【正文】 C33 為降壓電容，相當于降壓變壓 器。 阻容降壓型直流穩(wěn)壓電源具有結構簡單、體積小、重量輕、成本低、動態(tài)響應快、穩(wěn)定可靠、高效等特點。當合上電源（如220VAC/50Hz）的瞬間，有可能是電源的正或負半周的峰峰值，此時瞬間電流會很大，因此需串聯(lián)一個限流電阻，以保證電路的安全。 P0~P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設計中， P0 端口 (32~39 腳 )被定義為 N1 功能控制端口，分別與 N1 的相應功能管腳相連接， 13 腳定義為 IR 輸入端， 10 腳和 11 腳定義為 I2C 總線控制端口，分別連接 N1 的 SDAS(18 腳 )和 SCLS(19腳 )端口 ， 12 腳、 27 腳及 28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板 CPU 的相應功能端，用于當前制式的檢測及會聚調整狀態(tài)進入的控制功能。與可調電位器調整相比，這種方法檢修和調節(jié)更方便、快捷，最重要的是更穩(wěn)定可靠 。 利 用 分 壓 電 阻 網(wǎng) 絡 將 220V 線 路 電 壓 降 到 ， 則 分 壓 比 為(220/):1=908:1。其輸出頻率反映瞬時有功功率的大小。 1 CLKOUT 把一個石英晶體接在 CLKIN 和 CLKOUT 之間，為 ADE7755 提供一個時鐘源。 為了有效地抑制噪聲，模擬接地面與數(shù)字接地面只應有一點連接。當為低電平時， ADC 和數(shù)字電路保持復位狀態(tài)，在 RESET 的下降沿，清除 ADE7755 內部寄存器。通道 1 有一個 PGA。該引腳提供 ADE7755 數(shù)字電路的電源，正常工作電源電壓 應保持在 5V 士 5%，該引腳應使用 10uF 電容并 聯(lián) 100nF 瓷介電容進行去耦。 Fl和 F2 提供 平均功率信息； CF 提供正比有功功率的瞬時功率信息，送至 MCU 的接口用可于校表或電能計量； ； ； ； REV，可用于防竊電。 具有量程寬 (負載能力可達 46倍Ib)， 精確 度高 (在 1%500%Ib動態(tài)范圍內誤差小于 %)，內部具有掉電、上電自動復位電等性能優(yōu)點。 表 31 電流通道增益選擇表 G1 G0 增益 最大差動信號 0 0 1 ? 470mV 0 1 2 ? 235mV 1 0 8 ? 60mV 1 1 16 ? 30mV V1P 和 V1N 引腳上的最大差動電壓為 470mV，在這兩個引腳上的差動信號必須以一個共模端作為參考點，如 AGND。 電壓電流采樣模塊 一方面為了將電子式電能表的計量芯片與電力線隔離，另 一方面又要完成電壓電流的采樣。 數(shù)據(jù)存儲模塊是所有電能信息的存儲單元。單片機通過燒制在其中的各種程序，控制著其他硬件模塊的工作狀態(tài)。它是電子式電能表的關鍵，其測量精度直接決定電能表的精度和準確度。 N 為一個工頻周期內的采樣點 數(shù)。 下面就是解決上述問題的兩個方法： 1．數(shù)字移相法 式 (2－ 12)可變換為： c os ( 90 )Q UI ??? (2－ 13) 由式 (2－ 13)可以看出，用電壓采樣值乘以滯后電壓 90 的電流采樣值然后累加可以求得無功功率，即無功功率的離散化計算公式為： 11 ( ) ( )4NnNQ u n i nN???? (2－ 14) 這種計算稱為無功功率的簡單數(shù)字移相法，它要求被測信號為嚴格的正弦波情況，換句話說，它不能對含有諧波的電路進行準確的無功功率計量。 則在一個周期內平均有功功率 p 為 0011( ) ( ) s in s in ( )TTt m m tp u t i t d U w tI w t dTT ?? ? ? ? ? 01 [ c o s c o s ( 2 ) ] c o sT tU I w t d U IT ? ? ?? ? ? ? ? (2－ 9) 一個周期內的電能 W 為 0 ( ) ( ) c o sT tW u t i t d T U I?? ? ? (2－ 10) 各種乘法結構的電能計量單元都是以式 (2－ 10)為理論基礎形成的。