【正文】 C33 為降壓電容，相當(dāng)于降壓變壓 器。 阻容降壓型直流穩(wěn)壓電源具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低、動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定可靠、高效等特點(diǎn)。當(dāng)合上電源（如220VAC/50Hz）的瞬間，有可能是電源的正或負(fù)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(shè)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(yīng)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(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。與可調(diào)電位器調(diào)整相比，這種方法檢修和調(diào)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(luò) 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(yīng)有一點(diǎn)連接。當(dāng)為低電平時， ADC 和數(shù)字電路保持復(fù)位狀態(tài)，在 RESET 的下降沿，清除 ADE7755 內(nèi)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(yīng)保持在 5V 士 5%，該引腳應(yīng)使用 10uF 電容并 聯(lián) 100nF 瓷介電容進(jìn)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(fù)載能力可達(dá) 46倍Ib)， 精確 度高 (在 1%500%Ib動態(tài)范圍內(nèi)誤差小于 %)，內(nèi)部具有掉電、上電自動復(fù)位電等性能優(yōu)點(diǎn)。 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(diǎn)，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(jī)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(guān)鍵，其測量精度直接決定電能表的精度和準(zhǔn)確度。 N 為一個工頻周期內(nèi)的采樣點(diǎn) 數(shù)。 下面就是解決上述問題的兩個方法： 1．?dāng)?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(yán)格的正弦波情況，換句話說，它不能對含有諧波的電路進(jìn)行準(zhǔn)確的無功功率計量。 則在一個周期內(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)的電能計量單元都是以式 (2－ 10)為理論基礎(chǔ)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(fù)雜，因?yàn)閿?shù)據(jù)采集、計算、積分等都是通過數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)的。從圖 21 可以看到各采樣點(diǎn)功率 ()kpt 為 ( ) ( ) ( )k A k A kp t u t i t? (2－ 1) 一個周期 T 內(nèi)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(diǎn)功率 ()kpt 為 ( ) ( ) ( )k A k A kp t u t i t? (2－ 3) 則一周期內(nèi)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(nèi)的電能 W 為 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)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(diǎn)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(yù)付費(fèi)用卡電能表也有相當(dāng)大裝用量。 各地在普及實(shí)施分時電價的過程中 ， 大用戶 (大于 100kW)電能表大部分 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 更新機(jī)械電子式電能表 ， 也有不少省局直接采用進(jìn)口的 級電子式電能表 ，總計已達(dá)數(shù)萬只。美國 Govzelnik 對這兩種乘法器的特點(diǎn)曾作比較。 國外家用計費(fèi)用電子式電能表出現(xiàn)于 1983 年 ， 到 1988 年已實(shí)用化。感應(yīng)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(shí)現(xiàn)一定的防竊電功能。 準(zhǔn)確度等級高且穩(wěn)定 感應(yīng)式電能表的準(zhǔn)確度等級一般為 ~3 級，并且由于機(jī)械磨損，誤差很 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)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(bǔ)償技術(shù)輕易地做到較高的準(zhǔn)確度等級，一般為 ~1 級，并且誤差穩(wěn)定性很好。到 20xx 年，國 內(nèi)生產(chǎn)廠家已達(dá)到 600 多家，極大地滿足了市場的需求，這也進(jìn)一步推動了電子式電能表的市場發(fā)展和產(chǎn)品性能的提高。它的誕生得益 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 于電子技術(shù)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(shù)監(jiān)督局 20xx 年底對該省機(jī)械式電能表進(jìn)行抽查的結(jié)果中看，使用了兩年的機(jī)械式電能表幾乎都達(dá)不到計量精度要求，相當(dāng)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(shè)計完成了電能信息的及時存儲和交換。國家采取多費(fèi)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(shè)計。 ADE7755。微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的高速發(fā)展為電子式電能表的迅速進(jìn)步和日益成熟的提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。并且這種電能表能夠通過低壓電力線載波擴(kuò)頻通信接口組成遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)，便于供電部門對居民的用電情況進(jìn)行實(shí)時抄收、數(shù)據(jù)匯總和監(jiān)控，為電力部門進(jìn)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(chǎn)品的開拓者，他們的實(shí)踐和努力為電子式電能表的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。 電子式電能表的特點(diǎn) 在短短的十幾年時間內(nèi)，電子式電能表得到如此大的發(fā)展，是因?yàn)榕c普通感應(yīng)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(yīng)式電能表是依靠磁場的原理進(jìn)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(jìn)行運(yùn)算的，受外磁場影響較小。 表 11 感應(yīng)式電能表與電子式電能表的性能比較 類別 感應(yīng)式電能表 電子式電能表 準(zhǔn)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(nèi) 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(xué)原理電能表計量收費(fèi) ， 1890 年 ， 發(fā)明了感應(yīng)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(chǔ)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)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(guān)口表在各級電能計量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建設(shè) ， 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(chǎn)量均有數(shù)百萬臺。以下對電子式電能表工作原理進(jìn)行介紹，并介紹基于Δ ∑ A /D 轉(zhuǎn)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(chǔ)上本節(jié)還將對基本電能量的計量原理進(jìn)行闡述。這種測量方法的誤差來源主要有采樣頻率、 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)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?yàn)閿?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(zhuǎn)換電路或自動量程轉(zhuǎn)換電路，在原理上可達(dá)到很高的測量準(zhǔn)確度，且它在一定周期內(nèi)對電壓、電流信號進(jìn)行采樣處理的方法，可保證了測量準(zhǔn)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(nèi)，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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 第 3章 電子式電能表的硬件設(shè)計 電能表總體設(shè)計方案框圖 電子式電能表總體設(shè)計方案如圖 31，各種硬件模塊構(gòu)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(dān)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(jī)的數(shù)據(jù)也同樣能夠通過 RS485 模塊下傳給單片機(jī)。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(luò)獲得采樣電壓。 被測電壓、電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，接下來 的信號處理都由數(shù)字電路實(shí)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(qū)動機(jī)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(jī)接口計數(shù)可用于 誤差校準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)使用 10 uF 電容并聯(lián) 100nF 瓷介電容進(jìn)行去耦。相對于 AGND 的最大信號電平為 ? 1V。無論用內(nèi)部還是外部基準(zhǔn)源，該引腳都使用 100uF 鉭電容和 100nF 瓷介電容對 AGND 進(jìn)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(yīng)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(luò)分壓，也降到允許的最大電壓范圍之內(nèi)，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(luò)。 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(xué)學(xué)士學(xué)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