电子式单相电能表.docx

1、电子式单相电能表ADE7755的二时段单相数字电能表设计摘 要Abstract 目录第一章 绪论1.2 课题研究背景及意义1.2.1 课题研究背景1.2.2 课题研究意义1.3 数字电能表的发展和现状1.3.1 电能表发展历程1.3.2 数字电能表未来发展趋势1.4 本文主要研究内容第二章 电能计量原理及多功能电能表通信规约的介绍2.1 数字电能表的电能计量原理和方法2.2 多功能电能表通信规约的介绍2.3 本章小结第三章 基于ADE7755的计量模块硬件设计3.2 电能计量芯片ADE7755的简介3.2.1 功能简介及功能框图3.2.2 外部引脚及其功能说明3.3 电能计量过程介绍3.3.1

2、 ADE7755工作原理3.3.2 电能计量电路设计第四章 单相数字电能表的系统硬件设计1.2 系统的总体设计1.2.1 系统总体设计思路1.2.2 电能计量电路的基本组成1.3 电源模块设计1.4 控制模块设计5.1.1 单片机8051简介5.1.2 控制电路设计1.5 LCD显示模块设计5.1.1 LCD显示器工作原理简介5.1.2 芯片1602简介5.1.3 显示电路设计1.6 通信接口模块设计5.1.4 51单片机的串行通信基础5.1.5 RS232串行口标准简介5.1.6 MAX232简介5.1.7 通信接口电路设计1.7 数据存储模块设计5.1.8 芯片24C02简介5.1.9 存

3、储模块电路设计1.8 时钟芯片5.1.10 DS1302简介5.1.11 时钟电路设计第五章 单相数字电能表的系统软件设计5.1 软件集成开发环境简介5.1.1 Keil C51Vision3介绍5.1.2 编程语言选择5.2 数字电能表系统软件的总体设计5.3 系统软件主程序设计5.4 电能计量模块5.5 LCD显示模块5.6 数据存储模块5.7 时钟芯片5.8 第六章 课题结论与展望参考文献第一章 绪论 1.1 课题研究背景及意义1.2.1 课题研究背景传统的感应式机械电能表从1890年发明以来已经有一百多年历史,虽然经过多方面改进,但仍然存在个突出问题:工作不稳定,精度低,内部的转动元件

4、难免产生机械磨损,使电能表测量误差越来越大;体积庞大,价格昂贵;由于构造原理的问题,很容易窃电。于是新型的数字式电能表应用而生。数字式电能表可视性强,大致可分为以下两类。第一类是在原来机械式电能表的基础上,仅在表盘上打一个很小的光电检测孔,表盘每转一圈给出一个脉冲信号,经放大和整形后,作为计数脉冲,所计的客户用电量通过数码管或LCD显示出来。这种电能表只是改变了其计数显示方式,没有脱离传统感应式机械电能表的本质,机械磨损还存在,精度低,不稳定,所以完全被淘汰。第二类是利用传感器来采样电流、电压,然后把采样到的电流、电压信号转换成数字信号或计数脉冲来计量客户所用电量,再通过数码管或LCD显示出来

5、。1.2.2 课题研究意义研制电能计量装置具有非常重大的意义，它能对电能进行精确的计量，并且能对主要的电参数如电压，电流，功率，功率因数，及频率等进行监测，同时还具有存储显示功能，并同时具有完备的通信功能。数字电能表的研制，大大促进了对电能的合理利用和调度 本文所设计的这种单相数字电能表是一种高精度多功能的单相电能表，利用电能计量专用芯片来计量所耗电量(单向电能计量芯片ADE7755),功能多,精度高,更有利于实行远程抄表,有利于电能的合理管理和应用。 1.2 数字电能表的发展和现状 1.2.1 电能表发展历程电能表的发展历经了由感应式电能表机电式电能表电子式电能表智能电表的过程。早期的感应式

