电能表毕业设计--单相电子式电能表的设计.doc

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： 完成时间： ii 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 主要 研究 内容 主要研究单相电子式电能表的工作原理及设计方法，通过对电 能 芯片及其他元器件的合理选择，对电子式电能表进行硬件和软件 的 设计，设计出一款经济型的电子式单相电能表。 主要技 术指标 或研究 目标 1.输入电网额定电压：220v 2.输入额定电流；20a 3.精度：1 级 4.检测电网侧电压频率，并实时显示，精度0.1hz 5.测量并实时显示电功率 基本 要求 1）根据设计要求进行方案设计。 2）电能芯片、单片机及其他元器件的选择和功能介绍。 3）单片机应用系统电路和相应检测电路、显示电路的设计。 4）绘制电路原理图。 5）编写程序框图。 iii 摘摘 要要 传统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 避免的会引入人为的测量误差。为了解决这一问题，电能表作为一种新型的计量 产品由此应运而生。本设计介绍了美国ad 公司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 以及外围电路共同组成硬件 系统,硬件设计突出重点的就是计量功能和抗干扰功能两部分 。测量部分输入电 压、电流经过电压分压网络和电流互感器，再通过滤波，转化成符合ade7753 芯片要求的输入信号，再经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，完成各种参数的计算、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，定时清wdt 监视定时器的值，当出现“死循环”或程序“跑 飞”现象时，wdt 监视定时器内的值计满溢出，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 iv 目录 1.引言.5 1.1 数字仪表的发展趋势 .5 1.2 主要技术指标 .7 2硬件系统设计7 2.1 工作原理 .7 22 各部分电路设计8 2.2.1 电压采样.8 2.2.2 电流采样.9 2.2.3 功率的计算.9 2.2.4 电源设计10 2.2.5 显示电路的设计11 23 芯片功能介绍 .11 2.3.1 数字电能芯片ade7753 的特点11 2.3.2 7753 模块内部的原理结构图12 2.3.3 单片机 at89s52.13 2.4 抗干扰相关设计14 3 软件系统设计.15 3.1 主程序流程图15 3.2 主程序 16 3.3 软件抗干扰技术 17 参考文献：18 总 结19 致 谢20 1 1 1. .引引言言 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。但随着城乡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根本变化，市场销量比前两年已有下降，销售高峰 期已转入销售平稳期，市场竞争更为激烈。.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，鼓励用户合理 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 求快速上升。随着国内用电量的持续增长，众多的地区出现了不同程度的用电紧 张，国家电力局也适时推出了分时记费的电价标准。 1.1 数字仪表的发展趋势 传统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 避免的会引入人为的测量误差。为了解决这一问题，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，从普通的单相电能表到复费率，预付费， 三相 485 到电能表功能复杂的终极的多功能电能表，功能从单纯的计量到 与时间 复合与费率结合到无功计算计量，其所具备的功能也是与日增加 。然而多功能电 表的电路往往比普通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，具有结构合理，性能可靠，高精 度、低功耗、抗谐波、防窃电、体积小、重量轻等优点。 单相电子式电能表引 入了时间的参照，已经不可能由我们单纯的通过一些具体的硬件电路实现其分 时计量的功能，为此要在原来简单的电子式计量模块的基础上进行拓展，拓展 时钟电路，拓展显示模块，拓展cpu 以及一些与具体的要求相对应的通讯模块： 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，引入时基电路的目的很明确，为每一次电量累计提供时 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 智能化的操作与控制，cpu 是单相电子式电能表的一个核心枢纽，电能表的各个 量变参数汇聚到cpu 进行进行各种复合的运算，最终得到一些和电量相关的加 2 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 决于用户对电能 表功能的要求，我们可以拓展存储功能的模块进行优化存储算法，作为电力计 量 类的产品，电子式电能表要求其在十年内出现故障的概率为万分之三，为此 在对 电能表进行功能设计的同时，还必须着重考虑电能表的数据安全性与稳定性， 而要达到这两个方面，则必须在硬件设计和软件优化两个方面都要进行具体细 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要求误差标准在5ppm 的范围之内，也就是一天的 累计日误差在0.5 秒之内，时钟一般在晶振的基础上进行运行，普通的的晶振 误差在20ppm，达不到我们的所需要求，因此必须选用高精度的晶振作为时钟 的基准源，除此之外，由于温度的变化会影响到晶振频率的变化，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补偿，依此来达到 精度所要求的范围。 