电子式智能单项电表毕业论文

1、 . 40/50 . 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与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和电能管理现代化飞速发展的需求电子式电

2、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与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与它的发展情况，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、管理电路与其它部分电路四大部分着手介绍了各部分的原理与电路图，并对它们分别作了

3、讲解。关键词：电能表 电子式 单相式 RS485 多功能AbstractElectricity 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, electricity position is very important. Electricity measurement

4、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 efficiency of power management and scientific and cultural level.

5、 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, optimizing the process of development. As a special measuring electric

6、 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 meter arises at the historic moment.This design single-phase

7、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 - 485 distance communication. This design is muti_function si

8、ngle-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 communication interface.The design of the function and classificati

9、on 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 structure has made the detailed description, separately from the

10、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-hour,meterelectronic ,Single-phase type, RS485 ,multi-function毕业设计（论

11、文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：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与取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得与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意。作 者 签 名：日 期：指导教师签名： 日期：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

12、；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容。作者签名： 日 期：学位论文原创性声明本人重声明：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容外，本论文不包含任何其他个人或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

13、阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分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 与格 不与格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 与格 不与格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 与格 不与格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 与格 不与格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良

14、 中 与格 不与格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规？ 优 良 中 与格 不与格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订与附件）？ 优 良 中 与格 不与格三、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 与格 不与格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 与格 不与格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 与格 不与格建议成绩：优 良 中 与格 不与格（在所选等级前的画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否

15、符合撰写规？ 优 良 中 与格 不与格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订与附件）？ 优 良 中 与格 不与格二、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 与格 不与格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 与格 不与格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 与格 不与格建议成绩：优 良 中 与格 不与格（在所选等级前的画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）与教学系意见教研室（或答辩小组）评价：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 与格 不与格2、

16、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 与格 不与格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 与格 不与格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规？ 优 良 中 与格 不与格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订与附件）？ 优 良 中 与格 不与格三、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 与格 不与格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 与格 不与格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 与格 不与格评定成绩：优 良 中 与格 不与格（在所选等级前的画“”）教研室主任（或答辩小组组长）：

17、（签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc28409 摘要 PAGEREF _Toc28409 I HYPERLINK l _Toc12211 Abstract PAGEREF _Toc12211 II HYPERLINK l _Toc2518 1 电能计量基本概念1 HYPERLINK l _Toc20905 1.1 电能计量装置1 HYPERLINK l _Toc13802 1.2 计量电路部分 PAGEREF _Toc13802 2 HYPERLINK l _Toc23211 2 电子式电能表 PAG

18、EREF _Toc23211 5 HYPERLINK l _Toc10699 2.1 电子式电能表的发展史 PAGEREF _Toc10699 5 HYPERLINK l _Toc11885 2.2 电子式电能表的一般结构与原理 PAGEREF _Toc11885 5 HYPERLINK l _Toc3059 2.3 电子式电能表的功能与分类 PAGEREF _Toc3059 6 HYPERLINK l _Toc11471 2.3.1电子式电能表的功能 PAGEREF _Toc11471 6 HYPERLINK l _Toc27360 2.3.2 电子式电能表的分类 PAGEREF _Toc2

19、7360 8 HYPERLINK l _Toc10224 2.4各种电能表的比较 PAGEREF _Toc10224 8 HYPERLINK l _Toc16233 3 单相电子式电能表的硬件设计 PAGEREF _Toc16233 10 HYPERLINK l _Toc12210 3.1电子式电能表的硬件框图与结构 PAGEREF _Toc12210 10 HYPERLINK l _Toc4775 3.1.1电源电路部分 PAGEREF _Toc4775 10 HYPERLINK l _Toc1672 3.1.2输入变换电路 PAGEREF _Toc1672 11 HYPERLINK l _

20、Toc27671 3.1.3乘法器电路 PAGEREF _Toc27671 13 HYPERLINK l _Toc29060 3.1.4电压频率转换器 PAGEREF _Toc29060 19 HYPERLINK l _Toc4581 3.1.5分频计数器 PAGEREF _Toc4581 20 HYPERLINK l _Toc26106 3.2 电源电路部分 PAGEREF _Toc26106 21 HYPERLINK l _Toc13442 3.3 通讯部分 PAGEREF _Toc13442 24 HYPERLINK l _Toc26944 3.4 MCU与其它相关部分 PAGEREF

