可以计算出 表示 有效值的电压了。 电流信号的幅度调理：原理同电压信号幅度调理。 电压信号的相位调理：由电压信号
6、捕获得到的信号是工频 50Hz 的小信号经过一个过零检测器，得到一个 50Hz 占空比为 50%的方波，此方波送给单片机的 IO 脚，做进一步处理。 电流信号的相位调理：同电压信号的相位调理； 单片机中的软件模块实现读取电压信号幅度调理部分电路的频率信号输出，得到电压的有效值；同理得到电流信号的有效值。同时，读取电压和电流相位信号的信息。根据这四个第 3 页 值，计算得到 功率值，然后再计算电能。 显示模块，实现功率和电能的显示，功率的单位为瓦，电能的单位为千瓦时。 控制管理模块在计算机中的软件来实现 ， 单 片机和计算机之间的通信采用 RS232C 的方式。 5 1 2 本次课程设计的 系统
7、框图 单 片 机 （ 功 率 和电 能 度 数 计 算及 电 费 计 算 ）时 钟 电 路键 盘 及 显 示电 路信 号 发 生 器通 信 模 块监 控 调 度 中 心（ 功 率 和 电 能 度数 显 示 及 费 率 信息 发 送 等 ）信 号 发 生 器电 流 信 号 幅度 调 理电 压 信 号 相位 调 理电 流 信 号 相位 调 理电 源 电 路由于电压信号幅度调理和电流信号幅度电路基本一样，本次课程设计只做电流信号幅度调理即可。 电压和电流捕获电路使用信号发生器来代替。 5.2 各部分的电路及相关波形 5.2.1 负载 电压信号和 负载 电流信号捕获 负载电压信号捕获的功能是获得电网高
8、压（所谓高压，相对于几伏特的小信号而言的，单相有效值 220V 左右）的数值，主要的方案有两种。 第 4 页 负载 电压信号和 负载 电流 信号捕获 电路 方案一： 采用电阻网络分压、分流的方式将大电压、大电流转换成小的电压信号，该方案电路复杂，难于调试，精度低，且不能实现与电网的隔离。 方案二：采用电流互感器与精密电阻网络组成调理电路 ， 将电压和电 流转换为利于处理的小电压信号。该方案设计简单，精度高，且实现了与电网的隔离 。 上面的图中给出的就是方案二的实现。图中的 T1和 T2是电流型互感器。 第 5 页 负载 电压信号捕获 电压信号捕获，红表示 A_L 和 A_N 之间的电压，黄表示
9、 A_1 和 A_2 之间的电压。 第 6 页 电压信号捕获，粉红表示 A_3 和 A_4 之间 的电压，绿表示 A_5 和地之间的电压。 负载 电流信号捕获 第 7 页 电流信号捕获，红表示 A_L 和 A_N 之间的电压，黄表示 B_1 和 B_2 之间的电压，注意坐标刻度。 电流信号捕获，红表示 B_3 和 B_4 之间的电压，黄表示 B_5 和地之间的电压。第 8 页 5.2.2 电流 信号幅度 和相位 调理电路及各部分波形 电流信号幅度调理电路的目的是把正弦波信号转换为单片机容易读取的数字式方波信号。在电流信号捕获电路的输出端得到 50Hz 的正弦信号，已经调整好参数使得峰值 1A
10、正弦电流信号对应峰值 1V 的正弦电压信号。 对这个信号进行整 流变换为表示有效值的直流电压信号，到这里如果采用 AD，就可以直接采样这个信号就可以了，本设计中不采用这种方式，而是接着把此表示有效值的直流电压信号变换为一个频率信号，其实就是压控震荡器。单片机的普通 IO 脚既可以读取，利用单片机中的软件即可以算出直流电压信号的大小了，也即知道了负载电流信号的电流有效值。 电流信号幅度调理电路由全波整流滤波电路、压控震荡电路、比较器电路组成。其中全波整流滤波电路中包含有一个理想二极管电路，由二极管和运放组成。对于一个正弦信号，首先是半波整流，然后放大 2 倍和原始信号相加即可以实现 全波整流了，
11、接上电容后变成为直流电压信号，具体电路波形如下。 第 9 页 红色为 A 点，黄色为 B 点，即取半波。 第 10 页 全波整流电路 +滤波 红为 A 点，粉红为 B 点，黄为 C 点（即是有效值（近似） 第 11 页 不接电容 注意 Y 轴的偏移 第 12 页 压控震荡电路 红色为 C 点，黄色为 D 点波形 （ D 点的波形不能够被单片机使用 ） 第 13 页 于是加入了比较器，把这个方波变为 TTL 电平的形式，如下图所示 黄色为 D 点波形，红色为 E 点波形（注意 Y 向的偏移），从图上可以看出方波的周期为5.606ms，而此时的电流信号峰值为 2.5V， 进而，表示 2.5A，所以
