《智能电表毕业设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能电表毕业设计（30页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、单相智能电表硬件设计物理与电子信息学院 电气工程及其自动化 指导教师摘要：本文设计单相智能电表的硬件电路。主要由CPU模块、电能计量模块和电压电流采样模块、显示模块、电源模块、时钟模块、存储模块、通讯模块组成。电压电流采样模块采用分流器和精密电阻实现对市电的转换；电能计量模块采用ADE7755计量芯片实现对电流、电压的测量与转换；时钟模块采用DS12C887时钟芯片为系统提供时钟基准，存储模块采用AT24C04，显示模块用1602液晶，通信模块采用MAX485芯片，并利用AT89C52组成的CPU模块控制所有芯片的工作、测量、计算电能，送往显示模块和存储模块进行实时显示。该电度表成本低、使用方
2、便、安全可靠、具有广泛的应用前景。关键词：智能电表;计量芯片;时钟芯片Hardware Design of Single-phase Smart Meter College of Physics and Electronic Information Electrical Engineering and Automation TutorAbstract: This article designs hardware electric circuit of the single-phase intelligent electric instrument. The intelligent ammete
3、r is mainly composed of CPU module, electric energy metering module, the voltage and current sampling module, display module, power module, clock module, storage module, communication module. Voltage and current sampling module use shunt and precision resistor to realize the conversion of electricit
4、y. Electric energy metering module uses ADE7755 chip to realize measurement and conversion of the voltage and current. Clock module uses DS12C887 chip to provide the clock benchmark for the system. Memory module uses AT24C04. Display module uses 1602 liquid crystal. Communication module uses MAX485
5、chip. The system use the AT89C52 composed of CPU module to control all the chips work, measuring, computing power, sent to the display module and storage module for real-time display. The meter is of low cost, easy to use, safe and reliable, with wide application prospect.Key words: Intelligent amme
6、ter; metering chip; clock chip目 录摘要11 引言41.1 电能表的发展历程41.2 本课题研究的主要内容62 系统设计62.1 系统方案论证62.1.1 电能计量系统方案设计62.1.2 其他模块的方案论证72.2 系统原理框图的确定83 电压、电流采样模块103.1 电能计量芯片简介103.1.1 ADE7755芯片结构103.1.2 ADE7755引脚排列及功能113.1.3 ADE7755工作原理123.2 电流、电压采样电路设计133.3 脉冲输出143.4 电能计量电路设计154 控制芯片、外围电路设计164.1 控制芯片164.1.1 AT89C52
7、单片机介绍164.1.2 最小系统174.2 LCD显示模块184.2.1 引脚功能简介184.2.2 显示电路设计184.3 实时时钟194.3.1 时钟芯片简介194.3.2 引脚功能194.3.3 时钟电路设计214.4 其他电路设计224.4.1 电源模块224.4.2 存储模块224.4.3 IC卡接口234.4.4 通讯模块244.4.5 掉电检测254.4.6 磁保持继电器驱动265 结论28参考文献28附录1 智能电表原理图29附录2 智能电表PCB图30321 引言随着市场经济体制的建立，电力已经作为一种商品走向市场，电力企业管理正转向商业化运行。目前，绝大多数用电管理是采用
8、最原始的分散计量、人工抄表，它离自动化的目标还非常遥远。当前城镇居民住宅公寓化，相对较为集中，及时开发并推出适合国情，既面向未来电量管理自动化建设的需要，又适应现行的运行管理体制的多用户表，是民用电计量、管理的大势所趋。用电量的急剧增长以及由此引发的能源供需矛盾加剧，许多工业大国日益重视电能管理，都在通过技术改造等各种手段加强对电力负荷的监控，以实现计划用电与合理配电，从而提高电网负荷率。现代电能管理强调自动化、智能化，要求以高新技术手段确保经济杠杆调配电能的使用，以求更高的供用电效率。这便对电能计量仪器仪表提出了多功能化的要求，希望它不仅能计量电能，而且也能应用于管理。因此功能单一的感应式电
