毕业论文：单相费控智能电表设计研究

毕业论文：单相费控智能电表设计研究

摘 要
电能表是我国电工仪表行业中产量最大的产品，随着高新技术尤其是电子信息技术的快速发展，电子式、多功能、高精度、多费率，自动抄表等产品的优势突显，且已经逐步成为电能表发展的主流，智能电表具有数据的保护，报警功能，断电显示，负荷的控制，防窃电系统等功能，从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件，从而取消了电表上长期使用的机械部件，随着智能化电表的发展，将最终取代传统在用户中的使用。
然而，据调查，在我国现有的远程自动抄表系统中，很少采用这种重新设计的方案，大多缘于节约费用，而采用在老式计量表的基础上加以改造的方法。随着电子技术、传感技术、自动控制技术和计算机技术的发展，单片机技术作为计算机技术的一个分支，广泛应用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器，甚至电子玩具等各个领域。考虑到本题设计目的不仅为了实际应用，同时还要作为教学模型，系统采用8051单片机实现电力参数的交流采样，通过算法运算后获得的电压、电流、有功功率、功率因数等电力参数有较好的精确度和稳定性。通过LED显示器显示电压、电流、电度的实时值，当过压30%、过流30%、欠压30%时进行声光报警，并能通过串行口结合有关通信协议，实时与管理计算机进行通信实现远程户外抄表。


关键词：单相费控智能电表； 远程抄表； 单片机；交流采样

ABSTRACT

The electrical energy meter is in our country electrician measuring appliance profession the output biggest product, along with the high technology and new technology electronic information technologys fast development, the electronic formula, multi-purpose, the high accuracy, the multi-taruffs, copies product and so on table superiority to underline automatically particularly, and already gradually became the electrical energy table development the mainstream. The intelligent electric instrument has the data protection, the warning function,the power failure demonstration, the load control,against steals the electric work energy, long-distance copies functions and so on table system, use take the integrated circuit from the measurement to the data processing as the core electronic device, thus has cancelled on the electric instrument the
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计。在抄表方式上，使用远程自动抄表系统，解决了传统手工抄表方法存在的速度慢、可靠性差、自动化程度低等问题。经过几年的实际应用，收到了较好的效果，已成为我国用电管理的主流。

1.3 电表的工作原理：
（1）“机械电度表基本原理”
传统电度表值感应式的机械电度表（简称感应式表或机械表），它利用的是电磁感应原理，主要由电压线圈、电流线圈、铝盘、永久磁铁、计度器等器件构成。其工作原理为：根据电磁感应原理，电表通电时，在电流线圈和电压线圈产生电磁场，在铝盘上形成转动力矩，通过传动齿轮带动计度器计数，电流电压越大，转矩越大，计数越快，用电越多，铝盘的转动力矩与负载的用功功率成正比。电表常数，指计量每单位电能值时对应铝盘转过的圈数，单位是转/千瓦.小时。
（2）“电子电度表基本原理”
电子式电度表是利用电子电路/芯片来测量电能：用分压电阻或电压互感器将电压信号变成可用于电子测量的小信号，用分流器或或电流互感器将电流信号变成可用于电子测量的小信号，利用专门的电能测量芯片将变换好的电压、电流信号进行模拟或数字乘法，并对电能表进行累计，然后输出频率与电能成正比的脉冲信号；脉冲信号驱动步进马达带动机械计度器显示，或送微分计算机处理后进行数码显示。
1.4 智能电表的发展趋势
智能化电表，大体上可分为两种类型：带有微处理器的机电式和全电子式。机电式借用原感应式电度表的机芯，通过光电传感器读取转盘转数来测量用户的用电量，如磁卡式电表、电卡式电表、IC卡电表等：而全电子式电度表则采用电压电流隔离方式，进行A/D转换，将采样值相乘并累计计算用户的用电量，机电式智能电表成本较低，主要用于单相电度表，适合于居民用户使用。全电子式电表主要用于三相电计费，针对企业应用。为了实现远程自动抄表，应选择配有通信接口的智能电表，通常有R5-485、RS-232、CAN总线收发器或红外等几种接口形式。
通信方式远程自动抄表系统的核心是利用计算机网络与通信技术，通过双绞线、电话线、电力线、无线电或红外线等通信方式，自动统计各个用户的用电量，并传送到远程监控中心，实现抄表自动化。电话线方式、电力线载波方式自动抄表系统，ASK（幅频键控）电力载波方式，SC（扩展频谱电力载波）方式的集成电路方案，无线通信方式，基于Lookworks技术的抄表方式等。
1.5 研究方法
要研究智能电表，首先必须搞清楚这个产品的工作原理，当把电能表接入被测电路时，电流线圈和电压线圈中就有交变电流流过，这两个交变电流分别在它们的铁芯中产生交变的磁通；交变磁通穿过铝盘，在铝盘中感应出涡流；涡流又在磁场中受到力的作用，从而使铝盘得到转矩而转到。铝盘转到时，带动计数器，把所消耗的电能指示出来。这就是电能表工作的简单过程。在设计中我们应该对它的功能有一个初步的定位，智能电表，顾名思义是应该再实现电表的基础功能外更加体现它的智能化，它应该具有数据的保护，报警功能，断电的显示，负荷的显示，负荷的控制，防窃电功能，远程抄表系统等功能，在后面的设计中会详细的介绍每个功能实现的方法与步骤。电度表作为电费收取的计量依据，涉及到一个抄表问题，智能电表应该再这一方面显示出它的优越性，在设计中，也应该花大气力解决这个问题，在远程自动抄表系统中，有总线和载波抄表等几种方式，在设计中，更多的用到的是载波方式的抄表，现在国内外厂家使用的电力线载波技术主要有：窄带载波技术及扩频技术。。窄带技术成本低，易于实现，单缺点也比较明显，即抗干扰能力较差。扩频技术具有突出的抗干扰能力和b_m性。
1.6 研究措施、步骤
这次所设计的智能电表属机电式智能电表，它由硬件电路、相应软件及发行系统三部分构成。因此应该分别对智能电表的各个模块分开研究。在硬件电路方面包括接口卡，手持单元及电表费率系统三部分，通过插在微机扩展槽的接口卡，可用手持单元实现与普通微机的连续。电力公司通过普通微机串口输入用户购电信息到手持单元部分，用户再将购电信息用手持单元发送到电表费率系统，由费率系统根据用户购电信息来监视用户用电情况，完成计费，并在适当时候提醒用户购电。手持单元主要完成以下功能：
（1）通过串口接收由微机程序输出的用户购电信息，并将该用户购电信息存储并加密。
（2）准确无误地将用户购电信息用红外方式发送到费率系统。
（3）在发送完用户的购电信息后，系统将自动清除购电信息。
电表费率系统需要完成的功能主要如下：接收手持单元发送的用户购电信息；将新收到的用户购电信息与费率系统的自有用户用电信息进行合并计算以得到新的信息；动态计算以得出剩余电量，并在剩余电量到达警戒值时点亮LED管，以提醒用户购电，并在超额用量到一定值时切断电源。

