电子式智能单项电表毕业设计论文

1、1 学院本科毕业设计（论文） 摘要 i 摘要 电能是国民经济、工业、商业、等人民生活的重要二次能源，电能在现代 社会中是普遍使用的，所以电能计量装置在发、供、用电的地位是十分重要的。 电能计量装置就更显得重要，电能表作为测量电能的专用仪表，自诞生已有 100 多年的历史。电能表在电能管理用仪器仪表中占有很大比例，其性能直接影响着 电能管理的效率和科学文化水平。100 多年来，随着电力系统、所有以电能为动 力的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、优化的发展过程。电能表作为测量电能的专用仪表其性能直接影响着电 能管理的效率，为使电能计量仪器仪表适应工业现代化

2、和电能管理现代化飞速发 展的需求电子式电能表应运而生。 本设计的单相电子电能表具有用电计量、监视、控制、管理四大功能，由于 内部无机械摩擦而准确度高，灵敏度高，易实现自动化测量，用 rs485 可实 现远方通信 。本次设计的多功能单相电子式电能表能采集计算电压、电流、有 功电能、无功电能，在电能表本体上有 lcd 显示器，显示采集和计算的各种所 需数据；并具有 rs485 通讯接口。 该设计对电能表的功能及分类作了简单的介绍，让读者对电能表有个基本的 了解，知道它是如何产生的及它的发展情况，它有什么用途，对单相电子式电能 表的硬件结构作了详细的描述，分别从电源电路、计量电路、通讯电路、管理电

3、路及其它部分电路四大部分着手介绍了各部分的原理及电路图，并对它们分别作 了讲解。 关键词：电能表 电子式 单相式 rs485 多功能 1 学院本科毕业设计（论文） 摘要 ii abstract electricity is the national economy, the industrial, commercial, and peoples life as an important secondary energy, power in modern society is commonly used, so energy metering device in hair, offer, ele

4、ctricity position is very important. electricity measurement device is more important, the special power as measurement watt-hours meter, has since birth history of over 100 years. watt-hour meter in power management with instruments of very large proportion, its capability directly affects the effi

5、ciency of power management and scientific and cultural level. more than 100 years, along with the power system, all based on the power for the development of power industry and power management system, perfecting the structure and properties of the meter has experienced constantly updated, optimizin

6、g the process of development. as a special measuring electric power meter its capability directly affects the efficiency of power management, to make electricity measurement instruments to adapt to industrial modernization and power management modernization rapid development needs) -phase watt-hour

7、meter arises at the historic moment. this design single-phase electronic watt-hour meter has electricity meters, surveillance, control, management four function, due to internal no mechanical friction and high accuracy, high sensitivity, easy to realize automatic measurement, can be realized with rs

8、 - 485 distance communication. this design is muti_function single- phase) -phase watt-hour meter can acquisition calculation voltage, current, power, reactive power meritorious there in watt-hour meter ontology, lcd monitor and display the collection and calculation of the data; and with rs485 comm

9、unication interface. the design of the function and classification of watt-hour meter makes brief introduction to let readers have a basic understanding of watt-hour meter, know how it is produced and its development situation, it has what purposes, of single-phase) -phase watt-hour meter hardware s

10、tructure has made the detailed description, separately from the power supply circuit, measurement circuit, communication circuit, manage circuits and other parts circuit is introduced four most to all parts of the circuit diagram, and the principle and explain to them respectively. keywords：watt-hou

11、r,meterelectronic ,single-phase type, rs485 ,multi-function 1 学院本科毕业设计（论文） 目录 iii 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教 师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别 加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过 的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位 或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人 或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了

12、谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论 文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和 电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并 提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其 它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论 文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或

13、集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 指导教师评阅书指导

14、教师评阅书 指导教师评价：指导教师评价： 一、撰写（设计）过程 1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格 2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格 3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格 4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格 5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及

15、格 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 指导教师：指导教师： （签名） 单位：单位： （盖章） 年年 月月 日日 评阅教师评阅书评阅教师评阅书 评阅教师评价：评阅教师评价： 一、论文（设计）质量一、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完

16、成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 二、论文（设计）水平二、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 评阅教师：评阅教师： （签名） 单位：单位： （盖章） 年年 月月 日日 教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）及教学系意见 教研室（或答辩小组）评价：教研室（或答

17、辩小组）评价： 一、答辩过程一、答辩过程 1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格 2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格 3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格 二、论文（设计）质量二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 三、论文（设计）水平三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优

