毕业论文：基于单片机的数字电能表设计-基于单片机的数字电能表毕业设计文档格式.doc
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报警AbstractWithrapiddevelopmentofChineseeconomy,people"
slivingstandardsimproveandthedemandforenergygrowingdaybyday.The
traditionalsingleratepolicyhasbeenunabletomeetthedemand.In
thiscase,thegridstartedthenewelectricitypolicytobalancepeakpowerandlowelectricity,guaranteethesafeandstableoperationofpowergrids.This
raiseanewdemandforelectricenergymeter,nowSCMtechnologyhasbeenwidelyusedinvariousfields.It
hastheadvantagesoflowprice,maturetechnology,safeandstable,andnowtheelectricenergymeterwhichcontrolledbysinglechipmicroputergraduallyreplacedthetraditionalelectricenergymeter.According
totherequirementsofthetopic,thisdesignusesSTCmicrocontrollerasthemaincontrolchip,thecircuitimplementationofsinglephasemeasurement,canachievereal-timemeasurementofcurrent,voltageeffectivevalueandinstantaneouspower.The
electricenergymeterhasthefunctionofalarming,whichcansetthealarmthreshold,ifthisthresholdisexceeded,superbuzzerwillalarm,sothatcanprotectthecircuit.Electric
energymeterbasedonmodulardesign,collectingpartisdividedintocurrentcollectingmodule,voltageacquisitionmodule,andthepowerfactoroftheacquisitionmodule,throughtheMCUbuilt-inA/Dconverterthatconvertthedigitalsignalswhichcanhandle,throughtheinternalproceduresinthemicrocontrolleroperationofelectricpowerparametermeasurementdisplayfunction.MCU
minimumsystemintegrationoftheLCDdisplaymodule,throughtheLCDreal-timeviewofthepowerparameters;
powermoduleforthedualoutput,forthemicrocontrollermoduleandacquisitionmodulerespectively5Vand+-12VtoprovideastableDC.The
softwarepartisequippedwithaninterrupt,whichcansetthealarmvalueatanytime,andcanbeconvertedintoareadablepowerparameteraccordingtothecollecteddata.Keywords:
microputer;