软件系统包括微机串口通信，内部工作和数据的传送。微机串口通信部分主要完成将用户购电信息通过串口异步通讯适配器UART输出到手持单元部分的单片机中，手持单元数据发射程序主要完成将加密后的用户购电信息发送到电表费率系统。并在确定用户购电信息已无双地被电表费率接收后自动清零。


1.7论文组织

本次内容主要是针对智能电表记录模块的硬件和软件两方面，以五个章节来描述，其中：第二章中，主要讨论了系统总体设计方案选择；第三章介绍了本次设计的难点-电度计量原理，并比较了交流采样和直流采样的优缺点；在第四章中，详细描述了记录模块的硬件组成，并设计出相应硬件电路图，使用Protel画出其PCB；第五章主要讨论记量模块的软件设计。



第二章 方案选择
1.数据采集方案
在自动控制的过程中，最关键的环节之一是数据采集。本系统中，根据采集信号的不同，可分直流采样和交流采样两种。
直流采样，顾名思义，采样对象为直流信号。它是把交流电压、电流信号经过各种变送器转化为0~5v的直流电压，再由各种装置和仪表采集。此方法软件设计简单，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值。但直流采样仍有很大的局限性：
（1）无法实现实时信号的采集；
（2）变送器的精度和稳定性对测量精度有很大影响；
（3）设备复杂，维护难等。
交流采样是将二次测得的电压、电流经高精度的CT、PT变成计算机可测量的交流小信号，然后再送入计算机进行处理。由于这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，因而实时性好，相位失真小。它用软件代替硬件的功能又使硬件的投资大大减小。随着微机技术的不断发展，交流采样必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的直流采样方法。在交流采样当中同样有好几种采样方式:
（1）可以采用中断的方式进行同步采样频率，用多路开关进行电压和电流的切换，采用一片采样保持器和一片AD/转换器就可完成数据的采集，如图2.1所示，但此种方法采集数据的误差较大，且CUP的时间难以分配。

图2.1 采样电路方案一
图2.1采样电路方案一(2)采用定时器中断的方式来精确的确定采样时刻，用两片采样保持器和两片A/D转换器将电压和电流的数据采集通道分开，进行同时采样，这样就彻底消除了因为A/D转的换的时间而无法得到同一时刻的瞬时值而造成的误差。但这种方案与前种方案相比存在硬件开销较大的缺点。如图2.2所示。

