单相电能表的设计与实现
毕业设计
设计题目单相电能表的设计与实现
学生姓名
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指导教师
院系名称计算机与信息学院
2015 年月日
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单相电能表的设计与实现
摘要：随着我国近年来经济技术的快速发展，企业和居民对电能的需求越来越大。但是传统的机械式电表计费单一、计量误差较大、寿命较短，已经不
足以满足人们的需求，所以开发一款寿命长、计量精准的多功能电子式电
能表就成为一种必然趋势。
本文主要是基于芯片ADE7755设计的一种针对于普通家庭用户使用的电子式单相电能表。该设计采用高精度电能计量芯片ADE7755来计量用电量，并使用51单片机来控制整个电路。通过电流、电压的信号采集，数模转换，功率计算，带掉电存储和显示等硬件设计，并结合软件编程实现了电能表的正常工作。本文主要介绍了电能表的工作原理，电能计量模块，显示模块，数据存储模块，以及软件设计模块。所设计的数字化单相电能表具有成本低廉、结构简单、性能可靠、计量精准等优点，具有一定的实用价值和推广价值。
关键词：ADE7755；电能表；单片机
Design and implementation of single-phase energy meter
Abstract: With the rapid development of China's economy in recent years, technology, business and household demand for electricity is
growing. But the traditional mechanical meter single billing,
measurement error is large, short-lived, it has been insufficient
to meet people's needs, so the development of a long-life,
multi-function electronic metering precise electrical energy meter
has become an inevitable trend .
This article is based on a chip designed for electronic ADE7755 single-phase energy meter for ordinary home users. The design uses
a high-precision chip ADE7755 energy metering to measure
electricity consumption and use 51 microcontroller to control the
entire circuit. By signal acquisition current, voltage, digital to
analog conversion, power calculation, with power storage and
display hardware design, combined with software programming work
to achieve a normal meter. This paper describes the working
principle of electric energy meter, energy metering module, display
module, data storage module, and software design module. Designed
for single-phase digital power meter has a low cost, simple
structure, reliable performance, accurate measurement, etc., with
some practical value and promotional value.
Keywords: ADE7755; Meter; SCM
1 绪论
1.1 课题背景及意义
近年来，随着我国经济技术的高速健康发展，能源短缺问题日趋凸显，特别是用户对用电量的需求越来越多，同时，对电能表的性能需求也越来越高。虽然数字化智能电表已经覆盖中国各大城市，但仍有些乡镇、山区及农村地区在使用非智能化电表或机械式电表。这些电表存在寿命短、计量误差大等诸多问题，也会造成电能的浪费，因此普及数字化智能电表势在必行。
本课题采用ADE7755电能计量芯片基于单片机控制的多功能数字化单相电能表。ADE7755内部集成了电能采集和计量单元，而且外部的功能模块非常丰富，在电路设计中只需要少量的元器件就能完成电能表的设计。该芯片具有性能稳定，精度高等特点，极大简化了设计难度，降低了设计成本，能够满足家庭用户的需求，是一款具有相对实用价值的数字化电能表。
1.2 电能表的发展历史和现状
1.2.1 电能表的发展历史
从十九世纪法拉第发现电磁感应定律开始，电能已经成为人们日常生活当中不可或缺的一部分。人们生活、工作、娱乐、学习都离不开电能，其已变成当今社会的通用能源。
