【正文】 .............................................................. 33 鍵盤及顯示控制電路 ...................................................................................... 35 本章小結(jié) .......................................................................................................... 36 第 4 章 電子式電能表的軟件設(shè)計(jì) ............................................................................. 37 主程序 ................................................................................................................ 37 動(dòng)態(tài)自檢程序 .................................................................................................... 38 電能脈沖采集程序 ............................................................................................. 39 數(shù)據(jù)存儲程序 .................................................................................................... 40 通訊中斷子程序 ................................................................................................ 43 本章小結(jié) ............................................................................................................ 45 結(jié)論 ............................................................................................................................... 46 致謝 ............................................................................................................................... 47 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................... 48 附錄 A ........................................................................................................................... 49 附錄 B ........................................................................................................................... 54 附錄 C ........................................................................................................................... 58 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)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(jià)格等因素，機(jī)械式電能表仍占大部分。當(dāng)用戶較多時(shí)，將給使用、維護(hù)和管理帶來諸多不便。 電子式電能表概述 電子式電能表發(fā)展歷史 電子式電能表誕 生 于 20 世紀(jì) 40 年代，由歐洲的公司制造。電子式電能表在技術(shù)上從模擬乘法器到數(shù)字乘法器，性能越來越好，設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)工藝水平不斷提高，而價(jià)格越來越低，大規(guī)模批量生產(chǎn)工藝也非常成熟，已形成了一個(gè)非常有活力、欣欣向榮的產(chǎn)業(yè)。特別是采用 A/D 轉(zhuǎn)換原理的電能表，其功能的擴(kuò)展十分方便；普通感應(yīng)式電能表受其結(jié)構(gòu)和原理的限制，要進(jìn)一步擴(kuò)展其功能很困難。 防竊電能力強(qiáng) 竊電是我國城鄉(xiāng)用電中一個(gè)無法回避的現(xiàn)實(shí)問題。 20 世紀(jì)中葉 ， 開始隨著微電 子和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 ， 新技術(shù)有力的支持電能表的革新 ， 先是有高精度電子式標(biāo)準(zhǔn)電能表的出現(xiàn)滿足了校驗(yàn)技術(shù)要求 ，繼而 70 年代已開始商業(yè)化應(yīng)用電子式電能表于大工業(yè)用戶電能計(jì)量。 國際上電子式電能表經(jīng)過 50 多 年發(fā)展 ， 開始都是基于模擬量乘法器原理的 ， 在歷史上曾有過多種原理線路 ， 后來演變?yōu)闀r(shí)分割 (Time division)和霍爾效應(yīng) (Hall effect)兩種乘法器。 MV90 多開發(fā)商表計(jì)數(shù)據(jù)采集、編 譯系統(tǒng)也已在運(yùn)行中表現(xiàn)其良好兼容性。以此可以推論全國裝用量應(yīng)不少于數(shù)百萬臺。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。 利用作圖法可求得一個(gè)周期內(nèi)各采樣點(diǎn)的功率，圖 21 為分時(shí)采樣與采樣點(diǎn)功率。 圖 21 分時(shí)采樣與采樣點(diǎn)功率 數(shù)字型乘法器的實(shí)現(xiàn)電路可由單 片機(jī)、 A/D 轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、多路模擬開關(guān)和顯示器等部分組成。電能計(jì)量包括有功電能和無功電能的計(jì)量，其中有功電能計(jì)量可簡單地描述如下： 設(shè)在 t 時(shí)刻負(fù)載兩端的交流電壓和流過負(fù)載的交流電流的表達(dá)式為： ( ) s i n 2 s i nmu t u w t U w t?? (2－ 7) ( ) s i n ( ) 2 s i n ( )mi t i w t I w t??? ? ? ? (2－ 8) 其中 ()ut t? 時(shí)刻電壓瞬時(shí)值； ()it t? 時(shí)刻電流瞬時(shí)值； ()um? 電壓峰值；()Im? 