【精品】程锦斌-毕业论文

1、£ n块呀yangtze university毕业设计（论文）基于单片机的电能计量器程锦斌电子信息学院电气10601题 目: 学 生: 学院（系）： 专业班级: 指导教师:朱清祥时 间：20010年3月12日 20010年6月10日长江大学毕业论文（设计）任务书i长江大学毕业论文（设计）开题报告ii长江大学毕业论文（设计）指导教师审查意见iii长江大学毕业论文（设计）评阅教师评语iv长江大学毕业论文（设计）答辩会议记录及成绩评定v中外文摘要vi前言16第一章选题背景171.1电能表行业状况171.2电能表行业特征171.3电能表国内外发展状况171.4电能表分类191.5本论文研究方

2、向19第二章方案论证202电能计量模块设计要求202.2电能计量的基本原理202.3设计方案222.4方案论证26第三章硬件电路设计303屯能计量器总体设计框图303.2屯压信号的调理303.3电流信号的调理313.4相位测量电路333.5 a/d转换电路343.6 led显示电路373.7 rs-232通信电路373.8电源电路39第四章软件程序设计404主程序设计404.2相位检测模块程序设计414.3 a/d转换模块程序设计434.4 led显示模块程序设计434.5 rs-232通信模块程序设计45结论47参考文献48致谢49长江大学毕业设计（论文）任务书学院（系）电子信息学院 专业

3、电气工程及其自动化 班级 电气10601学生姓名 程锦斌指导教师/职称1. 毕业设计（论文）题目：基于单片机的电能计量器2. 毕业设计（论文）起止时间：2010年3月12日2010年6月17 e13. 毕业设计（论文）所需资料及原始数据（指导教师选定部分） 智能化测量控制仪表原理与设计.北京：北京航空航天大学出版社，徐爱钧 单片机原理及接口技术.编者：朱定华，出版：电子工业出版社 检测技术及仪表.中国轻工业出版社 智能卡技术清华大学出版社，王爱英 交流电能表检定和调整.中国计量出版社，蓝永林4. 毕业设计（论文）应完成的主要内容设计电能计量模块，要求： 采用单片机作为主控芯片。 用比较式a/d

4、转换器。 电能计量结果由串行口输出，通信格式：波特率4800b/s,数据 位8位，停止位1位，无校验。 计量精度2级。5. 毕业设计（论文）的目标及具体要求 完整硬件设计电路。 软件框图及程序清单。6、完成毕业设计（论文）所需的条件及上机时数要求 须proteus仿真，上机时数80小时。任务书批准日期年_月_日教研室（系）主任（签字）任务书下达日期 _年_月 日指导教师（签字） 完成任务日期 年 月 日学生（签名）毕业设计开题报告题目名称基于单片机的电能计量器 院 （系）电子信息学院专业班级电气10601班学生姓名扌旨导教师朱清祥辅导教师开题报告日期2009年3月27日基于单片机的电能计量器学

5、生：程锦斌 电子信息学院指导教师：朱清祥电子信息学院一、题目来源专题研究。二、研究目的和意义电能计量器就是用來计量电能的设备，一般称为电能表。在一切用电场合都要用 电能表來计量用电量。电能表分为很多种，有单相式电能表、三相式电能表、复费率 电能表、防窃电式电能表等。随着我国经济发展和人民生活水平不断提高，特别是最 近两年，国家为了扩大内需，拉动消费，推出了家电下乡等政策，家庭中家用电器越 來越多，随之而來的则是电费的增加，这就使人民群众更加关注电能表的计量性能。 由于价格和使用习惯等条件的制约，传统的感应式屯能表仍然在很多场合继续使用。 而感应式电能表有准确度低、适用频率窄、功能单一等缺点，越

6、来不能满足耍求。电 字式电能表有感应式所不可比拟的优点，它功能多、精度高、便于自动抄表及具有先 进通讯接口。随着单片机技术的快速发展，以单片机为主控芯片的电子式电能表也会 进入了快速发展期。由于市场上一般电子式电能表大都是采用美国adi公司生产的 ade7755电能计量芯片为计量模块,所以生产成本比较高，可扩展性和灵活性也不好。鉴于此，我想设计一种数字式的电能计量装置，通过电压电流互感器、交流采样、a/d转换器准确得出电压电流值，再经过8051单片机计算后，得到电能信息，用这种方法 代替价格较贵的电能计量芯片。三、阅读的主要参考文献及资料名称1 徐爱钧智能化测量控制仪表原理与设计北京航空航天大