6、电能表和机电式电能表大多结构简单、操作安全、维修方便、造价低廉等，但是准确度低、适用频率窄、功能单一、功能扩展困难、且对非线性负荷、冲击负荷的计量误差较大。而电子式电能表则功能强大，准确度高，误差曲线平直且稳定，启动电流小、频率响应范围宽、功耗小、便于安装使用、过载能力强、防窃电能力强，随着科学技术的发展，尤其是电子技术，计算机技术、网络技术和通信技术的飞速发展及日臻完善，自动化技术的不断进步，使得研制数字电能表成为可能，并且具有巨大的商业价值和发展优势。1.2.2 数字电能表未来发展趋势自19世纪末第一只感应式电能表用于电量计量以来，随着技术的进步尤其是上世纪70年代以来大规模集成电路的发展

7、，电能表也由机械式向电子式发展，目前电子式电能表已基本取代了传统的机械式电能表，并开始走向智能化。而智能化数字电表正向着多功能、数字化、网络化、智能化、实时互动化的方向发展，就是以单片机为核心，配以相应的测试电路、通讯接口和相应的监控软件，通过总线把多个智能化功能单元连成局域网，再由上位机测控软件实现。随着计算机、信息人工智能、自动控制、系统工程的发展，一个全新的智能化系统已经形成。集计算、信息、自动化、管理为一体的电能计量装置是发展的方向之一。电力检测仪实现智能化，能够进一步适应我国电力系统的发展，满足运营管理的需要，解决特殊负载用户的计量问题1.3 本文主要研究内容 本论文主要内容是设计一

8、种单相数字电能表，完成对电能的精确计量、显示以及通过串行通信接口实现与计算机之间远程通信。本次设计主要是基于电能计量芯片ADE7755和MCS51系列单片机8051。主要任务是完成电能计量电路及显示的各个模块的硬件设计和软件设计的程序框图，实现电能采集、电能计量、电能显示和与计算机的远程通信等功能。本论文主要结构如下：第一章主要介绍数字电能表的研究背景、意义及其发展状况和趋势；第二章主要介绍电能计量原理以及多功能电能表通信规约；第三章主要是基于ADE7755的计量模块硬件设计，第四章主要介绍数字电能表的硬件设计，主要分为电源模块、控制模块、显示模块、通信接口模块几个部分；第五章主要介绍数字电能

9、表的软件设计；第六章是对本论文的总结与展望。 第二章 电能计量原理及多功能电能表通信规约的介绍2.1 数字电能表的电能计量原理和方法 电能基本表达式如下： 式中u(t)、i(t)、p(t)分别是顺势电压、瞬时电流、瞬时功率值，所以测量电能的基本方法是将电压、电流相乘，然后在时间上再累加（即积分）起来。 对于大多数电子式电能表，电能计量的原理基本相同，主要包括对电压和电流的实时采样，将采样得到的电压和电流值相乘，计算出有效值、有功功率、无功功率等。采样份直流采样和交流采样两种，与直流采样相比，交流采样具有计算灵活、精度高、响应速度快等优点。 当采样输入信号为正弦波时，测量时域、频域信号的算法有导

10、数算法、半周期算法等。由于这些算法计算量小，因此应用较为普遍，尤其是对实时性要求很高的场合2.2 多功能电能表通信规约的介绍2.3 本章小结第三章 基于ADE7755的计量模块硬件设计3.1 电能计量芯片ADE7755的简介3.1.1 功能简介及功能框图（1） ADE7755功能概述 ADE7755是一种高准确度电能测量电路集成电路，主要用于单相电表系统，其技术指标超过了IEC1036规定的准确度要求。它只在ADC和基准电路中使用了模拟电路，其他的信号处理都由数字电路完成，这使得在恶劣的环境下仍然可以保持极高的准确度和长时间的稳定性，通过引脚F1、F2以低频形式输出有功功率的平均值，可以直接驱

