电子式电能表电路的设计与实现.docx
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电子式电能表电路的设计与实现
结课报告
课程名称：
智能仪器及仪表技术
项目名称：
电子式电能表电路的
设计与实现
专业：
12级电气工程班级：
一班
学号：
姓名：
姚翔
任课教师：
魏颖备注：
完成日期：
年月日
电子式电能表电路的设计与实现
1、方案叙述
1.1 设计功能要求
设计制作一只交流电能表表，设计的主要要求如下：
（1）该交流电能表能实现对单相交流电能的测量；
（2）电表参数：
额定电压220V,额定电流5A,最大电流10A，最大计度容量：
99999.99Kw.h；
（3）能测量并显示当前的功率、电压和电流的有效值；
（4）显示当前日期和时间，具有分时计量功能；
（5）可以与PC机进行串行通信，并可用键盘控制，便于操作；
（6）电量脉冲输出；
（7）停电不丢失电能数据；
1.2系统的基本方案
该系统主要由显示模块、通讯模块、键盘控制模块、MCU模块、电能表芯片CS5460模块、时钟模块、存储器模块和前端电路调理模块部分组成。
前端电路调理模块采用变比1：
1 的电流型电压互感器，电流模块采用变比2000：
1 的电流互感器，利用取样电阻采样信号，经变换后的信号以差模电压的形式接到由CIRRUS LOGIC 公司生产的电能表芯片CS5460A，取样电阻的阻值由被测信号的最大值决定，然后经CS5460A转换后将电压、电流、功率、电能等信号传给单片机AT89S52，AT89S52组成的MCU模块控制所有芯片的工作、截止及计算和模块的显示，显示模块采用OCMJ4X8CM液晶模块，液晶正常显示当前测量的电能值、日期、时间，可通过键盘控制显示电压、电流有效值、功率等；通讯模块采用Max232芯片实现电能表与PC机之间的通信。
并接受PC上位机同步控制并与其通信，时钟模块采用DLS1302芯片，为电能表提供时间基准，为实现多费率打下基础，存储模块采用AT24C16，为系统提供数据存储，可以做到掉电不丢失数据，还可以实现电力系统参数的实时记录，该系统可以实现对电能等电参量测量、显示及采集处理的目的。
系统硬件框图如图2-1所示：
1.3电能计量部分
方案一：
采用A/D转换芯片分别对电压、电流回路采样，然后送给单片机，经单片机计算，算出电能、功率等电量。
该方案电路设计较麻烦，并且容易受外部干扰，准确度低，并且编程较麻烦。
方案二：
采用现在比较流行的电能计量芯片CS5460A实现对电能等电量的采集和测量。
CS5460A是Crystal公司推出的用于测电流、电压、功率等的芯片,是CS5460的增强版,精度高、性能强且成本低。
CS5460A包含两个ΔΣ模-数转换器（ADC）、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的ΔΣ模-数转换器。
它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、IRMS 和VRMS，用于研制开发单单相2线或3线电表。
CS5460A可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。
CS5460A具有与微控制器通讯的双向串口，芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比。
CS5460A具有方便的片上AC/DC 系统校准功能。
“自引导”的特点使CS5460A能独自工作，在系统上电后自动初始化。
在自引导模式中，CS5460A从一个外部EEPROM中读取校准数据和启动指令。
使用该模式时，CS5460A工作时不需要外加微控制器，因此当电表用于大批量住宅电能测量时，可降低电表的成本。
并且本芯片集成度较高便于编程控制，故本设计采用此方案。
2、软件设计思想叙述
在单片机测量系统中，软件的重要性与硬件同等重要。
硬件是躯体，软件是灵魂，但系统的硬件电路确定之后，系统的主要功能还要靠软件来实现，而且软件的设计很大程度上决定了系统的性能。
