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1、精选优质文档-倾情为你奉上 摘要随着我国经济的飞速发展，电能消耗日益增加，电能成为现代社会国民经济和人民生活的重要保障。单相电子式电能表以其计量程度高、成本低等优势 在我国开始逐步推广使用。文章概述单相电子式电能表的发展与需求，介绍单相电子式电能表的原理与优点，提出单相电子式电能表的设计方案。该系统主要由显示模块、键盘模块、时钟模块、存储模块、通讯模块、CPU 模块、CS5460电能表计量芯片模块和前端电路调理模块八部分组成。前端电路调理模块采用2mA/2mA 的电流互感器和 5A/2.5mA 电流互感器和精密电阻实现对市电的转换，并采用 RC 滤波网络滤波，然后采用由美国CRYSTAL公司的
2、新型电能计量芯片 CS5460 芯片实现对电流、电压和电能的测量与转换；时钟模块采用 DS1302 时钟芯片为系统提供时钟基准，存储模块采用 AT24C16，为系统提供数据存储；显示模块用 OCMJ4X8CM 液晶，通信模块采用 Max232 芯片，并利用 AT89S52 组成的CPU模块控制所有芯片的工作、测量、计算电能，送往显示模块和存储模块进行实时显示和存储，并通过标准 RS-232 接口送往 PC上位机进行同步显示，并且本电能表还设有GPIB 地址，以便于电能管理系统对电能的管理。 关键词 CS5460；AT89S52；MAX232通讯；OCMJ4X8CM -I- Abstract A
3、long with the rapid development of Chinas economy, power consumption, increasing power becomes the modern society of national economy and peoples life important guarantee. Because the degree of the single-phase watt-hour meter measure is high, low cost advantage in China began to gradually spread th
4、e use of it. Developed so far, the measurement circuit technology already from the analog circuit improve on time-multiplier for digital multiplier another one circuit, the market share has amounted to more than 60%. In the international market, Chinas production of single-phase watt-hour meter with
5、 strong competitiveness and wide prospect of market. This article summarizes the development of single-phase watt-hour meter and demand; this paper introduces the principle of single-phase watt-hour meter and advantages, and puts forward the design scheme of single-phase watt-hour meter. This system
6、 is mainly revealed the module, keyboard module, clock module, store module, communicate module, CPU module, CS5460 electric energy meter chip module and front circuit look after the part of the module to make up. The front circuit recuperates the module and adopts electric current mutual inductor a