图2.2 采样电路方案二

2.系统信号滤波方面同样有两种方案可供选择。
其一、可采用硬件滤波器。此种方案虽简单、实用，但存在的致命缺陷就是时间滞后，且其截止频率难以达到要求。另外硬件投入大，使系统结构复杂化，可靠性下降。其二、可采用数字滤波的方式。这种方法滤波效果好，投入小，实现更加便捷。尤其对于这种对实时性要求较高的系统应采用数字滤波的方案更加合理。
3.在键盘处理中同样也有凡种方案可供选择:
(1)可采用定时扫描的方式。(2)可采用随机扫描的方式。(3)可采用中断响应的方式。以上方法对本系统来说最合适的应属中断的方式，因为对本系统来说采用中断可以节约出大量的CPU时间来做一些比扫描键盘更加紧迫的事情。而只有当需要响应键盘时才‘来扫描键盘。
4.在存储器扩展方面，可以分别扩展ARM和RMO但这样电路复杂且硬件资源浪费较大，且在本系统中又要考虑防掉电数据丢失问题，因此采取扩展一片掉电非易失性外部存储器兼做ARM和ROM这样就可以简化电路，提高了硬件的利用率。




























第三章 电度计量原理

本系统采用8051单片机实现电力参数的交流采样。通过LED显示电压、电流的实时值、电度的累计值。当过压30%、欠压30%时进行声光报警，并能通过串行口与计算机通讯实现实时电源监控。实践证明，采用交流采样方法进行数据采集，通过算法运算后获得的电压、电流、有功功率、功率因数等电力参数有着较好的精确度和稳定性。

若将电压有效值公式

离散化，以一个周期内有限个采样电压数字量来代替一个周期内连续变
化的电压函数值，则

式中:△Tm为相邻两次采样的时间间隔;um为第m一1个时间间隔的电压
采样瞬时值;N为1个周期的采样点数。
若相邻两采样的时间间隔相等，即△Tm为常数 T，考虑到N=(T/ T)+l，
则有

式()l就是根据一个周期各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号
有效值的公式。
同理，电流有效值计算公式如下:



计算有功功率的公式是：

离散化后：

W=PT
式中:mi、um为同一时刻的电流、电压采样值第四章系统的硬件设计












第四章记量模块的硬件设计
4.1单片机的选型
由于MCS一51系列单片机总线技术开放，开发，仿真设备多，价格低廉，同时该系列单片机进入市场的时间早，汇编语言指令书写形式与工NTEL公司8位通用微处理器，如8085接近，很容易被接触过工NTEL通用微处理器汇编语言的用户所接受，因此，在单片机应用中占有一定的地位，也是单片机教学的首选机种之一。
而8051CUP是整个MCS一51系列单片机芯片的基础和核心。它由一个8位通用中央处理器、程序存储器、随机读写数据存储器、常用外围电路等部分组成，其中8位通用CUP的内部结构由算术逻辑单元AUL、累加器A、程序状态字寄存器PwS、堆栈指针PS、寄存器B、程序计数器(指令指针)CP、指令寄存器等部件组成，是8051的核心。在它的内部集成了4KB的掩模RMO，作为程序存储器;此外还有128字节的随机读写存储器，作为数据存储器。它有16条地址线，最大可寻址6K4的地址空间。8条数据线，P0口是地址和数据的公用线。在它内部包含了:一个串行通信接口;两个定时/计数器;可以管理5个中断源、具有两个优先级的中断控制器;由于它具有以上优点，在本系统中亦采用该机型。
4.2接口电路的设计
4.2.1信号检测与传感电路的设计
（1）电压检测电路的设计
电压检测是采用电阻分压的方法取得的。具体做法见下图:

图4.1电压检测电路
通过两只MIQ的大电阻对交流电路进行分压，二极管的正负钳位电压使得送入跟随器的电压在一v5一+5v之间，经过跟随器的隔离之后再通过比例运算放大器的等比例放大，之后送入采样保持器。这样就得到了被测信号。
(2)电流检测电路的设计
电流检测和电压检测不同，电流检测采用了电流互感器，先将电网强电信号进行隔离再通过电压跟随器及反向比例放大器后送入采样保持，从而完成了信号的检测。
4.2.ZA/D转换通道的设计
(1)A/D转换器主要有以下技术指标:
分辨率
A/D转换器的分辨率习惯上以输出二进制数的位数或BDC码位数表
示。与一般测量仪表的分辨率表达方式不同，不采用可分辨的输入模拟电压相对值表示，例如:ADC08Og的分辨率为8位，即该转换器的输出数据可 ……（未完，全文共35894字，当前仅显示6456字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：单相费控智能电表设计研究》）