多功能单相电子式电能表毕业设计Word格式.docx
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在现代化社会中，电能已经成为最重要的能源。
电力工业的发展需要电能计量仪表制造业的进步与之相适应，发电、输电、配电与用电均需要准确的计量电能。
在世界资源匮乏的今天，电能的节约与有效利用均具有十分重要的意义。
电能表作为测量电能的专用仪表，自诞生已有100多年的历史。
电能表在电能管理用仪器仪表中占有很大比例，其性能直接影响着电能管理的效率和科学文化水平。
100多年来，随着电力系统、所有以电能为动力的产业的发展以及电能管理系统的不断完善，电能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程。
本设计的单相电子电能表具有用电计量、监视、控制、管理四大功能，由于内部无机械摩擦而准确度高，灵敏度高，易实现自动化测量，用RS——485可实现远方通信。
在设计过程中，承蒙母校提供良好的上机环境，始终受到电网监控教研室主任韩念杭教授的关心和指导，在此表示衷心的感谢，并致以崇高的敬意！
由于本人水平有限，设计中还存在不妥和欠缺之处，敬请各位老师谅解，恳请批评指正。
谢谢！
作者
2005年6月
目录
前言3
第一章电能计量基本概念
1.1电能计量装置
第二章电子式电能表
2.1电子式电能表的发展史
2.2电子式电能表的一般结构与原理
2.3电子式电能表的功能与分类
2.4各种电能表的比较
第三章多功能单相电子式电能表的硬件结构
3.1电子式电能表的硬件框图
3.2电源电路部分
3.3计量部分
3.4通讯部分
3.5MCU及其它电路部分
第四章多功能单相电子式电能表的软件结构
4.1电能表的系统软件结构框图、
4.2电能表的程序流程图
第五章电子式电能表的整体结构
5.1完整的电路原理图和印制电路板
5.2电能表的结构图
附录一参考文献
附录二参考程序
电能是国民经济、工业、商业等人民生活的重要二次能源，电能可以方便地转化为其他形式的能量。
电力的生产和其他产品的生产不同，其特点是发电厂发电、供电部门供电、用户用电这三个部门是连成一个系统，不能间断地同时完成，而且是互相紧密联系缺一不可，它们互相如何销售，如何经济计算，那就需要一个计量器具在三个部门之间进行测量计算出电能的数量，这个装置就是电能计量装置。
在电力市场的整体运作中，电能计量装置的读数作为电力产品贸易结算的依据，已经越来越受到贸易双方的重视，是贸易双方经济核算的重要指标。
随着我国加入WTO、融入国际大市场的步伐，工农业生产的自动化程度及劳动生产率已大大提高，降低产品的电能成本已成为广大电力用户追求的目标。
必须加强电能计量的学习，加强电能计量新技术的学习，使电能计量工作管理规范化，符合国家标准，计量准确可靠。
电能计量是由电能计量装置来确定电能量值的一组操作，是为实现电能量单位及其量值准确、可靠的一系列活动。
电能计量原理框图如图所示。
高压配电系统
电压信号传输线
电能量
采样
测量
计算
显示
存储器件
电压信号源器件
电流信号传输线
电流信号源器件
用户配电变压器
用户供电线路分支是与高压配电系统相连接的，要对这个高压供电系统分支的电能进行计量，首先要通过电压信号源器件将高电压信号成正比地变为低电压信号，通过电流信号源器件将大电流成正比地变为小电流信号；
然后通过传输线将这个低电压、小电流信号传输给电能量采样、测量、计算、显示、存储器件。
电压信号源器件一般选用电磁式电压互感器，也有用电容分压器或电阻分压器的，高新技术选用光电压互感器；
电流信号源器件一般选用电磁式电流互感器，高新技术选用电子式电流互感器、光电流互感器；
传输线一般选用电缆，高新技术选用光缆；
电能量采样、测量、计算、显示、存储一般由电能表来完成，高新技术直接用计算机来取代电能表。
目前广泛使用的电能计量装置包括：
计量用电流电压互感器、电能表、互感器与电能表之间的二次回路、电能计量箱、电能计量集抄设备等。
世界上最早的电能表是爱迪生于1880年利用电解原理发明的直流电能表，交流电的出现和被利用，对电能计量仪表提出了新的要求。
