【正文】 1電路板規(guī)格與焊接操作 電路板設(shè)計為普通雙面板，尺寸大小 168mmx91． 4mm。在對硬件電路調(diào)試的同時進(jìn)行功能函數(shù)的設(shè)計與測試。硬件調(diào)試基于 PCB電路板進(jìn)行，首先進(jìn)行模塊電路的分級調(diào)試，使組成系統(tǒng)的各個模塊電路正常工作；然后進(jìn)行系統(tǒng)總體調(diào)試，使其達(dá) 到預(yù)定的技術(shù)要求。 C3 C3 C3 C40為有極性的旁路電容．作用是使 780 LM7905的輸入、輸出電壓保持基本穩(wěn)定； C1 C1 C1 C18為 F的去耦電容，作用是濾除 780LM7905輸入、輸出信號中的尖峰脈沖成分。當(dāng) JP5閉合時，系統(tǒng)處于上電工作狀態(tài)，此時二極 管 LED4導(dǎo)通發(fā)光。電源模塊設(shè)計如圖 39所示。 3． 2 7電源模塊設(shè)計 系統(tǒng)電源模塊由主電源和后備電源兩部分組成。 CONl為 PCB設(shè)計時對應(yīng)的插接端子，作為 ADE7758電流、電壓信號的輸入連接部分，其第一個引腳記為 CONl— 1。 圖 38 CD4053引腳配置及外圍電路設(shè)計 二極管 LEDl指示功率分段情況， C2為 O． 1心的去耦電容， R2為限流電阻。單片機根據(jù)瞬時功率檢測結(jié)果，通過對 P1． 0端口狀態(tài)設(shè)置，進(jìn)行高低變比電流檢測信號的選通控制。當(dāng) ABC000時， ax、 bx、 cx三個信道選通；當(dāng) ABC111時， ay、 by、 cy三個信道選通。 3． 2． 6選通開關(guān) CD4053 采用 CD4053芯片實現(xiàn)電流傳感器高、低變比檢測信號的選通。鉗位于 6 8V的穩(wěn)壓管 D D D5用來保護(hù) RS485總線，避免在受到外界霄擊、浪涌等干擾時產(chǎn)生高壓損壞 RS485收發(fā)器。當(dāng) DE為高電平時，單片機向 RS485總線發(fā)送數(shù)據(jù)；DE為低電平時單片機從 RS485總線接收數(shù)據(jù)。 圈中由 DE端子控制 MAX485芯片的發(fā)送／接收使能。 3． 2． 5串行接口芯 片 MAX485 電度表配備通信 RS485接口具有成熟性和性價比高的優(yōu)勢，硬件設(shè)計時預(yù)留出 RS一 485通信接口，采用毗 ,X485接口芯片。在對 DSl302寫操作時，WP位首先應(yīng)設(shè)置為 0，寫操作允許使能。秒寄存器的 CH位控制時鐘的運行和停止．當(dāng) CH=1時，時鐘停止； cH=0時．時鐘運行。當(dāng) Vcc2Vccl時，由 Vccl向 DSl302供電； Vcc2Vccl+O． 2V時，由Vcc2向 DSl302供電，工作電壓范圍 2 5～ 5． 5V。 SPI總線時序結(jié)構(gòu)如圖 3— 6所示 。該芯片具有 SPI總線接 口【 33】【 34】 ，與單片機接口電路設(shè)計參考圖 34所示 。即使一組數(shù)據(jù)在存儲時被損壞，另一組數(shù)據(jù)則不受影響。比如考慮到這種情況．在進(jìn)行電量存儲時突然發(fā)生掉電事故，新的數(shù)據(jù)存儲尚未完成，而原有數(shù)據(jù)已經(jīng)被覆蓋，造成數(shù)據(jù)的丟失。 AT24C02存儲單元配置參考表 3— 3所示。當(dāng) ADE7758檢測到過流、過壓、斷相等事件時，向單片機發(fā)出中斷申請。單片機不斷檢測時間參數(shù)，當(dāng)存儲時間到 ，則啟動 12c總線把電量參數(shù)存儲到 AT24C02中分配的地址單元。存儲主要包括電量參數(shù)的存儲和異常事件的記錄存儲．考慮到 AT24C02芯片擦寫次數(shù)的有限性．能量的累加在單片機的洲存儲空間中完成。該芯片具有 I℃總線接口，具有掉電后數(shù)據(jù)不丟失特點。通過控制端子 Rs、 R／ W的狀態(tài)組合實現(xiàn)指令的寫入以及數(shù)據(jù)的讀、寫操作，操作說明參考表 3— 2所示。字符顯示是通過 P0口讀入該字符的 ASCII碼實現(xiàn)，舉例如下．字符‘ 1’的 ASCII為 Ox31。 