随着电能的普遍使用，如何度量电能也变成了必须解决的问题，这样，电能表就应运而生了。最早是1880年爱迪生利用电解原理发明了第一台直流电能表。而后，1889年，匈牙利岗兹公司一位德国人布勒泰成功制作了世界上第一块总重量为36.5kg 的感应式电能表。二十世纪六十年代末期，电子式电能表被发明了出来，受到广泛关注。二十世纪九十年代，出现了机电一体式电表。现今，由于用电需求越来越大和科学技术的高速发展，电能表正在向着智能化发展。
1.2.2 电能表的研究现状
初期的感应式电表和机电式电表大多操作安全、结构简单、造价低廉、维修方便等，但是适用频率窄、准确度低、功能扩展困难、功能单一、且对冲击负荷、非线性负荷的计量误差较大。而电子式电能表则准确度高，且功能强大，误差曲线平直且稳定，频率响应范围宽、启动电流小、便于安装使用、功耗小、防窃电能力强、过载能力强，随着科学技术的发展，尤其是网络技术、通信技术、电子技术和计算机技术的日臻完善，自动化技术的不断进步，使得研制数字电能表成为可能，并且具有巨大的实用价值和商业价值。
随着通讯、信息、电子、软件、机电控制等技术的发展,目前我国电子式电能表的产量已占绝对优势,正逐渐取代原有的感应式电能表，并逐步向智能化迈进。智能电表作为用电信息采集系统建设的重要内容,是实现智能用电的基础条件。而数字化智能电表正在向着数字化、智能化、网络化、多功能化等方向发展。其控制核心为51单片机，再加上相应的检测电路、数模转换电路、存储电路、显示电路、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。集信息、自动化、计算、管理为一体的电能计量装置是发展的方向之一。根据《国家电网公司“十二五”电网发展规划》,用电信息采集系统建设在2014年底将达到100%的覆盖率,在“十二五”期间实现对直供直管区域内所有用户的“全覆盖、全采集、全费控”。电能表实现智能化，可以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 本文研究内容
现如今，部分数字化智能电表采用互感原理进行对电流信号和电压信号的采集。由于互感器无法工作在理想状态，与理论情况相比存在较大误差，这就需要使用硬件或者软件的方法来进行补偿，从而导致了整个电路系统的复杂程度加剧。而本文的设计就避免了这种情况的发生。本文采用电能计量芯片ADE7755设计了一款数字化智能电表，该电能表由51单片机进行控制。通过电流、电压的信号采集，数模转换，功
率、电能计算，带掉电存储和显示等硬件设计，并结合软件编程实现了电能表的正常工作。
本文研究的主要内容有：
一、介绍了在基于电能计量芯片ADE7755采集电能情况下的电能表的工作原理。该芯片内部存在两个通道，分别进行对电流信号和电压信号的采集、模数转换、功率计算等工作，然后将数据传输到单片机进行处理，并通过一些外围电路显示出用电量。通过这些模块的连接，基本上就构成了一个本文介绍的数字化电能表。
二、电能表的硬件设计。该部分主要介绍了单片机的内部结构和外围电路。其中包括了晶体震荡电路，复位电路，电能计量电路，LCD显示电路，数据存储电路等。而其中最主要的部分就是电能计量模块，该模块是整个电能表的核心部分，决定了电能表能否正常工作。
三、电能表的软件设计。该部分主要介绍了软件开发环境和各程序模块。包括电能计量程序，数据存储程序，单价设置程序，按键扫描中断程序，LCD显示程序等。
2 电能表工作原理及ADE7755介绍
2.1 电能表工作原理
本文所设计的电能表主要由电能计量电路，控制电路，存储电路，显示电路，电源电路，控制按键等部分构成。以STC 89C51单片机为控制核心设计的一种单相数字化智能电表。其硬件原理框图如图2.1所示。
图2.1 电能表硬件系统原理框图
电能计量电路主要负责电流电压的采样，功率计算，并将处理后的数据以脉冲形式发送到单片机进行处理。存储电路采用一片E2PROM存储器AT 24C02对数据进行带掉电存储。显示电路使用的是LCD 1602液晶显示器，由单片机内部自带的LCD驱动电路直接驱动。电源电路负责给单片机系统及其外围电路供电，保证系统的正常运行。
对于大多数的电子式电能表而言，其电能计量原理基本相同，基本表达式都类似如下：
其中：W(t)为电能累计消耗值；
P(t)为瞬时功率；
u(t)为瞬时电压；
i(t)为瞬时电流；
因此，电能表计量电能的基本方法就是将电流、电压相乘，然后将所有时刻的功率累加起来就是所测量的电能。
2.2 ADE7755介绍
ADE7755是一种适用于单相配电系统的高精度电能计量芯片。它可以提供基于输电线电压和电流计算的瞬时有功功率和平均有功功率。该器件是一种高准确度电能测量集成电路，其技术指标超过IEC1036 规定的准确度要求。ADE7755只有在 ADC 和基准源中使用模拟电路，除此之外所有其它信号处（如相乘和滤波）都使用数字电路, 这就使得ADE7755 能够在恶劣的环境条件下仍保持极高的准确度和长期稳定性。另外，ADE7755 的引脚 F1 和 F2 以较低频率形式输出有功功率平均值，能够直接驱动机电式计度器或与微控制器（MCU）接口；引脚CF 以较高频率形式输出瞬时有功功率，用于仪表校验或与微控制器（MCU）接口。并且，ADE7755内部含有一个对 AVDD 电源引脚的监控电路，在 AVDD 上升到 4V 之前，ADE7755一直保持在复位状态，当AVDD 降到 4V 以下,ADE7755也被复位，此时 F1、F2 和 CF 都没有输出。内部相位匹配电路使电流通道和电压通道的相位始终是匹配的，无论通道1 内的高通滤波器（HPL）是断开的还是接通的，内部的空载阈值特性都能保证 ADE7755在空载时没有潜动。
