锅炉加热.docx

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锅炉加热

毕业设计（论文）

题目单项复费率电能表设计

系别电气工程系

专业风能与动力

班级风动11

姓名许君佳

学号44

指导教师（职称）郭志成

日期

摘要

随着经济的迅速发展，用电量日益增加，为电网的稳定运行带来了诸多不良

因素。

国家采取多费率用电政策，以消峰填谷，平衡用电。

复费率电能表已经

大规模取代了单一费率电能表。

随着单片机技术的日益发展，以单片机为主控

芯片的电子式电能表的生产已成规模。

但是价格低廉、运行稳定、可靠性高、

抗干扰能力强的电子式电能表还有待开发。

论文在对电能计量和数字信号处理理论研究的基础上，以美国ADI公司生

产的CS5460为电能计量芯片，以C52AT89为主要控制芯片，利用单片机技

术，设计开发了一款单相复费率智能电子式电能表。

硬件外围电路采用模块化

设计。

其中电压电流采样模块实现了将电网中的不可直接测量的大电压大电流

转变成为可以用来处理测量的小电压小电流。

电源模块为整个智能电表提供了

稳定的电源。

数据存储模块，红外通信模块和RS485通信模块的设计完成了电

能信息的及时存储和交换。

LCD模块为用户提供了清晰，实时的电量信息。

软件

分为启动前的动态自检程序，计量电量的电能脉冲采集程序，数据信息处理和

交换的数据存储程序，通讯中断子程序等。

在单片机的核心控制下，实现了电子

式电能表电能分时段计量、数据通信等功能。

关键词：

电子式电能表，CS5460，电能计量，信号处理

]

Abstract

Withthedevelopmentofeconomyandtheincreasementoftheelectricalquantity,therunningofthethiseisthreatenheavily．ThegovernmentofChinahasadoptedthepolicyofdifferentpricesoftheelectricalpower,inordertokeepbalanceoftheelectricalquantitycomsuption．Multi-tarifWatt—hourMeterhastakenthepositionofthesingle-tarifWatt-hourMeterwidely．Withthedevelopmentofsigle—chiptechnology,theresearchofelectronicWatt·hourMeterisproducedinahugerange．But，thelow-pmeMeterwhichrunsstablyandhasstrongabilitytoresistinterference

stillneedtobedesigned．Thepaperisbasedontheresearchofelectricenergymeasurementtheoryand

digitalsignalprocessingtheory,mainlyutilizeschipCS5460producedbyADIcompanytomeasurepower,singlechipC52AT89tocontrolthewholesystem．ThepaperfinishedthedesignofTheSingle·-phaseIntelligentMulti·-tarifWatt·-hourMeter．Theperipheralhardwareadoptedmoduledesign．VoltageandelectricitymoduleconvertsthehighvoltageandelectricitytolowonesthatCanbemeasured．Thesource

moduleprovidesthewholesystemstablepower．Datastoragemodule，infraredcommunicationmoduleandRS485modulecanstorageandexchangethepowerinformation．LCDmoduleprovidesuserswithclearandreal—timeenergyinformation．

Softwareincludesdynamiccheckingmodule，powerpulsecollectionmodule，datastoringandexchangingmodule，interruptedCommunicationmodule．Underthecontrolofthesinglechipc52at89，thewholesystemCanmeasuretheelectricalquantityindifferentperiodsoftimeandfinishesthedataexchanging．

Keywords:

electronicWatt-hourMeter,cs5460，electricenergymeasurement，

signalprocessing

1绪论

随着微电子技术和微型计算机的迅速发展，单片机的控制技术以其逻辑简单、控制灵活、使用方便及性能价格比较高的优点得到了广泛的应用。

单片机作为自动控制中的一个核心器件在小型自动控制系统及信号采集方面已经被广泛应用，技术也相对较成熟，它不仅有体积小，安装方便，功能较齐全等优点，而且有很高的性价比，应用前景广。

本论文中设计系统中采用了以单片机作为控制中心，软硬件结合的方法。

它具有精度高、功能强、经济性好，且节约能源，利于环保，另外该设计的控制系统还具有分时计费，掉电保护、显示及报警等功能，保证智能电表正常安全准确的工作，实现自动化控制。

1.1电子式电能表的发展

电能表作为测量电能的专用仪表，世界上最早的电能表是爱迪生用电解原理制成的直流电能表,自从1888年以来，意大利物理学家非拉里斯（Ferraris）发明的感应式电度表在全世界得到了广泛的应用，至今已有百余年的历史

