电子式三相复费率电能表设计说明书毕业论.docx
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电子式三相复费率电能表设计说明书毕业论
毕业设计
题目电子式三相复费率电能表的设计
摘要
多费率电价政策是近年来正在大力推广的电力计量制度，能够有效地缓解高峰期用电紧张的局面，调整用电负荷曲线。
本文所设计的新型电子式复费率电能表除了能提高计量精确度外还实现了分时计量、对异常情况进行实时监控并记录事件等功能。
这可提高电能的合理利用，为用户提供公正、公平的用电环境。
首先对电能表的发展现状及电能计量的基本原理做了简单的介绍，然后给出了系统的设计目标和总体方案，并按功能进行了各个硬件电路单元的设计，包括电源模块、计量模块、实时时钟电路、通信模块设计等。
在软件设计方面，采用模块化软件设计方法实现了有功和无功能量的分时计量、RS485通讯、按键显示、异常检测及记录等功能。
文中对三相电能表的抗干扰设计也有很详细的介绍。
此三相电子式复费率电能表具有运行稳定、可靠性高、通用性好和抗干扰能力强等优点，适应电表市场的需求。
关键词：
电能计量；复费率；电子式电能表；实时时钟；RS485通讯
Abstract
Themulti-rateelectricchargepolicyisbroadlyusedinourcountryduringtheseyears.itcaneffectivelyeasethesituationofpoweremergency,andregulatetheelectricpowerloadcurve.Late-modelelectronicmulti-ratewatt-hourmeter,whichdesignedinthispaper,improvesthemeasuringaccuracyandrealizesfunctionsoftime-sharingmeasurement,real-timemonitortoabnormalsituationsandtakingeventrecordsandsoon.Thiswillimprovetherationalutilizationofelectricalenergyandprovidefairandimpartialenvironmentofusingelectricity.
Atfirst,Iintroducethepresentdevelopingstateofwatt-hourmeterandthebasictheoryofenergymeasurementsimply,thenitputsoutthedesignobjectionandtotalschemeofthissystem.Andalsogivesthehardwarecircuitdesignofeachunitwiththefunctionsdivided,includingpowerunit,measuringunit,real-timeclockcircuitandcommunicationunitdesignetc.Inthesoftwaredesignofthesystem,itusesmodularizationmethodtorealizethemeasurementofactivepowerandreactivepower,RS485communication,keyboardanddisplay,abnormaldetectionandrecordandsoon.Theanti-jammingdesignofthree-phasemeterhasalsobeendiscussedinthispaper.
Thisthree-phaseelectronicmulti-ratewatt-hourmeterhastheexcellenceofstablerunning,highreliability,gooduniversalityandstrongabilityofanti-jammingetc.It’sfitinwiththewatt-hourmetermarketdemand.
KeyWords：
energymeasurement；multi-rate；electronicwatt-hourmeter；real-timeclock；RS485communication
第1章绪论
1.1选题背景
随着我国国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，各行业对电力能源的需求不断增长，电子技术已经广泛应用于电信、公安、金融、社保、交通、商业流通、航天航空等各个领域。
电力供应十分紧张，国家在加大电力建设投入的同时，决定全面推行峰谷分时电价，调整用电曲线，用经济的手段引导、鼓励用户合理用电。