本系统的软件设计是在KeilULINK的软件环境下采用C语言编程和调试的，Keil系列软件具有良好的调试界面，优秀的编译效果，丰富的使用资料，应用十分广泛，而C语言功能丰富，表达能力强，目标程序效率高，可移植性好，即具有高级语言的优点，又具有低级语言的许多特点，两者的完美结合，很好的实现了软件功能。
2.1主流程图
为了实现电能表的功能,软件可划分为:
功能操作模块及系统参数自校正模块。
系统功能操作模块的主要功能为:
为系统与操作人员之间提供友好的交互界面,对系统进行有效的管理。
因此该功能模块为该电能表的核心部分。
其工作流程图如图4-1所示。
其中系统参数包括波特率、电能常数等,相应的初始化流程包括初始化GPIB地址及波特率,初始化系统电能常数,初始化电流偏置系数,初始化电压偏置系数,初始化功率系数。
设置GPIB地址对于单个的电能表没有意义,该电能表用于电能管理系统中时,GPIB地址特别重要,是本电能表区别于其他电能表的标志。
系统参数自校正模块主要对该表的系统参数自校正提供一个管理界面,用户可以通过该功能模块对该表的电压、电流、功率等参数进行校正,并把校正后的数据保存。
主功能管理模块主要包括电能检定功能模块、电量测量功能模块、背景光开关功能模块、系统参数设置模块及日历时钟显示功能模块。
其中电能检定功能模块主要用于送检,处于该状态时,电表把所测电能通过脉冲口输出,以便和标准表比较。
2.2系统初始化
系统开始运行后，初始化程序将采集数据存放单元清0，将液晶显示数据存放单元清0,设置串口通信波特率为9600bit/s，并设置中断向量，初始化由边沿触发的外部中断0。
2.3系统子程序模块
2.3.1系统参数自校正模块
系统参数自校正模块主要对该表的系统参数自校正提供一个管理界面,用户可以通过该功能模块对该表的电压、电流、功率等参数进行校正,并把校正后的数据保存。
其过程为：
给输入通道加满量程信号，观察显示值，然后根据显示值通过键盘调整芯片内电压、电流、功率、等寄存器的参数，从而实现对系统参数进行校准，校准后将系统参数保存，以确保系统的精确测量。
其流程图如图4-2所示：
2.3.2电量测量功能模块
CS5460A测量程序用来控制CS5460A对模拟输入电量的测量、转换和计算，并将相应的测量量，如：
瞬时功率、电压有效值、电流有效值读取到单片机相应的寄存器中，然后单片机根据系统程序和键盘命令进行调用、输出、显示。
其流程图如图4-3：
2.3.3电能检定功能模块
通过键盘设定系统为电能表鉴定模式，使电能表ETUO端输出脉冲通入电能表鉴定装置进行电能表鉴定。
流程图如图4-4：
3、系统硬件设计与实现
3.1直流稳压电源的设计
电源电路是整个系统能稳定工作的前提和关键，系统中的各个单元电路都需要使用直流电源供电，本设计采用自制电源供电方式，将220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路整流和滤波，在固定式三端稳压器的两端形成一个并不十分稳定的直流电压，此直流电压经过W7805的稳压和电容的频率补偿，便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。
自制电源原理如图3-1所示：
图3-1+5V直流电源的设计
3.2前端电路调理模块的设计
3.2.1电压调理部分
对于系统的前端电压调理部分，我们采用变比为2mA/2mA的电流互感器和高精度电阻作为输入电路部分电路如图2-2所示。
系统设计采用220V的市电电压输入，首先外接Rx=110k电阻得到2mA的电流，然后通过变比为2mA/2mA的互感器，然后在二次侧连接1个125Ω的定值电阻得到所需的输入电压，可以为CS5460A提供电压信号，不超出芯片的测量范围。
当然电阻R2值可以根据不同的电压来调整。
并加入RC滤波网络对信号初步滤波，并加入放抖动电容保护芯片。
3.2.2电流调理部分
电流调理部分采用变比2000：
1的电流互感器，然后经一精密电阻将电流信号转变成电压信号。
并加入RC滤波网络对信号初步滤波，并加入放抖动电容保护芯片。
经变换后的补测信号以差模电压的形式接到CS5460A的模拟信号输入端。