12、可据此确定方波的周期和负载电流之间的关系。 第 14 页 5.2.3 电流信号的相位调理 负载电流信号的相位调理的目的是确定负载电流信号的相位，提供给单片机。由于负载电流信号的过零点包含了信号的相位信息，故可以使用过零检测比较器电路来实现。 红色为 A 点波形，黄色为 G 点波形，此波形送给单片机处理得到相位信息。 第 15 页 5 2 4 电压信号幅度的调理 电压信号幅度的调理和电流信号幅度的调理原理相同，电路也相同，由于时间的关系，本次毕设只要实现电流信号幅度的调理功能。在计算功率时默认采用 220V 的有 效值。 5 2 5电压信号相位的调理 电路和电流信号相位调理相同。 5 2 6 单
13、片机小系统和通信模块（采用 RS232） 下图是一个 C51 单片机小系统的原理图（和实验中心的小系统不一样，这里只是起到示意作用）。 用于 工业控制的 RS-232 口一般只使用 RXD（收）、 TXD（发）、 GND（地）三条线。注意 DB-9 连接器有公头母头之分，一般 PC 机配有公头。 公头的 3 脚是发， 2 脚是收， 5 脚是公共地线。 单片机中集成有串口收发模块，有两个信号线引出，分别是 TXD 和 RXD，是 5V 的 TTL电平，这两个信号要通过 MAX202CPE（或其他的类似的芯片）转换成 RS232 的电平。 RS232 其实规定了协议规程，电气规程和物理接头等的标准
14、 。在嵌入式单片机中，一般都集成有串口收发的功能，都提供基本的 TTL 电平的 RXD 和 TXD 引脚，不过这个引脚的信号不能直接连到 DB9 插头的相关的脚上，而要使用 TTL 电平到 RS232 电平转换芯片，使标准 TTL电平转为大概 12V 至 12V 的电平，芯片可以使用 MAX202CPE。由单片机加 MAX202CPE，组成的系统就可以和一般的 PC 机进行通信了，不过这个距离不可以太远，一般几米。 控制部分 和计 算部分 由 51 单片机的最小系统来担当，此最小系统具有基本的程序存储器、数据存储器、数个 IO 口等。程序的写入由专用的烧写器或直接通过串口来完成。单片机第 16
15、 页 的开发软件使用 KEIL 的开发工具 Keil51。编程语言使用 C 语言，使学生能专注于问题的解决，而不是工具本身。 5.2.7显示部分电路设计 显示模块由四个 7 段码 LED 构成，可以使用驱动芯片，也可以直接使用单片机的 IO 口来驱动。两个发光二极管用来显示收发的状态，当有数据收到或发送时，相应的发光二极管要随着闪烁。 对于发光二极管显示， 为了获得较好的显示效果和保护发光二极 管，故将发光二极管的正极统一接 1k 的上拉电阻，负极接到单片机 I/O 管脚的 P0 或者 P2 口 。 对于数码管显示部分，四个片选信号可以直接接到单片机 的 I/O 端口， 对单片机 I/O 进行
16、读写就可以控制数码管的显示。 需要 测试，四位数码管为共阴极 还是共阳极 。 为了方便，可以将 I/O 端口输出的十进制 BCD 码进行译码，选用 BCD 译码芯片 74LS248，将译码芯片的输出作为数码管的的数据输入。 5.2.8输入部分电路设 计 拨码开关的一端接到单片机的 IO 口， 另一端接地， 本设计中将 对应 I/O 端口接了 1k 上拉电阻，为了 减轻 拨 动所带来的影响，在 相应 两端并上一个电容。 5.2.9电源转换电路 实验中提供的电源是 9V 电压， 而我们的系统中使用 +5V 和 -5V 的电源，可以使用 7805和 7905 来产生。 +5V 电源电路如下， -5V
17、 电源电路类似。 第 17 页 6 电路图 6 1 整体电路图 综合前面各个模块的电路， 需要绘制 整个系统的电路图 。 6.2 元件明细表 元 件 数量 备 注 74LS06 1 集电极开路反向器 74LS248 1 BCD7 段译码器 7805 1 9V 变换为 +5V 电源 7905 1 9V 变换为 -5V 电源 STC89C51 1 STC 单片机 DIP40 封装 CPU 插座 1 DIP40 插座 TL084CN 1 运放， DIP14 封装 LM339N 2 比较器， DIP14 封装 1N4148 4 二极管 2N5551 1 NPN 三极管 220u 电解 电容 2 耐压