7、学出版社.2 朱定华.单片机原理及接口技术.电子工业出版社.3 李军，李赋海.检测技术及仪表.中国轻工业出版社.4 王爱英智能卡技术.清华大学出版社.5 史健芳智能仪器设计基础.电子工业出版社.6 徐爱钧单片机原理使用教程一基于proteus虚拟仿真.电子工业出版社.在国内，早期主产的是第一代石英钟控分时电能表。由于这种分时计费电 能表的可靠性较差。计时分段精度太低，易受干扰，使用功能单一，不能适应 分时计费中的一些特殊要求，目前己基本淘汰停用。第二代是机电一体化结构 的分时电能表。这种电能表采用1.0级感应系电能表机芯为基础，采用红外光 屯变换器，脉冲输出和单片机电路，带有脉冲输出及rs-2

8、32串行通信口，便 于数据远程传送与监控。仪表性能比较精密可靠，功能可满足我国现阶段分时 计费需求，生产工艺比较成熟，价格具有竞争力，是h前国内应用最为广泛的 一代产品。但是美中不足的是各生产厂家均为口行开发专用单片机，存在产品 兼容性差，维修困难的缺点。在国外，数字式电能表发展很快。芬一兰、瑞典、挪威等北欧各国和法、英、 德、西班牙、比利时和意大利等西欧国家，目前已经全部完成了工商用户电能 表100%的电子化。居民用户表也正在逐步向电子化过渡，如法国2001年起已 停止购装感应表;意大利也从2005年开始逐步把感应表更新为自动抄表的电子 表;而英国冃前已经有80%居民用上了电子式表。现有的电

9、能计量芯片多数由国 外厂商制造，因而他们掌握着数字式电能表的相关核心技术。随着电子元器件的发展和应用，电子式电能表表现出越來越多的优点：（1）科学技 术含量高、技术性能优越、计量准确、稳定性能好；（2）节约能源、能耗小，自身能 耗仅为机械表的二分之一；（3）体积小、耗材低，安装方便、快捷；（4）扩展功能，通 过加装一些辅助设备就能实现分时计费功能和采用计算机实现远方自动抄表功能。因 具有优越的技术特性和多种功能而被广泛采用。五、主要研究内容.需重点研究的关键问题及解决思路1.主要研究的内容：电压电流采样模块，电能计量和信号处理模块，电源模块，时钟模块，数据存储 模块，显示模块，通信模块。2.重

10、点研究的关键问题及解决思路:a）电能计量和信号处理模块（1）电能计量的原理tw= f u icos 4> dtto其中w是电能。u, i分别为交流信号有效值。e是电压信号超前于电流信号的相 位差值，cosd）称为功率因数，它表征了电网屮实际消耗电能的平均功率（有功功率） 与u, i的乘积（视在功率）的比值。（2）ad转换电路ad转换电路是整个系统的核心电路，用于将输入的电圧、电流信号转换成单片机 所能接受的数字量，本论文采用比较式a/d转换器ad0808,主要完成电压信号、电流 信号和相位差数据的实时采样,从而为8051单片机精确计算提供数据。b）电源模块电源电路负责给各个硬件模块供电，

11、以保证整个电能表的正常运行。当电网停电 时，给实时时钟供电以保证时钟的连续性的备用电源是锂电池。电源转换电路均采用 交流变压器直接降压整流，再经过线性稳压获得+5v直流电压。c）通信模块pc与电能表之间采用标准rs-232串行通信接口进行通信。d）总体系统设计框图图3. 1总体设计图六、完成毕业设计(论文)所必须具备的工作条件(如工具书、计算机辅助设计、某类市场调研.实验设备和实验环境条件等)及解决的办法(1) pc机一台(2) 计算机辅助软件:keil uvision3> proteus(3) 运行环境:window7七、工作的主要阶段、进度与时间安排1. 准备阶段3刀12号-3h25

12、号拟划毕业设计的整体方案并完成开题报告。2. 收集信息阶段3月26号月9号杳找相关资料并做好记录。3. 设计阶段4月10号-5月9号分为硬件电路设计和程序设计两块，根据相关资料设计出具体方案。4. 调式阶段5月10号-5月21号按照设计方案进行设计调试并接受中期检查。5. 完善阶段5月22号-6月5号检查、修改错误并优化设计。6. 论文答辩阶段6月6号-6月17号八. 指导教师审查意见学生姓名专业班级毕业论文 （设计）题目指导教师职称评审口期评审参考内容：毕业论文（设计）的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平， 存在的主要问题与不足。学牛的学习态度和组织纪律，学牛掌握基础和专

13、业知识的情况，解决实际问题 的能力，毕业论文（设计）是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见：指导教师签名：评定成绩（百分制）：分（注：此页不够，请转反面）学生姓名专业班级毕业论文 （设计）题h评阅教师职称评阅ri期评阅参考内容：毕业论文（设计）的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存 在的主要问题与不足。学牛掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文（设计）是否完成 规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名：评定成绩（白分制）：分（注：此页不够，请转反而）学生姓名专业班级毕业论文（设计）题目答辩时间

