1、 本科 毕业设计 多参数电能表设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 多参数电能表是一种用来监测电网运行状态的工业仪表。它能实时提供电流、电压、有功功率、无功功率、频率等基本参数，为系统的稳定运行提供强有力的帮助。多参 数电能表主要针对国内市场的工业用户。目前国内多参数电能表种类少，价格较高，功能不完善，往往仅是针对某些特定地区开发，缺乏通用性。 该设计 的控制核心部分用单片机进行设计。为了使设计成本降低，电压参数采集采集采用电阻分压，然后再用放大器 NE5532 进行信号放大使信号范围在 1 5V。由于要采集的电流比较大，电流
2、参数采集采用电流互感器进行采集。采集到的数据送到单片机核心部分进行 AD转换，数据运算，同时把参数数据送到 LCD 显示电路显示，实现实时显示各种电能质量参数。同时单片机是采用深圳宏晶公司生产的 STC12C5A16S2，主要是考虑到该单片机拥有 ADC 接口，并且运行的速度较快，这样就可以减少外部专用 ADC 转换芯片，减少了设计成本。显示模块采用 LCD 液晶显示器 QC12864B，该模块相对来说价格便宜并且能够显示中文及图形。软件则采用 C 语言编写，也是基于 C 语言简洁的特点。 本文首先对多参数电能表的国内外发展现状，该设计的系统组成和基本原理进行介绍，然后是对 各部分的硬件 、软
3、件进行分析和系统调试。 关键词 ：单片机；电能参数；电压电流采集 II Abstract Multiple parameters electric energy meter is a kind of measuring instrument monitoring the operation state of electric in industry. It can real-time provide current, voltage, active power, reactive power, frequency, etc for basic parameters, provides powe
4、rful help for the stable operation of the system the powerful help. Multiple parameters electric energy meter mainly aim at domestic mainly industrial users. At present domestic multi-parameter watt-hour meter less species, the price is higher, function not perfect, often is only directed at certain
5、 regional development, lack of generality. The design of core part is use of the MCU. In order to reduce the cost of design, In order to make a design cost reduction, voltage parameter acquisition collection using resistance points pressure, next reoccupy amplifier NE5532 signal put ambassador signa
6、l range in 1 5V. The current due to collection is larger, current parameter acquisition using current transformer are collected. The data collected on the core part to microcontroller, AD transform data operation, but at the same time parameter data sent to LCD display circuit display, realize real-
7、time display various power quality parameters. MCU is using shenzhen macro STC12C5A16S2 production company, wafer main consideration to the microcontroller, and running with ADC interface the faster, which can reduce the external special ADC transition chip design, reduce the cost. Display module ad
8、opts LCD QC12864B, this module is relatively cheap and can show Chinese and graphics. Software is written in C language, and also by based on C language concise characteristic. This paper firstly speaking the developing situation of the Multiple parameters electric energy meter and foreign design co
9、mponents of the system and basic principles are introduced, and then the is part of the hardware, software analysis and system debugging. Keywords: MCU; Electrical energy parameters; Voltage current collection III 目 录 前言 . 1 第 1 章 绪论 . 2 1.1 电能表的发展历史 . 2 1.1.1 感应式电能表发展历史 . 2 1.1.2 电子式电能表发展历史 . 2 1.1
10、.3 电能表的技术导向原则 . 3 1.1.4 现在电能表的信息传输方式 . 3 1.2 本课题研究的相 关内容和意义 . 4 1.2.1 课题研究内容 . 4 1.2.2 课题研究意义 . 4 第 2 章 多参数电能表设计的组成 . 5 2.1 多参数电能表设计组成方案 . 5 2.2 多参数电能表设计总体结构 . 5 2.3 测试电能参数原理 . 5 2.3.1 电压电流有效值的测量 . 5 2.3.2 功率因数及各种功率的测量 . 6 第 3 章 硬件电路的设计 . 7 3.1 主控电路的设计 . 7 3.1.1 主控芯片的 STC12C5A16S2 单片机简介 . 7 3.1.2 ST
11、C12C5A60S2 系列单片机的内部结构 . 7 3.1.3 单片机最小电路的设计 . 8 3.2 显示电路的设计 . 8 3.2.1 液晶显示模块介绍 . 8 3.2.2 显示模块接口介绍 . 9 3.2.3 显示模块电路 . 10 3.3 按键电路的设计 . 10 3.4 电压电流检测 . 11 3.4.1 微型电流互感器 HCT409M 介绍 . 11 IV 3.4.2 电压电流采集处理电路 . 12 3.5 电源模块设计 . 13 3.6 PCB 板的设计 . 14 第 4 章 软件设计 . 15 4.1 程序流程图 . 15 4.2 软件结构 . 15 4.3 电能基本量的测量 .