7、nd 5A/2.5mA electric current mutual inductor and accurate resistance of 2mA/2mA to realize the conversion of the city electricity, and adopt RC to strain the wave network and strain the wave, then adopt measure chip, CS5460 of chip, realize to electric current, voltage, measurement and conversion of
8、 electric energy by new electric energy of Company, CRYSTAL of U.S.A.; The clock module adopts DLS1302 clock chip to offer the clock basis for system, stores the module and adopts AT24C16, offer the data for system to store; Reveal the module uses OCMJ4X8CM liquid crystal, the communication module a
9、dopts Max232 chip, and utilize CPU module that AT89S52 makes up to control the work of all chips; Measure, calculate electric energy, send to is shown the module and stores the module and pays revealing and storing in real time, send PC to location plane go on reveal and this electric energy meter h
10、ave GPIB address also synchronously through standard RS-232 interface, so that the control over electric energy of administrative system of electric energy. Keywords CS5460; AT89S52; 232communication; OCMJ4X8CM - II -目录摘要.I Abstract.II 第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 研究目的与意义 .21.3 电子式电能表的发展及技术优势 .31.4 论文研
11、究内容 .4第 2 章 总体方案设计 .5 2.1 单相电子式电能表的工作原理 . 52.2 设计功能要求 .52.3 系统的整体设计方案 .52.3.1 电能计量部分 . 62.3.2 前端调理电路部分 . 102.3.3 主控芯片 . 112.3.4 显示部分. 112.3.5 通信模块 .132.3.6 时钟模块 . 132.3.7 存储部分 . 152.4 本章小结 .16 第 3 章 系统硬件设计与实现 .18 3.1 直流稳压电源的设计 .183.2 前端电路调理模块的设计 .183.2.1 电压调理部分 . 183.2.2 电流调理部分 .183.3 电能测量模块的设计 .193
12、.4 通讯模块的设计 .203.5 液晶显示的设计 .203.6 键盘的设计 . .213.7 本章小结 .21 第 4 章 系统软件流程图的设计 .23 4.1 主流程图 .234.2 系统初始化 .234.3 系统初始化 .234.3.1 系统参数自校正模块 .244.3.2 电量测量功能模块 .254.3.3 电能鉴定功能模块 .254.4 系统初始化 .25 4.5 本章小结 .26第 5 章 系统的硬件调试及误差改进措施 .27 5.1 硬件调试 .275.2 功能测试 .275.3 误差的定性分析及改进措施 .295.3.1 空间电磁场的抗干扰设计 .295.3.2 模拟通道与数字
13、通道之间抗干扰设计 .295.3.3 电源和接地系统的抗干扰设计 .315.3.4 印刷电路板抗干扰设计 .32 5.4 本 章 小 结 .32 结论 .33 致谢 .34 参考文献 .35 附录 B .41 第1章 绪论1.1 课题背景 电能是社会生产和人民生活必需的重要能源,随着国家的发展和人民生活水平的不断提高我国对电力的需求急剧上升,电力供应出现了相对不足,一些地区和一些企业能耗非常高 ,一些省份和地区出现电力短缺问题 ,这不但阻碍国民经济的发展 ,也妨碍了人民的生活 ,所以电能的节约与电能的有效利用具有非常重要的意义。电能表是当前电量计量和经济结算的工具 ,随着计算机技术、检测技术、
