【正文】 制造技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。功率是電流與電壓的乘積，電能是功率對時間的積分。這種電能表的顯著特點是感應(yīng)式測量機構(gòu)配以脈沖發(fā)生裝置，因此也被稱為感應(yīng)式脈沖電能表或機電脈沖式電能表。[2] 機電一體式電能表隨著電能開發(fā)及利用的加快，對電能管理和電能表性能提出了更高的要求。 1889年，匈牙利崗茲公司的布勒泰制成了第一臺交流感應(yīng)式電能表。 電能表的發(fā)展及現(xiàn)狀（機械表）自從1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律以來，人們就不斷的探索使用和測量電能。普通感應(yīng)式電能表受其結(jié)構(gòu)和原理上的制約，要進一步提高準確度和拓展其功能已很困難。電能表是當前電能計量和經(jīng)濟結(jié)算的主要工具，它的準確與否直接關(guān)系到國家與用戶的經(jīng)濟利益。在軟件設(shè)計方面，采用模塊化軟件設(shè)計方法實現(xiàn)了有功和無功的能量分時計量、RS485通訊、紅外通訊、按鍵顯示、異常檢測及記錄等功能。摘要隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，電能消耗日益增加，電能成為現(xiàn)代社會國民經(jīng)濟和人民生活的重要保障。文中對三相電能表的抗干擾設(shè)計也有很詳細的介紹。感應(yīng)式電能表作為一種傳統(tǒng)的電能表，在電能計量工作中發(fā)揮了極大的作用。同時，微電子技術(shù)和單片機應(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。電能表作為測量電能的專用儀表，至今已有100多年的歷史。最早出現(xiàn)的電能表是根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場理論制作的感應(yīng)式電能表，其核心是電磁線圈和轉(zhuǎn)動部件，經(jīng)過一百多年的不斷改進和完善，感應(yīng)式電能表的制造技術(shù)也已相當成熟。電力系統(tǒng)的不斷擴大以及對電能合理利用的探索，使感應(yīng)系電能表逐漸暴露出準確度低、適用頻率范圍窄和功能單一等缺點。這種電能表和機械禍合式多費率電能表都是感應(yīng)式電能表向全電子式電能表過渡過程中的電能計量品種，它們對分時電價、需量電價制度的實施起了積極的推動作用。20世紀80年代末90年代初，國外著名電測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。全電子式電能表最早用于進行計量鑒定，也就是做標準表，隨著元器件性能的提高和價格的下降，全電子式電能表計量精度較高，且能實現(xiàn)復(fù)費率及用電控制，便于實現(xiàn)抄表自動化系統(tǒng)，而且生產(chǎn)成本較低，全電子式電能表逐步開始大量民用，目前使用數(shù)量已經(jīng)遠遠超過機械表。近年來隨著全國用電缺口的急劇擴大，國家發(fā)改委決定全面推行峰谷分時電價和避峰電價，鼓勵用戶合理移峰用電，這一政策的出臺，帶動了全國各地供電部門對復(fù)費率、多功能電表需求的快速上升。目前還存在著GPRS無線抄表方式，GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)(General PacketRadio Service)的簡稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。[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用電能計量芯片ATT7022B和微控制器的三相式多功能電能表。本文闡述了該三相多功能電能表的設(shè)計原理、方案設(shè)計，實現(xiàn)了電壓，電流，頻率，有功和無功電能，合相及分相電能等參數(shù)的計量，另外可以實現(xiàn)復(fù)費率功能。