【正文】 living standards, the growing demand for electricity, which is the measurement and management of electricity has made new demands: the use electricity price, automatic meter reading and charges. In order to meet these requirements, digital power meter came into being. This article from the hardware and software were two aspects of digital power meter system design a more prehensive exposition. Hardware, energy metering to ASIC SM9903 and AT89C52 microprocessor as the core, on the power measurement, control of the show circuit, information transmission of electricity, electricity and other five major data memory expansion module circuit design. Software, is the main subroutine flow chart of the design process and some of the source code list, including the powerdown routines can be detected, show routines, munications routines and keys scan routines. This design for digital electric meter39。同時(shí)許多企業(yè)、 家 庭存在著欠交電費(fèi)的問題。 研究意義 隨著 電能管理向電子化、 信 息化 方向 發(fā)展 ， 供電企業(yè) 作為管理電力資源的主要單位，急需提高自己的管理能 力 。 普及 數(shù)字 電 度 表是提高現(xiàn)代化管理的最佳途徑，推廣使用勢在必行。數(shù)字電度 表具有 電能計(jì)量功能 ，能顯示剩余電能值、已用電能值，還具有超負(fù)荷斷電等功能 。 電 能的計(jì)量 結(jié)果直接 關(guān)系到 供電部門和用戶的經(jīng)濟(jì)利益 ， 因此對計(jì)量的精度提出了較高的要求。因此，開發(fā)出成本低、可靠性高、計(jì)量準(zhǔn)確、安全的智能電度表具有重要意義。 智能抄表技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)運(yùn)而生，國內(nèi)外許多國家正在大力發(fā)展開發(fā)電能智能抄表系統(tǒng)的 研制工作。以色列尤尼克 (Unique)技術(shù)公司開發(fā)了 collectric 集中抄表系統(tǒng)，利用現(xiàn)有的電網(wǎng)和電表，以電力線作為信息傳遞媒介，建立數(shù)據(jù)采集通訊系統(tǒng)，通過電力線載波技術(shù)將信息遠(yuǎn)距離傳送。德國 DTech公司 為此專門開發(fā)了 SMI專用模塊，用于電子式電能表的數(shù)據(jù)采 集，以 400 脈沖 /度或 800 脈沖 /度向外輸出數(shù)據(jù)，在國內(nèi)，雖然我國對智能抄表技術(shù)的研究起步較晚，但是發(fā)展速度很快。 數(shù)字 電度表 雖然只是普通計(jì)量器具，但由于微控制器的引入，對設(shè)計(jì)者提出了很高的要求。數(shù)字 電度表 的工作條件相當(dāng)惡劣，因此 ，對其可靠性的要求也相對較高。目前，電能的計(jì)量方法已經(jīng)十分成熟，已有用于計(jì)量電能的專用集成電路，可將電功率轉(zhuǎn)換成頻率信號供計(jì)算機(jī)處理。該測量儀表采 用了數(shù)字電子技術(shù)。既可累計(jì)顯示每小時(shí)用電量，又可累計(jì)顯示，一日，一月，一年用電量， 并有相應(yīng)的時(shí)間顯示，是目前使用的磁電式電度表的換代產(chǎn)品。單片機(jī)將新的購電量和原表內(nèi)剩余電量相加得到新的剩余電量，存于可斷電保存的芯片中，借用有功電能測量集成電路 SM9903 它能將正弦電壓和電流相乘后，轉(zhuǎn)換為頻率輸出。并通過液晶顯示器顯示剩余電量，每用一度電，單片機(jī)內(nèi)剩余電量減一度，當(dāng)單片機(jī)內(nèi)剩余電量減到不足 時(shí)，監(jiān)控中心反饋信息通過表 在液晶顯示器上顯示“請及時(shí)購電”以提醒用戶余電不多， 請 及時(shí)購電。達(dá)到先購電后用電，方便電力部門收費(fèi)管理的目的。 （ 2）實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量信息與監(jiān)控系統(tǒng) 之間數(shù)據(jù)傳輸，確保電量信息能直接，快速被監(jiān)控系統(tǒng)掌握，從而即時(shí)做出反饋信息。 （ 4）用電時(shí)，能按二級表 (誤差為 2％ )的精度計(jì)量電能，并隨時(shí)改寫剩余電能和已用電能。 （ 6）具有掉電保護(hù)功能。 （ 7）當(dāng)表內(nèi)剩余電能為 “0”時(shí)，自動(dòng)斷電，這時(shí)用戶不 能用電。 電量信息傳輸方式 電量傳輸方式的選擇與確定電量信息傳輸是數(shù)字電度表將電量信息反饋給控制中心，當(dāng)電量低于某一值時(shí)，通知用戶購電 。 方案 1： 基于 RS485通信技術(shù) RS485通信技術(shù)以 RS485接口芯片 為核心。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 5 RS485接口在不同的使用場合，對芯片的要求和使用方法也有所不同。 在 RS485 總線構(gòu)筑的半雙工通信系統(tǒng)中，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中任意 時(shí)刻只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)并向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，其他所有節(jié)點(diǎn)都必須處于接收狀態(tài)。 因此，在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中， 考慮到數(shù)字電度表的實(shí)際需要，有時(shí)需要同時(shí)收發(fā)多個(gè)數(shù)據(jù)，如果選用 RS485作為通信方式 ，那么在通信中難免會出現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)失敗或流失，這對通信準(zhǔn)確性要求的數(shù)字電度表來說，是不能接受的。 方案 2： 電力載波通信 電力載波通信技術(shù)用現(xiàn)有交流電源線作通信線路 , 省去不切實(shí)際的鋪線工程 , 具有通道可靠性高、投資少見效快、與電網(wǎng)建設(shè)同步等無法比擬的優(yōu)越性 , 現(xiàn)已成為電力系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛的通信手段。 當(dāng)它 對用戶用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控管理 時(shí) ，是通過微機(jī)與用戶電子電度表的全雙工或半雙工數(shù)據(jù)通訊實(shí)現(xiàn)的。顯得經(jīng)濟(jì)、簡便 ， 其組成框圖 如圖 。由于采用 220V 交流供電線路作為有線載波通訊的信道，因此在信道與調(diào)制解調(diào) 器 間 設(shè)置有結(jié)臺設(shè)備。另一端的結(jié)合設(shè)備和調(diào)制解調(diào)器包含在用戶電子電度表中。高頻波阻器阻止載波信號的通過，對 220V． 50Hz的 工頻交流電的通過無任何影響。 綜上所術(shù)，選擇方案 2能滿足電量信息的傳輸?shù)囊?。硬件結(jié)構(gòu)如圖 所示。 前者主要追求可靠性．后者要求高安全性 。 電能計(jì)量模塊方案設(shè)計(jì) 電能計(jì)量模塊方案選擇與確定 在實(shí)際應(yīng)用中，電能計(jì)量模塊主要存在 功率累加式 、 電壓頻率轉(zhuǎn)換式 、 機(jī)械電子式 和 模 數(shù)轉(zhuǎn)換式 四種方案。 將端口電流和電壓先送入模擬乘法器相乘，得到一個(gè)與功率 成正比的模擬電壓 (或 電流 )，再經(jīng)過 V／ F 變換 (或 I／ F 變換 )變成頻率信號 f。系統(tǒng)框圖如圖 所示。而且，現(xiàn) 在已有集成電路 (如： BL093 SM9903)將模擬乘法器、低通濾波器和 V／ F 變換器集成，其性能指標(biāo)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于分立元件。 CPU 采用 AT89C52，它內(nèi)部有 8KB 的程序存儲器，應(yīng)用于此系統(tǒng)綽綽有余。 有功電能計(jì)量的基本原理 本設(shè)計(jì)采用有功電能測量集成電路 SM9903，芯片內(nèi)部包含了四象限模擬乘法器、積分器，電壓 /頻率轉(zhuǎn)換器 VFC、計(jì)數(shù)器（分頻器）及控制邏 輯，它你將正弦電壓和電流相乘后，轉(zhuǎn)換乘頻率輸出。 SM9903 內(nèi)部電路模型如圖 所示 。 經(jīng)四象限模擬乘法器相乘后的瞬時(shí)功率為： p=ui= 2 Ucos? t ? 2 Icos(? t? ) =UI[cos? +cos(2? t? )] (23) 可見，瞬時(shí)功率有恒定分量 UIcos? 和正弦分量兩部分，正弦分量的頻率是電壓 (或電流 )頻率的兩倍。 i u 四 象 限 模 擬 乘 法 器 積分器 V/F 轉(zhuǎn)換器 p p 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 10 圖 波形圖 在圖 ， u是瞬時(shí)電壓， i是瞬時(shí)電流， p是瞬時(shí)功率。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 11 3 數(shù)字電度表的硬件設(shè)計(jì) 數(shù)字電度表硬 件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)概述 我們設(shè)計(jì)的數(shù)字電度表的硬件電路可分為電能計(jì)量電路、控制電路、存儲電路、顯示電路、掉電檢測電路和電源幾大模塊如圖。 