测量直流电能的电能表多采用电动系测量机构，而用于测量交流电能的电能表则采用感应系测量机构。
电能开发及利用的加快，对电能管理和电能表性能提出了更高的要求，感应系电能表准确度等级不够高，为使电能计量仪器仪表适应工业现代化和电能管理现代化迅速发展的需要，电子式电能表应运而生。
电子式电能表是新一代电能表，在近几年得到了用户的普遍认可和接受，使用逐渐广泛起来。
随着电子技术的发展和用户用电管理水平要求的不断提高，电子式电能表得到了迅猛的发展，成为电能计量不可缺少的重要组成部分。
电子式电能表其测量部分完全由电子元件构成，而且内部时钟部分、电源部分、显示部分等均由电子元器件构成。
电子式电能表由于其构成不同于机械电能表而得名。
由于内部没有可以转动部分也成为静止式电能表。
电子式电能表诞生在20世纪40年代，由欧洲的公司制造。
它的诞生也是得益于电子技术的发展。
在20世纪80年代之前，电子式电能表并没有显示出它巨大的生命力和活力，它的应用局限于高精度电能表、标准表和检验装置，其成本较高，性能和可靠性比机械表并不优越很多。
在20世纪90年代，电子技术发展迅速，电子式电能表也取得了飞跃的发展，无论是高档、高精度三相表，还是低档、低精度单相表都有大量的、性能优越的电子式电能表产品。
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，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。
电子式电能表通常由以下几个部分组成：
电源部分、显示部分、测量部分、管理部分、外部设备。
下面简单的介绍以下各部分的功能：
（1）测量部分：
它接收交流电压、电流信号，将其运算后得到相乘的电功率信号，电子式电能表的精度和稳定性等主要性能就由此部件决定。
它是电子式电能表的心脏，一般由模拟乘法器、数字乘法器或A/D模拟数转换加高速微处理器构成。
（2）电源部分：
将输入的交流电压整流、降压、滤波后得到直流5V、12V等电压等级的电压，供给其他电路。
电源部分非常重要，它是电子式电能表工作的动力源，一般由线性或开关稳压电路构成。
（3）显示部分：
将电能量及其他信息显示出来。
一般有数码管LED、液晶显示器LCD以及机械计度器三种方式。
（4）管理部分：
接收测量部件输出的电功率信号，计算出各种所需的电量，并且管理显示、时钟、通信接口、数据存储器等部件。
一般由单片机或嵌入式计算机构成其核心。
它是电子式电能表的大脑，指挥其他部分完成工作。
（5）外部设备：
包括接口部分、外壳等。
一般有数字通信接口，用于与其他设备进行数据交换、抄表、设置表计参数等，常用的有：
远红外数字通信接口、RS485通信接口、IC卡读写接口等。
下面是电子式电能表的原理框图
电压互感器
显示部分
测
量
部
分
管理部分
接口部分
I
电流互感器
U
电源部分
2.3.1电子式电能表的功能
1．计量功能
电子式电能表的计量功能具体地又分为累计和实时计量两部分。
累计计量功能主要包括累计双向供电的有功电能、无功电能、视在电能的消耗量、断电时间、断电次数等。
实时计量包含测量并显示工频电能的所有参数。
2．监视功能
监视功能为最大需量和防窃电监视；
其次还有缺相指示、停电和复电时间记录、预付费表的所购电能将用尽时的报警及电压异常报警。
3．控制功能
主要的控制功能为时段与负荷控制。
前者用于多费率分时计费；
后者则是指通过接口接收远方控制指令或通过表记内部的编程控制负荷。
4．管理功能
电子式电能表的管理功能包括按时段费率进行计费、预付费提示、为抄表提供必要信息数据、可参与组网进入电能管理系统等。
5．最大需量计量
需量的定义：
定长时间的平均功率；
最大需量：
需量的最大值。
定长时间也称为需量周期，一般为5、10、15、30、60min。
而计算需量的间隔称为滑差步进时间，一般为1、3、5、15min。
其计量方法为：
每个滑差步进时间到时，计算截止到当前时刻的一个需量周期的平均功率，并且与最大值进行比较。