electricenergymeter;
electricalparameter;
real-timedisplay;
alarm目
录摘要IABSTRACTII
1绪论
1
1.1课题背景
1.2发展情况
1.2.1国际发展情况
1.2.2国内发展情况
2
1.3发展趋势3
1.4课题研究基本要求3
1.5本章小结4
2电能表电力参数与芯片选择5
2.1互感器5
2.2电能参数的测量5
2.2.1电压电流有效值5
2.2.2功率计算5
2.3主控模块的选择6
2.4显示模块7
2.5AD转换7
2.6本章小结73硬部分83.1硬整体结构83.2主控芯片12c5a60s293.2.1STC12c5a60s2最小系统设计93.3LCD1602显示模块
103.3.1LCD1602内部存储结构
113.3.2初始化设定LCD1602指令
113.3.3读写数据
123.4电流采集模块
143.4.1I-V变换部分电路：
14
3.4.2电压跟随器：
153.4.3精密整流滤波
153.5电压采样电路
173.5.1运放采样
173.5.2电压跟随器
183.5.3精密整流滤波
183.6电源模块
193.6.1桥式整流电路
203.6.2稳压芯片电路
203.7功率因素检测电路
213.7.1电路原理
223.7.2时间相位换算
223.8本章小结
224软设计
234.1软思路
234.2显示程序
234.3主程序
245调试
255.1硬调试
255.2软调试
256结论
26谢辞
27参考文献
28附录一基于单片机的数字电能表设计电路原理图
29附录二基于单片机的数字电能表设计电路PCB图32附录三基于单片机的数字电能表设计C语言程序35
1.1课题背景电出现在人类历史不过几百年的时间，但其发展之广泛，速度之快是人们意想不到的，这对电能表提出了每个时代不同的需求，人们最开始的时候使用的是电解化学电能表进行计费，而后发明的电磁感应电能表使用了将近一个世纪，虽对其做了诸多改进，技术成熟，但如今已难以满足时代的需求。
上世纪经历工业革命后，人类的生产力有了空前的提高，同时带动了科学技术的发展，人类在微电子领域和计算机领域有了重大的技术突破，这就为新一代电能表的产生奠定了基础，其测量精度高，实时电价计算，远程抄表，负荷曲线计算等优势明显，现已取代传统电磁电能表成为未来电能表发展的主流。
随着国家对电力行业的规范化和市场化改革，我国对智能化电网的建设，电能远程抄表系统逐渐普及，实际使用中旧式电能表已经被数字电能表取代，其大部分为国外厂商生产的电能表，且运作良好。
电网营运中，电能的测量为整个电网生产，运营不可或缺的环节，故发展更为先进、精准的电能表，对电网的运营有重要的意义。
随着国内对用电水平要求的提高，传统的二次设备已经不能满足电网安全稳定运行了，如电网的功率因素会影响设备的正常运行，需对检测设备进行更新换代，实时调整电网各项参数，才能保证电网安全经济运行，减少电能浪费。
随着人民生活水平的提高，用电设备家里从原来的几样变成现在我们无时无刻地离不开电器设备，用电设备已经成为了我们不可或缺的生产力工具，国家的发展离不开电，人民生产离不开电，人民对电能的需求不断增长，这就促进了国家电网的建设，发电厂增多，电压等级升高，发电厂装机容量的增大，传统的二次设备已经不能满足电网的稳定运行，且传统二次设备需值班人数较多，无法满足如今市场化的电力行业经济性要求。
一些高新技术产业对电能质量要求颇高，这就要求电网对电力参数做到实时监控。
如用电单位的无功功率超标，导致电能不能充分利用，造成电能浪费，若不及时补偿，则可能导致电压波形畸变，对用电设备的寿命和使用造成影响，若不及时调整则会造成用电设备受损。
为了保证电网和用电设备安全稳定运行，我们势必要对电网中各项电力参数进行实时监测，对参数进行判断及预判，合理对对各项参数失常进行必要的补偿。
故电力参数实时测量时电网安全运行的保证，对电能参数的合理预判可避免故障的发生。
1.2.1国际发展情况在电力产业发展起步阶段，国际上研发了第一代电能表，初代电能表采用了电解化学原理计费。
直到1890年，国际上才发明了以电磁感应为原理的电能表，至今使用该原理的电能表已经有百年历史了。
