《电力计量仪器毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力计量仪器毕业设计.docx（27页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。
1、毕业设计（论文）题目：单相电子式电能表的设计系别：电气工程系专业：电子电气专业班级：学生姓名：指导老师：完毕时间:毕业设计（论文）任务书班级学生姓名指导老师设计（论文）题目单相电子式电能表的设计要究容重研内重要研究单相电子式电能表0工作原理及设计措施，通过对电能芯片及其他元器件日勺合理选择，对电子式电能表进行硬件和软件B设计，设计出一款经济型的电子式单相电能表。重要技术指标或研究目的1 .输入电网额定电压：220V2 .输入额定电流；20A3 .精度：1级4 .检测电网侧电压频率，并实时显示，精度（MHZ5 .测量并实时显示电功率基本规定D根据设计规定进行方案设计。2） 电能芯片、单片机及其他
2、元器件的选择和功能简介。3） 单片机应用系统电路和对应检测电路、显示电路MJ设计。4） 绘制电路原理图。5） 编写程序框图。摘要老式0模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数，在读数过程中不可防止0会引入人为日勺测量误差。为了处理这一问题，电能表作为一种新型的计量产品由此应运而生。本设计简介了美国AD企业推出的电子式电能表专用芯片ADE7753的特点、控制方式、与输入信号微控制器的接口及其在电测仪表中的应用。本文采用电能芯片ADE7753和单片机AT89S52以及外围电路共同构成硬件系统,硬件设计突出重点0就是计量功能和抗干扰功能两部分。测量部分输入电压、电流通过电压分压网络和电流互感器，再通
3、过滤波，转化成符合ADE7753芯片规定的输入信号，再通过芯片内部对电压和电流进行A/D转换、数字运算和能量累加，从而得到有功电能、无功电能、电压、电流有效值和频率值的原始寄存器值。本系统选用高性价比的微控制器89S52,完毕多种参数的计算、通信命令处理和控制功能，将电能值送入数码管显示出来。软件部分采用片内WDT控制,通过软件,定期清WDT监视定期器日勺值，当出现“死循环”或程序“跑飞”现象时，WDT监视定期器内时值计满溢出，从而强迫程序复位，从头开始。关键词：电子式电能ADE7753单片机AT89S52目录1.引言错误!未定义书签。1.1数字仪表的发展趋势错误!未定义书签。1.2重要技术指
4、标错误!未定义书签。2.硬件系统设计错误!未定义书签。2.1工作原理错误!未定义书签。2.2各部分电路设计错误!未定义书签。电压采样错误!未定义书签。电流采样错误!未定义书签。2.2.3功率的计算错误!未定义书签。电源设计错误!未定义书签。显示电路的设计错误!未定义书签。2.3芯片功能简介错误!未定义书签。数字电能芯片ADE7753B特点错误!未定义书签。2.3.27753模块内部的原理构造图错误!未定义书签。单片机AT89S52错误!未定义书签。2. 4抗干扰有关设计错误!未定义书签。3. 软件系统设计错误!未定义书签。3.1 主程序流程图错误!未定义书签。3.2主程序错误!未定义书签。3.
