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1 三相自抄表电子式电能表的 设计 学 生：成佳伦 指导老师：刘旭红 (湖南农业大学工学院，长沙 410128) 摘 要： 本课题针对三相电力用户耗电统计的问题设计了一款新型的具有自抄表功能的电子式电能表，该电能表以专业计量芯片为计量核心，依靠单片机对整个系统进行控制。通过硬件和软件模块的相互配合，可 以稳定可靠的对电力用户的多种电能参数进行测量，并且能够将电能信息 上传到抄表系统。 关键词 ： 电子式电能表；掉电处理；自抄表；电能计量芯片 F 10128, a to of s is a it s it it to 前言 三相自抄表电子式电能表的研究背景 在我国，电能作为一种清洁的二次能源是一种重要的消费品。改革开放以来，我 2 国经济的发展突飞猛进，电力工业生产规模不断扩大，各行各业对电能需求量大幅提高。每年我国都在不断扩建发电设施，更新扩建配电系统，目的是增加发电量供电量，以满足与日俱增的生产生活用电需求。电能管理监督到户的手段是国外个别发达国家实行电网统一管理的主要措施。电力公司对所辖地区内各电力用户的用电信息进行采集，直接或间接对每个用户电能的使用进行管理，这样可以大力的提高电能管理的力度。我国也在逐渐推行这一举措，电子式电能表就是在这种大环境下出现并开始 迅速推广。 上个世纪 60年代出现了时分割乘法器的功率测量原理，在这个原理基础上各国研制出了单相和三相电子式功率电能表，那时的电子式电能表都是时分割乘法器为核心的电路系统。后来嵌入式系统进一步发展，模数转换技术和大规模集成电路开始广泛应用，具有集成 A 储器、处理器、通信接口的专业计量芯片出现，各种性能和功能的电子式电能表逐步成为电能计量行业的主导。 国际上近些年电子式电能表的发展非常快，许多欧洲发达国家以及北美等许多国家工商用电计费电能表已经实现 100电子化，居民用户的计费电能表也几乎被电子式计量设备取代，目前很多国家已经宣布完全停止对传统的感应式电能表的购买和安装。电子式电能表有着诸多优点，如高精度、功能易扩展、抄表便利、可联网通信，使各种电子式电能表设计生产行业发展迅速。在我国，电子式电能表已经占据了电能表生产行业的主要份额，有多家大型电子设备制造公司长期致力于电子式电能表的研究和生产，他们的实践和努力为电子式电能表在我国的发展打下基础。国家电力系统的两网改造工程开展后，国内的电子式电能表研究机构如雨后春笋，不断涌现，设计水平和生产工艺水平一直在不断提高。 三相自抄表电子式电能表的 发展趋势 随着集成电路的日益发展和新器件的开发成功，电子式电能表逐步进入电力系统生产和销售管理部门的电能计量计费第一线，电子式电能表进入千家万户，我国加入能表产品在国际市场上崭露头角，我国自主研发的专业计量芯片已被国际上认可，许多我国生产的优秀芯片类型已经和世界上高端厂商生产的芯片在功能和性能上基本达到同一水平。由于专业计量芯片行业的蓬勃发展，电子式电能表的设计和生产也已经取得了质的飞跃。目前，电子式电能表制造行业已经从原来的功能单一，内部构造模式单一，核心技术相似，性能不及传统感应式电能表的 状态逐渐发展为现在的多功能多品种，精度指标高，性能质量好，知识产权自主的形势。不但如此，我国电子式电能表行业逐渐发展成两个成长方向，即专一功能高性能化和多功能多兼容 3 化。 电能计量装置是商品交易中一种特殊的计量器具，其自身技术性强，要求高，因为生产企业在单位时间内生产所消耗的电能数量巨大，电能计量装置运行计量工作是与用户用电同时进行的，电能计量的瞬时性和不可重复性决定做好电能计量工作格外重要。国家对电能计量装置执行强制检定，监管力度大，必须定期校验，阶段性的改进和更新计量装置是我国电管部门的工作要求。 课题主要研究内容 本课题是基于应用一款功能强大的电能计量芯片 用以 发的一款综合自动抄表功能、多参数测量功能等于一体的电子式电能表。该电能表的研发方向定位于三相四线制电能测量方式，有功精度满足 O 5S、0 2S，动态范围 1000： 1，无功精度满足 O 5S，动态范围 l。 本课题的主要内容及安排如下： 1、硬件设计之初构建电子式电能表的 求通过电路板能够完成从电能信号采集、转换、计算、显示输出等一系列过程。