随着国际上对电费制度的改革，提出了新的电价制度如分段费率、预付费制度等一系列新一代电费制度。
上世纪七十年代，国际电力行业又迎来了一次新的发展机遇，对电能计量设备提出了如负荷曲线记录、电能质量检测、电能表远距离通讯、智能抄表、实时电价编程等新的要求，传统的铝盘式电能表虽经过诸多改善，但对国际电力行业不断增加的新需求不免力不从心。
上世纪中叶，人类的科学技术水平有了一次大的飞跃，在微电子和电子信息领域有了飞跃式进展，技术变革催生了新一代的电能表的产生，基于微电子的高新技术，新一代电能表精度远高于电磁感应式电能表。
在电力行业变革的潮流中，世界各地电能表生产厂商意识到电能表要在业内能站稳脚跟就要发展自主设计的表计。
不同的供应商和不同的电价系统，在二次设备标准还未完全指定的时代,厂家之间的通讯协议混乱,故制定二次设备生产标准迫在眉睫,在欧洲二次设备大厂的引导下成立了DLMS用户协会,该协会给后来的IEC规约的出台奠定了基础。
同样的在北美地区也出台了ANSI规约标准，当时的电力系统中有着不同厂家制造的不同标准的二次设备，其标准混乱不同设备之间的兼容性差，美国Itron公司顺势退出了MV-90表计，其兼容性十分强大，能兼容系统中大部分二次设备，因此在北美乃至世界地区广泛采用，成为那个时代电能表的代表。
我国电能表发展水平并不高，与国际发达国家二次监测设备发展水平相比，是存在较大的差距的，我国在核心技术上，特别是核心部的材料加工水平远不及国际水平，国内加工精密材料是中国制造的软肋，在精密加工上是远远落后于国外先进水平的，且制造材料的质量也是参差不齐，因此提高我国精密加工的工艺水平，是提高我国二次设备水平的关键问题。
新一代数字式电能表虽在我国已开始逐步取代传统电能表，但我国生产电能表水平仍不高，采用传统的人工加工，设备存在较大的个体差异，设备良品率收到人为因素影响较大。
且我国二次设备生产企业规模较少，对研发投入资金较少，导致我国设计电能表缺乏竞争力，国内核心技术研发力度不足，导致国内二次设备发展较为缓慢。
国内电能表可以原理的不同划分为两代，第一代为铝盘式电能表，电流通过线圈产生磁场，与铝盘中的感应电流互斥，驱动铝盘转动，铝盘带动机械传动装置，记录铝盘转动圈数从而达到记录消耗电能的目的，其主要是通过电磁感应来驱动其转动，若电能消耗越快其转速就越快。
第一代电能表结构简单，但其测量误差较大，只能采用人工抄表的方式给电网反馈，实时性差，由此催生了第二代电能表。
第二代电能表为数字电能表。
随着微电子技术的发展，市面上出现了电能表专用的芯片，集成了当今电力市场要求的多种功能，可通过单片机编写程序和外围电路的设计，实现对电能的自动计量，远程传输，自动抄表等功能，其测量准确度高，稳定性好，成为了现在主流电能表。
上世纪九十年代，国内厂商成功研制数字电能表，开始在华东地区小范围使用，使用至今运行良好稳定，且故障率低，开始被电力管理部门所接受，这给国内的仪表厂商提供了一次发展的机遇，国内厂商经过对国外先进技术的学习和理解，结合本国国情，研发出一批科技含量高的产品。
单相电子式电能表的专用芯片报道1998年全国产量为500万片，而2000年新一代芯片ad7755在中国销量超1000万片，由此推论1998~2000年每年单相电能表产量均有数百万台，仅江苏、浙江两省不完全统计，单相式电能表装用量均大于100万台，以此可以推论全国装用量应不少于数百万台，单相式预付费用卡电能表有相当大的装用量[1]。
1.3
发展趋势随着近几年国内高新技术的发展，国家制造业得到空前发展，国内电能表的制造技术得到了较大的提高，电磁感应式电能表已经逐渐被新一代的数字式电能表取代，电能表运行的稳定性和测量精度有了较大提升，随着国内电网规模的扩大，初代单相数字电能表已经不能满足电能参数的测量要求，新一代三相式电能表已经开始投放市场。
第一代电能表只能单一统计用电量，通过技术革新更新换代为可统计多种电能参数的电能表，其稳定性较高且能统计多种电能参数。
在未来电能表的发展趋势中，模块化设计成为了当今的主流，模块化设计有助于增加数字电能表的运行稳定性。
随着微电子技术的发展与成熟，厂商推出了各自的电能计量芯片，相比传统电能表其测量精度更高，且外围电路与配套软较为简单、价格便宜。
