【正文】 ............................................................................................................. 12 信號(hào)采集電路 ............................................................................................................................... 14 計(jì)量模塊 ......................................................................................................................................... 15 時(shí)鐘及 LCD 顯示模塊 ................................................................................................................ 16 接觸式 IC 卡模塊 ........................................................................................................................ 18 第四章 軟件設(shè)計(jì) ............................................................................................................. 20 南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 主要軟件設(shè)計(jì)流程框圖及說明 ...................................................................................................... 20 主要芯片讀寫程序設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)工具 ............................................................................................. 21 第五章 仿真調(diào)試 ............................................................................................................. 26 結(jié)語 ....................................................................................................................................... 28 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................................. 29 致謝 ....................................................................................................................................... 31 附錄 電路圖 ....................................................................................................................... 32 南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 1 第一章 引 言 電表是我國(guó)電 工儀表行業(yè)中產(chǎn)量最大的產(chǎn)品。近幾年，國(guó)家連續(xù)出臺(tái)的多項(xiàng)與電表行業(yè)發(fā)展相關(guān)的政策以及房地產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，為電表需求的上升及保持行業(yè)發(fā)展的相對(duì)穩(wěn)定起到了一定的保障作用。 隨著高新技術(shù)尤其是電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，電子式、多功能、高精度、多費(fèi)率、自動(dòng)抄表等產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)突顯，且已經(jīng)逐步成為電能表發(fā)展的主流，在未來幾年里，這種趨勢(shì)將更加明顯。城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造，使電工儀器儀表行業(yè)步入了快速發(fā)展的軌道，同時(shí)也為行業(yè)企業(yè)提供了一個(gè)科技創(chuàng)新的平臺(tái)，電工儀器儀表生產(chǎn)企業(yè)抓住機(jī)遇，通過對(duì)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的兼收并蓄，并高標(biāo)準(zhǔn)、高起點(diǎn)自主 開發(fā)了一系列高技術(shù)產(chǎn)品。因此研究本課題具有重要的實(shí)用意義 。 