并且该设计硬件接口 支持在线升级以及远程抄表。 硬件电路完成以下要求： (1)利用电网电源供电，并且 在电网掉电情况下保障系统数据安全保存，恢复供电后可重新投入使用； (2)具备灵活方便的用户操作键盘和一目了然的信息显示系统，建立通畅的人机交流渠道 ； (3)通信接口包括 (4)具备近程或远程的通信功能，在需要的情况下，系统能够做到抄表员不需要直接到户读表通过网络便可直接读取电量参数信息，并且可以对电表存储器内数据进行更改 ； (5)硬件系统在常规环境下运行稳定，在硬件层面能够抵抗一定的电磁干扰。 2因为电路板设计由多个功能模块组建，并且需要扩展远程抄表功能，因此各个模块间的通信和抄表通信的可靠性显得尤为重要。在电路板设计的同时对电子设备电磁兼容技术进行研究，并将电磁兼容技术应用于电路设计。 3完成电子式电能表程序设计，软件程序可控制系统完成各个功能并且运行稳定。 2 电子式电能表的硬件 4 硬件总体设计 图 1 电能表硬件总体设计 设计目的是进行三相电能检测，因此首先将三相电流电压分别输入采集电路，电流与电压信号经过互感器降压，并且将信号进行调理输入到计量芯片 括们转换乘积运算 等， 供 所需参量存入片内存储器供电能信息提取。掉电检测部分负责系统的 将电网有无供电的情况提供给单片机，判别系统是否进行掉电处理。动抄表系统可以读取存储器内 存储的电量信息，还可以直接更改处理器内寄存器状态或通过总线与片内 级。 设计要求：能计量准确、精度高，误差为 2 。电能表正常工作时，能显示剩余点能值、已用电能值，当表内剩余电能不足 20度时，能提醒用户余电不多，及时购电，具有记忆功能，远程抄表功能。 系统整机性能指标 电能表的设计必须实现一些必须的功能，硬件和软件水平达到国家对 仪器仪表的相关要求标准。本课题设计的三相自抄表电子式电能表满足国家电表仪器标准 5 分技术指标如 下 表。 表 1 三相自抄表电子式电能表的部分技术指标 of 数名 指标 额定电压 3 220 380V 额定频率 50量误差 功率 1级，其它 2级 时钟准确度 0 5S(23 ) 掉电数据保存时间 10年 1200度范围 O 999999 99h 波特率 120085通信有效距离 1200m 绝缘耐压 4作温度范围 一 25 +55 相对湿度 85 贮存和运输温度 一 40 +70 电池容量 1200电源电路的设计 图 2 电源电路设计 于电子式电能表的运行环境各种各样，为其供电的电源电路必须能满足在某些恶劣环境比如雷电和低温下能安全稳定供电的要求。本设计需要一个稳定的 5设计提取一路电压输入提供直流稳压电源，直流稳压电源将交流输入电压转变为稳定不变的直流电压。为了满足设计要求，应用串联型稳压电源电 路供电，串联型稳压电源电路部分由变压器、整流电路、滤波电路和稳压 6 电路部分构成。稳压电路作用是将输出电压稳定在一定合理区间内，在这里应用了三端稳压器 7805作为稳压器件。 7805拥有诸多优点，体积小、价格低、性能稳定，使用安全可靠。运行时 7085自身存在 3 6压器二次侧输出也就是电源电路的输入端电压实际取值 15V。 在电网运行过程中，由于电网线路故障或供电设备的原因，偶尔会发生供电中断的现象。为避免整个电子式电能表用硬件系统的瘫痪，电子式电能表在硬件设计方面都会有掉电检测电路，软件设计时配合掉电检 测功能程序。常见的掉电检测电路有的是依靠系统检测芯片为系统提供供电电源检测，即“看门狗”电路。本设计的 以硬件掉电检测部分采用的是通过检测电容放电信号来判断电网是否掉电，由处理器来对掉电情况进行管理。在电路中，如果交流侧电压正常，电容 稳压管稳压后，引脚 果这时交流侧突然断电，电容 压管没有输入，引脚 片机接收到信号后，进入相应的中断程序，进行掉电处理。 图 3 具有掉电检测功能的 电源电路 合各个扩展模块 (如键盘、显示 )实现各种数据的处理任务。为了降低成本，避免扩展片外洲和片外 且电子式电能表具备较多功能，还要兼顾配合日后外围扩展功能，所选择的 且电能表是永久运行电器，为了节能考虑，对其内部元件运行时的功耗要做必要的限制，并且具有足够的通用 I 合各 方面考虑，单片机芯片最终选取 生产的高性能、低功耗的 8位 A、佩处理器 1高性能低功耗的 8位 2利用了 行单条指令 (机器周期 )最低可达 50作于166作电流不超过 2 5耗较低。 