智能电表电能检测系统

智能电表电能检测系统

电表主要显示的是人们每天用多少电。如今,家家户户基本上都已经配备了一

种带转盘的移动电表，只能在转盘上显示总用电量。如果你需要查上个月的平均用

电量,只能从一份电费单上进行计算。现在已经是移动信息时代，这种计算方式显然

已经完全跟不上互联网社会的潮流。

近年来，社会普遍关注低碳、绿色经济和可持续发展。在这一创新理念的推动

下，智能电表将成为社会的潮流。智能电表在传统电表的基础上增加了自动化和智

能化功能，从而进一步提高了电网的效率，提高了供电可靠性、电能质量，改善了

用户的服务，从而更好地适应电力市场。智能电网是当前全球电力领域研究和探讨

的热点问题。智能电表是智能电网中最重要的环节。它支持网格信息、自动化和交

互的实现。

微处理器系统是智能仪表最重要的一个核心检测元器件。它可以实时存储大量

的微处理器检测数据，并对所存储的检测数据的准确性进行了分析、判断和数据处

理。本系统设计以单片机STC89C52为交流功率微处理器,v9881d为交流功率的测量

和计算控制芯片，LCD1602为液晶显示控制芯片，实现了LCD实时显示当前的交流电

压、电流、电压和功率。按键可以自动设置当前的电压、电流、电压和功率的上限,

当任意一个测量值的电压超标则单片机会蜂鸣器发出报警提示断电。

关键词:智能电表;LCD1602；C51单片机;