目前，我國(guó)已經(jīng)開始大面積推廣并使用智能電表，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電價(jià)分時(shí)，階梯的統(tǒng)計(jì)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用電量激增，對(duì)于電能的管理顯得尤為的重要。在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中，電能已經(jīng)發(fā)展成為一種重要的能源資源，我國(guó)電力事業(yè)在改革開放的 30 年中，發(fā)展極為迅猛，所以相應(yīng)的電能計(jì)量?jī)x表制造業(yè)的進(jìn)步也必須與之相適應(yīng)，這對(duì)于電力事業(yè)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)電力事業(yè)穩(wěn)定，健康的發(fā)展有著極其重要的意義。新型智能電表不僅具有傳統(tǒng)電表的功能，還能對(duì)用戶的用 電情況進(jìn)行管理和控制，并且相比于傳統(tǒng)電表的機(jī)械式結(jié)構(gòu)，沒有機(jī)械摩擦，大大的提高了準(zhǔn)確度和靈敏度，且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量，并且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊和控制，具有較高的性能價(jià)格比，適合我國(guó)國(guó)情，有廣泛的引用價(jià)值。智能電表利用微機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)等等，減少了能量的消耗，把采集，處理集中于一體，節(jié)省成本和人力資源，提高了工作效率，適應(yīng)了現(xiàn)代用戶的需求。 智能電表是在電子式電表的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家于 20世紀(jì) 70 年代研發(fā)并開始使用，經(jīng)過 30 多年的不斷發(fā)展，歐美國(guó)家不斷對(duì)智能電表技術(shù)進(jìn)行革新，功能 日趨完善。 智能化電表，大體上可分為兩種類型：帶有微處理器的機(jī)電式和全電子式。機(jī)電式借用原感應(yīng)式電表的機(jī)芯，通過光電傳感器讀取轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)來測(cè)量用戶的用電量，如磁卡式電表、電卡式電表、 IC 卡電表等；而全電子式電表則采用電壓電流隔離方式，進(jìn)行 A／ D轉(zhuǎn)換，將采樣值相乘并累計(jì)計(jì)算用戶的用電量。機(jī)電式智能電表成本較低，主要用于單相第一章 引言 2 電表，適合于居民用戶使用。全電子式電表主要用于三相電計(jì)費(fèi)，針對(duì)企業(yè)應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，應(yīng)選擇配有通信接口的智能電表，通常有 RS— 48 RS— 23 CAN總線收發(fā)器或紅外等幾種接口形式 。 目前，我國(guó)的智能電表 也可 大致分為機(jī)電一體式和全電子式兩種，機(jī)電一體式即在原有機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上附加一定的電子元件，從而達(dá)到所需的功能要求，安裝簡(jiǎn)潔，多用在老實(shí)機(jī)械表的改裝，成本低。全電子式則是采用集成電路為核心，取消了老式電表的機(jī)械結(jié)構(gòu)，減少了機(jī)械摩擦，使得計(jì)價(jià)更加準(zhǔn)確，可靠性高，耗電少，體積小。在收費(fèi)系統(tǒng)方面，目前國(guó)內(nèi)上使用最為廣泛的為 IC卡電表收費(fèi)，成本低，可靠性好，且使用壽命長(zhǎng)，一張 IC卡 基本 可使用 10 年以上，且可實(shí)現(xiàn)，預(yù)收費(fèi)，自動(dòng)斷電，加密等多種功能，但是IC卡收費(fèi)系統(tǒng)也存在很大的缺陷，用戶終端 仍然與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)脫節(jié)從經(jīng)濟(jì)角度來看電力部門先收費(fèi)后送電不符合經(jīng)濟(jì)政策 ,可以說在一定程序上侵犯了用戶的利益。隨著我國(guó)提出發(fā)展智能堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)的提出，為我國(guó)電網(wǎng)設(shè)施的發(fā)展提供了機(jī)遇，未來，智能儀器儀表將向著數(shù)字化，智能化，網(wǎng)絡(luò)化，微型化的趨勢(shì)發(fā)展，并進(jìn)一步與微處理器， PC 技術(shù)融合，使儀器儀表技術(shù)的數(shù)字化，智能化水平不斷提高 。 南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 本電表采用分時(shí)計(jì)費(fèi)原則，將電壓，電流等參數(shù) 進(jìn)行 采集，并輸入微處理器，進(jìn)行運(yùn)算，并最終實(shí)現(xiàn)對(duì)于電能的準(zhǔn)確計(jì)量和控制。 因此我們可以 采用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)智能 IC卡電表， 采用低功耗設(shè)計(jì)，正常工作時(shí)關(guān)閉顯示功能，當(dāng)有 IC 卡插入時(shí)輪流顯示當(dāng)前的用戶信息。 系統(tǒng)主要功能包括： (1)預(yù)付費(fèi)功能：通過 IC 卡實(shí)現(xiàn)先付費(fèi)后用電。 (2)電量報(bào)警功能：當(dāng)電能表剩余電量低于告警電量時(shí)，通過報(bào)警指示燈和蜂鳴器告警。 (3)電能計(jì)量功能：配合感應(yīng)電表及計(jì)量芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的計(jì)量。 (4)保密功能：通過 IC 卡加密，實(shí)現(xiàn) IC 卡與電能表的唯一對(duì)應(yīng)，可以嚴(yán)格有效地防止偽造和復(fù)制 IC卡的行為，在一定程度上便于電力部門的管理與監(jiān)督。 (5)自動(dòng)復(fù)位功能：當(dāng)電能表受到干擾程序跑飛時(shí)，通過看門狗電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng) 復(fù)位。 (6)數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)與顯示功能：用戶數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在 EEPROM 中。通過 LCD 顯示當(dāng)前用戶數(shù)據(jù)。 方案比較 智能電表的設(shè)計(jì)，是基于對(duì)用戶電壓電流信號(hào)進(jìn)行采集，并通過微處理器進(jìn)行核心運(yùn)算，當(dāng)電壓電流信號(hào)通過采集以后，通過高精度的 A/D 采樣保持，最終輸入微處理器，另一方面，通過 IC 卡座實(shí)現(xiàn)對(duì) IC 卡內(nèi)部金額的讀取，輸入單片機(jī)，并且要求通過功率和電費(fèi)的計(jì)算，進(jìn)行顯示與報(bào)警。 對(duì)于電力參數(shù)的測(cè)試，例如電壓，電流，有功功率，無功功率 ，視在功率 等，現(xiàn)在都有成熟的測(cè)量計(jì)算方法，對(duì)于電壓有效值的測(cè)量，可以利用積分 電路來實(shí)現(xiàn)，也可以利用時(shí)間采樣信號(hào)，將信號(hào)值平方，去均值以后，得到平方根，通過 A/D，進(jìn)行采樣，有功功率定義為 ： ?UICOSP? （ ） 其中 U 和 I 為電壓和電流的有效值， ?COS 為功率因數(shù)。而對(duì)于非正弦波形的計(jì)算，第二章 總體方案設(shè)計(jì) 4 只有通過積分運(yùn)算來完成。 方案一： 圖 方案一 在本設(shè)計(jì)方案中，核心器件為微處理器，這里我們選用是 AT89C51 單片機(jī)，當(dāng)信號(hào)采樣后通過 A/D 轉(zhuǎn)換，送入微處理器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算，智能電表的實(shí)現(xiàn)必須對(duì)用戶的功率進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，在信號(hào)采集模塊中，通過電壓互感器和電流互感器，對(duì)用戶的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行采集，微處理器進(jìn)行功率和電費(fèi)的計(jì) 算，可通過 LCD 顯示，并可以通過鍵盤對(duì)分時(shí)電價(jià)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)顯示的轉(zhuǎn)換和調(diào)整，并運(yùn)用單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)分時(shí)的控制。但是此設(shè)計(jì)有諸多缺陷，首先，在信號(hào)采集方面，由于智能電表對(duì)于功率的計(jì)算，如果單純的使用單片機(jī)，會(huì)造成功率計(jì)算不準(zhǔn)確，如果要提高計(jì)算的精度，對(duì)于信號(hào)的 A/D轉(zhuǎn)換就必須采用高精度期間，成本費(fèi)用增加，其次即便使用了高精度的 A/D，在功率計(jì)算，補(bǔ)償方面的程序也想當(dāng) 麻煩 ，再則，由于使用分時(shí)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，只用單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行粗略的計(jì)時(shí)，產(chǎn)生的時(shí)間誤差比較大，長(zhǎng)時(shí)間的使用下會(huì)導(dǎo)致計(jì)時(shí)不準(zhǔn)確，而使得電費(fèi)的計(jì)算出現(xiàn) 比較大的 誤差。 軟件系統(tǒng)方面，其核心則是編寫功率計(jì)算程序和 A/D 采樣程序，并通過鍵盤掃描的實(shí)現(xiàn)顯示的切換。 信號(hào)采集 信號(hào)濾波 A/D 轉(zhuǎn)換 微處理器 LCD 顯示報(bào)警 鍵盤控制 IC 卡 南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 方案二： 圖 方案二 本方案的設(shè)計(jì)思路與方案一大致相同，選用 AT89C51 單片機(jī) 作為微處理器，通過電壓傳感器，電流傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的電壓 和 電流 信息的 采集，并在單片機(jī)中進(jìn)行電價(jià)的計(jì)算，與方案一的不同之處在于，方案二中功率計(jì)算部分和 A/D 轉(zhuǎn)換采集部分被一塊電能計(jì)量芯片 ADE7758 進(jìn)行代替，該芯片是以一款高準(zhǔn)確度的三相電能 采集芯片，適用于計(jì)量各種三相，單項(xiàng)配置條件下的有功，無功，視在