【導(dǎo)讀】社會(huì)中是普遍使用的，所以電能計(jì)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(xué)文化水平。100多年來(lái)，隨著電力系統(tǒng)、所有以電能為動(dòng)力。更新、優(yōu)化的發(fā)展過(guò)程。電能表作為測(cè)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(yùn)而生。本次設(shè)計(jì)的多功能單相電子式電能表能采集計(jì)算電壓、電流、有功。據(jù)；并具有RS485通訊接口。師的指導(dǎo)下進(jìn)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(pán)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(shí)間間隔將上式中的積分做離散化處理，即對(duì)電壓、電流同時(shí)進(jìn)行采樣，則 式 其中： tNT ?? 這就是用軟件計(jì)算被測(cè)平均功率即有功功率的數(shù)學(xué)模型。從上式可以看出，平均功率的計(jì)算與功率求解過(guò)程與功率 因數(shù)無(wú)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(cè)量與功率因數(shù)無(wú)關(guān)的結(jié)論，這是這類電能表的一個(gè)重要特點(diǎn)。 A／ D 轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)確度一般較高，其轉(zhuǎn)換誤差可以忽略。通過(guò)軟件來(lái)完成采樣及乘法計(jì)算的準(zhǔn)確度與 △ t 的選取有關(guān)。 △ t 越小，準(zhǔn)確度越高，但計(jì)算量將增加，且會(huì)使實(shí)時(shí)性變差。由采樣理論可知，連續(xù)信號(hào)離散后得到的時(shí)間序列不丟失原信號(hào)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(hào)周期，否則會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。為此采用軟件鎖相技術(shù)將采樣頻率自動(dòng)地鎖定在輸入信號(hào)頻率的 N 倍上，這樣可以在輸入頻率 發(fā)生變化時(shí)自動(dòng)調(diào)整采樣間隔，使時(shí)鐘的漂移變化也不會(huì)給測(cè)量帶來(lái)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(gè)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(jià)格的降低，但其功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越，在未來(lái)先進(jìn)的電能管理領(lǐng)域中一定會(huì)廣為應(yīng)用。 ? ?? T dttituTP 0 )()(11 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計(jì) 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(shí)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(yùn)放 N 和電容C 組成積分器，上下電平比較器有兩個(gè)比較電平 U U2。輸出電壓波形如 圖 所示。當(dāng)開(kāi)關(guān) S 接通﹢ U1 時(shí)，電容 C 充電，輸出電壓 U0 往負(fù)向變化（ ab 段）；當(dāng)達(dá)到比較器的下限電平 U2 時(shí)，比較器控制開(kāi)關(guān) S 接通﹣ U1， C 放電，電壓 U0往正向變化；當(dāng)達(dá)到比較器的上限電平 U1 時(shí)， S 再次接通十 U1，如此反復(fù)，達(dá)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(shí)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(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計(jì) 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(diǎn)是輸出頻率較低，選擇高穩(wěn)定性的 R、 C 元件，可使其準(zhǔn)確度長(zhǎng)期保持在 177。％的水平。 在機(jī)電式電能表中，由光電轉(zhuǎn)換器將電能信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)；而在電子式電能表中，電能信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)脈沖信號(hào)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(hào)在送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)之前，需要先送入分頻器進(jìn)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(jì)量單位的位數(shù)（如百分之一度位）；另一方面是考慮到計(jì)數(shù)器長(zhǎng)期計(jì)數(shù)的容量問(wèn)題。 