1、中文摘要I本科毕业论文（20 届）多功能预付费单相电能表的设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 中文摘要I摘 要随着国民经济的迅速发展，社会用电量日益增加，传统意义上的感应式机械电能表已经渐渐地跟不上社会的步伐，给供电管理部门的集中管理带来诸多不便。本文采用专业电能计量芯片,以单片机为系统核心，设计了一款多功能预付费单相电能表，有效地解决了偷电、漏电、管理混乱、人工抄表等诸多问题。本文主要完成以下设计:1. 选用高精度防窃电电能表专用电能计量芯片 RN8209 和 NEC 系列单片机 UPD78F0526，完成电表计量部分和主控电路的设计；2. 电源
2、模块为电能表各模块提供电源，直接采用变压、整流、稳压的方法完成电源部分的设计；3. 通信模块是电能表与外界设备进行数据交换的场所，本文完成 485 通信和红外通信的设计；4. 同样是采用模块化的方法，完成数据存储模块、显示模块、时钟模块和电能采样模块的研究与设计；5. 根据电能表系统的功能，给出相应的软件流程设计。通过多功能预付费单相电能表的硬件电路和软件流程的设计，实现了电表的基本功能。关键词：多功能预付费电能表，单片机，电能计量芯片，模块化，软件流程英文摘要IIAbstractAlong with the national economy rapid development, the so
3、cial electricity consumption increases day by day, in the traditional significance induction-type mechanical electrical energy table already gradually could not follow the social step, brought many inconveniences for the power supply control sections centralized management.This article in a professi
4、onal energy metering chip, to form the core for the system, designed a multi-purpose prepaid single-phase power, effectively to address the electricity, leakage, poor management, and artificial meter, and many other issues. In this paper, complete the following design:1. Selects the high accuracy to
5、 guard against steals electricity electrical energy table special-purpose electrical energy measurement chip RN8209 and NEC series monolithic integrated circuit UPD78F0526, completes the electric instrument measurement part and the master control electric circuit design;2. The power source module pr
6、ovides the power source for the electrical energy table various modules, uses the live pressure, the rectification, the constant voltage method directly completes the power unit the design;3. Communication module is a device for data exchange with the outside world for electric energy meter site, th
7、is article is complete and 485 communications infra-red communication design;4. The same modular approach to complete the data storage module, display module, clock module and power sampling module research and design;5. According to the electrical energy table system function, gives the correspondi
8、ng software flow design.Through the multi-purpose pre-payment single-phase electrical energy table hardware electric circuit and the software flow design, has realized the electric instrument basic function.Keywords: multifunction prepaid energy meter, microcontroller, energy measurement chip, modul
9、ar, software process目 录III目 录摘 要 .IAbstract(英文摘要 ).II目 录 .III第一章 绪 论.11.1 智能电能表背景介绍.11.2 智能电能表的特点.11.3 智能电能表的研究现状及趋势.21.4 多功能预付费单相智能电能表的工作原理及功能.31.4.1 多功能预付费单相智能电能表的工作原理.31.4.2 多功能预付费单相智能电能表实现的功能.31.5 课题研究的主要内容.5第二章 电能计量的基本原理.62.1 功率理论中的电参数的定义及计算.62.1.1 瞬时功率.62.1.2 有功功率、无功功率与视在功率.62.2 电能计量中的功率计算.7第三
10、章 系统硬件设计.83.1 多功能预付费单相智能电能表的总体结构.83.2 微处理器 UPD78F0526 .93.3 信号采样模块.113.4 电能计量模块.123.4.1 电能计量芯片 RN8209 功能简介 .123.4.2 电能计量芯片 RN8209 的引脚 .133.4.3 电能计量芯片 RN8209 的工作原理 .143.4.4 电能计量芯片 RN8209 及其外围电路 .143.5 时钟模块电路.153.5.1 RX8025T 时钟芯片的引脚.163.5.2 RX8025T 时钟芯片接口电路.16目 录IV3.6 数据存储模块.173.6.1 AT24C256 存储器的特性.17