11、动机电式计数器，或者与微控制器接口，从引脚CF以高频形式输出有功功率的瞬时值，用于电能计量表的校准。（2） 功能特点 精度高，在500：1动态范围内误差低于0.1%； F1、F2输出频率表示平均有功功率； 高频输出CF用于校准，并提供即时有功功率； 逻辑输出引脚REVP能只是负功率或错误链接； 可直接驱动机电式计数器和两相步进电机； 在片电源监控电路； 防潜动； 在片电压源2.5V9%; 单5V电源，低功耗； 采用SSOP24封装。（3） 功能框图 （4） 极限参数参数符号最小值最大值单位工作电压VDD-VSS-0.37.0V管脚电流IPIN-150+150mA储藏温度TSTG-65+150工

12、作温度TO-40+853.1.2 外部引脚及其功能说明ADE7755有24脚DIP和SSOP两种封装（1）管脚排列图如下： （2）管脚功能说明 DVDD，数字电源引脚。该引脚提供数字电路的电源，正常工作 电源电压应保持在5V5%，该引脚应使用 10F 陶瓷电容进行去耦 AC/DC，高通滤波器HPF 选择引脚。当该引脚输入高电平时，通道 1（电流通道）内的 HPF被选通，该滤波器所涉及的相位响应在45Hz 至 1kHz范围内在片内已得到补偿。在电能计量的应用中，应使 HPF 选通。 AVDD，模拟电源引脚。 该引脚提供 模拟电路的电源， 正常工作电源电压应保持在5V5%，当使电源的纹波和噪声减小

13、到最低程度，该引脚应使用 10F 电容并联 100nF 陶瓷电容进行去耦。 NC（6号引脚），与6脚短接 V1P，V1N，通道 1（电流通道）的正、负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工作最大信号电平为470mV。通道1有一个PGA。这两个引脚相对于AGND 的最大信号电平为1V。两个引脚内部都有 ESD 保护电路，这两个引脚能承受6V的过电压，而不造成永久性损坏。 RESET，复位引脚。当为低电平时，ADC和数字电路保护复位状态，在RESET 的下降沿，清除内部寄存器。 REFIN/OUT，基准电压的输入、输出引脚。片内基准电压的正常值为 2.5V8%，典型温度系数为 30ppm/。 外部

14、基准源可以直接连接到该引脚上。无论用内部还是外部基准源，该引脚都应使用 10F 钽电容和100nF 陶瓷电容对 AGND 进行去耦。 AGND，这是 模拟电路（即ADC和基准源）的接地参考点，该引脚应连接到印刷电路板的模拟接地面。模拟接地面是所有模拟电路的接地参考点，如抗混叠滤波器、电流和电压传感器等。为了有效地抑制噪声，模拟接地面与数字接地面只应有一点连接。星形接地方法有助于使数字电流噪声远离模拟电路。 SCF，校验频率选择。该引脚的逻辑输入电平确定 CF引脚的输出频率。 S1，S0，这两个引脚的逻辑输入用来选择数字/频率转换系数， 这为电度表的设计提供了很大灵活性。 G1，G0，这两个引脚

15、的逻辑输入用来选择通道1 的增益，可用来选择增益是1,2,8,和16。 CLKIN，外部时钟可从该引脚接入，也可把一个石英晶体接在CLKIN和 CLKOUT 之间，提供时钟源，规定时钟频率为3.579545MHz。作为石英晶体负载的33pF陶瓷电容应和振荡器门电路连接。 CLKOUT，如上所述，可把一个石英晶体接在 CLKIN 和 CLKOUT 之间，提供一个时钟源。当CLKIN 上接有外时钟时 CLKOUT引脚能驱动一个CMOS负载。 NC，悬空。 REVP，当检测到负功率时，即电压和电流信号的相位差大于 90时，该引脚输出逻辑高电平。该输出没有被锁存，当再次检测到正功率时，该引脚的输出复位