14、电气与电子技术的不断发展 ,开发功能更多、准确度更高的电能计量装置不容迟缓。电力工业发展初期曾用电解化学原理电能表计量收费，1890年，发明了感应式电磁原理电能表沿用至今已有100多年。随着电费制度的发展，提出分时计量、需量计量预付费等要求，特别是19世纪70年代以来各国酝酿发展电力市场又提出实时电价、负荷曲线计量、双工通讯、远方采集数据、记录负荷曲 线和电能质量、控制负荷以及费率编程等要求，原来的感应式电能表虽经多方面改进扩充，已很难满足电力市场日益发展的功能和要求 。20世纪中叶，开始随着微电子和信息产业的发展，新技术有力的支持电能表的革新，先是有高 精度电子式标准电能表的出现满足了校验技
15、术要求，继而 70 年代已开始商业化应用电子式电能表于大工业用户电能计量。国外家用计费用电子式电能表出现于 1983 年，到 1988 年已实用化。如英 国在 Felixtowel 的一个电能表厂 19851988 年间已累计生产单相电子式电能 表 183 万只，供英国的 15 个配电公司，占有市场份额 40，且年返修率仅 0.1。 世纪之交，电力市场改革浪潮遍及全球，各国电力公司都认识到市场竞争的核心是表计。特别是用户选择供应商和实时电价，要求表计有灵活、可靠的 双向通讯功能和不同制造商生产表计在电力市场技术支持系统中的兼容性，因而提出了标准化和兼容性问题。在欧洲著名表厂创导下成立了 DI、
16、MS(计量部 件描述语言消息规范)用户协会，DI、MS 已构成 IEC 有关表计规约标准的基 础。北美也以 ANSI 为基础实施标准化。因为现有系统中已运行着众多制造厂 不同年代制造的表计，故美国 Itron 公司于 1986 年推出能兼容 100 多制造厂表 计规约的 MV-90 表计数据采集编译系统，广泛应用于北美和世界各地电力市场，起了较大作用。国际上电子式电能表经过50多年发展，开始都是基于模 拟量乘法器原理的，在历史上曾有过多种原理线路，后来演变为时分割(Time did-vision)和霍尔效应(Hall effect)两种乘法器。到目前标准电子式电能表和安装 式计费电子式电能表中
17、较多用时分割乘法器于0.2级表计，而霍尔乘法器只用于0.5级及以下安装式计费电能表。由于数字技术的迅速发展，目前已有趋势全部更新为A/D转换，计算机处理方法，这样也更有利于实施负荷控制、记录电能质量、负荷曲线、发展表计的通信功能和确保高准确度。1.2 研究目的与意义用来计量电能并以此缴纳电费的电度表，一直都是采用传统的机械钟表式 结构累计电能，其精确度和灵敏度不高，并且受电度表周围环境及安装工艺的 影响较大，最大的缺点是抄表计费工作比较繁重，随着经济社会的发展，用电户大幅度增长，传统的抄表收费方式已经不能适应新形势的需求。为适应电力工业市场化进展和国家电力公司 2010 年实现用户选择市场的规
18、划，我国电子式电能表的应用需要有更大的发展。根据国际上电力市场化的经验，电能计量是电力市场改革的核心。电能计量要成为高精度、高可靠性、免维护和具有 双向通信功能，便于电力公司向用户提供加值服务，还要能适应国外已开始实 行的表计产权管理分离和数据共享分离的管理模式。只有电子式电能表能满足 上述市场改革要求。如今各种智能型的数字电度表已在智能小区、商场、学校 等场所得到了广泛应用。国外电子式电能表已从初期的保留机械记数器发展到全液晶显示， EEPROM 或闪存保存数据，做到全电子或真正固体化、静止化。这样有利于提高性能，降低成本，这也应是我们的方向。美国电科院(EPRI)为适应电力市场的需要于19
19、98年组织了SE-240单相全电子电能表项目，设计表计有一个开放性的结构平台有多个接口可以和多种应 用模块接口以扩大表计功能，EPRI 在互联网上公布其开放性平台的结构资料 以及各种接口要求，请各有关制造厂报名设计应用模块(现已有电话线、专 线、高频无线电调制解调器、光纤、低压配电线载波等自动抄读表模块以及分 时电价、实时电价、多功能计量、预付费等扩充应用模块)，现已有近 20 家厂 商参加开发各种扩充模块和40多家电力公司参加该项目试用工作。这种项目 开发方式和表计结构思路值得我们思考、借鉴。 标准化是促进电子式电能表及相关技术发展的关键，我国已制定了 DI/T 为多功能电能表通信规约打下基
20、础，建议结合近年来电力市场发展需求和 国际 IEC 标准，DI、MS 规范，ANSI 有关标准等经验不断完善。北美已开 始用互联网上EDI(电子数据交换)格式于表计数据格式的动向已值得注意探讨。数字电度表具有电能计量功能，能显示剩余电能值、已用电能值，还具有 超负荷断电等功能，同时电度表可通过电力控制中心进行预先付费，再用电， 安全性高。电能的计量结果直接关系到供电部门和用户的经济利益，因此对计 量的精度提出了较高的要求。由于电度表使用数量较多，成本控制显得也很重要，所以，开发出成本低、可靠性高、计量准确、安全的智能电度表具有重要意义。随着微电子技术的迅猛发展，微控制器和大规模集成电路在电能计
