【正文】 摘要隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電能消耗日益增加，電能成為現(xiàn)代社會(huì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活的重要保障。本文所設(shè)計(jì)的新型多功能電子式電能表除了提高計(jì)量精確度外還實(shí)現(xiàn)了分時(shí)計(jì)量、對(duì)異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并記錄事件等功能；可提高電能的合理利用，為用戶(hù)提供公正、公平的用電環(huán)境。論文首先綜述了多功能電子式電能表的發(fā)展現(xiàn)狀及電能測(cè)量的基本原理，然后給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和總體方案，并按功能進(jìn)行了各個(gè)硬件電路單元的設(shè)計(jì)，包括電源單元、計(jì)量單元、功能管理單元、顯示單元、通信接口單元等。在軟件設(shè)計(jì)方面，采用模塊化軟件設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了有功和無(wú)功的能量分時(shí)計(jì)量、RS485通訊、紅外通訊、按鍵顯示、異常檢測(cè)及記錄等功能。文中對(duì)三相電能表的抗干擾設(shè)計(jì)也有很詳細(xì)的介紹。 本三相多功能電子式電能表具有運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、通用性好和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)電表市場(chǎng)的需求。關(guān)鍵詞：電能計(jì)量，多功能電子式電能表，復(fù)費(fèi)率，ATT7022B，時(shí)鐘芯片AbstractWith the rapid development of economy of our country and gradual increment of power onsumption, electrical energy bees the significant guarantee of national economy and people’s life in modern society. Latemodel polarity formula multifunction watthour meter, which designed in this paper, improves the measuring accuracy and realizes functions of timesharing measurement realtime monitor exceptional situation and take event records and so on. This will improve the pletely utilization of electrical energy, prevents happening of using electricity illegally, and provides fair and impartial environment of using electricity.At first, this paper summarizes the present developing state of multifunction electronic watthour meter and the basic theory of energy measurement, after that, it put out the design objection and whole frame of this metering System. And the circuit design of each unit with the function divided, including power unit, measure unit, munication unit etc .The soft design of the system is the priority of this paper, utilize modularization method to realize active power, reactive power, RS485 munication, infrared munication, keyboard and display, anomaly detection, electricity reading meter and so on. The EMC design and meter adjust method have also been discussed. This Latemodel multifunction electronic watthour meter has the excellence of run stability, high reliability, good monality and strong ability of antijamming, etc .It’s fit in with the market demand of the watthour meter.Key Words: energy metering, Multifunction electronic watthour meter, ATT7022B, multirate, realtime