所謂分頻，就是使輸出信號(hào)的頻率分為輸入信號(hào)頻率的整數(shù)分之一；所謂計(jì)數(shù)，就是對(duì)輸入的頻率信號(hào)累計(jì)脈沖個(gè)數(shù)。 在電子式電能表中，分頻器和計(jì)數(shù)器一般采用 CMOS 集成電路器件。這是因?yàn)榧呻娐菲骷ぷ骺煽啃?、抗干擾能力、功率消耗、電路保安和機(jī)械尺寸等一系列指標(biāo)均優(yōu)于分立元器件組成的電路。 圖 為分頻計(jì)數(shù)器原理框圖和脈沖波形。圖中電壓 —— 頻率轉(zhuǎn)換器送來(lái)的脈沖信號(hào) 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(mén)，A 點(diǎn)的波形如圖所示。把由石英晶體振蕩器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖信號(hào)經(jīng)分頻后作為時(shí)間基準(zhǔn)。分頻后的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖信號(hào)，如圖 B 點(diǎn)的波形也送至控制門(mén)，于是控制門(mén)打開(kāi)，將計(jì)數(shù)脈沖輸出，得到如圖 C 點(diǎn)的波形。計(jì)數(shù)器可記錄時(shí)間 T 內(nèi)通過(guò)控制門(mén)的脈沖數(shù)，每一個(gè)脈沖所代表的電量數(shù)經(jīng)計(jì)算確定后，便可經(jīng)譯碼電路由顯示器顯示出來(lái) 。 1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計(jì) 21 整形電路 石英振蕩器控制門(mén)分頻器計(jì)數(shù)器數(shù)碼管顯示f xoA CB(a)ABC(b) 圖 分頻計(jì)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(gè)部分：電量計(jì)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(yùn)行的先決條件，因此在進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)時(shí)要考慮多方面因素，如設(shè)計(jì)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(jì)圖： 電量計(jì)量電源電路和 RS485 通訊電源電路都通過(guò)將壓、整流、穩(wěn)壓和濾波四個(gè)環(huán)節(jié)，得到 5V 的直流電壓。整個(gè)電源電路是以 78L05 這個(gè)穩(wěn)壓芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)的，是一種串聯(lián)的穩(wěn)壓電路。 1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計(jì) 22 圖 電量計(jì)量電源電路 圖 RS485 通訊電源電路 1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計(jì) 23 圖 MCU 及相關(guān)部分電源電路 通過(guò)電網(wǎng)輸入 220V 的交流電源，通過(guò)變壓器 TR1 降壓，在 6 端產(chǎn)生 12V的交流電壓，通過(guò) 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(gè)帶有一定脈動(dòng)分量的直流電。然后通過(guò)并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路 LM317，同時(shí)調(diào) 整 R R2 的比值，以得到所需的電壓值 — 。 圖 電源監(jiān)測(cè)電路 在上電的時(shí)候，如果上電緩慢，單片機(jī)會(huì)出現(xiàn)復(fù)位錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致程序不能正確運(yùn)行。為了解決這個(gè)問(wèn)題，必須采用快速上電的方法，我采用 MAX809 電源監(jiān)控芯片，當(dāng)上電電源 達(dá)到電壓門(mén)檻時(shí)， T1 三極管導(dǎo)通，開(kāi)通電源通道，達(dá)到 MCU 快速上電的目的， VCC 的電壓為 =。 1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計(jì) 24 通訊部分 本次設(shè)計(jì)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(lái)和其他電能表組成 RS— 485 通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)抄表。 RS— 485 通訊接口距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、半雙工通信以及可以實(shí)現(xiàn)總線方式傳送數(shù)據(jù)，非常簡(jiǎn)單實(shí)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(shí)刻只能是一個(gè)方向。 發(fā)送器 接收器 數(shù)據(jù) 圖 傳送簡(jiǎn)圖 RS— 485 通訊電路是通過(guò) 3 個(gè)光耦器件對(duì)單片機(jī)電路和 RS485 總線電路進(jìn)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(duì)電路瞬態(tài)起保護(hù)作用。 