18、16V 以上 16u 电解电容 2 耐压 16V 以上 100 nF 电容 8 独石电容 1 uF 电容 8 独石电 容 10 nF 电容 10 独石电容 10u 2 钽电容 1K*8 排阻 2 1 K 欧姆电阻 8 4.7k 2 5.1k 4 第 18 页 10 k 38 20k 2 220k 4 3k 2 10M 2 发光二极管 2 红色 发光二极管 2 绿色 数码管 1 4 位 拨码 开关 1 DIP8 工 具 数量 备 注 面包板 1 剪刀 1 剥线钳 1 镊子 1 起子 1 元件盒 1 公 用 部 分 数量 备 注 串口线 1 电源线 1 鳄鱼夹线 4 直流 电源 1 51 单片机最
19、小系统板 1 计算机 1 软件： KeilC 701 测试仪表： 数量 备 注 万用表、示波器等 1 信号发生器 2 双路输出，幅度、频率、相位可调 7、 软件设计 程序清单 ： #include #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char uint sum; float dianliu; sbit s2=P11;/当 s2=0,显示的是电压 sbit s4=P12;/当 s3=0,显示的是电流 sbit s5=P13;/当 s4=0,显示的是功率 第 19 页 sbit PP=P33;/电流相位输入端 /数码管
20、的位选控制角 sbit cs1=P00; sbit cs2=P01; sbit cs3=P02; sbit cs4=P03; sbit dp=P06;/数码管的小数点 void delay(uint z)/延迟 z ms uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-); void display_dianya() /数码管显示 220.0V 电压值 dp=0; cs1=0; P0=0x02; delay(10); cs1=1; cs2=0; P0=0x02; delay(10); cs2=1; dp=1; cs3=0; P0=0x00; delay(10);
21、 cs3=1; dp=0; cs4=0; P0=0x00; delay(10); cs4=1; /电流实现函数，先取整数，在取小数 void display_dianliu() uint a,b,c; uint qu_zheng,xsqu_zheng; uint dl_ge,dl_shi,dl_xsge,dl_xsshi;/整数部分十位，个位 float dl_xiaoshu,dl_xsqz; CY=0; 第 20 页 /*for(i=0;i1; a=CY; b=a*pow(2,i); sum+=b; */ dianliu=(TH1*2.5)/11.202; qu_zheng=dianliu;
22、 dl_xiaoshu=dianliu-qu_zheng; dl_xsqz=dl_xiaoshu*100;/小数乘以一百，分别取小数的十位，个位 xsqu_zheng=dl_xsqz;/取乘以一百后的两位整数 dl_xsshi=xsqu_zheng/10; dl_xsge=xsqu_zheng%10; dl_shi=qu_zheng/10; dl_ge=qu_zheng%10; if(dl_shi=0) cs1=1; else cs1=0; /整数第一位显示 P0=0x00+dl_shi; delay(10); cs1=1; dp=1; /整数第二位显示 cs2=0; P0=0x00+dl_g
