【正文】 基于CAN總線的電能損失檢測儀的設(shè)計畢業(yè)論文目錄中英文摘要 2第一章 概述 3 3 3 3第二章 總體方案論證 5 論證與選擇 6第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 8 8 13 18 18 CAN總線單元 22 RS232串行通信單元 24 26 28 29第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 31第五章 設(shè)計總結(jié) 39參考文獻 40英文原文 41英文翻譯 47致 謝 56附 錄 57中英文摘要摘要：電能量損失監(jiān)測儀是集電能表計量監(jiān)測，供電線路工作狀態(tài)監(jiān)測于一體的實時監(jiān)測儀表。它可以監(jiān)測到用戶供電線路上的異常狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)非法用電行為，避免事故的發(fā)生和經(jīng)濟損失。本設(shè)計綜合運用了傳感器技術(shù)，電子技術(shù)，單片機應(yīng)用技術(shù)，CAN總線技術(shù)等，提出了一套完整的設(shè)計方案，可以實現(xiàn)對供電線路的工作狀態(tài)和用戶電能表計量的實時監(jiān)測，監(jiān)測信息顯示，發(fā)出報警，并且可以根據(jù)監(jiān)控中心需要，上傳監(jiān)測到的信息。關(guān)鍵詞：電能量損失監(jiān)測；單片機；CAN總線Abstract：Electric energy loss monitor is a meter ,which could both monitor electric energy meter and work state of power supply line can detect the abnormal state of the power supply line,therefor finding illegal power using behavior,avoiding accidents and economic loss. This design proposes a plete scheme based on a prehensive application of sensing technic,electronic technic single chip microputer technic and CAN Bus technic,realizing the realtime monitoring of the abnormal state of the power supply line and electric energy meter,monitoring information displaying,warning of abnormality and uploading monitoring information to meet the requirement of monitoring center.Keywords：electric energy loss monitoring；MCU；CAN Bus第一章 概述 電的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用極大的節(jié)省了人類的體力勞動和腦力勞動，使人類的力量長上了翅膀，使人類的信息觸角不斷延伸。電對人類生活的影響有兩方面：一是能量的獲取轉(zhuǎn)化和傳輸，二是電子信息技術(shù)的基礎(chǔ)。當(dāng)今世界人類生活已經(jīng)離不開電能，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，電網(wǎng)已經(jīng)遍布城鄉(xiāng)，電能已經(jīng)成為人們生產(chǎn)生活中必不可少的重要能源。電能量是供用電雙方電貿(mào)易結(jié)算的依據(jù)，其計量的準確性直接影響到雙方的貿(mào)易關(guān)系。在電能計量過程中，使電能表不能正確反映用電量而出現(xiàn)錯誤電量的情況，稱為非正常計量。非正常計量問題不僅困擾電力企業(yè)的發(fā)展，也給國家造成了巨大的經(jīng)濟損失，年損失電量大于幾十億千瓦時。