【導(dǎo)讀】社會中是普遍使用的，所以電能計量裝置在發(fā)、供、用電的地位是十分重要的。電能管理的效率和科學文化水平。100多年來，隨著電力系統(tǒng)、所有以電能為動力。更新、優(yōu)化的發(fā)展過程。電能表作為測量電能的專用儀表其性能直接影響著電能。的需求電子式電能表應(yīng)運而生。本次設(shè)計的多功能單相電子式電能表能采集計算電壓、電流、有功。據(jù)；并具有RS485通訊接口。師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加

　　

【正文】 18 穩(wěn)壓電源 外部接口CPU 顯示及鍵盤ROM RAM雙通道A/D轉(zhuǎn)換電壓 電流 圖 數(shù)字乘法器的電能表結(jié)構(gòu)框圖 以 △ t 為時間間隔將上式中的積分做離散化處理，即對電壓、電流同時進行采樣，則 式 其中： tNT ?? 這就是用軟件計算被測平均功率即有功功率的數(shù)學模型。從上式可以看出，平均功率的計算與功率求解過程與功率 因數(shù)無關(guān)，因此，可以得出采用數(shù)字乘法器的全電子式電能表的電能測量與功率因數(shù)無關(guān)的結(jié)論，這是這類電能表的一個重要特點。 A／ D 轉(zhuǎn)換器的準確度一般較高，其轉(zhuǎn)換誤差可以忽略。通過軟件來完成采樣及乘法計算的準確度與 △ t 的選取有關(guān)。 △ t 越小，準確度越高，但計算量將增加，且會使實時性變差。由采樣理論可知，連續(xù)信號離散后得到的時間序列不丟失原信號的信息，不僅采樣頻率要滿足奈奎斯特定律，而且必須等分連續(xù)的信號周期，否則會產(chǎn)生測量誤差。為此采用軟件鎖相技術(shù)將采樣頻率自動地鎖定在輸入信號頻率的 N 倍上，這樣可以在輸入頻率 發(fā)生變化時自動調(diào)整采樣間隔，使時鐘的漂移變化也不會給測量帶來誤差。 使用微處 理器技術(shù)制造全電子式電能表的前景十分看好，但成本高 是其商品化的一個主要障礙；數(shù)字乘法器的發(fā)展還要依靠于 電路的集成和芯片價格的降低，但其功能強大、性能優(yōu)越，在未來先進的電能管理領(lǐng)域中一定會廣為應(yīng)用。 ? ?? T dttituTP 0 )()(11 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 19 ／頻率轉(zhuǎn)換器 目前采用的電壓／頻率轉(zhuǎn)換器，大多是利用積分方式實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。電子式電能表常用的雙向積分式電壓／頻率轉(zhuǎn)換器的原理電路如圖 所示。運放 N 和電容C 組成積分器，上下電平比較器有兩個比較電平 U U2。輸出電壓波形如 圖 所示。當開關(guān) S 接通﹢ U1 時，電容 C 充電，輸出電壓 U0 往負向變化（ ab 段）；當達到比較器的下限電平 U2 時，比較器控制開關(guān) S 接通﹣ U1， C 放電，電壓 U0往正向變化；當達到比較器的上限電平 U1 時， S 再次接通十 U1，如此反復(fù)，達穩(wěn)態(tài)后，便得到了周期為 T 的三角波。由于 ab 段和 cd 段的積分斜率是一樣的，故積分時間也相等，均為 T/2。根據(jù)積分器輸入、輸出電壓關(guān)系 式 得到輸出電壓 U0 的頻率 式 即輸出頻率 f與輸入電壓 U1 成正比。 倒相器上下電平比較器+U iU iRU sCNU o+U i 圖 雙向積分式電壓 ／頻率轉(zhuǎn)換器的原理電路圖 2121 TRCUUU ???ii UUUURCTf ???? )(2 11 211 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 20 圖 雙向積分式電壓／頻率轉(zhuǎn)換器的波形圖 這種電壓／頻率轉(zhuǎn)換器的主要特點是輸出頻率較低，選擇高穩(wěn)定性的 R、 C 元件，可使其準確度長期保持在 177。％的水平。 在機電式電能表中，由光電轉(zhuǎn)換器將電能信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號；而在電子式電能表中，電能信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)脈沖信號的工作是由乘法器及電壓／頻率轉(zhuǎn)換器完成的。這兩種脈沖信號在送入計數(shù)器計數(shù)之前，需要先送入分頻器進行分頻，以降低脈沖頻率 [8]。這樣做，一方面是為了便于取出電能 計量單位的位數(shù)（如百分之一度位）；另一方面是考慮到計數(shù)器長期計數(shù)的容量問題。 