14、年月日时 答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：分毕业论文（设计）最终成绩评泄（依据指导教师评分、评阅教师 评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文（设计）评分的相关规定）等级（五级制）：答辩小组组长（签名）：秘书（签名）：年 月日院（系）答辩委员会主任（签名）：院（系）（盖章）基于单片机的电能计量器学 生：程锦斌 电子信息学院指导教师：朱清祥电子信息学院摘要电能计量器即是用于计量电能的仪器，一般称为电能表。随着我国经济发 展和人民生活水平不断提髙，特别是最近两年，国家为了扩大内需，拉动消

15、费，推出 了家电下乡等政策，在每个家庭中使用的家用电器越来越多，随z而来的则是电费的 增加，这就使人民群众更加关注电能表的计量性能。传统的感应式电能表越来不能满 足用户的要求，而屯字式电能表有感应式所不可比拟的优点，它功能多、精度高、便 于自动抄表及具有先进通讯接口。随着单片机技术的快速发展，以单片机为主控芯片 的电子式电能表也会进入了快速发展期。由于市场上一 般电子式电能表大都是采用美 国adi公司生产的ade7755电能计量芯片为计量模块,所以生产成木比较高，可扩展 性和灵活性也不好。鉴于此，本论文设计了一种电子式的电能计量装置，通过对电压 电流信号进行交流采样，并检测出功率因数，然后利用

16、所得参数求出使用的电量。最 后把累计的电量通过led显示出来，利用串行口把电能计量结果输送给上位机，以 实现远程抄表功能。关键词1：电能计量；单片机 交流采样led显示 串行口electric energy meter based on microprocessorstudent:jinbin cheng, school of electronic 1 nformation5yangtze universityinstructs teacther:qingxiang zhu, school of electronic information,yangtze universityabstract

17、 electric energy meter is the instrument used to measure electric energy, commonly called it wattmete匚 with the development of economy and the improving of people's lives，especially the last two years, the government of china has adopted the policy of home appliances going to the countryside to

18、expand domestic demand, stimulate consumption, the household appliances were used in every family more and more, resulted in increase in electricity tariffs, which makes people more concerned about the performance of electric energy mete匚 the traditional induction wattmeter increasingly unable to me

19、et customer requirements and electronic energy meter has the incomparable advantage of induction, which with more features、precise and easier to automatic meter reading and advanced communication interface. with the rapid development of microprocessor technology ,electronic energy meter will enter a

20、 rapid development period which controlled by microprocessor . in market ,the ic ade7755 energy meter chip which produced by the u.s. adi is used as measurement module for a general electronic energy meter , so the production cost much, flexibility and expandability is not good. because of this, the

21、 paper includes a design of a electronic energy measurement device , through ac sampling to the voltage and current signal and measuring the power factor,then the electrical consumption quantity could be calculated at last, the total amount of power would be displayed through the led, used the seria

22、l port to transmit the results of power measurement to the host computer, realized remote meter reading functio n.keywords: metering of electric energy ; microprocessor; serial port ;ac sampling ;led display 亠刖旨电能计量器就是用来计量电能的设备，一般称为电能表。在一切用电场合都要用 屯能表來计量用电量。目前市场上用的电能表有很多种，有单相式屯能表、三相式电 能表、复费率电能表、防窃电式电

23、能表等。电能表虽小，但在我国社会经济建设中起 着重要的作用。它的准确与否涉及千家万户，直接关系着电力企业和用户的经济利 益。由于价格和使用习惯等条件的限制，传统的感应式电能表仍然在很多场合继续使 用。而感应式电能表有准确度低、适用频率窄、功能单一等缺点，越来不能满足要求。 电字式电能表有感应式所不可比拟的优点，它功能多、精度高、便于自动抄表及具有 先进通讯接口。随着单片机技术的快速发展，以单片机为主控芯片的电子式电能表也 会进入了快速发展期。出于山场上一般电了式电能表大都是采用美国adi公司生产的 ade7755电能计量芯片为计量模块,所以生产成本比较高，可扩展性和灵活性也不好。 鉴于此，本论

24、文设计一种数字式的屯能计量装置，通过对屯压电流信号进行交流采 样，并检测出功率因数，再经过8051单片机计算后，得到累计电量，用这种方法代替 价格较贵的电能计量芯片。木论文第一章节介绍选题背景；第二章节是方案论证；第 三章节是硬件电路设计；第四章节是软件程序设计；最后是总结和参考文献。第一章.选题背景1.1电能表行业状况电能表是我国电工仪表行业中产量最大的产詁之一。近几年，国家连续出台的多 项与电能表行业发展相关的政策以及房地产产业的迅速发展，为电能表需求的上升及 保持行业发展的相对稳定起到了一定的保障作用。日前，市场上的大多数电能表为了 设计的简易性，数字式电能计量装置的设计多数采用现有的计