所以高度集成化设计与分块化设计成为未来发展的主流。
在实际电网运行过程中某个时间点内各类负载所消耗的电能总和称为电力负荷，其消耗的电能是随时间变化的，可用负荷曲线来描述。
当电力负荷大量增加时会形成电网的负荷高峰而当电力负荷减少时又会形成电力负荷低谷。
当电力负荷上的峰值和谷值相差很大时会使供电设备容量不能充分利用运行不经济[2],这就要求电网能实时掌握各个时刻的用电情况，而传统电磁式电能表采用的人工抄表的方式有其时滞性，不能满足电网运行经济性要求，因此发展新型多功能电能表是中国电力行业的必然需求。
1.4课题研究基本要求
一、设计内容
在电力系统运行中，电能参数是表征系统运行状态的重要参数，通过对电能参数的合理预判可一定程度上避免电力故障的发生。
本次课程设计要求我们对电网中的电力参数进行测量，要求电能表具有较高的精度，实现实时测量多路电能参数，并具有一定的经济性和便携性。
本课题要求利用单片机或DSP设计一个多功能电力参数测试仪。
二、设计要求
1、通过阅读材料认识该领域的发展状况，自学并掌握相关采样电路、变送器的工作原理。
2、了解并掌握电力参数（如U/I、P、Q、λ等）的常用测量方法。
3、至少实现2路不同电能参数的实时在计量与显示。
4、当被测参数超过预置阈值时能通过指示灯闪烁或蜂鸣报警。
1.5
本章小结本章为本次设计的开篇，介绍电能表在国内外的背景和发展情况，并简要介绍了电能表的发展历程和未来发展趋势，介绍了数字电能表的优势，为下文的设计介绍做了铺垫。
2电能表电力参数与芯片选择
2.1互感器被测对象为电网民用电，电压电流变化周期为50HZ。
电压为220v交流电，其数值较高，远超过安全电压，存在一定的危险性。
且单片机采样信号低，故需用互感器来将被测信号转换成可采样信号。
互感器原理和变压器类似，采用电磁感应原理，一次侧绕组为被测绕组，二次绕组为采样绕组，通过绕组变比的设置，达到降低采样信号的目的。
2.2电能参数的测量本次设计的电能表需对线路中的基本参数进行测量，主要的电能参数包括：
电压有效值、电流有效值、电路中功率因数角即线路中电压和电流的相位差、线路中视在功率等基本参数。
实际应用中，经过大规模采样，供电单位可实时了解各用电单位的用电高峰、电能质量等使用信息，由于电能生产不能储存，故供电单位可通过对收集信息的统计及预判，对电能生产单位进行协调，及对电能质量进行补偿，避免造成电能浪费，提高用电设备的运行效能。
2.2.1电压电流有效值
电流有效值即均方根值：
交流电i通过纯电阻电路做的功与直流电I通过相同电路做的功相等，则称I为交流电i的有效值。
在电力基本参数的计算时，大多采用的是有效值计算，其公式为I=1T0Ti2dt
（2-1）
类似的，我们对电压有效值的计算有：
U=1T0Tu2dt
（2-2）
2.2.2功率计算在正弦交流电的功率计算中包含了有功功率、无功功率、视在功率。
在电能计算中，离不开这三个功率之间的关系，故下面我们来讨论这三个功率及功率之间的关系。
电能是用来表征电流做功的物理量，在当今的意义是用户一段时间内消耗的电能量。
而对电能微分则是电功率，用来表示电能消耗的快慢。
功率分为瞬时功率和平均功率，在大小和方向不发生改变的直流电来说，两者是一致的，但在交流电中，每一刻功率是实时不同的，故若要计算一定时间内消耗的电能值，需对这段时间内功率的瞬时值进行积分。
有功功率：
设任意时间电压U（t），电流I（t），这该时间的功率为P瞬时=U（t）×
I（t），在交流电中，这是一个实时变化的函数，若要求一个时刻内功率的平均值，则需要对这段时间内的P瞬时进行积分再除以这段时间间隔∆t，即P平均=t0t1u（t）×
i（t）/∆t
（2-3）
功率因数：
在这里我们引入一个三脚函数cos∅，该三脚函数表示功率因数，功率因数表示电网中实际做功的快慢，端口电压电流有效值的相乘即视在功率，功率因数反应的是负载对电能使用效率的高低，若功率因数低，说明负载中用于交变磁场转换的功率大，降低了电能的使用效率，也会对供电线路造成电压畸变等不良影响。
∅为电压信号与电流信号的相位差。
对于交流电上式可变为：
P平均=t0t1U×
Icos∅/∆t
（2-4）
