畢業(yè)論文：單相費控智能電表設計研究

畢業(yè)論文：單相費控智能電表設計研究

摘 要
電能表是我國電工儀表行業(yè)中產(chǎn)量最大的產(chǎn)品，隨著高新技術尤其是電子信息技術的快速發(fā)展，電子式、多功能、高精度、多費率，自動抄表等產(chǎn)品的優(yōu)勢突顯，且已經(jīng)逐步成為電能表發(fā)展的主流，智能電表具有數(shù)據(jù)的保護，報警功能，斷電顯示，負荷的控制，防竊電系統(tǒng)等功能，從計量到數(shù)據(jù)處理都采用以集成電路為核心的電子器件，從而取消了電表上長期使用的機械部件，隨著智能化電表的發(fā)展，將最終取代傳統(tǒng)在用戶中的使用。
然而，據(jù)調查，在我國現(xiàn)有的遠程自動抄表系統(tǒng)中，很少采用這種重新設計的方案，大多緣于節(jié)約費用，而采用在老式計量表的基礎上加以改造的方法。隨著電子技術、傳感技術、自動控制技術和計算機技術的發(fā)展，單片機技術作為計算機技術的一個分支，廣泛應用于工業(yè)控制、智能化儀器儀表、家用電器，甚至電子玩具等各個領域。考慮到本題設計目的不僅為了實際應用，同時還要作為教學模型，系統(tǒng)采用8051單片機實現(xiàn)電力參數(shù)的交流采樣，通過算法運算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等電力參數(shù)有較好的精確度和穩(wěn)定性。通過LED顯示器顯示電壓、電流、電度的實時值，當過壓30%、過流30%、欠壓30%時進行聲光報警，并能通過串行口結合有關通信協(xié)議，實時與管理計算機進行通信實現(xiàn)遠程戶外抄表。


關鍵詞：單相費控智能電表； 遠程抄表； 單片機；交流采樣

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
……（新文秘網(wǎng)http://120pk.cn省略2299字，正式會員可完整閱讀）……　
計。在抄表方式上，使用遠程自動抄表系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)手工抄表方法存在的速度慢、可靠性差、自動化程度低等問題。經(jīng)過幾年的實際應用，收到了較好的效果，已成為我國用電管理的主流。