21、量领域的广泛应用，使电度表的技术水平和性能得到长足发展。 我国政府和有关部门对此同样十分重视，国家科委和建设部的几个文件中都十分明确提出了要改变传统人工入室查表收费方式。而发达国家先进的用电计费方式在国内才刚刚起步，因此本系统即数字电度表是结合当前国内外现 状的实际情况而构思并进行设计的，具有创新性。1.3 电子式电能表的发展及技术优势 作为测量电能的专用仪表电能表,自诞生至今已有100多年的历史。在我国，很长一段时间使用的是机械式感应电度表，它具有耗电多、笨重、需要手工抄表、防窃电性能低等缺点。同时随着电力系统及其相关产业的发展以及电能管理系统的不断完善,电能表的结构和性能也经历了不断更新、
22、优化的发展过程。大体上可以分为以下两个阶段: 1.感应式电能表 感应式电能表是利用处在交变磁场的金属圆盘中的感应电流与有关磁场形 成力的原理制成的。它具有制造简单、可靠性高和价格便宜等特点。经过近一百多年的不断改进与完善，感应式电能表的制作技术已经成熟，通过双重绝缘和采用高质量双宝石轴承甚至磁悬浮轴承等技术手段，其结构和磁路的稳定性得以提高，电磁振动被削弱，使用寿命大大延长，且过载能力明显增强。但是由于其原理与结构等因素的制约，要进一步提高计量精度和扩展功能是有限的。另一方面，随着用电量的增长和能源供需矛盾的加剧，应该加强电量负荷 监控，以实现计划用电和合理配电，提高电网负荷率。功能单一的感应
23、式电能 表及其相关机械装置已不再适应现代电能管理的要求。虽然如此，但感应式电能表因为技术成熟，价格便宜，至今仍被大量使用。 2.电子式电能表 电子式电能表是国外在20世纪 70年代发展起来的一种产品，它是应用现 代电能测量技术、微电子技术、计算机软硬件技术及通信技术构成的一类全新 系列的电能表。它与感应式电能表相比，除了具有测量精度高、性能稳定、功 耗低、体积小、重量轻等优点外，还易于实现多功能计量，可现场校验和检索 多种计量数据，便于数据采集和处理以及集中监控。 电子式电能表一般由电能测量机构和数据处理机构两部分组成。根据电能 测量机构的不同，电子式电能表分为机电脉冲和全电子式两类。其中机电
24、脉冲 式电能表出现较早，仍然沿用了感应式电能表的测量机构，数据处理机构由电 子电路和计算机控制系统实现，因而它只是一种电子线路与机电转换单元相结 合的半电子式电能表，而且由于感应式测量机构的制约，机电脉冲式电能表难 以降低功耗、提高测量精度；而全电子式电能表没有使用感应式测量机构，而 采用乘法器来完成对电功率的测量，不但提高了测量精度、降低了功耗、还增 加了过载能力。由于电子式电能表具有良好的扩展性，目前已由常规的全电子式电能表发展出了多功能电能表、多费率电能表、预付费电能表、载波电能 表、红外抄表、集中抄表系统、远距离自动抄表电度表等系列产品，同时电能 的计量方法已经成熟，已有用于计量电能的
25、专用集成电路，可将电功率转换成 频率信号供计算机处理。电能的预付费功能也有多种实现方式，根据安全性需求等级的不同可以采取不同的方式，当然安全等级越高成本越高。 电子式电能表逐步替代感应式电能表是发达国家电能计量现代化的经验和 趋势。电子式电能表的普及又促进了与电能计量相关领域技术的发展。其技术 优势主要有： 1.误差特性较为稳定，不像感应式电能表越走越慢。实际运行和加速老化 试验都说明了这一特点。电子式电能表的故障能较明显的表露和被发现。2.电子式电能表内阻小、损耗低，是节能仪表。有助于在已有计量装置中 解决互感器过载和二次电压降超标问题，从而提高计量综合精确度。3.电子式电能表比较轻，比感应
26、式电能表节省大量有色和黑色金属，而且 安装轻便。4.使用电子式电能表彻底改革了原来电能量运行，检修的工作流程，革除 了洗表的环节。如果故障表按合同规定由生产厂保修包换，则更简化了管理流 程，使可集中精力于把好验收校验关，对运行中缺陷故障统计分析以及招标时 对各厂产品评定质量，彻底改革了电能表管理，使适应电力市场经济要求。 5.电子式电能表能直接输出规范的电能脉冲，便于校验和实时远方自动抄读表，便于电力市场发展中对表计扩展功能的实现。 6.技术随生产发展而推陈出新，产品的合理寿命能促进技术进步。我国电科院的检验报告说明我国很多厂家的电子式电能表已能做到1015年的寿命的要求，考虑到现代科技发展迅
