电能表毕业设计.docx

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电能表毕业设计

毕业设计（论文）

题目：

单相电子式电能表的设计

系别：

电气工程系

专业：

电子电气专业

班级：

学生姓名：

指导老师：

完成时间：

毕业设计（论文）任务书

班级

学生姓名

指导老师

设计（论文）题目

单相电子式电能表的设计

主要

研究

内容

主要研究单相电子式电能表的工作原理及设计方法，通过对电能

芯片及其他元器件的合理选择，对电子式电能表进行硬件和软件的设计，设计出一款经济型的电子式单相电能表。

主要技

术指标

或研究

目标

1.输入电网额定电压：

220V

2.输入额定电流；20A

3.精度：

1级

4.检测电网侧电压频率，并实时显示，精度0.1Hz

5.测量并实时显示电功率

基本

要求

1）根据设计要求进行方案设计。

2）电能芯片、单片机及其他元器件的选择和功能介绍。

3）单片机应用系统电路和相应检测电路、显示电路的设计。

4）绘制电路原理图。

5）编写程序框图。

摘要

传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数，在读数过程中不可避免的会引入人为的测量误差。

为了解决这一问题，电能表作为一种新型的计量产品由此应运而生。

本设计介绍了美国AD公司推出的电子式电能表专用芯片ADE7753的特点、控制方式、与输入信号微控制器的接口及其在电测仪表中的应用。

本文采用电能芯片ADE7753和单片机AT89S52以及外围电路共同组成硬件系统,硬件设计突出重点的就是计量功能和抗干扰功能两部分。

测量部分输入电压、电流经过电压分压网络和电流互感器，再通过滤波，转化成符合ADE7753芯片要求的输入信号，再经过芯片内部对电压和电流进行A/D转换、数字运算和能量累加，从而得到有功电能、无功电能、电压、电流有效值和频率值的原始寄存器值。

本系统选用高性价比的微控制器89S52，完成各种参数的计算、通信命令处理和控制功能，将电能值送入数码管显示出来。

软件部分采用片内WDT控制,通过软件，定时清WDT监视定时器的值，当出现“死循环”或程序“跑飞”现象时，WDT监视定时器内的值计满溢出，从而强迫程序复位，从头开始。

关键词：

电子式电能ADE7753单片机AT89S52

1.引言

目前，我国电度表生产企业有几百家之多，生产能力约为1.9亿台，年产电表近8000万台。

但随着城乡电网改造高潮的过去，全国一户一表工程的基本实现，电度表市场形势发生了根本变化，市场销量比前两年已有下降，销售高峰期已转入销售平稳期，市场竞争更为激烈。

.近年来全国用电缺口的急剧扩大，国家发展和改革委员会决定全面推行峰谷分时电价和避峰电价，鼓励用户合理移峰用电。

这一政策的出台，带动了各地供电部门对复费率、多功能电表的需求快速上升。

随着国内用电量的持续增长，众多的地区出现了不同程度的用电紧张，国家电力局也适时推出了分时记费的电价标准。

1.1数字仪表的发展趋势

传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数，在读数过程中不可避免的会引入人为的测量误差。

为了解决这一问题，电能表作为一种新型的计量产品由此应运而生。

其型号比较多样，从普通的单相电能表到复费率，预付费，三相485到电能表功能复杂的终极的多功能电能表，功能从单纯的计量到与时间复合与费率结合到无功计算计量，其所具备的功能也是与日增加。

然而多功能电表的电路往往比普通电能表的电路更为复杂，元器件也比较多，调试生产程序较多，质量保证更为困难。

因此，电表的技术方案选型至关重要。

采用计量芯片ADE7753的电子式电能表，具有结构合理，性能可靠，高精度、低功耗、抗谐波、防窃电、体积小、重量轻等优点。

单相电子式电能表引入了时间的参照，已经不可能由我们单纯的通过一些具体的硬件电路实现其分时计量的功能，为此要在原来简单的电子式计量模块的基础上进行拓展，拓展时钟电路，拓展显示模块，拓展CPU以及一些与具体的要求相对应的通讯模块：

