多功能单相电能表的研究与设计（硕论） .pdf

国内图书分类号 国际图书分类号 硕士学位论文 多功能单相电能表的研究与设计 硕士研究生： 1 9 酉蠢 导师姓名：张屋熬撞 申请学位级别：工学硕士 学科、亏业：控制理论与控制王握 所在单位： 自动也王程生瞳 答辩日期： 2 q1 2 生目 学位授予单位：置岛理王盘掌 c l a s s i f i e di n d e x ：i m 9 堑 udc ： d i s s er t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g t h er e s e a r c ha n d d e s i g no fm u l t i f u n c t i o n a l s i n g l e - p h a s ee n e r g ym e t e r candidate：liux i x i u s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n g m i n a c a d e m i c d e g r e e a p p l i e d f o r ：m a s t e ro f e n g m e e f i n g s p e c i a l t 3 ： c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g d a t eo f o r r ie x a m i n a t i o n ： j u n e2 0 1 2 u n i v e r s i d ：o i n g d a ot e c h n o l o g i c a lu n i v e r s i t y 硕士学位论文 多功能单相电能表的研究与设计 学位论文答辩日期 指导教师签字 答辩委员会成自签字 ? 苏沁 基纽 毒g 目iz 字i 学雅学位诧支 青岛理工大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我十人在导师指导f 进行的研究工作及取得的 研究成祟。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得青岛理工大学或其它教肓机 构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名：担妇整日期：型坠6 青岛理工大学学位论文使用授权声明 青岛理工大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、c d m d 和d 帅有权保 留本人所送变学位论文的复印件和电子文档，可以采用彩印、缩印或其他复制手 段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相致除在保密期内的保 密论文外允许论文被查阅和借阅，可咀公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内 容= 论文的公布( 包括刊登) 授权青岛理工大学研究生处办理 研究生签名：必鱼鱼导师签名：垒盎日期：趔2 ：基坚 ， ! 星茎三至茎三兰竺老兰堡篁三 目录 摘要 第1 章绪论 ll 】2 13 第2 2 引言 国内外研究概况及发展趋势 课题的技术要求及主要研究内容 13 】 13 2 童 技术要求 主要研究内容 3 多功能电能表总体方案设计 测量原理 5 2 11 2 l2 非同步采样算法误差理论定性分析 电参数计算方法 2 2 系统总体结构 2 , 2 1 硬件总体方案设计 2 22 软件总体方案设计 9 2 3 本章小结 第3 章多功能单相电能表硬件电路设计 1 0 3 i 信号采集计量模块1 1 3 1 1 计量芯片r n 8 2 0 9 1 】 3 12 计量模块电路设计 1 2 3 3m c u 及数据存储模块 3 3 】m c u 模块 3 32 实时时钟r t c 3 33 外部数据存储模块 1 3 1 4 3 4 显示、按键及报警模块 1 6 3 4 il c d 显示模块 1 7 3 42l e d 显示、按键i ；蹙报警模块 3 5 通信接口 3 5i r s 4 8 5 通信接口1 9 3 52 红外通讯接口 3 53 z i g b e e 无线通信模块 鼍岛理i 学i 学士学m 诧i 3 6 本章小结 - 2 1 第4 章多功能单相电能表软件设计 2 2 4 1 软件总体设计 2 2 42 数据处理2 5 4 3 通讯处理模块设计 2 6 44 本章小结 2 8 第5 章系统抗干扰设计 2 9 5 】多功能电能表主要干扰源- 2 9 5 l1 电磁干扰 5 】2 误差分析 3 0 5 2 硬件抗干扰设计 5 2l 智能电能表电源设计 5 22 印刷线路扳的设计 5 3 软件抗干扰设计 54 掉电保护措施3 4 5 5 本章小结3 4 第6 章系统调试及结果分析 61 多功能电能表的调试 6 2 结果分析与性能改进 62 l 模拟测试 3 5 3 5 3 5 3 6 6 22 多功能电能表检测及遇到的问题 4 2 6 23 模拟测试结果分析 4 3 6 3 本章小结 “ “ 第7 章总结及展望 7 1 总结 7 2 展望 45 4 6 参考文献4 7 攻凄硕士学位期间发表的学术论文 致谢 附录多功能单相电能表原理图 ” 5 2 耋量：! = 三三三兰至三兰篁耋三 摘要 随着电力系统管理技术的发展，发电、输电、变电和配电等环节的网络化管 理己基本实现，但家用电能表作为电力系统终端独立于网络之补影响了智能电 同的完整性，目前单片机技术日益进步+ 以单片机为主控芯片的电了式电能表的 生产己成规模：集中远传自动抄表系统代表了多功能电能表的发展方向价格低 廉运行稳定、可靠性高、抗r 扰能力强、支持集中远传自动抄表的多功能电能 表有待开发。 