1、1毕业设计开题报告电子信息科学与技术双费率数字电度表的设计一、选题的背景与意义随着世界科技水平的提升，各行各业经济的迅猛发展使他们对于电的依赖度越来越高，在电量日益增加的同时也产生了一个现象，就是在不同时间段用电量不均衡的现象日益严重，导致电力系统的负荷曲线变化幅度很大，为电网的稳定以及电能资源的合理分配使用带来了许多不良因素。为了缓解各个时段用电紧张的现状，鼓励各用户能够在电网低谷时段用电，平衡用电量，政府电力部门已经实施了不同时段不同电价的计费方法，这种方法从经济手段上对于用户用电量进行了一定的宏观调控，为节约电量资源起到了不小的贡献。为了更好地适应这种制度，新型的复费率电表已经大规模取代
2、了传统的单一费率电表。随着单片机技术的日益成熟完善及电能需求的日益增加，以单片机为核心的数字电能表已得到了大规模的推广实施，其中的多费率数字电表更是受到了那些比较发达但是用电紧张的当地电力部门和人民群众的青睐。在市场的推动下，电子式电能表发展迅速，中国目前已成为世界电能计量行业最有活力的市场。同时，单片机为核心的复费率电表也接受着社会的层层考验，现有的电表不足以满足未来的发展，价格更低，稳定性更好，抗干扰能力更强，精准度更高的电表有待开发出来。在电力系统中，某一时刻消耗的电功率总和称为电力负荷，电力负荷是随着时间不断变化的，可用负荷曲线来描述。当电力负荷大量增加时，就会形成电网的负荷高峰，而当
3、电力负荷减少时，又会形成电力负荷低谷。如此当电力负荷上的峰值和谷值相差很大时会导致供电设备的供电量不能充分利用，运行不经济。峰谷时段不同电价就是为了解决这个问题而被开发出来的，可以有效平抑负荷曲线，复费率电表无疑能更好地与这个政策相适应。大量单一费率的电表则会由于无法实现峰谷计费而被淘汰，由于目前微电子、计算机技术的发展，通讯手段的自动化要求也日益增加，远程抄表系统代替人工抄表的趋势越来越显著，这无疑又是对智能电能表大量生产的客观要求。因此可靠性高、功能强大、计量准2确且性价比高的智能电表的研制是我国电力系统发展的客观要求。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题研究的基本内容1、了解双费率数字电
4、能表的基本工作原理。2、学习掌握C8051单片机的工作原理、引脚管理以及基本软件设计知识，了解电能计量芯片ADE7755的基本知识。3、通过硬件的设计，使得电能表能够比较准确地测量出实际的用电量，减少误差，并使电表在一定程度上有抗干扰的能力。4、通过软件的设计，使电能表运行稳定，并能够准确地计算出在不同时段的总电量。需解决的主要问题1、分别通过软件和硬件提高电能表的精确度和降低其功耗2、用键盘切换不同时段电能的读取，达到费率管理的目的三、研究的方法与技术路线本课题设计分为硬件设计和软件设计两个部分硬件的设计主要由四个模块组成采样电路模块、电能计量模块、单片机控制模块、数据显示模块。LCD显示C
5、8051F330单片机数据存储模块ADE7755电能计量芯片电源模块3【1】C8051F330单片机的作用是通过下载在其中的各种程序，控制协调其他的硬件模块完成整个系统的各种工作。【2】ADE7755作为电能计量芯片，是电能计量模块的核心部分。本模块完成对电能的计量，并将模拟电能信息转化为单片机可以读取并且操作的数字电能信息。【3】电能采样分为电流采样与电压采样，此采样模块是将主网中的大电量，大电流转化为小电量，小电流，并将这些模拟信号提供给电能计量模块实现模数之间的转换以及计算。【4】数据显示模块主要将电能表产生的用电信息准确清晰地显示在液晶屏上，以供用户和抄表人员参考。同时用于通过按键对费
6、率进行切换，实现单片机的双费率实现功能。【5】电源模块为整个电能表系统提供所需要的电量。它可以将主网中的220V通过电能变换，降压整流等方法成为电能表可以使用的电能。【6】据存储模块是所有电能信息的存储单元。单片机对存储器里的数据信息进行读操作时，将信息读出后送给其它模块使用。单片机对存储器里的数据信息进行写操作时，是将计量芯片计量的数据保存到存储器里的过程。软件部分是用C语言实现单片机控制程序，让主程序调用各个子程序模块来实现整个系统的各项功能，子程序模块包括测量主程序模块、数据计算模块、转换数据格式模块和显示模块。电压采样电流采样4【1】测量主程序模块主要作用是通过对脉冲电量的检测，对AD