這種電路的硬件部分元件多、體積較大；而其軟件也較復雜，因為數(shù)據(jù)采集、計算、積分等都是通過數(shù)字電路來實現(xiàn)的。從圖 21 可以看到各采樣點功率 ()kpt 為 ( ) ( ) ( )k A k A kp t u t i t? (2－ 1) 一個周期 T 內平均功率 p 為 p = 11 1[ ( ) ( ) . . . ( ) ( ) . . . ( ) ( ) ]A A A k A k A n A nu t i t u t i t u t i t n?? = 11 ( ) ( )n A k A kk u t i tn?? (2－ 2) 即各采樣點功率 ()kpt 為 ( ) ( ) ( )k A k A kp t u t i t? (2－ 3) 則一周期內平均功率 p 為 p = 11 ( ) ( )n A k A kk u t i tn?? (2－ 4) 令 1kkt t T?? ? ? ，則一個周期內的電能 W 為 xxx 大學學士學位論文 11 11[ ( ) ( )]n kkkW u t i t tn???? (2－ 5) 若 0t?? ，則有 0 ( ) ( ) c o sT tW u t i t d T U I?? ? ? (2－ 6) 式 (2－ 5)說明將各采樣點的電流、電壓相乘積的累加和再乘以采樣周期就是平均電能。電子式電能表的電能測量單元種類繁多，其中乘法器是該單元的核心組成部分。單相電子式預付費用卡電能表也有相當大裝用量。 各地在普及實施分時電價的過程中 ， 大用戶 (大于 100kW)電能表大部分 xxx 大學學士學位論文 9 更新機械電子式電能表 ， 也有不少省局直接采用進口的 級電子式電能表 ，總計已達數(shù)萬只。美國 Govzelnik 對這兩種乘法器的特點曾作比較。 國外家用計費用電子式電能表出現(xiàn)于 1983 年 ， 到 1988 年已實用化。感應式電能表由于自身的局限，防竊電能力較差；電子式電能表從基本原理上 難 以實現(xiàn)一定的防竊電功能。 準確度等級高且穩(wěn)定 感應式電能表的準確度等級一般為 ~3 級，并且由于機械磨損，誤差很 xxx 大學學士學位論文 7 容易發(fā)生變化；而電子式電能表 可方便地利用各種補償技術輕易地做到較高的準確度等級，一般為 ~1 級，并且誤差穩(wěn)定性很好。到 20xx 年，國 內生產廠家已達到 600 多家，極大地滿足了市場的需求，這也進一步推動了電子式電能表的市場發(fā)展和產品性能的提高。它的誕生得益 xxx 大學學士學位論文 6 于電子技術的發(fā)展。用什么樣的電能表更有利于電能計量管理呢 。據(jù)山東省技術監(jiān)督局 20xx 年底對該省機械式電能表進行抽查的結果中看，使用了兩年的機械式電能表幾乎都達不到計量精度要求，相當比例的電能表計量誤差較大。數(shù)據(jù)存儲模塊，紅外通信模塊和 RS485 通信模塊的設計完成了電能信息的及時存儲和交換。國家采取多費率用電政策，以消峰填谷，平衡用電。硬件外圍電路采用模塊化設計。 ADE7755。微電子技術、計算機技術和通信技術的高速發(fā)展為電子式電能表的迅速進步和日益成熟的提供了強大的技術支撐。并且這種電能表能夠通過低壓電力線載波擴頻通信接口組成遠程自動抄表系統(tǒng)，便于供電部門對居民的用電情況進行實時抄收、數(shù)據(jù)匯總和監(jiān)控，為電力部門進行現(xiàn)代化管理提供一種有效的手段。三家公司作為中國電子式電能表巾場和產品的開拓者，他們的實踐和努力為電子式電能表的發(fā)展打下了基礎。 電子式電能表的特點 在短短的十幾年時間內，電子式電能表得到如此大的發(fā)展，是因為與普通感應式電能表相比，在性能和功能方面有很大的優(yōu)勢。 受外磁場影響小 感應式電能表是依靠磁場的原理進行計量的，因此外界磁場對表計的影響較大；而電子式多功能電能表主要是通過乘法器進行運算的，受外磁場影響較小。 