3芯片内部集成 6410000次， 2写寿命 100000次， 4R 64立锁存位的可选 4 32个 8位通用工作寄存器， 35个中断源 (8个外部中断源 )。 5两个具有独立功能和比较功能的 8位定时器计数器，两个具有独立预分频功能和比较捕捉功能的 16位定时器计数器， 8路 10位 路 8位 立片内振荡器的可编程看门狗定时器。 6具有可编程串行 工作与主机从机选择模式的 持 7具有 64引脚 53个可编程 I 8速度等级 08 处理器资源分配 个外部中断源，各外部中断源做如下分配 ： 表 2 11s 部中断源 功能 掉电检测 抄表 计量芯片握手 计量芯片复位 按键中断 抄表系统工作时提供数据传输， 显示器进行读写操作。两个外部计数源输入 2，其中 钟芯片。在必要时，扩展由时钟芯片输出的可编程方波信号计数计时功能。 8 计量模块硬件设计 在本设计中，计量模块是负责对电能采样信号值进行整理计算，最终得到所需电能参数值的部分。模块内部的专用 功能量、无功功率、无功能量等参数计算出，并将其输入到 而避免了在单片机程序中设置复杂参数的数学模型计算。使用专业的电能计量芯片还可以减少 省大量的 整个系统运行更加稳定安全。 电 能采集电路的设计 在本设计中，计量芯片的电压采集输入利用电压互感器输入方式，电流采集输入利用电流互感器方式。这种设计将芯片与电网进行了隔离，从而可以获得良好的抗干扰性能。 图 4 电压采集电路 图中 中的参数是以 220设计，利用电压互感器将电网高电压输入变换为 O 2 6 1在模拟输入电路中对输入引脚引入 2 4 2为了保证测量精度，芯片 引脚外接 10 1量靠近引脚。电容的接地点与电流电压采集信号的地线尽可能短的连接在一起。 3在 2阻和 0 01结构和参数对称，并采用温度性能较好的元器件，保证电表获得良好的温度特性。 4为防止外部接线错误，在任意一相电流与电压反向时， 0引脚 此可以判断接线是 否有错。 9 图 5 电流采集电路 图 6 10 路 16位 A， 流通道有效值在 2 1，电压通道有效值在 10 1，电压取值在 O 2 6V， (电压采样信号小于 O 2V，可用电压通道 电压信号适当放大 )，电流取值在 2V，电能线性误差小于 O 1。 每路 时要求 4偏置电压可以由芯片的参考电压输出 可以由外部基准电压提供。本设计采取的是利用芯片输出的参考电压引脚 图 7 its 单片机系统中， 条连线。其中 S、 1 出的片选信号 (下降沿表示通信开始，上升沿表示通信结束 )， 了避免 设计采用了在 通滤波器由一个 10电阻和一个 10样可以消除 动。 片机必须通过 时钟模块设计 电子式电能表对用电用户的电量参数测量动作都是建立在一定时间之上，因此对于每一组测量值都有一组相匹配的时间参数。时间参数是电子式电能表系统电能结算和监控的依据。电子式电能表中的实时时钟分为硬时钟和软时钟两种。硬时钟由独立的实时时钟芯片组成。能自动产生秒、分、时、日、月、年等时间数据，并能自动进行闰年补偿，还具有产生定时中断 等功能。软时钟是指利用单片机内部或外部产生的定时中断程序，通过对程序中定时终端的计数，计算出时间。软时钟的缺点是产生的日历时钟信息存放在 钟很容易遭到破坏，存储的时钟信息也易丢失。硬时钟的应用就弥补了软时钟的这一缺憾，硬时钟芯片安装在 的运行也相对独立。内部带有备用电池，运行时较稳定不易被外部因素影响。而且集成的时钟芯片，运行的时钟准确度比软时钟要高。 本设计采用的是 有 128字节的 4字节的控制与状态寄存器，可以自动产生年、月、星期、日、时、分、秒 7个时标，具有报警定时功能，方波信号输出功能。内部配备锂电池，无外部电源供电情况下可运行并且保存数据 10年以上。由于 行稳定、不掉电、操作方便、编程简单，使其在单片机开发领域广泛应用。 在时钟模块硬件连接中， 地表示系统选择的是 1S R 这里与单片机的 连。 址选通上升沿有效。 5电源电压输入小于 +3动将电源转换到内部自带锂电池上，保证时钟程序能够正常运行。 