7、E7755提供计量脉冲进行计数，达到对电量测量的目的。【2】数据计算模块的作用是将同属于峰的电量或者同属于谷的电量进行累加。【3】数据转换模块是用程序将累加所得到的两个电量分别都转换成能够直接显示到显示模块中的数据格式。【4】显示LCD模块是将用户的用电量信息，包括峰与谷时段用电量分别显示到液晶屏上，供用户与抄表人员参考。软件流程图如下测量主程序模块数据计算模块转换数据格式模块显示模块开始初始化自检电能脉冲采集模块数据输入是峰时段否5三、研究的总体安排与进度2010年12月6日12月20日查找资料、准备文献综述和开题报告；2010年12月21日12月26日修改、完善并进行开题报告；2010年1
8、2月27日1月16日设计电路图、绘制电路板图，并开始进行初步的电路板制作；2011年1月17日2月16日放寒假，同时准备外文翻译；2011年2月17日3月16日四周的社会实习，同时进行硬件模块设计、调试；2011年3月17日4月16日软件模块设计、调试；2011年4月17日4月30日整个系统连接、调试；2011年5月1日5月10日论文写作、修改、打印；2011年5月11日开始准备PPT和答辩。四、主要参考文献1ADADE7755DATASHEET2深圳周立功有限公司ZLG7289PDF3马忠梅张凯马岩单片机的C语言应用程序设计北京航空航天大学出版社20051（3）13324胡汉才单片机原理及其
9、接口技术M清华大学出版社，1997年3月354峰值电量累加谷值电量累加数据存储模块显示电量是65宋佳电子式电度表将成为市场主流，但企业进入仍须谨慎EB/OLHTTP/WWWESMCHINACOM/ART_8800070127_1100_0_0_4300_897A5681HTM，2006年8月1日6PAULDAIGLEDIGITALENERGYMETERSBYTHEMILLIONSEB/OLHTTP/WWWANALOGCOM/STATIC/IMPORTEDFILES/TECH_ARTICLES/16540508432000ENERGYMETERUA_42000PDF,2009年4月7TIMMCE
10、WENELECTRICCIRCUITSFUNDAMENTALSMABELL发展趋势现状方案比较电能表的发展以及研究历史感应系电能表世界上最早的出现的电能表，是一个叫爱迪生的德国人1880年利用电解原理制成的直流电能表。交流电的出现和被利用，对电能计量仪表的功能提出了新的要求。1888年，意大利物理学教授费拉里斯首先想到将旋转磁场理论用于交流电能测量。与费拉里斯几乎同时，美国一物理教师也根据旋转磁场的原理试制出了感应系电能表的雏形。1889年，德国人布勒泰制作出了无单独电流铁心的感应系电能表。1890年，带电流铁心的感应系电能表出现了。直到19世纪末，才逐步该用永久磁铁产生制动力矩，以降低转动元
11、件旋转速度并增加转矩。至此，感应系电能表的制造理论基本形成。电能开发及利用的加快，对电能管理和电能表性能提高提出了更高的要求。电力系统的不断扩大以及对电能合理利用的探索，使感应系电能表暴露出准确度低、适用频率范围窄、功能单一等缺点。电子式电能表应运而生3。电子式电能表早期的电子式电能表仍采用感应系电能表的测量机构作为工作元件，这种电能表在国外早已有成熟产品，并自20实际70年代初起就已开始在一些工业国家逐步大面积采用，由于其以感应系测量机构作为其测量主回路的原理性缺陷，无法逃脱被取代的命运。为了替代由感应系测量机构测量交变电能，从70年代起，人们开始研究并试验采用电子电路的方案。近20年来，大
12、量新型电子元器件的相继出现，为电子式电能表的更新换代奠定了基础。考虑到电能管理现代化的必然发展趋势，需要访问多种信息并要求决策与电价器具之间的双向通信，而数字乘法器型电子式电能表功能的扩展十分方便，容易与配电自动化系统继承，故有专家预言，数字乘法器型电子式电能表将成为今后电子式电能表的主要发展方8向。微电子技术和计算机技术的告诉发展是电子式电能表迅速进步、日益成熟的主要技术支撑。电子式电能表子在一些工业发达国家已经使用较为普遍。特别是近年来，电子式电能表的发展是非常迅速的，芬兰、瑞典、挪威等北欧各国以及法国、英国、德国、西班牙、比利时和意大利等西欧许多国家，其工商用户计费电能表己实现100电子