顯示與按鍵相結(jié)合，用來實現(xiàn)電量參數(shù)的查詢顯示、異常事件記錄查詢顯示以及時鐘參數(shù)韌值輸入調(diào)整結(jié)果顯示。 A、 K為 HCl602背光燈的電源端子和接地端子，其中電源端子 K通過跳縫 JP2與主電源相接。 DBO枷 7為HCl602的數(shù)據(jù)線，與單片機的 P0． 0～ Po． 7端子相接。 3 2． 2顯示徽 HCl602 顯示采用 16x2字符型液晶 HC1602，與單片機的接口電路如圖 3— 5所示。掉電后 LIR2032只對單片機和 DSl302時鐘芯片供電，以減小能量消耗。主電源上電后，二極管 Dl導(dǎo)通， D2截止；主電源通過 10ko的電阻對后備電源充電。主電源與后備電源之間的電路切換通過兩個二極管 D1和 D2實現(xiàn)。功能按鍵有兩個作用，一是電量參數(shù)及事件記錄的查詢，二是時鐘參數(shù)的初值輸入調(diào)整。單片機外圍電路設(shè)計參考圖 3— 4所示。為了避免因外界干擾而導(dǎo)致應(yīng)用程序“跑飛”或出現(xiàn)死循環(huán)， MAX813L的 WDI電平在 1。 圖 33 ADE7758與單片機的接口電路設(shè)計 3． 2單片機外圍電路設(shè)計與器件選擇 3． 2． 1單片機及外圍電路設(shè)計 AT89252是一款單片封裝的微控制器，具有 8k的程序存儲和 256個字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲，可以滿足中小規(guī)模軟件編程需要。IRQ為 ADE7758中斷輸出端子，低電平有效，漏極開路，外接 lOkΩ 的上拉電阻。 R R9為限流電阻，對單片機的 I／ O口起到限流保護(hù)作用。去耦電容 CC6的作用是濾除芯片電源輸入中的尖峰脈沖成分，旁路電容 C29的作用是使 ADE7758電源電壓輸入保持基本穩(wěn)定。 ADE7758與單片機接口電路設(shè)計如圖 3— 3所示。 10kV的電壓信號在經(jīng)過電壓互感器后轉(zhuǎn)換為 100V，再由 500MΩ 和 lkΩ 的電阻網(wǎng)絡(luò)分壓后，其衰減倍率記為 fv=100 500。如圖 3— 2所示，在小變比額定電流輸入 I=30A時， ADE7758電流通道信號輸入為 O． 12V，計算公式如下： 其中 6為電流傳感器低變比系數(shù)。分流電阻 Rb計算如下： 高變比最大額定電流輸入時，分流電阻肋消耗功率助計算為： 根據(jù)上述計算參數(shù)進(jìn)行分流電阻的選擇。設(shè)計額定最大電流輸入時 ADE7758電流通道為忙 0． 20V。虛線框內(nèi)電路已完成 PCB電路設(shè)計，框外衰減網(wǎng)絡(luò)在仿真試驗時通過分壓電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等效替代。在進(jìn)行電流信號檢測時，兩組計量回路彼此獨立，通過 CD4053芯片進(jìn)行選通。 P1． 0為高電平時， CD4053的 ay端子與 a選通， A相小變比電流檢測信號選通，對應(yīng)低負(fù)荷計量模式：P1． 0為低電平時， aX端子與 a選通，高變比電流檢測信號選通，對應(yīng)正常負(fù)荷計量模式，此時 LEDl導(dǎo)通發(fā)光。電壓通道采用單端方式輸入，設(shè)計額定電壓輸入時為 0． 2V。參考圖 3— 2所示，電流通道采用差動方式輸入，信號電壓小于 0． 5V；設(shè)計最大負(fù)荷電流時為 O． 2V。脈沖輸出頻率與能量寄存器中累加的能量成正比，通過對脈沖計數(shù)實現(xiàn)電量參數(shù)的累加。在電量累加寄存器中對平均功率進(jìn)行累加得到分相電量；分相電量可以通過 SPI端口讀出，也可以轉(zhuǎn)換為計量脈沖輸出。計量芯片 ADE7758對取樣信號進(jìn)行處理，計算出瞬時有功、無功功率。 計量電路原理參考圖 3— 2所示。頻率混疊是 A／ D信號采樣處理中的特有現(xiàn)象，混疊會產(chǎn)生假頻率假信號，影響測量結(jié)果 i3引。衰減網(wǎng)絡(luò)用來實現(xiàn)負(fù)荷電流、電壓信號的衰減，由電流傳感器、電壓互感器組成；濾波網(wǎng)絡(luò)用來實現(xiàn)抗混疊濾波，由電阻、電容元器件組成。 引腳功能描述參考表 31所示。