。

其后1889年，匈牙利岗兹公司的布勒泰制成了第一台交流感应式电能表。

电能表在电能管理中占有很重要的地位，其性能直接影响着电能管理的效率和水平。

自它诞生的100多年来随着电力系统以及电力所带动的相关产业的不断完善与发展，对电能表的性能和结构的要求也越来越高。

近代出现的现代电子技术、计算机技术、通信技术等新技术的发展，又为电能表的更新与优化提供了技术支持。

1.2复费率电能表的意义

随着国民经济的的高速发展和人民生活的不断提高，生产用电量和生活用电量急剧增加，使得用电量的增加超过了发电厂生产电量的增加。

为了解决或缓解这一矛盾，就需要采用“削峰填谷”的方法，即削减峰时期的用电量，增加谷时期的用电量。

为此，必须运用经济杠杆手段，提高峰期的用电价格，降低谷期的用电价格，促使用户在负荷高峰期少用电，节约用电，鼓励用户在负荷低谷期多用电。

复费率电能表是一种分时段计量电能，使电力部门可按时段价格收取电费，进而调节电力负荷平衡的一种电能表。

目前，发达国家的部分地区己经开始按复费率电表收取电费。

我国电力行业的发展及运营也需要复费率电能表的电力负荷调节作用。

同时国家能源短缺的现状也要求电力用户借助于复费率电能表，在一天不同时段电价的调节下，避免在用电高峰期电力供应紧张，在用电低谷时电力生产过剩。

由此可见，使用复费率电能表是我国电能表发展的必然趋势。

电子式复费率电能表的主要意义有以下几点:

（1）使用复费率电能表有利于平抑电力负荷曲线，使发电设备和输电线路运行在较平稳的状态，从而避免由于用电量的急剧变化产生的电力事故或灾难。

（2）对发电厂而言，使用复费率电能表，能使发电及供电设备的容量得到充分的利用，也可以降低在一定用电量条件下的资金投入。

（3）对用户而言，使用复费率电能表，可以减小高峰期和低谷期的用电量的差异，从而减少一定用电量下的支出，降低家庭、办公室及产品的电费或用电成本。

（4）使用复费率电能表，还有利于国家节能策略的落实。

电力负荷曲线平稳后，电力生产的调度部门就能使电力的生产和消费关系达到较好的配合，这样就可以避免电力生产的过剩，达到节约能源目的。

1.3研究目的及论文主要内容

我国经济各行各业对电力的需求越来越大，不同时期用电量不均衡的现象日益严重。

全面实行峰、平、谷分时电价制度，以便于“削峰填谷”，提高全国用电效率。

另外，在复费率电能表中加入通讯接口接口，就不仅可以做到分时计费，而且可以先付费后用电，真正做到用价格杠杆来调节用电，用市场规律来科学管理用电，不需要人工抄表，有利于现代化管理。

本课题主要研究电子式单相复费率电能表的硬件设计和软件设计，详细介绍硬件各功能模块的工作原理和选用的主要元器件的功能特点，分析电能表设计中运用的单片机控制技术，电能计量部分是基于计量芯片设计，以时钟芯片作为峰平谷不同时段的参考时间。

在系统软件设计方面，对系统各功能模块的流程设计进行描述，并详细介绍各子模块的函数功能。

最后介绍了系统的软硬件抗干扰措施及系统误差补偿措施。

此电能表可实现分时段电能计量功能，预付费功能，显示金额功能、。

相应的设计指标及参数为：

（1）单相电能测量；

（2）电压范围220V±20%，电流范围0～20A；

（3）电压电流通过互感器隔离；

（4）精度≤1%；

1．4课题的理论意义和实际应用价值

在电力系统中，某一时刻各类用电设备消耗的电功率总和称为电力负荷，

电力负荷是随时间变化的，可用日（或年）负荷曲线来描述。

当电力系统负荷大

增加时，会形成电网的负荷高峰，而当电力负荷减少时，又会形成电力负荷低

谷。

当电力负荷上的峰值和谷值相差很大时会使发、供电设备容量不能充分利

用，运行不经济。

为了平抑负荷曲线，可以采取经济手段调整负荷。

峰谷电价

就是方法之一。

这就要求采用复费率电表。

大量单一费率的电表则会由于无法

实现峰谷计费而被淘汰，由于目前微电子、计算机技术的发展，通讯手段的自

动化要求也日益增加，远程抄表系统代替人工抄表的趋势越来越显著，这无疑

又是对智能电能表大量生产的客观要求。

因此可靠性高、功能强大、计量准确

且性价比高的智能电表的研制是我国电力系统发展的客观要求。

2设计方案

2.1硬件设计方案

智能电能表中均含有微处理器或微控制器，在微处理器或微控制器的外围进行设备的扩展如数据存储器ROM、键盘、时钟和显示器、及通信口。

作为一个完整的智能电能表还应包括输入通道和输出通道。

图2.1表述了智能电能表的硬件结构组成原理图。

智能电能表实际上是一个微型计算机系统，它是具有微处理器或微控制器的，并有标准总线接口的新型仪器。

不同功能的智能电能表由不同部件组合而成。

智能电能表的监控程序固化在程序存贮器EPROM、ROM、EEPROM等中，被测参量通过传感器将非电量变换成电量，然后经过信号处理和模数转换后变为微处理器能直接识别的数字信号。