13、化。居民用户的计费电能表也正在逐步电子化过程中，如法国2001年起已停止购买安装感应式电能表；意大利在2005年已经将全部感应式电能表更新为自动抄表的电子式电能表；英国目前已有80居民计费用表为电子式电能表。现在上海电网65以上的居民使用了电子式电能表。电能表的研究现状多费率电表是对传统单一费率电表的一个创新，其产生原因是最近几年来日益加剧的用电量峰谷矛盾，我国国民经济的稳步提升使得居民用电量不断增加使得不同时间段用电量不均衡的现象日益严重，导致电力系统的负荷曲线变化幅度很大，为电网的稳定以及电能资源的合理分配使用带来了许多不良因素。在做本课题时，我对于一些电能表设计文献进行了参考，发现在对双
14、费率电能表的设计上大同小异。双费率电能表的设计师建立在普通单一费率电能表上的，设计时主要将电能表的设计分为多个模块，电压电流采样模块，电能计量模块，单片机控制模块、电源模块和数据显示模块，由于每个参考文献对于设计要求和设计方向的不同，在一些细节方面进行了增减，例如时钟模块，通信模块等。采样模块这个模块完成将主网中的大电量，大电流转化为小电量，小电流，并将这些模拟信号提9供给电能计量模块实现模数之间的转换以及计算。电流采样1锰铜片分流器以锰铜片作为分流电阻RS，当大电流IT流过时会产生相应的成正比的微弱电压UIT7,如图1其数学表达式为UITITR图1锰铜分流器测量电路原理图2电流互感器采用普通
15、互感器电磁式的最大优点是电能表内主回路与二次回路、电压和电流回路可以隔离分开，实现供电主回路电流互感器二侧不带强电，并可提高电子式电能表的抗干扰能力。如图2图2电流互感电气原理图数学表达式为UTITTRLLIRKTI电压采样1电流互感器采用互感器的最大优点是可实现一次侧和二次侧的电气隔离，并可提高电能表的抗干扰能力，缺点是成本高7。如图310数学表达式UTKUUUT如图3电压互感器电路图2电阻网络采用电阻网络的最大优点是线性好、成本低，缺点是不能实现电气隔离。使用中，一般采用多级分压，以便提高耐压和方便补偿与调试。如图4如图4典型电阻网络线路图显示器目前常见的电子式电能表显示器件有3种液晶LC
16、D、发光二极管LED、荧光屏FTP液晶显示器LCD是利用液晶在一定电场下发生光学偏振而产生不同透光率来实现显示功能的。液晶显示器在静态直流电场下寿命很短一般为几千小时，而在动态交变电场下寿命很长，可达20WH；除具有长寿命的优点之外，还具有功耗小小于10UA，在有一定采光度时显示对比度强等优点。发光二极管LED是利用特殊结构和材质的二极管在施加工向工作电压、具有一定工作电流时，发出某一特定波长的可见光来实现显示功能的。具有温度范围宽4085、在弱光背景下显示醒目和低成本等优点；缺点是寿命短一般为3万5万H、耗电大一般510MA、露天下显示不清等。荧光显示板FIP是利用特种荧光物质在一定电场和一
17、定红外热能下产生一定亮度的可见荧光来实现显示功能的。除成本高缺点外，其优缺点和发光二极管基本相同。由于LED数码管价格较LCD液晶显示器低，而且温度范围宽，适合电表的大面积推广和老百姓使用，所以选用LED11电源模块电源模块为整个电能表系统提供所需要的电量。它可以将主网中的220V通过电能变换，降压整流等方法成为电能表可以使用的电能。从主网接入的电压经过变压器降压，再经由桥式整流电路整流后，电解电容储能、平波。滤波电容滤除高频纹波，再经三端稳压器稳压即获得直流5V电源，为各种芯片正常工作提供必要的电源。当电网停电时，36V锂电池供电，电网上电时，由7805三端稳压器的输出引脚输出的5V直流供电
18、1。如图5图5电源模块原理图电能计量模块ADE7755是一种高准确度电能测量集成电路。ADC和基准源为模拟电路，乘法器和滤波器都是数字电路，这可以使ADE7755能够保持极高的准确度和长期稳定性。两个ADC对来自电流和电压传感觉器的电压信号进行数字化，这两个ADC都是16位二阶一模数转换器，过采样速率达900KHZ，ADE7755的模拟输入结构具有宽动态范围，大大简化了传感器接口可以与传感器直接连接，也简化了抗混叠滤波器的设计。被测电流经可编程增益放大器PGA放大后接电流通道的ADC，并由ADC转换为对应的数字信号。再经相位校J下和高通滤波，进入乘法器。乘法器的另一路输入是由电压通道ADC转换
19、而来的与被测电压对应的数字信号。相乘后产生瞬时功率信号。此信号经低通滤波器滤除其中的交流分量，提取出负载消耗的瞬时有功功率。ADE7755对这个瞬时有功功率信号进行一段时间12的累计和平均后，求得平均有功功率，并从管脚F1，F2输出。与此同时，以较短时间对瞬时有功功率进行累计，求得与瞬时有功功率成正比的高频频率并经CF输出1。如图6图6ADE7755功能框图发展趋势我国拥有世界上第一庞大的人口，作为一个电能表生产以及用户大国，广大国民对于电能表的要求无疑将是电能表发展的趋势。多功能电表不在是一个幻想。复费率电能表将在未来的很长一段时间内继续使用，现在全球的科技仍在不断发展中，虽然可以从其他方面