本文在对智能电网及电能表研究现状进行深入分析的基础上，提出了具有防 窃电、高精度、低功耗等特点的单相复费率多功能电子式电能表的设计方案，系 统采用a r mc o r t e x - m 3 的s t e l l a f i s 系列微处理器l m 3 s 8 1 2 作为控制芯片，该微控 制器具有资源丰富、成本低等优点，使a r m 苍片在电表中的广泛应用成为可能； 结台单相电能计量芯片r n 8 2 0 9 设计电网参数采集及处理电路设计r s 4 8 5 通讯、 红外通讯、z i g b e e 通讯及数据传输等单元电路，实现了电能信息的及时存储和交 换设计l c d 模块为用户提供了清晰、实时的电量信息。 在软件设计上系统采用模块化编程方式，本文对主控制系统、数据计量与费 控模块、数据存储模块、通讯处理模块进行了喇述。在a r m 处理器的核心控制下， 实现了多功能电能表的电能分对计量、定时存储和数据通信等功能。在计算方j 圭 上介绍了电能测量原理分析了电能计量的基本参数及电参数计算方法，并对 非同步采样法的误差进行了理论上的研究。 最后本文对系统硬件和软件方面的干扰也做出了分析，提出了相应的抗干扰 措施。 关键词多功能电能表a r mr n 8 2 0 9 远程抄表 a b s t r a c t w i t h t h ed e v e l o p m e n to fe l e c m cp o w e rs y s t e m m a n a g e m e n t t e c h n o l o g y t h e i i n k s o fp o w e rs y s t e ms u c ha s p o w e rg e n e r a t i o n t r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o nb e c o m e m a n a g e m e n t w i t hn e t w o r kb m t h eu s e r t e r m i n a l sa r e i n d e p e n d e n t t h go f t h i sn e t h o r ki t m a k e st h es y s t e mi m p e r f e c ta n da f f e c t st h ed e v e l o p i n go fi t s p o t e n t i a ld i r e c t l y o r i n d i r e c t l y t h es y s l e mf o c u s e so nr e m o t et r a n s m i s s i o na n da u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gi t r e p r e s e n t st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no f $ m a qm e t e r n o w a d a y ss i n g l ec h i pt e c h n o l o g y d e v e l o p sv e r yf a s t t h ep r o d u c t i o no fe l e c t r o n i ce n e r g y m e t e r st h a tu s et h es i n g l ec h i p p r o c e s s o ra st h ec o n t r o lc h i pi so i lal a r g es c a l eb u tt h es m a r tm e t e r ss t i l ln e e dt ob e d e v e l o p e d w i t c ha r e c h i pr u n n i n gs t a b l y , w i t hs t r o n g a n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t y , s u p p o r t i n gc e n t r a l i z e dr e m o t et r a n s m i s s i o na n da u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g b a s