由于互感器角差的影响，可能造成输入信号的相移，使功率测量的误差增大。
而CS5460A具有相位补偿功能（可进行-2.4°至+2.5°的相位补偿，步进0.34°），可以大大减小互感器角差的影响。
图3-2前端调理电路。
3.3电能测量模块的设计
经调理电路调理的电压信号、电流信号通过IIN+、IIN-、VIN+、VIN-接口送入电能表芯片CS5460，芯片经放大、滤波、采样、计算，计算出瞬时功率，并根据周期计数寄存器内设定的计数周期计算出电能值、电流有效值、电压有效值，并将其存入相应的寄存器中，然后单片机通过与芯片通信将相应寄存器中的电能值、电压有效值、电流有效值读出，并送予液晶显示。
CS5460也可将电能转化成与电能成正比的脉冲，由EOUT口输出，以便于电能表的检定。
CS5460与单片机的连接图如图3-2所示：
3.4通讯模块的设计
Max232是德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS-232C标准的芯片。
Max232芯片起电平转换的功能,使单片机的TTL电平与PC的RS-232C电平达到匹配。
串口通信的RS-232C接口采用9针串口DB9,串口传输数据只要将两个串口的“发送数据”与“接收数据”交叉连接，再加上信号地线就能实现。
串口通信又分查询和中断两种方式，在本系统中，通讯数据不固定，数据量大，所以采用中断方式进行通讯,具体电路图3-3所示：
图3-3CS5460A与单片机连接图
图3-3通讯模块硬件接线图
在设计中,使用的是12MHz晶振，以定时器T1的方式1制定波特率，此时定时器T1相当于一个16位的计数器,其波特率计算公式如下:
方式1的波特率=
定时器T1的溢出率
（1）
定时器T1的溢出率计算公式为：
定时器T1的溢出率=
（2）
3.5液晶显示的设计
本设计采用液晶的串行接口，单片机通过液晶的串行口SIO向液晶寄存器写命令，进而实现对液晶显示的控制。
其与单片机的连接图如图3-4：
图3-4显示电路
表2-1：
串行模式引脚说明
引脚
名称
方向
说明
引脚
名称
方向
说明
1
VSS
-
GND（0V）
5
SDI
I
Data
2
VDD
-
VCC（3/5V）
6
CS
I
EnableSignal
3
PSB
-
0:
串行；1：
并行
7
BLK
-
背光源负极（0V）
4
SCLK
I
串行时钟
8
BLA
-
背光源正极（+5V）
3.6键盘的设计
键盘用四个按键和四个下拉电阻构成简单的键盘，四个按键分别与单片机的平P2.4、P2.5、P2.6、P2.7口连接，当键盘被按下后相应口被拉低为低电平，进而实现对单片机的控制。
连接图如图3-5：
图3-5键盘
总结
经过不断地努力，查找材料并解决设计中出现的问题，系统最终达到了基本的要求，能够实现对电能、电压有效值、电流有效值、及功率的测量，本文充分利用电能计量芯片CS5460的功率处理能力，在单片机的辅助作用下，实现单相电路的电能测量，方法简便有效。
电子式电能表的发展现状，利用单片机技术，结合电能表芯片CS5460构建了一个单相电子式电能表。
通过对各个部分的方案分析、各个模块部分的研究与选型以及对整个系统的硬件连接和软件部分的设计，系统最终达到了基本要求，取得的研究成果如下：
1.对单相交流电能的测量，能够准确的显示出用户当前所用的电能以及其他电参量的值。
如：
电压有效值、电流有效值；
2.利用对时钟模块以及液晶模块的设计，实现了能够显示当前的日期和时间，实现了分时计量功能；
3.能够与PC机进行串行通信，可利用键盘控制电子式电能表的显示示数；
4.系统中加入存储模块AT24C16,实现了停电不丢失电能数据的功能；
5.基于电能计量芯片CS5460的广泛应用，提出了电能计量部分的完整方案，提高了系统的精度和稳定性；
通过这样的设计和学习，我学到了以前没有学到的知识，了解了更多关于电子式电能仪表的知识，我以后会更加努力的去学习课堂知识，把它灵活的运用到生活中去。
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