【正文】 電流的直流分量 h次電流諧波有效值 h次電流諧波相位角E 信號幅度的取值范圍N 量化級數(shù)計(jì)參數(shù) 方差 數(shù)字頻率 抽樣頻率Rb 負(fù)載電阻前　言電能表是我國電工儀表行業(yè)中產(chǎn)量最大的產(chǎn)品之一。隨著高新技術(shù)尤其是電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，電子式、多功能、高精度、多費(fèi)率、自動(dòng)抄表等產(chǎn)品的優(yōu)勢突顯，且已經(jīng)逐步成為電能表發(fā)展的主流，在未來幾年里，這種趨勢將更加明顯。電力用戶是我國電工儀器儀表最大的用戶群體，需求量占整個(gè)市場需求量的90％，對該類產(chǎn)品的銷售起著決定性作用。特別是近幾年，一些企業(yè)還通過在國外建廠等形式消化國內(nèi)的市場，出口創(chuàng)匯不斷攀升。當(dāng)電力負(fù)荷大量增加時(shí)，會(huì)形成電網(wǎng)的負(fù)荷高峰，而當(dāng)電力負(fù)荷減少時(shí)，又會(huì)形成電力負(fù)荷低谷。針對這樣的情況和需求，本文提出了解決方法。這就要求采用復(fù)費(fèi)率電表[3]。因此可靠性高、功能強(qiáng)大、計(jì)量準(zhǔn)確且性價(jià)比高的智能電表的研制是我國電力系統(tǒng)發(fā)展的客觀要求。 綜合價(jià)錢因素和使用方便及準(zhǔn)確程度本設(shè)計(jì)采用STC89C52RC這塊單片機(jī)，這塊單片機(jī)完全滿足精度要求和需要的計(jì)數(shù)器數(shù)量。 采用LCD1602(162)完成顯示功能，對時(shí)間的顯示和所用電能的顯示都能夠準(zhǔn)確的完成。 由于本次設(shè)計(jì)采用的按鍵比較少所以按鍵采用獨(dú)立式鍵盤接法，單片機(jī)完全能夠滿足。第1章 電度表的分類及本設(shè)計(jì)方案選定167。167。而且作用在電壓線圈兩端的電壓越高，通過電流線圈的電流越大(即單位時(shí)間的用電量P越多)，則驅(qū)動(dòng)鋁盤轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩M轉(zhuǎn)越大。P (11) 鋁盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，切割永久磁鐵的磁通而在其內(nèi)感應(yīng)渦流，此渦流與永久磁鐵的磁場相互作用產(chǎn)生制動(dòng)力矩。 M制=K2P=K N=nPt=K 脈沖電能表脈沖電能表是一類輸出電能脈沖的儀表。若均勻地對感應(yīng)式電能表的圓周進(jìn)行分度和作上標(biāo)記(打孔，銑槽或印上黑色分度線條等)，用穿透式或反射式光電頭發(fā)射光束，采集鋁盤旋轉(zhuǎn)的標(biāo)記，然后再經(jīng)光電變換線路變換，普通感應(yīng)式儀表即可輸出與電能成正比的脈沖。 數(shù)字電能表全數(shù)字電能表采用專門的電能計(jì)量芯片，利用單片機(jī)的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)對用電量的自動(dòng)計(jì)量和分時(shí)段計(jì)算，并通過外圍電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，電量顯示，自動(dòng)抄表等功能。數(shù)字電能表具有強(qiáng)大計(jì)量功能。作為電能表，最為重要的就是電能計(jì)量功能，數(shù)字電能表具有輸入，輸出有功計(jì)量，輸入，輸出無功計(jì)量，視在電能計(jì)量等功能。數(shù)字電能表還要求記錄多月電量，也就是歷史電量。輸入無功指電流滯后于電壓時(shí)，線路所具有的無功，而輸出無功指電流超前與電壓時(shí)所具有的無功。按照費(fèi)率特征分別累計(jì)電量，得到電能的分時(shí)計(jì)量。進(jìn)而使發(fā)電機(jī)及供電網(wǎng)發(fā)揮最大的功效。3. 最大需量計(jì)量由于生產(chǎn)的特點(diǎn)，用戶負(fù)載(功率P)是隨著時(shí)間變化的，將一天分為若干段，每一段時(shí)間為T，在每一個(gè)T內(nèi)的平均功率，稱為用戶需量，T稱為需量周期。數(shù)字電能表采用滑差式方法測量最大需量。若小于最大值則放棄；若大于最大值，則將其記錄下來。失壓檢測：當(dāng)電能表檢測到某相電壓小于給定電壓下限時(shí)，表明發(fā)生故障，電能表將給出失壓報(bào)警，并記錄發(fā)生時(shí)間，發(fā)生累計(jì)次數(shù)，發(fā)生累計(jì)時(shí)間。5. 