畢業(yè)論文：單相費(fèi)控智能電表設(shè)計(jì)研究

畢業(yè)論文：單相費(fèi)控智能電表設(shè)計(jì)研究

摘 要
電能表是我國電工儀表行業(yè)中產(chǎn)量最大的產(chǎn)品，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，智能電表具有數(shù)據(jù)的保護(hù)，報(bào)警功能，斷電顯示，負(fù)荷的控制，防竊電系統(tǒng)等功能，從計(jì)量到數(shù)據(jù)處理都采用以集成電路為核心的電子器件，從而取消了電表上長期使用的機(jī)械部件，隨著智能化電表的發(fā)展，將最終取代傳統(tǒng)在用戶中的使用。
然而，據(jù)調(diào)查，在我國現(xiàn)有的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)中，很少采用這種重新設(shè)計(jì)的方案，大多緣于節(jié)約費(fèi)用，而采用在老式計(jì)量表的基礎(chǔ)上加以改造的方法。隨著電子技術(shù)、傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)分支，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能化儀器儀表、家用電器，甚至電子玩具等各個(gè)領(lǐng)域�？紤]到本題設(shè)計(jì)目的不僅為了實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)還要作為教學(xué)模型，系統(tǒng)采用8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)的交流采樣，通過算法運(yùn)算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等電力參數(shù)有較好的精確度和穩(wěn)定性。通過LED顯示器顯示電壓、電流、電度的實(shí)時(shí)值，當(dāng)過壓30%、過流30%、欠壓30%時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，并能通過串行口結(jié)合有關(guān)通信協(xié)議，實(shí)時(shí)與管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程戶外抄表。


關(guān)鍵詞：單相費(fèi)控智能電表； 遠(yuǎn)程抄表； 單片機(jī)；交流采樣

ABSTRACT

The electrical energy meter is in our country electrician measuring appliance profession the output biggest product, along with the high technology and new technology electronic information technologys fast development, the electronic formula, multi-purpose, the high accuracy, the multi-taruffs, copies product and so on table superiority to underline automatically particularly, and already gradually became the electrical energy table development the mainstream. The intelligent electric instrument has the data protection, the warning function,the power failure demonstration, the load control,against steals the electric work energy, long-distance copies functions and so on table system, use take the integrated circuit from the measurement to the data processing as the core electronic device, thus has cancelled on the electric instrument the
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計(jì)。在抄表方式上，使用遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)手工抄表方法存在的速度慢、可靠性差、自動(dòng)化程度低等問題。經(jīng)過幾年的實(shí)際應(yīng)用，收到了較好的效果，已成為我國用電管理的主流。