1引言

1.1智能电表的概念

智能仪表系统是现代科学信息技术走向时代的新技术产品,它的特点是能够对仪

表进行精确的测量和数据处理，因此智能仪表测量处理单元和智能仪表数据处理传感

器单元是其重要的组成部分。在智能电表数据处理系统中，它使使用者可以通过各种

智能芯片设备进行对电能的实时测量、计算和数据存储,具有实时的监测和自动控制

等多种功能。与其他传统便携式电能表相比。计量功能是新一代智能便携式电表最基

本的自动控制功能,它本身就是一种电子电表，可以通过端口与外部时钟进行通信。

微处理器通常是智能仪表最重要的一个核心控制器件。如果没有它，智能仪表就

会变得无法实时存储、分析、判断和处理大量的测量和数据。智能仪表通常需要具有

自动的数据采集和检测、强大的测量数据处理、数据的转换和自动调零功能，可通过

操作面板用于人机通信和显示设备。本次设计的智能电表主要采用微机和通信两种技

术。为了降低能耗，在芯片上实现了数据采集和数据处理功能，节省了成本和人力资

源，增加了工作。效率能够满足现代消费者的需求。

1.2智能电表的发展背景

目前,智能计量电表主要类型可以再细分为智能感应式、电子式和智能型,我国已

经发展是一个大型商用电能计量表的研发生产大国，我国企业生产的各类电能表目前

已经接近或基本可以达到发达国家的产品质量技术水平。我国的电能表能够很好地满

足不同的地区、不同发展国家的电能市场需求，同时也在国内具有着很大的价格优势。

因此，我国的各类电能表在国内和全球各大的市场上都已经具有很好的市场竞争力。

随着世界和我国太阳能电网的不断发展和智能化,对于电能表等自动化的电能计量装

置的技术要求也越来越高。目前我国的电网技术与国外在电能计量科技水平方面的先

进技术差距不是很大。其中最重要的组成部分,因此其发展前景相当乐观。与目前国

外同类智能电表产品的发展相比，我国的智能电表技术具有很大的完善、规范、分类

的用电单价和负荷控制功能，高于其他国家。它能更好地满足我国电网现代亿和智能

化建设的需要。

目前，我国的电力服务用户数量很大的增长。据2009年统计，截至年底，国家电网

公司服务信息系统共累计记录了电力服务用户2.3亿户。我国拥有10.4亿的人口，

如此庞大的电力用户人口数量，在整个全国范围内推广使用智能电表似乎不是一件简

单的容易事情。它不仅推广使用需要巨大的财力和资金，而且需要大量的人力、物力

和大量的时间精力来研究和实施。同时,智能电表的功能多样,数据清晰地显示智能电

表种类繁多，可以为广大用户和消费者提供更多的智能用电产品和服务。但是,更换智

能电表也同样需要广大用户的支持和同意、考虑和包容，所以用户也需要对电表的智

能化有一定的了解，所以我们要动员社会各界进行有效的宣传。

自国家电网公司正式出台一系列的智能电网管理体制改革方案以来，电表及相关

的产业和技术与智能化、自动化智能电网产业的融合发展正进一步面临着前所未有的

机遇和前景。在未来我国智能电表产业发展的前景和趋势可以大致分为以下几个主要

的方面：

（1）模块化

这样,智能电表的使用和维护就非常方便了。即使它只是一个不懂的机器人也依

然可以对它智能电表进行简单的使用维护和日常修理，只要它明确注意到了用电的安

全，而且是安全可靠的

（2）智能仪表的多样化

它们还可以通过使用多功能的控制元件系统来自动调节和控制我们的智能家居。

例如，我们的用户可以通过控制使用空调的大型家庭用电量和设备在电费相对便宜的

阶段启动；

（3）实时计算机控制

用户可以通过计算机控制智能电表的某些功能，实现对电表下所有电器的能量控

制。

1.3智能电表的结构

从智能电表的介绍中不难看出，智能电表由软件和硬件两部分组成。我们也可以

说它是一个小型化的专用计算机系统。

硬件的部分主要由人机交互微处理器、信号的输入和输出寄存器通道、标准人机

通信输出端口、人机交换输出通道和外围通信电路部分组成。其中信号的输入和输出

寄存器通道主要通过单片机模拟信号和标准数字信号与外界计算机交换传输数据。信

号输入寄存器和输出通道主要组成部分包括单片机传感器电路元件、数模转换器、调

理信号转换器电路部分和标准数模信号转换器。这部分组成的微处理器及其外围通信

电路主要被广泛地用于存储数据和开发应用程序，并能对标准和单片机传感器中的人

机交互数据信号进行一定的控制操作和数据处理。该硬件部分主要由单片机数据输入

寄存器和应用程序执行寄存器以及信号输入寄存器和输出通信端口和外围电路部分

组成。软件部分包括。顾名思义，人机交互信号输出通道系统是一种实现人与电脑和

机器相互进行信息交流的重要通道。它通常由数字键盘部分、数字拨号部分、打印机

部分和数字显示部分组成。标准通信接口显然是用来与计算机通信的端口。这些端口

便于计算机有效地控制被控制设备。

在智能计算机电表中，监控的程序和通信端口的管理监控程序可以直接构成监控

软件的两个部分。其中,接口管理监控程序主要广泛应用于通信接口。它的功能和作

用主要是通过接收和处理分析各种程序控制的代码，主要是包括各种系统运行控制方

式的程序控制的代码、各种功能的程序控制的代码、各种工作控制参数的程序控制的

代码等，同时,还包括各种监控装置的实时显示工作参数状态和不同测量数据的处理

结果将通过通信接口的输出发送到计算机仪表部分，从而实时响应监控计算机的各种

远程控制系统的命令。实时监控的程序主要可以是操作计算机键盘上的监控模块和实

时显示键盘模块。它使用户可以为计算机设置一个按键的位置和功能,并实时存储一

个相应的计算机工作寄存器参数和相应的工作状态模式。它使用户可以通过计算机的

i/。端口对计算机的数据寄存器进行实时采样和寄存港的设置包括数据类型等工作

参数，也可以是通过计算机相应的远程控制指令对计算机数据寄存器和端口中的测量

数据和工作状态参数进行不同的数据分析和处理。最后，当对数据的处理完成后，可以

以各种仪表的形式实时显示数据分析和处理结果。，

1.4智能电表的主要特点

与机械式仪表相比，智能仪表具有以下特点：

(1)高精度的测量:智能仪表测量系统可以有效地利用对单片机测量指令的快速

执行和非常耗时的数模转换，对待测数据的平均值进行多次的测量,测量过程中数据

的大小取决于平均值,从而减少和排除一些偶然误差和一些不必要的确定干扰。它还

甚至可以通过微处理器的单片机滤波命令对其进行数字滤波，消除一些随机误差和较

大的误差。同时利用这些测量方法可以大大提高仪表测量的精度；

(2)间接测量积分是完全没有任何可能的:智能仪表管理系统硬件中的各种类型

微处理器以及软件等都可以直接通过各种编程设计语言直接进行各种仪表形式的直

接计算,通过对几种容易被间接测量的仪表数据类型进行直接测量积分和和计算，可

以得到一些可以测量的数据；

(3)仪表可以自动进行校准。智能仪表可以在通电后自动进行校正，在测量的过

程中对系统信号进行了校正，减少了误差；

(4)能自动纠错;