18、 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 评定成绩：评定成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 教研室主任（或答辩小组组长）：教研室主任（或答辩小组组长）： （签名） 年年 月月 日日 教学系意见：教学系意见： 系主任：系主任： （签名） 年年 月月 日日 目目 录录 摘要摘要.i abstract.ii 1 电能计量基本概念电能计量基本概念.1 1.1 电能计量装置.1 1.2 计量电路部分.2 2 电子式电能表电子式电能表.5 2.1 电子式电能表的发展史.5 2.2 电子式电能表的一般结构与原理.5 2

19、.3 电子式电能表的功能与分类.6 2.3.1 电子式电能表的功能.6 2.3.2 电子式电能表的分类.8 2.4 各种电能表的比较.8 3 单相电子式电能表的硬件设计单相电子式电能表的硬件设计.10 3.1 电子式电能表的硬件框图及结构.10 3.1.1 电源电路部分.10 3.1.2 输入变换电路.11 3.1.3 乘法器电路.13 3.1.4 电压频率转换器.19 3.1.5 分频计数器.20 3.2 电源电路部分.21 3.3 通讯部分.24 3.4 mcu 及其它相关部分.25 4 单相电子式电能表的软件设计单相电子式电能表的软件设计.27 4.1 电能表的软件系统结构框图.27 4

20、.2 电能表的程序流程图.29 毕业设计小结毕业设计小结.31 参考文献参考文献.32 致谢致谢.33 附录一（电路图附录一（电路图）.34 附录二（程序）附录二（程序）.35 1 学院本科毕业设计（论文） 电能计量 1 1 电能计量基本概念 电能是国民经济、工业、商业等人民生活的重要二次能源，电能可以方便地 转化为其他形式的能量。电力的生产和其他产品的生产不同，其特点是发电厂发 电、供电部门供电、用户用电这三个部门是连成一个系统，不能间断地同时完成， 而且是互相紧密联系缺一不可，它们互相如何销售，如何经济计算，那就需要一 个计量器具在三个部门之间进行测量计算出电能的数量，这个装置就是电能计量

21、 装置。 在电力市场的整体运作中，电能计量装置的读数作为电力产品贸易结算的依 据，已经越来越受到贸易双方的重视，是贸易双方经济核算的重要指标。随着我 国加入 wto、融入国际大市场的步伐，工农业生产的自动化程度及劳动生产率 已大大提高，降低产品的电能成本已成为广大电力用户追求的目标3。必须加强 电能计量的学习，加强电能计量新技术的学习，使电能计量工作管理规范化，符 合国家标准，计量准确可靠。 1.1 电能计量装置 电能计量是由电能计量装置来确定电能量值的一组操作，是为实现电能量单 位及其量值准确、可靠的一系列活动。 电能计量原理框图如图所示。 图 1.1 电能计量原理框图 1 学院本科毕业设计

22、（论文） 电能计量 2 用户供电线路分支是与高压配电系统相连接的，要对这个高压供电系统分支 的电能进行计量，首先要通过电压信号源器件将高电压信号成正比地变为低电压 信号，通过电流信号源器件将大电流成正比地变为小电流信号；然后通过传输线 将这个低电压、小电流信号传输给电能量采样、测量、计算、显示、存储器件。 电压信号源器件一般选用电磁式电压互感器，也有用电容分压器或电阻分压器的， 高新技术选用光电压互感器；电流信号源器件一般选用电磁式电流互感器，高新 技术选用电子式电流互感器、光电流互感器；传输线一般选用电缆，高新技术选 用光缆；电能量采样、测量、计算、显示、存储一般由电能表来完成，高新技术 直

23、接用计算机来取代电能表。 1.2 计量电路部分 本次设计的单相电子式电能表的计量部分主要是针对 ade7755 计量芯片的 电路设计，它是有美国 adi 公司 2003 年研制生产的有功电能单相测量芯片。它 是为单相两线制系统设计的，用来生产低成本、高精度单相电能表。 ade7755 内部包括两路数模转换器（对来自电压、电流传感器的电压信号进 行数字化转换，在电流通道中还设计了 pga 电路，同时还在电流通道中设置了 hpf 电路滤掉直流分量） ，一个基准电压源（其标称值为 2.5v，一般无需外接基 准）和用来计算有功功率的信号处理电路。 瞬时功率是通过电压、电流信号的直接相乘得到的，此瞬时功

24、率信号经过低 通滤波器得到有功功率，再经过数字频率转换器累计脉冲得到有功电能量。 ade7755 的功率脉冲输出是通过对上述有功功率信息的累计产生 p(t)=u(t)*i(t) 式 1.1 w(t)=p(t)= u(t)*i(t) 式 1.2 这个部分主要包括电压拾取电路设计、电流拾取电路设计以及其他部分电路 的设计。 电压拾取电路实际上是一个分压电路，将火线和零线（负荷电压）分压： r23/（r9+r10+r11+r12） ，输入到测量芯片输入端 8 脚。通过电阻分压确保 ade7755 电压通道中信号电压在其工作范围内6。上面带有开关的电阻是一个电 阻调整网络，可在一定范围内调整信号电压的