而保证了 部寄存器数据不受影响，时钟继续工作。 12 图 8 时钟模块硬件连接图 自动抄表模块的设计 自动抄表功能要 求将电子式电能表的测量参数信息读取出来，对于电子式电能表，测量部分一般由 设计之初电子式电能表都会配备输入输出接口，利用 上位机读取电能表的测量参数。信号传输的载体方面，常用的传送方法 有：利用电力线实施载波通讯传送、利用电话网络进行数据传输、利用无线方式传送数据、利用光线方式传送数据。综合运行成本、运行技术难度、安全可靠性、可操作性等各方面因素考虑，本设计最终选择应用电话网络作为数据传输介质的自动抄表方式。利用电话网络进行数据传输，是一个经济有效的方案。电话网络具有数字信号传输速度快 、频带宽、传输距离远、安全稳定的优点。并且电话传输线提供两根数据传输线，符合设计 85通讯标准的要求。 抄表方式选择 自动抄表方式，根据应用范围、规模大小、抄表上位机距电能表距离远近分为近程抄表和远程抄表，这里的上位机主要指的是手持抄表器或抄表管理计算机。由于本设计采用 2以自动抄表的覆盖范围一般最远为几个街区，针对电能用户的位置分散程度不一的实际情况选择的是以小区为抄表单位的近程抄表方式。在抄表员进行抄表工作时，是 以小区为 13 单位，对于个别地理位置偏僻的零散电力用户，可以选择利用手持抄表器进行上门抄表。 在整个抄表系统中，主要有抄表上位机 (手持抄表器或抄表管理计算机 )，电子式电能表，传输线缆三个部分组成： 图 9 抄表功能实现 to 户电力用户电表的 为每个小区都会对电话线缆的出户端进行集中统一管理，电管部门可以在每个小区电话线集线箱设置自动抄表接入端口，这样便建立起了抄表上位机与电力用户的一 对多的信号通道。但是在抄表过程中还应注意， 485标准特性中最大接收器和最大发送器数量都不超过 32个单位，因此抄表员一次最多可采集 32户电力用户的电能测量参数数据。 485通讯接口设计 85芯片是一类常用的通讯接口器件，许多知名半导体公司，诸如 14 有相关匹配芯片生产。 全兼容 85标准和 22标准，正常工作电流不超过 20 u A，非正常工作电流也不会超过 O 1 u A。 表 3 483 脚号 名称 描述 1 接收器输出 2 接收器输出使能 (低电平有效 ) 3 发送器输 出使能 (高电平有效 ) 4 发送器输入 5 接地 6 A 发送器输出接收器输入 7 B 发送器输出接收器输入 8 电源电压 (4 75V 25V) 由于本设计中 85通讯传输介质是借助的电话线缆，与用户电话线共用一套线缆，虽然电话线缆载波频带较宽，在抄表员自动抄表时，抄表信号不会对电话用户通话产生影响。为了防止外界突发强电流强电压对芯片造成损害，本设计中对在 、 不是通常采用的双绞线设计，这样做还可以在电能表内部防止外界电磁干扰信号在传输路径上对 85信号传输产生影响。 图 10 85通信模块内部结 构 he 15 解决 设 计中所采用的主从机通信标准为 485标准。 485因硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点，在工业测控技术领域中被广泛使用。 485是由电子工业协会 (制定发布的一种平衡通信接口，被命名为 485 485总线是异步半双工的通信总线，因此， 只需有两根传输线便可以进行双向通信。信号传输时速率最高可达 10应用中在信号传输速率不超过 100条总线上可连接最多 10个接收器和多个发送器，是一种可以单机发送、多机接收的单向平衡传输规范。 表 4 85标准的特性 格 485 传输模式 平衡 电缆艮度 90 4000200m) 电缆长度 10 505m) 数据传输速率 10大差动输出 士 6V 最小差动输出 士 1 5V 接收器敏感度 士 0 2V 发送器负载 (欧姆 ) 60 Q 最大发送器数量 32单位负责 最大接收器数量 32 单位负责 485协议遵循“查询一响应”模式，在查询消息中的功能代码告之被选中的从 设备要执行何种功能，数据段包含从设备要执行功能的任何附加信息，错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。