电流通道提供高增益模式，可直接连接低阻值分流电阻器而不损失动态范围。两通道之间的增益校准在器件外部进行调整。ADE7755采用SSOP封装，在各种负载条件下提供低频（F1/F2）和高频（CF）同步输出。
2.2.1外部引脚及功能说明
ADE7755引脚排列图如图2.2所示：
图2.2 ADE7755引脚排列图
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5V±5%，该引脚应使用10μF 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5V±5%，当使电源的纹波和噪声减小到最低程度，该引脚应使用10μF 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 2.5V ±8%，典型温度系数为 30ppm/℃。外部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10μF 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。
S0，S1，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。
G0，G1，这两个引脚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。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。
F1，F2，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。
2.2.2功能简介及功能框图
ADE7755是一种高精确度的电能计量集成电路，主要应用于单相电能表系统，其技术指标超过了IEC1036规定的准确度要求。该芯片内部存在两个通道，分别是电流通道和电压通道，对电流和电压采集后进行处理。并且该芯片只在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，这就使得ADE7755在恶劣的环境下仍然可以保持极高的精确度和长时间的稳定性。其中芯片的V1P和V1N为电流通道引脚，V2P和V2N为电压通道引脚。其中电流通道含有一个程控放大器和一个高通滤波器，程控放大器进一步简化了传感器接口，高通滤波器则将电流信号中的直流分量滤掉，从而消除电流或电压失调所造成的误差。ADE7755引脚F1和F2以较低频率形式输出有功功率平均值，能直接驱动机电式计度器或者两相步进电机，从引脚CF 以较高频率形式输出有功功率瞬时值，常用于仪表校验。其功能框图如图2.3所示。
图2.3 ADE7755功能框图
ADE7755的功能特点如下：
在1000:1的输入动态范围内，测试误差小于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；
具有负功率或错线指示功能；
片内带有抗混叠滤波器；
5V单电源工作，正常工作时芯片功耗30mW；
工作温度范围-40℃-85℃；
采用SSOP24封装。
2.2.3 ADE7755工作原理
电能计量芯片作为电能表的计量核心部件，将会直接决定电能表的工作性能。本文设计的电能表使用的电能计量芯片是ADE7755，其内部集成了模数转换模块、数字处理模块和储存寄存器等，可以通过通信接口实现与微处理器的信息交流，具有数据计算、通信传输和电能脉冲输出等功能。其工作原理如图2.4所示。
图2.4 ADE7755工作原理图
由上图可以很直观的看出，ADE7755内部包含两个通道，电流通道和电压通道。电流通道采集负载电流，电压通道采集220 V电压。其中，电流通道中有一个程控放大器（PGA），其采样出来的信号通过引脚V1P和V1N送入PGA单元；然后，经过模数
转换器（ADC）将模拟信号转换成数字信号；高通滤波器则将电流信号中的直流分量滤掉，从而消除电流或电压失调所造成的有功功率计算上的误差；最后，将处理后的信号送入乘法器中。而电压通道中，将220 V电压经过降压处理后，通过引脚V2P和V2N送入电能计量芯片ADE7755中，经模数转换器转换成数字信号后送入乘法器中，与来自电流通道中的数字信号相乘，产生瞬时功率信号。让通过的瞬时功率信号通过数字低通滤波器（LPF），滤掉其中的交流分量，则剩下的直流分量就是负载所消耗的瞬时有功功率。
ADE7755的低频逻辑输出端（F1和F2）是通过对上述有功功率进行累加，然后计算平均值，从而得到平均有功功率。因此，F1和F2端输出的低频脉冲信号频率正比于平均有功功率。将芯片外接一个计数器再次累加计数，就能完成对电能的计量。另外，对于高频输出端，将得到的瞬时有功功率以高频脉冲的形式输出到单片机进行处理，最后，将处理后的数据传送到LCD上显示。
3 电能表的硬件设计
3.1 控制系统设计
3.1.1 单片机AT89C51简介
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and
Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除
只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3.1所示。
图3.1 AT89C51引脚图
主要特性：
与MCS-51 兼容
4K字节可编程FLASH存储器
寿命：1000写/擦循环
数据保留时间：10年
全静态工作：0Hz-24MHz
三级程序存储器锁定
128×8位内部RAM
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