所謂分頻，就是使輸出信號的頻率分為輸入信號頻率的整數(shù)分之一；所謂計數(shù)，就是對輸入的頻率信號累計脈沖個數(shù)。 在電子式電能表中，分頻器和計數(shù)器一般采用 CMOS 集成電路器件。這是因為集成電路器件工作可靠性、抗干擾能力、功率消耗、電路保安和機械尺寸等一系列指標均優(yōu)于分立元器件組成的電路。 圖 為分頻計數(shù)器原理框圖和脈沖波形。圖中電壓 —— 頻率轉(zhuǎn)換器送來的脈沖信號 fx 經(jīng)整形電路整形后，可輸出一系列規(guī)則的矩形波，并輸入到控制門，A 點的波形如圖所示。把由石英晶體振蕩器產(chǎn)生的標準時鐘脈沖信號經(jīng)分頻后作為時間基準。分頻后的標準時鐘脈沖信號，如圖 B 點的波形也送至控制門，于是控制門打開，將計數(shù)脈沖輸出，得到如圖 C 點的波形。計數(shù)器可記錄時間 T 內(nèi)通過控制門的脈沖數(shù)，每一個脈沖所代表的電量數(shù)經(jīng)計算確定后，便可經(jīng)譯碼電路由顯示器顯示出來 。 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 21 整形電路 石英振蕩器控制門分頻器計數(shù)器數(shù)碼管顯示f xoA CB(a)ABC(b) 圖 分頻計數(shù)器原理框圖 （ a）框圖；（ b）脈沖波形 電源電路部分 單相電子式電能表的電源電路 為三個部分：電量計量電源電路、 RS485 通訊電源電路、 MCU 及其相關(guān)部分電源電路。 電源是保證電能表正常運行的先決條件，因此在進行電源電路設(shè)計時要考慮多方面因素，如設(shè)計原理的正確性、電源容量的冗余量，要選擇合適的元件參數(shù)。不能以馬馬虎虎的態(tài)度去解決。 下面為各部分電路的電源電路設(shè)計圖： 電量計量電源電路和 RS485 通訊電源電路都通過將壓、整流、穩(wěn)壓和濾波四個環(huán)節(jié)，得到 5V 的直流電壓。整個電源電路是以 78L05 這個穩(wěn)壓芯片進行設(shè)計的，是一種串聯(lián)的穩(wěn)壓電路。 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 22 圖 電量計量電源電路 圖 RS485 通訊電源電路 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 23 圖 MCU 及相關(guān)部分電源電路 通過電網(wǎng)輸入 220V 的交流電源，通過變壓器 TR1 降壓，在 6 端產(chǎn)生 12V的交流電壓，通過 AB1 全波整流及 C TR C E1 濾波，其中 C TR C2構(gòu)成濾波網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生一個帶有一定脈動分量的直流電。然后通過并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路 LM317，同時調(diào) 整 R R2 的比值，以得到所需的電壓值 — 。 圖 電源監(jiān)測電路 在上電的時候，如果上電緩慢，單片機會出現(xiàn)復(fù)位錯誤，從而導(dǎo)致程序不能正確運行。為了解決這個問題，必須采用快速上電的方法，我采用 MAX809 電源監(jiān)控芯片，當上電電源 達到電壓門檻時， T1 三極管導(dǎo)通，開通電源通道，達到 MCU 快速上電的目的， VCC 的電壓為 =。 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 24 通訊部分 本次設(shè)計的單相電子式電能表采用 RS— 485 通訊信道， RS— 485 通訊信道是用來和其他電能表組成 RS— 485 通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)抄表。 RS— 485 通訊接口距離遠、抗干擾能力強、半雙工通信以及可以實現(xiàn)總線方式傳送數(shù)據(jù)，非常簡單實用，在電能表通信中得到了廣泛的使用。 半雙工通信是指可以雙向通信，數(shù)據(jù)傳送方向可以從 A 到 B，也可以從 B 到A，但同一時刻只能是一個方向。 發(fā)送器 接收器 數(shù)據(jù) 圖 傳送簡圖 RS— 485 通訊電路是通過 3 個光耦器件對單片機電路和 RS485 總線電路進行隔離的，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，電路中的 TVS1 管并聯(lián)在 RS485A 總線和 RS485B 總線的兩端，對電路瞬態(tài)起保護作用。 