在我國一些地區(qū)或單位，偷漏電量競超過了總用電量的30％，其經(jīng)濟損失非常嚴重，據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，我國每年因竊電而造成的電費損失超過50億。另外，一些用戶為了偷電，私自改接線路，這些情況不能被及時地發(fā)現(xiàn)，給供電線路以及用戶自身埋下了可怕的安全隱患。而引起上述問題的根本原因在于線路和設(shè)備運行時實時數(shù)據(jù)缺乏，雖然目前一些系統(tǒng)有部分實時數(shù)據(jù)，如負荷管理的各種遙測量，但大多數(shù)管理系統(tǒng)中使用的還是非實時性數(shù)據(jù)，大多數(shù)情況下，都無法采取有效措施，及時避免設(shè)備和線路運行問題發(fā)生，阻止非法用電現(xiàn)象，為用戶提供服務(wù)，從而直接或間接地影響了電力系統(tǒng)經(jīng)濟效益和社會效益的實現(xiàn)。因此，現(xiàn)在急需能夠?qū)﹄娔艿氖褂脿顩r和供電線路的工作狀態(tài)進行有效實時監(jiān)控的工具，以避免由于非法用電產(chǎn)生不必要的經(jīng)濟損失，發(fā)生安全事故。 為了采集到線路和設(shè)備運行時的實時數(shù)據(jù)，以便于及時避免設(shè)備和線路運行問題發(fā)生，阻止非法用電現(xiàn)象，為用戶提供服務(wù)。本設(shè)計充分析了電能計量，傳感器技術(shù)，單片機應(yīng)用技術(shù)等技術(shù)問題，參考了大量的解決方案，進行總體方案的論證、功能單元電路的分析、設(shè)計、整定計算，元器件選型，提出了一整套完整的設(shè)計方案。針對常見的一些偷電手段，設(shè)置了相應(yīng)的監(jiān)測和報警裝置，一旦發(fā)現(xiàn)了異常狀況，系統(tǒng)就會立即發(fā)出警報，工作人員從而可以迅速直觀地看到故障信息，及時排除故障，制止偷電行為，實現(xiàn)了對供電線路的工作狀態(tài)和用戶電能表計量的實時監(jiān)測。 采用微電子技術(shù)和單片機技術(shù)，通過接口電路將PT輸出的電壓計量信號和CT輸出的電流計量信號進行采集處理，微處理器(MCU)對采集來的三相電壓、電流計量信號進行各種運算處理，計算出相應(yīng)三相交流電的有功功率、無功功率、功率因數(shù)以及各相的累加電量，這些數(shù)據(jù)存儲在微處理器的存儲單元中，可隨時通過CAN總線數(shù)據(jù)包的形式將這些數(shù)據(jù)傳送到遠端的電量管理計算機，完成前端數(shù)據(jù)采集模塊的功能。同時微處理器還可以通過RS232串行通信接口對計量電表的數(shù)據(jù)采集，兩者進行比較，來確定是否有竊電行為發(fā)生，以及供電線路是否處于正常工作狀態(tài)，有何故障等。分析設(shè)計題目要求，根據(jù)系統(tǒng)功能要求，完成總體的設(shè)計方案；熟悉電能計量原理，傳感器技術(shù)，單片機應(yīng)用技術(shù)等技術(shù)問題，掌握檢測、控制、通訊等技術(shù)要求；完成各個功能單元電路設(shè)計的系統(tǒng)進行硬件和軟件設(shè)計（其中包括設(shè)計原理分析、方案比較、部分參數(shù)計算等）設(shè)計并繪制系統(tǒng)的電器原理圖及軟件流程圖；第二章 總體方案論證本設(shè)計的題目是“基于CAN總線的電能量損失監(jiān)測儀的設(shè)計”。從任務(wù)書的設(shè)計背景、設(shè)計依據(jù)等內(nèi)容可以看出，本設(shè)計的主要目的是要對電貿(mào)易結(jié)算中的非正常計量問題提出切實可行的解決方案。主要涉及到的設(shè)計內(nèi)容是電能量計量。要想對計量的損失做出監(jiān)測、計算和評估，首先監(jiān)測儀本身要能正確測量，將這個“監(jiān)測值”與計量電能表的“計量值”作比較，這樣才能達到監(jiān)測的目的。因此，本設(shè)計的主體應(yīng)該為一個具備比較、判斷、統(tǒng)計、報警及傳遞數(shù)據(jù)等功能的電能計量裝置。