25、量模块，得出所测参 数，再累计处理得出电能值，控制相应的输出模块，达到设计功能。很少有产品利用 简单的微处理控制器，口行设计來接收采样信号，对采样信号进行独立的模数转换， 最终实现电能计量。还有一些数字式计量电能表，是在机械式的基础上，通过红外对 管及其信号处理屯路将屯表的转盘旋转圈数转换成相应的数字脉冲信号，从而实现 数字化计量和远程数据传输的目的，并没有从真正意义上实现全数字式的电能计量。随着高新技术尤其是电子信息技术的快速发展，电子式、多功能、高精度、 多费率、自动抄表等产品的优势突显，且己经逐步成为电能表发展的主流，在 未来儿年里，这种趋势将更加明显。1.2电能表行业的特征电能表行业的

26、特征主要表现为：大型骨干企业支柱作用突出。华立集团等在做精、做强电工仪器仪表产业 的同时，人力推进多元化发展战略，积极培育新的经济増长点，发展新的产业， 成为行业经济增长的主要推动力，拉动了整个行业的发展。高新技术产品的增势迅猛，不断拓宽服务领域，横向发展，向水、气、热 生活计量与抄表领域拓宽。全行业产能过剩，产品供大于求；电能表出口产品科技含量增加，高附加 值含量增加；生产集屮度进一步提高，集约经营规模扩大；这些特点凸显。1.3电能表国内外发展状况在国内，随着我国经济的飞速发展，各行各业对屯的需求越来越人，不同时 间用电量不均衡的现彖也fl益严重。为缓解我国日趋尖锐的电力供需孑盾，调 节负荷

27、曲线，改善用电量不均衡的现彖，全面实行峰、平、谷分时电价制度，“削 峰填谷"，提高全国的用电效率，合理利用电力资源，国内部分省市的电力部门 已开始逐步推出了多费率电能表，对用户的用电量分时计费。1995年4月，由国 家计委、国家经贸委和屯力工业部联合在上海召开的全国计划用电工作会议上 决定，用34年时间，在全国各大电网内，有计划、分步骤全面推行峰谷分时 电价制度。总h标是各网转移高峰电力1015%,全国实现转移高峰电力 10002000万千瓦，推行的范围不仅是工业、商业用户，而且对非工业、农业 用电也要逐步实行。在有条件的地区，即已经实行一户一表的居民用电区，也 将有计划的开发低谷用

28、电，实行峰谷电价，以提高电能利用率，提高居民的用 电质量。对电力用户采用不同时段和不同计费标准。鼓励低谷时段的电力消费。1980年，河南地区首先提出了按峰、谷时间分段计量电能，以经济手段促 进合理、均衡、科学用电的建议，继而开始进行了试点，通过几年实践，初步 摸索了一些有参考价值的经验。随后，山西省利用简易设备先后在一部分用电 单位进行了联合试点。19821985年，全国许多省市和地区也相继实行了电能 分时计屋及与此和适应的新的收费制度，并取得了非常大的成效。一些大的电 网局也把它作为技术改进的重要内容和开展科学用电的重要措施之一。至此， 我国己跨进了用多种电价作为辅助管理手段和控制用电负荷的

29、国家行列。早期主产的第一代石英钟控分时电能表。这种电能表通过导线连接石英钟各 种不同时段来分别驱动峰、谷电磁计数器，分别显示出峰、谷电量及总电量， 按总电量扣除峰、谷电量即为平常时段电量。曲于这种分时计费电能表的可靠 性较差。计时分段精度太低（最小分割为5min）,易受干扰，时段调整也比较麻 烦，使用功能单一，不能适应分时计费屮的一些特殊要求，口前已基本淘汰停 用。第二代机电一体化结构的分时电能表。这种电能表采用1.0级感应系电能表 机芯为基础，釆用红外光电变换器，脉冲输出和中央处理器（cpu）,单片机电 路，使用附带的键盘编程或者红外无线键盘來进行各种需求量、时钟、时段、 双休日的设定，可保

30、护本刀最人需求量、上月最人需求量和本月峰、平、谷最 大需求量显示及存储。带有脉冲输出及rs232串行通信口，便于数据远程传送 与监控。仪表性能比较精密可靠，功能可满足我国现阶段分时计费需求，生产工艺比较成熟，价格具有竞争力，是冃前国内应用最为广泛的一代产品。但是 美中不足的是各生产厂家均为口行开发专用单片机，存在产品兼容性差，维修 困难的缺点。在国外，数字式电能表发展很快。芬兰、瑞典、挪威等北欧各国和法、英、徳、 西班牙、比利时和意大利等西欧国家，口前已经全部完成了工商用户屯能表100% 的电子化。居民用户表也正在逐步向电子化过渡，如法国2001年起已停止购装感应 表;意大利也从2005年开始