e do nt h ea n a l y s i so fs m a l lg r i da n dt h ec u r r e n tr e s e a r c hs i l u a t i o no fs m a r t m e t e rt h i sp a p ep u t sf o r w a r dt h es y s t e md e s i g no fs i n g l e p h a s ea c t i v em u l t i t a r i f f , a l l - h o u rm e t e r , t h i s d e s i g n i s c h a r a c t e r i z e d b y a n t i e l e c t r i c e n e r g y s t o l e n h i g h a c c u r a c y 1 0 w - p o w e rd i s s i p a t i o na n ds oo i li nt h i ss y s t e m s t e l l a r i sl m 3 s 8 1 2 m i c r o c o n u o l i n ri su s e da st h ec o n t r o lc h i pi n t r o d u c et h ed e s i g no fp a r a m e t e r so f e l e c t r i c i t y , s y s t e ma c q u i s i t i o nc i r c u i t ，r s 4 8 5c o m m u n i c a t i o ni n f r a r e dc o m m u n i c a t i o n ， z i g b e ec o m m u n i c a t i o na n dd a t at r a n s m i s s i o nc i r c u i t s hh a sr e a l i z e dt h es t o r a g ea n d e x c h a n g eo f p o w e ri n f o r m a t i o nt h el c dm o d u l ei sd e s i g n e d 南rt h 盯t og e lp o w e r i n f o r m a t i o nc l e a r l ya n dt i m e l y m o d u l a rp r o g r a m m i n gi sa d o p t e db yt h es y s t e mi ns o f t w a r ed e s i g ni te l a b o r a t e s t h ep r o g r a mm o d u l e ss u c hb sm a i np r o g r a md a t am e a s u r e m e n ta n dm u l t i - 糟t ec o n w o l m o d u l e , d a t as t o r a g em o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o np r o c e s s i n gm o d u l eh it h ec o n o lo f a r m p r o c e s s o r t h ef u n c t i o n so fe l e c t r i c a le n e r g ym 倒u r e m e n ts t o r i n gw i t ht i m e - l a b e l a n dd a t ac o m m u n i c a t i o n i sr e a l i z e d i n t h es m a r t m e t e rs y s t e m i n t h ec a l e u l a d o n m e t h o d t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em e a s l ! r 。m e o tp r i n c i p l eo fe l e c t r i c a le n e r g y a n a l y s et h eb a s i c p a r a m e t e r so fe l e c t r i cp o w e rm e a s u r e m e n ta n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fe l e c t r i c p a r a m e t e r sa n dt h ee r r o ro fs y n c h r o n o u ss a m p l i n gm e t h o di sr e s e a r c h e dt h e o r e t i c a l l y i n t h i s p a p e r fn ay t h e i m e r f e r e n c eo fh a r d w 盯ea n ds o f t w a r e i n t h i ss y s t e m i sa r i ay z e da n d a n t i i n t e r f e r e n c e m e a s u r e sa r 。