毕业设计论文基于MCU的单相电表检测仪设计Word文档下载推荐.docx

1、1.1 研究背景 31.2 研究现状 42 总体设计方案 52.1 技术要求 52.2 方案论证 62.3 总体方案 73 硬件电路设计 83.1 单片机的选择及外围电路设计 83.2 光电采样器的选择及接口电路 103.3 电流互感器的选择与连接 123.4 电压互感器的选择与连接 133.5 电能计量芯片 153.6 显示接口电路设计 193.7 键盘接口电路设计 213.8 电源电路设计 224 软件设计 234.1 主程序设计 244.2 中断服务程序设计 254.3测量误差程序设计 25结论 26致谢 27参考文献 28附录：电能计量 光电检测、键盘、显示及单片机外围电路设计图 31

2、1 引言1.1 研究背景 电能是各类能源中使用最为广泛的能源，与国民经济的发展和日常生活有着不可分割的联系，随着人民生活水平的不断提高，家用电器越来越普及，每户居民的用电量也大大增加，因此每户居民每月的电费支出也大幅度地增长；随着社会市场经济的发展，新兴工业犹如雨后春笋，用电量大大增加。部分电力用户为了多用电少交电费，采取各种方法窃电，其主要方法是通过调慢电能表，使电能表显示的用电量比实际的用电量少，给国家造成了很大的经济损失。针对上述现象，供电部门采取多种方法对用户的电能表进行定期或不定期的校验或检查，采取的方法主要有：（1） 用钳形电流表、秒表现场检测电能表的快慢。用秒表实测电能表每转时间

3、T1；查看电能表铭牌上标明的常数，算出电能表每转1转所需电能，然后用钳形电流表测量电流求出有功负荷P，电能表每转1转所需电能与有功负荷之比得到的时间即为电能表每转所需时间T2。通过T1与T2的比较，就可以判断电能表是否正常工作，从而达到检测目的。（2） 通过检验电能表的外观，确定电能表有无破坏痕迹。这种方法包括：1） 检查电能表表壳、封铅、封条是否完好，表壳是否过热变形，有无微小孔洞及铁丝；2） 检查电能表接线盒是否封闭完好，进出线是否紧固，电压连接片是否压紧。3）核对电能表铭牌上的型号、出厂编号及所计量负荷性质等是否与抄表卡相同，若不符即有窃电行为。4） 针对用户窃电的无线报警形式的电能计量

4、保护监测系统。该系统由监测分机和主机两部分组成，当发生某种窃电现象或者计量装置遭到破坏偷盗时，分机将发出包含有本计量箱编号，窃电方式及盗窃破坏方式等信息的无线信号，主机收到后经过识别、处理发出声光报警。该系统经过实际使用，具有较好的防窃电保护电力设施的作用。（3） 在被测电能表电路中接入标准电能表，然后对被测表和标准表同时采样进行比对。（4） 采用专门的检测仪器对电能表进行校验。这种方法分为两种形式，一种方法是将电能表从供电线路上拆下，利用实验室的电能表校验台对电能表进行校验，另一种方法是不拆下电能表，利用电能表现场检测仪器对电能表进行现场校验。电能表的现场检验因不影响用户用电而被供电部门广泛

5、采用，随着计算机技术的发展，供电部门迫切需要一种携带方便，操作简单，计量准确的单项电表检测仪，用于用户低压电能表的现场检验。1.2 研究现状电能表的校验是否准确，取决于有功功率的测量是否准确，有功功率的测量属于电气测量范畴，在电气测量方面，国内外已有大量的研究成果，就测量方法和采用的技术手段综述如下。采用的技术手段上，一是采用微型计算机加数据采集卡，二是采用微处理器结合自行设计的数据采集通道。在互感器的选择上，一是在供电电路中接入固定式的电压互感器和电流互感器。二是电压互感器采用固定式，接线端使用线夹，电流互感器采用钳形互感器6。固定式互感器中磁路是封闭的，因而具有较好的线形和较小的相移，可以