(5)自定义诊断的能力:智能仪表本身具有自动故障的诊断和检测的功能。如果

有故障失败,将启动自诊断的功能，您可以检查系统有什么问题；

（6）能够进行复杂的控制；

（7）通过程序可以灵活地改变功能；

（8）通信接口智能电表的通信接口通常都是c,d,gpib三个端口或串行通信端口,

这些通信端口的结构和功能特点有助于通过智能电表对用户进行各种远程控制。它们

还可以方便地与各种计算机或其他不同的设备和仪器进行组合，从而根据不同设备和

用户的不同使用需求自动检测出各种不同的测量数据，并通过系统的远程控制接口来

保证工作完成。

2总体设计方案

2.1设计功能要求

本次设计的电表最重要的是实现的功能有以下要求：

（1）可实现单次交流电能的测量；

（2）电表参数：额定工作电压220V,额定电流5A,最大工作电流10A,最大显示

总能量99999千瓦时

（3）通过转换和计算，可以测量和转换功率、电压、电流的瞬时值和电压、电流的

有效值，并显示在LCD1602液晶上。

2.2智能电表的总体方案设计

本次设计制造的智能电表具有以下功能：

（1）将单片机外部的测量数据输入寄存电容器中来存储三个月交替日的总可用

电能度，并通过数据寄存器中的计算公式得出本月、上月和上月的三个交替日用的总

电量,并通过LCD1602液晶显示相应的数值；

（2）内部可对功率、电压、电流的瞬时值和电压、电流的有效值进行测量和转

换，并通过转换和计算显示在LCD1602液晶上；

（3）它可以显示安装电表后的总用电量。

本次设计制造的电能计量仪表主要由电流、电压互感器、电能计量芯片、LCD1602

液晶显示模块、组合键盘、温度采集、蜂鸣器报警等组成。其结构如图2-1所示。

下图2-1显示，设计中的智能电表硬件控制模块中的电压电流互感器可以将220

伏电源线上的电压电流转换成能被电能计量芯片允许输入的电压电流范围。本次设计

的智能仪表主要由测量计算电路模块、单片机、LCD1602液晶显示模块、继电器控制、

温度采集蜂鸣器报警、电控制等源电路组成，如图2-2所示。

数码管显

USB供电

示

微控刎器组合键盘

电

力

线

日历时钟

芯片

图2-1智能电表的设计概念

图2-2智能电表的硬件组成

3硬件部分的组成

这次设计的这款嵌入式智能电表管理硬件系统中它可以简单地被划分为六个主

要部件组成的元部件。它们由一个嵌入式驱动电能电流计量自动控制电路模块、继电

器电源自动控制、lcdl602液晶数字显示自动控制电路模块、蜂鸣器自动声音报警、

电源自动控制电路和一个高级微处理器控制模块部分组成。智能量子电表本身实际上

指的就是一个微型化的电子表和计算机的远程控制和数据处理集成系统，它的主要结

构组成和各个核心部件本身就是一个小型微处理器，也指的就是我们常常所说的一个

处理器和一个单片机。为了能够更好地设计实现不同的工作原理和应用功能,智能仪

表需要与不同的设备和单片机相结合。通常我们会使用简单方便的芯片与单片机结

合，这样可以降低成本，减少编程的麻烦。

这次我们设计的这款智能电表主要是使用传感器将外部测量的信号转换成内部

的电信号。本次设计采用的v9881d芯片通过双差分传感器电路直接采集外部电压、

电流等测量信号，然后由传感器进行内部测量信号的调理，提高了模型的性能和质量,

提高了信号的稳定性和抗干扰能力，最后经模数转换后,将信号通过数据系统传输到

相应的单片机中并用于数据处理。这些模数转换步骤都可以在现有的v9881d芯片上

进行完成,但是数据系统的模数转换主要依赖于可编程微处理器。在单片机中对信号

进行了数据处理后，通过相应的可编程微处理器实现了存储数据信息或图像显示的执

行。

3.1电压电流采样模块的设计