31、逐步把感应表更新为自动抄表的电子表;而英国h前已经 有80%居民用上了电子式表。现有的电能计量芯片多数由国外厂商制造，因而他们掌 握着数字式电能表的相关核心技术。随着电了元器件的发展和应用，电了式电能表表现出越来越多的优点：(1) 科学技术含量高、技术性能优越、计量准确、稳定性能好；(2) 节约能源、能耗小，自身能耗仅为机械表的二分之一；(3) 体积小、耗材低，安装方便、快捷；(4) 扩展功能，通过加装一些辅助设备就能实现分时计费功能和采用计算机实现远方自动抄表功能。因具有优越的技术特性和多种功能而被广泛采用。1.4电能表分类电能表根据用途可分为两大类：安装式电能表(用于电能计量)和标准式电能

32、表 (用于电能表校验)；根据结构原理可分为感应式电能表和电子式电能表；根据测量电 能的性质分为有功电能表、无功电能表和最大需量电能表；根据功能不同分为预付费 电能表、复费率电能表、多功能电能表等；根据接入电路的方式不同可分为单相电能 表、三相三线电能表和三相四线屯能表。1.5本论文研究方向本论文冃的是设计出一种单相有功电子式多功能电能表，在参考前人论文的基础 上，提出了不同的设计方法。不采用美国adi公司生产的ade力55电能计量芯片为 计量模块，而是特别设计了一种电路作为电能计量模块。使用转换速度较快的比较式 a/d转换器ad0808通过对电压电流信号进行交流采样，并检测出功率因数。采用 8

33、051单片机作为控制和计算芯片。用8个led显示出测得的结果，并且通过串行口把数据传送给上位机。另外设计电源模块给硕件电路供电。第二章、方案论证本章主耍讨论了电能计量器所要达到的设计耍求以及设计齐个电路模块几种不 同的方案，并且根据要求选取最合理的方案。2.1电能计量模块设计要求： 采用单片机作为主控芯片。 用比较式a/d转换器。 电能计量结果由串行口输出，通信格式：波特率4800b/s,数据位8位， 停 止位1位，无校验。 计量精度2级。2.2电能计量的基本原理电能在物理上可以看成是从电源流向负载的能量流，用户在单位时间内消 耗电能的快慢程度用功率来表述。功率可以分为在一段时间内的平均功率和

34、某 一时刻的瞬时功率。对于在一段时间内大小和方向都不发生改变的直流电压、 电流来讲，平均功率值与其瞬时功率值是相等的。而对于交变的电压，电流来 讲，瞬时功率是时刻都在变化的，平均功率与瞬时功率是不相等的。要计算用 电设备在一段时间内消耗的总的有功功率应该在这段积分时间内，对瞬时功率 进行累加。设瞬时电压为u(t),电流为i(t),则瞬时功率为p(t)=u(t) - i(t),也是随着时 间变化的苗数，它在某个周期内的平均值应等于该函数对时间积分后，再除以时间间 隔，所以平均功率应为：ntp平均二e/at二 j p(t)dt / at= | u(t) i (t)dt/at(2. 1)toto对于

35、电压电流均为正弦信号的交流电，式(2. 1)等价为:却均二 e/atj tou icos 4> dt/ a t(2. 2)其中u, i分别为交流信号有效值。e是电压信号超前于电流信号的相位差值， cose称为功率因数，它表征了电网中实际消耗电能的平均功率(有功功率)与u, i 的乘积(视在功率)的比值。实际电网中，电压电流信号基本上都不是只包含50iiz频 率分量的正弦信号，而是含有很多诸如100hz, 150hz, 200hz等谐波的信号。此外， 电网负载尤其是开关电源还会引入各种各样的噪声，引起屯压的谐波和波形畸变。事 实上我们可以发现瞬时功率信号p(t)=u(t) -i(t)本身是

36、一个含有直流分量和高频分 量的信号，而任何频率不为0的频率分屋从长期来看对于时间积分都没有贡献，因此 电能计量数学上就相当于计算瞬时功率p的直流分量在时间上的积分。这正是电能计 量器进行有功电能计量的基本原理。电压信号与电流信号的乘积即为瞬时功率信号，其对时间的积分得到在一段时间内消耗的电能。如图2.1所示，当电压电流同相位时有p(t)=u(t) i (t)-v sincot i sincot-vi sin2°/=亍仃 _cos2cot)电压电流同相位情况下的瞬时功率信号variable x图2.1电压电流同相位情况下的瞬时功率信号当电压和电流信号相位不同时，设电流信号滞后于电圧信号

