《基于单片机的三相多功能电能表设计说明》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的三相多功能电能表设计说明（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 中国分类号： 密级： UDC： 编号：毕 业 设 计设计题目名称：三相多功能电能表设计学生：严亮 电气自动化电气11-1专业名称：_三年班 级：_1150193120学 制：_专科 学 号：_吴兴 学历层次：_ 指导教师：_ 评阅人：_论文（设计）提交日期： 2014 年 5 月 31 日论文（设计）答辩日期： 2014 年 6 月 5 日建筑职业技术学院word格式. 摘 要如今，社会在高速的发展，居民和工厂用电也越来越多，因此电能就慢慢的成为人们现实生活中不可缺少的部分，所以我就想设计一个多功能的电能表来适应人们的需求。本文所设计的电能表除了能提高测量精度，能正常平稳的运行，并且还能实现
2、分时测量，实时监测，还可以高效的利用电能，给用户营造一个公平的用电环境。首先阐述了多功能电能表的发展近况及它的基本原理，并给出了课题的总体方案，在此基础上再进行软件电路的设计，采用了模块化设计的方法，来实现按键显示、红外通讯、异常检测及记录等功能；在硬件设计方面，包括通信接口单元、显示单元、计量单元等,本三相多功能电能表拥运行稳定、可靠性高和抗干扰能力强等优点，将适应电力市场的须求，这是必然趋势。关键词：电能计量，时钟芯片，多功能电能表第1章 绪论1.1基于课题的研究背景现代生活越来越离不开电，所以电能成为人们生活中不可缺少的部分。电能表是经济结算和计量电能的主打工具，它的准确度与国家和用户的
3、经济利益息息相关。近几年，高可靠性的元器件和大规模集成电路等被普遍的在应用在电能表上，越来越多的人力物力被投入进去，使得电子式电能表的功能越来越强大、寿命愈来愈高，市场占有率也越来越高，其中三相电子式电能表将获得更多的市场份额，并逐渐能使供用电管理的微机化和自动化变为为现实。本次课题就是基于由于这种背景设计的。1.2 电能表的进程和现状1.2.1 感应式电能表目前广泛使用的是根据感应电流的金属盘的原理在交变磁场及磁场成形力和能量计的设计。感应式电能表具备以下特点：制造简单，价格低廉，可靠性好和整修方便，所以现在大部分发展中国家仍然使用感应式电能表来进行计量工频电能。1.2.2 关于机电一体式电
4、能表的简介由于计算机技术和微电子技术的迅速发展，越来越多的人开始运用，所以基于感应电能表的机电一体化电能表就在此背景下应运而生。电能表的工作原理是感应电能表测量机构作为一个工作组，微处理器处理，测量电能脉冲，以实现功率测量。这类电能表具有独特的特性-感应式测量机构配以脉冲发生装置，所以也被人们称为机电脉冲式电能表。这种电能表积极推动了精准的实时价格、单位电价制度的实施也并被广泛应用。1.2.3 电子式电能表机电脉冲式电表是通过其感应式测量机构来测量电压电流，因此它有它的缺点。乘法器实现功率和电能的测量主要用于电能计量，电能采样和AD转换是在一块集成芯片上完成的。功率是U与I的乘积，电能是功率对
5、时间的比率。1.2.4 多功能电能表的发展因为电子电能表比机械表有很多优势，所以电子电能表在市场上的份额越来越高，而机械表在在通信方面有不可弥补的不足，所以在市场占有份额越来越少，在自动化抄表上也很难有发展。但是机电一体式电能表虽然在任何时间能进行电能信息的远程通信的功能，但是也有很多缺点，如频率，有功和无功功率等，除了实现多速率的测量也很困难，比较难弄。虽然在电子式电能表上可以实现预付费的功能，但由于安全和国家的其他方面不主使用电力，宽围的能量计。由于需求所在和社会发展，电能计量技术的发展将向着智能化、多功能及网络化等方向进行发展。如今，在信息化程度较高的社会，电能计量和管理技术将扮演一个重
6、要的角色，越来越多的家庭将会领略它的风采。1.3主要容本文研究关于三相电能专用计量芯片-ATT7022B的多功能电能表的课题。本设计是以MCU为控制单元，外围电路则由相适应的芯片以及专用器件来实现，结构也比较简单，但是整个芯片的体系结构必须满足电能表的设计所需要的要求，嵌入式资源配置也必须达到这个要求才行。独特的计量芯片构成了计量模块，可以实现正、负高电压，复制压力，电压测量参数。通信单元采用RS485通信方式，通信速率高、抗干扰能力。多速率设计，采用特殊的实时时钟芯片，确保准确性和可靠性的时间。此外，红外，显示和键盘单元作了详细的设计过程。第2章 电能测量原理2.1三相电路接线方式 三相电源
7、包含星形连接和三角形连接这两种主要的连接方式。星形连接表示图如图2.1。三相对称星形连接时，有以下关系： ， (2-1)三相电源可连接的三角形，如果不对称程度较大，则会烧坏绕组。三角形连接示意如图2.2。对称三相星形连接，有下列关系： ， (2-2) 三相负载的接线方法一般可以分为三相三线和三相四线，以下只探讨Y形连接的情况。当发电机采用绕组的星形连接方式，负载接成三角形，如图2.2所示，这是一个三相三线系统。当发电机绕组是按星形衔接的模式连接时，负载也是星形连接，如图2.2显示，这就是三相四线制。三相四线模式，电流流过负载每相等于各相功率流的总和。如果电路是对称三相电路，则中线电流就是0。把