如果从设备产生一正常响应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的响应，错误检测域允许主 设备确认消息内容是否可用 。 485通信协议时，在其串行数据单元规定的数据格式是 81。当设备设为以远程终端 模式通信，在消息中的每个字节包含两个 4种方式优点是在同样的波特率下可以比其他方式传输更多数据。每个通讯字节的位由低到高： 1个起始位， 1个停止位， 1个奇偶校验位 (无校验则无 )， 8个数据位 (最小的有效位先发送 )， 1位逻辑 1的停止位，总共 11位。 16 图 11 查询一响应模式 5 通讯字节格式 D P l 起始位 8个数据位 偶校验位 停止位 使用远程终端 息发送至少要以 3 5个字符时间 (停顿间隔开始，传输的第一个域是设备地址。设备不断侦测总线，包括停顿时间间 隔，当第一个域 (地址域 )接收到，每个设备都进行译码，以判断是否发送给自己，在最后一个传输字符之后，一个至少 3 5个字符时间的停顿标志了消息结束，另一个新消息在此停顿之后开始。整个消息帧必须作为一连续的流传输，如果在帧完成之前有超过1 5个字符时间的停顿，接收设备将刷新不完整的消息，并假定下一字节是一个新的消息地址域。如果一个新消息在小于 3 5个字符时间内开始，接收设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个错误，可以在后边的 设备地址域 5：当地址位为 0时，为广播地址，同时当从控制器 接收到一阵数 据时，地址域相同时应响应命令，取得总线控制权，当响应命令之后，把总线控制权 17 还给主控器。 命令码：执行操作的依据。 校验码：帧开始各个字节二进制算术和，不计溢出值。 前导字节：在发送信息之前发送 1个或多个字节 唤醒接收方。 数据域：发送时数据加 33H，接收时数据减 33H。 表 6 始位 设备地址域 命令码 数据 校验 结束符 8 8 16 按键及显示模块的设计 按键和显示模块是用来使电子式电能表内部运行系统与用户进行交流的通道，在电子式电能表的设计中是比较重要的部件。通过它电力用户能够直观方便的读取本用户消耗总电能的各项参数，具备自动抄表功能的电子式电能表或者是有预付费功能的电子式电能表中，用户也可以直观的观测到电管部门对用户电费收取情况和抄表情况。通过按键设置，用户也可以更改电子式电能表面 向用户的使用功能。可以说，按键和显示模块设计的好坏决定了电子式电能表给电表用户的使用印象的好坏，也决定了设计成果成为产品后能否得到迅速普及和推广。 液晶显示部分 现在最常用的器件是发光二极管有源显示 光二极管有源显示 晶显示 用寿命一般为 5000 50000h。 储器、通讯串口等结构组件。常见的 种 是笔画式或称字段式液晶显示器；另一种是点阵式液晶显示器，点阵式液晶显示器又可分为点阵字符式和点阵图形式两类。字段式液晶显示器由分段型的显示器件与专用集成控制电路构成，缺点是只能显示数字和符号。点阵式液晶显示器有点阵字符显示器件和专用驱动器控制器构成，可以显示数字和中西文字符或某些图形。 18 图 12 按键显示模块电路连接 按键部分 常见的键盘分编码键盘和非编码键盘，在应用 使用最多的是靠软件编程来识别的非编码键盘。非编码键盘又分为独立键盘和矩阵式键盘。为了兼顾节约单片机引脚资源与为用户提供足够按键个数的要求，本设计采用的是 4水 4矩阵式键盘。由单片机 四位控制键盘的列扫描。行线接上拉电阻至高电平，某一键按下，行线电平状态将由该键的列电平决定。列电平为低，行线输出为低；列电平为高，则行线输出为高，单片机通过扫描 3 三相自抄表电子式电能表的软件设计总方案 上电开始后首先进行参数设置等初始化程序，中断源设置包 括有掉电中断、电源恢复中断、抄表中断、按键中断等。在 循环结束后为了节电芯片进入低功耗模式，在发生掉电、抄表、按键按下等外部中断或 100程循环中进行掉电检测、抄表检测以及各功能模块的相关子程序。 19 图 13 主程序流程图 初始化模块 程序中对 是定时从计量芯片参数寄存器读取各电参 量数据，包括 有功功率、无功功率、视在功率、电流有效值、电压有效值等，这部分可根据电管部门的实际要求进行有选择的读取；其二是对电能量进行读取。