20、取得能源，但是总的用电紧张状态是不会有多大改变的。由于电子式可靠性好，准确度高，功能扩展性强，在电度表防窃电和增加谐波计算能力方面，电子式电度表更是表现出了强大的优势，因此，电子式电表有全面取代感应电表的趋势。电表的预付费技术将不断完善。在现在看来，从经济角度来说，先收费后送电的做法不符合现代中国经济政策的，在现在难以大面积的推广。但是此电表从原理上实现了无欠费的情况，深受电力部门的青睐，也预防了用电不付钱的现象。在技术方面，由于使用了非接触式卡和CPU卡等新技术，这种电表在安全度和精确度将更上一个台阶，我相信在不久的未来将会得到使用。自动抄表系统在将来也会有不错的发展势头。现在在一些高档小区
21、中自动抄表系统已经出现了他们的声影，但是现阶段这种自动抄表系统对于提高用户的用电质量毫无帮助，而且价格较一般电表高，很难投入广泛使用。但是随着通信技术的进步以及高自动化的管理，在已有技术的基础上加入红外线与GPRS技术，红外线用于短距离通信，而GPRS用于长距离通信，无线通信技术的发展将使这种系统广泛使用不在是一个梦想。电度表模块化设计将成为趋势。时代的发展对于电能表的进步提出了更高的要求，而模块化无疑将是解决这个问题的好方法，将系统的硬件与软件分别模块化，比如这个设计中硬13件的采样电路、电能计量模块以及软件的算模块、转换数据格式模块。这样的话，在对于电能表的开发中只要将精力集中于新模块、新
22、功能的开发，这样就能有效提高新产品的更新速度，提高产品的可靠性4。参考文献1李剑单相智能复费率电能表的设计与开发DHTTP/WWWDOCINCOM/P50740083HTML2深圳周立功有限公司ZLG7289PDF3张伟军基于ADE7755的电子式单相电能表设计与制作DHTTP/WWWDOCINCOM/P48098465HTML4赵伟庞海波刘灿涛电能表技术的发展历程J电测与仪表，1999,6475DMMILOSAVLJEVI6,VVMILENKOVI6,VDRADENKOVI6PRECISEPOWERANDENERGYMEASUREMENTTELSLKS99，1315OCTOBER1999,N
23、IS,YUGOSLAVIA6376406EDDYSO,DANGELO,TOMNELSON,ANDLISASNIDERNRCNISTCOMPARISONOFPOWERMETERCALIBRATIONSAT60HZANDRANGESUPTO600V，100AIEEETRANSACTIONSONINSTRUMENTATIONANDMEASUREMENT,VOL50,NO2,APRIL20017电子式电能表的结构和工作原理HTTP/WWWDOCINCOM/P89686626HTML14本科毕业设计（20届）双费率数字电度表设计15摘要【摘要】随着经济和科技的发展，全世界用电量日益增加，全球许多国家面临
24、着用电紧张的的危机。我国采取多费率用电政策，消峰填谷，以达到平衡高效用电的目的。在这种政策下，复费率电表大规模取代了单一费率电表。本论文建立在前人的理论和研究基础上，以AD7755为电能计量芯片和C8051F330单片机为控制芯片，利用简单的单片机技术设计开发了一款双费率电子式电能表，在单片机的控制下实现双费率电表分时段计量功能。【关键词】复费率电表；AD7755；单片机；电子式电能表。16ABSTRACT【ABSTRACT】WITHTHEDEVELOPMENTOFECONOMYANDTECHNOLOGY,THEELECTRICITYCONSUMPTIONOFALLTHEWORLDISINCR
25、EASINGMANYCOUNTRIESAREFACINGTHECRISISOFGLOBALPOWERSHORTAGEOURCOUNTRYADOPTTHEPOWERPOLICYOFMULTIRATEDPRICE,ELIMINATINGTHEPEAKSANDTROUGHS,TOACHIEVETHEOBJECTIVEOFBALANCEDANDEFFICIENTUSEOFELECTRICITYUNDERTHISPOLICY,MULTIRATEDWATTHOURMETERLARGESCALEREPLACESTHESINGLERATEMETERTHISPAPERBUILTONTHEBASEOFPREVIO