根據(jù)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書的要求，本設(shè)計要求實現(xiàn)以下主要功能：線路電壓、電流的幅值、相位的自動采集、轉(zhuǎn)換、存儲；讀取電度表的實時計量值；比較計量結(jié)果，分析判斷出失壓、欠壓、計量電流短路、開路或分流、錯接線等故障；可當(dāng)?shù)仫@示線路電壓值、線路電流值、計量故障信息；根據(jù)監(jiān)控中心需要，定時上傳線路電壓值、線路電流值、計量故障信息；具有故障信息報警與越限報警功能；按照CAN總線協(xié)議，生成標(biāo)準通信數(shù)據(jù)包。并且要達到如下的技術(shù)指標(biāo)：額定工作電壓：AC220V177。10%（50Hz）；額定功耗：≤1W；工作環(huán)境條件：溫度20℃～+55℃；濕度：＜95%；精度：1%。 對各項功能要求作如下簡單分析：線路電壓、電流的幅值、相位的自動采集、轉(zhuǎn)換、存儲；、電流幅值和相位的信息，首先要將電網(wǎng)上的大電壓，大電流轉(zhuǎn)換成幅值較小的電壓，電流信號，這樣既可以方便測量，又可以降低對測量設(shè)備在絕緣，保護等方面的要求，并且可以給以后的安裝、維護等工作都帶來很大的方便。要對這些采集、轉(zhuǎn)換好的信息進行存儲，則一般由電能表來完成，高新技術(shù)直接由計算機來取代電能表。讀取電度表的實時計量值；要讀取電能表的實際計量值，就必然要求電能表的計量值也是可以存儲，并且可以被讀出。比較計量結(jié)果，分析判斷出失壓、欠壓、計量電流短路、開路或分流、錯接線等故障；能夠?qū)⒈O(jiān)測儀的“監(jiān)測值”與電能表的“計量值”作出比較，并且根據(jù)比較結(jié)果判斷出各種故障，這要求監(jiān)測儀具有邏輯判斷功能?？僧?dāng)?shù)仫@示線路電壓值、線路電流值、計量故障信息；可以顯示各種信息，應(yīng)該具備必要的顯示設(shè)備和必要的顯示管理，從而正確顯示功能要求現(xiàn)實的信息。根據(jù)監(jiān)控中心需要，定時上傳線路電壓值、線路電流值、計量故障信息；此功能顯然要求監(jiān)測儀具備一定的與PC通信的功能，同時也隱含對數(shù)據(jù)存儲的要求。具有故障信息報警與越限報警功能；報警功能要根據(jù)判斷出的故障信息正確報警，應(yīng)該具備邏輯判斷的功能。按照CAN總線協(xié)議，生成標(biāo)準通信數(shù)據(jù)包。此項功能要求監(jiān)測儀要具有CAN總線通信模塊。對各項性能指標(biāo)作如下簡單分析：額定工作電壓：AC220V177。10%（50Hz）；需要電源供電的器件，要選用額定工作電壓為AC220V的型號，或做一個穩(wěn)壓電源。對于必須使用的器件，如果其額定電壓不是將AC220V，要將交流220V降壓變成合適的電壓或者整流成小幅值直流電源。額定功耗：≤1W；在選用各個器件時，應(yīng)進行必要的比較，盡量選用功耗小的器件。工作環(huán)境條件：溫度20℃～+55℃；濕度：＜95%；在選用各個器件時，要選擇工作環(huán)境溫度和濕度負荷該項要求的器件。精度：1%；在測量和計算環(huán)節(jié)要考慮該項指標(biāo)的要求，保證各個環(huán)節(jié)的精度，以使得設(shè)計出的整個系統(tǒng)滿足精度要求。、論證與選擇設(shè)計的主體是具有一系列附加功能的電能計量裝置，那么電能計量的設(shè)計方案自然應(yīng)該成為本設(shè)計整個方案的核心，電能計量方案決定著其它的諸如電量采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)比較、信息顯示、報警等功能的方案。目前常用的電能計量裝置有兩種，一是基于感應(yīng)機械式測量原理的，一種是基于感應(yīng)電子式測量原理的。下面對這兩種電能表方案做出比較，論證。首先要通過電壓信號源器件將高壓信號成正比的變?yōu)榈蛪弘娦盘?，通過電流信號源器件將大電流信號成正比地變成小電流信號；然后通過傳輸線將這個低電壓、小電流信號傳輸給AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再由計算機完成數(shù)據(jù)計算，存儲，送顯示器顯示等功能，并可以完成通信的功能，是一種數(shù)字式測量方法。該方案使用鋁盤來對電功率進行采樣。