8、中线去掉，就变成了三相三线制。 图2.2三相负载接法示图以上就是三相电源和负载的接线方法，接线要严格按照此接线方法，否则就不能正常进行电能测量工作。2.2 电能测量原理在物理上，电能就是电源流向负载的能量流。通过在一定时间用户消耗的电能的速度可以被称为瞬时功率，在数学上也可以被看作是瞬时电压和电流瞬时值的乘积，所有这些“即时”的电能消耗全部加在一起就是电能消耗的总数。因此，该产品的有功功率的电压和电流的瞬时值的积分时间的表达式如下：设在t时刻I的表达式为： (2.1) (2.2)根据表2得平均有功功率P为 (2.3)一个T的电能W为 (2.4)总能量就是三个分相能量相加的和值： (2-5)在现
9、实电网中，电压电流信号是由50Hz频率分量的正弦信号荷很多谐波信号组成的。事实上，我们可以清楚地察觉到直流分量和高频分量的信号被包含在瞬时功率信号之，从长远的角度来看，但凡频率不为0的频率分量和时间积分没有任何的联系，它们互不干扰。为了获得直流分量，需要对瞬时功率信号进行检测。2.3 计量三相有功电能的方法三相电路包含三相三线制和三相四线制这2种接法。测量三相三线电路有两种方法供选择。其中，一表法只能被应用于三相对称电路，一般不用于实践，而工程中采用较多的是二表法。三相三线电路的瞬时功率表达式为： (2.6) 其中：；、是线电压的瞬时值。由 (2.6)可得两个单相电能表测量三相三线电路数据的电
10、能总和，其原理如图2.3。 由上图可知，P的平均功率就相当于有功功率之和，即 (2.7) 上述是关于三相电能的测量方法，分别对三相三线和四线进行了详细的阐述，在电子式电能表被广泛应用的今天，越来越多的设计方案采用了专用的三相电力专用集成电路芯片，在不动原先电路设计的基础上，可应用于三相三线、三相四线模式，并且必须严格以上测量方法进行检测。2.4 电能表的测量原理电能表是用电压和电流的方法，然后在进行时间的整合。电子式电能表是功率转换为脉冲频率输出的积分，频率和负载的功率是成正比的。乘法器是电能测量单元的主要部分，它主要是作用于输出电压和电流测量这2个部分，从而实现乘法运算。乘法器可分为模拟与数
11、字乘法器两大类。目前，电子式电流表大多数是使用数字乘法器。2.5 测量的主要方法ATT7022的阻隔大信号接入部份是用电压和电流互感器进行的，能使信号输入和数据处理电路在电气上没有连接，同时它还拥有三路电压和电流输入。该系统采用DS1302实时时钟芯片的格言作为时间基准，该芯片具有外围电路简单，低静态功耗以及价格便宜等优点，对时间控制的多速率功能模块非常适合。第3章 系统概要及硬件设计3.1 硬件的设计方案因为多功能型电能表其独特的优点，所以被大众广泛应用，由于设计的电路比较复杂，所以选择模块化设计方案。主要有电源模块，电能计量模块，数据计量计量以及为整个系统供电；管理微处理器是单片机的关键部
12、件，此中包括四个模块，分别是通讯模块，存储模块，控制模块和显示键盘模块。设计框图如图3.1所示。 图3.1 多功能电能表设计框图3.2 外围电路的设计3.2.1 主控芯片的介绍考虑使用专用计量芯片，设计单片机系统的负担，所以你可以选择8位微控制器。8位单片机应用有很多：如89系列，英特尔80518031系列。虽然他们在硬件结构上相似，但后者的价格，功耗，抗干扰能力强等方面具有的优势比前者大得多，AT89系列单片机具有功耗低和抗干扰能力强的特点，这点是上者所没有的。AT89C52是一种低电压，高性能的CMOS 8位单片机，能适用于很多繁杂的控制场合。 1、AT89C52主要管脚如下：由上图可知，
13、AT89C52是四个部分组成的，它可以在线进行较为正规的编程。其将ROM和专用的微处理器连接在一起，其中Flash存储器可以反复擦写，从而可大限度的降低开发的成本的目的。其引脚图如图3.2所示。I / O功能和AT89C52的基本相同，它们唯一不同的是，52系列的P1.0口可作为定时计数器的外部计数脉冲的输入与可编程方波的输出，P1.1可作为重装触发和方向控制信号的输入。3.2.2 时钟振荡电路设计AT89C52单片机具有可控的高增益放大器的反向振荡器。该放大器的输出端和输入端分别是XTAL2和XTAL1。在晶体和两个匹配的电容C1和C2形成自激振荡器与外部。其接线如图（3.3）所示： 图3.3单片机时钟振荡电路为了能使通信中波特率的结果整数，本设计选择了11MHZ的晶振，依据单片机的有关资料应选择容量均为30pF的两个电容。3.2.3 电压监控电路为了保证系统正常安全的运行，所以需要增加电压监控，看门狗电路电源和微机监控操作。本设计选用带有看门狗定时器的监控芯片IMP813L。该芯片产生一个复位信号在电源芯片电源时，在降低电压，并有1.6