26、USTHEORETICALANDRESEARCH,AD7755ASTHEENERGYMETERINGCHIPANDC8051F330MICROCONTROLLERASTHECONTROLCHIP,USINGSIMPLESINGLECHIPTECHNOLOGYTODESIGNADOUBLERATEDPOWERMETERTHEMETERACHIEVESUBMETERTIMEMEASUREMENTOFDOUBLERATEFUNCTIONUNDERTHECONTROLOFTHEMICROCONTROLLER【KEYWORDS】MULTIRATEDWATTHOURMETERAD7755SINGLECHI
27、PPOWERMETER17目录摘要15ABSTRACT16目录171引言111本课题的背景与意义112多费率电子式表的优势12总体方案设计介绍321方案任务及目标322系统基本方案3221电能计量单元3222单片机微控制器4223LED显示模块设计43双费率电表的硬件设计531直流稳压电源的设计632采样电路的设计6321电流采样电路设计6322电压转换电路设计733电能计量模块设计834C8051F330单片机模块设计1335ZLG7289显示模块设计144双费率电表的软件设计1641软件设计思路1642软件流程图17421系统初始化设置17422软件运行过程185系统调试以及数据的记录和计
28、算1951系统调试19511硬件调试19512软件调试19513软硬件联合调试1952数据的记录和计算19521数据记录20522数据计算20523误差的定性分析21186总结与展望22参考文献23致谢错误未定义书签。附录2411引言11本课题的背景与意义随着世界科技水平的提升，各行各业经济的迅猛发展使他们对于电能的依赖度越来越高，在电量日益增加的同时也产生了一个现象，就是在不同时间段用电量不均衡的现象日益严重，导致电力系统的负荷曲线变化幅度很大，为电网的稳定以及电能资源的合理分配使用带来了许多不良因素。为了缓解各个时段用电紧张的现状，鼓励各用户能够在电网低谷时段用电，平衡用电量，政府电力部门
29、已经实施了不同时段不同电价的计费方法，这种方法从经济手段上对于用户用电量进行了一定的宏观调控，为节约电量资源起到了不小的贡献。为了更好地适应这种制度，新型的复费率电表已经大规模取代了传统的单一费率电表。随着单片机技术的日益成熟完善及电能需求的日益增加，以单片机为核心的数字电能表已得到了大规模的推广实施，其中的多费率数字电表更是受到了那些比较发达但是用电紧张的当地电力部门和人民群众的青睐。在市场的推动下，电子式电能表发展迅速，中国目前已成为世界电能计量行业最有活力的市场。同时，单片机为核心的复费率电表也接受着社会的层层考验，现有的电表不足以满足未来的发展，价格更低，稳定性更好，抗干扰能力更强，精
30、准度更高的电表有待开发出来1。在电力系统中，电力负荷是指电力系统中所有用电设备所耗用的功率，简称负荷，随着时间的推移，负荷是不断发生变化的，通过负荷曲线可以对于这种变化进行具体描述。电力负荷的大量增加会导致电网负载高峰的形成，同样，电力负荷的大量减少会导致电网负载低谷的形成。在这样的情况下，若峰值负荷与谷值负荷差距较大，则会导致电力得不到充分利用，运行不经济。为了合理解决这个问题，极大高效地利用电能，国家采用了不同时段不同电价的政策，复费率电表无疑能更好地与这个政策相适应，单一费率电表因为无法实现这个功能而被电表市场所淘汰。随着新时代电子技术和通信技术的快速发展，红外电脑自动抄表系统的开发更是
31、受到了用户的极大关注和欢迎。随着电表市场需求的不断加大，新型稳定、多功能和精确度高的智能型电表急需被开发出来2。12多费率电子式表的优势如今用户电表正在朝着高精度、多功能、多费率和智能型的方向发展，电子式电表也逐步取代了传统的机械式电表。传统的机械电表存在着它不可避免的局限性，首先，尽管机械式电表经过了一个多世纪后人的不断完善和改良，在精度方面已经能够比较精确地测量出电能，但是，它始终是一个机械装置仪器，它的精度会随着电表的长时间的使用而导致器件受到磨损并最终导致电表损坏不能使用。其次，在于多费率电表功能的多样性。机械电表只能记录旋转数，并不能记录时间。我们知道2在现实中随着时间的不同，用户的