6、得到较高的精度。但需要停电接线，不便于现场检测。电压互感器采用固定式，接线端使用线夹，电流互感器采用钳形互感器，现场不用接线。固定式互感器的优点是显而易见的，采用线夹后可直接加在供电线路的母线上，避免了现场检测需要停电接线的麻烦。但钳形电流互感器的接触面存在空气间隙，使互感器磁路的磁阻显著增大，且随工况不同呈现非线形，使互感器的线形变差，且相移较大，给功率因数的测量带来影响，为了弥补这一缺陷，对结果采用分段线性化处理，可以提高测量精度。在有功功率的测量方面，一是采用真有效值转换，分别测量出电压、电流和功率因数，利用微处理器计算出功率。二是采用有功功率专用测量集成电路，直接测量出有功功率。三是利

7、用各种数字式的电量传感器，测量出电压、电流、功率因数或直接测量有功功率。采用有功功率专用测量集成电路即专用电能计量芯片，直接测量出有功功率，测量方便，软件开销小，硬件电路简单。 2 总体设计方案2.1 技术要求本课题以MCU为核心，利用光电采样器对被测电能表进行采样，同时采用互感器及电能计量专用芯片对电能进行实时计量，利用单片机较强的运算功能，计算出被测电能表的误差，以检验电能表计量是否准确。具体要求如下：（1）.电量测量范围：电压220VAC，电流040A，单相；（2）.检验对象：单相电能表；（3）.测量误差：0.5%FS；（4）.测量方式：不拆线不断电；（5）.方便野外使用，强阳光下可清晰

8、显示；（6）. 220VAC供电。2.2 方案论证按照上述技术要求，系统应由互感器、有功功率测量通道、光电采样器、单片机、显示器和键盘几部分组成。系统组成图如图2.1所示。图2.1系统组成图利用互感器将供电电路的电压、电流转换为弱电信号，计算机通过有功功率测量通道对电参数进行实时采集并计算出电能，通过光电采样器对被测电能表进行采样，从而计算出被测电能表的相对误差。（1） 互感器方案一：在供电电路中接入固定式的电压互感器和电流互感器。方案二：但钳形电流互感器的接触面存在空气间隙，使互感器磁路的磁阻显著增大，且随工况不同呈现非线形，使互感器的线形变差，且相移较大，给功率因数的测量带来影响。根据上述

9、分析，结合低压电能表进行现场检验的特点，确定采用方案二。因要测量电压和电流，故需要一只电压互感器和一只电流互感器。（2） 有功功率测量通道采用有功功率专用测量集成电路。专用电能计量芯片，直接测量出有功功率。测量方便，软件开销小，硬件电路简单，对测量结果采用分段线性化处理，提高测量精度。采用真有效值转换电路，分别测量出电压、电流和功率因数，利用微处理器计算出功率。便于对钳形互感器带来的相移进行修正或补偿，但电路较为繁琐，软件开销量较大。根据上述分析，确定采用方案一，有功功率测量通道由既是专用电能计量芯片。（3） 显示器采用LED显示器，即数码管显示。传统的数码管具有：低功耗、低损耗、低压、寿命长

10、、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度要求比较高，称量快，精确可靠，操作简单。数码管是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。使用液晶显示屏显示各种信息。液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等优点。LCD符合本设计系统的要求，利用其自带的字符库，进行编程还可以实现各信息的显示，即节省资源又省去了大量编程任务，且在强光照射下的户外进行检测时，LCD可清晰地显示数值。根据上述分析，本设计系统采用方案二。2.3 总体方案根据上述方案论证，系统总

11、体方案方框图如图2.2所示。图2.2 总体方案方框图被测电能表通过光电采样器进行检测。光电采样器是由光发射管、光敏接受管及整形电路组成。低压电能表的转盘均有一小部分为涂黑的区域，这部分区域对光的反射能力较弱，而未被涂黑的区域则对光的反射能力很强。当光发射管发射的光经聚焦后照射到转盘上，在未被涂黑的区域，反射到光敏接受管，经整形后输出低电平；在涂黑的区域没有反射光，光电采样器输出高电平。这样电能表的转盘每转一转就输出一个正脉冲，从第一个脉冲开始到第N+1个脉冲止，电能表的转盘共转过了N转，已知电能表的转盘数B及配用电流互感器的互感比H，则电能表在转盘转过N转后所计量的电能如公式（2-1）所示。W