对用户耗电量统计是电能表最重要的功能， 加型能量寄存器负责对电量脉冲进行累加计算，可以从 000000到 行累加。在使用累加能量寄存器前，在溢出位之前设置一个能量最大值 E 最 大值代表的是单位累加电量值 0 Ol h，即累加电量大于 0 01个单位。 须对 芯片上电或外界干扰使计量芯片复位时必须由单片机对计量芯片数据进行更新，以确保计量的准确性。由于在实际应用中为了配合电力部门对电力用户电力管理多费率的要求，可配 20 合时钟信息进行分时段电量累加，在能量寄存器中对电量寄存位置按时段分配，以一个小时为一个时段，一天以 24进行分配。在电量存储时，脉冲累加大于 E时，当前时段的寄存器单元相应的加 1。这样抄表时便可以对用户耗电量进行分时段读取。 图 14 电能计量管理 流程图 自抄表模块 为了实现远程自动抄表，通信协议采用的是异步串行通信协议 I 7是种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。在嵌入式设计中， 括与监控调试器和其它器件。通 常的微处理器都集成有 1路或多路硬件 以非常方便地实现串行通讯。 21 在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域中，也常常使用简便易用的串行通讯方式作为数据交换的手段。 主程序相应代码： 0100H 60H ；堆栈设置 ；执行显示复位程序 ；执行键盘复位程序 ；执行 ；执行复位程序 ；设置中断 ；设置定时器 ；执行扫描程序 A, A, A, 1 A, A, 2 A, ；执行液晶显示器复位程序 A, 00H ；执行显示程序 ；执行检测及读写程序 本设计中的主要抗干扰措施 电源电路部分 电源电路设计时，电源电路稳压部分的电源输入和地单点相连，并且在稳压管输 22 出端接 4700 源上的干扰不会与进入整个系统。电源滤 波电容要靠近芯片引脚，使信号先接滤波电容再接芯片电源引脚，且走线不要过细。利用导磁性能好的材料将电源变压器外壳进行包裹，起到严密的屏蔽的作用，避免漏磁。在 10 01 0 1 除电源和和地之间的脉冲电流干扰。各个模块分立式供电，每个硬件模块的电源都是进行单独的变压、稳压、滤波，这样既提高了供电质量，避免单一模块掉电影响其他部分供电，又能避免各个模块的电源和地之间的耦合干扰。 单片机部分 复位引脚跨接 O 01 电路进行滤噪和去耦，减少电源 电路波动影响复位电路动作。晶振电路与单品机时钟引脚尽量靠近，晶振外壳接地，并且避免布线时导线从晶振两个引脚之间穿过。单片机的电源输入引脚接 O 01 00 容尽量与引脚靠近放置。 计量芯片部分 引脚为电能信号采集输入模块提供 2 4连接需要进行去耦来防止信号采集模块和电能计量模块间的信号耦合。采取并联 10 1且电容靠近引脚，两个电容接地点与电能信号采集模块的接地尽可能短 的连接在一起。 在模拟信号做完数字变换后，会产生多个的频谱峰，为滤掉不需要的 O 5倍与采样频率的高频分量部分， 2 01 成了抗混叠滤波电路。连接筒 可能受到干扰或出现抖动，在每根信号线上都串联电阻值 10电容值 10止误读误写。 数模转换部分的 单片机通信部分的 有 数字地和模拟地就近连接在一起，不需要分开，保证大面积接地，这样才能减小地线上的阻抗。 常线路走线会较长，为了吸收环路上的干扰信号，引脚 电容尽量靠近芯片引脚。 其他部分 在自抄表模块部分，由于通信线缆较长，为了避免通信线路上的干扰信号或噪声对系统造成影响，在 种方法隔绝了大部分外界干扰信号，还可以避免干扰产生的强电流或强电压对内部系统的损害。在地线布线时，线宽尽量加大，以减小地线上的阻 抗，避免地线上产生压降导致信号电平不 23 平稳。所有导线布线时，如果面积允许尽量使导线间距加大，尤其注意在信号回路中导线间距避免过小，以降低导线间的分布电容。交流电能采样部分的电路布线区域与其他模块布线区域间隔一定距离，以降低交变电流对其他元器件的干扰影响。由于 每面布线时尽量使走线垂直相交，以减少电磁耦布线时走线尽量用弧线或 45度角代替直角折线，减少线路中的高频信号和外界的耦合。电路板的布线面积要设计合理，既不太大也不太小。