25、大小。使电能表精度提高。 1 学院本科毕业设计（论文） 电能计量 3 图 1.2 电压拾取电路 图 1.3 电流拾取电路 1 学院本科毕业设计（论文） 电能计量 4 在电流拾取电路中，r26、c15 和 r27、c16 组成两个一阶低通滤波器，滤除 电流通道中的高频分量。c17 是通过 k10 的合开来选择是否作用于系统的，它是 补偿电流信号本身不平衡造成 ade7755 计量电能出现比较大的误差，因此通过 人为造成不平衡，使得系统达到平衡的目的。 ade7755 其他电路部分，包括脉冲计数和电能方向指示。电能脉冲输出为 cf（脚 22） ，经过光耦输出：pulse 电能脉冲，将引入单片机的输

26、入端，进行电 能脉冲累计。revp 输出（脚 20）指示电能方向，电能通过光耦输出。光耦器件 是用来隔离 mcu 电路的。3.579545mhz 是 ade7755 推荐的主时钟频率。 avdd 和 dvdd 两路电源为模拟和逻辑直流正 5v。 电路中 dvdd 和 avdd 通过 c18、c19、r28 组成的滤波电路连接在一起滤 除干扰。选择内部基准电源，在基准电源输出端加上一个滤波电容 c20，防止外 界干扰。 目前广泛使用的电能计量装置包括：计量用电流电压互感器、电能表、互感 器与电能表之间的二次回路、电能计量箱、电能计量集抄设备等。 1 学院本科毕业设计（论文） 电子式电能表 5 2

27、 电子式电能表 2.1 电子式电能表的发展史 世界上最早的电能表是爱迪生于 1880 年利用电解原理发明的直流电能表， 交流电的出现和被利用，对电能计量仪表提出了新的要求。测量直流电能的电能 表多采用电动系测量机构，而用于测量交流电能的电能表则采用感应系测量机构。 电能开发及利用的加快，对电能管理和电能表性能提出了更高的要求，感应 系电能表准确度等级不够高，为使电能计量仪器仪表适应工业现代化和电能管理 现代化迅速发展的需要，电子式电能表应运而生。 电子式电能表是新一代电能表，在近几年得到了用户的普遍认可和接受，使 用逐渐广泛起来。随着电子技术的发展和用户用电管理水平要求的不断提高，电 子式电能

28、表得到了迅猛的发展，成为电能计量不可缺少的重要组成部分。 电子式电能表其测量部分完全由电子元件构成，而且内部时钟部分、电源部 分、显示部分等均由电子元器件构成。电子式电能表由于其构成不同于机械电能 表而得名。由于内部没有可以转动部分也成为静止式电能表。 电子式电能表诞生在 20 世纪 40 年代，由欧洲的公司制造。它的诞生也是得 益于电子技术的发展。在 20 世纪 80 年代之前，电子式电能表并没有显示出它巨 大的生命力和活力，它的应用局限于高精度电能表、标准表和检验装置，其成本 较高，性能和可靠性比机械表并不优越很多。 在 20 世纪 90 年代，电子技术发展迅速，电子式电能表也取得了飞跃的

29、发展， 无论是高档、高精度三相表，还是低档、低精度单相表都有大量的、性能优越的 电子式电能表产品2。电子式电能表在技术上从模拟乘法器到数字乘法器，性能 越来越好，而价格越来越低，大规模批量生产工艺也非常成熟，已形成了一个非 常有活力、欣欣向荣的产业。 2.2 电子式电能表的一般结构与原理 电子式电能表通常由以下几个部分组成：电源部分、显示部分、测量部分、 管理部分、外部设备7。下面简单的介绍以下各部分的功能： （1）测量部分：它接收交流电压、电流信号，将其运算后得到相乘的电功 率信号，电子式电能表的精度和稳定性等主要性能就由此部件决定。它是电子式 1 学院本科毕业设计（论文） 电子式电能表 6