16、。该输出的逻辑状态随 CF输出脉冲同时变化。 DGND，这是数字电路（即乘法器、滤波器和数字频率转换器）的接地参考点。该引脚应连接到印刷电路板的数字接地面，数字接地面是所有数字电路（如机械或数字计数器、微控制器和 LED 显示器的接地参考点。为了有效地抑制噪声，模拟接地面与数字接地面只应有一点连接，如星形接地。 CF，频率较验输出引脚。其输出频率反映瞬时有功功率的大小，常用于仪表校验。 F2，F1，低频逻辑输出引脚，其输出频率反映平均有功功率的大小。这两个逻辑输出可以直接驱动机电式计数器或两相步进电机。3.2 电能计量过程介绍3.2.1 ADE7755工作原理 芯片内部两个ADC对来自电流和电

17、压传感器的电压信号进行数字化。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。电流通道中的PGA进一步简化了传感器接口。电流通道中的HPF滤掉电流信号中的直流分量，从而消除了由于电压或者电流失调所造成的有功功率计算上的误差。有功功率是从瞬时功率信号推导计算出来，瞬时功率信号是用电流和电压信号直接相乘得到的。为了得到有功功率分量（即直流分量），只要对瞬时功率信号进行低通滤波就行了。下图示出了瞬时有功功率如何通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获取有功功率。这个过程中所有的信号处理都是由数字电路完成的，因此具有优良的温度和时间稳定性

18、。 ADE7755的低频输出是通过对上述有功功率信息的累计产生，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。当这个平均有功功率信息进一步被累加，就能获得电能计量信息。CF输出的频率较高，累加时间较短，因此CF的输出频率正比于瞬时有功功率，这对于在稳定负载条件下进行系统校验是很有用的。3.2.2 电能计量电路设计电能测量电路如上图所示,主要是由电压检测电路、电流检测电路和电能计量芯片 ADE7755 及其外围电路组成。首先,负载电流经过电流传感器再通过滤波电路后转换成合适的电压信号送入到电能计量芯片 ADE7755 的电流通道, 即 V1P 和V1N 端;而 220V

19、相电压则通过电压传感器降压后,再通过滤波电路送入电能计量芯片 ADE7755 的电压通道, 即 V2P 和 V2N端二者经过 ADE7755 转换成有功功率以高频脉冲形式从 CF端输出然后接入到单片机 AT89C51 的外部中断信号输入端,即单片机控制电路从 ADE7755 的 CF 端采集脉冲经过处理后得到的数据送到 LCD 显示电路进行显示,并通过远程通讯电路把数据传送到上位机。CF脚接在单片机的T0计数器上，由单片机对CF脚输出的脉冲进行计数，再根据ADE7755的原理，计算出功率所测功率。S0S1和SCF分别接在P2.0、P2.1、P2.2口。第四章 单相数字电能表的系统硬件设计4.1

20、 系统的总体设计 4.1.1 系统总体设计思路本文所设计的电能计量电路，主要由电能计量芯片ADE7755、单片机8051、LCD液晶显示电路、存储器、远程通讯接口以及电源部分组成。由高精度单向电能计量芯片ADE7755来采集电压、电流。经ADE7755转换成有功功率，以高频脉冲形式输出，将输出功率传送至单片机8051，作为输入。高性能单片机8051作为整个电能采集电路的控制中心将8051与LCD显示电路相连接，LCD显示电路采用1602芯片，将所采集的电能数据经处理后在LCD液晶显示器上显示，并将数据存储在非易失存储器中，以防止停电时数据丢失，存储芯片选用24C02，且同时通过远程通讯电路将所

21、得数据传送至上位机，串行通讯接口选用MAX232.4.1.2 电能计量电路的基本组成4.2 电源模块设计电源模块为系统板上其它模块提供5V电源，电源输入有两种方式，一种为交直流电源从电源插座输入，输入的电压要求，直流输入应大于7.5V，交流输入应大于5V，通过7805三端稳压器得到5V的直流电源供给系统其它模块工作，另一种为从USB接口获取5V电源，只要用相应配套的USB线从电脑主机获取5V直流电源，在电源模块中加有保护电路，即电路中有短路，不会对7805三端稳压器及电脑主机电源有损害！其电路实现如下： 在电路中提供一个电源插座PHONEJACK2，将5V直流电源引入系统中，经过稳压器7805