21、_Toc26944 25 HYPERLINK l _Toc10226 4 单相电子式电能表的软件设计 PAGEREF _Toc10226 27 HYPERLINK l _Toc23368 4.1 电能表的软件系统结构框图 PAGEREF _Toc23368 27 HYPERLINK l _Toc8306 4.2 电能表的程序流程图 PAGEREF _Toc8306 29 HYPERLINK l _Toc21859 毕业设计小结 PAGEREF _Toc21859 31 HYPERLINK l _Toc11466 参考文献 PAGEREF _Toc11466 32 HYPERLINK l _To

22、c17581 致 PAGEREF _Toc17581 33 HYPERLINK l _Toc16748 附录一（电路图） PAGEREF _Toc16748 34 HYPERLINK l _Toc20608 附录二（程序） PAGEREF _Toc20608 351 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

23、电能的数量，这个装置就是电能计量装置。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与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与其量值准确、可靠的一系列活动。电能计量原理框图如图所示。图1.1电能计量原理框图用户供电线路分支是与高

24、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

25、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

26、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与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电压通道号电压在其工作围6。上面带有开关的电阻是一个电阻调整网络，可在一定围调整信号电压的大小。使电能表精度提高。图1.2电压拾取电路 图1.3电流拾取电路在电流拾取电路中，R26、C15和R27、C16组成两个一阶低通滤波器，滤除电

27、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

28、电路连接在一起滤除干扰。选择部基准电源，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。2 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。电能开发与利用的加快，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

29、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

30、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

31、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：将电能量与其他信息显示出来。一般有数码管LED、液晶显示器LCD以与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

32、心。它是电子式电能表的大脑，指挥其他部分完成工作。（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。 监视功能监视功能为最大需量和防窃电监视；

33、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与电压异常报警。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部的编程控制负荷。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 min。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

34、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5 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。国只需要计量有功最大需量，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最大值，过月时

35、，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

36、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、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

37、表、多功能电等能表等。2.4各种电能表的比较感应式电能表已有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，可是目前国乃至国外，尤其是在农村电网与三相低压中，感应式电能表还占有相当大的市场。全电子式电能表因其部没有可动部件，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。 机电一体化电能表又称为脉冲电能表，它综合

38、了感应式与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一样，用字轮显示电度数。3 单相电子式电能表的硬件设计3.1电子式电能表的硬件框图与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）与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。MCU部分（89LPC931）系统掉电检测RS-485通讯信道被测电压拾取电路被测电流拾取电

39、路计量芯片电路（ADE7755）指示灯存储器EEPROM24WC08LCD显示器I2C总线实时时钟8025LCD驱动器（PCF8576）图3.1硬件框图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。RS-485通讯电源电路计量电源电路MCU与其相关部分电源电路 (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

40、字地和模拟地在PCB板上单点连接，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）电流输入变换

41、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该小信号Ui(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，

42、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。 （a） （b）图3.3电流互感器电气原理图（）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 和被测电流一样，上百伏（100V或220V）的被测电压也必须经

43、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。电子式电能表使用的分压器一般为电阻网络或电压互感器。 1电阻网络 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 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。图3.5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

44、不相关的模拟信号（如输入电能表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。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

45、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。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

46、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电压u的平均值，它反映了ux、uy两同频电压乘积的平均值，实现了两信号的相乘，输出的调宽调幅方波如图3.8所示。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组成积分器，对经R1、R2输入的电流作

47、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

48、T1T2T。当系统达稳态时，积分器在T1、T2时间段的总积分电荷量应为零，即式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。图3.9三角波信号的时分割乘发器波形图2调幅功能单元开关S2在比较器的控制下与S1同时动作，在T1期间接通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的最大幅值有一定限制，它的正边界是

49、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 式3.10至于uy，其输入幅值仅受为获取uy的倒相器的动态围所限制。 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，仅为数百赫兹。（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

50、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的全围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式中 T交流电压、电流的周期。图3.10数字乘法器的电能表结构框图 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：这就是用软件计算被测平均功

51、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与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，