5、3软件抗干扰技术错误!未定义书签。参照文献：错误!未定义书签。总结错误!未定义书签。致谢错误!未定义书签。1 .引言目前，我国电度表生产企业有几百家之多，生产能力约为1.9亿台，年产电表近8000万台。但伴随城镇电网改造高潮的过去，全国一户一表工程的基本实现,电度表市场形势发生了主线变化，市场销量比前两年已经有下降，销售高峰期已转入销售平稳期，市场竞争更为剧烈。.近年来全国用电缺口的急剧扩大，国家发展和改革委员会决定全面推行峰谷分时电价和避峰电价，鼓励顾客合理移峰用电。这一政策的出台，带动了各地供电部门对复费率、多功能电表的需求迅速上升。伴随国内用电量的持续增长，众多的地区出现了不一样程度的用
6、电紧张，国家电力局也适时推出了分时记费B电价原则。1.1 数字仪表的发展趋势老式的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数，在读数过程中不可防止时会引入人为的测量误差。为了处理这一问题，电能表作为一种新型的计量产品由此应运而生。其型号比较多样，从一般的单相电能表到复费率，预付费，三相485到电能表功能复杂0终极0多功能电能表，功能从单纯B计量到与时间复合与费率结合到无功计算计量，其所具有的功能也是与日增长。然而多功能电表的电路往往比一般电能表的电路更为复杂，元器件也比较多，调试生产程序较多，质量保证更为困难。因此，电表的技术方案选型至关重要。采用计量芯片ADE7753的电子式电能表，具有构造合
7、理，性能可靠，高精度、低功耗、抗谐波、防窃电、体积小、重量轻等长处。单相电子式电能表引入了时间的参照，己经不也许由我们单纯的通过某些详细0硬件电路实现其分时计量B功能，为此要在本来简朴日勺电子式计量模块B基础上进行拓展，拓展时钟电路，拓展显示模块，拓展CPU以及某些与详细的规定相对应的通讯模块：485通讯，红外通讯，载波通讯以及无线GPRS通讯模块，构成各个时基电路，控制电路与通讯电路，引入时基电路B目日勺很明确，为每一次电量合计提供时基参照，以确定电价系数，而引入CPU则是建立一座时间与电量的桥梁，并提供智能化日勺操作与控制，CPU是单相电子式电能表的一种关键枢纽，电能表的各个量变参数汇聚到
8、CPU进行进行多种复合的运算，最终得到某些和电量有关的加权参数，以供电力部门调查取用，其间牵涉到的数据量的大小取决于顾客对电能表功能的规定，我们可以拓展存储功能时模块进行优化存储算法，作为电力计量类的产品，电子式电能表规定其在十年内出现故障0概率为万分之三，为此在对电能表进行功能设计的同步，还必须着重考虑电能表B数据安全性与稳定性，而要到达这两个方面，则必须在硬件设计和软件优化两个方面都要进行详细细致的考虑，并需要比较长时间的现场测试与调整。电力部门对时钟精度的规定误差原则在5PPM的范围之内，也就是一天的合计日误差在0.5秒之内，时钟一般在晶振B基础上进行运行，一般的B晶振误差在20PPM,
9、达不到我们0所需规定，因此必须选用高精度的晶振作为时钟0基准源，除此之外，由于温度日勺变化会影响到晶振频率0变化，从而引起时钟精度的变化，因此，我们还要加入温度芯片进行实时校正赔偿，依此来到达精度所规定的范围。电能表自身除去计量存储的功能外，还在不一样的程度上具有某些通讯功能：红外通讯、串行通讯等。在电能表应用设计中串行通讯供485抄读，直接供应PC机，而红外通讯则是借助红外掌上机为媒介，将众多数据通过红外掌上机传送至PC机，利于配电分步集中管理。更深入，在电能表中引入载波模块，即可实现对电能表0远程抄表与远程控制，这里的载波是电力载波，是在电力线的电能传播过程中加载在我们的控制信号或者数据信
10、号，通过调制和解调的措施滤取信息，这种载波形式应用于电能表领域的，考虑起数据传播的安全性，因此滤取信号或者加载信号总在交流的跨零点的时刻加载信号，这样防止了交流干扰信号对于载波信号的叠加，只是传送的速率会相对的慢某些，但载波通讯可以随时对电能表进行远程的抄控，其实时性也就弥补了速率方面0局限性；此外，伴随科技B发展，某些更先进的功能模块也会逐渐引入电能表进行通讯，如GPRS。总之，作为一种计量产品，单相电子式电能表从功能构造单一到功能强大、构造复杂，也是国家电力部门推行电力现代化的一种必然的趋势；其表型繁多，从单相到三相、从静止到复费率、预付费到多功能电能表、再外扩诸多的功能块、配合集抄系统，