峰谷电价政策涉及到新的电能计量方法和计量装置，原有的单费率电能表不能满足其计量要求，新政策需要能对费率进行设置，划分时段，并包含辅助检测和计量功能的多费率电能表。
工业企业是用电大户，对于调整用电曲线具有巨大的推动作用。
同时，我国电力系统普遍存在技术落后、设备陈旧等问题，所以电力系统的管理水平和配电自动化程度很低，长期以来一直靠人工抄表收费，并且对用户负荷情况也很难把握，导致系统运行效率较低，收电费难也就成了全国各地普遍存在的现象，让供电部门大伤脑筋。
许多用户法律观念淡薄，用电不交费、迟交或拖欠，为催收电费，供电管理部门不仅花费了大量的人力物力，整个电力工业的发展也受到很大的影响，随着电子技术的发展及相关行业服务意识的不断提高，在与居民用户日常生活相关的计量仪表中，电子式电能表已得到迅速的推广和广泛的应用。
由于电子技术的飞速发展，许多领域已经采用电子式仪表取代传统的机械式仪表，并由智能控制取代人工操作。
在电能计量领域，也势必由电子式仪表来取代机械仪表，抄表方式由自动抄表方式取代人工抄表。
因此，设计高精度和高可靠性的三相电子式多费率电能表，配合多费率电价制度的实施和自动抄表系统的应用，具有很好的应用前景和市场意义。
随着电力系统、以电能为动力的产业的发展，电能表的结构和性能经历了不断更新、优化的发展过程，大体上可分为感应式电能表，机电一体式电能表和电子式电能表三个阶段。
1.1.1电能表技术的现状及发展趋势
1.1.1.1感应式电能表（机械表）
感应式电能表是利用处在交变磁场的金属圆盘中的感应电流与有关磁场形成力的原理制成的，即利用金属铝转盘中感应的电流与通有交流电流的固定线圈的磁场相互作用，产生驱动力矩驱动铝盘旋转，累计消耗的电能。
它具有制造简便、
操作安全、维修方便、可靠性高和价格低廉等特点。
但由于其原理与结构等因素的制约，要进一步提高计测精度和扩展功能是有限度的。
随着用电量的增长及能源供需矛盾的加剧，加强电力负荷监控，以实现计划用电和合理配电，提高电网负荷率。
功能单一的感应式电能表及其相关机械装置已不适应现代电能管理的需要。
1.1.1.2机电一体式电能表
随着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。
由于电力系统的不断扩大以及对电能合理利用的探索，感应式电能表逐渐暴露出准确度低、适用频率范围窄和功能单一等缺点。
感应式电能表由于受其原理和结构等因素的制约，要对它进行较大的改进是很困难的。
基于微电子技术和计算机技术的不断发展，人们开发出了基于感应电能表的机电一体式电能表，这种电能表是利用感应式电能表的测量机构作为工作元件，使用光电传感器完成电能脉冲的采集，经微处理器处理后，对电能脉冲进行计量，从而实现对电能的数字化测量。
这种电能表的显著特点是感应式测量机构配以脉冲发生装置，因此也被称为感应式脉冲电能表或机电脉冲式电能表。
这种电能表和机械复合式多费率电能表都是感应式电能表向全电子式电能表过渡过程中的电能计量品种，它们对分时电价、需量电价制度的实施起了积极的推动作用。
1.1.1.3全电子式电能表
机电脉冲式电能表采用感应式测量机构测量电压电流，决定了它同样具有感应式电能表准确度低、适用频率范围窄等缺点，数据处理机构则由电子电路和计算机控制系统实现，因而它只是一种电子线路与机电转换单元相结合的半点子式电能表，而且由于感应式测量机构的制约，机电脉冲电子电能表很难降低功耗、提高测量精度。
电子式电能表一般由电能测量机构和数据处理机构组成，电能计量方案使用乘法器实现功率和电能的测量，在一块集成芯片上完成电能采样和A/D转换，比较先进的是
A/D转换原理。
功率是电流与电压的乘积，电能是功率对时间的积分。
电能计量技术将会向着智能化、多功能、集中管理及网络化的方向发展。
在信息化技术不断发展和成熟的现代社会，高效的电能计量和管理技术将是信息化家庭智能管理系统的一个重要组成部分。
电子式电能表是国外著名电测仪表公司在20世纪80年代末90年代初相继推出的，它是应用现代电能测量技术、微电子技术、计算机软硬件及通信技术构成的一类全新系列的电能表。
全电子式电能表由于没有使用感应式测量机构，而采用乘法器来完成对电功率的测量，不但提高了测量精度、降低了功耗，还增强了过载能力。
目前的电能表市场中全电子电能表所占比例逐年增加，机械表由于先天性在通信方面的不足，所以很难在集中自动化抄表方面有发展，机电一体式电能表虽可以进行电能信息的远程通信，但其可提供的用电信息比较少，例如频率，有功，无功等，另外实现复费率计量也比较困难。
虽然基于机电一体式的电能表实现了预付费，但鉴于安全性和其他方面的原因，国家并不主张大范围使用这种电能表。
全电子电能表克服了上面两种表的缺点，可以方便的计量电能的各种信息，并且实现远程通信完成抄表工作和实现配电网络自动化。