p u t f u r w a r dc o r r e s p o n d i n g l y i n t h i sp a p e r k e ) w o r d se n e r 9 3m e t e r a r mi l n 8 2 0 9r e m o t ee x p e n s es t a t i s t i cs ? s t e m ! i i ；：! ! ! i ! ： 第1 章绪论 1 1 引言 目前电力系统现代化水平目益提高电网与电力市场、客户之间的关系越 来越紧密窖户刊电能质量的要求逐步提高，传统的电| 珂已经难以满足社会发展 的要求。 所谓智能电网，是在高速双向通信的网络基础上，应用先进的控制方法和决 策、先进的传感和测量技术，支持整个智能系统的应用实现电网整体高效、经 济、安全、可靠、友好地运行m 1 。在智能电网的研究与设计中多功能电能表作 为控制终端，承担着数据计黄和互动的功能。多功能电能表是应用计算机技术， 通讯技术等，形成以智能芯片( 如c 阻) 为核心具有电功率计量计时、记费、与 上位机通讯和用电管理等功能的电度表f 3 。 电能表是电力系统生产、传输、营销过程中的重要衡器，是电力企业运行安 全、技术水平、管理水平发展的重要手段。它的准确性直接影响到各行吾业及人 民生活的切身利盏。找国早期的交流电度表是感应式机械电能表，该电能表采用 人工抄读电表的方式、功耗大、计量准确性不高、量程宽度有限，目前我国电力 公司和电业局大多实现了用电营业计算机管理系统的开发和应用。但用电数据的 采集仍依靠人工抄取，费时费力且存在抄表不到位、不准确、不及时等问题，无 法有效实现防窃电。 随着电子工业的发展，多功能电能表应运而生。它集电能计量、数据处理和 远程通讯为体，已经逐步成为电能表发展的主流阍。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 国内外研究电能计量和数据通信的理论已经趋于成熟智能电网中多功能电 能表的现代化和智能化技术已经成为国内外研究的热点、 电能表作为计量电能大小的器具，其发展可追溯虱j 1 8 8 0 年汤姆斯爱迪森根 据电解的原理发明了计量直流电的电能表。1 8 8 9 年匈牙利岗盐公司研制出第一块 感应式电能表= 十九世纪末形成了较完整的感应式电能表的基率制造理浍； 2 0 世纪j o 年代初我国开始生产感廊式电能表：2 0 世纪8 【1 年代初开始生产电子 曼璺堡三查兰三兰堡圭：墨堡三 式电能表2 0 世纪9 0 年代初，我国研发并考试生产电子式电能表本世纪初，欧 美等发达国家已全面使用电子式电能表：现在我国己成为世界上电子式电能表年 产量最大的国家” 。 随着经济增长和人民生活水平提高全国全社会用电量日益增长电力生产 供不应求，这对合理调度电能提出更高要求。在现有的电网规划的基础上解决电 力供求之间的矛盾，主要有拉闸限电和分时计费两种方法，分时计费即实行峰谷 分时电价削峰填谷可以提高电t ；f ：资源的利用效率“这为复费率和多功能电 能表带来了广阔的应用空问。复费率多功能电能表的发展经历了机械式、机电一 体式及全电子式三个阶段。电能表正向着全电子式、多功能、复费率、具有标准 通讯接1 2 以及远程抄控功能的智能化方向发展。 1 3 课题的技术要求及主要研究内容 本课题根据单相费控多功能电能表技术规范，设计了一种基于a r m 微处理器 和电能计量芯片相结台的多功能单相电能表。具有结构简单、性能可靠- 具有防 窃电、高精度、高过载、线性好、功耗低、体积小、重量轻等特点。 1 3 1 技术要求 1 主要技术参数 多功能单相电能表主要技术指标如表1 1 所示。 表l + 1 多功能单相电能表主要技术指标 t a b l el - i1 1 i e m a i n t e c h n i c a l i n d e x e so f m u l t i f u n c t i o ns i n g l e - p h a s ee n e r g y m e t e r 项h技术参数 精度等城 2 0 纽 敏定电压 额定电流 额定频率 电压线路功耗：1 s w ，5 v a 功耗w ) 电流线路功耗i v a ( i b ) 电丘范崮 脉冲常数 起动电流 相x _ 址艘 寿命、午) 三璺垄土至三士主譬圭主垩鎏兰 2 多功能电能表的基本功能m ( 1 ) 计量功能：具有正向有功电能、反向有功电能计量功能及分时计蕾功能 可至少存储上1 2 个月的总电能和各费率电能量： ( 2 ) 测量及监测功能：能预0 量、记录、显示当前电能表的电压、电流f 包括零 线电流) 、功率、功率因数等运行参数： ( 3 ) 显示功能：采用液晶( l c d ) 显示器，其对比度高视角宽在正常使 i j 条 件下寿命太于1 0 年： 一) 费控功能：在电能表内进行电费实时计算：全年可设置2 个时区，在2 4 h 内可以任意编程8 个时段，具有两套费率时段表及两套电价方案，每套费率可支 持4 十费率 ( 5 ) 停电抄表功能：在停电状态下，能通过按键或非接触方式唤醒电能表，抄 读数据： ( 6 ) 通信功能：具有红外接口其z i g b e e 模块接口与r s 4 8 5 接口物理层相互 独立一个通信接口的损坏不影响其它通信接口正常工作： ( 7 ) 计时功能：具有温度补偿功能的内置硬件时钟电路和日历、计叫、闰年 自动转换功能： ( 8 ) 报警功能：当电能表出现故障时，电能表进行相应的声光报警，在液晶显 示器上显示出错信息。 