11、最终要到达电力集中抄表的自动化。电能表的设计与研究开发，也应当一直站在科技0前沿，掌握信息，任重道远。1.2 重要技术指标1 .输入电网额定电压：220V2 .输入额定电流：203 .精度：1级4 .检测电网侧电压频率，并实时显示，精度0.1HZ5 .测量并实时显示电功率2.硬件系统设计电能表硬件设计突出重点的就是计量功能和抗干扰功能两部分，电能表一般分为二级表、一级表和0.5级表，是对其测量误差精度的规定，计量部分的设计是电能表aJ设计中比较关键的部分。本文采用电能芯片ADE7753和单片机AT89S52以及外围电路共同构成硬件系统。其原理框图如图一所示：pi.an) p.n ex电压4-一
12、p.? RST RXD)P3jO TXD)P3,I UlNT(14 2 “INTIM 3 034 TI)F35 PWR)W “ROlPBI XTAL2 XTALI GNDVCC FO.O(ADO FO. KADH F0.AD2 F0.XAD3 F0.4 FO.5 P0.MAD6 FO.7 .(8AA ALBTKOG PSEN P2.1VAI6 P2.AI4 P2XAI3) P2.4(AI2 P2.XAII P2.A101 P2 A9 P2.NA8S52 89 A图一2.1 工作原理电压、电流通过电压分压网络和电流互感器,再通过滤波,转化成符合ADE7753芯片规定的输入信号，再通过芯片内部对电
13、压和电流进行A/D转换、数字运算和能量累加，从而得到有功电能、无功电能、电压、电流有效值和频率值的原始寄存器值。采用外部中断读取这些数值，ZX与INTl相连，当过零时进行中断，这些值通过SPl接口传送到微控制器中，微控制器再进行计算，最终通过LED显示出来。此外，微控制器也可以把测量日勺值通过串口把数据传到微机中，便于人们保留分析，这一点可以使人机对话功能大大增强。本系统选用高性价比0微控制器89S52,完毕多种参数日勺计算、通信命令处理和控制功能，89S52内部集成了8KB的ROM,程序存储能满足系统的需求，因而不需要外部扩展ROM。芯片X25045作为看门狗设置，加强系统的抗干扰性能,2片
14、74LS145芯片驱动16路发光二极管(LED)o2.2各部分电路设计设计提成模块：输入部分、数据采集模块、数据处理模块、显示模块。应用芯片:ADE7753,89S52,74HC245,74LSl45。数据采集模块采用芯片ADE7753,数据处理模块以89S52单片机为关键对采集信号进行精确控制和严格计算。电压采样电压采样的措施是一般我们通过电阻电容相结合来分压得到小电压，即一般我们所说的阻容降压，在生产工艺当中所谓的校表既是通过调整电阻电容的综合给值来校正电表的计量误差，当然在一部分电能表中也可以通过变压器来获取小电压，用变压器的J目的也不仅局限于取小电压，还要依托CPU以及其他芯片提供基准
15、直流电源。电阻0给值一般是成倍数递增B,电阻对误差0影响从1/2,1/4,1/8.逐渐递减，最终可以到达满足规定的误差，由于误差的调整是成线形的关系，因此这种调整的措施会比较简朴。如图二所示:图二电流采样电流的采样是通过并联电流分流的原理将电流进行采样取值，电能表中的电流采样器件是锦铜分流器，其电阻阻值很小，因此其能分担比较大的电流，仅有小部分通过度流引入采样，不过由于众多镒铜分流器0分流参数具有一定0离散性，因此最终到达功率测量B稳定性，必须通过P=Ul这一公式来进行对应的调整。如图三所示：通过电压与电流的采样我们得到的功率值就是到达我们规定的在误差精度范围的功率值，电压电流的模拟信号通过采
16、样后来通过A/D转换，进入乘法器进行对应B乘法运算，最终到达一定的功率数字值，这种数字值再与某些详细的频率相结合，最终以脉冲的形式输出电量脉冲，这种输出的电量脉冲频率与功率大小成正比例关系：功率越大，输出的脉冲频率越高，一定量的脉冲累加就形成电能的数字化信息，通过这种数模转换的方式到达由原始电压电流到电能计量的转换。功率日勺计算相对于有功，无功功率B计算，通过电工学的基本常识我们懂得：无功功率P=Uicose,由这个算式可以看出，我们所需要测量的一种重要日勺原因就是功率的相位角，实现功率因数的测量的措施，可以通过高频的脉冲来计量电压与电流之间的起始的时间的脉冲差，再通过对应的数值运算换算出功率
17、因数相位角，如图四所示:电压电流的相差脉冲（M）/电压电流的一周期B脉冲（N）*2冗二相位角O,它是多功能电能表进行无功计算必须具有的一种重要的参量。一般电能表通过计量模块转化成脉冲后，接其脉冲输入端至计度器，计度器按照一定的比例步进，产生电量数据，这是最简朴的电子式电能表，其功能单一,硬件设计构造也比较的简朴。电源设计单相表一般只具有一种基本的计量单元，一种发光二极管和脉冲输出口等，整机耗电一般不超过50mW,采用低成本的串联阻容降压电路即可满足整个电度表的供电需求，有日勺计量IC只需要单一+5V电源供电，如ADE7753等，如图五所示：图五显示电路的设计本电路采用六个数码块实现对功率的显示