32、用电量是会发上变化的，白天的电力需求量远远大于晚上的需求量。特别是夏天，因为空调等大功率电器的大量使用导致傍晚的电量激增。为了满足用户的电量需求，电力公司必须输送大量的电能。但是，由于电能是不能存储的，因此在非峰值的时间段内，电能大量富余，会对电能造成巨大的浪费和损失。因此，电力公司会采用不同的电价政策来平衡用电需求，而机械式电表无法完成这项功能，在能源紧缺的当代无疑是被打上了淘汰的标记。第三，机械式电表的抄表计费工作是一项繁琐的工作。人力抄表既浪费了人力和时间，又容易产生错误。电子式电表不但能够电脑自动抄表，而且准确度高，不但能够提高工作效率，避免了人力资源浪费，又能减少人为错误，由此可见，
33、机械式电表被取代将是一个不可阻拦的趋势。综合上面的因素，显示了机械式电能表有着诸多局限，它已经不能够完成现代电表用户和电力公司的需求，电子式电能表以其灵活性高、功能多、精确度高的性能将征服整个电表市场3。32总体方案设计介绍21方案任务及目标主要任务利用基本电路理论、模拟电路、数字电路等基础知识，应用相关的专用芯片、单片机等，设计一款具有费率管理、功耗比较低、稳定性好、寿命长等特点的双费率数字电度表。目标将不同时段的电能分开记费，实现双费率的要求。不同时段的电能读取由键盘切换实现。22系统基本方案本方案中该系统主要由5V稳压直流电源模块、电流电压采样模块、AD7755为核心的电能计量模块、单片
34、机控制模块和LED显示模块这五个模块组成。采样电路中电流采样使用变比为20001的电流互感器，将主网中的大电流转化为小电流，利用取样电阻采样电流信号。电压采样使用电阻分压的原理，对220V电压进行分压，经采样变换后的信号以差动电压的形式接到AD7755。其中取样电阻的阻值由计量芯片的最大输入信号即通道1和2的最大额定输入决定，然后经AD7755转换后将功率信号转化为脉冲信号并传送给单片机，利用单片机内部的计数器给输入脉冲进行计数，按照公式即可计算出所消耗的电能。LED显示模块采用ZLG7289显示模块，将单片机计算出的电能显示在LED数码管上，同时可以通过切换键盘上的按键，对不同时段进行电能的
35、计算，实现双费率的功能。221电能计量单元电能计量电路是双费率电表设计的关键部分，它的准确与否直接关系到电表的稳定性与精确度，所以在选择芯片时应从多方面考虑其性能。AD7755是ANALOGDEVICE公司生产的一款电能计量芯片，是一种高准确度电能测量集成电路，被广泛用于功率和电能的精确测量以及计算。由于AD7755芯片只有在基准源和ADC中使用到了模拟电路，在其他信号处理电路中，如乘法器和滤波器中等都是使用数字电路，这保证了该芯片在外界环境变化较大的情况下也能够保证有较好的稳定性，实现了低成本、高精度、复费率电能表的设计可行性。AD7755电能计量芯片有以下优点有较高的准确度，动态范围在50
36、01之内时能够保证误差小于01。当外部环境发生较大的变化时，内部的模数转换电路和数字信号处理电路仍保证高精确度和稳定性。芯片内部设置有电源监控电路，对电源发生变化进行监控，保证芯片正常工作不被损坏。该芯片正常工作电源为5V，而且功耗较小。采用了低成本CMOS工艺，价格比较便宜，适合推广。该芯片还有防潜动功能。芯片的基准电压为258V，并能够通过引脚给外部电路进行供电。电4流通道的增益放大器使得对芯片的使用更加简单。逻辑输出引脚REVP能指示负功率或错线。芯片引脚F1和F2为平均有功功率输出引脚，输出的脉冲频率与平均有功功率成正比，而CF为瞬时有功功率输出引脚，输出的脉冲频率和瞬时有功功率成正比
37、4。222单片机微控制器单片机是整个电表的控制核心，电表系统通过下载在单片机中的程序对其他的各个模块起到协调操作作用，实现电子式电表电表的各项功能。在选择单片机时要偏向于选择功能比较强大，精度以及稳定性较高，应用广泛以及编程简单易懂的单片机。方案中拟用的单片机是C8051F330芯片，C8051F330器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU，其主要具有以下的特性具有高速流水线结构的CIP51内核，并与MCS51TM指令集完全兼容；10位速度可达200KSPS的十六通道单端/差分ADC；芯片内部拥有高精度并可用于编程的25MHZ振荡器；4个通用16位定时器/计数器；17个I/O端口；10位电流