監(jiān)測功能數(shù)字電能表可以測量各相瞬時(shí)電壓，電流，有功功率，無功功率，功率因數(shù)，視在功率等，高擋表還可以分析諧波含量和相角，這些功能可以用于用電監(jiān)測與判斷用電管理系統(tǒng)以及為綜合分析系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。這些事件有：電能表上電，清零，設(shè)置參數(shù)，最大需量清零，失壓，過流，功率超限，自檢出錯(cuò)等。電能表中各個(gè)部分都有可能會(huì)損壞，在損壞后，電能表會(huì)及時(shí)發(fā)出信號(顯示報(bào)警或聲光報(bào)警)以提示用戶盡快處理。8. 負(fù)荷曲線記錄為了滿足用電監(jiān)測，關(guān)口表競價(jià)上網(wǎng)等功能，電能表需要帶時(shí)標(biāo)(記錄時(shí)刻)記錄多種電量，一般記錄間隔可以設(shè)定為一分鐘或幾十分鐘，記錄的電量數(shù)據(jù)有：有功電能，無功電能，電壓，電流，有功功率，無功功率等。通過手持裝置或其他方式從電表內(nèi)將這些數(shù)據(jù)讀出，可以畫出不同記錄電量的時(shí)間曲線。167。 方案一的AD芯片ADC0809為單通道，由于本設(shè)計(jì)要對電流和電壓進(jìn)行采樣，單通道無法對電流和電壓進(jìn)行同時(shí)采樣的計(jì)算，這樣就不能保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。 方案一的乘法器電路采用時(shí)分割乘法器，這種乘法電路的精度不高，電路焊接很影響精度，方案二的是在單片機(jī)內(nèi)部做乘法電路，所以精度高。第2章 電能計(jì)量和信號處理理論167。 電能計(jì)量的基本原理電能在物理上可以看成是從電源流向負(fù)載的能量流，用戶在單位時(shí)間內(nèi)消耗電能的快慢程度用功率來表述。對于在一段時(shí)間內(nèi)大小和方向都不發(fā)生改變的直流電壓、電流來講，平均功率值與其瞬時(shí)功率值是相等的。要計(jì)算用電設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)消耗的總的有功功率應(yīng)該在這段積分時(shí)間內(nèi)，對瞬時(shí)功率進(jìn)行累加。i(t)，也是隨著時(shí)間變化的函數(shù)，它在某個(gè)周期內(nèi)的平均值應(yīng)等于該函數(shù)對時(shí)間積分后，再除以時(shí)間間隔，所以平均功率應(yīng)為：P平均=E/△T = = (21)對于電壓電流均為正弦信號的交流電，式(21)等價(jià)為：P平均=E/T = U是電壓信號超前于電流信號的相位差值，cos稱為功率因數(shù)，它表征了電網(wǎng)中實(shí)際消耗電能的平均功率(有功功率)與U，I的乘積(視在功率)的比值。此外，電網(wǎng)負(fù)載尤其是開關(guān)電源還會(huì)引入各種各樣的噪聲，引起電壓的諧波和波形畸變。i(t)本身是一個(gè)含有直流分量和高頻分量的信號，而任何頻率不為0的頻率分量從長期來看對于時(shí)間積分都沒有貢獻(xiàn)，因此電能計(jì)量數(shù)學(xué)上就相當(dāng)于計(jì)算瞬時(shí)功率P的直流分量在時(shí)間上的積分。 正弦波形下的電壓電流不同功率因數(shù)下的功率的測量電壓信號與電流信號的乘積即為瞬時(shí)功率信號，其對時(shí)間的積分得到在一段時(shí)間內(nèi)消耗的電能。i(t)=V sin wt＝VI／2 當(dāng)電壓和電流信號相位不同時(shí)，設(shè)電流信號滯后于電壓信號60176。i(t)=V從以上推導(dǎo)可知，當(dāng)功率因數(shù)為1即電壓電流同相位時(shí)，瞬時(shí)信號中的有功功率分量(直流分量)為(V時(shí)，瞬時(shí)信號中的有功功率分量(直流分量)為：(VI／2)167。167。A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換方式很多，有逐次比較型A／D轉(zhuǎn)換器，雙積分型A／D轉(zhuǎn)換器，Σ一△型AID轉(zhuǎn)換器等。Σ一△型A／D轉(zhuǎn)換器是以很低的采樣分辨率和很高的采樣速率將模擬信號數(shù)字化，通過使用過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波等方法增加有效分辨率，然后對ADC輸出的結(jié)果進(jìn)行采樣抽取處理，以降低有效采樣速率。 167。如果對ADC輸入一個(gè)恒定的直流信號，那么多次采樣的結(jié)果總是相同的，而且分辨率受量化誤差的限制。如果模擬輸入信號本身就是交流信號則不必疊加交流信號，采用過采樣的方法同樣也能得到較高的采樣分辨率。 