30、 电能表的心脏，一般由模拟乘法器、数字乘法器或 a/d 模拟数转换加高速微处理 器构成。 （2）电源部分：将输入的交流电压整流、降压、滤波后得到直流 5v、12v 等电压等级的电压，供给其他电路。电源部分非常重要，它是电子式电能表工作 的动力源，一般由线性或开关稳压电路构成。 （3）显示部分：将电能量及其他信息显示出来。一般有数码管 led、液晶显 示器 lcd 以及机械计度器三种方式。 （4）管理部分：接收测量部件输出的电功率信号，计算出各种所需的电量， 并且管理显示、时钟、通信接口、数据存储器等部件。一般由单片机或嵌入式计 算机构成其核心。它是电子式电能表的大脑，指挥其他部分完成工作。 （

31、5）外部设备：包括接口部分、外壳等。一般有数字通信接口，用于与其他 设备进行数据交换、抄表、设置表计参数等，常用的有：远红外数字通信接口、 rs485 通信接口、ic 卡读写接口等。 下面是电子式电能表的原理框图工作原理框图 图 2.1 电能表的原理框图 2.3 电子式电能表的功能与分类 2.3.1 电子式电能表的功能 1 计量功能 电子式电能表的计量功能 具体地又分为累计和实时计量两部分。累计计量功 能主要包括累计双向供电的有功电能、无功电能 、视在电能的消耗量、断电 1 学院本科毕业设计（论文） 电子式电能表 7 时间、断电次数等。实时计量包含测量并显示工频电能的所有参数。 2 监视功能

32、监视功能为最大需量和防窃电监视；其次还有缺相指示、停电和复电时间记 录、预付费表的所购电能将用尽时的报警及电压异常报警。 3 控制功能 主要的控制功能为时段与负荷控制。前者用于多费率分时计费；后者则是指 通过接口接收远方控制指令或通过表记内部的编程控制负荷。 4 管理功能 电子式电能表的管理功能包括按时段费率进行计费、预付费提示、为抄表提 供必要信息数据、可参与组网进入电能管理系统等。 5最大需量计量 需量的定义：定长时间的平均功率； 最大需量：需量的最大值。 定长时间也称为需量周期，一般为 5、10、15、30、60 min。 而计算需量的间隔称为滑差步进时间，一般为 1、3、5、15 mi

33、n。 其计量方法为：每个滑差步进时间到时，计算截止到当前时刻的一个需量周 期的平均功率，并且与最大值进行比较。如需量周期为 15 min，滑差步进时 间为 5 min，即每 5 min 计算一次当前 15 min 的平均功率，并且与最大值进行 比较，如果大于最大值，将其记录为最大需量，如图为最大需量计算说明。 功率 15 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 时间(min) 图 2.2 功率分布 如图所示，电能表从 0 min 开始计算需量，每 5 min 计算一次最大需量，当第 50 min 计算时达到最大值。国内只需要计

34、量有功最大需量，并依此进行收费。国 外有计量视在最大需量的需求。最大需量也需要分时计量。最大需量为一个月的 1 学院本科毕业设计（论文） 电子式电能表 8 最大值，过月时，要求将当月最大值保留到上月，而当前最大值清零重新开始计 量。一般要求记录多个月最大需量。 2.3.2 电子式电能表的分类 一电能表按所测电能种类分，可分为有功电能表、无功电能表、直流电能 表三种。后者一般用于特殊行业，不用于电力贸易计量。有功电能表计量用户实 际消耗的电能 w有，这些电能已经不可逆转的变成了机械能、热能、光能、化学 能、生物能等5。无功电能表用于计量用户的无功电能 w无。 无功不是用户消 耗的电能而是用户曾经

35、存储起来的电能，这部分电能会与电网进行能量交换。计 量无功的目的，是要核算一个抄表期内的平均功率因数 ，即平均力率，即 式 2.1 用户消耗的无功越多，平均功率因 数就越低，配电网在为用户输送这些无功电能 时，要增加的线损就越多，增加了供电成本。因此在电费结算时要对功率因数进 行考核。 二电能表按相别和接线方式分，可分为单相、三相三线制和三相四线制三 种。 三按电压等级分可分为高压表（额定线电压为 100v）和低压表（额定相电 压统一为 220v）两种。 四按电流的测量范围来分，可分为直通表和经电流互感器接入两种。 五按准确度等级分，可分为 0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5

36、、1.0、2.0、3.0 级等等。准确度等级的数字越小 准确度等级越高。 六按结构原理分，可分为感应式电能表、全电子式电能表、机电一体化电 能表。 七按测量功能分，可分为分时计费电能表、最大需量电能表、预付费电能 表、集抄电能表、多功能电等能表等。 2.4 各种电能表的比较 感应式电能感应式电能表已有 100 多年的历史，其工艺成熟，价格低廉，过载能力强， 可靠性好，可视性好，但由于元件磨损、灰尘增多、电磁性能变差等因素的影响， 准确度等级不高，不易实现自动化，可是目前国内乃至国外，尤其是在农村电网 及三相低压中，感应式电能表还占有相当大的市场。 222 /1 1 无有 无有 有 wwww w