38、输出DAC；拥有通过硬件来使用的SMBUS/I2C以及增强型UART和SPI串行接口；拥有768BYTE的片内RAM等。它的这一系列特性决定了它可以独自构成一个独立的小系统，可以被用于仪表设计5。223LED显示模块设计显示模块可以采用LED数码管显示的电路，它具有控制操作简单、温度范围宽、在弱光背景下显示醒目和低成本等优点。而且由于在本实验中需显示的数据较少，数码管完全可以满足需求。实验中用到的显示模块核心为周立功公司自行设计研发的ZLG7289芯片，使用方法简单方便。ZLG7289芯片具有很宽的工作电压范围，276V的电压都能驱使芯片进行正常工作；工作温度范围为4085；能够同时驱动8位共
39、阴式数码管或者64只独立的LED灯；同时管理最多64个按键，并具有自动防抖功能；功能强大，拥有左移、右移、闪烁等作用；与微控制器之间进行连接时采用串行总线接口，操作方便，占用I/O资源较少。由于ZLG7289有以上诸多优点，可被大范围地用在条形显示器，仪器仪表，控制面板，工业控制器等电子领域4。53双费率电表的硬件设计电表的总体设计方案图如图31所示，整个电表的硬件电路主要由电源、计量芯片电路、采样电路、单片机微控制器和显示电路五个部分组成，每个部分都完成其特定的功能，然后以单片机为核心有机组合在一起，完成电表的计费功能。图31硬件总体设计方案图【1】C8051F330单片机的作用是通过下载在
40、其中的程序，控制协调其他的硬件模块完成整个系统的各种功能。【2】AD7755作为电能计量芯片，是电能计量模块的核心部分。本模块完成输入电能的计量功能，将模拟电能信息经一系列转换转化为脉冲信号传给单片机进行计数和计算。【3】电能采样分为电流采样与电压采样，此采样模块是将主网中的大电压，大电流转化为适合AD7755电压和电流通道输入的较小电信号，并将这些模拟信号提供给电能计量模块实现模数之间的转换以及计算。【4】数据显示模块主要将电能表产生的用电信息准确地显示在数码管上，以供用户和抄表人员参考使用。同时用于通过按键对费率进行切换，实现电表的双费率功能。【5】电源模块为整个电能表系统提供所需要的电量
41、。它可以将主网中的220V通过电能变换，降压整流等方法成为电能表可以使用的5V的直流稳压电源。C8051F330单片机AD7755电能计量芯片电源电压采样电流采样LED显示631直流稳压电源的设计在电能表中，电能表的工作需要进行不间断地供电，电源是否稳定会直接影响电表的工作性能和精确度，因此，一个好的直流稳压电源是保证整个系统能够稳定工作的前提和关键。设计中首先将交流电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路对交流低压进行整流和滤波，使得在三端稳压器的两端形成一个不是十分稳定的直流电压，最后经过7805的稳压效果，产生一个稳定性较好、精度较高的5V直流稳压电源。在实验的设计中，稳压电源
42、用于AD7755电能计量芯片、单片机微控制器模块和LED显示模块的电能供电。电路图如图32所示12J1CON21234D1BRIDGE1C101UFC301UFC21000UFC4100UF1133227805U17805VCC图325V直流稳压电源32采样电路的设计采样电路完成将主网中的大电压和大电流转化成为可供电能计量模块直接使用的小电压和小电流，同时将主网的电力线和电能计量芯片进行隔离的作用。实现采样后的交流小电压应满足峰值小于等于电能通道所能承受的满额峰值电压470MV和660MV。321电流采样电路设计电流采样可以通过两种方法进行实现。第一种锰铜片作为采样器，第二种是通过电流互感器达
43、到采样的目的。由于采用互感器可以提高电子式电能表的抗干扰能力，因此实验中选择了第二种方案。根据实验课题要求的需要，电流采样部分采用变比为20001的30A/15MA电流互感器进行处理，将互感后的电流经过一精密采样电阻将电流信号转换成为电压信号。然后电压信号直接输入到电能计量芯片AD7755的电流通道中。该通道采用完全差动式输入，V1P是正端输入，V1N为负端输入。此通道的最大差动峰值为470MV，输入峰值应小于这个值。同时，在AD7755计量芯片的电流通道中有一个PGA可以对输入电压进行增益，增益可以选择为1、2、8或16，用户可根据自己的需要进行选择，如表31所示7表31电流通道的增益选择G
44、0G1增益最大差动信号001470MA012235MA10860MA111630MA设计电路原理图如图33所示V1PV1NT130A/15MAR23R13R41KR31KC1001UFC2001UFLN图33电流互感器采样电路在实际制作电路板前，为了选择比较合适的电阻以及电容，以及对产生的结果进行验证，需要对以上电路进行仿真，图34为电路仿真图，由图可知，在如下情况下，当输入电流为最大额定电流25A时，输出电压有效值为75MV，算得电压峰值为105MV，满足小于470MV的要求。图34电流互感器采样电路仿真图322电压转换电路设计8电压转换同样可以用两种方法实现。第一种是使用电流互感器达到采样
