【正文】 .......................................................................... 45 結論 ............................................................................................................................... 46 致謝 ............................................................................................................................... 47 參考文獻 ....................................................................................................................... 48 附錄 A ........................................................................................................................... 49 附錄 B ........................................................................................................................... 54 附錄 C ........................................................................................................................... 58 xxx 大學學士學位論文 5 第 1章 緒論 課題背景 在我國目前使用的電能表中，由于 產(chǎn)品價格等因素，機械式電能表仍占大部分。在單片機的核心控制下，實現(xiàn)了電子式電能表電能分時段計量、數(shù)據(jù)通信等功能 。電源模塊為整個智能電表提供了穩(wěn)定的電源。但是價格低廉、運行穩(wěn)定、可靠性高、抗干擾能力強的電子式電能表還有待開發(fā)。 xxx 大學學士學位論文 I 基于單片機的電子式電能表設計與研究 摘要 隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，用電量日益增加，為電網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來了諸多不良因素。隨著單片機技術的日益發(fā)展，以單片機為主控芯片的電子式電能表的生產(chǎn)已成規(guī)模。其中電壓電流采樣模塊實現(xiàn)了將電網(wǎng)中的不可直接測量的大電壓大電流轉變成為可以用來處理測量的小電壓小電流。軟件分為啟動前的動態(tài)自檢程序，計量電量的電能脈沖采集程序，數(shù)據(jù)信息處理和交換的數(shù)據(jù)存儲程序，通訊中斷子程序。 Electric energy measurement。這是由機械表的結構原理所決定的。 近年來我國的城市居民住宅建設發(fā)展十分迅速，隨之而來樓房所用電能表的數(shù)量也日益增多，人們常常簡單地將市場上現(xiàn)有的商品化電能表集中掛成一面 “ 表墻 ” 。 本課題從一個嶄新的角度出發(fā)，將微電子技術、計算機技術和通信技術結合運用于實踐，把目前分散計量的電能表數(shù)據(jù)通過單片機進行集中采集處理，研究設計了一種適合我國城鎮(zhèn)居民用電計量的多用戶單相電子電能表。作為配電自動化系統(tǒng)的重要組成部分，在電子式電能表日益成為市場主流的今天，它將有很好的推廣應用前景。 在 20 世 紀 80 年代末、 90 年代初，電子技術發(fā)展迅速，電子式電能表也取得了飛躍的發(fā)展， 國 外大公司推出了全電子式多功能電能表，如斯倫貝謝、LANDISG、 GYR 和美國 GE 公司，但是價格非常昂貴。 隨著國家城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造工程的開展，國內(nèi)電子式電能表廠家如雨后春筍不斷涌現(xiàn)，無論是高檔、高精度三相電能表，還是低檔、低精度單相電能表都有大量的、性能優(yōu)越的產(chǎn)品。 