12、 15 第 5 章 抗干扰设计 . 17 5.1 系统硬件抗干扰设计 . 17 5.2 软件抗干扰设计 . 17 第 6 章 系统调试 . 18 6.1 调试与测试方法 . 18 6.2 联合调试 . 18 6.3 调试好后的硬件图 . 19 总结 . 21 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 22 附录 1 主要程序 . 23 附录 2 原理图 . 43 1 前言 电能表可分为 感应式电能表 、机电一体化电能表和电子式电能表。多参数 电 能 表是在电子式电表的基础上发展而来的。 20 世纪 70 年代，研究人员成功研制出利用数字和模拟电路实现电能计量功能的电子式电能表，克服了传统的
13、感应式机械电表人工抄表效率低，数据偏差大，防窃电功能差等弊病。 同时随着电子科技不断进步，越来越多的数字技术应用到该领域上，使得多功能电能表具备了 预付费、分时计费 等功能。同时电力行业推行“一户一表”制，使得早期使用的机电式电度表越来越不适合市场要求，而电子式电度表由于具有可远程抄表、分时计量和计量准确 等特点，同时可靠性也占有优势，因此越来越受到市场的青睐。多参数电 能 表实现了对电子式电表的全面突破，以智能芯片为核心，集成包括具有双向信息交流功能的读表器，一套操作管理系统和数据库，构建应用计算机技术、通信技术等多系统的交流平台，实现电功率计时计量、自动计费、即时双向通信和优化用电等功能。
14、 但是由于 电子式电能表发展历史毕竟 比较 短， 还不能够在有些恶劣条件下正常工作 ；厂家对现场使用条件的理解 、 用电营业政策了解 还不能达到有些用户的要求， 因此厂家 要得到 用户在某些技术指标上 的认可 还 需要 有一个过程。 鉴于此，决定 采用 单片机 来 设计多参数电能表 。单片机具有高精度、高灵敏度、高响应速度 、 耗能 低 、安全可靠 和 自动控制等优点，同时，其逻辑控制运算是由软件来进行的， 方便 各种控制规则 的实现 ，甚至是比较复杂的控制算法的实现，而且受外界工作环境的影响 比较小。 因此，基于单片机的 多参数电能表 可以安全可靠地运行， 能够测量并显示交流电的频率、电压有
15、效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数等参数。 2 第 1 章 绪论 1.1 电能表的发展历史 因为电能表是电能管理系统中是最末端的仪器，在电能管理系统使用的仪器仪表中拥有很大的比重，所以它性能的好坏与电能 管理系统的效率、精确度和智能化水平有直接的联系。多年来，随着工业需要的增加以及电能管理系统的不断更新，电能表的设计结构及功能也不断进行优化及更新 1。 1.1.1 感应式电能表 发展历史 1880 年，爱迪生利用电解原理制造出世界上最早的直流式电能表 1。由于它只能侧直流电，当交流电被发现和被利用之后，对电能表的性能提出了与以往完全不同的要求。八年后，最先想到利用旋转磁场原理用来测
16、量交流电能的是意大利国家的物理学专家费拉里斯。与此同时，感应式电能表的最先模型也被美国一物理教师利用旋转磁场理论试制出来。之后， 感应式电能表得到了很快的发展。感应式电能表是利用一块金属圆盘放在交变的磁场中产生感应电流的大小与磁场形成力大小有关的原理制成的 ,具有制造结构简单、具有良好的可靠性以及价格比较便宜等特点。经过近一百年来不断的改进与完善之后 ,感应式电能表已经有了成熟的制作技术。通过用 铬钢、铝镍合金取代替原来的钨铜 过双重绝缘、绝缘度的加强和采用高质量的双宝石轴承和磁力轴承等科技手段 ,其磁路和结构的稳定性得以提高 ,削弱了电磁的振动 ,使电能表寿命延长了很多年 ,且过载的能力也有
17、了显著的提高。因此 ,到现在为止在一些发达国家以及包括我国在 内的许多发展中国家里 ,感应式电能表仍然被广泛使用 1。 1.1.2 电子式电能表发展历史 工业飞快发展的同时 ,电能的利用也在迅速增加， 由于早期使用的感应式电度表有准确度低、 功能单一、适用频率范围窄等缺点而越来越不适应市场要求。为使电能计量仪器仪表能够跟上工业现代化和电能管理现代化飞快发展的步伐 ,电子式电能表就这样产生了。 早期时代的电子式电能表 是在感应式表计的测量基础上发展起来的 1，就是说其工作元件还是采用感应式电能表的测量部分机构，同时由光电传感器来完成电能脉冲的转换，然后脉冲经过电子电路进行采集与 处理，从而达到实
