单相电能表的设计与实现

毕 业 设 计设计题目 单相电能表的设计与实现 学生姓名 学 号 专业班级 指导教师 院系名称 计算机与信息学院 2015 年 月 日目录摘要 .1Abstract.21 绪论 .31.1 课题背景和意义 .31.2 电能表的发展历史和现状 .31.2.1 电能表的发展历史 .31.2.2 电能表的研究现状 .31.3 本文研究内容 .42 电能表工作原理及 ADE7755 介绍 .62.1 电能表工作原理 .62.2 ADE7755 介绍 .72.2.1 外部引脚及功能说明 .72.2.2 功能简介及功能框图 .92.2.3 ADE7755 工作原理 .113 电能表的硬件设计 .123.1 控制系统设计 .123.1.1 单片机 AT89C51 简介 .123.1.2 最小单片机系统设计 .133.2 电能计量模块设计 .143.3 LCD1602 显示模块设计 .153.3.1 LCD1602 工作原理 .153.3.2 LCD1602 电路设计 .153.4 数据存储模块设计 .163.4.1 24C02 简介 .163.4.2 数据存储电路设计 .173.5 电 源 模 块 设 计 .183.6 PCB 图 .194 电能表的软件设计 .204.1 软件开发环境简介 .204.2 主程序模块 .214.3 按键扫描中断子程序 .224.4 LCD1602 显示程序 .235 设计结果及分析 .25结 论 .26致 谢 .27参考文献 .28单相电能表的设计与实现摘 要：随着我国近年来经济技术的快速发展，企业和居民对电能的需求越来越大。但是传统的机械式电表计费单一、计量误差较大、寿命较短，已经不 足以满足人们的需求，所以开发一款寿命长、计量精准的多功能电子式电 能表就成为一种必然趋势。本文主要是基于芯片 ADE7755 设计的一种针对于普通家庭用户使用的电子式单相电能表。该设计采用高精度电能计量芯片 ADE7755 来计量用电量，并使用 51 单片机来控制整个电路。通过电流、电压的信号采集，数模转换，功率计算，带掉电存储和显示等硬件设计，并结合软件编程实现 了电能表的正常工作。本文主要介绍了电能表的工作原理，电能计量模块， 显示模块，数据存储模块，以及软件设计模块。所设计的数字化单相电能 表具有成本低廉、结构简单、性能可靠、计量精准等优点，具有一定的实 用价值和推广价值。关键词：ADE7755；电能表；单片机Design and implementation of single-phase energy meterAbstract: With the rapid development of Chinas economy in recent years, technology, business and household demand for electricity is growing. But the traditional mechanical meter single billing, measurement error is large, short-lived, it has been insufficient to meet peoples needs, so the development of a long-life, multi-function electronic metering precise electrical energy meter has become an inevitable trend .This article is based on a chip designed for electronic ADE7755 single-phase energy meter for ordinary home users. The design uses a high-precision chip ADE7755 energy metering to measure electricity consumption and use 51 microcontroller to control the entire circuit. By signal acquisition current, voltage, digital to analog conversion, power calculation, with power storage and display hardware design, combined with software programming work to achieve a normal meter. This paper describes the working principle of electric energy meter, energy metering module, display module, data storage module, and software design module. Designed for single-phase digital power meter has a low cost, simple structure, reliable performance, accurate measurement, etc., with some practical value and promotional value.Keywords: ADE7755; Meter; SCM1 绪论1.1 课题背景及意义近年来，随着我国经济技术的高速健康发展，能源短缺问题日趋凸显，特别是用户对用电量的需求越来越多，同时，对电能表的性能需求也越来越高。虽然数字化智能电表已经覆盖中国各大城市，但仍有些乡镇、山区及农村地区在使用非智能化电表或机械式电表。这些电表存在寿命短、计量误差大等诸多问题，也会造成电能的浪费，因此普及数字化智能电表势在必行。本课题采用 ADE7755 电能计量芯片基于单片机控制的多功能数字化单相电能表。