本設(shè)計以MCU為控制單元，外圍電路由各種專用芯片及器件實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單，整個芯片的體系結(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)計需求。此外，紅外、顯示及鍵盤單元均做出了詳細的設(shè)計過程。4）優(yōu)化整個系統(tǒng)。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。 第5章：抗干擾設(shè)計,分析了對多功能電能表造成干擾的類型，詳細闡述了在本設(shè)計中使用的硬件抗干擾技術(shù)和軟件抗干擾技術(shù)。（a）。三相對稱三角形連接時，有如下關(guān)系： ， (22) 式中：，線電壓和線電流；，相電壓和相電流。三相四線方式時，流過各相負載的電流等于各相電源流過的電流。[6]電能在物理上可以看成是從電源流向負載的能量流。則在一個周期內(nèi)平均有功功率P為 ()一個周期內(nèi)的電能W為 ()對于三相電路，總能量可以表示為三個分相能量之和： (25)在實際電網(wǎng)中，電壓電流信號基本上都不是只包含50Hz頻率分量的正弦信號，而是含有很多諧波信號。測量三相三線電路有功電能可以采用一表法和二表法。兩只單相電能表計量值相加即為三相總能量。三相四線電路因為零線電流一般不為零，所以用二表法測量時會存在較大的測量誤差。電子式電能表中起主要作用的是電能測量單元，而乘法器是該單元的核心組成部分，乘法器是實現(xiàn)被測電壓、電流相乘，輸出為功率的器件。如式()所示。工作頻率在10kHz以內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)在輕載時誤差較大。 時分割乘法器[11]時分割乘法器的工作基于計算式 () 式中 ：在一個周期內(nèi)電流、電壓的采樣次數(shù)。 時分割乘法器分為電壓型和電流型時分割乘法器，電壓型由于尖峰電壓的干擾現(xiàn)在已基本不用，現(xiàn)在使用的多為電流型時分割乘法器。實現(xiàn)數(shù)字量相乘有兩中方法：1）采用硬件乘法電路。利用計算機的乘法指令實現(xiàn)數(shù)字量相乘，這實際是利用一系列的累加和移位完成運算的，采用這種方法運算速度較慢，但可以節(jié)約硬件。其主要采用了增量調(diào)制、噪聲整形、數(shù)字濾波、和采樣抽取等技術(shù)，使其在測量精度、線性度、穩(wěn)定性和抗干擾能力等方面得到顯著改善，具有更好的發(fā)展前景。ATT7022具有三路電壓輸入和三路電流輸入，大信號接入部分采用電壓互感器和電流互感器進行隔離，使數(shù)據(jù)處理電路與信號輸入電路沒有電氣上的連接。主要模塊有電源模塊，電能計量模塊，實現(xiàn)三相以電量采集芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、計量以及為整個系統(tǒng)提供電源；單片機側(cè)以管理微處理器為中心，包括通信模塊，顯示鍵盤模塊，存儲模塊，控制模塊。顯示模塊7位8段LED顯示?？刂颇K使用XC2023繼電器驅(qū)動芯片配合JMX94F系列繼電器，最大電流30A。AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，適用于許多較為復(fù)雜的控制應(yīng)用場所。 1000次擦寫周期216。 數(shù)據(jù)保留時間：10年 216。 可編程串行UART通道 AT89C52引腳圖216。此外，P3 口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。它是片外程序存儲器的讀選通信號，低電平有效。兩個引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。該方式一般用于一些特殊場合如多CPU系統(tǒng)等。另外還具有手動復(fù)位（MR）輸入，可以接到復(fù)位電路實現(xiàn)手動復(fù)位。這樣可使單片機復(fù)位的條件有：單片機上電，手動按鍵復(fù)位，看門狗超時復(fù)位，電源電壓低于復(fù)位門限。 