1.3 電表的工作原理：
（1）“機械電度表基本原理”
傳統(tǒng)電度表值感應式的機械電度表（簡稱感應式表或機械表），它利用的是電磁感應原理，主要由電壓線圈、電流線圈、鋁盤、永久磁鐵、計度器等器件構成。其工作原理為：根據(jù)電磁感應原理，電表通電時，在電流線圈和電壓線圈產(chǎn)生電磁場，在鋁盤上形成轉動力矩，通過傳動齒輪帶動計度器計數(shù)，電流電壓越大，轉矩越大，計數(shù)越快，用電越多，鋁盤的轉動力矩與負載的用功功率成正比。電表常數(shù)，指計量每單位電能值時對應鋁盤轉過的圈數(shù)，單位是轉/千瓦.小時。
（2）“電子電度表基本原理”
電子式電度表是利用電子電路/芯片來測量電能：用分壓電阻或電壓互感器將電壓信號變成可用于電子測量的小信號，用分流器或或電流互感器將電流信號變成可用于電子測量的小信號，利用專門的電能測量芯片將變換好的電壓、電流信號進行模擬或數(shù)字乘法，并對電能表進行累計，然后輸出頻率與電能成正比的脈沖信號；脈沖信號驅動步進馬達帶動機械計度器顯示，或送微分計算機處理后進行數(shù)碼顯示。
1.4 智能電表的發(fā)展趨勢
智能化電表，大體上可分為兩種類型：帶有微處理器的機電式和全電子式。機電式借用原感應式電度表的機芯，通過光電傳感器讀取轉盤轉數(shù)來測量用戶的用電量，如磁卡式電表、電卡式電表、IC卡電表等：而全電子式電度表則采用電壓電流隔離方式，進行A/D轉換，將采樣值相乘并累計計算用戶的用電量，機電式智能電表成本較低，主要用于單相電度表，適合于居民用戶使用。全電子式電表主要用于三相電計費，針對企業(yè)應用。為了實現(xiàn)遠程自動抄表，應選擇配有通信接口的智能電表，通常有R5-485、RS-232、CAN總線收發(fā)器或紅外等幾種接口形式。
通信方式遠程自動抄表系統(tǒng)的核心是利用計算機網(wǎng)絡與通信技術，通過雙絞線、電話線、電力線、無線電或紅外線等通信方式，自動統(tǒng)計各個用戶的用電量，并傳送到遠程監(jiān)控中心，實現(xiàn)抄表自動化。電話線方式、電力線載波方式自動抄表系統(tǒng)，ASK（幅頻鍵控）電力載波方式，SC（擴展頻譜電力載波）方式的集成電路方案，無線通信方式，基于Lookworks技術的抄表方式等。
1.5 研究方法
要研究智能電表，首先必須搞清楚這個產(chǎn)品的工作原理，當把電能表接入被測電路時，電流線圈和電壓線圈中就有交變電流流過，這兩個交變電流分別在它們的鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通；交變磁通穿過鋁盤，在鋁盤中感應出渦流；渦流又在磁場中受到力的作用，從而使鋁盤得到轉矩而轉到。鋁盤轉到時，帶動計數(shù)器，把所消耗的電能指示出來。這就是電能表工作的簡單過程。在設計中我們應該對它的功能有一個初步的定位，智能電表，顧名思義是應該再實現(xiàn)電表的基礎功能外更加體現(xiàn)它的智能化，它應該具有數(shù)據(jù)的保護，報警功能，斷電的顯示，負荷的顯示，負荷的控制，防竊電功能，遠程抄表系統(tǒng)等功能，在后面的設計中會詳細的介紹每個功能實現(xiàn)的方法與步驟。電度表作為電費收取的計量依據(jù)，涉及到一個抄表問題，智能電表應該再這一方面顯示出它的優(yōu)越性，在設計中，也應該花大氣力解決這個問題，在遠程自動抄表系統(tǒng)中，有總線和載波抄表等幾種方式，在設計中，更多的用到的是載波方式的抄表，現(xiàn)在國內外廠家使用的電力線載波技術主要有：窄帶載波技術及擴頻技術。。窄帶技術成本低，易于實現(xiàn)，單缺點也比較明顯，即抗干擾能力較差。擴頻技術具有突出的抗干擾能力和b_m性。
1.6 研究措施、步驟
這次所設計的智能電表屬機電式智能電表，它由硬件電路、相應軟件及發(fā)行系統(tǒng)三部分構成。因此應該分別對智能電表的各個模塊分開研究。在硬件電路方面包括接口卡，手持單元及電表費率系統(tǒng)三部分，通過插在微機擴展槽的接口卡，可用手持單元實現(xiàn)與普通微機的連續(xù)。電力公司通過普通微機串口輸入用戶購電信息到手持單元部分，用戶再將購電信息用手持單元發(fā)送到電表費率系統(tǒng)，由費率系統(tǒng)根據(jù)用戶購電信息來監(jiān)視用戶用電情況，完成計費，并在適當時候提醒用戶購電。手持單元主要完成以下功能：
（1）通過串口接收由微機程序輸出的用戶購電信息，并將該用戶購電信息存儲并加密。
（2）準確無誤地將用戶購電信息用紅外方式發(fā)送到費率系統(tǒng)。
（3）在發(fā)送完用戶的購電信息后，系統(tǒng)將自動清除購電信息。
電表費率系統(tǒng)需要完成的功能主要如下：接收手持單元發(fā)送的用戶購電信息；將新收到的用戶購電信息與費率系統(tǒng)的自有用戶用電信息進行合并計算以得到新的信息；動態(tài)計算以得出剩余電量，并在剩余電量到達警戒值時點亮LED管，以提醒用戶購電，并在超額用量到一定值時切斷電源。

軟件系統(tǒng)包括微機串口通信，內部工作和數(shù)據(jù)的傳送。微機串口通信部分主要完成將用戶購電信息通過串口異步通訊適配器UART輸出到手持單元部分的單片機中，手持單元數(shù)據(jù)發(fā)射程序主要完成將加密后的用戶購電信息發(fā)送到電表費率系統(tǒng)。并在確定用戶購電信息已無雙地被電表費率接收后自動清零。