1.3 電表的工作原理：
（1）“機(jī)械電度表基本原理”
傳統(tǒng)電度表值感應(yīng)式的機(jī)械電度表（簡稱感應(yīng)式表或機(jī)械表），它利用的是電磁感應(yīng)原理，主要由電壓線圈、電流線圈、鋁盤、永久磁鐵、計(jì)度器等器件構(gòu)成。其工作原理為：根據(jù)電磁感應(yīng)原理，電表通電時(shí)，在電流線圈和電壓線圈產(chǎn)生電磁場，在鋁盤上形成轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，通過傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)計(jì)度器計(jì)數(shù)，電流電壓越大，轉(zhuǎn)矩越大，計(jì)數(shù)越快，用電越多，鋁盤的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩與負(fù)載的用功功率成正比。電表常數(shù)，指計(jì)量每單位電能值時(shí)對(duì)應(yīng)鋁盤轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，單位是轉(zhuǎn)/千瓦.小時(shí)。
（2）“電子電度表基本原理”
電子式電度表是利用電子電路/芯片來測量電能：用分壓電阻或電壓互感器將電壓信號(hào)變成可用于電子測量的小信號(hào)，用分流器或或電流互感器將電流信號(hào)變成可用于電子測量的小信號(hào)，利用專門的電能測量芯片將變換好的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行模擬或數(shù)字乘法，并對(duì)電能表進(jìn)行累計(jì)，然后輸出頻率與電能成正比的脈沖信號(hào)；脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)帶動(dòng)機(jī)械計(jì)度器顯示，或送微分計(jì)算機(jī)處理后進(jìn)行數(shù)碼顯示。
1.4 智能電表的發(fā)展趨勢
智能化電表，大體上可分為兩種類型：帶有微處理器的機(jī)電式和全電子式。機(jī)電式借用原感應(yīng)式電度表的機(jī)芯，通過光電傳感器讀取轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)來測量用戶的用電量，如磁卡式電表、電卡式電表、IC卡電表等：而全電子式電度表則采用電壓電流隔離方式，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將采樣值相乘并累計(jì)計(jì)算用戶的用電量，機(jī)電式智能電表成本較低，主要用于單相電度表，適合于居民用戶使用。全電子式電表主要用于三相電計(jì)費(fèi)，針對(duì)企業(yè)應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，應(yīng)選擇配有通信接口的智能電表，通常有R5-485、RS-232、CAN總線收發(fā)器或紅外等幾種接口形式。
通信方式遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的核心是利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，通過雙絞線、電話線、電力線、無線電或紅外線等通信方式，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)各個(gè)用戶的用電量，并傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)抄表自動(dòng)化。電話線方式、電力線載波方式自動(dòng)抄表系統(tǒng)，ASK（幅頻鍵控）電力載波方式，SC（擴(kuò)展頻譜電力載波）方式的集成電路方案，無線通信方式，基于Lookworks技術(shù)的抄表方式等。
1.5 研究方法
要研究智能電表，首先必須搞清楚這個(gè)產(chǎn)品的工作原理，當(dāng)把電能表接入被測電路時(shí)，電流線圈和電壓線圈中就有交變電流流過，這兩個(gè)交變電流分別在它們的鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通；交變磁通穿過鋁盤，在鋁盤中感應(yīng)出渦流；渦流又在磁場中受到力的作用，從而使鋁盤得到轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)到。鋁盤轉(zhuǎn)到時(shí)，帶動(dòng)計(jì)數(shù)器，把所消耗的電能指示出來。這就是電能表工作的簡單過程。在設(shè)計(jì)中我們應(yīng)該對(duì)它的功能有一個(gè)初步的定位，智能電表，顧名思義是應(yīng)該再實(shí)現(xiàn)電表的基礎(chǔ)功能外更加體現(xiàn)它的智能化，它應(yīng)該具有數(shù)據(jù)的保護(hù)，報(bào)警功能，斷電的顯示，負(fù)荷的顯示，負(fù)荷的控制，防竊電功能，遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)等功能，在后面的設(shè)計(jì)中會(huì)詳細(xì)的介紹每個(gè)功能實(shí)現(xiàn)的方法與步驟。電度表作為電費(fèi)收取的計(jì)量依據(jù)，涉及到一個(gè)抄表問題，智能電表應(yīng)該再這一方面顯示出它的優(yōu)越性，在設(shè)計(jì)中，也應(yīng)該花大氣力解決這個(gè)問題，在遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)中，有總線和載波抄表等幾種方式，在設(shè)計(jì)中，更多的用到的是載波方式的抄表，現(xiàn)在國內(nèi)外廠家使用的電力線載波技術(shù)主要有：窄帶載波技術(shù)及擴(kuò)頻技術(shù)。。窄帶技術(shù)成本低，易于實(shí)現(xiàn)，單缺點(diǎn)也比較明顯，即抗干擾能力較差。擴(kuò)頻技術(shù)具有突出的抗干擾能力和b_m性。
1.6 研究措施、步驟
這次所設(shè)計(jì)的智能電表屬機(jī)電式智能電表，它由硬件電路、相應(yīng)軟件及發(fā)行系統(tǒng)三部分構(gòu)成。因此應(yīng)該分別對(duì)智能電表的各個(gè)模塊分開研究。在硬件電路方面包括接口卡，手持單元及電表費(fèi)率系統(tǒng)三部分，通過插在微機(jī)擴(kuò)展槽的接口卡，可用手持單元實(shí)現(xiàn)與普通微機(jī)的連續(xù)。電力公司通過普通微機(jī)串口輸入用戶購電信息到手持單元部分，用戶再將購電信息用手持單元發(fā)送到電表費(fèi)率系統(tǒng)，由費(fèi)率系統(tǒng)根據(jù)用戶購電信息來監(jiān)視用戶用電情況，完成計(jì)費(fèi)，并在適當(dāng)時(shí)候提醒用戶購電。手持單元主要完成以下功能：
（1）通過串口接收由微機(jī)程序輸出的用戶購電信息，并將該用戶購電信息存儲(chǔ)并加密。
（2）準(zhǔn)確無誤地將用戶購電信息用紅外方式發(fā)送到費(fèi)率系統(tǒng)。
（3）在發(fā)送完用戶的購電信息后，系統(tǒng)將自動(dòng)清除購電信息。
電表費(fèi)率系統(tǒng)需要完成的功能主要如下：接收手持單元發(fā)送的用戶購電信息；將新收到的用戶購電信息與費(fèi)率系統(tǒng)的自有用戶用電信息進(jìn)行合并計(jì)算以得到新的信息；動(dòng)態(tài)計(jì)算以得出剩余電量，并在剩余電量到達(dá)警戒值時(shí)點(diǎn)亮LED管，以提醒用戶購電，并在超額用量到一定值時(shí)切斷電源。