在用电压和v9881d互感器测量输入电能的应用过程中，我们基本上都是用测量

电压和输入电流的互感器来进行隔离和保护电源线，因为用电压和v9881d的互感器

测量电压和输入互感器对电源线允许互感器通过的最大输入电压和通过的电流都有

一定的限制，这不仅有效保护了电力线的芯片，同时也大大降低了对电力线各种干扰

信号对于测量电能效果的直接影响。

现在我们使用的照明电路上的电压和电流的有效额定值分别是：220v,10a,在这

种的情况下，我们通常可以简单地假设我们在照明电路上的电压和有效电流的最大额

定值分别是:300v,30a。我们目前所使用的电源线一般都是单相二线制的交流电供电

线路,所以它们一般都属于正弦的交流供电信号。我们通常以最大值的0.7071倍的频

率来计算和测量它们。然而,在实际的应用中，电力线上的正弦交流供电信号并不是一

个符合国际标准的正弦交流信号，因此我们在实际上采用其最大值的0.6倍进行了计

算。

变压器输入端口是一种高精度、低谐波阻抗的元件。同时，在某些高次谐波变压

器存在的特殊情况卜它的输入延迟很小。因此在使用高次谐波变压器输入隔离控制

电路后,v9881d的变压器输入端口不需要用其他的方法进行隔离。如图3-1o

电压调理电路

在将测量的电压互感器连接得到一个v9881d之前,我们首先需要互感器来降低

输入电压。在这个降压过程设计中，我们首先使用了一个2ma/2ma测量电压的互感器

作为滤波和降压的过程。然而,这种类型的最大电压互感器在输入电压连接到互感器

的电源线之前必须通过连接得到一个110k欧姆的降压电阻器，以便将连接到电源线

的输入电压信号转换为一个低于2ma的输出电流,以保护最大电压输入互感器。降压

电路通过一个电压输入互感器后，在电压互感器的输出端二次侧连接一个电阻，该降

压电阻应小于62.5欧姆，因为这个v9881d是测量最大电压值125mv时的电压和输入,

该降压电阻的主要作用之一就是将输入电流转换为输出电压。然后，在两个电压输入

互感器二次侧分别连接上一定尺寸的滤波电阻和降压电容，形成一个rc类型的滤波

和降压电路,对互感器输入的电压信号进行相应的滤波和降压操作。

电流调理电路

在一次侧电流互感器的调节部分，同样,v9881d也不能直接使用连接到一次侧的

电源线来直接测量输出电流。这一次，可以考虑使用1000/1电流互感器。这次测试所

使用的输出电流互感器通常是两个引脚。我们可以选取一次侧变压器中间的一次侧电

源线作为一次侧,其两个引脚可以作为二次侧的输出。但是,我们必须时刻记住如何连

接二次侧的变压器和负载，以保护一次侧的变压器和其剩余的电路。与电压调节部分

一样，它还与RC滤波器网络相连，对输入电流进行滤波操作。

3.2V9881D的电路

单片机微处理器STC89c51的控制指令集和控制管脚与所有单片机微处理器系列

间相互兼容。单片机微处理器系列有一个可写可擦的单片机程序执行寄存器和一个数

据寄存器，它们的寄存器大小分别为4k字节和256字节。其基本工作流程和原理与

8031单片机相同。

v9881d芯片与计算机和微处理器之间的单片机数据传愉主要采用一种串行口数

据传输方式。这样的方法可以大大减少单片机数据传输所需的i/。端口，为传统的单

片机处理器节省大量的端口，从而可以使得系统能够实现更多的数据传输功能。

U34VCC

T

4RXD

3

TXD

CON4V988ID

GND

图3-2V9881I)外部电路连接图

从图3-2可以看出，V9881D的1和24引脚连接到晶体振荡器。图中所示引脚为

STC89C51的3.1和3.2单片机串行端口引脚,电压和电流输入信号除外。

两个模数转换器(adc)将对来自放大器电流和传感器的电压输出信号传感器的直