clock目錄1緒論 1 1 電能表的發(fā)展及現(xiàn)狀 2 課題研究目的和意義 4 52電能測(cè)量原理 6 7 8 10 12 153 系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計(jì) 16 16 17 21 存儲(chǔ)器單元 29 通信模塊設(shè)計(jì) 31 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路 37 人機(jī)接口模塊設(shè)計(jì) 39 42 繼電器驅(qū)動(dòng)單元 454 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 48 開(kāi)發(fā)工具 48 主程序流程圖 48 程序模塊化設(shè)計(jì) 505 抗干擾設(shè)計(jì) 60 61 61 616 結(jié)論與展望 63 63 63參考文獻(xiàn) 65致謝 67附錄一 英文資料 68附錄二 三相多功能電能表系統(tǒng)原理總圖 871緒論電能是最重要的能源，在現(xiàn)代社會(huì)中電能己廣泛應(yīng)用到社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域和社會(huì)生活的各個(gè)方面。電能表是當(dāng)前電能計(jì)量和經(jīng)濟(jì)結(jié)算的主要工具，它的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到國(guó)家與用戶(hù)的經(jīng)濟(jì)利益。感應(yīng)式電能表作為一種傳統(tǒng)的電能表，在電能計(jì)量工作中發(fā)揮了極大的作用。但隨著電力逐步走向市場(chǎng)，用電營(yíng)銷(xiāo)對(duì)電能計(jì)量工作提出了更高的要求，電能表要承擔(dān)的功能越來(lái)越多，如在電力系統(tǒng)中，為引導(dǎo)用戶(hù)更為有效、合理利用電能，避免尖峰負(fù)荷的出現(xiàn)，提高系統(tǒng)的負(fù)荷率，對(duì)用戶(hù)實(shí)行分時(shí)計(jì)量；為對(duì)電能計(jì)量裝置進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)方遙控，需對(duì)電能表進(jìn)行遠(yuǎn)方通信等。同時(shí)，隨著社會(huì)的發(fā)展，交易的電量越來(lái)越大，供、用雙方對(duì)自身的權(quán)益也越來(lái)越關(guān)心，這就對(duì)電能計(jì)量表的準(zhǔn)確度等級(jí)提出了更高的要求。普通感應(yīng)式電能表受其結(jié)構(gòu)和原理上的制約，要進(jìn)一步提高準(zhǔn)確度和拓展其功能已很困難。同時(shí)，微電子技術(shù)和單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展和普及，為電能表多功能高精度的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了有利條件，電子式電能表得以出現(xiàn)并得到了飛速發(fā)展。[1]近年來(lái)，高準(zhǔn)確度、高可靠性的元器件以及大規(guī)模集成電路技術(shù)等應(yīng)用于電子式電能表的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)，使電子式電能表壽命提高、功能多種多樣，其市場(chǎng)所占比重正在快速加大，這其中電卡式預(yù)付費(fèi)電子式電能表、單相/三相電子式多功能電能表將是主要需求目標(biāo)，并逐步使供用電管理的微機(jī)化和自動(dòng)化成為現(xiàn)實(shí)。本文正是基于這樣的背景下進(jìn)行的，設(shè)計(jì)基于ATT7022B的三相多功能電能表。 電能表的發(fā)展及現(xiàn)狀（機(jī)械表）自從1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律以來(lái)，人們就不斷的探索使用和測(cè)量電能。電能表作為測(cè)量電能的專(zhuān)用儀表，至今已有100多年的歷史。1880年美國(guó)人愛(ài)迪生研制成功世界上最早的電能表，是基于電解原理的直流電能表。隨著交流電的出現(xiàn)和使用，1888年意大利物理學(xué)家費(fèi)拉里斯提出了將旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)理論用于交流電能測(cè)量的觀點(diǎn)。 1889年，匈牙利崗茲公司的布勒泰制成了第一臺(tái)交流感應(yīng)式電能表。最早出現(xiàn)的電能表是根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)理論制作的感應(yīng)式電能表，其核心是電磁線圈和轉(zhuǎn)動(dòng)部件，經(jīng)過(guò)一百多年的不斷改進(jìn)和完善，感應(yīng)式電能表的制造技術(shù)也已相當(dāng)成熟。目前普遍使用的感應(yīng)式電能表是根據(jù)交變磁場(chǎng)中金屬圓盤(pán)的感應(yīng)電流與有關(guān)的磁場(chǎng)形成力的原理制成的，即利用金屬鋁轉(zhuǎn)盤(pán)中感應(yīng)的電流與通有交流電流的固定線圈的磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩驅(qū)動(dòng)鋁盤(pán)旋轉(zhuǎn)，累計(jì)消耗的電能。