37、 cos 1 学院本科毕业设计（论文） 电子式电能表 9 全电子式电能表全电子式电能表因其内部没有可动部件，无机械摩擦而准确度高，灵敏度高， 使用寿命长，易实现自动化计量，可实现遥测遥控，实现数据自动分析统计，计 量中可排除人为因素干扰，功能多，数据可存储，便于无纸化抄核收作业，便于 远方集中抄表。目前单相表选用全电子式电能表已经很普遍。 机电一体化电能表机电一体化电能表又称为脉冲电能表，它综合了感应式及全电子式电能表的 优点。该表型的电能采样，仍然有感应式母表完成，这部分的结构与一般感应式 电能表相同，用字轮显示电度数。 1 学院本科毕业设计（论文） 电子式电能表 10 3 单相电子式电能表

38、的硬件设计 3.1 电子式电能表的硬件框图及结构 本电能表的硬件电路由电源电路设计、计量电路设计、通讯电路设计、 mcu（管理电路设计）及其它部分电路设计四大部分组成。 其中核心部分是计量电路的设计，这也是电子式电能表计量功能的体现，它 是电能表计量准确性的关键部分，但其他部分也是缺一不可的，他们相辅相成， 特别是单片机控制器，它是电能表的灵魂，实现系统中各个部件协调控制。 i2c 总线 图 3.1 硬件框图 计量芯片电路 （ade7755） mcu 部分 （89lpc931） 被测电压 拾取电路 被测电流 拾取电路 rs-485 通讯 信道 系统掉电 检测 lcd 驱动器 （pcf8576）

39、 lcd 显示器 存储器 eeprom 24wc08 实时时 钟 8025 指示灯 1 学院本科毕业设计（论文） 单相电子式电能表的硬件设计 11 3.1.1 电源电路部分 电源电路为了提高系统的抗干扰性、可靠性，分为三个独立的电源，使计量 电路，rs-485 通讯和 mcu 的电源相互隔离，达到互不影响的目的，但是它们属 于同一个变压器，所以选择变压器的时候要注意，如图 3.2。 (a) (b) (c) 图 3.2 电源部分结构 在计量部分，ade7755 芯片是一个数模混合的电路，因此设计比较困难，要 想达到良好的计量效果，要采取一定的抗干扰措施，如数字地和模拟地在 pcb 板 上单点连接

40、，特别是在对电流、电压采样的电路直接接在外部线路上，干扰比较 严重。 i2c 总线在整个系统中占有重要的作用，它关系到 lcd 显示、电量数据存储、 时间和日期的读取等等，它是 mcu 与外部设备的接口，是 mcu 获取信息的 窗 口4。 在通讯电路中，在通讯发生时 mcu 要接受通讯帧，判断是否正确，并执行 通讯命令。 从上面简单的分析可以看出，mcu 是系统的控制器，起着决定性的作用。 3.1.2 输入变换电路 电子式电能计量仪表中必须有电压和电流输入电路。输入电路的作用，一 方面是将被测信号按一定的比例转换成低电压、小电流输入到乘法器中；另一方 面是使乘法器和电网隔离，减小干扰。 （一）

41、电流输入变换电路（一）电流输入变换电路 要测量几安培乃至几十安培的交流电流，必须要将其转变为等效的小信号 交流电压（或电流） ，否则无法测量。直接接入式电子式电能表一般采用锰铜分 流片；经互感器接入式电子式电能表内部一般采用二次侧互感器级联，以达到前 级互感器二次侧不带强电的要求。 1锰铜片分流器 以锰铜片作为分流电阻 rs，当大电流 i(t)流过时会产生相应的成正比的微弱 电压 ui(t)，其数学表达式为 ui(t)i(t)r 式 3.1 mcu 及其相关部 分电源电路 计量电源电路rs-485 通讯电 源电路 1 学院本科毕业设计（论文） 单相电子式电能表的硬件设计 12 该小信号 ui(

42、t)送入乘法器，作为测量流过电能表的电流 i(t)。 锰铜分流器和普通电流互感器相比，具有线性好和温度系数小等优点。锰铜 分流器 a 选用 f2 锰铜片，厚度 2mm，取样电阻 rs 选 175，则当基本电流为 5a 时，1、2 之间的取样信号 ui0.875mv。 2电流互感器 采用普通互感器（电磁式）的最大优点是电能表内主回路与二次回路、 电压和电流回路可以隔离分开，实现供电主回路电流互感器二次侧不带强电，并 可提高电子式电能表的抗干扰能力。其原理框图如图 3.3 所示。 l l i (t ) n 2 i t(t ) r l u i(t ) （a） （b） 图 3.3 电流互感器电气原理图