1 3 2 主要研究内容 1 通过对我国智能电网、多功能电能表的研究现状的深入分析并根据国家 电网规定的多功能电能表的技术参数及功能要求确立了本课题的设计方案， 2 本系统硬件电路的设计主要包 舌：控制管理模块、电源模块、计量模块、 红外通信模块、r s 4 8 5 通信模块、外置型z i g b e e 通信模块、数据存储模块、显示 和按键模块、时钟和报警模块等。 f 1 1 主控制器的选型 在m c u 的选择l 选用a r m 处理器l m 3 s 8 1 2 。它主要用于低成本、小管脚 数和低功耗的场合具有极高的运算能力和极强的中断响应能力。 ( 2 1 通信模块 采用r s 4 8 5 通信、红外通信和z l g b e e 无线通信三种方式共同实现。电力参数 胃岛| i 学i 字学* x 的抄取使用r s 4 8 5 通讯或者z i g b e e 通讯，满足国家电网相关规范要求。工作人员 对多功能电能表的参数设置采用红外通讯方式。 f 3 ) 电能计量模块 选用单相专用计量芯片r n 8 2 0 9 ，可测量有功功率、无功功率、有功能量、无 功能量，可以实现灵活的防窃电方案。误差小于01 低功耗，并且具有与s p i 兼容的串行接口。 ( 4 ) 电源模块 本设计选用变压器降压电源为单相多功能电能表提供较低水平的供电电压： 选用电池标称容量9 0 0 m a h 、电压36 v 的锂电池做备用电池保证停电后能实现 变压器降压电源与备用电池之间的无缝切换 3 软件设计是多功能电能表的灵魂。软件的优劣不仅关系到仪表功能的实现， 而且涉及到电能表的可靠性和使用的方便眭：所蚍在程序的设计中应采用模块化 设计方法，使得程序结构清晰，便于调试、维护和升级，采用c 语言编写代码 提高系统的可移植性。 系统软件处理程序主要包括主控制系统、数据处理与存储、软件校表、按键 和l c d 显示，通讯以及报警异常处理等模块并绘制相应软件流程图。 4 在完成系统硬件和软件设计的基础上进行系统的调试。对系统各项参数 和测量结果进行精度测试。 毒g i 兀学i 学硕士学位论卫 第2 章多功能电能表总体方案设计 2 1 测量原理 电能表的信号输八方法主要有电阻采样和互感器两种采样信号的误差大小 直接关系到计量精度。常见的电力参数采样方法可分为：同步采样、准同步采样 和非同步采样等i 旧。 同步采样采是在用均匀取样的方式对周期信号进行数字化测量时，采样频率 与信号基波频率之问存在整数倍关系的采样方式具有能够满足采样要求同时 理论上不存在测量方法误差等优点。目前主要有硬件实现、软件实现两种实现途 径采用这两种方法时必须考患同步误差特别是当信号非正弦或产生畸变时。 在实际应用过程中同步采样法是根难实现的。 准同步采样是等间隔准同步采样测量方法的简称，这种方法本质上是等间隔 同步采样无需严格要求信号频率质量降低了硬件复杂度但系统软件的开发 难度增加。在准同步采样测量中，很难做到采样周期与被测信号周期严格同步。 非同步采样法的精度不如硬件同步采样高，但是非同步采样实现的限制因数 少硬件成本低实际情况更接近理论精度，并且由于电流传感器的精度等级不 高从误差分配的角度来看，采用其他两种算法的意义并不明显故本系统选用 非同步采样法对信号进行取样。 2 1 1 非同步采样算法误差理论定性分析 同步采样是非同步采样的一种特殊形式当周期偏差减少到零时，非同步采 样转化为同步采样。非同步采样的物理意义如图2 1 所示。 一信号周期2 “m 一d 二一 一 杀样周期“b 一 用十算求和的采样值x 采样值 罔2 - i 非同步来样隔孵 f i g2 - 1t h e 即p ho f s y n c h r o n o u ss 啦p 1 1 雌 当被测信号u ( t ) 过零后，从某一角度a 开始以采样角口( 卢2 2 a t 一丁) 对信 号u ( t ) 、i ( t ) 均匀地采样，采样n - - l 对数据后，采样周期为nb nb 与最近的信号 周期2 x m 存在采样截断角。非同步采样法中采样截断角 b 采样向或采样 间隔+ 一可以由周期测量值计算得出也可咀设为一个固定值。当b 或1 ，设为固定值 时，若被测量信号频率变化，一个周期( 或m 个周期) 内采样点数r l 也变化，然而 b 或+ t 值应保证每个采样间隔为a d 转换留有足够的时间。 在非同步采样测量中，其中一种方法是在被测信号u ( t ) 过零时开始采样，当 被测信号是正弦信号，且过零起始采样时，采样起始点与电压过零点间的角度 口。0 。起始采样点选取的原则是应使测量截断误差最小 m 。 