9、能表已不适应现代电能管理的要求，电子式电能表应运而生。1.1 电能表的发展历程作为测量电能的专用仪表电能表，自诞生至今已有100多年的历史。因为1kWh的电能量被定义为一度电，所以按计量单位，电能表又俗称电度表或千瓦时表。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。电能表已经经历了感应式电能表、机电脉冲式电能表、电子式电能表三个阶段。（1）感应式电能表（机械表）在电力系统发展的早期，感应式电能表被广泛用于工频（50Hz
10、或60Hz）电能的测量。感应式电能表是利用处在交变磁场的金属圆盘中的感应电流与有关磁场形成力的原理制成的，具有制造简便、可靠性好、价格便宜等特点。经过不断改进和完善，感应式电能表制作技术已经成熟。通过双重绝缘和采用高质量双宝石轴承甚至磁悬浮轴承等技术手段，其结构和磁路的稳定性得以提高，电磁振荡被削弱，使用寿命大大延长，且过载能力明显增强。但受其工作原理以及材料工艺等条件的局限其测量准确度很难提高。另外，感应式电能表是针对很低且十分狭窄的频率范围的正弦电压和正弦电流而设计的，但现代电力系统中采用硅整流与换流技术，这些非线性负荷产生大量高次谐波并引起不平衡，致使电网电压波形产生畸变、波动及三相不平
11、衡，对感应式电能表产生不利影响，使其指示不正确，由此可能造成操作、管理人员做出错误的分析判断。（2）机电一体式电能表 20世纪60年代，为了扩展电能表的使用功能，出现了机电一体式脉冲电能表。这种表仍然采用了感应式电能表的测量机构，只是利用光电传感器将电能转换为电脉冲信号，通过电子电路对脉冲信号的计算与处理，完成电能的计量工作，它通过电子部分的各种变换来实现人们不同的实际需求。机电式电能表的出现，极大地解决电能表的功能单一的问题，电能表可以通过软件编程实现远程自动抄表、负荷控制参数的分散采集和存储等功能，使得分时电价和需量电价制度能够有效地实施和推广，充分发挥了电力在国民经济中的作用。但是它是以
12、感应系测量机构作为其测量主回路的原理性缺陷，决定了它同样具有感应系电能表一样的准确度低、适用频率范围低等缺点。（3）电子式电能表1 为了替代感应系测量机构，从20世纪70年代起人们就开始研究并试验采用电子电路来测量交流电能。由于电能是电功率对时间的积分，所以任何电子电路式电能计量方案的第一步都是确定电功率。因而，使用乘法器是实现测量电功率和电能的电子电路的共同特点，全电子式电能表多采用模拟或数字乘法器作为核心器件。近年来，微电子技术、计算机技术和通信技术的高速发展，有力地推动了电子式电能表技术的迅速更新与进步。高准确度、高可靠性的元器件以及大规模电路集成技术和电路制造的表面贴装技术等应用于电子
13、式电能表的开发与生产，使电子式电能表寿命提高、功能多种多样，且仍在不断扩展，并逐步使供用电管理的微机化和自动化成为现实。电子式电能表与感应式电能表相比，具有一定的技术优势：（1）误差特性较为稳定，不像感应式电能表越走越慢。实际运行和加速老化试验都说明了这一特点。电子式电能表的故障能较明显的表露和被发现。（2）电子式电能表内阻小、损耗低，是节能仪表。有助于在已有计量装置中解决互感器过载和一次电压降超标问题，从而提高计量综合精确度。（3）电子式电能表较轻，比感应式电能表节省大量有色和黑色金属，而且安装轻便。（4）使用电子式电能表彻底改革了原来电能量运行，检修的工作流程，革除了洗表的环节。如果故障表
14、按合同规定由生产厂保修保换，则更简化了管理流程，可集中精力把好验收校验，对运行中缺陷故障统计分析以及招标时对各厂产品评定质量，彻底改革了电能表管理使适应电力市场经济要求。（5）电子式电能表能直接输出规范的电能脉冲，便于校验和实施远方自动抄读表，便于电力市场发展中对电能表扩展功能的实现。1.2 本课题研究的主要内容本文首先简要介绍了设计电能表的主要功能以及系统的总体方案，主要研究电子式单相复费率IC卡电能表的硬件设计，详细介绍硬件各功能模块的工作原理和选用的主要元器件的功能特点，包括各部分电路的走向、芯片的选择以及方案的可行性分析等。分析电能表设计中运用的单片机控制技术，电能计量部分是基于ADE
15、7755芯片设计，以DS12C887时钟芯片作为峰平谷不同时段的参考时间。此电能表可实现分时段电能计量功能、预付费功能、显示金额功能、用电不足报警功能等。2 系统设计2.1 系统方案论证2.1.1 电能计量系统方案设计方案一：模数转换式对电流和电压分别采样，再通过A/D转换器转换成数字信号，然后送入单片机进行相乘运算。并在CPU中设置一个定时器定时对功率进行累加。这种方案对信号的采样速率快，但A/D转换器的精度要求高，而且由于电网的电力谐波引入前置通道，导致A/D转换后产生错误数据。为抑制这种干扰，必须在软件上加数字滤波器或在硬件上采用隔离放大器和高精度的运算放大。这将增加CPU的负担和硬件电路成本，其方案可行而不可取。方案二：电压频率转换式采用电压频率（V/F）转换器加单片机实现对电流和电压的A/D转换。这样，模拟通道中本身的干扰信号被抑制。无须专门的A/D转换器，大大减少了硬件成本。CPU只需对V/F转换后的脉冲进行定时计数，便可测出电压和电流的数字量。同时，电压和电流分别经过零检测电路。将过零脉冲送CPU处理，得出电流和电压的相位差（），经过查表得功率因数（）计算，便得有功功率，再定时累加就是电能值。这种方案的CPU要实现读写卡控制、求功率因数（）、电能计算等功能，负担较重，一般的MCS-51、MCS-96和PIC系列单片机难以胜任