ATT7022B芯片介紹[12]ATT7022B芯片特性：1) 高精度，在輸入動態(tài)工作范圍(1000:1)內(nèi)，%。完全差動輸入方式，正常工作最大信號電平為 177。兩個引腳內(nèi)部都有ESD 保護電路。CF CF2：輸出有功無功電能脈沖，其頻率反映合相平均有功功率的大小，常用于儀表有功無功功率的校驗，也可以用作電能計量。OSCI：系統(tǒng)晶振的輸入端，或是外灌系統(tǒng)時鐘輸入。AVCC：電源，該引腳提供ATT7022模擬電路的電源，正常工作電源電壓應(yīng)保持在5V177。5%。因此，在本設(shè)計中采用精密的互感器轉(zhuǎn)換方式。 TV31B電流型電壓互感器，一次側(cè)串接功率電阻后并聯(lián)與線路中，互感器電流比為2mA/2mA，次級電路不允許開路使用。,互感器副邊取樣電阻為： ()采樣電阻阻值選擇為50Ω?？紤]電流通道的ADC輸入電壓的參數(shù)，互感器副邊取樣電阻為： () 采樣電阻阻值選擇為20Ω。ATT7O22A的復(fù)位信號線和與CPU之間的握手信號線直接接到CPU的雙向I/0口。SIG信號是用來通知外部MCU的一個握手信號。增強其抗干擾能力。 FM24C16存儲器是一種鐵電存儲器（FRAM），它是最近幾年由RAMTRON公司研制的新型存貯器，它的核心技術(shù)是鐵電晶體材料，擁有隨即存取記憶體和非易失性存貯產(chǎn)品的特性。與典型的EEPROM AT24C16相比較，F(xiàn)M24C16可跟隨總線速度寫入，無須等待時間，而AT24C16必須等待幾毫秒（ms）才能進行下一步寫操作。從比較中看出，F(xiàn)M24C16包含了RAM技術(shù)優(yōu)點，同時擁有ROM技術(shù)的非易失性特點。RAMTRON公司研制的FM24C16，為了普及使用，存貯指令和AT24C16兼容，只是在讀寫指令和應(yīng)答是不需要延時，提高了擦寫速率。 RS485通信接口PC機串行口為標準的RS232口，根據(jù)標準規(guī)定：RS232采用負邏輯，并且傳輸距離短，一般用于20m以內(nèi)的通信。它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B，根據(jù)A線和B線之間的電壓差判斷數(shù)據(jù)的“0”、“1”狀態(tài)，通常情況下，發(fā)送驅(qū)動器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個邏輯狀態(tài)，負電平在2～6V，是另一個邏輯狀態(tài)。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，一般100米長雙絞線最大傳輸速率僅為1Mb/s。對一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護元件。 RS485通信接口電路圖 本設(shè)計的RS485通信電路使用了光電隔離方式連接的SN75LBC184芯片構(gòu)成的電路，微處理器的標準串行口的RXD、TXD通過光電隔離電路連接184芯片的R、D引腳，控制芯片R/D同樣經(jīng)光電隔離電路控制75LBC184芯片的DE和引腳。由于LBC184芯片的特性，接收器的檢測靈敏度為177。這樣RXD的電平在485總線不發(fā)送期間（總線懸浮時）呈現(xiàn)唯一的高電平，89C52單片機就不會被誤中斷而收到亂字符。該隔離器為定壓輸入、單輸出隔離電源模塊，具有效率高、體積小、可靠性高、耐沖擊、隔離特性好的優(yōu)點，能夠滿足設(shè)計中電源的隔離要求。電路中的光耦器件的速率會影響RS485電路的通訊速率。發(fā)射電路由調(diào)制電路、驅(qū)動電路及紅外發(fā)射器件組成，紅外接收電路由紅外接收器件、前置放大電路、解調(diào)電路等構(gòu)成。 紅外通信接口電路單片機的異步串行口TX輸出的串行數(shù)據(jù)信號,送到與非門74HC00的輸入端，與非門的另一輸入端接38KHZ的載波信號， KHZ的方波作為載波。因串聯(lián)的2個三極管為NPN型的，所以只有在TXD和載波均為低電平時才能同時導通并使發(fā)光二極管發(fā)光。德律風根所開發(fā)的微型接收器TFMS5380是近期市場上最高效能的紅外接收器。