1.7論文組織

本次內容主要是針對智能電表記錄模塊的硬件和軟件兩方面，以五個章節(jié)來描述，其中：第二章中，主要討論了系統(tǒng)總體設計方案選擇；第三章介紹了本次設計的難點-電度計量原理，并比較了交流采樣和直流采樣的優(yōu)缺點；在第四章中，詳細描述了記錄模塊的硬件組成，并設計出相應硬件電路圖，使用Protel畫出其PCB；第五章主要討論記量模塊的軟件設計。



第二章 方案選擇
1.數(shù)據(jù)采集方案
在自動控制的過程中，最關鍵的環(huán)節(jié)之一是數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)中，根據(jù)采集信號的不同，可分直流采樣和交流采樣兩種。
直流采樣，顧名思義，采樣對象為直流信號。它是把交流電壓、電流信號經(jīng)過各種變送器轉化為0~5v的直流電壓，再由各種裝置和儀表采集。此方法軟件設計簡單，對采樣值只需作一次比例變換即可得到被測量的數(shù)值。但直流采樣仍有很大的局限性：
（1）無法實現(xiàn)實時信號的采集；
（2）變送器的精度和穩(wěn)定性對測量精度有很大影響；
（3）設備復雜，維護難等。
交流采樣是將二次測得的電壓、電流經(jīng)高精度的CT、PT變成計算機可測量的交流小信號，然后再送入計算機進行處理。由于這種方法能夠對被測量的瞬時值進行采樣，因而實時性好，相位失真小。它用軟件代替硬件的功能又使硬件的投資大大減小。隨著微機技術的不斷發(fā)展，交流采樣必將以其優(yōu)異的性能價格比，逐步取代傳統(tǒng)的直流采樣方法。在交流采樣當中同樣有好幾種采樣方式:
（1）可以采用中斷的方式進行同步采樣頻率，用多路開關進行電壓和電流的切換，采用一片采樣保持器和一片AD/轉換器就可完成數(shù)據(jù)的采集，如圖2.1所示，但此種方法采集數(shù)據(jù)的誤差較大，且CUP的時間難以分配。

圖2.1 采樣電路方案一
圖2.1采樣電路方案一(2)采用定時器中斷的方式來精確的確定采樣時刻，用兩片采樣保持器和兩片A/D轉換器將電壓和電流的數(shù)據(jù)采集通道分開，進行同時采樣，這樣就徹底消除了因為A/D轉的換的時間而無法得到同一時刻的瞬時值而造成的誤差。但這種方案與前種方案相比存在硬件開銷較大的缺點。如圖2.2所示。

圖2.2 采樣電路方案二

2.系統(tǒng)信號濾波方面同樣有兩種方案可供選擇。
其一、可采用硬件濾波器。此種方案雖簡單、實用，但存在的致命缺陷就是時間滯后，且其截止頻率難以達到要求。另外硬件投入大，使系統(tǒng)結構復雜化，可靠性下降。其二、可采用數(shù)字濾波的方式。這種方法濾波效果好，投入小，實現(xiàn)更加便捷。尤其對于這種對實時性要求較高的系統(tǒng)應采用數(shù)字濾波的方案更加合理。
3.在鍵盤處理中同樣也有凡種方案可供選擇:
(1)可采用定時掃描的方式。(2)可采用隨機掃描的方式。(3)可采用中斷響應的方式。以上方法對本系統(tǒng)來說最合適的應屬中斷的方式，因為對本系統(tǒng)來說采用中斷可以節(jié)約出大量的CPU時間來做一些比掃描鍵盤更加緊迫的事情。而只有當需要響應鍵盤時才‘來掃描鍵盤。
4.在存儲器擴展方面，可以分別擴展ARM和RMO但這樣電路復雜且硬件資源浪費較大，且在本系統(tǒng)中又要考慮防掉電數(shù)據(jù)丟失問題，因此采取擴展一片掉電非易失性外部存儲器兼做ARM和ROM這樣就可以簡化電路，提高了硬件的利用率。




























