【正文】 論及儀器技術(shù)的發(fā)展情況，對(duì)目前常用的多種電參數(shù)測(cè)量技術(shù)在計(jì)量精度、成本以及可靠性等方面進(jìn)行了分析比較，隨后根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求和功能特點(diǎn)確定了總體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。摘 要 智能電表給高效率管 理電能 帶來了極大的方便，因此逐漸普及到人們的家居生活。本論文 針對(duì)用戶的需求 設(shè)計(jì) 的 一種智 能電表，可用于單 相 工頻電參數(shù) 的 精密測(cè)量，包括電流、電壓、頻率 、有功功率、 視在 功率 、有功電能，視在電能 等，且具有 顯示 功能。硬件設(shè)計(jì)部分重點(diǎn)研究了如何簡化電路、降低設(shè)備成本并能夠?qū)崿F(xiàn)多功能及高精度計(jì)量，采用高性能電 能計(jì)量芯片取代了傳統(tǒng)的采樣電路進(jìn)行電能的測(cè)量，并在設(shè)計(jì)時(shí)采用集成化元件簡化外圍電路，選用低功耗單片機(jī) 管理參數(shù) 。 同時(shí)， 總體設(shè)計(jì)時(shí)采用 了 多種抗干擾技術(shù)。 在可靠性加強(qiáng)之后會(huì)得到很好的應(yīng)用。 highperformance energy measurement chips 第 3 頁 共 40 頁 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性 聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 作者簽名： 日 期： 第 4 頁 共 40 頁 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指 導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 第 1 頁 共 40 頁 引言 電力是人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)中的主要能源，在現(xiàn)代社會(huì)中 有 著非常重要的作用。 而傳統(tǒng)的測(cè)量 電參數(shù)的方案 ， 存在硬件電路復(fù)雜、軟件運(yùn)算量大、測(cè)量精度低等缺點(diǎn) 。 節(jié)能降耗是現(xiàn)代工業(yè)進(jìn)步的主要標(biāo)志之一，提高電能有效利用率，對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)與治理， 已 成為迫切需要解決的問題。這有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)上的電能質(zhì)量問題，便于“早發(fā)現(xiàn)、早治理”，為電網(wǎng)創(chuàng)造一個(gè)良好的環(huán)境。 第 2 頁 共 40 頁 1 緒論 智能電表的發(fā)展與遠(yuǎn)程抄表技術(shù)的應(yīng)用，使得人們的生產(chǎn)生活發(fā)生了巨大的變化，滿足了不同用戶的需求。 作為商品，其交易過程就必須遵循市場規(guī)律，做到買賣公平，它的交易過程是通過電能計(jì)量裝置來實(shí)現(xiàn)的，電 能計(jì)量裝置起著秤桿子的作用，它的準(zhǔn)確與否涉及千家 萬 戶的利益，直接關(guān)系著各項(xiàng)電業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的正確計(jì)算。 在電力系統(tǒng)中，電能計(jì)量是電力生產(chǎn)、銷售以及電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，發(fā)電、輸電、配電和用電均需要對(duì)電能準(zhǔn)確計(jì)量。 在社會(huì)生產(chǎn)、人民生活中，電能是不可缺少的。在大型的工廠以及企業(yè)中，穩(wěn)定的電力供應(yīng)和電能質(zhì)量是企業(yè)生產(chǎn)的前提和保障 。 在發(fā)電廠、變電 站等供配電的主要環(huán)節(jié)必須實(shí)時(shí)監(jiān)控線路中的電力參數(shù)，正確操作、維護(hù)，保證供電區(qū)間的供電安全與正常運(yùn)行；在工廠、企業(yè)和居民小區(qū)等用電環(huán)節(jié)為保證安全用電和防止偷電導(dǎo)致電能的非法流失，電力參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)特別是對(duì)有故障電能表的檢驗(yàn)也是一個(gè)非常重要的問題。電力工業(yè)生產(chǎn)、電能計(jì)量、電力通訊以及自動(dòng)化調(diào)度的安全、可靠和準(zhǔn)確性都必須依靠安裝在電力生產(chǎn)現(xiàn)場和用電現(xiàn)場的監(jiān)測(cè)各電參量的儀表來完成和保證。而電能校驗(yàn)設(shè)備的出現(xiàn)為電力生產(chǎn)、科學(xué)理創(chuàng)造了條件。 