該芯片采用 SOIC封裝，有 24個引 腳， 76個寄存囂：電壓通道采用 16位Σ Δ 型 ADC，動態(tài)范圍 20： 1； 電流通道采用 24位Σ Δ 型 ADC，動態(tài)范圍 500： 1。圍繞 ADE7758外圍電路設(shè)計，闡述了電能計量原理．并進(jìn)行有關(guān)電路參數(shù)計算；圍繞 AT89S52外圍電路設(shè)計， 闡述 了各功能模塊與單片機的接口電路設(shè)計；最后介紹了電源模塊設(shè)計及其特點。 ⑤ 實現(xiàn)異常事件的中斷記錄，其中異常事件包括斷相、過流、過壓等三種情況 。 ② 通過對負(fù)荷瞬時功率的檢測，實現(xiàn)功率分段和有功電量的實時分段計量． ③ 通過對時問參數(shù)的檢測，實現(xiàn)電量參數(shù)的定時存儲和有功電量的分時段計量。 電能計量結(jié)果通過三個功能按鍵進(jìn)行查詢顯示，系統(tǒng)具體設(shè)計要求如下。 其中 R0、 E0、 E＆、 E E P、 v、 H m、 m參考符號約定部分說明。若系統(tǒng)無中斷發(fā)生 ,液 晶顯示當(dāng)前總的有功電量和無功電量，有功電量和無功電量代碼已為 E0、 R0，數(shù)據(jù)顯示格式如圖22，由 8個整數(shù)位和 1個小數(shù)位組成，顯示范圍 O99999999． 9。顯示分兩行顯示，每行 16個字符。課題研究采用 MAX485芯片進(jìn)行 RS． 485總線與單片機的接口電路設(shè)計，其中 RS． 485通信軟件設(shè)計留待后續(xù)進(jìn)行。單片機復(fù)位采用 MAX813L芯片。 DSl302為分時段計量和定時存儲提供時間參數(shù)；通過三個功能鍵實現(xiàn) DSl302芯片時鐘的初值輸入調(diào)整。單片機通過 I2C總線進(jìn)行電量參數(shù)的定時存儲，通過按鍵進(jìn)行電量參數(shù)的查詢，通過液晶 HCl602進(jìn)行電量參數(shù)的顯示，通過 RS． 485總線進(jìn)行電量參數(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送，采用 AT24C02芯片進(jìn)行電量參數(shù)的存儲。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖有以下幾個模塊組成，計量模塊、主控模塊、顯示模塊、存儲模塊、看門狗復(fù)位模塊、時鐘模塊、 RS一 485通信模塊、計量回路選通模塊、后備電源和主電源切換電路等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖參考圖 21所示。第一章闡述了電度表技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，提出本文擬解決的問題及創(chuàng)新點，說明了電度表參數(shù)配置；第二章介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，提出具體的設(shè)計要求；第三章分析了硬件電路結(jié)構(gòu)，介紹了芯片具體應(yīng)用特點，闡 述了以 ADE7758為核心的計量電路設(shè)計和以單片機 AT89S52為核心的外圍電路設(shè)計；第四章應(yīng)用 ME300B單片機開發(fā)板進(jìn)行系統(tǒng)功能模塊調(diào)試，進(jìn)行功能函數(shù)的定義與測試，介紹了顯示函數(shù)和存儲函數(shù)；第五章進(jìn)行系統(tǒng)軟件流程設(shè)計以及電量參數(shù)的算法設(shè)計，闡述了功率分段計量以及按時間分段計量的軟件設(shè)計與實現(xiàn)，進(jìn)行按鍵中斷處理設(shè)計和時鐘初值輸入調(diào)整設(shè)計；第六章進(jìn)行仿真試驗，以功率參數(shù)為性能指標(biāo)，說明電度表計量數(shù)據(jù)是真實有效的；第七章進(jìn)行論文總結(jié)工作，闡述了設(shè)計中的重點和難點及其解決。高變比計量在負(fù)荷電流 Imax=250A時， ADE7758電流通道信號輸入為 0． 2V；小變比計量在 Imax=50A時信號輸入為 0． 2V。