SM9903 是將取自電阻網(wǎng)絡(luò)的交流電壓和交流電流信號進(jìn)行放大。 SM9903 其管腳定義如表 所示 ， 管腳圖如圖 32 所示 。 圖 電能計(jì)量電路 在圖 中，采用 340? ? 的錳銅片作為電流采樣電阻，用精密金屬膜作為電壓采樣電阻。 5V的工作電壓。 C6， C7 為積分電容。本電路無須機(jī)械計(jì)數(shù)器。 本設(shè)計(jì)選用 Atmel 公司的 AT89C52，其內(nèi)部有 8KB 的程序存儲器， 使硬件電路簡單，電路如圖 所示。其中，晶體振蕩器選用 12MHz 的高穩(wěn)定無源晶體振蕩器，它與AT89C52 中的反向放大器構(gòu)成振蕩器，給 CPU 提供高穩(wěn)定的時(shí)鐘信號。電源開啟時(shí)，電源對電容 C13 充電，在 CPU 的復(fù)位端產(chǎn)生一高脈沖。二極管 VDl0 的作用是當(dāng)斷電時(shí) 。電容 C31 可濾除高頻干擾，防止單片機(jī)誤復(fù)位。電能脈沖由 ICl 的 8 腳經(jīng)光電耦合器 IC2 送到 IC4 的 T0 端，用以實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)。其特點(diǎn)是顯示內(nèi)容豐富，功耗小，可靠性高。器件型號是： SMG12232B2，顯示容量為 122? 32 點(diǎn)陣。 圖 顯示電路 下面介紹一下液晶顯示器 SMG12232B2 的相關(guān)知識。 表 SMG12232B2 的主要技術(shù)參數(shù) 顯示容量 122? 32 點(diǎn)陣 工作溫度 － 10oC~+15 oC 芯片工作電壓 － 存儲溫度 － 20 oC~＋ 60 oC 芯片工作電流 5mA() 背光源類型 EL 最佳工作電壓 背光源工作電壓 點(diǎn)尺寸 ? 背光源工作電流 30mA （ 2）接口信號說明 SMG12232B2 的接口信號說明如表 所示。 在使用時(shí)，對控制器的每次讀寫操作之前，都必須進(jìn)行讀寫檢測。 電能存儲器設(shè)計(jì) 電能存儲器由串行 EEPROM 和上拉電阻組成，電路如圖 所示。串行 EEPROM選用 AT24C04， AT24C04為低電壓 (~)、長壽命 (可擦寫 10 萬次以上 )器件。 圖 電能存儲電路 掉電檢測電路設(shè)計(jì) 掉電檢測電路由比較器 (運(yùn)放 LM393)、電壓基準(zhǔn) LM336R3 R3R36 和二極管 VD7 組成，電路如圖 所示。電源電壓正常時(shí)， VV+，比較器輸出高電平； 當(dāng)電源掉電時(shí)， V跟隨電源電壓下降，而 Vz 在一定時(shí)間內(nèi)保持 。 VD R36 為施密特電路，是為了避免電壓在閾值左右波動(dòng)時(shí)引起反復(fù)的寫操作。與普通的 RS485 芯片相比，它不但能抗雷電的沖擊而且能承受高達(dá) 8 kV 的靜電放電沖擊，片內(nèi)集成 4個(gè)瞬時(shí)過壓保護(hù)管，可承受高達(dá) 400 V 的瞬態(tài)脈沖電壓。對一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場，可直接與 傳輸線相接而不需要任何外加保護(hù)元件。另外，它的輸入阻抗為 RS485 標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的 2倍（≥24 kΩ），故可以在總線上連接 64 個(gè)收發(fā)器。 圖 38 信息傳輸電路 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 2 J u n 2 0 0 8 S h e e t o f F i l e : C : \ D o c u m e n t s a n d S e t t i n g s \ w f j s z x \ 桌面 \ 新建文件夾 2 \ 大圖 . D D BD r a w n B y :R 3 95 . 1 KR 3 85 . 1 K+ 5 VS N 7 5 L B C 1 8 4VCCB AGNDR DERE D__R 4 1 5 . 1 KR 4 65 . 1 K5VU 1 T L P 5 2 1 4 BU3T L P 5 2 1 4 BU2T L P 5 2 1 4 BR 4 25 . 1 K5 V R 4 55 . 1 KR 4 3 5 . 1 KR 4 45 . 1 KP o r tP o r tV Z 50 . 1 u FV Z 40 . 1 u FV Z 60 . 1 u FV Z 70 . 1 u FR 4 010K河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 20 4 數(shù)字電度表的軟件設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)概述 如果說硬件決定了產(chǎn)品的造價(jià)，那么 在硬 件搭配合理的前提下，軟件在很大程度上就決定了產(chǎn)品的性能。如該產(chǎn)品程序通過一個(gè)月就夠了，但要變成產(chǎn)品起碼要一年半的時(shí)間。軟件設(shè)計(jì)者要盡最大能力把各種可能的情況模擬出來，把各種各樣的干