感應(yīng)式電能表具有制造簡(jiǎn)單、操作安全、維修方便、可靠性好和價(jià)格低廉等特點(diǎn)，因此，至今在包括我國(guó)的許多發(fā)展中國(guó)家甚至是一些發(fā)達(dá)國(guó)家里，感應(yīng)式電能表仍作為一種計(jì)量工頻電能的儀表被廣泛使用。[2] 機(jī)電一體式電能表隨著電能開(kāi)發(fā)及利用的加快，對(duì)電能管理和電能表性能提出了更高的要求。電力系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大以及對(duì)電能合理利用的探索，使感應(yīng)系電能表逐漸暴露出準(zhǔn)確度低、適用頻率范圍窄和功能單一等缺點(diǎn)。感應(yīng)式電能表由于受其原理和結(jié)構(gòu)等因素的制約，要對(duì)它進(jìn)行較大的改進(jìn)是很困難的?；谖㈦娮蛹夹g(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們開(kāi)發(fā)出了基于感應(yīng)電能表的機(jī)電一體式電能表，這種電能表是利用感應(yīng)系電能表的測(cè)量機(jī)構(gòu)作為工作元件，使用光電傳感器完成電能脈沖的采集，經(jīng)微處理器處理后，對(duì)電能脈沖進(jìn)行計(jì)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的數(shù)字化測(cè)量。這種電能表的顯著特點(diǎn)是感應(yīng)式測(cè)量機(jī)構(gòu)配以脈沖發(fā)生裝置，因此也被稱(chēng)為感應(yīng)式脈沖電能表或機(jī)電脈沖式電能表。這種電能表和機(jī)械禍合式多費(fèi)率電能表都是感應(yīng)式電能表向全電子式電能表過(guò)渡過(guò)程中的電能計(jì)量品種，它們對(duì)分時(shí)電價(jià)、需量電價(jià)制度的實(shí)施起了積極的推動(dòng)作用。 全電子式電能表機(jī)電脈沖式電能表采用感應(yīng)式測(cè)量機(jī)構(gòu)測(cè)量電壓電流，決定了它同樣具有感應(yīng)式電能表準(zhǔn)確度低、適用頻率范圍窄等缺點(diǎn)。電子式電能計(jì)量方案使用乘法器實(shí)現(xiàn)功率和電能的測(cè)量，在一塊集成芯片上完成電能采樣和AD轉(zhuǎn)換，比較先進(jìn)的是∑⊿AD轉(zhuǎn)換原理。功率是電流與電壓的乘積，電能是功率對(duì)時(shí)間的積分。20世紀(jì)80年代末90年代初，國(guó)外著名電測(cè)儀表公司相繼推出了全電子式多功能電能表，如瑞士蘭地斯公司(LANolsamp。oYR)、法國(guó)斯倫貝謝公司(Sehlumberger)和美國(guó)通用電氣公司(GE)等。我國(guó)從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始研制全電子式電能表，1994年威勝集團(tuán)、恒通公司等相繼推出了全電子式多功能電能表，隨后有多家公司開(kāi)始小批量生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)技術(shù)的引進(jìn)、消化和吸收，我國(guó)電子式電能表開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。全電子式電能表最早用于進(jìn)行計(jì)量鑒定，也就是做標(biāo)準(zhǔn)表，隨著元器件性能的提高和價(jià)格的下降，全電子式電能表計(jì)量精度較高，且能實(shí)現(xiàn)復(fù)費(fèi)率及用電控制，便于實(shí)現(xiàn)抄表自動(dòng)化系統(tǒng)，而且生產(chǎn)成本較低，全電子式電能表逐步開(kāi)始大量民用，目前使用數(shù)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)機(jī)械表。[3]目前的電能表市場(chǎng)中全電子電能表所占比例逐年增加，機(jī)械表由于先天性在通信方面的不足，所以很難在集中自動(dòng)化抄表方面有發(fā)展，機(jī)電一體式電能表雖可以進(jìn)行電能信息的遠(yuǎn)程通信，但其可提供的用電信息比較少，例如頻率，有功，無(wú)功等，另外實(shí)現(xiàn)復(fù)費(fèi)率計(jì)量也比較困難。雖然基于機(jī)電一體式的電能表實(shí)現(xiàn)了預(yù)付費(fèi)，但鑒于安全性和其他方面的原因，國(guó)家并不主張大范圍的使用這種電能表。全電子電能表克服了上面兩種表的缺點(diǎn)，可以方便的計(jì)量電能的各種信息，并且實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信完成抄表工作和實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化。近年來(lái)隨著全國(guó)用電缺口的急劇擴(kuò)大，國(guó)家發(fā)改委決定全面推行峰谷分時(shí)電價(jià)和避峰電價(jià)，鼓勵(lì)用戶(hù)合理移峰用電，這一政策的出臺(tái)，帶動(dòng)了全國(guó)各地供電部門(mén)對(duì)復(fù)費(fèi)率、多功能電表需求的快速上升。目前，在抄表方式上，存在有RS48紅外、GPRS和電力線載波等多種抄表方式。