第 3 頁 共 40 頁 第二代 是數(shù)字測(cè)量儀表，這類儀表的基本原理是將被測(cè)量模擬信號(hào)通過電子線路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，進(jìn)行計(jì)算并顯示出來。但電子線路比較復(fù)雜，不能自動(dòng)適應(yīng)測(cè)量環(huán)境的變化，而且儀器的校準(zhǔn)復(fù)雜。所謂智能儀器，一般指含有微處理器的儀器，通過微處理器來控制數(shù)據(jù)的采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這類儀表不僅精度高，功能強(qiáng)大，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境。準(zhǔn)確度高、可靠性好的元器件以及大規(guī)模集成電路等的采用，使電測(cè)儀表的使用壽命、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度等技術(shù)指標(biāo)均顯著改善。其精度取決于A/D 芯片的位數(shù)和采樣頻率、參數(shù)計(jì)算所采用的算法以及所選用單片機(jī)的處理速度，數(shù)據(jù)的精 度不是很理想，同時(shí)用軟件來計(jì)算參數(shù)會(huì)讓編程變得復(fù)雜。 （ 2） DSP+MCU 結(jié)構(gòu)，通過刀 D芯片采集的信息直接送入 DSP 芯片進(jìn)行處理，得到所需參數(shù)，由 DSP 完成數(shù)據(jù)的采集和運(yùn)算，交給后端的 MCU，由 MCU 完成控制、通信和人機(jī)交互的功能。 上述類型的電參數(shù)測(cè)量儀表的設(shè)計(jì)往往利用位數(shù)較多的刀 D轉(zhuǎn)換電路或自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路，原理上可達(dá)到很高的準(zhǔn)確度，但是由于使用元件較多，原理復(fù)雜、成本偏高、可靠性也不能令人滿意。近幾年多種單、三相電能計(jì)量專用集成電路的成功開發(fā)使過去由分立式電子元器件搭接而成的電能測(cè) 量電路改制成專門 的 集成電路芯片，結(jié)果在不減少功能的前提下，使電參數(shù)測(cè)量儀 表的體積大大減小，功耗和單位功能的成本降低、成品率提高，并可簡化儀表的電路設(shè)計(jì)，降低其模塊設(shè)計(jì)難度，從而能改進(jìn)整個(gè)電路系統(tǒng)的性能，而更重要的是使儀表可靠性和精度明顯提高。芯片中可通過串行口讀寫的寄存 器有數(shù)十個(gè)之多，可以讀入所需要的所有電量，所以電能計(jì)量專用芯片的使用簡化了單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)而言，主要工作只需要寫計(jì)量芯片的控制寄存器、讀計(jì)量芯片的數(shù)據(jù)寄存器、接收狀態(tài)信息、處理中斷以及將計(jì)量芯片處理過的數(shù)據(jù)送到上位機(jī)進(jìn)行處理存儲(chǔ)與顯示。目前的電能計(jì)量芯片的另一特點(diǎn)是把電測(cè)量理論關(guān)于電功率 (電能 )的一些基本理論融入了芯片制造技術(shù)中。 任務(wù)及要求 本次畢設(shè)任務(wù)是 設(shè)計(jì)一種用于 單、 三相工頻電參數(shù) 精密 測(cè)量系統(tǒng) ， 實(shí)現(xiàn)電流、電壓、頻率、相位、有功功率、無功功率等參數(shù)的測(cè)量、處理和遠(yuǎn)傳通信功能。 要求： （ 1） 制作 硬件并完成軟、硬件調(diào)試。 （ 4） 用計(jì)算機(jī)繪制相關(guān)硬件的原理圖、制版圖、電氣安裝接線圖各一份。根據(jù)目前電參數(shù)測(cè)量儀表的發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)有的設(shè)計(jì)條件，提出了多功能電參數(shù)測(cè)量模塊的整體方案和技術(shù)要求。 （ 2） 電參數(shù)測(cè)量模塊的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)技術(shù)需求。編寫測(cè)量模塊的底層軟件，分塊化處 理各部分功能并進(jìn)行調(diào)試。 （ 4） 模擬調(diào)試 在完成軟、硬件的聯(lián)合調(diào)試后，利用 220V 交流電壓 進(jìn)行本 樣機(jī) 的系統(tǒng)調(diào)試及校準(zhǔn)，并得到相關(guān)數(shù)據(jù) 以及系統(tǒng)運(yùn)算精度 。電氣量采集和計(jì)算的方法主要有兩種，一種是直流采樣算法，另一種是交流采樣算法?？梢宰C明，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為純工頻正弦信號(hào)時(shí)，有效值與平均值的關(guān)系為公式 (2l): Urms= (2l) 但在輸入信號(hào)中含有諧波時(shí)， Urms 和 Uaav，的關(guān)系將發(fā)生變化，兩者之間的關(guān)系也不同。有分析表明，在諧波污染較為嚴(yán)重的情況下，這種測(cè)量方法的誤差可達(dá) 10%以上。