37、30。，女閤2. 2所示。并设电压和电流波形都是正弦的，那么瞬时功率信号屮的有功功率分量(直流分量) 为:p(t)=u(t) i (t)-v sin(ot /sin(cot- )-.cos(2cot-)-cos卫c朋卫c°ss2)2 6 2 6电压电流相位須况e的瞬ih功率信号n/11/、/v/2/7012345678910variable x图2. 2电压电流相位差为30。情况下的瞬时功率信号从以上推导可知，当功率因数为1即电压电流同相位时，瞬时信号中的有功功率分量(直流分 量)为(v1)/2,当电压电流相位差为3()。时，瞬时信号屮的有功功率分量(直流分量)为(v7/ 2) co

38、s 30° o2, 3设计方案2.3.1电压信号的调理电压信号调理有两种方案，包括电阻网络和电压互感器。(1)电阻网络。电阻网络采用的是最简单的电阻分压原理构成的，如图2. 3所示。输送到电能计量装置的等效电圧与主冋路电圧的关系为uv (t)=u(t) r2/rx +&)式中，叫(c为送入电能计量单元供测量电压的等效电压；u(t)为被测量电压。应用屮一般采用多级分压，以便提高耐压和方便补偿及调试。r2r、u（t）图2.3电阻分压原理图（2）电压互感器。采用电压互感器可实现初级和次级的电气隔离，并可提高电能表的抗干扰能力。其屯气原理图如图2. 4所示。输送到电能计量装置的等效电

39、压与主回路电压的关系为图2. 4电压互感器电气原理图2.3.2电流信号的调理直通式屯能表电流调理元器件采用猛铜分流器；互感器接入式电能表电流调理部 件采用电流互感器。（1）镒铜片分流器。镒铜分流器的测量原理如图2. 5所示。输送到电能计虽装 置的电流等效电压与主冋路电流的关系为式中，他为镒铜分流器的电阻:kt）为流过镒铜分流器的电流；s为镒铜分流器1、2 z间的电压。图2. 5猛铜分流器测量原理图获得的等效电压小信号s送入电能计量单元，以实现流过电能表的电流i(t) 的测量。(2)电流互感器。采用互感器能将电能表内主回路与二次回路、电压与电流冋 路隔离分开，使供电主冋路电流互感器二次侧不带强电

40、，可提高电子式电能表的抗干 扰能力。电流互感器电气原理如图2. 6所示。图2.6电流互感器电气原理图电流互感器一次、二次电流的关系为i(f) =kir(z)式屮，i(r)为流过电能表主回路和屯流；匚为流过电流互感器二次侧的屯流；k为 电流互感器的变比，k二n2/n1,n2为二次线圈，n1为一次线圈。输送到电能计量装置的电流等效电压与主回路电流的关系为s二匚心二i(/) rj*式屮，s为送往电能计量装置的电流等效电压；心为负载电阻。2. 3. 3相位测量方案方案一：采用过零比较器，将正弦波信号整成方波信号，其前后沿分别对应于正 弦波的正和过零点与负相过零点，对两路方波信号进行杲或操作之后输出脉冲

41、序列的 脉宽可以反映两列信号的相位差，以输入信号所整成的方波信号作为基频，由单片机 对获収的计数值进行处理得到两路信号的相位差。方案二：电压测量法。脉宽信号经过一个积分电路，通过脉冲对电容的充电这样 一个积分过程，将脉冲宽度转换成电容上的电压信号，然斤利用a/d转换器将电压 信号测量出来(需要同时测量信号周期的积分电压和相位差的积分电压)，测得的相位差为0 = n (rad)u、式屮匕为相位斧脉冲在电容上积分得到的电压；口为半周期的脉冲在电容上积分得 到的电压。2. 3.4显示器件的选择方案方案一：使用led显示器。led是一种由特殊的半导体材料制作的pn结。当正 向偏置时，由于大量的电了-空

42、穴复合，lei)释放出热量而发光。led的正向工作压降 一般为1. 21. 6v,发光工作电流为520ma,发光强度基本上与正向电流成正比。led 显示器常分为段码式显示器和点阵式显示器。段码式led显示器由数个led组成一个 阵列，并封装于一个标准尺寸的管芜内。这类显示器的结构主要有：由7个led构成 的字形7段数码显示器；由12个led构成的“田”字形数码显示器；由16 个led构成的“米”字行数码显示器等。点阵式led显示器是以点阵格式进行显示的, 其优点是显示的符号比较逼真，更易识别，不足z处是接口电路及控制程序比较复杂。 点阵式led显示器一般有4x7、5x7、7x9点阵等形式。最常