表 11 感應式電能表與電子式電能表的性能比較 類別 感應式電能表 電子式電能表 準確度（級別） ～ ～ 頻率范圍（ Hz） 45～ 55 40～ 20xx 啟動電流 bI bI 外磁場影 響 大 小 國 內 外 電子式電能表的發(fā)展概 況 國外 電子式電能表的發(fā)展概況 電力工業(yè)發(fā)展初期曾用電解化學原理電能表計量收費 ， 1890 年 ， 發(fā)明了感應式電磁原理電能表沿用至今已有 100 多年。北美也以 ANSI 為基礎實施標準化。 隨著電力市場化改革的不斷深入 ， 我國網(wǎng)、省電網(wǎng)各級關口表在各級電能計量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建設 ， 大部分已更新為電子式電能表。由此可以推論 1998~20xx 年每年單相電子表產量均有數(shù)百萬臺。以下對電子式電能表工作原理進行介紹，并介紹基于Δ ∑ A /D 轉換器的數(shù)字乘法器的工作原理以及基本電能量的計量原理和電能參數(shù)的計算方法。本文主要介 紹數(shù)字乘法器原理，在此基礎上本節(jié)還將對基本電能量的計量原理進行闡述。這種測量方法的誤差來源主要有采樣頻率、 A/D 轉換器的轉換精度，取樣電路及其后的放大線路元器件的分散性造成的幅值和相位誤差。 因為數(shù)字乘法器型的電能測量專用電路利用位數(shù)較多的 A/D 轉換電路或自動量程轉換電路，在原理上可達到很高的測量準確度，且它在一定周期內對電壓、電流信號進行采樣處理的方法，可保證了測量準確度可不受高次諧波的影響；并且其精度、線性度、穩(wěn)定性和抗干擾能力等方面都優(yōu)于模擬乘法器電路，具有更好的發(fā)展前景。 一般周期信號電路的有功功率由式 (2－ 9)表示。 在 一段時間 21tt? 內，記錄下 maxP 的最大值和發(fā)生的時刻，一般情況下 2t ,1t 采用滑差方式，每過一分鐘1t ,2t 增加，但 21tt? 的差值保持不變，固定為 15 或 30分鐘。 （ 2） 在線路中將會引起較大的電壓跌落和功率損失。 xxx 大學學士學位論文 16 第 3章 電子式電能表的硬件設計 電能表總體設計方案框圖 電子式電能表總體設計方案如圖 31，各種硬件模塊構成了整個電子式電能表，每個硬件模塊都有著不同的功能，在整個電能表硬件系統(tǒng)中都承擔著一定的作用。 電源模塊為整個電能表硬件系統(tǒng)正常工作供電，它通過電能變換將主電網(wǎng)中的 220V 交流降壓，整流為 5V 的直流。上位機的數(shù)據(jù)也同樣能夠通過 RS485 模塊下傳給單片機。通道 l 有一個 PGA，其增益可選擇為 1， 2， 8 或 16。 圖 32 電流采樣模塊原理圖 電壓通道 電壓通道采用電阻分壓網(wǎng)絡獲得采樣電壓。 被測電壓、電流轉換為數(shù)字量后，接下來 的信號處理都由數(shù)字電路實現(xiàn)。 Fl 和 F2 以較低頻率形式輸出有功功率平均值，可用于直接驅動機電式計數(shù)器， CF 以較高頻率形式輸出有功功率瞬時值，送單片機接口計數(shù)可用于 誤差校準或電能計量。該引腳提供 ADE7755 模擬電路的電源，正常工作電源電壓應保持在 5V 士 5%，為使電源的紋波和噪聲減小到最低程度，該引腳應使用 10 uF 電容并聯(lián) 100nF 瓷介電容進行去耦。相對于 AGND 的最大信號電平為 ? 1V。無論用內部還是外部基準源，該引腳都使用 100uF 鉭電容和 100nF 瓷介電容對 AGND 進行去耦。 1 G1， G0 引腳的邏輯輸入用來選擇通道 1 的增益。該引腳應連接到印刷電路板的數(shù)字 接地面。線路電壓經(jīng)電阻網(wǎng)絡分壓，也降到允許的最大電壓范圍之內，接到 V2P和V2N引腳。利用分壓電阻 R00~R09組成線電壓衰減網(wǎng)絡。 AT89C52 主要管腳有： XTAL1(19 腳 )和 XTAL2(18 腳 )為振蕩器輸入輸出端口，外接 12MHz 晶振。 xxx 大學學士學位論文 25 圖 37 阻容降壓電源原理框圖 降壓限流。 采用全波整流時， 1 Fu 電容可得到的電流平均值為 0 . 8 9 0 . 8 9 2 2 0 2 3 . 1 4 5 0 0 . 0 0