23、e; delay(10); cs2=1; dp=0; cs3=0; /小数第一位显示 P0=0x00+dl_xsshi; delay(10); cs3=1; cs4=0; /小数第二位显示 P0=0x00+dl_xsge; delay(10); cs4=1; void display_gonglv() /功率的计算 float gong_lv,gl_xiaoshu,gl_xsqz; uint glqu_zheng,glxsqu_zheng,gl_bai,gl_shi,gl_ge,gl_xsshi; 第 21 页 dianliu=(TH1*2.5)/11.202; gong_lv=220*dia
24、nliu*cos(1.1); glqu_zheng=gong_lv; gl_xiaoshu=gong_lv-glqu_zheng; gl_xsqz=gl_xiaoshu*10;/小数乘以 shi，取小数的个位 glxsqu_zheng=gl_xsqz;/取乘以一百后的两位整数 gl_xsshi=glxsqu_zheng/10; /gl_xsge=glxsqu_zheng%10; gl_bai=glqu_zheng/100; gl_shi=glqu_zheng%100/10; gl_ge=glqu_zheng%10; if(gl_bai=0) cs1=1; else cs1=0; /整数第一位显
25、示 P0=0x00+gl_bai; delay(10); cs1=1; /整数第二位显示 cs2=0; P0=0x00+gl_shi; delay(10); cs2=1; dp=1; cs3=0; /小数第一位显示 P0=0x00+gl_ge; delay(10); cs3=1; dp=0; cs4=0; /小数第二位显示 P0=0x00+gl_xsshi; delay(10); cs4=1; void init () sum=0;/方波的十进制数 P0=0x00; TMOD = 0x10; EA=1; /全局中断开 EX1=1; /外部中断 1开 IT1=1; /边沿触发， IT1=0表示电
26、平触发 第 22 页 TR1=0; /T1定时器关闭 TL1=0; TH1=0; void main () init(); while(1) if(s2=0 if(s2=1 if(s2=1 void xiangwei() interrupt 2 delay(20); if(PP=0) TR1=TR1; if(TR1=0) display_dianliu(); TL1=0; TH1=0; 8、 测试用仪表 万用表、直流电压源 、 信号发生器 （双通道，幅度和相位可调） 、 示波器等 9、 测试方法及 实现情况 9.1 显示电路测试 首先测试数码管显示电路， 四位数码管 是 动态 扫描显示 的 ，
27、 由前面可知，片选信号是低电平有效，且同一时刻只能有一个片选信号有效。测试程序将循环显示从 0 到 9 的数字。经反复调试，数码管的显示正确。 第 23 页 接下来测试 二 个发光二极管。 由前面可知， 单片机 I/O 管脚输出到发光二极管的信号是低电平有效。测试程序实现一个简单的跑马灯功能，循环顺序点亮发光二极管。 拨码开关 测试，当检测到相关 I/O 管脚的电平值为低电平时，就执行相关的程序段。本测试用例在 前面发光二极管正确显示的基础上，当 检测到 P1.？ 和 P1.？ 口为低电平时， 就分别将 红灯点亮和将 绿 灯点亮。 9.2 电 流 信号幅度调理电路的 测试 通过前面对 各 个单
28、元电路的测试， 在面包板上得到正确的电路，就可以用前面软件设计部分的程 序和硬件电路一起调试 ，不断的修改程序，反复的测试，最后得到较好的结果。 9.3 电压信号 和电流 相位调理电路的测试 10、思考题 10.1 什么是有功功率，什么是无功功率？ 答： 有功功率： 一个周期内瞬时功率的积分平均值。对于正弦电压及电流，复功率的实部即有功功率：。对于非正弦周期电压及电流，有功功率是直流分量功率及基波和谐波有功功率之总和。 10.2 目前方案的测试精度怎样，如何提高测试的精度？ 答： 目前方案的测试精度在 2%左右，基本符合要求，稍有偏高。 1可以换用 16 位 AD 对有效值进行采样。 2放 大器和比较器使用速度较快性能较好的。 3用 51 单 片机定时器加外部中断，来采集方波的频率，如果加大定时器的周期，可以提高精度，但是采集速率会变慢。