電流峰值； U? 電壓有效值； I? 電流有效值； ?? 電壓與電流相位差；w? 角頻率。 在這里會(huì)面臨以下兩個(gè)有待解決的問題： 1) 如何得到式 (2－ 12)的離散化表達(dá)式； 2) 因?yàn)榉钦译娐返臒o功功率不能簡單地體現(xiàn)為電壓波形與電流波形之間的相位差，因此不能以 sinUI ? 表示，在這種情況下如何求得非正弦電路的無功功率。 式 (2－ 17)、 (2－ 18)離散化得： 1 201 ()NnU u nN??? ? (2－ 19) 1 201 ()NnI i nN??? ? (2－ 20) 式中 ()un 和 ()in 分別為被測電壓、電流信號經(jīng)采樣保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換后的離散序列。 本章小 結(jié) 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 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 流變換成與功率成一定比例關(guān)系的脈沖信號，送至分頻和計(jì)數(shù)。各個(gè)硬件模塊具體如下： L N 圖 31 電能表總體設(shè)計(jì)方案框圖 89C52 單片機(jī)是整個(gè)電子式電能表硬件的核心部分，它是電能表的 “ 大腦 ” ， 外圍所有的硬件模塊都是在它的協(xié)調(diào)控制下完成工作的。 實(shí)時(shí)時(shí)鐘為復(fù)費(fèi)率電能表提供準(zhǔn)確的時(shí)間信息，以便于實(shí)現(xiàn)不同費(fèi)率下電能的計(jì)量。 顯示模塊可以將用電信息，時(shí)段信息，實(shí)時(shí)日期等清楚地顯示在液晶屏上，供用戶和抄表人員參考。這使傳感器接口的 設(shè)計(jì)大為簡單。采用單 +5V電源供電、低功耗 (典型值 15mW)的 CMOS芯片。 ADE7755 的主要特點(diǎn)有： ，在 500： 1 的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差小于 %，技術(shù)指標(biāo)超過了IEC1036 標(biāo)準(zhǔn)的要求 ， 支持 50/60Hz。 ADE7755 芯片引腳功能 ADE7755 芯片有 24 引腳的 DIP 和 SSOP 兩種封裝形式，引腳排列圖如下： 圖 34 ADE7755 引腳排列圖 DVDD 數(shù)字電源引腳。完全差動(dòng)輸入方式，正常工作最大信號電平為士 470mV。 RESET 復(fù)位引腳。模擬接地面是所有模擬電路的接地參考點(diǎn)，如抗混疊濾波器，電流和電壓傳感器等。 1 CLKIN 外部時(shí)鐘可從該引腳接入，也可把一個(gè)石英晶體接在 CLKIN 和 CLKOUT之間，為 ADE7755 提供 時(shí)鐘源，規(guī)定時(shí)鐘頻率為 。 1 CF 頻率校驗(yàn)輸出引腳。乘以電表常數(shù)得 I情況下的輸出頻率 1fF 為 1 2 . 2 1 0 0 / 3 6 0 0 0 . 0 6 1 1 1fF P C H z? ? ? ? ? （ 3－ 1） 從最大電流為 40A并留有足夠余量出發(fā)，則此時(shí)最高輸出頻率為 1 8 . 8 1 0 0 / 3 6 0 0 0 . 2 4 4 4 4fF P C H z? ? ? ? ? （ 3－ 2） 本設(shè)計(jì)選擇 CF的脈沖常數(shù)為 1600imp/kWh，通過跳線將邏輯輸入引腳SCF， S1， S0的電平分別置 “ 低 ” 、 “ 高 ” 、 “ 低 ” 來設(shè)定。在對電表進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，采 用逐次逼近的方法 ： 通過跳線接通或斷開來改變串聯(lián)電阻的總阻值，直到在 V2N引腳得到合適的電壓值，從而使 CF引腳輸出精 確的 1600imp/kWh的電能脈沖。 VCC(40腳 )和 VSS(20 腳 )為供電端口，分別接 +5V 電源的正負(fù)端。降壓電容相當(dāng)于普通的降壓變壓器，電 容值越大，容抗越小，流過的電流越大。阻容降壓方式電源的內(nèi)阻很大，經(jīng)整流濾波 后的直流 電壓隨負(fù)載電流的微小變化發(fā)生很大的波動(dòng)，因此，需經(jīng)三端穩(wěn)壓塊進(jìn)行穩(wěn)壓，以響應(yīng)負(fù)載電流大小的變化。電網(wǎng)電壓220VAC 經(jīng) C33 降壓、 R33 限流和 D4（或 D6）穩(wěn)壓后得到交流電壓 12VAC。 C33 的選擇根據(jù)負(fù)載的電流容量和交流電的工作頻率而定。但因無電氣隔離，使用阻容降壓電源時(shí)，需要注意以下三點(diǎn)： 未和 220V 交流高壓隔 離，電路設(shè)計(jì)注意隔離措施； 限流電容須接于火線，耐壓值大于 400V，須串聯(lián)防浪涌、沖擊電阻（注意功率大小）和并聯(lián)放電電阻； 注意穩(wěn)壓管功耗，嚴(yán)禁穩(wěn)壓管斷開運(yùn)行。電容在電路中只是吞吐能量，而不消耗能量，所以阻容降壓型電源轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 90%以上。 AT89C52 有以下主要特點(diǎn) ： 1. 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 8k 可反復(fù)擦寫 (1000 次） Flash ROM 2. 32 個(gè)雙向 I/O 口 256x8bit 內(nèi)部 RAM 3. 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器中斷 時(shí)鐘頻率 024MHz 4. 2 個(gè)串行中斷 可編程 UART 串行通道 5. 2 個(gè)外部中斷源 共 6 個(gè)中斷源 6. 2 個(gè)讀寫中斷口線 3 級加密位 7. 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 圖 36 單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng) 電源模塊 電能表的電源管理模塊應(yīng)解決以下四個(gè)問題： 1. 將 50Hz的電網(wǎng) 220V 交流電壓變成電能表所需的直流低電壓 5V； 2. 將電能表與外界交流電網(wǎng)實(shí) 現(xiàn)電氣隔離，避免電網(wǎng)噪聲的侵入； 3. 提供后備電池，確保電網(wǎng)停電時(shí)重要數(shù)據(jù)不丟失； 4. 將電網(wǎng)瞬時(shí)的掉電信號提供給單片機(jī)進(jìn)行處理。 單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng) 單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)是電能表的核心部分。 為了給 ADE7755提供必要的電流和電壓轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)采用簡單的電阻分壓 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 網(wǎng)絡(luò)和分流器來實(shí)現(xiàn)。常用于儀表校驗(yàn)。 1 REVP 當(dāng)檢測到負(fù)功率時(shí)，即電壓和電流信號的相位差大