43、 （）穿线式；（b）接入式 i(t)ki it(t) 式 3.2 式中 i(t)流过电能表主回路的电流； it(t)流过电流互感器二次侧的电流； ki电流互感器的变比。 式 3.3 式中 u(t)送往电能计量装置的电流等效电压； rl负载电阻。 （二）电压输入变换电路（二）电压输入变换电路 和被测电流一样，上百伏（100v 或 220v）的被测电压也必须经分压器或电 压互感器转变为等效的小电压信号，方可送入乘法器。电子式电能表内使用的分 压器一般为电阻网络或电压互感器。 1电阻网络电阻网络 l i lt r k ti rtitu )( )()( l l i (t ) n 2 i t(t ) r

44、 l u i(t ) 1 学院本科毕业设计（论文） 单相电子式电能表的硬件设计 13 采用电阻网络的最大优点是线性好、成本低，缺点是不能实现电气隔离。 实用中，一般采用多级（如 3 级）分压，以便提高耐压和方便补偿与调试。典型 接线如图 3.4 所示。 图 3.4 典型电阻网络线路图 2电压互感器电压互感器 采用互感器的最大优点是可实现一次侧和二次侧的电气隔离，并可提高电能 表的抗干扰能力，缺点是成本高。其电路图如图 3.5 所示。 u(t)ku uu(t) 式 3.4 式中 u(t)被测电压； uu(t)送给乘法器的等效电压。 + - + - u( t )u( t )n 1 n 2 图 3.

45、5 电压互感器电路图 3.1.3 乘法器电路 模拟乘法器是一种完成两个互不相关的模拟信号（如输入电能表内连续变化 的电压和电流）进行相乘作用的电子电路，通常具有两个输入端和一个输出端， 是一个三端网络，如图 3.6 所示。理想的乘法器的输出特性方程式可表示为 u0（t）kux(t)uy(t)， 式 3.5 式中 k是乘法器的增益。 1 学院本科毕业设计（论文） 单相电子式电能表的硬件设计 14 u x(t) uy(t) u x(t) uy(t) uo(t) uo(t) x y 图 3.6 乘法器表示方式 从乘法的代数概念出发，乘法器具有四个工作区域，由它的两个输入电压 极性来确定。根据两个输入

46、电压的不同极性，乘积输出的极性有四种组合，可以 用图 3.7 平面中的四个象限来具体说明。凡是能够适应两个输入电压极性的四种 组合的乘法器，称为四象限乘法器9。若一个输入端能够适应正、负两极性电压， 而另一个输入端只能适应单一极性电压的乘法器，则称为二象限乘法器。若乘法 器在两个输入端分别限定为某一种极性的电压能正常工作，它就是单象限乘法器。 iii iiiiv (-)*(+)=(-)(+)*(+)=(+) (-)*(-)=(+)(+)*(-)=(-) -x maxx max -y max y max o 图 3.7 模拟乘法器的工作象限图 实现两个输入模拟量相乘的方法有多种多样。乘法器是电子

47、式电能表的 核心部分，并非每一种乘法器电路都能适用电子式电能表，下面介绍电子式电能 表中常用的乘法器。 （一）时分割乘法器 时分割模拟乘法器的工作过程实质上是一个对被测对象进行调宽调幅的 工作过程。它在提供的节拍信号的周期 t 里，对被测电压信号 ux作脉冲调宽式处 理，调制出一正负宽度 t1、t2之差（时间量）与 ux成正比的不等宽方波脉冲， 即 t2t1k1ux；再以此脉冲宽度控制与 ux同频的被测电压信号 uy的正负极性 持续时间，进行调幅处理，使 uk2uy；最后将调宽调幅波经滤波器输出，输出 电压 u0为每个周期 t 内电压 u 的平均值，它反映了 ux、uy两同频电压乘积的平 1

48、学院本科毕业设计（论文） 单相电子式电能表的硬件设计 15 均值，实现了两信号的相乘，输出的调宽调幅方波如图 3.8 所示。 u u x u y t u o t 1 t 2 t 图 3.8 调宽调幅波示意图 也有的时分割乘法器对电流信号 ix、iy进行调宽调幅处理，输出的直流 电流信号 i0表示电流 ix、iy乘积的平均值。前者称为电压平衡型时分割乘法器， 后者称为电流平衡型时分割乘法器。 采用三角波作为节拍信号的电压型时分割乘法器的电路原理下所示。被测电 压转换为 ux，被测电流转换成电压 uy。电路的上半部分是调宽功能单元，下半部 分是调幅功能单元。由运算放大器 n1 和电容 c1组成积分