2 1 2 电参数计算方法 要完成各项电参数的计算首先应该采集交流电压、电流的瞬时值m ”o “，其 一般表选式如下： 电压有效值为 电流有效值为 瞬时有功功率为 有功电能 u ( t ) - u i _ + ，s i n ( m o t + a , ，) ( 2 ，( ) f o + i , s i n ( n e o t + 以) ( 22 ) 。= 冉f 砌 - = 冉胁 “，) = u ( t ) i ( t ) ( 24 ) e = f p ( ，) 曲= f u ( t ) i ( t ) d t ( 26 ) 列正弦波信号有电旺有效值： 电流有效值 有功功率 视在功率 无功功率 u = 耵而= 历i 蕊 = 。i u ，”。f f ( 1 - c 。：s ( 2 c a t l ) d t = 万u 一岿胁肌缶 f 27 1 ( 28 ) p 2 r p ( ，) m = r u ，s 叫“) x ls i n ( c o t + p ) m = ? 1 j 1u 。，c 。s 神一i 1i j iu ，c o s ( 2 “一p ) m ( 29 ) = ；u c 。s p = u c o s p 时于非正弦信号有电压有效值 s = u 1 0 = u ls i n u = 再n 岫= 厢t 乩+ 弘s 埘2 m 冉f ( 砉吒( 坚芋型) + 狲m ( 咖哪，脚 = 瓯= 露 电流有效值 有功功率 一蛳，：n 磬 ( 2 1 0 ) ( 2 1 】) ( 2 1 2 ( 2 1 3 舡f “( 小( ，砷 2 f ( 乩+ 善u ms i n ( n c o t + a ) ) 。( i o + 善k s i n ( ”+ 且) 砷 2 r ( u d o + ( u ，s i n ( h “) s l n ( h 酬+ 竹) ) + ( e ，。s l n ( f 甜+ q ) s i n ( j o g + 卢一) ) ) 出 = 。+ u lc o s 竹= 只 f 2 1 4 ) 其中：见= 鼠一口。，功率因数为： c o s # = 冬 ( 21 5 ) 含有谐波的无功功率及电能没有统一的定义。关于频率的计算频率仁二， 可以通过戟件定时器计数一个周波的时间来实现【2 恤l 。 2 2 系统总体结构 2 2 1 硬件总体方案设计 硬件的设计主要以满足基本性能、可靠性要求、降低成本为原则。在选取元 件时，耍尽量选择低成本、低功耗器件：在电路板设计过程中主要考虑系统的 电气可靠性以及系统的抗干扰能力1 2 ”。 为了方便硬件系统的调试、维护和升级，硬件设计采用模块化方法。计量模 块、数据处理模块、通信模块直接决定了整个电能表的多功能性和面向居民用户 的市场潜力。它将解决居民用户的用电计量收费，解决偷电漏电、管理混乱、人 工抄表等诸多问题。提高电力部门的信息管理促进用户合理用电方便居民操 作“3 ”：硬件总体方案框图如图2 - 2 所示。 圈2 - 2 硬件总体方睾框图 f i g2 - 2 t h e b 】o c kd i a g r a mo f o v e r a l lh a r c l w 盯 d e s i g n 系统咀超低功耗芯片l m 3 s 8 1 2 作为控制管理模块的核心采用高精度防窃电 专用计量芯片r n 8 2 0 9 作为计量模块，在两个功能模块相结台的作用下实现电量的 采集测量数据处理运算、存储与输出，井可通过串口和s p i 总线与外设连接， 使电能表白身功耗大为降低。系统内部提供较件校表，将大大降低了人力资源成 本通信模块包括r s 4 8 5 、红外以及z l g b e e 通信三部分，其中外置型z i g b e e 无线 通讯模块采用集电表数据采集、传输、通信及断电控制等功能于一体的自动化设 计：它使用电部门及时掌握用户用电情况，根据需要进行供电控制和防止窃电 实现远程抄表节省抄表人力物力o q ， 2 2 2 软件总体方案设计 根据电力部门和居民用户的需求设计多功能单相电能表的软件方案。实现 电能计量、数据的读取、费控等功能：具有软件校表功能经过校正的电能表有 功精度可达到20 s 级。同时从软件设计上提高电能表的抗干扰能力要求程序设 计逻辑清晰，操作简单可靠性高。系统软件主要从以下几个方面进行设计： ( 1 ) 上电后检测电源电压是否稳定，实现上电自检、程序初始化功能： ( 2 ) 设置冗余化处理模块，主程序反复进行冗余初始化+ 保证接口资源，小断资 源、o 状态可完全被控制： ( 3 ) 实现掉电数据处理功能通过硬件跳闸检测电路检测掉电情况，掉电后保存 数据进入s l e e p 模式等待事件唤醒，并循环检测上电隋况： 青岛i i 顿士字镕文 ( 4 ) 定时读取电能参数并定时监控计量芯片工作状态实现对电流有效值、电压 有效值、有功功率、无功功率的计量以及对功率因数、频率的计算： ( 5 ) 实现对开盖检测、失压、失流、功率反向、电池欠压等事件的记录和处理， 完成发光和声音报警输出事件恢复正常后报警自动结束； ( 6 ) 通过r s 4 8 5 、红外、z i g b e e 三路通信方式进行数据的远侍交互，实现通讯处 理功能： ( 7 ) 实现电能表的l c d 的自动循环显示和按键显示功能。 在程序运行过程中电能表的软件总体设计框图如图2 - 3 所示。 “ * _ 五百蕊 翮 + 一 百磊磊丽 r 一 絮1 9 一叫! ：! ! 塑! 墅! i q 2 z “m a 忑赢毛面订 i 一 5 、# * i g # 匿2 - 3 电能表的软件总体设计框图 f i g2 - 3 t h es o f t w a r eo v e r a l ld e s i g nd i a g r a mo f g y m e k r 2 3 本章小结 本章在智能电阿的背景下，从硬件和软件两个方面设计了多功能电能表的总 体方案e 首先阐述了基于非同步采样算法的测量原理给出了该算法的理论误差 推导公式以及电参数计算方法然后介绍了多功能电能表的硬件总体设计方案， 包括控制管理t 电源、计量，嬗信、时钟、数据存储、显示t ；5 按键等模块：最后 在此基础上说明了多功能电能表的软什程序的流程图。 摹 第3 章多功能单相电能表硬件电路设计 针对智能电阿具体要求，多功能电能表在传统电表功能的基础上，实现数据 的双向实时通信和互动性功能，提供实时数据为分时电价的实施提供基础：系 统主要从精准高效、低功耗、抗干扰等方面进行设计。 3 1 信号采集计量模块 3 1 1 计量芯片r n 8 2 0 9 为了适应电子式电能表的需要，采用电能计量专用集成电路配上少量外围 电路和相应软件的设计方案。 乘法嚣的功能是将被测电压、电流进行瞬时相乘得到瞬时功率，它是电能 表的核心的电路，电能表中常用的乘法器分为模拟乘法器和数字乘法器，模拟乘 i 圭器叉分为变跨导乘法器( 又称希尔伯特乘法器) 和时分割乘法器：数字乘法器可分 为硬件乘法器和软件乘法器，根据a d 转换原理不同，数字乘法器可分为逐次 比较型和一a 型。其中以高精度为优势的一a 型电能计量芯片占据了较大的市场 份额“。 本设计选择单相专用电能计量芯片r n 8 2 0 9 作为信号采集计量模块的核心器 件i 瑚。r n 8 2 0 9 提供3 路a a d c ，可以实现有功功率、无功功率、有功电能以 及无功电能的测量。两路互相独立的有功功率及其有效值、电压有效值、线频率、 过零中断等使多功能电能表具有根好的防窃电功能。 r n 8 2 0 9 支持全数字的增益、相位和o f f s e t 校正通过串行接口s p i 和r s i o 实现与m c u 的通信。r s i o 接口用一根数据线即可实现双向通讯。片内包含一个 电源监测电路对模拟电源( a v d d ) 进行实时监控，电源电压高于43 v 士01 v 时 芯片正常工作，一旦低于4 v 士01 v 芯片复位。r n 8 2 0 9 系统框图如图3 - i 所示。 r n 8 2 0 9 计量芯片系统功能主要包括电源监测、系统复位，模数转换等，司 以实现有功功翠、有效值、能量等的计算。完成通道切换、频率测量、过零检测 等功能。电源电流经过通道v 1 和v 2 的正、负模拟输入引脚采用完全差分输 八方式电压经通道v 3 正、负模拟输入引脚完伞差分输八；信号输 后经可编 程增益放大器处理，输出范围放大到a d 变换电路的输入范围电信号经a d c 图3 - 1r n 8 2 0 9 系统框图 f i g3 - 1 r n 8 2 0 9s y s t e m d i a g r a m 3 1 2 计量模块电路设计 本系统中多功能电能表的额定电压u 。为2 2 0 v 额定电流，。为5 a ，额定频率 5 0 h z 电压范围是0 7 讥 2 g o ，脉冲常数为1 6 0 0 i n l p k w h 。 r n 8 2 0 9 的三路一& a d c 一路采样相线电流一路采样零线电流，一路采 样电压值，最大输八电流、电压幅度峰值为为7 0 0 m v 此模块电路要把电网中的 电流、电压信号幅值调整到峰值范围内。 电流取样通常有锰铜分流和电流互感器外加电阻两种方式。综合考虑系统的 功能及成本要求，零线电流采用电流互感器加电阻的方式采样：相线电流选择锰 铜分流器取样，可以实现相线电流有效抗直流i 。电压采样通常采用电阻分压或 电压互感器降压。电压互感器降压方式虽然能在电网与电表问起到隔离作用，但 功耗大、成本高。所以本系统电压取样采用电阻分压方式，这种方法电路简单、 低成本有利于提高电表的集成度。计避模块电路如图3 - 2 所示。 芯片供电a v d d 波动要求在5 v 5 以内外部时钟采用35 7 9 5 4 5 m h z 晶振。 r n 8 2 0 9 与主控制器之间的通讯采胃s p i 串行接口，计量芯片接收主控制器发来 的命令，上传电量数据或输出电能脉冲， 圈3 - 2 计量模块电路 f i g3 - 2 m e a s u r e m e m m o d u l ec i r c u i t 光耦n e c 2 5 6 1 可以实现m c u 与r n 8 2 0 9 之间的电气隔离确保计量芯片的 无干扰工作环境叫，光耦隔离电路如图3 - 3 所示： 焉 蚕至掌 一o i 圈3 - 3 光耦隔离电路 f i g3 - 3p h o t o e l e c m c a lc o u p l i n g i s o l a d n gc i r e m t 3 3m c u 及数据存储模块 根据多功能电能表对i o 口需求、t i m e r 需求、串行口数量、r o m 及r a m 大小 等指标本设计m c u 采用a r m 系列处理器l m 3 s 8 1 2 它强勘的性能，低功耗，多 塞里堡三銮三三三堡三耋呈鎏圣 任务处理是设计多功能电能表的关键。