18、，对于频率的显示只需要三块，通过译码器74LS145来驱动数码管。电路如图六所示：01234567 8901234 5 67ED(mEDLDmEDkD田 CJC图六2. 3芯片功能简介数字电能芯片ADE7753的特点： 高精度，支持IEC61036和IEC61268 片内数字积分器，具有di/dt微分电流传感器接口 提供有功、无功、视在功率能量值，采样波形以及电压和电流有效值 在100O：1B动态范围内误差不大于0.1% 可选正有功能量有效合计 顾客片内可设置的线电压浪涌阀值和线电压跌落检测 电源管理 能量、相位和输入偏移可数字校准 片内集成B温度传感器（经典值3） 与SPl兼容的串行接口 脉
19、冲输出的频率可设置 拥有中断引脚（IRQ）和状态寄存器 在环境条件变化很大和长时间使用条件下，专利技术的模数转换器（ADCs）和数字信号处理器（DSP）,保证数据的高精度 具有外部过驱动能力B基准电压源2.4V8%（温度系数经典值20ppmoC）单5V电源,低功耗（经典值25mW）,20脚SSOP封装2.3.27753模块内部的原理构造图7753模块内部的原理构造图如图七所示:图七2.3.3单片机AT89S52重要性能:1 .与MCS-51单片机产品兼容2 .8K字节在系统可编程Flash存储器3 .100O次擦写周期4 .全静态操作：OHZ33HZ5 .三级加密程序存储器6 .32个可编程I
20、/O口线7 .三个16位定期器/计数器8 .八个中断源9 .全双工UART串行通道10 .低功耗空闲和掉电模式11 .掉电后中断可唤醒12 .看门狗定期器13 .双数据指针14 .掉电标识符功能特性描述AT89S52是一种低功耗、高性能CM0S8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel企业高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上FlaSh容许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有机灵的8位CPU和在系统可编程FlaSh,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效B处理方案。AT89S52具有如下原则
21、功能：8k字节FIaSh,256字节RA32位I/O口线，看门狗定期器，2个数据指针，三个16位定期器/计数器，一种6向量2级中断构造，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。此外，AT89S52可降至OHZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，容许RAM、定期器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保留，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一种中断或硬件复位为止。2.4抗干扰有关设计CPU是电能表的关键控制部分，从计量到通讯，从计算到存储，都规定其具有很高日勺数据安全性与稳定性。应当说电能表日勺功能设计并不困难，困难0是在于某些基于安全稳定方
22、面考虑的硬件和软件设计，电能表除了精度的几项硬指标规定外，还尤其规定其在电磁兼容方面的硬性指标，高压绝缘，雷击浪涌等一系列的性能测试试验。一般，电磁兼容试验就是为对电能表端子接入4000V的迅速脉冲群，模拟干扰的信号，在这种干扰信号下，电表要保证显示装备正常显示，CPU正常工作，电能计量正常精确B进行；高压试验是把6000V高压加到接线端子，看与否会把线路板击穿。要做到这些，在硬件设计中必须通过一系列的滤波电路和抗干扰电路日勺设计来实现，并且要在系统布线中考虑诸多0原因：走线不能形成环路，也不能形成势垒电容，对于一般我们所说的接地，也必须到达等位接地，否则会出现电路上的理论对等电位点实际上有一
23、定的电势，这会在局部影响电表精度以及CPU以及周围的器件的稳定性；在软件方面也要进行一系列的软件滤波处理，保证所得B信号真实有效；高压绝缘试验是测试电能表内部的绝缘性，线之间一定要保持一定日勺间距，并且必须要有一定B线宽。雷击浪涌试验是测试电能表在突发日勺高压等干扰CPU、存储芯片、时钟不被损坏，为此，我们在某些重要电路上加一定的光藕实行光电隔离，从而才可以到达抗损坏的目的，这些指标都是硬性指标。此外，CPU周围外挂电路日勺设计，也是一种很重要B部分，要到达这一种规定，必须在硬件设计和软件设计方面进行更细致的设计，一般CPU芯片引脚不容许悬空，诸多无用的引脚要按照其管脚的定义的特性进行对应的上