18、现测量电能的功能。虽然经过十几年的改善和提高，但其工作元件采用感应系电能表的测量机构，所以也存在 准确度低、 功能单一、适用频率范围窄等缺点。改善这些缺点，就必须找出另外一种方法来代替感应系电能表的测量机构。从 70 年代起，人们开始试着采用电子电路的方案来解决这个问题。因为电能是电功率和时间的积分，所以能够准确测量电功率是最重要的一步。通过把乘法器把电流和电压相乘就是电功率，所以通常大部分人是采用乘法器来测量电功率和电能的普遍方法。近 20 年来，电子技术有了很快的发展，这为电子式电能表技术的提高奠定 了基础。大量新型的电子元器件被研发出来，各种乘法器和 AD 转换芯片大量出现，性能也大步的
19、提升，这样就大步促进了电子式电能表的发展。之后单片微型计算机的出现是电子式电能表的重大转折点。它彻底改变了原来的观念，以前的乘法器和其他一些电子硬件电路都被软件编程所代替，使得电子硬件电路更加简单，其电参数（电流的有效值、电压的有效值、有功功率、无功功率、视在功率等）测量的更加准确，同时有些其具备了无限传送数据、 IC 卡预付费、防窃电、复费率等功能。 3 1.1.3 电能表的技术导向原则 随着国家电力产业的蓬勃发展，以及电力行 业推行“一户一表”制，由于早期使用的感应式电度表有准确度低、 功能单一、适用频率范围窄等缺点而越来越不适应市场要求， 而电子式电度表由于具有计量准确、可远程抄表和分时
20、计量等特点，且产品的可靠性也占有优势，因而市场见好。 而电子式电能表又是在感应式表计的测量基础上发展起来的，因此对其技术导向必须遵循如下原则： 1） 表计测量结果要符合电工原理和数学分析式 ; 2） 功能满足用电营业政策 ; 3） 性能优于感应式电能表 ; 4） 能够方便地解决实践中碰的各种问题。 把先进的通信技术、合理的防窃电方法能巧妙的融入电 能表生产技术，是电子式电能表开拓的方向 3。所以 电度表需要有详细的设计、生产和检测标准，如 GB/T 17215-19981 级和2 级静止式交流有功电度表 (对应的国际标准为 IEC1036:1996)， GB/T 15284-1994 多费率
21、(分时 )电度表， DL/T 698-1999 低压电力用户集中抄表系统技术条件、 DL/T 614-1997 多功能电能表等。这些标准分别对与电度表电源设计有关的整机功耗，输入电压范围， EMC 测试等方面提出了详细要求 2。 做电能表的电源时，整机的功耗，电源的稳定性和电源的额定电流是 需要一个关注的问题。单相纯计量表一般只含有一个基本的计量单元，一个电子计度器，一个发光二极管和脉冲输出口等，整机耗电一般不超过 50w2。直接通过火零线串联低成本的电阻电容形成降压电路就可满足整个电度表的供电需求，但是要注意稳定型及可靠性，所以应选择较大的长寿命输出滤波电解电容。对于 单相多功能电度表，其结
22、构包括了 包含计量， CPU，显示等，有些电表可能还有通讯线或外接控制线等设备。多功能电能表的功耗比单纯的电能表要大的多，所以一般采用线性低价变压器，有些用户更加苛刻的、有更加严格要求的，就比较适合采用低价的 DC-DC 升降压电路 ,这样就可显著降低整机功耗，即使在宽输入电压范围内，也可以稳定正常是运行。一般的三相电度表的供电模块的体积和重量较大，成本也较高，但是采用三相电度表专用开关电源模块供电时，就可以改善上述缺点。这种三相电度表专用开关电源模块，任意线输入都可以正常工作，并且有输入过电压、输出过电流保护功能，电源模块的 EMC特性也较好，另外还具有重量轻、体积小、损耗小、效率高等优点，
23、它的每相供电的自身损耗均 0.4W，具有良好效果 2。电子式电能表的电源设计应适当的选择元器件，这样可以提高产品的可靠性，同时 降低设计成本；主机应选择电压、低功耗的 CPU 和其他元器件以降低整机功耗。同时元器件的布置及 PCB 的布线也可影响到电度表的 EMC 性能。 1.1.4 现在电能表的信息传输方式 现在无线传送数据的方式有红外线传送，电力线通信， GPRS/GSM 无线数字网通讯等等。以前传统的电能表与采集器之间采用 RS485 通信方式，但是需要布线并且线路很容易被破坏。随着信息高速公路的不断建设和发展，利用 220V 低压电力线传输高速数据的价值越来越为人们所重视，因为它具有无