12、1 = N H/B （2-1）实时检测部分的主要作用是利用图2.2中设计的单元电路对电参数进行实时检测，从而得到实际的有功功率。其过程如下：首先对电压和电流进行测量，然后把测量值送入CS5460芯片，每次采样后，利用单片机较强的运算功能，计算出本次采样周期内消耗的电能W2i，则被测电能表的转盘转过N转后的实际电流，如公式（2-2）。W2 = W2i （2-2）显示部分主要用于显示电能表的相对误差，从误差的精度判断电能表是否正常工作。显示部分的选择有一定的要求，要考虑其显示的位数是否满足要求，是否便于携带，在强光照射下是否可以清楚读数。键盘部分具有手动测量功能和自动测量功能。手动测量在被测表的转

13、盘不光洁或涂黑区域脱漆时使用。当手动键按下时，清零定时器T1及ti计时单元，开始W2的累加，当转盘转过N转时再次按下该键，则通过单片机计算出的r值送到LCD显示。自动测量键在任何时刻按下后，当第一个脉冲到来时，清除定时器T1及ti计时单元，开始W2的累加，当第N+1个脉冲到来时，计算r值并显示。3 硬件电路设计3.1 单片机的选择及外围电路设计（1） 单片机的选择PIC系列单片机是Microchip公司生产的16位单片机，集成了CCP捕捉，PWM脉宽调制等功能，但是它单价较贵，又是精简指令集，给编程带来不便。ATEML公司的AT89C51单片机算术运算功能强大，变成灵活、自由度大，可用软件编程

14、实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。基于以上分析本设计系统采用ATEML公司的AT89C51实现设计要求。1）AT89C51的简介AT89C51是低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8K字节的可反复擦写的制度程序存储器（PEROM）和256字节的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理（CPU）和Flash 存储单元，3个16位定时/计数器。2）主要性能参数：. 与MCS-51系列产品指令系统完全兼容. 4K字节可重复擦写Flash

15、闪速存储器. 1000次擦写周期. 全静态操作：0Hz-24Hz. 三级加密程序存储器. 128 X 8字节内部RAM. 32个可编程I/O口线. 2个16位定时/计数器. 6个中断源. 可编程串行UART通道. 低功耗空闲和掉电模式3）功能特性概述：AT89C51提供以下标准功能：4 K字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32根I/O口线，两三个16位定时/计数器，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RA

16、M中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。（2） 单片机外围电路设计AT89C51系列单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟，外部还需要附加电路。本设计选择AT89C51的内部时钟方式。其内部时钟方式利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就够了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路，见图3-1-1。外接晶振时，C1和C2值通常选择为30pF左右；外接陶瓷谐振器时C1和C2约为47pF。C1、C2对频率有微调作用，晶体或陶瓷谐振器的频率范围可在0MHz24MHz/33MHz之间选择。为了减少

17、寄生电容，更好的保证振荡器稳定可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机靠近。复位是单片机的初始化操作，单片机在启动运行时，都需要先复位，它的作用是使CPU和系统中其他部分都处在一个相同的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的整个复位电路包括芯片内、外部分，外部电路产生的复位信号通过复位引脚RST进入片内斯密特触发器在与片内复位电路相连。单片机的外部复位电路由上电自动复位和按键手动复位两种。上电复位利用电容器充电来实现；在按键手动复位中本设计采用按键电平复位。（3）AT89C51硬件电路设计的电路图如图3.1所示。图3.1 单片机外围电路设计图3.2 光电采样器的选择及接口电路3.2.1

18、 光电采样器的选择光电采样技术在我国电度表校验上应用大约有近三十年的历史，在这段时间里随着计量表计的精度及计量装置自动化程度的提高，光电采样器也有了较大的改进。光电采样器的物理基础是光电效应，它通常是由光源、光通道、光电转换器件和测量电路四部分组成。如图3.2所示。 图3.2 光电式传感器的组成基于本设计系统的精度要求，一般地光电采样器无法解决因为工作时间较长、在电度表盘形成的锈斑或表面毛刺，引起的误脉冲的问题，给校表工作带来了极大的不便。由于以上原因,对于本设计系统，GST-4光电采样器非常适合本设计要求。GST一4型光电采样器采用双光点平行式安装，判断电路的新型采样方式，克服了以往的采样缺