如需量周期为15min，滑差步进时间为5min，即每5min计算一次当前15min的平均功率，并且与最大值进行比较，如果大于最大值，将其记录为最大需量，如图为最大需量计算说明。
功率
15101520253035404550556065707580859095
时间（min）
如图所示，电能表从0min开始计算需量，每5min计算一次最大需量，当第50min计算时达到最大值。
国内只需要计量有功最大需量，并依此进行收费。
国外有计量视在最大需量的需求。
最大需量也需要分时计量。
最大需量为一个月的最大值，过月时，要求将当月最大值保留到上月，而当前最大值清零重新开始计量。
一般要求记录多个月最大需量。
2.3.2电子式电能表的分类
一．电能表按所测电能种类分，可分为有功电能表、无功电能表、直流电能表三种。
后者一般用于特殊行业，不用于电力贸易计量。
有功电能表计量用户实际消耗的电能W有，这些电能已经不可逆转的变成了机械能、热能、光能、化学能、生物能等。
无功电能表用于计量用户的无功电能W无。
无功不是用户消耗的电能而是用户曾经存储起来的电能，这部分电能会与电网进行能量交换。
计量无功的目的，是要核算一个抄表期内的平均功率因数λ，即平均力率，即
λ=cosφ=W有=1
√W有2+W无2√1+（W有/W无）2
用户消耗的无功越多，平均功率因数就越低，配电网在为用户输送这些无功电能时，要增加的线损就越多，增加了供电成本。
因此在电费结算时要对功率因数进行考核。
二．电能表按相别和接线方式分，可分为单相、三相三线制和三相四线制三种。
三．按电压等级分可分为高压表（额定线电压为100V）和低压表（额定相电压统一为220V）两种。
四．按电流的测量范围来分，可分为直通表和经电流互感器接入两种。
五．按准确度等级分，可分为0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、3.0级等等。
准确度等级的数字越小准确度等级越高。
六．按结构原理分，可分为感应式电能表、全电子式电能表、机电一体化电能表。
七．按测量功能分，可分为分时计费电能表、最大需量电能表、预付费电能表、集抄电能表、多功能电等能表等。
2.4各种电能表的比较
感应式电能表已有100多年的历史，其工艺成熟，价格低廉，过载能力强，可靠性好，可视性好，但由于元件磨损、灰尘增多、电磁性能变差等因素的影响，准确度等级不高，不易实现自动化，可是目前国内乃至国外，尤其是在农村电网及三相低压中，感应式电能表还占有相当大的市场。
全电子式电能表因其内部没有可动部件，无机械摩擦而准确度高，灵敏度高，使用寿命长，易实现自动化计量，可实现遥测遥控，实现数据自动分析统计，计量中可排除人为因素干扰，功能多，数据可存储，便于无纸化抄核收作业，便于远方集中抄表。
目前单相表选用全电子式电能表已经很普遍。
机电一体化电能表又称为脉冲电能表，它综合了感应式及全电子式电能表的优点。
该表型的电能采样，仍然有感应式母表完成，这部分的结构与一般感应式电能表相同，用字轮显示电度数。
3.1电子式电能表的硬件框图
本电能表的硬件电路由电源电路设计、计量电路设计、通讯电路设计、MCU（管理电路设计）及其它部分电路设计四大部分组成。
其中核心部分是计量电路的设计，这也是电子式电能表计量功能的体现，它是电能表计量准确性的关键部分，但其他部分也是缺一不可的，他们相辅相成，特别是单片机控制器，它是电能表的灵魂，实现系统中各个部件协调控制。
MCU部分
（89LPC931）
系统掉电
检测
RS-485通讯
信道
被测电压
拾取电路
被测电流
计量芯片电路
（ADE7755）
指示灯
存储器
EEPROM
24WC08
LCD显示器
I2C总线
实时时钟8025
LCD驱动器
（PCF8576）
电源电路部分：
RS-485通讯电源电路
计量电源电路
MCU及其相关部分电源电路
由上图显示，电源电路为了提高系统的抗干扰性、可靠性，分为三个独立的电源，使计量电路，RS-485通讯和MCU的电源相互隔离，达到互不影响的目的，但是它们属于同一个变压器，所以选择变压器的时候要注意。