电能表本身除去计量存储的功能外，还在不同的程度上具备一些通讯功能： 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，直接供给 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。 更进一步，在电能表中引入载波模块，即可实现对电能表的远程抄表与远 程控制，这里的载波是电力载波，是在电力线的电能传输过程中加载在我们的控 制信号或者数据信号，通过调制和解调的办法滤取信息，这种载波形式应用于电 能表领域的，考虑起数据传输的安全性，所以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一些，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的不足；另外，随着科技的发展，一些更先进的 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结构单一到功能强大、 结构复杂，也是国家电力部门推行电力现代化的一个必然的趋势；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，最终要达到电力集中抄表的自动化。电能表的设计与研究开发， 也应该始终站在科技的前沿，掌握信息，任重道远。 3 1.2 主主要要技技术术指指标标 5测量并实时显示电功率 2 2硬硬件件系系统统设设计计 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要求，计量部分的设 计是电能表的设计中比较关键的部分。本文采用电能芯片ade7753 和单片机 at89s52 以及外围电路共同组成硬件系统。其原理框图如图一所示： 图一 2.1 工作原理 电压、电流经过电压分压网络和电流互感器，再通过滤波，转化成符合 ade7753 芯片要求的输入信号，再经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 1输入电网额定电压：220v 2输入额定电流：20a 3精度：1 级 4检测电网侧电压频率，并实时显示，精度0.1hz rst 1 dout 19 dvdd 2 sclk 18 avdd 3 cs 17 v1p 4 clkout 16 v1n 5 clkin 15 v2n 6 srq 14 v2p 7 sag 13 agnd 8 zx 12 ref 9 cf 11 dgnd 10 din 20 u101 ade7753 p1.0(t2) 1 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst 9 (rxd)p3.0 10 (txd)p3.1 11 (/int0)p3.2 12 (/int1)p3.3 13 (t0)p3.4 14 (t1)p3.5 15 (/wr)p3.6 16 (/rd)p3.7 17 xtal2 18 xtal1 19 gnd 20 p2.0(a8) 21 p2.1(a9) 22 p2.2(a10) 23 p2.3(a11) 24 p2.4(a12) 25 p2.5(a13) 26 p2.6(a14) 27 p2.7(a16) 28 /psen 29 ale/prog 30 /ea/vpp 31 p0.7(ad7) 32 p0.6(ad6) 33 p0.5(ad5) 34 p0.4(ad4) 35 p0.3(ad3) 36 p0.2(ad2) 37 p0.1(ad1) 38 p0.0(ad0) 39 p1.1(t2 ex) 2 vcc 40 at89s52 cs 1 so 2 wp 3 gnd 4 si 5 sck 6 rst 7 vcc 8 ic5 x25045 p2.4 p2.5 p1.4p1.5 p1.6 p1.7 p1.7 p1.5 p1.6 +5 rst rst 145*2 led 245 电流 采样 滤波电压 采样 滤波 4 值的原始寄存器值。采用外部中断读取这些数值，zx 与 int1 相连，当过零时进 行中断，这些值通过spi 接口传送到微控制器中，微控制器再进行计算，最后通 过 led 显示出来。另外，微控制器也可以把测量的值通过串口把数据传到微机中， 便于人们保存分析，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 的微控制器89s52，完成各种参数的计算、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 74ls145 芯片驱动 16 路发光二极管（led）。 2. 2 各部分电路设计 设计分成模块：输入部分、数据采集模块、数据处理模块、显示模块。应 用 芯片：ade7753，89s52，74hc245，74ls145。数据采集模块采用芯片ade7753， 数据处理模块以89s52 单片机为核心对采集信号进行精确控制和严格计算。 