軟件系統(tǒng)包括微機(jī)串口通信，內(nèi)部工作和數(shù)據(jù)的傳送。微機(jī)串口通信部分主要完成將用戶購電信息通過串口異步通訊適配器UART輸出到手持單元部分的單片機(jī)中，手持單元數(shù)據(jù)發(fā)射程序主要完成將加密后的用戶購電信息發(fā)送到電表費(fèi)率系統(tǒng)。并在確定用戶購電信息已無雙地被電表費(fèi)率接收后自動(dòng)清零。


1.7論文組織

本次內(nèi)容主要是針對(duì)智能電表記錄模塊的硬件和軟件兩方面，以五個(gè)章節(jié)來描述，其中：第二章中，主要討論了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案選擇；第三章介紹了本次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)-電度計(jì)量原理，并比較了交流采樣和直流采樣的優(yōu)缺點(diǎn)；在第四章中，詳細(xì)描述了記錄模塊的硬件組成，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)硬件電路圖，使用Protel畫出其PCB；第五章主要討論記量模塊的軟件設(shè)計(jì)。



第二章 方案選擇
1.數(shù)據(jù)采集方案
在自動(dòng)控制的過程中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一是數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)中，根據(jù)采集信號(hào)的不同，可分直流采樣和交流采樣兩種。
直流采樣，顧名思義，采樣對(duì)象為直流信號(hào)。它是把交流電壓、電流信號(hào)經(jīng)過各種變送器轉(zhuǎn)化為0~5v的直流電壓，再由各種裝置和儀表采集。此方法軟件設(shè)計(jì)簡單，對(duì)采樣值只需作一次比例變換即可得到被測量的數(shù)值。但直流采樣仍有很大的局限性：
（1）無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)的采集；
（2）變送器的精度和穩(wěn)定性對(duì)測量精度有很大影響；
（3）設(shè)備復(fù)雜，維護(hù)難等。
交流采樣是將二次測得的電壓、電流經(jīng)高精度的CT、PT變成計(jì)算機(jī)可測量的交流小信號(hào)，然后再送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。由于這種方法能夠?qū)Ρ粶y量的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，因而實(shí)時(shí)性好，相位失真小。它用軟件代替硬件的功能又使硬件的投資大大減小。隨著微機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，交流采樣必將以其優(yōu)異的性能價(jià)格比，逐步取代傳統(tǒng)的直流采樣方法。在交流采樣當(dāng)中同樣有好幾種采樣方式:
（1）可以采用中斷的方式進(jìn)行同步采樣頻率，用多路開關(guān)進(jìn)行電壓和電流的切換，采用一片采樣保持器和一片AD/轉(zhuǎn)換器就可完成數(shù)據(jù)的采集，如圖2.1所示，但此種方法采集數(shù)據(jù)的誤差較大，且CUP的時(shí)間難以分配。

圖2.1 采樣電路方案一
圖2.1采樣電路方案一(2)采用定時(shí)器中斷的方式來精確的確定采樣時(shí)刻，用兩片采樣保持器和兩片A/D轉(zhuǎn)換器將電壓和電流的數(shù)據(jù)采集通道分開，進(jìn)行同時(shí)采樣，這樣就徹底消除了因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)的換的時(shí)間而無法得到同一時(shí)刻的瞬時(shí)值而造成的誤差。但這種方案與前種方案相比存在硬件開銷較大的缺點(diǎn)。如圖2.2所示。

圖2.2 采樣電路方案二

2.系統(tǒng)信號(hào)濾波方面同樣有兩種方案可供選擇。
其一、可采用硬件濾波器。此種方案雖簡單、實(shí)用，但存在的致命缺陷就是時(shí)間滯后，且其截止頻率難以達(dá)到要求。另外硬件投入大，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，可靠性下降。其二、可采用數(shù)字濾波的方式。這種方法濾波效果好，投入小，實(shí)現(xiàn)更加便捷。尤其對(duì)于這種對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)應(yīng)采用數(shù)字濾波的方案更加合理。
3.在鍵盤處理中同樣也有凡種方案可供選擇:
(1)可采用定時(shí)掃描的方式。(2)可采用隨機(jī)掃描的方式。(3)可采用中斷響應(yīng)的方式。以上方法對(duì)本系統(tǒng)來說最合適的應(yīng)屬中斷的方式，因?yàn)閷?duì)本系統(tǒng)來說采用中斷可以節(jié)約出大量的CPU時(shí)間來做一些比掃描鍵盤更加緊迫的事情。而只有當(dāng)需要響應(yīng)鍵盤時(shí)才‘來掃描鍵盤。
4.在存儲(chǔ)器擴(kuò)展方面，可以分別擴(kuò)展ARM和RMO但這樣電路復(fù)雜且硬件資源浪費(fèi)較大，且在本系統(tǒng)中又要考慮防掉電數(shù)據(jù)丟失問題，因此采取擴(kuò)展一片掉電非易失性外部存儲(chǔ)器兼做ARM和ROM這樣就可以簡化電路，提高了硬件的利用率。




