在计量部分，ADE7755芯片是一个数模混合的电路，因此设计比较困难，要想达到良好的计量效果，要采取一定的抗干扰措施，如数字地和模拟地在PCB板上单点连接，特别是在对电流、电压采样的电路直接接在外部线路上，干扰比较严重。
I2C总线在整个系统中占有重要的作用，它关系到LCD显示、电量数据存储、时间和日期的读取等等，它是MCU与外部设备的接口，是MCU获取信息的窗口。
在通讯电路中，在通讯发生时MCU要接受通讯帧，判断是否正确，并执行通讯命令。
从上面简单的分析可以看出，MCU是系统的控制器，起着决定性的作用。
3.2电源电路部分
单相电子式电能表的电源电路为三个部分：
电量计量电源电路、RS-485通讯电源电路、MCU及其相关部分电源电路。
电源是保证电能表正常运行的先决条件，因此在进行电源电路设计时要考虑多方面因素，如设计原理的正确性、电源容量的冗余量，要选择合适的元件参数。
不能以马马虎虎的态度去解决。
下面为各部分电路的电源电路设计图：
电量计量电源电路和RS-485通讯电源电路都通过将压、整流、稳压和滤波四个环节，得到5V的直流电压。
整个电源电路是以78L05这个稳压芯片进行设计的，是一种串联的稳压电路。
上图：
电量计量电源电路
下图：
MCU及相关部分电源电路
通过电网输入220V的交流电源，通过变压器TR1降压，在5、6端产生12V的交流电压，通过AB1全波整流及C1、TR2、C2、E1滤波，其中C1、TR2、C2构成滤波网络，产生一个带有一定脉动分量的直流电。
然后通过并联稳压集成电路LM317，同时调整R1、R2的比值，以得到所需的电压值—3.9V。
在上电的时候，如果上电缓慢，单片机会出现复位错误，从而导致程序不能正确运行。
为了解决这个问题，必须采用快速上电的方法，我采用MAX809电源监控芯片，当上电电源达到电压门槛时，T1三极管导通，开通电源通道，达到
MCU快速上电的目的，VCC的电压为3.9V-0.7V=3.3V。
3．3计量电路部分
本次设计的单相电子式电能表的计量部分主要是针对ADE7755计量芯片的电路设计，它是有美国ADI公司2003年研制生产的有功电能单相测量芯片。
它是为单相两线制系统设计的，用来生产低成本、高精度单相电能表。
ADE7755内部包括两路数模转换器（对来自电压、电流传感器的电压信号进行数字化转换，在电流通道中还设计了PGA电路，同时还在电流通道中设置了HPF电路滤掉直流分量），一个基准电压源（其标称值为2.5V，一般无需外接基准）和用来计算有功功率的信号处理电路。
瞬时功率是通过电压、电流信号的直接相乘得到的，此瞬时功率信号经过低通滤波器得到有功功率，再经过数字—频率转换器累计脉冲得到有功电能量。
ADE7755的功率脉冲输出是通过对上述有功功率信息的累计产生。
P（t）=u（t）*i（t）
W（t）=∫p（t）=∫u（t）*i（t）
这个部分主要包括电压拾取电路设计、电流拾取电路设计以及其他部分电路的设计。
电压拾取电路实际上是一个分压电路，将火线和零线（负荷电压）分压：
R23/（R9+R10+R11+R12），输入到测量芯片输入端8脚。
通过电阻分压确保ADE7755电压通道中信号电压在其工作范围内。
上面带有开关的电阻是一个电阻调整网络，可在一定范围内调整信号电压的大小。
使电能表精度提高。
上图：
电压拾取电路
电流拾取电路
在电流拾取电路中，R26、C15和R27、C16组成两个一阶低通滤波器，滤除电流通道中的高频分量。
C17是通过K10的合开来选择是否作用于系统的，它是补偿电流信号本身不平衡造成ADE7755计量电能出现比较大的误差，因此通过人为造成不平衡，使得系统达到平衡的目的。
上图为ADE7755其他电路部分，包括脉冲计数和电能方向指示。
电能脉冲输出为CF（脚22），经过光耦输出：
PULSE电能脉冲，将引入单片机的输入端，进行电能脉冲累计。
REVP输出（脚20）指示电能方向，电能通过光耦输出。
光耦器件是用来隔离MCU电路的。
3.579545MHZ是ADE7755推荐的主时钟频率。