485通讯，红外通讯，载波通讯以及无线GPRS通讯模块，构成各个时基电路，控制电路与通讯电路，引入时基电路的目的很明确，为每一次电量累计提供时基参照，以确定电价系数，而引入CPU则是建立一座时间与电量的桥梁，并提供智能化的操作与控制，CPU是单相电子式电能表的一个核心枢纽，电能表的各个量变参数汇聚到CPU进行进行各种复合的运算，最终得到一些和电量相关的加权参数，以供电力部门调查取用，其间牵涉到的数据量的大小取决于用户对电能表功能的要求，我们可以拓展存储功能的模块进行优化存储算法，作为电力计量类的产品，电子式电能表要求其在十年内出现故障的概率为万分之三，为此在对电能表进行功能设计的同时，还必须着重考虑电能表的数据安全性与稳定性，而要达到这两个方面，则必须在硬件设计和软件优化两个方面都要进行具体细致的考虑，并需要比较长时间的现场测试与调整。

电力部门对时钟精度的要求误差标准在±5PPM的范围之内，也就是一天的累计日误差在±0.5秒之内，时钟一般在晶振的基础上进行运行，普通的的晶振误差在±20PPM，达不到我们的所需要求，因此必须选用高精度的晶振作为时钟的基准源，除此之外，由于温度的变化会影响到晶振频率的变化，从而引起时钟精度的变化，因此，我们还要加入温度芯片进行实时校正补偿，依此来达到精度所要求的范围。

电能表本身除去计量存储的功能外，还在不同的程度上具备一些通讯功能：

红外通讯、串行通讯等。

在电能表应用设计中串行通讯供485抄读，直接供给PC机，而红外通讯则是借助红外掌上机为媒介，将众多数据通过红外掌上机传送至PC机，利于配电分步集中管理。

更进一步，在电能表中引入载波模块，即可实现对电能表的远程抄表与远程控制，这里的载波是电力载波，是在电力线的电能传输过程中加载在我们的控制信号或者数据信号，通过调制和解调的办法滤取信息，这种载波形式应用于电能表领域的，考虑起数据传输的安全性，所以滤取信号或者加载信号总在交流的跨零点的时刻加载信号，这样防止了交流干扰信号对于载波信号的叠加，只是传送的速率会相对的慢一些，但载波通讯可以随时对电能表进行远程的抄控，其实时性也就弥补了速率方面的不足；另外，随着科技的发展，一些更先进的功能模块也会逐渐引入电能表进行通讯，如GPRS。

总之，作为一种计量产品，单相电子式电能表从功能结构单一到功能强大、结构复杂，也是国家电力部门推行电力现代化的一个必然的趋势；其表型繁多，从单相到三相、从静止到复费率、预付费到多功能电能表、再外扩诸多的功能块、配合集抄系统，最终要达到电力集中抄表的自动化。

电能表的设计与研究开发，也应该始终站在科技的前沿，掌握信息，任重道远。

1.2主要技术指标

1．输入电网额定电压：

220V

2．输入额定电流：

20A

3．精度：

1级

4．检测电网侧电压频率，并实时显示，精度0.1Hz

5．测量并实时显示电功率

2．硬件系统设计

电能表硬件设计突出重点的就是计量功能和抗干扰功能两部分，电能表一般分为二级表、一级表和0.5级表，是对其测量误差精度的要求，计量部分的设计是电能表的设计中比较关键的部分。

本文采用电能芯片ADE7753和单片机AT89S52以及外围电路共同组成硬件系统。

其原理框图如图一所示：

图一

2.1工作原理

电压、电流经过电压分压网络和电流互感器，再通过滤波，转化成符合ADE7753芯片要求的输入信号，再经过芯片内部对电压和电流进行A/D转换、数字运算和能量累加，从而得到有功电能、无功电能、电压、电流有效值和频率值的原始寄存器值。