R39 和 R40 是偏置電阻，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù)。JP2 接口是要進(jìn)行瞬變脈沖和靜電干擾的。 圖 光電隔離簡(jiǎn)圖 A B 1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計(jì) 25 MCU 及其它相關(guān)部分 MCU 是選用 89LPC931 這種單片機(jī)，這部分電路有 LCD 顯示電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器及掉電保護(hù)等組成。 實(shí)時(shí)時(shí)鐘選用的是日本 EPSON 公司于 20xx 推出的 8025 時(shí)鐘芯片，內(nèi)置高精度頻率可調(diào)整的 32768HZ 的水晶振子，無(wú)須外接晶體，使用簡(jiǎn)便、精度高。它是一個(gè) I2C 總線接口的芯片，最高時(shí)鐘頻率為 400HZ，通信速率較高，它的 I2C 地址是 60H。具有定時(shí)功能和鬧鐘功能。 MCU 通過(guò) I2C 總線讀寫(xiě) 8025 芯片的寄存器，設(shè)置芯片的工作狀態(tài)，校正當(dāng)前時(shí)間和日期， 8025 時(shí)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(shí)，工作電流為 ，在 正常工作，同時(shí)能夠檢測(cè)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(shí)鐘脈沖信號(hào)，為了保證時(shí)間和工作的連續(xù)性，應(yīng)保證電源不斷電。 8025 引腳說(shuō)明： NC空引腳； SCLI2C 數(shù)據(jù)串行傳輸同步時(shí)鐘輸入；FOUT32768HZ 時(shí)鐘頻率輸出； TEST測(cè)試用，正常使用時(shí)接到 VDD； VDD工作電源輸入； FOE控制 FOUT 的輸出：當(dāng)為高時(shí)，輸出 32768HZ 時(shí)鐘信號(hào)；當(dāng)為低時(shí)，不輸出時(shí)鐘信號(hào)； /INTA定時(shí)輸出 A 腳，輸出鬧鐘中斷（ ALARMW） 或定時(shí)到信號(hào)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(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計(jì) 26 存儲(chǔ)器選用的是支持 I2C 總線的可檫寫(xiě) E2PROM，型號(hào)是 24WC08，可以隨時(shí)讀寫(xiě)，而且在掉電后數(shù)據(jù)仍然保存不變。這種存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寫(xiě)入是通過(guò)提高電壓來(lái)完成的，其存儲(chǔ)器內(nèi)部有電壓泵起著泵高電壓的作用。這種存儲(chǔ)器非常適合電能表作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，當(dāng)電能表有電時(shí)可以隨時(shí)改寫(xiě)數(shù)據(jù)，而當(dāng)?shù)綦姾髷?shù)據(jù)保持不變。 存儲(chǔ)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(shí)具有寫(xiě)保護(hù)，執(zhí)行寫(xiě)操作時(shí)，在主器件產(chǎn)生停止信號(hào)后開(kāi)始內(nèi)部數(shù)據(jù)的擦寫(xiě)，在內(nèi)部擦寫(xiě)過(guò)程中，器件不應(yīng)答主器件的請(qǐng)求，因此在執(zhí)行存儲(chǔ)器寫(xiě)操作之后，應(yīng)延時(shí)一定的時(shí)間再對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作，改寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在幾到幾十毫秒。 掉電檢測(cè)電路是一個(gè) R4 R44 組成的分壓電路， C23 用來(lái)濾波，提高抗干擾性。通過(guò) 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(dāng)電源電壓下降到一定時(shí)， 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(huì)馬上消失，以提供電源方便管理部分進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)。 指示燈電路包括峰指示、谷指示、通訊指示，當(dāng) MCU 對(duì)應(yīng)腳輸出低電平時(shí)，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(dú)立的電路原理圖。它詳細(xì)地介紹了各部分的具體任務(wù)和功能，使大家對(duì)電能表的基本結(jié)構(gòu)和組成有個(gè)大概地了解。 1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 單相電子式電能表的軟件設(shè)計(jì) 27 4 單相電子式電能表的軟件設(shè)計(jì) 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(shí)鐘及顯示處理模塊、通訊處理模塊和 電量處理模塊。各個(gè)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(duì)程序中的數(shù)據(jù)