第三章 電度計量原理

本系統(tǒng)采用8051單片機實現(xiàn)電力參數(shù)的交流采樣。通過LED顯示電壓、電流的實時值、電度的累計值。當過壓30%、欠壓30%時進行聲光報警，并能通過串行口與計算機通訊實現(xiàn)實時電源監(jiān)控。實踐證明，采用交流采樣方法進行數(shù)據(jù)采集，通過算法運算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等電力參數(shù)有著較好的精確度和穩(wěn)定性。

若將電壓有效值公式

離散化，以一個周期內有限個采樣電壓數(shù)字量來代替一個周期內連續(xù)變
化的電壓函數(shù)值，則

式中:△Tm為相鄰兩次采樣的時間間隔;um為第m一1個時間間隔的電壓
采樣瞬時值;N為1個周期的采樣點數(shù)。
若相鄰兩采樣的時間間隔相等，即△Tm為常數(shù) T，考慮到N=(T/ T)+l，
則有

式()l就是根據(jù)一個周期各采樣瞬時值及每周期采樣點數(shù)計算電壓信號
有效值的公式。
同理，電流有效值計算公式如下:



計算有功功率的公式是：

離散化后：

W=PT
式中:mi、um為同一時刻的電流、電壓采樣值第四章系統(tǒng)的硬件設計












第四章記量模塊的硬件設計
4.1單片機的選型
由于MCS一51系列單片機總線技術開放，開發(fā)，仿真設備多，價格低廉，同時該系列單片機進入市場的時間早，匯編語言指令書寫形式與工NTEL公司8位通用微處理器，如8085接近，很容易被接觸過工NTEL通用微處理器匯編語言的用戶所接受，因此，在單片機應用中占有一定的地位，也是單片機教學的首選機種之一。
而8051CUP是整個MCS一51系列單片機芯片的基礎和核心。它由一個8位通用中央處理器、程序存儲器、隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器、常用外圍電路等部分組成，其中8位通用CUP的內部結構由算術邏輯單元AUL、累加器A、程序狀態(tài)字寄存器PwS、堆棧指針PS、寄存器B、程序計數(shù)器(指令指針)CP、指令寄存器等部件組成，是8051的核心。在它的內部集成了4KB的掩模RMO，作為程序存儲器;此外還有128字節(jié)的隨機讀寫存儲器，作為數(shù)據(jù)存儲器。它有16條地址線，最大可尋址6K4的地址空間。8條數(shù)據(jù)線，P0口是地址和數(shù)據(jù)的公用線。在它內部包含了:一個串行通信接口;兩個定時/計數(shù)器;可以管理5個中斷源、具有兩個優(yōu)先級的中斷控制器;由于它具有以上優(yōu)點，在本系統(tǒng)中亦采用該機型。
4.2接口電路的設計
4.2.1信號檢測與傳感電路的設計
（1）電壓檢測電路的設計
電壓檢測是采用電阻分壓的方法取得的。具體做法見下圖:

圖4.1電壓檢測電路
通過兩只MIQ的大電阻對交流電路進行分壓，二極管的正負鉗位電壓使得送入跟隨器的電壓在一v5一+5v之間，經(jīng)過跟隨器的隔離之后再通過比例運算放大器的等比例放大，之后送入采樣保持器。這樣就得到了被測信號。
(2)電流檢測電路的設計
電流檢測和電壓檢測不同，電流檢測采用了電流互感器，先將電網(wǎng)強電信號進行隔離再通過電壓跟隨器及反向比例放大器后送入采樣保持，從而完成了信號的檢測。
4.2.ZA/D轉換通道的設計
(1)A/D轉換器主要有以下技術指標:
分辨率
A/D轉換器的分辨率習慣上以輸出二進制數(shù)的位數(shù)或BDC碼位數(shù)表
示。與一般測量儀表的分辨率表達方式不同，不采用可分辨的輸入模擬電壓相對值表示，例如:ADC08Og的分辨率為8位，即該轉換器的輸出數(shù)據(jù)可 ……（未完，全文共35894字，當前僅顯示6456字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：單相費控智能電表設計研究》）