AVDD和DVDD两路电源为模拟和逻辑直流正5V。
电路中DVDD和AVDD通过C18、C19、R28组成的滤波电路连接在一起滤除干扰。
选择内部基准电源，在基准电源输出端加上一个滤波电容C20，防止外界干扰。
本次设计的单相电子式电能表采用RS—485通讯信道，RS—485通讯信道是用来和其他电能表组成RS—485通讯网络，实现远程网络抄表。
RS—485通讯接口距离远、抗干扰能力强、半双工通信以及可以实现总线方式传送数据，非常简单实用，在电能表通信中得到了广泛的使用。
半双工通信是指可以双向通信，数据传送方向可以从A到B，也可以从B到A，但同一时刻只能是一个方向。
发送器接收器
B
A
数据
RS—485通讯电路是通过3个光耦器件对单片机电路和RS485总线电路进行隔离的，提高系统的抗干扰能力，电路中的TVS1管并联在RS485A总线和RS485B总线的两端，对电路瞬态起保护作用。
R39和R40是偏置电阻，进行网络失效保护。
JP2接口是要进行瞬变脉冲和静电干扰的。
3.5MCU及其它相关部分
MCU是选用89LPC931这种单片机，这部分电路有LCD显示电路、实时时钟电路、存储器及掉电保护等组成。
实时时钟选用的是日本EPSON公司于2003推出的8025时钟芯片，内置高精度频率可调整的32768HZ的水晶振子，无须外接晶体，使用简便、精度高。
它是一个I2C总线接口的芯片，最高时钟频率为400HZ，通信速率较高，它的I2C地址是60H。
具有定时功能和闹钟功能。
MCU通过I2C总线读写8025芯片的寄存器，设置芯片的工作状态，校正当前时间和日期，8025时钟芯片是一种低功耗、宽电压范围工作的芯片，在工作电源为3V时，工作电流为0.48uA，在1.7V-5.5V正常工作，同时能够检测晶振的情况和微调晶振的频率。
8025芯片应设置输出1S中的时钟脉冲信号，为了保证时间和工作的连续性，应保证电源不断电。
8025引脚说明：
NC-空引脚；
SCL-I2C数据串行传输同步时钟输入；
FOUT-32768HZ时钟频率输出；
TEST-测试用，正常使用时接到VDD；
VDD-工作电源输入；
FOE-控制FOUT的输出：
当为高时，输出32768HZ时钟信号；
当为低时，不输出时钟信号；
/INTA-定时输出A脚，输出闹钟中断（ALARM-W）或定时到信号地；
SDA-I2C数据串行传输数据引脚（输入/输出）
存储器选用的是支持I2C总线的可檫写E2PROM，型号是24WC08，可以随时读写，而且在掉电后数据仍然保存不变。
这种存储器的数据写入是通过提高电压来完成的，其存储器内部有电压泵起着泵高电压的作用。
这种存储器非常适合电能表作数据存储，当电能表有电时可以随时改写数据，而当掉电后数据保持不变。
存储容量为8K位、1K字节、10位地址线，工作电压范围是1.8V—6.0V。
采用低功耗CMOS技术，同时具有写保护，执行写操作时，在主器件产生停止信号后开始内部数据的擦写，在内部擦写过程中，器件不应答主器件的请求，因此在执行存储器写操作之后，应延时一定的时间再对存储器进行操作，改写数据时间较长，一般在几到几十毫秒。
掉电检测电路是一个R43、R44组成的分压电路，C23用来滤波，提高抗干扰性。
通过MCU内部比较器，比较器内部参考电压和PWRCHK脚的电压相比较，当电源电压下降到一定时，MCU比较器发生翻转，发生掉电事件。
由于有C23的存在，管理芯片的电源不会马上消失，以提供电源方便管理部分进行数据保护。
指示灯电路包括峰指示、谷指示、通讯指示，当MCU对应脚输出低电平时，电流经限流电阻，LED，流入MCU脚，指示灯亮。
以上是电能表硬件各部分独立的电路原理图。
它详细地介绍了各部分的具体任务和功能，使大家对电能表的基本结构和组成有个大概地了解。
3.1电能表的软件系统结构框图
软件系统是整个电能表系统的灵魂，正如韩念杭老师所说：
当硬件离开软件，这个硬件还有什么意义呢？
它是系统的神经中枢，它是整个系统的控制、指挥中心。
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