49、器，对经 r1、r2输入 的电流作求和积分；un和un是正、负基准电压，在电路的设计中，基准电压 un的幅值应比输入电压 ux大得多；s1、s2为两个受电平比较器控制并同时动作 的开关；电平比较器是具有两个稳态的直流触发器；运算放大器 n2、电阻 r4和 电容 c2组成了滤波器。积分输出电压 u1和三角波发生器产生的节拍三角波电压 u2都加到电平比较器上，当 u1u2时，电平比较器输出低电平，s1、s2分别接 un、uy；当 u1u2，达到 b 点时，u1u2。 由于三角波电压继续向上变化，致使 u1u2，电平比较器输出低电平，s1接通 un，电压 u1再次向下变化。如此反复，积分器输出电压

50、u1呈锯齿波形。 设开关 s1接通un的时间为 t1，接通un的时间为 t2，且 t1t2t。当 系统达稳态时，积分器在 t1、t2时间段内的总积分电荷量应为零，即 1 学院本科毕业设计（论文） 单相电子式电能表的硬件设计 16 式 3.6 式 3.7 式 3.8 即开关 s1接通un、un的时间差（t2t1）与输入电压 ux成正比。 u x 积分器输出u 1 角波 u 2 比较器输出u 3 零电平 u o u t t 1 t 2 t 1 t 2 t 3 a b c 图 3.9 三角波信号的时分割乘发器波形图 2调幅功能单元调幅功能单元 开关 s2在比较器的控制下与 s1同时动作， 在 t1期

51、间接通 uy，输出电压 u 为uy，在 t2期间接通uy，输出电压 u 变为uy。经滤波器输出后， 得到电压 u0为 u 的反向平均值 0 2 21 1 21 t r u r u t r u r u nxnx x n u ur tr tt 1 2 21 0)()( 21 2 21 1 tt r u tt r u nx 1 学院本科毕业设计（论文） 单相电子式电能表的硬件设计 17 式 3.9 即输出电压 u0 与 ui 成正比，因此整个电路是一个实现了 u、i 乘积运算的乘 法器，它的输出相应于 ui 乘积的平均值，亦即平均功率。 在调宽电路中，受积分器积分电荷总量平衡条件的约束，对 ux的最

52、大幅值有 一定限制，它的正边界是当 t10、t2t 时un所能平衡的 ux值，负边界是当 t1t、t20 时un 所能平衡的 ux 值，因此 ux 的幅值应满足条件 2 1 r ur n x u 2 1 r ur n 式 3.10 至于 uy，其输入幅值仅受为获取uy的倒相器的动态范围所限制。 目前在全电子式电能表制造业中，采用时分割模拟乘法器的占有相当大比例。 与其他类型的模拟乘法器相比，时分割模拟乘法器的制造 技术比较成熟且工艺性好，原理较为先进，具有更好的线 性度，其最突出的优点是具有较高的准确度级别，可达到 0.01 级，基本上解决了如何提高准确度的问题。其主要缺点是带宽较窄，仅为数

53、百赫兹。 （二）数字乘法器（二）数字乘法器 微处理器在全电子式电能表中主要用于数据处理，而在其测量机构中的应用 并不多。随着芯片速度的提高和外部接口电路的更加成熟，微处理器的功能将得 到充分发挥和扩展。可以预计， 应用数字乘法器技术来完成功率 电能测量的前景十分广阔。采 用数字乘法器，由计算机软件来完成乘法运算，可以在功率因数为 01 的全范 围内保证电能表的测量准确度。这是多种模拟乘法器难以胜任的。采用数字乘法 器的全电子式电能表的基本结构框图如图 3.10 所示。 微处理器控制双通道 ad 转换，同时对电压、电流进行采样，由微处 理器完成相乘功能并累计电能。平均功率表示为 式 3.11 式

54、中 t交流电压、电流的周期。 稳压电源外部接口 cpu 显示及键盘 rom ram 双通道a/d转换 电压 电流 图 3.10 数字乘法器的电能表结构框图 uiukuuu ur r t tt uu yxyx n y 1 221 0 n k kiku t p 1 )()( 1 1 学院本科毕业设计（论文） 单相电子式电能表的硬件设计 18 以t 为时间间隔将上式中的积分做离散化处理，即对电压、电流同时进 行采样，则 式 3.12 其中： tnt 这就是用软件计算被测平均功率即有功功率的数学模型。从上式可以看出， 平均功率的计算与功率求解过程与功率因数无关，因此，可以得出采用数字乘法 器的全电子式