近年来随着全国用电缺口的急剧扩大，国家发改委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，带动了全国各地供电部门对复费率、多功能电表需求的快速上升。
显然，全电子式电能表是目前最为流行也是技术最为先进的电能表。
这种仪表一般采用前端电阻网络或者互感器直接变换外部电压和电流信号，通过专用的电能计量芯片，如ADE7755、ATT7026、ATT7022B等来运算电能值及其辅助参数，进而通过微控制器进行数据的计算和显示。
1.1.2国内外仪表的管理及抄表方式
在与居民用户日常生活相关的计量仪表中，电子式电能表已经得到了迅速的推广和广泛的应用。
目前在电表、水表、燃气表以及热力表中都已经开始采用自动抄表方式进行收费，使得自动抄表方式成为当前国内技术应用发展的一个亮点。
目前，在抄表方式上，存在有RS485、红外、GPRS和电力线载波等多种抄表方式。
其中RS485抄表和红外抄表技术比较成熟。
各种抄表方式具有各自的特点，RS485需要专门布线，但其抗干扰能力较强；红外抄表由于其通信距离的限制，不能实现远程监控的目的；电力线载波通信抄表技术无需专门的通信线，利用现有的电力线作为通信信道，信道建设工作量极少，但其技术较为复杂，通信出错率较高。
目前还存在着GPRS无线抄表方式，GPRS是通用分组无线业务（GeneralPacketRadioService）的简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。
GPRS抄表技术在未来将会有很广的应用。
全电子式电能表具有电力线载波通信、红外通信、RS485通信等多种抄表接口，实现了电能数据的远送和集中化管理。
该类电能表一般保留了电能脉冲输出，其还具有智能化、运行可靠、不易老化等优点。
1.2选题依据
在工业应用场合，为了调节电网的用电负荷，采用在高峰期和低峰期对用户使用的电能分别计量，分别计费的方法。
同时，为了便于远程抄表系统工作，可通过远红外或RS485实现远程抄表功能。
本设计就是按此方法设计的电子式三相复费率电能表，根据时间的不同，对用户使用的电能分别计量，然后按照不同的费率进行计费。
本课题的目的在于研制一款基于专用电能计量芯片ATT7022B和微控制器PIC16F877的电子式三相复费率电能表。
这种电子式电能表对不同的时段累计用电量采用多种费率，费率在24小时内任意设定，时段间隔最小为20分钟的电能计量方法。
系统使用全电子式方案，使用专用计量芯片来计量电能，可以满足很好的精度和准确度要求。
在控制环节，系统使用了微控制器PIC16F877，并且包含RS-485抄表接口，仪表参数可以通过总线传递到上位机监控程序，进行集中管理。
系统设计完成以后，可以通过软件进行校表，软件校表参数通过程序内部进行设置，确保出厂时更好的准确性。
电子式电能表具有良好的功能扩展性，品种由常规的全电子式电能表发展出了多功能电能表，多费率电能表，预付费电能表，红外抄表和集中抄表等系列化产品。
电能表也有单一的计量功能向计量、管理、控制的多功能，多智能化方向发展。
本文阐述了该三相电能表的设计原理、设计方案，实现了电压、电流、频率、有功和无功电能等参数的计量，另外可以实现复费率功能。
适应市场需求，满足用户需要。
后续章节将对仪表的原理和各模块构成进行详细介绍。
第2章设计的内容与要求
2.1主要设计内容
本文主要研究基于三相电能专用计量芯片ATT7022B的电子式复费率电能表。
本设计以MCU为控制单元，外围电路由各种专用芯片及器件实现，结构简单，整个芯片的体系结构和嵌入式资源配置可以适应高可靠性多费率电能表的设计需求。
计量模块由专用计量芯片构成，实现正反向，抄压，欠压等诸多参数测量。
通信单元采用RS485通信模式，通信速率与抗干扰能力较高。
复费率设计，采用专用实时时钟芯片，保证了时间准确度及安全可靠。
此外，也对存储器、继电器驱动、显示及键盘模块的设计做了详细的说明。
本设计的主要工作：
1）提出基于ATT7022B芯片的多功能电能表解决方案。
2）根据功能需求进行系统的硬件和软件详细设计。
3）编写软件代码和调试系统功能模块。
4）优化整个系统。
论文共6章，基本安排如下：
第1章：
绪论。
介绍论文的技术背景，对电子式电能表的现状和发展趋势进行了概述，提出了论文的选题背景及依据。
第2章：
设计的主要内容及要求。
简要说明本设计所做的工作和论文的结构安排，并对设计要求进行了概括，包括设计实现的主要功能和主要技术指标。
第3章：
电子式复费率电能表系统总体方案设计。
设计中总共包含三个可选方案，且均绘出了其硬件组成方框图，各有其优缺点，经过对微控制器的比较可得，方案三综合了几个方案的优势，能较好的实现系统的功能，故选择方案三。
第4章：
三相复费率电能表系统硬件设计。
硬件设计包括系统硬件分析和功能模块设计。