流电压输出信号进行数字化。两个转换器adc都可以是16位二阶sigma-delta模数

信号转换器，过采样率可以为900khzov9881d的输入电路模拟放大器和输入电路结构

使传感器具有很宽的电流动态传感器范围，大大简化了与传感器的接口(电流信号可

以直接通过连接放大器到电压传感器)，也大大简化了传感器抗混叠电流滤波器的结

构设计。电流通道放大器中的可编程电流放大器(pga)进一步地简化了与传感器的接

口。电流输入通道放大器中的高通电流滤波器(hpf)有效地滤除了放大器的电流输出

信号和传感器中的直流信号分最，从而有效地消除了由于放大器电压或电流分量偏移

引起的误差和有功输出功率放大器计算的误差。有功输出功率由瞬时放大器的功率输

出信号放大器导出，瞬时放大器将功率输出信号直接转换为乘以放大器电流和传感器

电压的信号。为了直接获得平均有功输出功率的分量(即直流功率分量)，对瞬时功率

的信号处理进行低通滤波就已经足够了。上图设计方案显示了瞬时条件下的功率信号

处理是如何良好的。如何通过对瞬时功率的信号处理进行低通滤波处理来直接获得平

均有功的功率，该图的设计方案还说明我们可以正确地地计算不同的功率因数下非正

弦电流和电压波形的平均有功输出功率。所有低频信号的处理均是采用数字电路,具

良好的温度和工作时旬稳定性。v9881d的低频输出功率是由计数器通过低频脉冲

积累上述平均有功功率的信息而产生的，即在两个低频输出计数器和脉冲之间经过长

时间的积累后，输出的频率与平均瞬时有功的功率因数成正比。当平均瞬时有功输出

功率的信息进一步的累积（例如，通过低频输出计数器）时,可以直接获得对能量进行

测量的信息。cf输出的频率高，积累的时间短。因此,cf的计数器输出有功频率与瞬

时平均有功的功率因数成正比。这对于稳定的负载工作条件下的低频输出系统验证也

是有用的。当然，它的信息还可以进一步的积累以获得更多关于能量测量的信息。

v9881d精度高,符合50hz/60hz的标准和iec687/1036标准的要求,在500:1的

动态频率范围内输出误差小于0.1%;该输出值由cf以更高的动态频率进行输出；cf

和fl/f2输出引脚与pgad7755兼容;可编程逻辑放大器输出引脚revp表示负功率或

线路错误；门/「2可直接使用驱动计数器或使用步进驱动电机；电流控制通道可编程

放大器（pga）允许放大器使用电阻小的并联电阻;精度高;芯片上装有功率监测控制电

路，具有良好的抗浸没保护功能（空载阈值），以及2.5v±8%的片上温度参考（工业应

用典型）参考值30ppm/℃;单电源5v直流供电,低功耗（工业典型参考值15mv），低制造

成本emos的制造工艺。三。v9881d的介绍数字电路v9881d数字电路是一种高计量

精度的数字电能信号计量处理集成电路,其主要技术指标远远超过了iecl036的精度

和计量要求。v9881d仅在模数转换器（adc）和控制器参考源中广泛地使用数字模拟转

换器电路。所有其他数字电能信号的处理（如乘法和滤波）都可以使用数字电路，这样

的特性使得v9881d数字电路能够在恶劣的工作环境中长期保持高计量精度。以及长

期稳定。v9881d引脚用于fl和f2以低频信号的形式输出有功功率的平均值,可直接

使用驱动机械智能电表或与单片机控制器接口。引脚cf以高频的形式同时输出一个

有功功率的瞬时值，用于单片机验证或与其他单片机接口。v9881d是包含了avdd滤

波器和电源引脚的单片机监控空载匹配电路。在此时当avdd的上升电压到4V之

前,v9881d一直保持在自动复位的状态。此时当avdd电压下降到4V以下时,v9881d

也自动复位，此时内部的fl、f2和f3中的cf不同时输出。内部电压和相位的空载匹