過采樣的頻域分析由于直流信號轉(zhuǎn)換具有177。一個(gè)理想的常規(guī)的N位ADC的采樣量化噪聲是有效值的q／，均勻分布在奈奎斯特頻帶直流(K 如果用KFs)／2，量化噪聲增至直流到(KFs)／2以上的噪聲，因此可以降低對抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)。Fs)／2之間的無用信號而又不影響有用信號，從而提高信噪比，實(shí)現(xiàn)使用低分辨率ADC達(dá)到高分辨率的效果。Fs)／2之間，只有一小部分留在直流到Fs／2內(nèi)，這正是Σ一△調(diào)制器所起的作用。167。傳統(tǒng)原理的A／D轉(zhuǎn)換器的量化是等時(shí)間間隔t對連續(xù)波形采樣，進(jìn)行幅值量化。而當(dāng)采樣頻率很高時(shí)，即采樣頻率被測連續(xù)波形的無窮倍時(shí)，則采樣的時(shí)間間隔t很小，可以認(rèn)為每個(gè)時(shí)間間隔的階梯波幅值差=xl(t+t)一xl(t)是相等的，即前一采樣點(diǎn)幅值加上△就等于后一采樣點(diǎn)幅值。一個(gè)連續(xù)波形就可以用一采樣點(diǎn)的幅值加減△的階梯來近似表達(dá)。若把△作為量化單位，由于△增量值是不變的，所以可以實(shí)現(xiàn)l bit量化。此時(shí)xl(t)就可以用△編碼序列來表示，即是增量調(diào)制。167。量化誤差最大值范圍是177。它具有與信號的相加性，可以按數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析量化誤差。圖21 量化誤差分析模型e(n)可用兩個(gè)最重要的統(tǒng)計(jì)參數(shù)me和方差來表征。因?yàn)椋?me=0 (27)=／12=／() (28)式中E為信號幅度的取值范圍(即A／D的參考電壓)；N為量化級數(shù)。167。Fs只的采樣速率將輸入信號轉(zhuǎn)換成由l和0構(gòu)成的串行位流，l bit的DAC由這串位流驅(qū)動(dòng)，DAC的輸出以反饋的形式和輸入求和。由于積分器可以在頻域內(nèi)用一個(gè)幅度響應(yīng)與1／F成正比的濾波器表示，又由于帶時(shí)鐘的鎖存比較器具有類似于斬波器的作用，它將輸入信號轉(zhuǎn)換為高頻交流信號，在輸入信號平均值附近變化，因而低頻下的量化噪聲大大減少(積分器對量化噪聲相當(dāng)于一個(gè)高通濾波器)。圖22所示頻域線形化模型對Σ一△調(diào)制器做進(jìn)一步分析。量化模擬放大器輸出與量化噪聲疊加。輸出信號Y可以表示為輸入信號X在求和點(diǎn)處和輸出信號相減，即(x—y)，并與模擬濾波器(積分器)的傳遞函數(shù)及放大增益g相乘，然后再與量化噪聲Q相加。當(dāng)頻率增加時(shí)，X項(xiàng)的值減小而噪聲分量增加。實(shí)際上模擬濾波器對輸入信號具有低通濾波作用，對噪聲分量具有高通濾波作用，因此可以將調(diào)制器的模擬濾波器的作用看成是一種噪聲整形濾波器。因此高階的Σ一調(diào)制器得到廣泛應(yīng)用，原理圖如圖23所示：圖23 二階Σ一調(diào)制器原理框圖167。因?yàn)閿?shù)字濾波器降低了帶寬，所以輸出數(shù)據(jù)速率要低于原始采樣速率，直到滿足奈奎斯特定理。這種采樣抽取的辦法不會(huì)對數(shù)據(jù)產(chǎn)生任何損失，它實(shí)際上是去除過采樣過程中產(chǎn)生多余信號的一種方法。有限脈沖響應(yīng)濾波器容易設(shè)計(jì)，能與采樣抽取過程合并計(jì)算，具有線性相位特性等優(yōu)點(diǎn)，但是它需要計(jì)算大量的系數(shù)，無限脈沖響應(yīng)濾波器具有非線性特性，不能與采用抽取過程合并，而且需要考慮穩(wěn)定性和溢出等問題，所以應(yīng)用起來比較復(fù)雜，交流采樣場合比較多采用有限脈沖響應(yīng)濾波器。它是指完成頻率選擇或頻率分辨任務(wù)的線性時(shí)不變系統(tǒng)的通用名稱。其功能是將一組輸入的數(shù)字序列通過一定的運(yùn)算后轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪唤M輸出的數(shù)字序列。與模擬濾波器類似，數(shù)字濾波器按照頻率特性劃分也有低通，高通，帶通，帶阻，全通等類型。數(shù)字濾波器一般可以用兩種方法實(shí)現(xiàn)：一種是設(shè)計(jì)專用的數(shù)字硬件，專用的數(shù)字信號處理器或采用通用的數(shù)字信號處理器來實(shí)現(xiàn)；另一種是直接用計(jì)算機(jī)，將所需要的運(yùn)算編成程序，即用軟件的方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。