2.2.1 电压采样 电压采样的方法是一般我们通过电阻电容相结合来分压得到小电压，即通 常 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节电阻电容的综合 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，用变压器的目的也不仅局限于取小电压，还要依靠cpu 以及其它芯片提供 基准直流电源。电阻的给值一般是成倍数递增的，电阻对误差的影响从 1/2，1/4 ，1/8.逐步递减，最终可以达到满足要求的误差，因为误差的调 节是成线形的关系，所以这种调节的办法会比较简单。 如图二所示: 5 z101 z102 r101 1k* r102 1k* r107 500k* r108 500k* c101 33nf c102 33nf c108 100nf c117 103/3000v vr101 sdr20-471 压压 v2n v2p agnd ref dgnd ade7753 图二 2.2.2 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 流采样器件是锰铜分流器，其电阻阻值很小，所以其能分担比较大的电流， 仅有 小部分通过分流引入采样，但是由于众多锰铜分流器的分流参数具有一定 的离散 性，所以最终达到功率测量的稳定性，必须通过p=ui 这一公式来进行相应的调 整。如图三所示： r100 2.2m z103 z104 r103 1k* r104 1k* r105 100* r106 100* c103 33nf c104 33nf c105 33nf c106 33nf v1n v1p ade7753 压压 图三 通过电压与电流的采样我们得到的功率值就是达到我们要求的在误差精度范 围的功率值，电压电流的模拟信号经过采样以后经过a/d 转换，进入乘法器进行 相应的乘法运算，最终达到一定的功率数字值，这种数字值再与某些具体的 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达到由原始电压电流到电能 计量的转换。 6 2.2.3 功率的计算 相对于有功，无功功率的计算，通过电工学的基本常识我们知道：无功功 率，由这个算式可以看出，我们所需要测量的一个重要的因素就是cosuip 功率的相位角，实现功率因数的测量的方法，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，再通过相应的数值运算换算出功率因数相 位角，如 图四所示： 图四 电压电流的相差脉冲（m）/电压电流的一周期的脉冲（n）*2=相位角 ，它是多功能电能表进行无功计算必须具备的一个重要的参量。 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，这是最简单的电子式电能表，其功能 单一，硬件设计结构也比较的简单。 7 2.2.4 电源设计 单相表一般只含有一个基本的计量单元，一个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，有的计量 ic 只需要单一5v 电源供电，如ade7753 等，如图五 所示： 图五 2 2. .2 2. .5 5 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，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： a 15 b 14 c 13 d 12 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 9 8 10 9 11 u? 74ls145 a 15 b 14 c 13 d 12 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 9 8 10 9 11 u? 74ls145 le d8 le d9 le d10 le d11 le d12 le d13 le d14 le d15 nc nc le d0 le d1 le d2 le d3 le d4 le d5 le d6 le d7 nc nc q? npn r? 5k 1 r? 5k 1 +5p2.0 p2.1 p2.2 p2.0 p2.1 p2.2 p2.3 p2.3 图六 8 2 23 3 芯芯片片功功能能介介绍绍 2.3.1 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 1000 ：1 的动态范围内误差小于0.1% 可选正有功能量有效累计 用户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 片内集成的温度传感器 （典型值3） 与 spi 兼容的串行接口 脉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），确保数据的高精度 具有外部过驱动能力的基准电压源2.4v8% (温度系数典型值 20ppm/) 单 5v 电源,低功耗(典型值 25mw),20 脚 ssop 封装 2.3.2 7753 模块内部的原理结构图 7753 模块内部的原理结构图如图七所示： 9 图七 2 2. .3 3. .3 3 单片机 at89s52 主要性能： 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. 1000 次擦写周期 4. 全静态操作：0hz33hz 5. 三级加密程序存储器 6. 32 个可编程 i/o 口线 7. 三个 16 位定时器/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. 