43、用的是5x7点阵，它由 35个发光二极管组成5列x7行的矩阵。用多个点阵式led显示器可以组成大屏幕led 显示屏，用来显示汉字、图形和表格，而且能产生齐种动画效果。led显示器的显示 方式有静态显示和动态显示z分。在静态显示方式中，侮个数码管都有齐口的驱动器 件。为了便于程序控制，在选择led驱动器件时，往往选择带锁存功能的器件，用以 锁存各自待显示数码。因此，静态显示系统在每次显示输出后能够保持显示不变，仅 在待显示数码需要改变时，才更新其数字显示器中锁存的内容。这种显示方式的优点 是亮度高，控制程序简单，显示稳定可靠；缺点是功耗人，当显示的位数较多时，占 用的i/o端口较多。在动态显示方

44、式中，所有位的段选线并联起来，由一个8位1/ 0端口控制，而各位的共阳极或共阴极分别由相应的i/o端口控制，形成齐位的轮 流选通，即led显示器分时轮流工作，每次只能使一个器件显示15ms。由于人的 视觉暂留现象和发光二极管的余晖效应，人眼仍然感觉所有的器件都在同时显示，获 得稳定的视觉效果。此种显示方式的优点是占用i/o端口少，随着高亮度led数码 管的出现，动态显示同样可以达到很好的显示效果。方案二：使用lcd。lcd是一种川液晶材料制成的显示器件。液晶显示器具有体积小、重量轻、低功耗、字迹 清晰、寿命长等突出特点，己被广泛地应用于各种仪器仪表、低功耗系统、终端显示等方而，尤 其是衣便携式

45、仪器设备中更显示出其独特的优势。lcd主要有笔段式、字符点阵式和图形点阵式 3种形式。笔段式主要用來显示数字、西文字母或某些字符，字符点阵式主要川來显示字符、数 字和符号等，图形点阵式可以显示图形和汉字等复杂信息。要显示lcd的某一字段，必须给该 字段两电极加上电圧，这一驱动电床常采用交流。lcd的驱动方式分为静态和动态两种。不同的 lcd显示器件要采用不同的驱动方式。静态驱动方式的lcd每个显示器的毎个字段都要引出电 极，所有显示器的公共电极连在一起后引出。显示位数越多，引出线也越多，相应的驷动电路也 越多，故适川于显示位数较少的场合。动态驱动方式实际上是用矩阵驱动法来驱动字符显示。字 符引

46、线相当于行引线，公共电极相当于列引线，字符的每一个字段相当于矩阵的一个点。动态驱 动方式对以减少lcd的引出线和相应的驱动电路，故适用于显示位数较多的场合。2.4方案论证2. 4.1电压信号的调理在电压信号调理的两个方案中，方案一采用电阻网络来分压，具优点是线性好、 成本低、硬件电路简单，缺点是无法实现电气隔离。方案二采用电压互感器调理电压 信号，虽然能实现电器隔离，但是成本偏高，设计硬件电路较复杂，线性差。因此， 采用方案一来实现电压信号的调理。2.4.2电流信号的调理在电流信号的调理方案中，方案一是用猛铜分流器来分流，然后把获得的等效 电压小信号送入电能计量单元。猛铜分流器具有线性好和温度

47、系数小的优点。方案二 提出了屯流互感器，采用互感器能将电能表内主回路与二次回路、屯压与电流回路隔 离分开，使供电主回路电流互感器二次侧不带强电，可提高电子式电能表的抗干扰能 力。因为在使用电能表的电路中，电压基木没有变化，电流变化很大，电能表的准确 度与测得的电流是否真实有很大关系，所以必须使二次侧不带强电，免受强电的干扰。 因此采用方案二来实现电流信号的调理更为合理。2. 4.3相位测量方案相位测量方案屮，方案一是采用过零比校器，将正弦波信号整成方波信号，电压电流两路信号经整形异或后，所得的脉冲占空比能反映相位差的大小，由此测得其相 位差。采用此种方法，可使量化误差大大减小，精度很高。方案二

48、是电压测量法，这 种方法需要把脉冲宽度转换成积分电容上的电压信号，然斤再通过a /d转换器转换 成数字量。由于采用电容充放电的测量形式，故不能用于较高分辨率的测量；此外积 分电容上的漏屯流、温漂以及a/d转换器的量化误差，导致这种相位差测量方法很 难达到高的精度。另外，由于积分电路的存在，降低了系统的采样速度，使电路只能 用于信号变化缓慢的低速系统。因为第一种方案外围电路简单也较容易实现，故采用 第一种方案。2. 4.4 a/d转换器的选用a/d转换器的作用是把连续的电压电流信号转换成二进制数，它是电能计量器的 关键器件。从工作原理上看，常用的a/i）转换器有积分式、比较式以及电荷平衡式等。