52、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

53、通U1，C放电，电压U0往正向变化；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的频率式3.14即输出频率f与输入电压U1成正比。图3.11 双向积分式电压频率转换器的原理电路图 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

54、，电能信号转化成相应脉冲信号的工作是由乘法器与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。 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

55、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，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。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与其相关部分电源电路。电源是保证电能表正常运行的先决条件，因此在进行

56、电源电路设计时要考虑多方面因素，如设计原理的正确性、电源容量的冗余量，要选择合适的元件参数。不能以马马虎虎的态度去解决。下面为各部分电路的电源电路设计图：电量计量电源电路和RS-485通讯电源电路都通过将压、整流、稳压和滤波四个环节，得到5V的直流电压。整个电源电路是以78L05这个稳压芯片进行设计的，是一种串联的稳压电路。图3.14电量计量电源电路 图3.15 RS-485通讯电源电路图3.16MCU与相关部分电源电路通过电网输入220V的交流电源，通过变压器TR1降压，在5、6端产生12V的交流电压，通过AB1全波整流与C1、TR2、C2、E1滤波，其中C1、TR2、C2构成滤波网络，产生

57、一个带有一定脉动分量的直流电。然后通过并联稳压集成电路LM317，同时调整R1、R2的比值，以得到所需的电压值3.9V。图3.17电源监测电路在上电的时候，如果上电缓慢，单片机会出现复位错误，从而导致程序不能正确运行。为了解决这个问题，必须采用快速上电的方法，我采用MAX809电源监控芯片，当上电电源达到电压门槛时，T1三极管导通，开通电源通道，达到MCU快速上电的目的，VCC的电压为3.9V-0.7V=3.3V。3.3 通讯部分本次设计的单相电子式电能表采用RS485通讯信道，RS485通讯信道是用来和其他电能表组成RS485通讯网络，实现远程网络抄表。RS485通讯接口距离远、抗干扰能力强

58、、半双工通信以与可以实现总线方式传送数据，非常简单实用，在电能表通信中得到了广泛的使用。半双工通信是指可以双向通信，数据传送方向可以从A到B，也可以从B到A，但同一时刻只能是一个方向。发送器 接收器BA数据图3.18传送简图RS485通讯电路是通过3个光耦器件对单片机电路和RS485总线电路进行隔离的，提高系统的抗干扰能力，电路中的TVS1管并联在RS485A总线和RS485B总线的两端，对电路瞬态起保护作用。R39和R40是偏置电阻，进行网络失效保护。JP2接口是要进行瞬变脉冲和静电干扰的。图3.19光电隔离简图3.4 MCU与其它相关部分MCU是选用89LPC931这种单片机，这部分电路有

59、LCD显示电路、实时时钟电路、存储器与掉电保护等组成。实时时钟选用的是日本EPSON公司于2003推出的8025时钟芯片，置高精度频率可调整的32768HZ的水晶振子，无须外接晶体，使用简便、精度高。它是一个I2C总线接口的芯片，最高时钟频率为400HZ，通信速率较高，它的I2C地址是60H。具有定时功能和闹钟功能。MCU通过I2C总线读写8025芯片的寄存器，设置芯片的工作状态，校正当前时间和日期，8025时钟芯片是一种低功耗、宽电压围工作的芯片，在工作电源为3V时，工作电流为0.48uA，在1.7V-5.5V正常工作，同时能够检测晶振的情况和微调晶振的频率。8025芯片应设置输出1S中的时

60、钟脉冲信号，为了保证时间和工作的连续性，应保证电源不断电。8025引脚说明：NC-空引脚；SCL-I2C数据串行传输同步时钟输入；FOUT-32768HZ时钟频率输出；TEST-测试用，正常使用时接到VDD；VDD-工作电源输入；FOE-控制FOUT的输出：当为高时，输出32768HZ时钟信号；当为低时，不输出时钟信号；/INTA-定时输出A脚，输出闹钟中断（ALARM-W）或定时到信号地；SDA-I2C数据串行传输数据引脚（输入/输出）图3.20显示电路I/O分配 存储器选用的是支持I2C总线的可檫写E2PROM，型号是24WC08，可以随时读写，而且在掉电后数据仍然保存不变。这种存储器的数