19、陷。（1） GST一4型光电采样器的原理GST一4的光学结构不同于普通光电采样器，它采用的是两个发射光，两个接收光点及一个亮度较弱的参照光点对光，这样就大大减少对光中的盲目性，只需把三个光点调成一条直线，对光即告完成。GST一4型的光电系统见图，它是由两个发光器件F1 、F2和两只光敏接收元件Sl、S2，以及一只对光管G组成。如图3.3所示。图3.3 光电系统 从图中可以看到F1、F2之间的距离为d，这样就能保证射出的光点在铝盘上有一个距离为dl且dld。根据经验把d设计为5mm，这样对铝盘5mm内的光斑均不会产生脉冲。在图3.3中Sl、S2为接收管，G为对光点，在对接过程中，只需调动手轮，使

20、三个光点在铝盘上，成一直线，就告完成。这种从上面发射，下面接收的光路，打破了传统光电采样器的在同一水平面上左发射，右接收的方式，保证了有两条反射光路在Sl，S2上成像，使光电采样器感光更简单。（2） GST一4光电采样器的优点GST一4型光电采样器采用双光点对光、发光、接受，平行式安装采样参照对光光点以及专用的反射光线成像系统和专用数字电路，它除无需调整之外，主要有以下优点：1） 对光速度快：因采用专用光线反射成像系统和参照对光系统，只需将三个光点调成一条直线就完成了对光过程。2） 基本上排除所有干扰：产生干扰无非是铝盘的锈斑和毛刺，本产品从光路和电路两方面对抗干扰作了合理的设计，可抗除5mm

21、的斑点和毛刺。3.2.2 光电采样器设计电路（1） 光电采样器的基本设计电路如图3.4所示。图3.4 采样器基本电路（2） 光电采样器接口电路设计如图3.5所示。图3.5光电采样器接口电路图光电采样器有三个引脚，一个为接+5V电压的电源引脚，一个为接入单片机的输入接口，另一个为接地的端子。3.3 电流互感器的选择与连接3.3.1 电流互感器的选择电流 互 感 器实际上就是一个“降流”变压器。在测量中，一般规定它的二次绕组的额定电流为5A。其主要特点是:它 的 一 次 绕组的匝数比二次绕组少得多，并且串于一次电路中。有些电流互感器仅有铁芯和二次绕组，测量时将被测电路的导线直接穿过铁芯。这些电流互

22、感器称为穿心式互感器。一次绕组中的电流几完全取决于一次电路中的负载电流，而与二次侧无关。电流互感器有固定式与钳形供电互感器几种。在供电电路中接入固定式的电流互感器，其优点是固定式互感器中磁路是封闭的，因而具有较好的线形和较小的相移，可以得到较高的精度，但需要停电接线，不便于现场检测电流。采用钳形互感器，现场不用停电接线，避免了现场检测需要停电接线的麻烦。考虑到方便检测这一问题，我们选择钳形电流互感器。本设计中，钳形电流互感器采用哈尔滨三达德公司生产的MG8系列钳形电流互感器Q8A型，外型如图3.6所示。（1） 其主要参数如下：1） 一次电流: 10A；2） 二次电流: 10mA；3） 等级:

23、0.1级；4） 负载: 4。（2） 测量方法及要求：测量前应估计被测电流的大小，选择适当的量程，对被测电流大小不好预测时，应将量程开关置于最高档，然后根据测量值的大小，变换到合适量程。适用于10A以下电缆的在线测量。Q8A型要求负载4（mA输出），在本设计中选用的负载为3。图3.6 Q8A型电流互感器3.3.2 电流互感器的连接电流互感器的连接如图3.7所示。图3.7 电流互感器设计电路根据此型号电压互感器的要求，接入负载为3的电阻来实现此要求。3.4 电压互感器的选择与连接3.4.1 电压互感器的选择电压互感器的工作原理与变压器相同，构造和连接方式也相似。电压互感器的主要特点是容量很小，最大不过数百伏安。它的另一特点是二次测所接的测量仪表和继电器电压线圈阻抗很大，接近于空载状态下运行。在本设计中电压互感器采用固定式，接线端使用线夹。此种方法没有改变电压互感器本身固有的特性，