面积过大会使导线走线过长，增加导线阻抗，面积过小会导致元件之间的干 扰效应增强。 5 结论与展望 本课题根据电力行业发展对电能表设计的要求，研制丌发了一款全新的应用于三相电能计量的电子式电能表。在整个设计过程中，查阅了国内外最新电子式电能表研发信息，参照了众多电力行业电能计量标准，目的在于使研发成果更加标准化、专业化，并且在研发成功之后能够易于推广和普及。仪器仪表的制造标准严格，设备性能指标要求高，应用在电力参数计量方向的电子式电能表的性能指标好坏势必影响到企业效益和电网管理。 尽管在新型电子式电能表的的设计当中花费了相当多的努力，尽量做到各方面完善且能够直接投入实际应用 ，但是由于本人阅历和时间有限，设计尚存许多不足本文的不足： 1本设计的一大特色是为电子式电能表添加了自动抄表的功能，系统通过特定的传输协议可以与上位机进行通信，实现自动抄表动作。但是由于篇幅所限，本设计仅仅对电子式电能表部分做了相关的硬件和软件设计，没有对自动抄表机或抄表 计需要在这一部分进行完善，构建完整统一的抄表系统。 2电子式电能表在应用当中会遇到许多人为因素造成的麻烦，实际应用情况往往比设计预想情况复杂，拿电能表防窃电作为例子来说，常见的窃电方法就有十几种，针对每种 窃电方法会有不同的设计侧重的电能表，个人设计能力有限，不能将所有这些防窃电方法一一应用于设计当中，只好作为本设计将来的一个待开发的扩展功能。 3本设计应用的计量芯片带有两个脉冲输出引脚，可为较表提供通信通道。芯片本身也自带较表功能，如为较表功能提供专门控制寄存器，方便电管部门对其进行校正。本设计在这方面的设计和研究是存在欠缺，仅仅只为较表提供了信号通信接口，还没有进行较表方面的相关研究和程序设计。 电子式电能表是一种新兴的技术装置，全世界的电力建设正处在一个发展壮大的时期，各国都在进行电能表的更新换代。电 子式电能表因为其精度高、功能强大、利 24 于电能管理等诸多优点势必完全取代传统电表，普及电子式电能表会对电力系统建设提供巨大的帮助，电力管理部门也会逐渐认识到电能计量系统电子化的重要地位。因此，电子式电能表一定会在未来的电能计量市场上大有作为。 参考文献 l褚人华电子式电能表 M北京：中国电力出版社， 2009： 222黄伟电能计量技术 M北京：中国电力出版社， 2004:403王月华，姜志宏电气测量学 M北京：中国电力出版社， 2007： 524刘海成单片机及 应用系统设计原理与实践 M北京：北京航空航天大学出版社， 2009： 985曹岩辉，王学伟，宁慧新型电度表芯片 电测与仪表， 2000， 37(8)： 40 6_于淼电子式电能表技术问答 M北京：中国计量出版社， 2008： 237印制电路板的电磁兼容性设计北京：国防工业出版社， 2005:178刘春玲，王咏，田国红电力参数数字化测量的常用算法研究 J辽宁工学院学报， 200l， 2l(6)： 17 19 9黄纯，何怡刚，江亚群，彭 建春交流采样同步方法的分析与改进 J中国电机丁程学报， 2002，22(9)： 38 42 10权宪章，蒋传文，张士军，张高峰，陈实交流电气参数测量研究 J水电能源科学， 1999， 17(20)： 53 55 11张红，王成梅电力系统常用交流采样方法比较 J华北电力技术， 1999， 4(20)： 25 12王建华，李晓明，李申乾电气参数交流采样技术 J计算机测量与控制 2003， 11(9)： 710 13吴杰康在暂态过程中电力系统频率的估算中国电机 工程学报 2005， 25(7)： 70 14磨少清，李啸骢一种高精度的改进傅立叶测频算法电力系统自动化 2003， 27(12)： 48 49， 54 15卞明星，文远芳，雷琴电力系统测频算法比较高电压技术 2006， 32(5)： 111 16杨本渤高精度功率电能仪表的发展概况 J电测与仪表， 1990， 27(8)： 6 致 谢 25 光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，离校日期已日趋临近，毕业设计的完成也随之进入了尾声。从开始进入课题到设计的顺利完成，一直都离 不开老师、同学、朋友给我热情的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意 ! 