它的電壓、電流鐵芯線圈分別位于鋁盤的上下兩側(cè)，將鋁盤夾在中間，線圈上產(chǎn)生的電壓、電流交變磁通穿過鋁盤時會在鋁盤上產(chǎn)生感應(yīng)電流，磁通和感應(yīng)電流相互作用，使鋁盤轉(zhuǎn)動起來。鋁盤的轉(zhuǎn)速與電功率P成正比，實現(xiàn)了對電功率的采樣，電功率大，轉(zhuǎn)一圈的時間就少，電功率小，轉(zhuǎn)一圈用的時間就多，每轉(zhuǎn)一圈代表的電能量是一樣大的，用計度器的機械傳動機構(gòu)將鋁盤所轉(zhuǎn)圈數(shù)記錄下來，所以計度器所記錄的鋁盤轉(zhuǎn)的總?cè)?shù)正比于電能量W。電能量采樣、測量、計算、顯示、存儲一般由電能表來完成，是一種模擬式測量方法。對于功能要求，兩種方案都可以滿足要求，但對于其它的涉及邏輯判斷或通信的功能，方案二實現(xiàn)起來會很困難。并且在功耗和精度的控制方面，方案二也不如方案一容易容易。因此選擇方案一。第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計經(jīng)過對文獻資料的查閱參考，本單元擬定了如下的設(shè)計方案：方案一：=100V的電壓互感器，=5A的電流互感器；方案二：輸出為小幅值交流信號或直流信號的電流互感器/傳感器。方案一： 采用傳統(tǒng)的計量用電壓互感器和電流互感器。按照工程經(jīng)驗，一般選擇二次側(cè)電壓為100V的電壓互感器，二次側(cè)電流為5A的電流互感器。然后使用分壓網(wǎng)絡(luò)或其它傳感裝置對100V和5A信號再次進行采樣，取得更小的信號，再進行進一步的變換，使信號大小適合進入到后面的芯片、設(shè)備中。此方案的技術(shù)比較成熟，一般在互感器后接電壓表、電流表、功率表等儀表做測量元件。但是，電壓、電流互感器的選擇、接線，以及其保護裝置，二次側(cè)導(dǎo)線截面積，長度都有要求，在計算選型，安裝，運行維護等方面都比較繁瑣，前期和后期的工作量都較大，需要投入的人力物力也較大。更為關(guān)鍵的是其輸出電壓、電流仍然較大，一般還需要經(jīng)過二次變換，這樣做會使系統(tǒng)更復(fù)雜，出現(xiàn)故障的幾率增加。方案二：使用新型的電壓、電流互感器?，F(xiàn)在市場上有很多這樣的互感器產(chǎn)品，產(chǎn)品的標(biāo)稱就是“電度表專用互感器”，它可以將交流電網(wǎng)上的電壓、電流信號直接轉(zhuǎn)換成小幅值的交流信號，甚至是小幅值的直流信號，對這樣的小信號處理起來顯然更為方便，方法也可以更為靈活。不難想象，實際經(jīng)驗也證明，這樣的產(chǎn)品比起傳統(tǒng)的電壓、電流互感器，在選擇、安裝、調(diào)試等方面要方便和容易許多，還可以省去傳統(tǒng)互感器對電網(wǎng)信號兩次變換的繁瑣，對測量精度提高有幫助，而且省去了許多復(fù)雜的保護設(shè)備，在經(jīng)濟性上也更勝一籌。隨著電子計量技術(shù)的成熟，電子式電能表早已被廣泛應(yīng)用，方案二其實也已經(jīng)非常常用，又因為它在選型、安裝、調(diào)試、維護以及經(jīng)濟性等方面幾乎全面優(yōu)于方案一，因此選用方案二。方案二又可以有兩種選擇：分開采集信號的幅值信息和相位信息同時采集信號的幅值信息和相位信息下面來進行進一步分析：分開采集幅值信息和相位信息由于新型的電壓、電流互（傳）感器能輸出直流和交流兩種信號。對于幅值測量來說，直流信號更方便測量，因為互（傳）感器輸出的0~5V信號可以直接進入A/D轉(zhuǎn)換器。因此使用可以輸出直流信號的傳感器來做信號的幅值檢測，其輸出直接進入A/D轉(zhuǎn)換器。使用交流輸出的互感器來做信號的相位檢測，其輸出直接進入后面的相位檢測環(huán)節(jié)。這樣做能使得信號在被測量之前經(jīng)過盡量少的環(huán)節(jié)，保證測量的準確性，也避免了在縱向上系統(tǒng)的進一步復(fù)雜化。不足也是顯而易見的，如果使用單相的互（傳）感器的話，每相就要用到4個互（傳）感器，三相就需要12個，在經(jīng)濟上的花費較大。同時采集幅值信息和相位信息就是在互感器輸出的信號上對相位和幅值信息一次采集完，對相位信息來說，只能從交流信號上獲得，因此，若要同時采集，就只能用交流輸出的互感器。交流信號盡管就其幅值大小來說，可以直接進入單片機，