11、3.6.2 AT24C256 存储器的引脚描述.183.6.3 存储器模块电路.183.7 液晶显示模块.193.7.1 液晶驱动 BU9792 的特点 .193.7.2 BU9792 的引脚配置及功能 .193.7.3 液晶显示模块电路.203.8 RS485 通信模块 .213.8.1 RS485 通信接口 .213.8.2 MAX3085 通信接口芯片 .223.8.3 RS485 通信模块电路 .223.9 红外通信模块.233.9.1 红外通信原理.233.9.2 红外通信模块电路.233.10 载波通信模块.243.10.1 载波通信模块电路.243.11 电源模块.253.12
12、继电器控制模块.26第四章 系统软件设计.274.1 主程序.274.2 系统初始化程序.284.3 电能数据计量和处理程序.294.4 实时时钟读写程序.304.5 数据存储模块程序.304.6 通信模块程序.31第五章 电能表系统的电磁兼容性设计.335.1 智能电能表系统的干扰源.335.2 智能电能表的电磁兼容性设计.33目 录V第六章 结 论.35参考文献.36致 谢.37第一章 绪 论1第一章 绪 论1.1 智能电能表背景介绍改革开放以来国家经济水平呈迅猛增长之势，对能源的要求越来越高，电力能源在国家发展中的地位已是举足轻重。在居民用电这一方面，随着居民生活水平和生活质量的不断提高
13、和日益改善，人们日常工作和生活对电力的需求也与日俱增。可问题在于当前用电管理部门在对居民用电的管理方法上存在太多缺陷，多年来用电管理部门都是采用传统的收费操作模式，即派专人上门抄写居民这一个月来的用电数据并统计计算然后通知用户缴纳应缴用电费用。居民用电基本上都是实行“分表制” ，即多个用户（一个单元或一座居民楼）安装一个总的电表，每个用电用户再使用一个分电表计量自家用电量，用电管理部门抄表人员去各个用户上门抄表，计算每家应缴纳的电费。这种传统人为的用电管理操作模式存在着相当大的弊端：一方面抄表人员上门抄表会给用电居民（尤其是小区楼房居民）带来诸多不便，影响居民日常工作和生活；另一方面这种传统的
14、用电管理操作模式消耗大量的人力、物力，工作效率低，加大了国家的资源浪费，而且人工抄表的方式会存在估抄、错抄、漏抄及抄表不到位等诸多问题，更没有办法预防窃电现象。我国长期以来基本上都是使用传统的感应式机械电能表对用电用户的用电量进行计量，但是这种电能表功能比较单一（即只能完成用电量计量）而且采用人工抄表方式，已不能满足社会快速发展的需求。所以要想让居民合理安全的用电，对传统的用电管理操作模式及电能表进行改造势在必行，以适应社会大步发展的需求。1.2 智能电能表的特点 正是基于上述背景，智能电能表应运而生。一个完整的智能电能表是由电能采样模块、电能计量模块、数据处理模块、数据存储模块、电源模块、显
15、示模块、通信模块等组成，并且能实时、精确地测量多种电参数（如用电量、电压、电流等） 。智能电能表在收费方式上采用预付费方式，并能对用户用电进行相关控制，比如当表内剩余金额不足时，系统就会自动报警提示用户续费买电，以保证用户的正常工作和生活用电。显而易见，智能电能表不存在感应式第一章 绪 论1机械第一章 绪 论2电能表的那些缺陷，而且在很多方面都有着较为显著的优点：1. 体积小；采用电子式电路形式取代了传统电能表的机械结构，大大减小了电能表的整体体积。2. 精度高；采用高精度智能处理器芯片作为整个电能表系统的核心，具有传统电能表无法比拟的高精度。3. 功能多；智能电能表不仅具有电能计量功能，还有
16、显示当前功率、电压、电流等诸多传统电能表不具备的功能。4. 低功耗；智能电能表系统整体设计时均采用电子器件代替机械部件，电子器件都是以集成电路为核心，故可减少系统功耗。1.3 智能电能表的研究现状及趋势随着国家工业电力系统和相关产业的发展，电能表作为电能测量的专用工具，已经有着相当长一段时间的历史，被广泛应用于电力系统的各个相关环节。说到电能表的分类，按照不同的分类标准可以将电能表进行不同的分类。电能表可分为感应式电能表和电子式电能表两个阶段：1. 感应式电能表感应式电能表的原理对我们来说比较熟悉,即电磁感应原理，简单来说就是利用金属铝转盘中感应的电流与通有交流电的固定线圈的磁场相互作用，用来
17、产生驱动力矩驱动铝盘转动以驱动计数器进行计数，累计消耗掉的电能。渐渐地，科学技术不断地发展与进步，尤其是电磁学理论不断实现新突破并且应用到电能表的开发设计之中，广泛采用永久性磁铁产生固定磁场，铝盘切割磁通产生的感应涡流与磁场相互作用来产生制动力矩。感应式电能表技术相对比较成熟，结构较为简单，但也有它自身无法克服的弊端，感应式电能表本身是机械结构，无法克服机械磨损，随着使用时间的加长，其机械性能会逐渐下降，从而影响电能计量的精度。另外，感应式电能表在结构设计上也存在着缺陷，使得一些地区非法窃电现象比较普遍。2. 电子式电能表第一章 绪 论3电子式电能表采用高精度的电能专用计量芯片，通过系统微处理
18、器的控制及其外围各模块电路实现智能电能表的各种功能，如电能计量、分时计价、数据存储和显示等功能，它的优点在于精度高、可靠性好、功能多等。作为一种专用的电能计量表具，用户最关心的还是智能表计量的准确度和精度，因为电能表的计量准确与否直接关系到用电用户的切身利益。在智能电能表系统中，其电能计量部分主要涉及到的是功率计算，一般是通过电压通道与电流通道数值做乘法运算来实现的，我们通过乘法器来完成功率的计算。随着电能表相关技术的不断发展进步以及国家电力系统的快速发展，传统的感应式机械电能表已经不能满足电力系统飞速发展的需求。自从提出智能电网这一概念后其建设进程不断推进，智能电能表渐渐地取代了传统的感应式
19、机械电能表并有完全将其取代的趋势，并且逐步向“模块化、智能化、系统化”方向发展。1.4 多功能预付费单相智能电能表的工作原理及功能1.4.1 多功能预付费单相智能电能表工作原理多功能预付费单相智能电能表的基本工作原理是：被测交流电压和交流电流经采样模块采样后送到专用的电能计量单元，将模拟的电信号经模数转换成微处理器可以处理的数字信号，然后再将这些转化而来的数字电信号进行处理，数字电信号又转换成了与有功功率成正比的脉冲信号，得到的电脉冲信号被送入微处理器进行分时累计，根据正比关系得到总的用电量和分时用电量，由微处理器控制着将结果保存到数据存储器中或是送到显示模块显示出来。同时完成当前电压、电流、功率的显示以及远程通信。1.4.2 多功能预付费单相智能电能表实现的功能1. 预付费功能采用 CPU 卡来实现预付费功能，用户先到远程售电系统处购买电量充值到CPU 卡中，然后再到智能电能表刷卡端刷卡将电量下载到表中，这就是预付费的精髓先买电后用电，当 CPU 卡中的余额不足时将自动断电。