5个中断源
可编程串行通道
低功耗的闲置和掉电模式
片内振荡器和时钟电路
3.1.2 最小单片机系统设计
AT89C51最小单片机系统如图3.2所示。
图3.2 最小单片机系统图
该单片机最小系统包含复位电路和晶振电路。其中，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。AT89C51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。
3.2 电能计量模块设计
图3.3所示为ADE7755设计的电度表电能计量部分的工作原理图，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,负载电流经过采样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 相电压经降压后,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。
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
图3.3 电能计量模块电路
3.3 LCD1602显示模块设计
3.3.1 LCD1602工作原理
LCD1602由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。
液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，在嵌入式应用系统中得到越来越广泛的应用。LCD1602 液晶显示模块(其内部控制器为HD44780 芯片)，它可以显示两行，每行16 个字符，因此可相当于32 个LED 数码管，而且比数码管显示的信息还多。采用单+5V 电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。
1602字符型LCD是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，其主要技术参数如下：
显示容量：16×2个字符；
芯片工作电压：4.5V—5.5V；
工作电流：2.0 mA（5.0V）;
模块最佳工作电压：5.0V；
字符尺寸：2.95×4.35（W×H）㎜
3.3.2 LCD1602电路设计
LCD1602显示模块电路如图3.4所示。
图3.4 LCD1602显示模块电路
第1脚： VSS为地电源；
第2脚：VDD接5V正电源；
第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度；
第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器；
第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作，当RS和R/W同时为低电平时可以写入指令或显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据；
第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令；
第7~14脚：D0—D7为8位双向数据线；
第15脚：背光源正极；
第16脚：背光源负极。
3.4 数据存储模块设计
3.4.1 24C02简介
AT24C02是一个2K位串行 CMOS E2PROM 内部含有256个 8 位字节 CATALYST 公司的先进 CMOS 技术实质上减少了器件的功耗， CAT24WC02有一个 16 字节页写缓冲器该器件通过I2C 总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。
24C02功能特性：
与 400KHz I2C 总线兼容
1.8 到 6.0 伏工作电压范围
低功耗 CMOS 技术
写保护功能当 WP 为高电平时进入写保护状态
页写缓冲器
自定时擦写周期
1,000,000 编程/擦除周期
8 脚 DIP SOIC 或 TSSOP 封装
24C02各项极限参数：
工作温度：工业级 -55℃ ~+125℃
商业级 0 ℃~+75℃
贮存温度：-65℃~+150℃
各管脚承受电压：-2.0~Vcc+2.0V
Vcc管脚承受电压：-2.0 ~+7.0V
封装功率损耗（Ta=25℃）：1.0W
焊接温度(10 秒) ：300℃
输出短路电流 100mA
3.4.2数据存储电路设计
AT24C02数据存储模块电路如图3.5所示。
图3.5 数据存储模块电路
3.5 电源模块设计
为整个系统提供电源。整个系统使用的电源有两个，一个是给电机和灯泡供电，使用的是220V的交流电；另一个是给单片机系统、检测模块和继电器组模块供电，需要的是5V的直流电。我们的家庭用电使用的就是220V的交流电，可以直接给电机和灯泡供电。因而需要设计一个电压转换电路，使220V交流电压转为5V直流电压，为单片机系统、检测系统、显示模块及继电器组模块供电。
220V转5V电路框图：
220V交流电连一个降压变压器把电压值降到9V左右。然后用桥式整流电路进行整流，使交流变成直流。变成直流以后，对其进行滤波，减小纹波成分，提高电压均值，稳定电路输出。后接一个LM7805，对其进行稳压。LM7805可以使输出稳定在5V，并且其内部还有过热保护电路和短路保护电路。三端稳压器LM7805后面接一个104的电容，这个电容有滤波和阻尼作用。
电路原理图如图3.6所示。
图3.6 电源电路3.6 PCB图