交流采樣法是按照一定規(guī)律對(duì)被測(cè)信號(hào)瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，再用一定的數(shù)值算法求得被測(cè)量。 在任務(wù)要求中，需設(shè)計(jì)一種 單、 三相工頻電參數(shù) 精密 測(cè)量系統(tǒng) ，但在實(shí)際的生活用電情況下，只能采 集到單相的交流電。 電壓電流有效值的測(cè) 量 正弦波交流電電流、電壓的大小通常用其有效值 (均方根 )來計(jì)量，按照基本定義，在連續(xù)的時(shí)間域中 電壓有效值 dttutuTVT )]([*)]([10?? (22) 電流有效值 ? ?? T dttitiTI 0 )]([)]([1 (23) 公式 (22)和 (23)中， u(t)—— 電壓瞬時(shí)值 。T—— 電流、電壓變換周期若以采樣周期 Ts 對(duì)瞬時(shí)電壓、電流一個(gè)周波采樣 N個(gè)點(diǎn)，則離散的電壓電流的計(jì)算方法為公式 (24)和 (25). 離散電壓有效值 ????10 )]([*)]([1 Nk kukuNU (24) 離散電流有效值 ???? 10)]([*)]([1 NkkukiNI (25) 第 7 頁 共 40 頁 其中， u（ k） —— 第 k 個(gè)電壓采樣瞬時(shí)值 。 頻率測(cè)量 常用的頻率測(cè)量的方法有頻譜測(cè)量法和 頻率計(jì)數(shù)法。 計(jì)數(shù)法是最常用的測(cè)量頻率的方法，分為頻率計(jì)數(shù)與周期計(jì)數(shù)兩種。頻率計(jì)數(shù)方法就是通過測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基 t內(nèi)被測(cè)信號(hào)的正向過零點(diǎn)數(shù)來求得頻率 f的，如公式 (26)： f=n/t (26) 周期計(jì)數(shù)測(cè)量方法則是通過測(cè)量被測(cè)信號(hào)兩個(gè)相鄰?fù)蜻^零點(diǎn)這段時(shí)間內(nèi)某一頻率為 fs 的參考脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)。而后者則適宜于測(cè)量較低頻率的信號(hào)，參考源頻率越高、越準(zhǔn)，測(cè)量精度越高。由于晶振頻率的精度很高，所以計(jì)數(shù)法在合理的測(cè)量時(shí)間或參考頻率情況下容易獲得滿意的測(cè)量精度，考慮到本文所要測(cè)的是交流電的工頻為 50Hz，因此選用周期計(jì)數(shù)測(cè)量法，以提高系統(tǒng)效率。 有功功率 有功功率即平均功率，由定義可得 有功功率 ?? T dttituTP 0 )(*)(1 （ 28） 式中 u(t)—— 電壓瞬時(shí)值 ， i(t)—— 電流瞬時(shí)值 ， T—— 電壓、電流的變化周期 ，若以采樣周期 T 對(duì)瞬時(shí)電壓、電流一個(gè)周波采樣 N 個(gè)點(diǎn)，則離散的有功功率 的計(jì)算方法如公式 (29): ???? 10 )(*)(1 Nk kikuNP （ 29） 視在功率 由定義可知 : 視在功率 S=UI （ 210） 式中 U—— 電壓有效值 。 無功功率 無功功率為 ppssQ ** ?? （ 211） 由于本次測(cè)量所帶的負(fù)載為 220V、 40W 的燈泡，為阻性負(fù)載。 功率因數(shù) 視在功率雖是最大功率，但電源可供 出的或電路可吸收的功率總比視在功率小，就是說要打一個(gè)折扣，這個(gè)折扣就是功率因數(shù)。它的大小、極性和負(fù)載有關(guān)。由于本次測(cè)量所帶負(fù)載為燈泡，有功功率約等于視在功率，故也不顯示功率因數(shù)。在電能計(jì)量上的差別主要有 : （ 1） ATT7026A 提供各分相、合相參數(shù)，但不具有中斷功能。依此計(jì)算出電壓有效值、電流有效值、線電壓頻率等參量，只能提供過壓、欠壓中斷。 3℃）；用戶片內(nèi)可編程線電壓跌落（ SAG）檢測(cè)以及電源設(shè)備間斷監(jiān)控的閥值；帶有 IRQ 與 SPI 兼容的串行接口；頻率可設(shè)置的脈沖輸出；在環(huán)境條件變化很大或長時(shí)間使用條件下， ADC 和 DSP 仍能保證高精度 。 中央控制芯片的選型 控制芯片主要是 ARM 和 51 單片機(jī)兩大類， 基于集成化的開發(fā)目標(biāo)，系統(tǒng)主控器總體設(shè)計(jì)首先要選擇集成度高的單片機(jī)。另一方面，本系統(tǒng)要求單片機(jī)具有較高的處理速度。 考慮到程序的長度、數(shù)據(jù)的多少以及傳輸?shù)乃俾?，在各種單片機(jī)中選擇了 STC89C52作為本系統(tǒng)的中央控制芯片。它們的主要差別有： （ 1） 數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè) 發(fā)光二極管 單元（多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)顯示）；按能顯示多少個(gè) “8” 可分為 1 位、 2 位、 4 第 9 頁 共 40 頁 位等數(shù)碼管 ，但是數(shù)碼管 對(duì)于顯示太多的字符不太方便。 （ 3） 12