ADE7755 内部集成了电能采集和计量单元，而且外部的功能模块非常丰富，在电路设计中只需要少量的元器件就能完成电能表的设计。该芯片具有性能稳定，精度高等特点，极大简化了设计难度，降低了设计成本，能够满足家庭用户的需求，是一款具有相对实用价值的数字化电能表。1.2 电能表的发展历史和现状1.2.1 电能表的发展历史从十九世纪法拉第发现电磁感应定律开始，电能已经成为人们日常生活当中不可或缺的一部分。人们生活、工作、娱乐、学习都离不开电能，其已变成当今社会的通用能源。随着电能的普遍使用，如何度量电能也变成了必须解决的问题，这样，电能表就应运而生了。最早是 1880 年爱迪生利用电解原理发明了第一台直流电能表。而后，1889 年，匈牙利岗兹公司一位德国人布勒泰成功制作了世界上第一块总重量为 36.5kg 的感应式电能表。二十世纪六十年代末期，电子式电能表被发明了出来，受到广泛关注。二十世纪九十年代，出现了机电一体式电表。现今，由于用电需求越来越大和科学技术的高速发展，电能表正在向着智能化发展。1.2.2 电能表的研究现状初期的感应式电表和机电式电表大多操作安全、结构简单、造价低廉、维修方便等，但是适用频率窄、准确度低、功能扩展困难、功能单一、且对冲击负荷、非线性负荷的计量误差较大。而电子式电能表则准确度高，且功能强大，误差曲线平直且稳定，频率响应范围宽、启动电流小、便于安装使用、功耗小、防窃电能力强、过载能力强，随着科学技术的发展，尤其是网络技术、通信技术、电子技术和计算机技术的日臻完善，自动化技术的不断进步，使得研制数字电能表成为可能，并且具有巨大的实用价值和商业价值。随着通讯、信息、电子、软件、机电控制等技术的发展,目前我国电子式电能表的产量已占绝对优势,正逐渐取代原有的感应式电能表，并逐步向智能化迈进。智能电表作为用电信息采集系统建设的重要内容,是实现智能用电的基础条件。而数字化智能电表正在向着数字化、智能化、网络化、多功能化等方向发展。其控制核心为 51 单片机，再加上相应的检测电路、数模转换电路、存储电路、显示电路、通讯接口和相应的监控软件，通过总线把多个智能化功能单元连成局域网，再由上位机测控软件实现。集信息、自动化、计算、管理为一体的电能计量装置是发展的方向之一。根据国家电网公司“十二五”电网发展规划,用电信息采集系统建设在 2014 年底将达到 100%的覆盖率,在“十二五”期间实现对直供直管区域内所有用户的“全覆盖、全采集、全费控”。电能表实现智能化，可以进一步适应我国电力系统的发展，满足运营管理的需要，解决特殊负载用户的计量问题。1.3 本文研究内容现如今，部分数字化智能电表采用互感原理进行对电流信号和电压信号的采集。由于互感器无法工作在理想状态，与理论情况相比存在较大误差，这就需要使用硬件或者软件的方法来进行补偿，从而导致了整个电路系统的复杂程度加剧。而本文的设计就避免了这种情况的发生。本文采用电能计量芯片 ADE7755 设计了一款数字化智能电表，该电能表由 51 单片机进行控制。通过电流、电压的信号采集，数模转换，功率、电能计算，带掉电存储和显示等硬件设计，并结合软件编程实现了电能表的正常工作。本文研究的主要内容有：一、介绍了在基于电能计量芯片 ADE7755 采集电能情况下的电能表的工作原理。该芯片内部存在两个通道，分别进行对电流信号和电压信号的采集、模数转换、功率计算等工作，然后将数据传输到单片机进行处理，并通过一些外围电路显示出用电量。通过这些模块的连接，基本上就构成了一个本文介绍的数字化电能表。二、电能表的硬件设计。该部分主要介绍了单片机的内部结构和外围电路。其中包括了晶体震荡电路，复位电路，电能计量电路，LCD 显示电路，数据存储电路等。而其中最主要的部分就是电能计量模块，该模块是整个电能表的核心部分，决定了电能表能否正常工作。三、电能表的软件设计。该部分主要介绍了软件开发环境和各程序模块。包括电能计量程序，数据存储程序，单价设置程序，按键扫描中断程序，LCD 显示程序等。2 电能表工作原理及 ADE7755 介绍2.1 电能表工作原理本文所设计的电能表主要由电能计量电路，控制电路，存储电路，显示电路，电源电路，控制按键等部分构成。以 STC 89C51 单片机为控制核心设计的一种单相数字化智能电表。其硬件原理框图如图 2.1 所示。 图 2.1 电能表硬件系统原理框图电能计量电路主要负责电流电压的采样，功率计算，并将处理后的数据以脉冲形式发送到单片机进行处理。存储电路采用一片 EPROM 存储器 AT 24C02 对数据进行带掉电存储。显示电路使用的是 LCD 1602 液晶显示器，由单片机内部自带的LCD 驱动电路直接驱动。电源电路负责给单片机系统及其外围电路供电，保证系统的正常运行。对于大多数的电子式电能表而言，其电能计量原理基本相同，基本表达式都类似如下：其中：W(t)为电能累计消耗值；P(t)为瞬时功率；u(t)为瞬时电压；i(t)为瞬时电流；因此，电能表计量电能的基本方法就是将电流、电压相乘，然后将所有时刻的功率累加起来就是所测量的电能。2.2 ADE7755 介绍ADE7755 是一种适用于单相配电系统的高精度电能计量芯片。它可以提供基于输电线电压和电流计算的瞬时有功功率和平均有功功率。该器件是一种高准确度电能测量集成电路，其技术指标超过 IEC1036 规定的准确度要求。ADE7755 只有在 ADC 和基准源中使用模拟电路，除此之外所有其它信号处（如相乘和滤波）都使用数字电路, 这就使得 ADE7755 能够在恶劣的环境条件下仍保持极高的准确度和长期稳定性。另外，ADE7755 的引脚 F1 和 F2 以较低频率形式输出有功功率平均值，能够直接驱动机电式计度器或与微控制器（MCU）接口；引脚 CF 以较高频率形式输出瞬时有功功率，用于仪表校验或与微控制器（MCU）接口。并且，ADE7755 内部含有一个对 AVDD 电源引脚的监控电路，在 AVDD 上升到 4V 之前，ADE7755 一直保持在复位状态，当 AVDD 降到 4V