在硬件分析中对电能表硬件功能模块进行了划分。
功能模块设计包括主控模块、电能计量模块、实时时钟电路、铁电存储器模块、RS485通信模块、LCD显示模块、控制模块和电源模块。
文中对各模块都有详细的说明。
第5章：
系统软件设计。
软件设计采用模块化设计方法，包括主程序流程、各中断处理流程、电能计量、键盘、显示及通信等各模块的设计，实现了电能表的多功能要求。
第6章：
抗干扰设计。
分析了对三相电能表造成干扰的类型，详细阐述了在本设计中使用的硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术。
2.2设计要求
熟悉电功率测试的要求，提出测试原理，确定设计方案，完成系统原理方框图，选定单片机，完成硬件设计和软件设计，完成设计图纸绘制以及设计说明书撰写。
2.2.1设计实现的主要功能
1）电能计量：
在不同的时段累计用电量采用多种费率，费率在24小时内任意设定，时段间隔最小为20分钟；
2）可通过红外或RS485实现远程抄表和参数设置，设置内容为：
抄表日、时段、计量脉冲参数、当前时间、底数等；
3）可通过RS485总线或红外方式切断负荷、冻结电量；
4）费率设置、参数设置、切断负荷、冻结电量时具有密码保护功能；
5）数据校验和备份功能；
6）事件记录：
记录停电、复位次数及时间；
7）统计功能：
能够按照一定的规则统计数据；
8）停电后用副电源供电。
2.2.2主要技术指标
电压：
AC380V
测量精度：
0.5级
最大电流：
50A
工作电源：
交流220V/50Hz
第3章三相复费率电能表系统方案设计
3.1方案选择
本设计所要求的电子式三相复费率电能表要求在不同的时段累计用电量采用多种费率，而且可通过红外或RS485实现远程抄表和参数设置。
据此，可设计以下三种方案。
3.1.1方案一
以多相多功能电能计量IC芯片ADE7758和Intel公司的MCS-51系列单片机为核心构成的电子式复费率电能表，此设计的主要方向是电能表的远程监控和校验。
设计中从电能表的输入电压、电流电路引电参数入检验系统。
监控的信号有：
三相电压、三相电流、频率、功率、温度等。
如有异常，发出各种报警信息。
通信部分采用RS485通信，集中监控中心收到各种报警信号后，通过管理软件人工或自动通知到相应责任人，并对处理结果进行跟踪和汇总。
该系统可进行远程校验，实现无人去现场，管理人员可以通过办公室的控制设备，远程控制该系统并对现场电能表进行误差校验，然后将所得电参量以及误差等信号回传给管理中心，再进行适当处理。
该校验方式极大地节省了人力、物力、时间。
系统原理框图如图3.1示。
图3.1电子式三相复费率电能表系统原理框图1
3.1.2方案二
以三相电能专用计量芯片ATT7026和Atmel公司的AT89系列单片机为核心构成的电子式复费率电能表。
ATT702644个引脚，QFP44封装，102个寄存器。
有功功率通过求瞬时功率代数均值获得。
分相、合相有功功率分别存入指定寄存器，供用户读取。
无功功率是通过将电压采样信号作一
90°相移，再求瞬时功率的代数均值获得。
分相、合相无功功率同样提供给用户。
芯片中有电能累加寄存器，能够提供分相、合相有功、无功电能，但不提供电网周期累加模式。
芯片通过能量脉冲生成器，提供校表脉冲CFl和驱动步进电机的低频脉冲F1／F2。
由于芯片提供电流和电压有效值，用户也可用公式S=VRMS×IRMS，通过MCU计量分相、合相视在功率。
有效值测量通过对电压、电流的采样数据求均方值实现。
能够同时计算6通道的有效值，结果存在指定的寄存器中供用户读取。
此外，芯片不仅提供分相电流、电压有效值．还提供三相电流、电压矢量和的有效值，用户可在指定寄存器中读取。
ATT7026不具有中断功能。
芯片内部集成了SPI串行通信接口，使用2条控制线和2条数据线。
此方案设计的电能表同样能实现复费率要求，远程通信及参数设置功能，主控采用Atmel公司的AT89C52单片机。
系统原理框图如图3.2示。
图3.2电子式三相复费率电能表系统原理框图2
3.1.3方案三
本方案是基于三相电能专用计量芯片ATT7022B的电子式复费率电能表。
其中以Microchip公司的PIC系列单片机为主控芯片。
总体设计框图如图3.3所示。
图3.3电子式三相复费率电能表系统原理框图3
3.2系统原理与组成
3.2.1PIC单片机的优点
单片机有集中指令集（CISC）和精简指令集（RISC）两种结构。
采用集中指令集结构的单片机数据线和指令线分时复用，即所谓冯-诺伊曼结构。
它的指令丰富，功能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格亦高。
采用RISC结构的单片机数据线和指令线分离，即所谓哈佛结构。