45、目的，第二种是采用电阻网络分压的方法，考虑成本等原因，本方案中电压转换采用电阻分压的方法实现。如图356所示，电压采样电路采用简单的串联电阻分压网络。在实际电路中，当由于电阻的精度而导致电路测得的数据和理论上有较小的偏差时，可以短接或者松开接点可以很方便地完成增益调节，使得电压实测值与理论值达到一致。这种方法相对于互感器采样来说，体积和重量大大减少，小巧轻便。R150KR225KR312KR45KR52KR61KR7500R8250R9200KR10200KR111KC130NFC230NFR121KS1SWS2SWS3SWS4SWS8SWS7SWS6SWS5SWV2PV2N图35分压网络电压
46、采集电路与电流采样一样，经仿真，可得在图36情况下，对开关进行控制，输出电压有效值为4667MV，则峰值为660MV，可以满足对通道2进行满额输入的要求。图36分压网络电压采集电路仿真图33电能计量模块设计9AD7755功能图如图37所示图37AD7755功能图AD7755的内部结构原理如图331所示，两个ADC对输入电流和电压通道的信号进行数字化处理，这两个ADC都是16位二阶一模数转换器，过采样速率可以达到900KHZ，AD7755的模拟输入在结构上具有动态范围较宽的特点，这样大大简化了传感器接口可以与传感器直接连接，也简化了抗混叠滤波器的设计。对电流通道中PGA的设置进一步简化了传感器接
47、口6。信号处理部分包括相位校正、高通滤波器HPF、乘法器、低通滤波器LPF和数字频率转换电路对信号进行处理。AD7755只有在ADC和基准源为模拟电路，乘法器和滤波器等都为数字电路，这使得AD7755具有极高的准确度和长期稳定性2。有功功率是从瞬时功率中推导出来的。瞬时功率信号是电压通道输入的信号与电流通道输入的信号相乘产生的，这个信号再经过低通滤波器滤掉其中的交流分量提取出瞬时有功功率。图38显示了如何通过对瞬时功率信号进行低通滤波器来获取瞬时有功功率。10图38信号处理框图此瞬时功率信号经过数字/频率转换器转换成与瞬时有功功率成正比的高频脉冲信号并从CF引脚输出。AD7755的低频输出F1
48、和F2是通过对瞬时有功功率信息的累计产生的，即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功率，由于它输出的是脉冲信号，所以CPU通过中断引脚可以方便准确地进行电量的累计。由于CF输出的频率较高，累加时间较短，因此CF的输出正比于瞬时有功功率7。AD7755内部包含一个对AVDD电源引脚的监控电路。在AVDD上升到4V之前，AD7755一直保持在复位状态。当AVDD下降到4V以下，AD7755也被复位，此时F1，F2和CF都没有输出。在AD7755与微控制器MCU接口最简单的方法是使用CF高频输出。如图39所示，频率输出CF端连接到MCU的计度器或端口，MCU在内部定时器设定
49、的积分时间内对CF输出的脉冲计数，由于平均功率正比于平均频率，两者之间的关系可以表达如式312设K为比例常数，在电表中K表示仪表常数的倒数，在本实验具体电路中，K1/3200平均功率K平均频率K脉冲个数/积分时间31由此可得在一个积分周期内所消耗的电能为式32电能平均功率积分时间K脉冲个数/积分时间积分时间K脉冲个数32这表示，在设计的具体电路中，AD7755的CF端每输出3200个脉冲，电能增加一度。11图39AD7755和MCU接口图AD7755引脚如图310所示DVDD1AC/DC2AVDD3NC4V1P5V1N6V2N7V2P8RESET9REF10AGND11SCF12S113S014G115G016CLKIN17CLKOUT18NC19REVP20DGND21CF22F223F124ADE7755图310AD7755引脚图引脚介绍如下DVDD为数字电源引脚。电源通过此引脚给AD7755计量芯片内的数字电路进行供电，输入电源电压应为5V5并保持不变，为了抗干扰，在此引脚上应接入10UF电容并联100NF电解电容对电源进行去耦。ACDC为高通滤波器选择引脚。此引脚为高电平时，电流通道内的高通滤波器选通，表示滤波器在45HZ至LKHZ范围内的相位响应已得到补偿。在频率测量中，高通滤波器应被选通。AVDD为模拟