看门狗定时器 13. 双数据指针 14. 掉电标识符 功能特性描述 10 at89s52 是一种低功耗、高性能cmos8 位微控制器，具有8k 在系统可编程 flash 存储器。使用atmel 公司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 允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，拥有灵巧的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、超有效的解决方案。at89s52 具有以下标准功能： 8k 字节 flash，256 字节 ram，32 位 i/o 口线，看门狗定 时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6 向量 2 级中断结构， 全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，at89s52 可降至 0hz 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，允许ram、定 时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，ram 内容被保存，振荡 器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止 。 2 2. .4 4 抗抗干干扰扰相相关关设设计计 cpu 是电能表的核心控制部分，从计量到通讯，从计算到存储，都要求其具 有很高的数据安全性与稳定性。应该说电能表的功能设计并不困难，困难的是 在于一些基于安全稳定方面考虑的硬件和软件设计，电能表除了精度的几项硬 指标要求外，还特别要求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实验。通常，电磁兼容实验就是为对电能表端子接入4000v 的快速脉冲群，模拟干扰的信号，在这种干扰信号下，电表要确保显示装备正 常显示，cpu 正常工作，电能计量正常准确的进行；高压实验是把6000v 高压加 到接线端子，看是否会把线路板击穿。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的设计来实现，并且要在系统布线中考虑诸多的 因素：走线不能形成环路，也不能形成势垒电容，对于通常我们所说的接地， 也必须达到等位接地，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，确保所得的信号真实有效；高压绝缘实验是测试 电能表内部的绝缘性，线之间一定要保持一定的间距，并且必须要有一定的线 宽。雷击浪涌实验是测试电能表在突发的高压等干扰cpu、存储芯片、时钟不被 11 损坏，为此，我们在一些重要电路上加一定的光藕实行光电隔离，从而才可以 达 到抗损坏的目的，这些指标都是硬性指标。 另外，cpu 周围外挂电路的设计，也是一个很重要的部分，要达到这一个 要求，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 不允许悬空，诸多无用的引脚要按照其管脚的定义的特性进行相应的上拉或者 接地，这是避免cpu 受干扰以及增强稳定性的一个重要的措施，另外，复位电 路也是重点设计的一个方面，这方面的复位电路之所以要细致的设计，是为了 防止其不正常的复位，否则在某些不确定的因素的干扰下，复位电路会接收到 叠加在复位端的错误信号产生复位，造成数据信息的紊乱，因为在程序的初始 化部分里，牵涉到一部分和上电掉电相关的程序操作，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存，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个每一次相关的数据信息，防止在同 一时刻处理很多的数据量，并且要给出明确的先决条件；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的空指令，这些都可以减低 程序跑飞的可能性；数据安全性方面，为保证数据的安全存储，需要采取一种 冗余的算法，既把同一数据存储在三个不同的空间，读取调用的时候，先取前 两个，若相同则认为数据存储正确，否则取出第三个进行比较，取其中两个相 同的认定其为有效的数据，若三个数据均不相同，则认为数据损坏，再执行其 他的一些相应的处理程序，这样有效的提高了数据的安全性；另外，在中 断的处 理上也应该合理的进行优先级别的选择，并作好堆栈的程序处理 。 12 3 3 软软件件系系统统设设计计 3.1 主程序流程图 图八 主程序流程图 3.2 主程序 org 0000h ljmp init_sys org 0003h ljmp soft_trap ；int0 disable ljmp soft_trap org 000bh ljmp soft_trap ；t0_int disable nop 复位 初始化 看门狗 显示模块 电量处理模块 rs485 通信模块 停电处理 13 ljmp soft_trap org 0013h ljmp int1_int ；int1 enable nop ；for ade7753 read nop ljmp soft_trap org 001bh ljmp soft_trap ；t1_int disable nop ljmp soft_trap org 0023h ljmp soft_trap ；uart_int disable nop ljmp soft_trap org