配电路阈值特性使得电压和相位电流在同一个通道的电压和相位始终保持匹配

（45-65hz范围内的相位电流误差不可能超过±0.1度），而不管同一个通道1中的高通

相位滤波器（hpl）是打开还是自动关闭。内部的空载匹配电路阈值的特性有效地确保

了v9881d在空载兀配条件下电压不会发牛蠕变-9881d的封装是采用标准的SSOP24

封装,分为商业级（标准的后缀a）和工业级（标准的后缀b）oo

3.3继电器电路

继电器回路是具有一个回路控制系统（也可以称为一个输入控制回路）和一个控

制回路系统（也可以称为一个输出控制回路）的一种电子回路控制系统的装置，它通常

被广泛应用于自动控制的电路中。它实际上的含义就是用一个小的电流开关来自动控

制一个大电流的〃自动开关〃。因此,它在自动控制电路中通常起着自动控制和调节、

安全自动保护和继电器转换自动控制电路的重要作用。如图3-3o

电磁吸力继电器一般由铁芯、线圈、电枢、接触簧等部分组成，只要铁芯和线圈

两端施加一定的电压，一定的电流就可能会直接流过铁芯和线圈，从而直接产生了电

磁吸力效应。铁芯的动触头可以和静触头相互吸引。当铁芯和线圈之间断电时，电磁

的吸力也可能会同时消失，电枢在铁芯和弹簧的反作用力下回到原来的动触头位置，

释放新的动触头和原来的静触头。这样就会使铁芯被拉入并释放,从而达到在电路中

打开和关闭的目的。继电器的“常开、常闭”触点可以这样区分：当继电器线圈未通

电时断开的静态触点称为“常开触点”；处于接通状态的静态触点称为“常闭触点二

电路驱动结构图图片中的电路驱动稳压继电器电路室由一个pnp晶体管驱动变

压器电路驱动。因此当一个晶体管的电阈管的值经常超过一个单片机的正常设定值时,

单片机将由正常的低或高电平而转变为正常的高或低电平。晶体管开关打开可以驱动

光源继电器，继电器可以充当一个晶体管控制开关来自动控制晶体驱动光源电路中的

负载。

继电器

图3-3继电器电路

3.4蜂鸣器电路

图3-4蜂鸣器电跄

蜂鸣器电路如图3-4所示。蜂鸣器的一端连接到晶体管的引脚，另一端接地。三

极管单片机采用先进的pnp三极晶体管。它的主要特点和功能之一就是良好的放大驱

动电流和电平的特性。由丁晶体管单片机的电路很小，不能同时提供驱动蜂鸣器报警

所需的放大电流。三极管经过放大驱动电流后，电流比蜂鸣器放大200倍,驱动蜂鸣器

发出报警。同时，晶体管的上拉稳压电阻也起到了限流的作用。引脚在蜂鸣器通电后

默认为一个高电平，因此为了有效防止一个晶体管关闭或打开，只有当我们想更好地

操作一个晶体管时,才可能会给蜂鸣器一个低电平，调平以便蜂鸣器发出报警。

3.5LCD1602引脚电路

液晶全彩显示的工作原理主要是通过利用电控制液晶的各种物理和化学特性,通

过液晶的电压变化来自动控制整个液晶的分辨率和显示面积。这样当有电时,它们就

会自动显示出来,这样液晶的图形就完全可以很清晰地显示出来。液晶全彩显示器的

特点它具有屏幕厚度薄、适合于大规模集成电路直接驱动、易于直接实现高清全彩液

晶显示等的特点。它已广泛应用于便携式移动计算机、数码相机、pda相机以及移动

通信工具等应用领域如1|3-5。

RT是一个电位器，也就是一个滑动变阻器。通过旋转此电位器，可以调整LCD

背光的亮度。

LCD1602

图3-5LCD电路

4软件部分的组成

4.1电表流程图

根据电表的硬件设计，电能表运行的过程如图4-1。

否

图4-1主:流程图

4.2按键扫描流程

智能数字电表系统中的键盘组由一台单片机通过编程进行扫描。在整个扫描程序

中，密钥输入扫描的程序都是连续重复的，也就是说，每次主程序周期伴随着密钥扫

描。在扫描程序中，如果检测到按键，程序将在一定的时间延迟后执行扫描。如果仍

按某个键，则认为已按该键；否则