采用外部中断读取这些数值，ZX与INT1相连，当过零时进行中断，这些值通过SPI接口传送到微控制器中，微控制器再进行计算，最后通过LED显示出来。

另外，微控制器也可以把测量的值通过串口把数据传到微机中，便于人们保存分析，这一点可以使人机对话功能大大增强。

本系统选用高性价比的微控制器89S52，完成各种参数的计算、通信命令处理和控制功能,89S52内部集成了8KB的ROM，程序存储能满足系统的需求，因而不需要外部扩展ROM。

芯片X25045作为看门狗设置，加强系统的抗干扰性能,2片74LS145芯片驱动16路发光二极管（LED）。

2.2各部分电路设计

设计分成模块：

输入部分、数据采集模块、数据处理模块、显示模块。

应用芯片：

ADE7753，89S52，74HC245，74LS145。

数据采集模块采用芯片ADE7753，数据处理模块以89S52单片机为核心对采集信号进行精确控制和严格计算。

2.2.1电压采样

电压采样的方法是一般我们通过电阻电容相结合来分压得到小电压，即通常我们所说的阻容降压，在生产工艺当中所谓的校表既是通过调节电阻电容的综合给值来校正电表的计量误差，当然在一部分电能表中也可以通过变压器来获取小电压，用变压器的目的也不仅局限于取小电压，还要依靠CPU以及其它芯片提供基准直流电源。

电阻的给值一般是成倍数递增的，电阻对误差的影响从1/2，1/4，1/8…….逐步递减，最终可以达到满足要求的误差，因为误差的调节是成线形的关系，所以这种调节的办法会比较简单。

如图二所示:

图二

2.2.2电流采样

电流的采样是通过并联电流分流的原理将电流进行采样取值，电能表中的电流采样器件是锰铜分流器，其电阻阻值很小，所以其能分担比较大的电流，仅有小部分通过分流引入采样，但是由于众多锰铜分流器的分流参数具有一定的离散性，所以最终达到功率测量的稳定性，必须通过P=UI这一公式来进行相应的调整。

如图三所示：

图三

通过电压与电流的采样我们得到的功率值就是达到我们要求的在误差精度范围的功率值，电压电流的模拟信号经过采样以后经过A/D转换，进入乘法器进行相应的乘法运算，最终达到一定的功率数字值，这种数字值再与某些具体的频率相结合，最终以脉冲的形式输出电量脉冲，这种输出的电量脉冲频率与功率大小成正比例关系：

功率越大，输出的脉冲频率越高，一定量的脉冲累加就形成电能的数字化信息，通过这种数模转换的方式达到由原始电压电流到电能计量的转换。

2.2.3功率的计算

相对于有功，无功功率的计算，通过电工学的基本常识我们知道：

无功功率

，由这个算式可以看出，我们所需要测量的一个重要的因素就是功率的相位角，实现功率因数的测量的方法，可以通过高频的脉冲来计量电压与电流之间的起始的时间的脉冲差，再通过相应的数值运算换算出功率因数相位角，如

图四所示：

图四

电压电流的相差脉冲（M）/电压电流的一周期的脉冲（N）*2π=相位角θ，它是多功能电能表进行无功计算必须具备的一个重要的参量。

一般电能表通过计量模块转化成脉冲后，接其脉冲输入端至计度器，计度器按照一定的比例步进，产生电量数据，这是最简单的电子式电能表，其功能单一，硬件设计结构也比较的简单。

2.2.4电源设计

单相表一般只含有一个基本的计量单元，一个发光二极管和脉冲输出口等，整机耗电一般不超过50mW，采用低成本的串联阻容降压电路即可满足整个电度表的供电需求，有的计量IC只需要单一＋5V电源供电，如ADE7753等，如图五所示：