k處的響應(yīng)值，因此可以直接控制濾波器的響應(yīng)。35第3章 硬件設(shè)計(jì)167。被測量的高電壓u、大電流i經(jīng)電壓變換器和電流變換器轉(zhuǎn)換后送至乘法器M，乘法器M完成電壓和電流瞬時(shí)值相乘，輸出一個(gè)與一段時(shí)間內(nèi)的平均功率成正比的直流電壓U，然后再利用電壓／頻率轉(zhuǎn)換器，U被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖頻率f，將該頻率分頻，并通過一段時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，顯示出相應(yīng)的電能。 數(shù)字電度表總體設(shè)計(jì)方案框圖 數(shù)字電能表的總體設(shè)計(jì)方案如圖32所示。模塊與模塊之間又通過MCU[7]統(tǒng)一地聯(lián)系在一起，共同地形成了功能強(qiáng)大的智能電表系統(tǒng)。單片機(jī)通過燒制在其中的各種程序[8]，控制著其它硬件模塊的工作狀態(tài)。主要完成將模擬電能信息轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以讀取并且操作的數(shù)字電能信息。將主網(wǎng)中的大電壓，大電流轉(zhuǎn)化為小電壓，小電流，以便提供給計(jì)量芯片進(jìn)行信號處理。在掉電情況下，為了保證時(shí)鐘的連續(xù)性和準(zhǔn)確性，還有專用的電池供電。6. 按鍵模塊采用獨(dú)立是鍵盤模塊。7. 顯示模塊目前常見的電子式電能表顯示器件有三種：液晶（LCD）、發(fā)光二極管（LED）、熒光管（FIP）。L電流采樣電壓采樣雙通道AD單片機(jī)顯示鍵盤時(shí)鐘電源N 圖32 硬件系統(tǒng)框圖167。其特點(diǎn)有：1. 增強(qiáng)型6時(shí)鐘/機(jī)器周期，12時(shí)鐘/機(jī)器周期8051CPU；2. 工作電壓：（5V單片機(jī)）/（3V單片機(jī)）；3. 工作頻率范圍：040MHz，相當(dāng)于普通8051[10]的0～80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz；4. 用戶應(yīng)用程序空間4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字節(jié)；5. 片上集成1280字節(jié)/512字節(jié)RAM；6. 通用I/O口（32/36個(gè)），復(fù)位后為： P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口），P0口是開漏輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為I/O口用時(shí)，需加上拉電阻；7. ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器/仿真器，可通過串口（）直接下載用戶程序，8K程序3秒即可完成一片；8. EEPROM 功能；9. 看門狗；10. 內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路（D版本才有），外部晶體20M以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路；11. 共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，其中定時(shí)器0還可以當(dāng)成2個(gè)8位定時(shí)器使用；12. 外部中斷4路，下降沿中斷或低電平出發(fā)中斷，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒；13. 通用異步串行口（UART），還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)UART；14. 工作溫度范圍：075℃/40 +85℃；15. 封裝：LQFP44，PDIP40，PLCC44，PQFP44。芯片如圖33所示。XTAL1(18腳)：當(dāng)采用芯片內(nèi)部時(shí)鐘信號時(shí)，接外部晶振的一個(gè)引腳；當(dāng)采用外部時(shí)鐘信號時(shí)，外部信號由此腳輸入。ALE/PROG(30腳)：ALE即允許地址鎖存信號輸出，當(dāng)單片機(jī)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)該腳的輸出信號用于鎖存P0的低8位地址，其輸出的頻率為時(shí)鐘振蕩頻率的1/6。(29腳)：訪問外部程序存儲(chǔ)器選通信號，