括號內(nèi)所標(biāo) (50)A為額定最大電流 (rated maximum current)，符號 Imax，為滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的準(zhǔn)確度的最大電流值。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB／ T1528394和國際標(biāo)準(zhǔn)IEC521— 1988，電度表標(biāo)有兩個電流值，如 30(50) A。有功、無功脈沖常數(shù)設(shè)計分別為 200impulses／ kVAR和 200impulses／ kVAR；匹配電阻為電流傳感器二次端的兩個串聯(lián)分流電阻，其作用是把電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號； Vn、 Imax對應(yīng)額定電壓值和負(fù)荷最大額定電流值， IfullscaI、 Vfullscale為 ADE7758滿刻度輸入時對應(yīng)的負(fù)荷電流、電壓值。 1． 3電度表參數(shù)配王和論文組織結(jié)構(gòu) 電度表參數(shù)配置如表 11和表 12所示。對于高壓，尤其是 lO～ 35kV輸配電網(wǎng)的高糟度計量問題，至今還沒有涉及實時分段計量。上述文獻(xiàn)從不同角度闡述了提高電能計量精度的策略問題。針對電能計量精度問題，文獻(xiàn) [10]進(jìn)一步給出ADE39。在這方面，相關(guān)的參考文獻(xiàn)及研究成果為數(shù)不多。為了擴大負(fù)荷計量范圍，減小電流傳感器的檢測誤差對計量精度的影響，采用雙變比電流傳感器進(jìn)行電流信號的檢測，根據(jù)負(fù)荷的功率額度實時進(jìn)行變比切換，使電流傳感器始終工作在檢測誤差最小狀態(tài)。當(dāng)電流傳感器工作在一次 端額定電講 L值附近時，電流信號的檢測誤差最小洲。 按功率分段計量擬解決的問題。文獻(xiàn) [22][23]針對復(fù)費率計量問題，提出具體的設(shè)計實現(xiàn)方案。為了合理利用電量，調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷曲線．采用分時計費是一個有效的解決方案。 復(fù)費率分時段計量擬 解決的問題。為了實現(xiàn)正常負(fù)荷和超低負(fù)荷兩種情況下的精確計量，提出按負(fù)荷功率實時分段計量方案；為了緩解電力供需矛盾，調(diào)整電力負(fù)荷曲線，提出復(fù)費率分時段計量方案。 1． 2擬解決的問題和本文的創(chuàng)新性工作 課題研究主要解決分段計量問題，包括按時間參數(shù)分段和按負(fù)荷功率實時分段兩種方式。該電度表目前主要用于發(fā)電廠、變電站和各大用戶，并不斷擴大到普通三相表用戶中。尤其是大工業(yè)用戶，對三相多費率表的需求，會較快增長。 目前，我國感應(yīng)式電度表仍占據(jù)相當(dāng)?shù)氖袌?。?250C條件下，有功能量計量在 1000： l動態(tài)范圍內(nèi)誤差小于O． 1％。以ADE7758計量芯片【 1 8】為例說明。上述三種芯片都集成了 DSP數(shù)字信號處理技術(shù)，支持硬件和軟件兩種校表方式，計量精度高，且外圍電路設(shè)計簡單。當(dāng)前，各大型器件公司紛紛推出自己的計量芯片，并不斷的進(jìn)行產(chǎn)品更新?lián)Q代。當(dāng)設(shè)計一個新的產(chǎn)品時，開發(fā)人員只需要 將精力集中于產(chǎn)品的新模塊、新功能的開發(fā)，以及模塊的集成上，進(jìn)而有效縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品設(shè)計的可靠性。隨著電力市場改造力度加大，對電度表的技術(shù)更新速度也提出了更高的要求。文獻(xiàn) [15]進(jìn)行了 RS485電路的 匹配和保護(hù)性研究，文獻(xiàn) [16]實現(xiàn)了 PC機與 RS一 485總線多機串行通信的軟硬件設(shè)計。目前的通信方式在一個或幾個方面或多或少存在一些問題，無法全面滿足用戶的要求。 具有通信接口尤其是 RS一 485接口成為趨勢。增強電度表的諧波計量能力，是提高電能計量準(zhǔn)確度的有效手段。隨著竊電方式的更加多樣化和隱蔽化，對電度表防竊電的要求也越來越高，電子式電度