图五

2.2.5显示电路的设计

本电路采用六个数码块实现对功率的显示，对于频率的显示只需要三块，通过译码器74LS145来驱动数码管。

电路如图六所示：

图六

2．3芯片功能介绍

2.3.1数字电能芯片ADE7753的特点：

◆高精度，支持IEC61036和IEC61268

◆片内数字积分器，具有di/dt微分电流传感器接口

◆提供有功、无功、视在功率能量值，采样波形以及电压和电流有效值

◆在1000：

1的动态范围内误差小于0.1%

◆可选正有功能量有效累计

◆用户片内可设置的线电压浪涌阀值和线电压跌落检测

◆电源管理

◆能量、相位和输入偏移可数字校准

◆片内集成的温度传感器（典型值±3℃）

◆与SPI兼容的串行接口

◆脉冲输出的频率可设置

◆拥有中断引脚（IRQ）和状态寄存器

◆在环境条件变化很大和长时间使用条件下，专利技术的模数转换器（ADCs）和数字信号处理器（DSP），确保数据的高精度

◆具有外部过驱动能力的基准电压源2.4V±8%（温度系数典型值20ppm/℃）

◆单5V电源,低功耗（典型值25mW）,20脚SSOP封装

2.3.27753模块内部的原理结构图

7753模块内部的原理结构图如图七所示：

图七

2.3.3单片机AT89S52

主要性能：

1.与MCS-51单片机产品兼容

2.8K字节在系统可编程Flash存储器

3.1000次擦写周期

4.全静态操作：

0Hz～33Hz

5.三级加密程序存储器

6.32个可编程I/O口线

7.三个16位定时器/计数器

8.八个中断源

9.全双工UART串行通道

10.低功耗空闲和掉电模式

11.掉电后中断可唤醒

12.看门狗定时器

13.双数据指针

14.掉电标识符

功能特性描述

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

2.4抗干扰相关设计

CPU是电能表的核心控制部分，从计量到通讯，从计算到存储，都要求其具有很高的数据安全性与稳定性。

应该说电能表的功能设计并不困难，困难的是在于一些基于安全稳定方面考虑的硬件和软件设计，电能表除了精度的几项硬指标要求外，还特别要求其在电磁兼容方面的硬性指标，高压绝缘，雷击浪涌等一系列的性能测试实验。

通常，电磁兼容实验就是为对电能表端子接入4000V的快速脉冲群，模拟干扰的信号，在这种干扰信号下，电表要确保显示装备正常显示，CPU正常工作，电能计量正常准确的进行；高压实验是把6000V高压加到接线端子，看是否会把线路板击穿。

要做到这些，在硬件设计中必须通过一系列的滤波电路和抗干扰电路的设计来实现，并且要在系统布线中考虑诸多的因素：

走线不能形成环路，也不能形成势垒电容，对于通常我们所说的接地，也必须达到等位接地，否则会出现电路上的理论对等电位点实际上有一定的电势，这会在局部影响电表精度以及CPU以及周围的器件的稳定性；在软件方面也要进行一系列的软件滤波处理，确保所得的信号真实有效；高压绝缘实验是测试电能表内部的绝缘性，线之间一定要保持一定的间距，并且必须要有一定的线宽。

雷击浪涌实验是测试电能表在突发的高压等干扰CPU、存储芯片、时钟不被损坏，为此，我们在一些重要电路上加一定的光藕实行光电隔离，从而才可以达到抗损坏的目的，这些指标都是硬性指标。

另外，CPU周围外挂电路的设计，也是一个很重要的部分，要达到这一个要求，必须在硬件设计和软件设计方面进行更细致的设计，一般CPU芯片引脚不允许悬空，诸多无用的引脚要按照其管脚的定义的特性进行相应的上拉或者接地，这是避免CPU受干扰以及增强稳定性的一个重要的措施，另外，复位电路也是重点设计的一个方面，这方面的复位电路之所以要细致的设计，是为了防止其不正常的复位，否则在某些不确定的因素的干扰下，复位电路会接收到叠加在复位端的错误信号产生复位，造成数据信息的紊乱，因为在程序的初始化部分里，牵涉到一部分和上电掉电相关的程序操作，倘若复位，程序就会执行这一段程序，从而产生错误的信息，而单片机死机危害更大，CPU无法正常运行，许多的数据无法得到及时有效的保存，电能表也就瘫痪了，为防止死机与复位，要在时间上均匀分布的处理每一个每一次相关的数据信息，防止在同一时刻处理很多的数据量，并且要给出明确的先决条件；为了防止程序跑飞，可以在非程序存储区加跳转和在程序当中加入一定的空指令，这些都可以减低程序跑飞的可能性；数据安全性方面，为保证数据的安全存储，需要采取一种冗余的算法，既把同一数据存储在三个不同的空间，读取调用的时候，先取前两个，若相同则认为数据存储正确，否则取出第三个进行比较，取其中两个相同的认定其为有效的数据，若三个数据均不相同，则认为数据损坏，再执行其他的一些相应的处理程序，这样有效的提高了数据的安全性；另外，在中断的处理上也应该合理的进行优先级别的选择，并作好堆栈的程序处理。