55、电能表的电能测量与功率因数无关的结论，这是这类电能表的一个 重要特点。 ad 转换器的准确度一般较高，其转换误差可以忽略。通过软件来完成采 样及乘法计算的准确度与t 的选取有关。t 越小，准确度越高，但计算量将增 加，且会使实时性变差。由采样理论可知，连续信号离散后得到的时间序列不丢 失原信号的信息，不仅采样频率要满足奈奎斯特定律，而且必须等分连续的信号 周期，否则会产生测量误差。为此采用软件锁相技术将采样频率自动地锁定在输 入信号频率的 n 倍上，这样可以在输入频率发生变化时自动调整采样间隔，使时 钟的漂移变化也不会给测量带来误差。 使用微处理器技术制造全电子式电能表的前景十分看好，但成本高

56、是其商品 化的一个主要障碍；数字乘法器的发展还要依靠于电路的集成和芯片价格的降低， 但其功能强大、性能优越，在未来先进的电能管理领域中一定会广为应用。 3.1.4 电压频率转换器 目前采用的电压频率转换器，大多是利用积分方式实现转换。电子式电能 表常用的双向积分式电压频率转换器的原理电路如图 3.11 所示。运放 n 和电 容 c 组成积分器，上下电平比较器有两个比较电平 u1、u2。输出电压波 形如图 3.12 所示。当开关 s 接通u1 时，电容 c 充电，输 出电压 u0 往负向变化（ab 段） ；当达到比较器的下限电平 u2 时，比较器控制开 关 s 接通u1，c 放电，电压 u0 往

57、正向变化；当达到比较器的上限电平 u1 时， s 再次接通十 u1，如此反复，达稳态后，便得到了周期为 t 的三角波。由于 ab 段和 cd 段的积分斜率是一样的，故积分时间也相等，均为 t/2。根据积分器输入、 输出电压关系 式 3.13 得到输出电压 u0 的频率 t dttitu t p 0 )()( 1 2 1 21 t rc u uu 1 学院本科毕业设计（论文） 单相电子式电能表的硬件设计 19 式 3.14 即输出频率 f 与输入电压 u1成正比。 倒相器 上下电平 比较器 +u i -u i r u s c n u o - + u i 图 3.11 双向积分式电压频率转换器的原

58、理电路图 图 3.12 双向积分式电压频率转换器的波形图 这种电压频率转换器的主要特点是输出频率较低，选择高稳定性的 r、c 元件，可使其准确度长期保持在0.1的水平。 3.1.5 分频计数器 在机电式电能表中，由光电转换器将电能信号转换成脉冲信号；而在电子式 电能表中，电能信号转化成相应脉冲信号的工作是由乘法器及电压频率转换器 完成的。这两种脉冲信号在送入计数器计数之前，需要先送入分频器进行分频， 以降低脉冲频率8。这样做，一方面是为了便于取出电能计量单位的位数（如百 分之一度位） ；另一方面是考虑到计数器长期计数的容量问题。 ii uu uurct f )(2 11 21 1 学院本科毕业

59、设计（论文） 单相电子式电能表的硬件设计 20 所谓分频，就是使输出信号的频率分为输入信号频率的整数分之一；所谓计 数，就是对输入的频率信号累计脉冲个数。 在电子式电能表中，分频器和计数器一般采用 cmos 集成电路器件。这是因 为集成电路器件工作可靠性、抗干扰能力、功率消耗、电路保安和机械尺寸等一 系列指标均优于分立元器件组成的电路。 图 3.13 为分频计数器原理框图和脉冲波形。图中电压频率转换器送来的 脉冲信号 fx 经整形电路整形后，可输出一系列规则的矩形波，并输入到控制门， a 点的波形如图所示。把由石英晶体振荡器产生的标准时钟脉冲信号经分频后作 为时间基准。分频后的标准时钟脉冲信号

60、，如图 b 点的波形也送至控制门，于是 控制门打开，将计数脉冲输出，得到如图 c 点的波形。计数器可记录时间 t 内通 过控制门的脉冲数，每一个脉冲所代表的电量数经计算确定后，便可经译码电路 由显示器显示出来。 整形 电路 石英 振荡器 控制门 分频器 计数器 数码管 显示 f xo ac b (a) a b c (b) 图 3.13 分频计数器原理框图 （a）框图；（b）脉冲波形 3.2 电源电路部分 1 学院本科毕业设计（论文） 单相电子式电能表的硬件设计 21 单相电子式电能表的电源电路为三个部分：电量计量电源电路、rs-485 通讯 电源电路、mcu 及其相关部分电源电路。 电源是保证