这使得取指令和取数据可同时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类CISC单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度亦更快。
同时，这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。
属于CISC结构的单片机有Intel8051系列、Motorola和M68HC系列、Atmel的AT89系列等；属于RISC结构的有Microchip公司的PIC系列、
Atmel的AT90S系列、韩国三星公司的KS57C系列4位单片机等。
一般来说，控制关系较简单的小家电，可以采用RISC型单片机；控制关系较复杂的场合，如通讯产品、工业控制系统应采用CISC单片机。
不过，RISC单片机的迅速完善，使其佼佼者在控制关系复杂的场合也毫不逊色。
根据程序存储方式的不同，单片机可分为EPROM、OTP（一次可编程）、QTP（掩膜）三种。
我国一开始都采用ROMless型单片机（片内无ROM，需片外配EPROM），对单片机的普及起了很大作用，但这种强调接口的单片机无法广泛应用，甚至走入了误区。
如单片机的应用一味强调接口，外接I/O及存储器，便失去了单片机的特色。
目前单片机大都将程序存储体置于其内，给应用带来了极大的方便。
值得一提的是，以往OTP型单片机的价格是QTP的3倍，而现在已降至1.5－1.2倍，选用OTP型以免订货周期、批量的麻烦是可取的。
PIC单片机主要有以下几点优势：
1）PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。
就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的。
比如，一个摩托车的点火器需要一个I/O较少、RAM及程序存储空间不大、可靠性较高的小型单片机，若采用40脚且功能强大的单片机，投资大不说，使用起来也不方便。
PIC系列从低到高有几十个型号，可以满足各种需要。
其中，PIC12C508单片机仅有8个引脚，是世界上最小的单片机。
该型号有512字节ROM、25字节RAM、一个8位定时器、一根输入线、5根I/O线，市面售价在3－6元人人民币。
这样一款单片机在象摩托车点火器这样的应用无疑是非常适合。
PIC的高档型号，如PIC16C74（尚不是最高档型号）有40个引脚，其内部资源为ROM共4K、192字节RAM、8路A/D、3个8位定时器、三个串行口、1个并行口、11个中断源、33个I/O脚。
这样一个型号可以和其它品牌的高档型号媲美。
2）精简指令使其执行效率大为提高。
PIC系列8位CMOS单片机具有独特的RISC结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线（Harvard）结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用CISC结构的8位单片机相比，可以达到2:
1的代码压缩，速度提高4倍。
3）产品上市零等待（Zerotimetomarket）。
采用PIC的低价OTP型芯片，可使单片机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市。
4）PIC有优越开发环境。
OTP单片机开发系统的实时性是一个重要的指标，像普通51单片机的开发系统大都采用高档型号仿真低档型号，其实时性不尽理想。
PIC在推出一款新型号的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时性非常好。
就我个人的经验看，还没有出现过仿真结果与实际运行结果不同的情况。
5）其引脚具有防瞬态能力,通过限流电阻可以接至220V交流电源,可直接与继电器控制电路相连,无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。
6）彻底的保密性。
PIC以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。
目前，PIC采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。
7）自带看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性。
8）睡眠和低功耗模式。
3.2.2MCS-51单片机与PIC系列单片机的区别
主要有以下三个区别：
1）总线结构:
MCS-51的总线结构是冯-诺伊曼型，计算机在同一个存储空间取指令和数据，两者不能同时进行；而PIC的总线结构是哈佛结构
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