27、速，这是一个技术设备的合理寿命，符合时代的要求。 1.4 论文研究内容随着电能管理的现代化,需要访问电能表很多信息,同时决策还要与电能表 进行双向通讯,由于数字乘法器型电能表是以微处理器为核心,所以功能容易扩 展,易和配电自动化系统集成,因此本文设计了一种基于电能计量芯片 CS5460 的 电子式电能表,CS5460 是一种带有串行接口的单相双向功率电能集成电路芯片, 极易与微处理器连接。本设计在参阅了大量前人设计的电子式电能表的基础上，利用单片机技术结合电能表芯片 CS5460 构建了一个单相电子式电能表。 本文首先简要介绍了本次设计的课题背景、电子式电能表的发展及主要技 术优势，设计的主要
28、任务、电能表的主要功能以及电子式电度表的整体设计方案，然后详细介绍了单相电子式电能表的设计流程，包括硬件系统的设计和软件系统流程图的设计，并给出了硬件电路的设计细节，包括各部分电路的连接、芯片的选择以及方案的可行性分析等。第2章 总体方案设计单相电子式电能表是由电子电路、铭牌及表壳组成。电子电路由电源电路、电能计量电路及完成电量数据的计算、存贮、显示的单片机系统三部分组成。电能的计量是由电流电压采样电路、抗电磁干扰电路及 CS5460 电能计量芯片组成。 2.1 单相电子式电能表的工作原理单相电子式电能表是由采样电路、电能计量电路、控制电路、存储电路、 显示电路、实时时钟电路和按键等电路组成。
29、采样电路完成用户电压和电流的采样，提供给电能计量电路进行用户电能的计量，计量电路对采样电路采集到的电压和电流进行 A/D 转换，将根据转换结果计算出用户的实时功率，然后再进行用户所用电能的计量并将计量结果送入单片机。电源管理电路将输入到电能表的电压，并对此电压进行管理。串行 EEPROM 存储电表和用户的参数、用电时间等重要信息。LCD 显示电路完成当前用户信息、用户的用电信息、电表和用户状态等的显示。单片机是数据处理、计算、显示和通信的控制中心。2.2 设计功能要求本人在参考大量的有关电能表资料以及考虑到自身知识水平有限的前提下 设计制作一只简单的单相电子式交流电能表，设计的主要要求如下：
30、(1)该交流电能表能实现对单相交流电能的测量； (2)电表参数：额定电压220V,额定电流5A,最大电流10A，精度为0.1级；(3)测量并显示当前的功率、电压和电流的有效值； (4)显示当前日期和时间，具有分时计量功能； (5)可以与PC机进行串行通信，并可用键盘控制，便于操作； (6)停电不丢失电能数据。 2.3 系统的整体设计方案该系统主要由显示模块、通讯模块、键盘控制模块、MCU 模块、电能表芯 片 CS5460 模块、时钟模块、存储器模块和前端电路调理模块部分组成。前端电 路调理模块采用变比 1:1 的电流型电压互感器，电流模块采用变比 2000:1 的电 流互感器，利用取样电阻采样
31、信号，经变换后的信号以差模电压的形式接到由 美国 CRYSTAL 公司生产的电能表芯片 CS5460，取样电阻的阻值由被测信号的 最大值决定，然后经CS5460 转换后将电压、电流、功率、电能等信号传给单片 机 AT89S52，AT89S52 组成的MCU 模块控制所有芯片的工作、截止及计算和 模块的显示，显示模块采用 OCMJ4X8CM 液晶模块，液晶正常显示当前测量的 电能值、日期、时间，可通过键盘控制显示电压、电流有效值、功率等；通讯模块采用 Max232 芯片实现电能表与PC机之间的通信。并接受 PC 上位机同步 控制并与其通信，时钟模块采用 DS1302 芯片，为电能表提供时间基准，
32、为实现多费率打下基础，存储模块采用 AT24C16，为系统提供数据存储，可以做到掉电不丢失数据，还可以实现电力系统参数的实时记录，该系统可以实现对电能等电参量测量、显示及采集处理的目的。系统硬件框图如图 2-1 所示。 图 2-1 单相电子式电能表硬件框图 2.3.1 电能计量部分。记录用电客户使用电能量多少的度量器具称为电能计量。电子式电能表电 能计量部分主要有以下两种方案： 方案一：采用 A/D 转换芯片分别对电压、电流回路采样，然后送给单片机，经单片机计算，算出电能、功率等电量。该方案电路设计较麻烦，并且容 易受外部干扰，准确度低，并且编程较麻烦。 方案二：采用现在比较流行的电能计量芯片CS5460实现对电能等电量的采 集和测量。CS5460是 Crystal公司推出的用于测电流、电压、功率等的芯片, 精度高、性能强且成本低。CS5460包含两个 模-数转换器（ADC）、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的 模-数转换器。它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功