第三章 電度計(jì)量原理

本系統(tǒng)采用8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)的交流采樣。通過LED顯示電壓、電流的實(shí)時(shí)值、電度的累計(jì)值。當(dāng)過壓30%、欠壓30%時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，并能通過串行口與計(jì)算機(jī)通訊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電源監(jiān)控。實(shí)踐證明，采用交流采樣方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過算法運(yùn)算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等電力參數(shù)有著較好的精確度和穩(wěn)定性。

若將電壓有效值公式

離散化，以一個(gè)周期內(nèi)有限個(gè)采樣電壓數(shù)字量來代替一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)變
化的電壓函數(shù)值，則

式中:△Tm為相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔;um為第m一1個(gè)時(shí)間間隔的電壓
采樣瞬時(shí)值;N為1個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)。
若相鄰兩采樣的時(shí)間間隔相等，即△Tm為常數(shù) T，考慮到N=(T/ T)+l，
則有

式()l就是根據(jù)一個(gè)周期各采樣瞬時(shí)值及每周期采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算電壓信號(hào)
有效值的公式。
同理，電流有效值計(jì)算公式如下:



計(jì)算有功功率的公式是：

離散化后：

W=PT
式中:mi、um為同一時(shí)刻的電流、電壓采樣值第四章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)












第四章記量模塊的硬件設(shè)計(jì)
4.1單片機(jī)的選型
由于MCS一51系列單片機(jī)總線技術(shù)開放，開發(fā)，仿真設(shè)備多，價(jià)格低廉，同時(shí)該系列單片機(jī)進(jìn)入市場的時(shí)間早，匯編語言指令書寫形式與工NTEL公司8位通用微處理器，如8085接近，很容易被接觸過工NTEL通用微處理器匯編語言的用戶所接受，因此，在單片機(jī)應(yīng)用中占有一定的地位，也是單片機(jī)教學(xué)的首選機(jī)種之一。
而8051CUP是整個(gè)MCS一51系列單片機(jī)芯片的基礎(chǔ)和核心。它由一個(gè)8位通用中央處理器、程序存儲(chǔ)器、隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、常用外圍電路等部分組成，其中8位通用CUP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由算術(shù)邏輯單元AUL、累加器A、程序狀態(tài)字寄存器PwS、堆棧指針PS、寄存器B、程序計(jì)數(shù)器(指令指針)CP、指令寄存器等部件組成，是8051的核心。在它的內(nèi)部集成了4KB的掩模RMO，作為程序存儲(chǔ)器;此外還有128字節(jié)的隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器，作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。它有16條地址線，最大可尋址6K4的地址空間。8條數(shù)據(jù)線，P0口是地址和數(shù)據(jù)的公用線。在它內(nèi)部包含了:一個(gè)串行通信接口;兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器;可以管理5個(gè)中斷源、具有兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷控制器;由于它具有以上優(yōu)點(diǎn)，在本系統(tǒng)中亦采用該機(jī)型。
4.2接口電路的設(shè)計(jì)
4.2.1信號(hào)檢測與傳感電路的設(shè)計(jì)
（1）電壓檢測電路的設(shè)計(jì)
電壓檢測是采用電阻分壓的方法取得的。具體做法見下圖:

圖4.1電壓檢測電路
通過兩只MIQ的大電阻對(duì)交流電路進(jìn)行分壓，二極管的正負(fù)鉗位電壓使得送入跟隨器的電壓在一v5一+5v之間，經(jīng)過跟隨器的隔離之后再通過比例運(yùn)算放大器的等比例放大，之后送入采樣保持器。這樣就得到了被測信號(hào)。
(2)電流檢測電路的設(shè)計(jì)
電流檢測和電壓檢測不同，電流檢測采用了電流互感器，先將電網(wǎng)強(qiáng)電信號(hào)進(jìn)行隔離再通過電壓跟隨器及反向比例放大器后送入采樣保持，從而完成了信號(hào)的檢測。
4.2.ZA/D轉(zhuǎn)換通道的設(shè)計(jì)
(1)A/D轉(zhuǎn)換器主要有以下技術(shù)指標(biāo):
分辨率
A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率習(xí)慣上以輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)或BDC碼位數(shù)表
示。與一般測量儀表的分辨率表達(dá)方式不同，不采用可分辨的輸入模擬電壓相對(duì)值表示，例如:ADC08Og的分辨率為8位，即該轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)可 ……（未完，全文共35894字，當(dāng)前僅顯示6456字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：單相費(fèi)控智能電表設(shè)計(jì)研究》）