(3)內(nèi)置PCM頻率過濾器。(7)可選頻率由30KHZ至56KHZ。本系統(tǒng)的實時時鐘電路使用DS1302作為時間基準。時鐘/RAM的讀/寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達31個字節(jié)的字符組方式傳送。備用電源端可以接電池或大容量電容。DS1302外圍電路及與單片機的接口如下圖所示： 圖 DS1302外圍電路及與單片機的接口。DS1302具有引腳涓流充電功能，使得電能表支持采用充電電池的實時時鐘方案。儀表循環(huán)查詢用戶的按鍵輸入，并且根據(jù)用戶按鍵的種類進行相關(guān)功能的設(shè)置和處理。當用戶沒有按鍵時，每個I/O口均通過電阻接通電源VCC，為高電平；當用戶按下三個鍵中任意一個時，該鍵將與地(GND)接通，從而使單片機的I/O口也與地接通，該引腳則表現(xiàn)為低電平。無論那種電源方式，都應(yīng)該著重解決如下幾題：[24](1)將50Hz的電網(wǎng)220V交流高電壓變換成所需的直流+5V電壓；(2)將電表與外界交流電網(wǎng)實現(xiàn)電氣隔離，避免電網(wǎng)噪聲的侵入；(3)提供后備電源，確保電網(wǎng)停電時重要數(shù)據(jù)不丟失；(4)將電網(wǎng)瞬時的掉電信號提供給單片機進行處理。因此本設(shè)計采用工頻電源方式。壓敏電阻是對外加的電壓十分敏感的非線性電阻型元件，在工作電壓范圍內(nèi)，其電阻隨電壓的增加而減少，因此在過電壓（超過兩倍額定電壓）期間形成一個低阻的分流器，從而可以防止被保護電路兩端的電壓進一步上升。對于單項橋式整流電路，設(shè)輸入電壓（變壓器二次側(cè)電壓）U，根據(jù)公式： () 解得：U=Uo/=由此可以選擇變比為220V/5V的電源變壓器。在整流電路中，每只二極管只在輸入交流電壓的半個周期通過電流，所以每只二極管的平均電流為負載電流的一半。經(jīng)過濾波電路后減小了電路的脈動系數(shù)，改善了電壓的質(zhì)量。本設(shè)計中選用LM78M05型三端固定正輸出穩(wěn)壓器形成穩(wěn)壓電路，該器件能夠穩(wěn)定輸出+5V的穩(wěn)定電壓，其最大輸出電流為500mA。北京交通大學碩士學位論文多功能電其主要特點：⒈靜態(tài)工作電流低（小于2μA）⒉寬范圍工作電壓（5V～30V）⒊耐壓高：（建議≤30V）⒋高輸入輸出阻抗與TTL CMOS及單片機兼容⒌輸入觸發(fā)方式可以用脈沖也可以用電平觸發(fā)⒍內(nèi)輸入輸出級內(nèi)部具有二極管保護電路⒎輸出足夠大的驅(qū)動功率5W接線圖如下：4 系統(tǒng)軟件設(shè)計在微控制器組成的系統(tǒng)中，軟件與硬件設(shè)計占有同樣重要的地位，當系統(tǒng)的硬件電路確定以后，系統(tǒng)的主要功能就要靠軟件來實現(xiàn)，在硬件條件相同的情況下，軟件的效率決定了整個系統(tǒng)的效率。本設(shè)計采用方法二，這種方法所需投資少，快捷方便。但是不同的單片機，其匯編語言可能有所差異，不利于資源重復(fù)利用。485與紅外信共用單片機串口,采用中斷方式,。上電初始化模塊主要實現(xiàn)的功能是完成堆棧及系統(tǒng)寄存器初始化、I/O口初始化、定時器初始化、串口(UART)初始化、鐵電存儲器資源分配初始化、中斷初始化、時鐘初始化、外圍器件初始化。用于參數(shù)設(shè)置及抄表，兩種接口在物理層上相互獨立。2．數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路負責數(shù)據(jù)終端設(shè)備與電表裝置之間通信鏈路的建立。每幀由幀起始符、從站地址域、控制碼、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)域、幀信息縱向校驗碼及幀結(jié)束符等7個部分組成。 字節(jié)傳輸序列 （2）幀格式表41 信息幀格式說明代碼字節(jié)數(shù)幀起始符68H1地址域A0A56控制碼C1數(shù)據(jù)長度域L1數(shù)據(jù)域DATA隨控制碼而變檢驗碼CS1結(jié)束符16H1(a)幀起始符68H：標識一幀信息的開