按接入方式分類有：經(jīng)互感器接入式電子式電能表、直接接入式電子式電能表。 功能強大 電子式電能表可實現(xiàn)正、反向有功、四象限無功、復費率、預付費、遠程抄表等功能。 感應式電能表要在 ％下才能啟動并計量；而電子式電能表非常靈敏。 過載能力大 感應式電能表一般只能過載 4 倍；而電子式多功能電能表可過載 6~10 倍。電子式電能表采用 CPU 作為管理功能的核心，可以實現(xiàn)大量的事件記錄、監(jiān)控功能，如：失壓、失流、過壓、過流、編程、開蓋、電壓合格率等；這些是感應式電能表所缺少的。隨著電費制度的發(fā)展 ， 提出分時計量、需量計量預付費等要求 ， 特別是 19 世紀 70 年代以來各國醞釀發(fā)展 xxx 大學學士學位論文 8 電力市場又提出實時電價、負荷曲線計量、雙工通訊、遠方采集數(shù)據(jù)、記錄負荷曲線和電能質(zhì)量、控制負荷以及費率編程等要求 ， 原來的感應式電能表雖經(jīng)多方面改進擴充 ， 已很難滿足電力市場日益發(fā)展的功能和要求。 世紀之交 ， 電力市場改革浪潮遍及全球 ， 各國電力公司都認識到市場競爭的核心是表計。因為現(xiàn)有系統(tǒng)中已運行著眾多制造廠不同年代制造的表計 ， 故美國 Itron 公司于 1986 年推出能兼容 100 多制造廠表計規(guī)約的 MV90 表計數(shù)據(jù)采集編譯系統(tǒng) ， 廣泛應用于北美和世界各地電力市場 ， 起了較大作用。由于數(shù)字技術的迅速發(fā)展 ， 目前已有趨勢全部更新為 A/D 轉換 ， 計算機處理方法 ， 這樣也更有利于實施負荷控制、記錄電能質(zhì)量、負荷曲線、發(fā)展表計的通信功能和確保高準確度。且均為進口表計 ，總數(shù)近萬只 ， 運行情況較好。 1993 年由國內(nèi)廠商試制成功單相電子式電能表后 ， 1994 年起在華東試用 2020 只 ， 第一年故障率小于 1%。僅江蘇、浙江兩省不完全統(tǒng)計 ， 單相電子式電能表裝用量均大于 100 萬臺。 通過硬件的設計使電能表完成比較準確的電能計量，使電表在環(huán)境惡劣的情況下具有一定抗干擾能力。 電子式電能表的電能計量原理與方法 電子式電能表中起主要作用的是電能測量單元，其作 用是將輸入電壓與電流變換成與功率成一定比例關系的脈沖信號，送至分頻和計數(shù) 8。由此大體可分為以模擬乘法器為核心和以數(shù)字乘法器為核心兩類。 數(shù)字乘法器 數(shù)字乘法器型電子式電能表是以微處理器為核心，將經(jīng)過采樣網(wǎng)絡變換的被測電壓和電流信號由 A/D 轉換器完成數(shù)字化處理，然后微處理器對數(shù)字化的被測對象進行各種判斷、處理和運算，從而可實現(xiàn)多種功能 。這種方法通過模數(shù)轉換 器 (也稱 A/D 轉換器 )把交流電壓、電流模擬量轉換為數(shù)字量。誤差補償可通過硬件電路和軟件程序來實現(xiàn)。 由于計算機技術的發(fā)展和 ASIC 技術的應用，使開放專用芯片的工作相對容易。 有功電能的計量 作為電能表，最重要的功能就是電能計量。若以△ t 的時間間隔對電壓和電流進行采樣，用 N 表示每周期采樣的次數(shù) (即 T=N*△ t)，則有功電量公式可以表示為： 1 ( ) ( )TkW u k i k???? (2－ 11) 式中 ()uk 、 ()ik 分別代表電壓、電流的第 k 次采樣值， N 為采樣總點數(shù)，計算機軟件就可按公式 2－ 11 計算出被測的有功能量。單相正弦電路的無功功率的 xxx 大學學士學位論文 13 定義式為： sinQ UI ?? (2－ 12) 其中 U 、 I 分別為電壓、電流有效值， ? 在物理上體現(xiàn)為正弦的電壓波形與電流波形之間的相位差。 分別求出有效值 U 、 I ，然后求出視在功率 S UI? ，則有： 22Q S P?? (2－ 15) 這種方法只要滿足采樣定理，在原理上可以實現(xiàn)對含有諧波的電路的有功和無功功 率的計量，并進而可推演出其它量的計量。 xxx 大學學士學位論文 14 電能參 數(shù)的測量原理 電壓電流有效值的計算 根據(jù)電工原理，周期性變化的電壓、電流信號的有效值為： 201 ()T tU u t dT?? (2－ 17) 201 ()T tI i t dT?? (2－ 18) 式中 T 為信號周期。 