配合具有温度补偿功能的r x 8 0 2 5 内置硬件 时钟电路，具有日历计时功能。大量的数据寄存于e e p r o m 中，至少能存储上几 个月结算用的单向或双向总电能和各费率电能数据。 3 3 1m c u 模块 l m 3 s 8 1 2 是德州仪器( t 1 1s t e l l a n s 系列的一款基于a r mc o r t e x m 3 n 核的微控 制器，支持3 2 位精简指令集( r i s c ) 运算能力，拥有与8 位、1 6 位微处理器相同的价 格，使a r m 芯片在电表中的广泛应用成为可能口“。 l m 3 s 8 1 2 微控制器采用了a r m 可兼容t h u m b 的t h u m b 一2 指令集来降低内存的 需求量，从而达到降低成本的目的。该微控制器资源丰富，支持主频5 0 m h z 操作， 内部存储器拥有6 4 k b 的单周期f l a s h 和8 k b 的单周期s r a m 2 个完全可编程u a r t 和3 个通用定时器，可进行明确的中断处理。提供7 3 4 个通用i o 数据端口可根据需 要配置，配合外围电路，充分满足电能表的功能需求。通过f o d 的数据锁存功能 实现引脚复用，使多功能电能表芯片具有更高的集成度，更低的功耗，更低的成 本，m c u 模块接口电路如图3 - 4 所示。 0 滕 复位电路 蛾 燮笔攀| 薏童 莲i。黧蓁篡 畦隐鳓l 腿釜孙 ；5 ；i 幽3 4m c u 模块接口电路 f i g3 4 m c u m o d u l e i n t e r f a c ec i r c u i t 童量垄三銮三士三薯圭兰玺重兰 3 3 2 实时时钟r t c 实时时钟为电表提供精确的时间基准，它与电表的系统误差、电费结算、事 件记录等都有一定关联。本系统采用实时计时芯片r x 8 0 2 5 功耗低，精度高采 用模拟i z f 总线模式实现通信。 r x 8 0 2 5 内置高精度频率调整的3 27 6 8 k l - l z 晶体振荡器具有6 种中断拄生功 能、2 个系统闹钟功能、振动停止检测功能、电源电压监视功能等同时可咀对时 钟进行任意精度调整3 。此芯片接口电压宽幅为1 7 v 到55 v ，最低消耗电流为 0 4 8 删30 v ，支持4 0 0 k h z l 2 c 总线高速数据传输模式：可读取时钟参数，固定周 期艘生中断， r x 8 0 2 5 与l m 3 s s l 2 的接口电路如图3 - 5 所示，r x 8 0 2 5 的s c l 引脚接 l m 3 s 8 1 2 的外部时钟输入引脚p b 2 ，s d a 接l m 3 s 8 1 2 的p b 3 。r x 8 0 2 5 与m c u 的连接采用普通i o 口实现根据p c b 布局的需要可以更换为其他的任意普通u 0 口接线，使布局更加简单可靠。m c u 的软件控制采用模拟c 编程， 罔3 - 5r x 8 0 2 5 与m c u 接口电路 n g3 - 5 r x 8 0 2 5 孤d m c u i n t e r f a c ec i m u i t 3 3 3 外部数据存储模块 在本设计中外部数据存储模块选州2 5 6 k 位串行e e p r o m 芯片a t 2 4 c 2 5 6 。它 采用低功耗c m o s 技术，通过，。c 总线实现与l m 3 s 8 1 2 的串行通讯。e e p r o m 是电可擦除可编程r o m 掉电后数据不壬失可以通过一定的编程电压擦除或重 新写入数据， ，。( 是一种双向控制总线般有数据线s d a 和时钟线s c l 阿根信号线p ”。 数据存储到e e p r o m 刚a t 2 4 c 2 5 6 作为从器件被m c u 寻址；m c u 在数据传输时 | ix i x 作为主机，是初始化总线的数据传输并产生允许传输的时钟信号的器件。s d a 线 上的数据在时钟的高电平周期保持稳定。数据线的高或低电平状态只有在s c l 线 的时钟信号是低电平时才能改变；数据传输的起始和停止条件由主机产生在s c l 线是高电平时s d a 线从高电平向低电平切换+ 这个情况表示起始条件：当s c l 是 高电平时s d a 线由低电平向高电平切换表示停止条件，a t 2 4 c 2 5 6 与m c u 接口电 路如图3 - 6 所示。 圈3 - 6 a t 2 4 c 2 5 6 与m c u 接口电路 f i g3 - 6 a t 2 4 c 2 5 6a 日d m c u i n t e r f a c ec i r c u i t e e p r o m 接受来自m c u 的起始信号命令，启动数据发送过程，a t 2 4 c 2 5 6 接 受l m 3 s 8 1 2 寻址。由于只外接一片外部存储器地址输八引脚默认接地，e e p r o m 通信时地址列应为0 。若w p 引脚接电源v c c ，a t 2 4 c 2 5 6 的所存储内容都被设置 为写保护