所采集的数据或从键盘上输入的数据以及经过一定的算法运算后的数据均暂存于片内数据存储器RAM中。

智能电能表的控制部分一般分两种情况，一是微处理器接受键盘输入的命令后，不需经过数模转换器，直接由接口输出控制信息和数据信息，去控制一些执行机构。

图2.1结构组成原理图

2.2智能电能表的软件设计方法

电能表硬件电路确定之后，仪器的主要功能由软件实现。

相应的软件有采集、采集控制、数据处理、显示、结果打印等。

智能电能表的软件设计需要有一个细致全面的过程。

一般先是清楚的列出智能电能表系统各系统部件与软件设计的有关特点，并进行定义和说明，以作为软件设计的根据。

在此基础上写出软件的功能流程图，程序流程图。

再将程序流程图的一列操作用机器码或汇编语言或高级语言译成处理器能处理的机器代码。

查错和调试是智能电能表软件设计中找出并改正逻辑错误或与硬件有关的程序错误的关键。

在所有的工作完成之后还要进行文件编制。

如图2.2所示智能电能表的软件结构按功能可分为准备程序、键功能程序和系统控制程序。

同时，为了与软件结构相配合，还必须将程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）实现规划。

2.2软件结构

2.3智能电能表的抗干扰方法

智能电能表是以微处理器为核心的微机测量控制系统，因此智能电能表在许多场合都是与计算机控制系统或DCS（集散控制系统）联系在一起的。

智能电能表在不同的应用场合所受到干扰也各不相同，当仪器在运行时所受到的干扰超过一定限度时就会严重影响智能电能表的可靠性，甚至严重影响工业生产现场，因此在设计智能电能表时要注意智能电能表的抗干扰设计。

微机测控系统的抗干扰技术在智能电能表的抗干扰技术中是同样适用的，主要分为硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术。

硬件抗干扰技术主要包括滤波技术（无源滤波和有源滤波）、去耦技术、屏蔽技术、隔离技术、接地技术等。

窜入智能电能表的干扰，其频谱往往很宽，且具有随机性，采用硬件抗干扰方法，只能抑制某个频率段的干扰，仍有一些干扰会侵入系统。

因此，除了采取硬件抗干扰方法外，还要采取软件抗干扰措施。

为确保CPU中的程序正常运行，常常采用如下抗干扰措施:

软件滤波（数字滤波技术）可以剔除模拟输入信号中的虚假信号，求取真值；除了可以使用硬件看门狗电路强制单片机从死机状态回复到正常运行外，还可以采用软件看门狗电路或软硬结合的看门狗技术。

软件看门狗技术的基本思路是:

在主程序中对T0中断服务程序进行监视;在T1中断服务程序中对主程序进行监视；T0中断监视T1中断。

3硬件电路器件选择

3.1互感器输入电路

互感器与信图3-2为电能表本机系统中所采用的互感器与信号输入电路。

VT为1:

1的电流型电压互感器，CT为1000:

1的电流型互感器。

由CS546O产品资料可知，VIN+、VIN-及IIN+、IIN-分别是差分放大器的两个输入端，因此图3-2（a）、3-2（b）中均采用了差动输入电路的方式，这样可以减小零漂，更为重要的是，有利于抑制共模信号，即来自电网的干扰信号。

由于输入交流电压u的最大值设定为260V，输入交流电流i的最大值设定为20A;CS546OA中电压通道的最大有效值输入和电流通道的最大有效值输入分别为150mV和3OmV;再根据图3-2所示的最大互感器电流比，可求得R1为130

，R3、R4均为40K

，R5、R6均为1.5

（取标称值1

），又经过R2、R5、R7、R8的降压作用，使得U1V不超过150mV，U1I不超过30mV。

图3-2互感器与信号输入电路

3.2电能测量及转换电路

目前，国内市场上有好几种单相电子式电能计量芯片，根据价格性能比及市场供应情况，这里选用了CS5460A芯片。

CS5460A是一个包含两个

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

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。

实际上，该芯片有许多优点

如：

（1）不仅能够测量功率、电能，而且能测量电压、电流等其它电量。

（2）采用先进的

型A/D转换器，分辨率高、线性度好，对高频信号有较强的抑制作用，因而对输入信号无需进行复杂的滤波处理。

（3）电能测量精度:

0.1%，为设计高精度的电能表提供了前提条件。

（4）具有自动相位补偿功能，可以大大降低互感器角差的影响。

因为互感器角差的存在，往往造成输入信号的相移，从而增大电能的测量误差。

（5）功率消耗小于12毫瓦。

有利于降低电能表自身的功耗。

（6）具有2.5V片内电压基准。

这样省去了外接A/D转换基准参考电压电路的麻烦。

当CS5460接收到“启动转换”命令，电能寄存器的数据，每N（N值在循环计数寄存器中设置）次A/D转换（即一个计算周期，本系统设置为1S）完毕后更新一次，而电压、电流、功率瞬时值寄存器内部的数据，则每一次A/D转换完毕就更新一次。

图3-3为电能测量及转换电路。

在本系统中，将CS5460的工作时钟WCLK选为4.O96MHz，是为了计算方便。

如果分频系数K取为1，循环计数器的N值取为4000，则一个基本的计算周期为

（3.1）

一个A/D转换周期为

（3.2）

相当于在一个工频周期内采样80个点。

并且可以推出，电能瞬时值的更新频率为l赫兹。

CS546O有四条串行接口线:

/CS、SDI、SDO及SCLK。

/CS为片选控制线，低电平有效，由AT89S52的P20控制。

SDI和SDO分别为串行数据输入线和串行数据输出线。

SCLK为串行时钟，用于控制CS546O与微处理器之间的传输数据同步。

一次数据的传输总是从向串口（SDI脚）发送有效的8位命令（MSB位在先）开始的，然后，从SDI脚或SDO脚输入或输出24位数据（MSB位在先）。

这样就可以通过串行口完成对CS546O的读写操作

3.3单片机

在众多的单片机系列中，AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系列可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业上使用的51系列产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器系统编程，也适用于常规

编程。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超高效的解决方案。

AT89C52具有以下标准功能：

8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，3个16位定时器/计数器，一个响亮2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89C52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。

AT89C52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性

3.3.1AT89C52单片机的硬件结构

AT89C52单片机的内部结构与MCS-51系列单片机的构成基本相同。

CPU是由运算器和控制器所构成的。

运算器主要用来对操作数进行算术、逻辑运算和位操作的。

控制器是单片机的指挥控制部件，主要任务的识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。

它的程序存储器为8K字节可重擦写Flash闪速存储器，闪烁存储器允许在线+5V电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。

数据存储器比51系列的单片机相比大了许多为256字节RAM。

AT89C52单片机的指令系统和引脚功能

3.3.2主要性能参数

（1）8K字节可重擦写Flash闪速存储器

（2）1000次可擦写周期

（3）256×8字节内部RAM

（4）32个可编程I/O口线

（5）3个16位定时/计数器

（6）8个中断源

（7）低功耗空闲和掉电模式

3.3.3AT89C52外部引脚图及管脚说明

图3-2AT89C52引脚图

VCC：

电源

GND：

接地

P0口：

P0口是一个8位漏级开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0口端口写“1”时，引脚作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接受指令字节：

在程序效验时，输出指令字节。

程序效验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位是双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑电平。

对P1口写“1”时，内部上拉电阻的原因，将输出电流ILL。

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑电平。

对P2口写“1”时，通过内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流ILL。

在访问外部数据存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑电平。

对P3口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入端口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流ILL。

P3口除了作为一般、的I/O口线外，更重要的是它的第二功能，如下表所示。

表3-3AT89C52功能表

引脚号

第二功能

P3.0

RXD（串行输入）

P3.1

TXD（串行输出）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT1（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器1外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

RST：

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期以高电平将使用单片机复位。

ALE/

：

地址锁存器控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在Flash编程时，此引脚（

）也使用作编程输入脉冲。

：

外部程序储存器选通信号（

）是外部程序存储器选通信号。

当AT89C52从外部程序存储器执行外部代码时，

在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据储存器时，

将不被激活。

：

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H—FFFFH的外部程序存储器读取指令，

端必须保持低电平（接地）。

为了执行内部程序指令，

应该接VCC。

XTAL1：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

3.4时钟电路

本系统要求时段起始点设定及显示当时的日期和时间，因此，需要自身携带时钟芯片，以便实时监控。

目前，市场上的时钟芯片种类繁多，功能各异，如DS1302，MSM58321等。

我们选用了性能价格比较高，且功能完善的DS12887时钟芯片。

该芯片是DALLAS公司推出的8位并行实时时钟芯片，工作电压为5V，便于在计算机系统中应用。

具有并行控制功能，使其在与微处理器接口时能大大提高CPU的工作效率。

它的计时精度非常高，在25℃的工作环境中误差约为士1分钟/月。

当外部电源电压小于3V时，内部检测系统将自动切断外部电源，改为由内部铿电池供电。

该芯片的具体应用电路如图3-