49、表2.1所示为几种常用a/d转换器的特点和性能，表中带*号的为积分式a/d转换器, 其余均为比较式a/d转换器。表2. 1几种常用a/d转换器的特点和性能芯片型号分辨率（位 数）转换时 间转换 误差模拟输入 范围数字输出 电平外部时钟工作电 压基准电压 （y ）adc0808、08098位100us±1/2± 1lsb0 +5vttl 电平要单电源+5vadc121012位或10位loous（12 位）30us（10 位）±1/2lsb0 +5v0 +10v-5v+5vcmos 电 平由%决定）不要+5v±15v+5v或+15vad57412位或8位25

50、us±1lsb0 +10v0 +20v-5v+5v- 10v +10vttl电平不要±15v 或±12v和+5v不需外供*icl710912位>30ms±2lsb4v+4vttl电平可以 不要+5v和-5v怙为1/2 量程值*mc144333位半>100ms±1lsb-0. 2v+0.2v-2v+2vttl电平可以 不要+5v和-5v怙为量程 值*icl71354位半100ms±1-2v+2vttl电平要+5v和怙为1/2左右lsb-5v量程值由上表可知，积分式a/d转换器分辨率高，但是转换时间长，而家用电的频率 是50h

51、乙 周期是20ms,积分式a/d转换器转换时间达不到要求，不能采用。儿种不同的比较式a/d转换器转换时间均能达到要求，而且分辨率都在8位以上，能 实现电能表计量精度2级。因为电能计量器耍处理电压和电流两路信号，而8051单 片机的i/o端口有限，不宜采用两片a/d转换芯片，所以要采用输入通道大于或等 于二的a/d转换器。adc0808、0809是一种8路模拟量输入，8位数字量输出的比 较式a/d转换芯片。由于输出级有一个8位三态输出锁存器，因而adc0808、0809 的数据输出端可以直接与单片机的数据总线连接。选用adc0808、0809作为a/d芯 片转换很合适。2. 4.5显示器件的选择

52、方案论证方案一是选用led显示器来显示，led显示器由发光二极管构成，具有工作电压 低、体积小、寿命长、响应速度快、颜色丰富等特点。方案二选用lcd来显示，lcd 虽然也具有体积小、垂量轻、低功耗、字迹清晰、寿命长等特点，但是lcd价格比 led显示器高，而且程序设计较复杂。综合考虑选择方案一较合理。2. 4.6通信方式方案论证根据设计要求，电能计量结果由串行口输出，所以设计采用串行通信方式。串行 通信是指数据一位一位地按顺序传送，其突出优点是只需要一根传输线，特别适宜于 远距离传输。电能计量器把用户每月的用电量通过串行通信传送给远方的pc机。pc 机内通常都装有一个rs-232异步通信适配器

53、版，其主要器件为可编程的uart芯片， 从而使pc有能力与其他具有标准rs-232串行通信接口的设备进行通信。8051单片 机本身具有一个全双工的串行口，但单片机的串行口为ttl电平，需耍外接一个 ttl-rs-232电平转换器才能够与pc的rs-232串行口连接，木文采用max232芯片实 现电能计量器与pc之间的通信。2. 4.7电源模块方案论证电能计量器的电源模块应解决以下三个问题：(1) 将50hz的电网220v交流电压变成电能计量器所需的直流低电压5v；(2) 提供后备电池，确保电网停电时电能计量器重要数据不丢失；(3) 将电网瞬时的掉电信号提供给单片机进行处理。工频电源是最常见的供

54、电方式，典型电路原理图如图2. 7所示。这种电源采用小 型c型铁芯变压器，能量转换率在80%左右，静态空载电流410ma,初级绝缘强度 在2kv左右。这种电源方式的优点是结构简单、电气隔离好、传统可靠、缺点是体积 大、不容易解决掉相故障。变压器t将220v交流屯降压，送整流桥ur,经三端稳压 管输出直流t作电源。t第三章.硬件电路设计电能计量器的硬件电路设计部分主要完成电压、电流信号调理电路、相位检测电 路、a/d转换电路、结果显示电路和通信电路。设计主要是用proteus软件完成。3.1电能计量器总体设计框i图3. 1总体设计图3.2电压信号的调理首先采用电阻网络降压，得到低电压uv(t),

55、再通过低通滤波器，滤去高频率的谐波信号，得到ui(t),如图32所示。uv(t)二u(t)生二u(t)!二型 式 3. 1&+心+/?3100 + 100 + 1201有源低通滤波屯路参数计算：截止频率：fh =_!=79. 6hz 式 3.22冰c频率低于 九时，电压增益：人二1 + &式3.3则有 ui(t)=uv(t).a.(t).(l+|)=2uv(t) = 式 3.4u(t)=100. 5ui(t) 式 3.5只要测出ui(t),根据式3. 5便可得到u(t)o3.3电流信号调理利用电流互感器，只要知道二次侧小信号电流就可以计算出一次侧的大电流。如 图3. 3所示，已知电