24、拉或者接地，这是防止CPU受干扰以及增强稳定性的一种重要的措施，此外，复位电路也是重点设计的一种方面，这方面的复位电路之因此要细致的设计，是为了防止其不正常的复位，否则在某些不确定的原因的J干扰下，复位电路会接受到叠加在复位端0错误信号产生复位，导致数据信息日勺紊乱，由于在程序的初始化部分里，牵涉到一部分和上电掉电有关日勺程序操作，倘若复位，程序就会执行这一段程序，从而产生错误的信息，而单片机死机危害更大，CPU无法正常运行，许多的数据无法得到及时有效的保留，电能表也就瘫痪了，为防止死机与复位，要在时间上均匀分布的处理每一种每一次有关的数据信息，防止在同一时刻处理诸多的数据量,并且要给出明确的
25、先决条件；为了防止程序跑飞，可以在非程序存储区加跳转和在程序当中加入一定0空指令，这些都可以减低程序跑飞日勺也许性；数据安全性方面，为保证数据日勺安全存储，需要采用一种冗余的算法，既把同一数据存储在三个不一样的空间，读取调用的时候，先取前两个，若相似则认为数据存储对的,否则取出第三个进行比较，取其中两个相似的认定其为有效的数据，若三个数据均不相似，则认为数据损坏，再执行其他的某些对应的处理程序，这样有效的提高了数据的安全性；此外，在中断的处理上也应当合理B进行优先级别的选择，并作好堆栈0程序处理。3软件系统设计3.1主程序流程图图八主程序流程图3.2主程序ORGOOOOIILJMPINIT_S
26、YSORG0003HLJMPSOFT_TRAP；INTODISABLELJMPSOFT_TRAPORGOOOBHLJMPSOFT_TRAP；TO_INTDISABLENOPIJMPSOFTTRAPORG0013HLJMPINT1_INT；INTlENABLENOP；FORADE7753READNOPLJMPSOFTJrRAPORGOOlBHLJMPSOFT_TRAP；T1_INTDISABLENOPLJMPSoFTjrRAPORG0023HLJMPSoFTjRAP；UART_INTDISABLENOPLJMPSOFTjrRAPORG002BHLJMPT2_INT；T2_INTENABLENOP
27、ORG0030HIJMPINIT_SYSMAIN_LOOP:NOPNOPCLRSEEP；CLEARWATCHDOGCALLKEYCALLDATA_CALCALLPREDISPCALLINT1_INTASJMPMAIN_LOOPNOPSJMPMAINLOOPRETEND3.3软件抗干扰技术为防止死机复位程序采用了如下方式防止干扰：积极初始化在各段程序中，对单片机及片外扩展器件B多种功能、端口或者方式、状态等采用H勺永久性日勺或者临时日勺设置初始化。不仅要保证上电或复位后软件可以对时的实现多种级别的初始化，并且在程序中每次使用某种功能前，都要再一次对对应的控制寄存器设定动作模式。实践证明，这一措施
28、可以大大提高系统对于人侵干扰的自恢复性能。反复执行程序指令在执行0过程中或者保持之后，均有也许被噪声修改，而导致控制失效乃至引起事故，为此应当尽量增长重要指令日勺执行次数以纠正干扰导致的错误。对于频率较低的传感器数据，应在有效时间内多次采集并比较如此，虽然干扰信号改写了指令内容，也能在受控设备的反应时间内自动恢复正常。片内WDT控制“看门狗”（WDT）已经成为工控微机必不可少的组员之一，他可以防止程序“跑飞”或者出现“死循环”。通过软件，定期清WDT监视定期器0值，当出现“死循环”或程序“跑飞”现象时，WDT监视定期器内B值计满溢出，从而强迫程序复位，从头开始。参照文献：1.单片机与嵌入式系统
29、应用，20232 .新型集成器件实用电路，电子工业出版社20233 .电能计量技术基础，中国计量出版社20234 .MotorolaDSP16位单片机原理，北京航空航天出版社20235 .MCS-51单片机原理及应用教程，清华大学出版社2023总结本次毕业设计，使我对此前所学日勺知识有了新的认识。通过毕业设计，使我的设计思绪更宽了，应用软件能力提高了，这对我后来的学习工作有很大的协助。由于知识和时间的原因，毕业设计中难免会存在着大量的局限性之处，这就需要自己再学习更多的知识在老师的协助下来改善设计。在毕业设计中，我充足体会到自己知识B匮乏，这就意味着还需要付出更多B时间来学习专业知识，充实自己的头脑，令自己在后来日勺学习和工作中应用起来得心应手。