外部电路给网络供给的能量和网络真正能应用的能量往往是不相等的，即有功功率往往小于视在功率，我们把这个关系定义为功率因数，它们的比值等于负载U和I之间的相位差，在实际应用中我们往往要提高功率因数，即增加电能的利用率，也保证用电设备的安全稳定运作。
功率因数即有功功率和视在功率之间的表达式如下：
cos∅=P/S
（2-5）
无功功率：
在包含有电磁感应原理的负载中，如电机等含有感性负载的用电设备，电能需转换成交变磁场才能使用电负载正常运行，而在电能转换成磁场的过程中需要消耗能量，我们把这部分能量叫做无功功率。
Q=s*s-p*p
（2-6）
本次设计的电能表模拟测量的用电器为白炽灯，可视为纯阻性负载，故本次测量的用电设备没有电磁转换，其无功功率可视为0。
视在功率:
视在功率是指整个端钮的电压有效值和电流有效值的乘积。
反映了外部电路给整个网络供给的能量大小。
根据定义我们有：
S=UI
（2-7）
2.3主控模块的选择控制芯片主要分为ARM和STC51两个阵营，由于本次设计的是测量设备，需控制其功耗大小，若不控制功耗，大规模安装则会对电能造成浪费，采用小电压供电的单片机能使整个系统实现低功耗。
另一方面由于控制芯片需要处理调度较多数据，故控制芯片需要较快的处理芯片，ARM芯片能实现较快的处理速度，但其价格昂贵、功能繁多对于测量设备性能显得过剩。
故考虑采用STC51系列芯片。
STC51芯片最常用的为STC89C51，但其内存较小，处理速度较慢，性能不能满足本次设计需要，经过对STC系列资料的查阅，最终选定了12c5a60s2单片机。
12c5a60s2和8051指令、引脚完全相同，其相比8051具有更大的ROM，单片机内部自带了60k的ROM。
和常用的8051系列主控芯片对比，选择该主控芯片是因为具有以下优点：
相同外围电路的最小系统其处理效能比常用的8051系列主控芯片快8~12倍；
主控芯片自带了8路10位的AD，大幅度精简了外围电路，可直接通过编写程序读取模拟测量值；
单片机内部自带60k的ROM，远高于传统8051系列单片机，本次设计的程序较长，故需要较大的内部储存空间。
综合以上性能、能耗、经济性、集成度等考虑，最终选定12c5a60s2为本次设计的控制芯片。
2.4显示模块用于显示的模块常用的有两款，分别为lcd1602和lcd12864LCD1602是一款由点阵组成的液晶显示屏，能同时显示16列2行字符。
它由5x7或5x11为单个字符的点阵，每个点阵可显示一个字符。
本设计需显示的信息较为简单，满足了显示需求，也可用编程好的点阵字库来显示简单的中文。
LCD12864是一款自带中文字库的显示模块，字库包含了八千多个16x16的点阵，和128个ASCII字符，由于自带字库，其指令编程简单，也可完成显示图形显示，是常用的显示模块。
考虑到本次设计的电能表需显示的电力参数较为简单，若采用LCD12864功能过剩，LCD1602功能能满足本次设计所有要求，且LCD12864价格是LCD1602的5倍，若大规模生产，成本差别巨大，故本次设计采用LCD1602
2.5AD转换本次设计的采样模块通过互感器采集电能参数信号,未处理过的信号为模拟信号,而单片机能够处理的信号为数字信号,本次选取的主控芯片内部自带了一个10位8路的ad转换器，通过编程可开启P1口的AD转换，无需外加电路。
单片机内部自带的AD转换器是电压输入型，电流采样信号为交流的电流信号，需将其进行AD变换成能处理的直流的电压信号，故需加入个电阻负载，使其转换成电压信号，而转换后的信号是很粗糙的信号，含有较多毛刺噪声，需对信号再加工，信号通过精密整流滤波电路，将信号的毛刺噪声去除，信号变成较为平滑的直流信号，最后才能接入单片机进行AD转换，经过滤波后的电路可增加有效分辨，增加测量电路的精确度。
2.6本章小结本章主要介绍电能参数的基本运算和基本的采样模块，为下文理解电路打下基础，同时介绍了本次设计对于芯片的选择思路，为下文整体性介绍做铺垫。
3硬部分3.1硬整体结构本次设计的整体方案如图3-1所示，采用模块化设计的思路，每
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