功率因素作為電力系統(tǒng)中的一個重要指標，其大小體現(xiàn)了電網(wǎng)運行質(zhì)量的高低，是電力部門調(diào)節(jié)電網(wǎng)時重點參考的數(shù)據(jù)。 在線路中cosPI u ??, cos? 越低，則通過線路的 I 就越大，導線的能量損失和導線電抗電壓降落就越大，線路的功率損失增加，則降 低了使用效率，造成有功電能的浪費，而線路的電壓降增加，會使負載兩端電壓降低，影響正常使用。數(shù)字型乘法器的實現(xiàn)電路可由單片機、 A/D 轉換器、采樣保持器、多路模擬開關和顯示器等部分組成。模塊和模塊之間又通過 MCU 統(tǒng)一地聯(lián)系在一起，共同形成了功能強大的職能電能表系統(tǒng)。主要完成對電能量的計量，將模擬電能信息轉化為單片機可以讀取并且操作的數(shù)字電能信息。在掉電的情況下，為了保證時鐘的連續(xù)性和準確性，還有專用的電池供電。單片機對存儲器里的數(shù)據(jù)信息進行寫操作時，是將計量 芯片計量的數(shù)據(jù)保存到存儲器里的過程。紅外通信模塊實現(xiàn)了單片機與抄表器之間數(shù)據(jù)交換。考慮成本等因素，本設計中電壓采樣選用電阻分壓的接法，電流取樣選用電流互感器 。如表 31 所示。 xxx 大學學士學位論文 18 本設計選擇電流互感器 (CT)作為電流傳感器。 電能計量模塊 ADE7755 芯片 ADE7755是美國 AD公司于近年推出專用于功率 /電能測量的低成本集成電路，其技術指標滿足 GB/T172151998標準規(guī) 定的準確度等要求。 另外， ADE7755內(nèi)部的空載闡值特性保證了它在空載時沒有潛動。 xxx 大學學士學位論文 19 圖 33 ADE7755 結構原理 圖 模數(shù)轉換電路 ADC（ analog digital converter）是唯一的模擬電路，其他信號處理電路部分如相位校正環(huán)節(jié)、高通濾波器、乘法器、低通濾波器和數(shù)字 頻率轉換電路都是數(shù)字電路，從而保證了芯片強大的抗干擾能力和電能計量的高精度。電流通道（通道 V1）的 ADC 的前端有可編程增益放大器 PGA（ programmable gain amplifier），其輸出經(jīng)相位校正電路（消除高通濾波器的相位）和高通濾波器 HPF（ highpass filter）以濾掉電流信號的直流分量，從而提高有功功率的計算精度。片內(nèi)的電壓監(jiān)控單元對模擬電壓連 續(xù)監(jiān)控，以 xxx 大學學士學位論文 20 保證在上電時 ADE7755 正確啟動和高可靠性工作。當該引腳輸入高電平時，通道 l(電流通道 )內(nèi)的HPF 被選通，該濾波器所涉及的相位響應在 45Hz 至 1kHz 范圍內(nèi)在片內(nèi)己得到補償。 NC 不連接 V1P， V1N 通道 l(電流通道 )的正，負模擬輸入引腳。兩個引腳內(nèi)部都有 ESD 保護電路，這兩個引腳能承受士6V的過電壓，而不造成永久性損害。兩個引腳內(nèi)部都有 ESD 保護電路，這兩個引腳能承受士 6V 的過電壓，而不造成永久性損害。片內(nèi)基準電壓標稱值為 ? 8%。 AGND 這是 ADE7755 模擬電路 (即 ADC 和基準源 )的接地參考點，該引腳應連接到印刷電路板的模擬接地面。 SCF 校驗頻率選擇?？赡艿脑鲆媸?1， 2， 8 和 16。該輸出沒有被鎖存，當再次檢測到正功率時，該引腳輸出復位。數(shù)字接地面是所有數(shù)字電路的接地參考點。 xxx 大學學士學位論文 22 1 F1， F2 低頻邏輯輸出引腳，其輸出頻率反映平均有功功率的大小。 負載電流為基本電流 (10A)時，負載的功耗為 P=220x10=。分流器的材料為錳銅合金，阻值為 250u? 。這種電路的特點是，即使當衰減程度改變時，通道 1和通道 2之間仍然保持相位匹配。具體電路如圖 36 所示。 RST/Vpd(9 腳 )為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。 系統(tǒng)電源的工作原理 電子式電能表交流電供電通常有工頻電源、阻容電源、開關電源三種方式。降壓電容應選用無極性的金屬膜電容。 整流濾波。 穩(wěn)壓。 系統(tǒng)電源的硬件電路 電子式電能表交流電供電通常有工頻電源、阻容電源、開關電 源三種方式。降壓限流電路由 C3 R3 D D6 組成。系統(tǒng)電源設計的負載電流容量為 10mA，輸入電源為220V/50Hz。電源接通瞬間，電流會