24、须布线、速度快、一线两用、连接方便的优点，被认为是解决信息高速公 路 “最后一公里 “问题的最具竞争力的技术之一 4。此方式避免了重新布线，通过电网就可以传送数据，不会破会房屋的结构和装修，只需要少量的设备就可以使用，大大节约了时间和成本。 GPRS 数据传送方式时最有最好的通讯方式之一，具有实时性强，可对电表设备进行远程控制，建设成本少低，集抄范围广，系统传输容量大，数据传送速率高等特点 5。 4 1.2 本课题研究的相关内容和意义 1.2.1 课题研究内容 设计一个能同时对一路工频交流电的频率、电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、等进行测量的数字式电能质量 监测装置。 1
25、）测量交流输入电压有效值。 频率： 50Hz；测量范围： 100 500V；准确度： 1。 2）测量交流输入电流有效值。 频率： 50Hz；测量范围： 10 50A；准确度： 1。 3）测量并显示有功功率 P、无功功率 Q、视在功率 S 及功率因数 PF。 4）在测试 5 组交流电压、交流电流有效值过程中，能显示它们的最大值和最小值。 5）测量交流输入电压频率，精度为 0.5%。 6）采用 LCD 显示，能够同时显示一个周期的输入电压、输入电流曲线。 1.2.2 课题研究意义 电能表是测量电能的专用仪表，诞生至今已 有 100多年的历史。因为电能表在电能管理中是最末端的仪器，在电能管理中用仪器
26、仪表中占有很大比例，所以它的性能直接影响到电能管理的效率、准确度和科学化水平。 近年来，在低碳经济、绿色节能及可持续发展思想的推动下，如何进一步提高电网效率，积极应对环境挑战，提高供电可靠性和电能质量，完善电力用户服务，适应更加开放的能源及电力市场化环境需要，对未来电网的发展提出了更高的要求 。同时最近 几年夏季天气炎热，高温连续不断，国内大部分地区用电量都大幅度增加，电能质量会有所下降，国家电网面临着严峻的考验。在电力资源紧缺，备用电量 严重不足，输变电设备重载的情况下，多参数电能表可以使用户及电力部门能够实时、详细、精确地了解电网的电能质量，并采取相应的措施来解决这个问题就显的尤为重要了。
27、 5 第 2章 多参数电能表设计的组成 2.1 多参数电能表设计组成方案 该设计要从 100 500V, 10 50A 的交流电中采集电能质量参数，并能实时显示其电能质量参数。所以必须先对要测试的交流电提取电流电压数值、相位、频率等，然后通过单片机处理得到相应的电能质量，并把数据传送到显示模块，使其实时显示电能质量。本设计中的控制核心是采用深圳宏晶公司生 产的 STC12C5A16S2 单片机进行数据的处理，通过 LCD 和单片机外围构成显示电路，进行实时显示各种电能质量参数。 2.2 多参数电能表设计总体结构 图 2.1 系统硬件结构 系统硬件结构简图如图 2.1 所示。 多参数电能表设计
28、系统硬件结构 包括电流、电压检测电路，电平转换电路，单片机主控模块，液晶显示电路，按键电路及电源模块。 其中，电流检测模块是采用性能良好微型电流互感器，对要采集的大电流转换成小电流，再经过一个 200 欧姆的电阻采样得到一个 1 5V 的电压信号。电压采集模块先用两个不同大小的电阻进行分压，然后经过 NE5532 把放大到 2 10V，在经过两个 10K 的电阻进行分压，最后得到一个 1 5V 的电压信号。主控电路把电压电流采集模块所采集的电压进行 AD 转换，难后进行数据处理，计算出其他参数。比如有功功率、无功功率、功率因数。显示模块是将电能质量参数显示到到液晶屏上，显示模块用了 LCD12
29、864 显示模块。电源模块是给主控电路，显示电路，电压采集电路提供电源。按键电路用来改变显示模块所显示的信息。 2.3 测试电能参数原理 电能参数六个主要技术指标：电压 有效值，电流有效值，视在功率，有功功率，无功功率，频率。电能参数虽然有 6 个指标，但要测量的却不多，只要测出电流峰峰值，电压峰峰值，功率因数以及频率。 2.3.1 电压电流有效值的测量 工程中常将周期电压或电流在一周期内产生平均效应转换算为等效的直流量，以衡量和比较周期电压或电流的效应，这一等效的直流量就称为周期量的有效值，用相对应的大写字母表示。电压、电流有效值的定义分别如下： T dtiTI 0 21 （ 2-1） T dtuTU 0 21 （ 2-2） 周期量的有效值等于其瞬时值的平方在一个周期内积分的平均值的平方根，因此又称为电压变换电路 电流变换电路 电平转换电路 电平转换电路 液晶显示器 操作按键 单片机 STC12C5A16S2