22、稳压后提供5V电压源供单片机和各个电路正常工作，7805三端稳压器件。共有三个引脚：一号引脚为电压输入端，输入电压要大于5V，二号引脚为5V稳压输出端，三号引脚为接地端。同时，为了更好的指示出通电状态，还引入了一个LED发光二级管，当电源接通时，发光二极管导通发光，反之则熄灭。4.3 控制模块设计4.3.1 单片机8051简介（1） 8051概述 MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来

23、的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。本论文中我们将用89C51来完成电能表的设计（2） 功能特点 1个八位的处理器，片内带振荡器； 128字节的片内数据存储器； 21个特殊功能寄存器； 4KB的片内程序存储器； 4个八位并行口（P0，P1，P2，P3）； 1个全双工串行口

24、2个16位的定时器/计数器，记为T0、T1； 5个中断源，即两个外部输入中断，两个定时器/计数器中断，一个串行口中断； 2个中断优先级； 111条指令，具有位寻址功能，片内采取单总线结构。（3） 管脚排列图 8051有40个引脚，常用的有40引脚的直插封装（DIP方式），如下图所示： （4） 引脚功能说明1. 电源引脚Vcc 和VssVcc(40 脚)：电源端，为5V。Vss(20 脚)：接地端。2. 时钟电路引脚XTAL1 和XTAL2XTAL2（18 脚）：接外部晶体和微调电容的一端；在8051 片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该

25、引脚输入外部时钟脉冲。XTAL1(19 脚)：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。3. 控制信号引脚RST,ALE,PSEN 和EARST/VPD(9 脚)：RST 是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持备用电源的输入端。当主电源Vcc 发生故障，降低到低电平规定值时，将5V 电源自动两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，就可以完成复位操作。RST 引脚的第二功能是VPD,即接入RST 端，为RAM 提供备用电源，以保证存储在RAM 中的信息不丢失，从而合复位后能继续正常运行。ALE/PROG(30 脚)：地址锁存

26、允许信号端。当8051 上电正常工作后，ALE 引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率fOSC 的1/6。CPU 访问片外存储器时，ALE 输出信号作为锁存低8 位地址的控制信号。平时不访问片外存储器时，ALE 端也以振荡频率的1/6 固定输出正脉冲，因而ALE 信号可以用作对外输出时钟或定时信号。ALE 端的负载驱动能力为8 个LS 型TTL(低功耗甚高速TTL)负载。此引脚的第二功能PROG 在对片内带有4KB EPROM 的8751 编程写入(固化程序)时，作为编程脉冲输入端。PSEN(29 脚)：程序存储允许输出信号端。在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器

27、的选通信号。此引肢接EPROM 的OE 端(见后面几章任何一个小系统硬件图)。PSEN 端有效，即允许读出EPROMROM 中的指令码。PSEN 端同样可驱动8 个LS 型TTL 负载。EA（31 脚)：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。此引脚的第二功能是Vpp 是对8751 片内EPROM固化编程时，作为施加较高编程电压（一般12V21V）的输入端。4.输入/输出端口P0/P1/P2/P3，以实现数据的并行输入输出，每一个口都有一个8位锁存器，复位后初始状态皆为“1”；4.3.2 控制电路设计 8051控制电路的最小系统如下： （1） 复位电路单片机的复位操作有两种方式：上电复位和上电按钮复位。因为系统运行等的需要，常常需要人工按钮复位，因此本次设计中采用如图所示的上电按钮复位。（2） 晶振电路8051单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。设计电路中采用内部时钟接法，如上图所示。4.4 LCD显示模块设计4.4.1 LCD显示