3软件系统设计

3.1主程序流程图

图八主程序流程图

3.2主程序

ORG0000H

LJMPINIT_SYS

ORG0003H

LJMPSOFT_TRAP；INT0DISABLE

LJMPSOFT_TRAP

ORG000BH

LJMPSOFT_TRAP；T0_INTDISABLE

NOP

LJMPSOFT_TRAP

ORG0013H

LJMPINT1_INT；INT1ENABLE

NOP；FORADE7753READ

NOP

LJMPSOFT_TRAP

ORG001BH

LJMPSOFT_TRAP；T1_INTDISABLE

NOP

LJMPSOFT_TRAP

ORG0023H

LJMPSOFT_TRAP；UART_INTDISABLE

NOP

LJMPSOFT_TRAP

ORG002BH

LJMPT2_INT；T2_INTENABLE

NOP

ORG0030H

LJMPINIT_SYS

MAIN_LOOP:

NOP

NOP

CLRSEEP；CLEARWATCHDOG

CALLKEY

CALLDATA_CAL

CALLPRE_DISP

CALLINT1_INTA

SJMPMAIN_LOOP

NOP

SJMPMAIN_LOOP

RET

END

3.3软件抗干扰技术

为防止死机复位程序采用了以下方式防止干扰：

①主动初始化

在各段程序中，对单片机及片外扩展器件的各种功能、端口或者方式、状态等采取的永久性的或者临时的设置初始化。

不仅要保证上电或复位后软件能够正确的实现各种级别的初始化，而且在程序中每次使用某种功能前，都要再一次对相应的控制寄存器设定动作模式。

实践证明，这一措施可以大大提高系统对于入侵干扰的自恢复性能。

②重复执行

程序指令在执行的过程中或者保持之后，都有可能被噪声修改，而导致控制失效乃至引发事故，为此应当尽量增加重要指令的执行次数以纠正干扰造成的错误。

对于频率较低的传感器数据，应在有效时间内多次采集并比较如此，即使干扰信号改写了指令内容，也能在受控设备的反应时间内自动恢复正常。

③片内WDT控制

“看门狗”（WDT）已经成为工控微机必不可少的成员之一，他可以防止程序“跑飞”或者出现“死循环”。

通过软件，定时清WDT监视定时器的值，当出现“死循环”或程序“跑飞”现象时，WDT监视定时器内的值计满溢出，从而强迫程序复位，从头开始。

参考文献：

1.单片机与嵌入式系统应用，2001

2.新型集成器件实用电路，电子工业出版社2002

3.电能计量技术基础，中国计量出版社2002

4.MotorolaDSP16位单片机原理，北京航空航天出版社2002

5.MCS-51单片机原理及应用教程，清华大学出版社2005

总结

本次毕业设计，使我对以前所学的知识有了新的认识。

通过毕业设计，使我的设计思路更宽了，应用软件能力提高了，这对我以后的学习工作有很大的帮助。

由于知识和时间的原因，毕业设计中难免会存在着大量的不足之处，这就需要自己再学习更多的知识在老师的帮助下来改进设计。

在毕业设计中，我充分体会到自己知识的匮乏，这就意味着还需要付出更多的时间来学习专业知识，充实自己的头脑，令自己在以后的学习和工作中应用起来得心应手。