其中RS485抄表和紅外抄表技術(shù)比較成熟。各種抄表方式具有各自的特點(diǎn)，RS485需要專(zhuān)門(mén)布線，但其抗干擾能力較強(qiáng)；紅外抄表由于其通信距離的限制，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的；電力線載波通信抄表技術(shù)無(wú)需專(zhuān)門(mén)的通信線，利用現(xiàn)有的電力線作為通信信道，信道建設(shè)工作量極少，但其技術(shù)較為復(fù)雜，通信出錯(cuò)率較高。目前還存在著GPRS無(wú)線抄表方式，GPRS是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(General PacketRadio Service)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來(lái)的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶(hù)提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS抄表技術(shù)在未來(lái)將會(huì)有很廣的應(yīng)用。電能計(jì)量技術(shù)將會(huì)向著智能化、多功能、集中管理及網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。在信息化技術(shù)不斷發(fā)展和成熟的現(xiàn)代社會(huì)，高效的電能計(jì)量和管理技術(shù)將是信息化家庭智能管理系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。[4] 課題研究目的和意義本課題的目的在于研制一款基于專(zhuān)用電能計(jì)量芯片ATT7022B和微控制器的三相式多功能電能表。系統(tǒng)使用全電子式方案，采用了專(zhuān)用計(jì)量芯片來(lái)計(jì)量電能，可以滿足很好的精度和準(zhǔn)確度要求。在控制環(huán)節(jié)，系統(tǒng)使用了微控制器AT89C52，并且包含RS485抄表接口，儀表參數(shù)可以通過(guò)總線傳遞到上位機(jī)監(jiān)控程序，進(jìn)行集中管理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后，可以軟件進(jìn)行校表，軟件校表參數(shù)通過(guò)程序內(nèi)部進(jìn)行設(shè)置，確保出廠時(shí)更好的準(zhǔn)確性。本文闡述了該三相多功能電能表的設(shè)計(jì)原理、方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電壓，電流，頻率，有功和無(wú)功電能，合相及分相電能等參數(shù)的計(jì)量，另外可以實(shí)現(xiàn)復(fù)費(fèi)率功能。適應(yīng)市場(chǎng)需求，滿足用戶(hù)需要。后續(xù)章節(jié)將對(duì)儀表的原理和各模塊構(gòu)成進(jìn)行詳細(xì)介紹。本文主要研究基于三相電能專(zhuān)用計(jì)量芯片ATT7022B的多功能電能表。本設(shè)計(jì)以MCU為控制單元，外圍電路由各種專(zhuān)用芯片及器件實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整個(gè)芯片的體系結(jié)構(gòu)和嵌入式資源配置可以適應(yīng)高可靠性多功能電能表的設(shè)計(jì)需求。計(jì)量模塊由專(zhuān)用計(jì)量芯片構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)正反向，抄壓，欠壓等諸多測(cè)量參數(shù)。 通信單元采用RS485通信模式，通信速率與抗干擾能力較高。復(fù)費(fèi)率設(shè)計(jì)，采用專(zhuān)用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，保證了時(shí)間準(zhǔn)確度及安全可靠。此外，紅外、顯示及鍵盤(pán)單元均做出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程。本論文的主要工作：1）提出基于ATT7022B芯片的多功能電能表解決方案。2）根據(jù)功能需求進(jìn)行系統(tǒng)的硬件和軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)。3）編寫(xiě)軟件代碼和調(diào)試系統(tǒng)功能模塊。4）優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)。論文共6章，基本安排如下：第1章：緒論。介紹論文的技術(shù)背景，對(duì)多功能電能表的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了概述，提出了論文的選題背景及意義，說(shuō)明了論文所做的工作及論文結(jié)構(gòu)安排。第2章 分析了電能表的基本測(cè)量原理 ，包括對(duì)三相電路電源負(fù)載接線方式的介紹，對(duì)電子式電能表測(cè)量原理的介紹，著重介紹了幾種乘法器的原理及應(yīng)用。第3章：多功能電子式電能表系統(tǒng)的硬件總體方案和各單元硬件電路設(shè)計(jì)。硬件總體方案設(shè)計(jì)包括