我首先要感谢 刘旭红 老师。从最初的定题，到资料收集，到初稿、修改，到设计定稿，她给了我耐心的指导和无私的帮助。老师渊博的学识、严谨的治学态度也令我十分敬佩，是我以后学习和工作的榜样，她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来 越多的优秀人才，桃李满天下！还要再次感谢老师对我的关心和照顾湖南农业大学全日制普通本科生 毕业论文（设计） 中 期 检 查 表 学 院： 工学院 学生姓名 成佳伦 学 号 200940614130 年级专业及班级 2009 级机械设计制造及其自动化 (1)班 指导教师姓名 刘旭红 指导教师职称 副教授 论文（设计）题目 三相自抄表电子式电能表的设计 毕业论文（设计）工作进度 已完成的主要内容 尚需解决的主要问题 1、三相自抄表电子式电能表的研究背景； 2、电子式电能表概述； 3、电子式电能表的分类及功能； 4 电子式电能表的发展趋势。 1、 电力参数数字化算法及电能表测量原理； 2、 电子式电能表的硬件设计； 3、 三相自抄表电子式电能表的软件设计及通讯功能实现； 4、 单片机系统抗干扰技术的研究。 指导教师意见 签名： 年 月 日 检查小组意见 组长签名： 年 月 日 注： 可打印，但意见栏必须相应责任人亲笔填写。 湖 南 农 业 大 学 全日制普通本科生毕业设计 三相自抄表电子式电能表的设计 F 生姓名 ： 成佳伦 学 号： 200940614130 年级专业及班级： 2009 级机械设计制造及其自动化 (1)班 指导老师及职称： 刘旭红 副教授 学 院： 工学院 湖南长沙 提交日期： 2013 年 05 月 湖南农业大学全日制普通 本科生毕业设计 诚 信 声 明 本人郑重申明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名 ： 20 年 月 日 目 录 摘要 1 关 键词 1 1 前言 2 相自抄表电子式电能表的研究背景 2 相自抄表电子式电能表的发展趋势 2 题主要研究内容 3 2 电子式电能表的硬件设计 4 件总体设计方案 4 统整机性能指标 5 源电路的设计 5 配置 6 2 选择 6 绍 7 理器资源分配 7 量模块硬件设计 8 能采集电路设计 8 部结构及外部电路连接 9 钟模块设计 11 抄表模块的设计 12 表方式选择 12 S 485 通讯 接口 设计 13 键及显示模块的设计 14 晶显示部分 15 键部分 15 3 三相自抄表电子式电能表的软件设计总方案 16 始化模块 17 量模块 17 抄表模块 19 4 本设计中的主要抗干扰措施 20 源电路部分 20 片机部分 20 量芯片部分 20 他部分 20 5 结论与展望 21 参考文献 22 致谢 23 附录 23 湖南农业大学全日制普通本科 生 毕业论文（设计）开题报 告 学生姓 名 成佳 伦 学 号 200940614130 年级专业及班 级 2009 级机械设计制造及其自动化 (1)班 指导教师及职 称 刘旭红 副教 授 学 院 工学 院 20 年 月 日 毕业论文（设计）题 目 三相自抄表电子式电能表的设 计 文献综述（选题研究意义、国内外研究现状、主要参考文献等，不少于 1000 字 ） 在电能消费过程中，买卖公平是必不可少的交易规则。电能表是电力交易中的重要量具，电能交易中的各个环节，比如电能统计、电能质量检测、电费收缴等等，都离不开电能计量装置来准确统计。电能管理监督到户的手段是国外个别发达国家实行电网统一管理的主要措施。电力公司对所辖地区内各电力用户的用电信息进行采集，直接或间接对每个用户电能的使用进行管理，这样可以大力的提高电能管理的力度。 我国也在逐渐推行这一举措，电子式电能表就是在这种大环境下出现并开始迅速推广。在电子式电能表之前，感应式电能表又称机电式电能表由 于歼发时间较长，它的设计手段和生产加工技术都比较成熟，而且使用寿命较长。所以，在相当长的阶段，感应式电能表在电能计量应用中占据极其重要的地位。然而，随着微电子高新技术和电子工业的发展，用电量的不断增长，电力行业也对电能的