R39 和 R40 是偏置電阻，進行網(wǎng)絡(luò)失效保護。JP2 接口是要進行瞬變脈沖和靜電干擾的。 圖 光電隔離簡圖 A B 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 25 MCU 及其它相關(guān)部分 MCU 是選用 89LPC931 這種單片機，這部分電路有 LCD 顯示電路、實時時鐘電路、存儲器及掉電保護等組成。 實時時鐘選用的是日本 EPSON 公司于 20xx 推出的 8025 時鐘芯片，內(nèi)置高精度頻率可調(diào)整的 32768HZ 的水晶振子，無須外接晶體，使用簡便、精度高。它是一個 I2C 總線接口的芯片，最高時鐘頻率為 400HZ，通信速率較高，它的 I2C 地址是 60H。具有定時功能和鬧鐘功能。 MCU 通過 I2C 總線讀寫 8025 芯片的寄存器，設(shè)置芯片的工作狀態(tài)，校正當前時間和日期， 8025 時鐘芯片是一種低功耗、寬電壓范圍工作的芯片，在工作電源為 3V 時，工作電流為 ，在 正常工作，同時能夠檢測晶振的情況和微調(diào)晶振的頻率。 8025 芯片應(yīng)設(shè)置輸出 1S 中的時鐘脈沖信號，為了保證時間和工作的連續(xù)性，應(yīng)保證電源不斷電。 8025 引腳說明： NC空引腳； SCLI2C 數(shù)據(jù)串行傳輸同步時鐘輸入；FOUT32768HZ 時鐘頻率輸出； TEST測試用，正常使用時接到 VDD； VDD工作電源輸入； FOE控制 FOUT 的輸出：當為高時，輸出 32768HZ 時鐘信號；當為低時，不輸出時鐘信號； /INTA定時輸出 A 腳，輸出鬧鐘中斷（ ALARMW） 或定時到信號地； SDAI2C 數(shù)據(jù)串行傳輸數(shù)據(jù)引腳（輸入 /輸出） 圖 顯示電路 I/O 分配 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 26 存儲器選用的是支持 I2C 總線的可檫寫 E2PROM，型號是 24WC08，可以隨時讀寫，而且在掉電后數(shù)據(jù)仍然保存不變。這種存儲器的數(shù)據(jù)寫入是通過提高電壓來完成的，其存儲器內(nèi)部有電壓泵起著泵高電壓的作用。這種存儲器非常適合電能表作數(shù)據(jù)存儲，當電能表有電時可以隨時改寫數(shù)據(jù)，而當?shù)綦姾髷?shù)據(jù)保持不變。 存儲容量為 8K 位、 1K 字節(jié)、 10 位地址線， 工作電壓范圍是 — 。采用低功耗 CMOS 技術(shù)，同時具有寫保護，執(zhí)行寫操作時，在主器件產(chǎn)生停止信號后開始內(nèi)部數(shù)據(jù)的擦寫，在內(nèi)部擦寫過程中，器件不應(yīng)答主器件的請求，因此在執(zhí)行存儲器寫操作之后，應(yīng)延時一定的時間再對存儲器進行操作，改寫數(shù)據(jù)時間較長，一般在幾到幾十毫秒。 掉電檢測電路是一個 R4 R44 組成的分壓電路， C23 用來濾波，提高抗干擾性。通過 MCU 內(nèi)部比較器，比較器內(nèi)部參考電壓和 PWRCHK 腳的電壓相比較，當電源電壓下降到一定時， MCU 比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，發(fā)生掉電事件。由于有 C23 的存在，管 理芯片的電源不會馬上消失，以提供電源方便管理部分進行數(shù)據(jù)保護。 指示燈電路包括峰指示、谷指示、通訊指示，當 MCU 對應(yīng)腳輸出低電平時，電流經(jīng)限流電阻， LED，流入 MCU 腳，指示燈亮。 以上是電能表硬件各部分獨立的電路原理圖。它詳細地介紹了各部分的具體任務(wù)和功能，使大家對電能表的基本結(jié)構(gòu)和組成有個大概地了解。 1 學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的軟件設(shè)計 27 4 單相電子式電能表的軟件設(shè)計 電能表的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 電能表的軟件系統(tǒng)有五大部分組成，包括程序初始化模塊、程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊、時鐘及顯示處理模塊、通訊處理模塊和 電量處理模塊。各個部分都有其特定的任務(wù)，完成他們相應(yīng)的任務(wù)。下面逐一介紹以下各部分的功能： 圖 程序數(shù)據(jù)模塊 程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊是對程序中的數(shù)據(jù)