电能表毕业设计

毕业设计（论文）

题目：单相电子式电能表的设计系别：电气工程系

专业：电子电气专业

班级：

学生姓名：

指导老师：

完成时间：

毕业设计（论文）任务书

摘要

传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数，在读数过程中不可避免的会引入人为的测量误差。为了解决这一问题，电能表作为一种新型的计量产品由此应运而生。本设计介绍了美国AD公司推出的电子式电能表专用芯片ADE7753的特点、控制方式、与输入信号微控制器的接口及其在电测仪表中的应用。

本文采用电能芯片ADE7753和单片机AT89S52以及外围电路共同组成硬件系统,硬件设计突出重点的就是计量功能和抗干扰功能两部分。测量部分输入电压、电流经过电压分压网络和电流互感器，再通过滤波，转化成符合ADE7753芯片要求的输入信号，再经过芯片内部对电压和电流进行A/D转换、数字运算和能量累加，从而得到有功电能、无功电能、电压、电流有效值和频率值的原始寄存器值。本系统选用高性价比的微控制器89S52，完成各种参数的计算、通信命令处理和控制功能，将电能值送入数码管显示出来。软件部分采用片内WDT控制,通过软件，定时清WDT监视定时器的值，当出现“死循环”或程序“跑飞”现象时，WDT监视定时器内的值计满溢出，从而强迫程序复位，从头开始。

关键词：电子式电能 ADE7753 单片机AT89S52

目录

1.引言 (1)

1.1数字仪表的发展趋势 (1)

1.2主要技术指标 (3)

2．硬件系统设计 (3)

2.1工作原理 (3)

2．2各部分电路设计 (4)

2.2.1电压采样 (4)

2.2.2电流采样 (5)

2.2.3 功率的计算 (6)

2.2.4电源设计 (7)

2.2.5显示电路的设计 (7)

2．3芯片功能介绍 (8)

2.3.1数字电能芯片ADE7753的特点 (8)

2.3.2 7753模块内部的原理结构图 (8)

2.3.3单片机AT89S52 (9)

2.4抗干扰相关设计 (10)

3．软件系统设计 (11)

3.1主程序流程图 (12)

3.2主程序 (12)

3.3软件抗干扰技术 (14)

参考文献： (15)

总结 (16)

致谢.............................................. 错误!未定义书签。

1.引言

目前，我国电度表生产企业有几百家之多，生产能力约为1.9亿台，年产电表近8000万台。但随着城乡电网改造高潮的过去，全国一户一表工程的基本实现，电度表市场形势发生了根本变化，市场销量比前两年已有下降，销售高峰期已转入销售平稳期，市场竞争更为激烈。.近年来全国用电缺口的急剧扩大，国家发展和改革委员会决定全面推行峰谷分时电价和避峰电价，鼓励用户合理移峰用电。这一政策的出台，带动了各地供电部门对复费率、多功能电表的需求快速上升。随着国内用电量的持续增长，众多的地区出现了不同程度的用电紧张，国家电力局也适时推出了分时记费的电价标准。

1.1数字仪表的发展趋势

传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数，在读数过程中不可避免的会引入人为的测量误差。为了解决这一问题，电能表作为一种新型的计量产品由此应运而生。其型号比较多样，从普通的单相电能表到复费率，预付费，三相485到电能表功能复杂的终极的多功能电能表，功能从单纯的计量到与时间复合与费率结合到无功计算计量，其所具备的功能也是与日增加。然而多功能电表的电路往往比普通电能表的电路更为复杂，元器件也比较多，调试生产程序较多，质量保证更为困难。因此，电表的技术方案选型至关重要。

采用计量芯片ADE7753的电子式电能表，具有结构合理，性能可靠，高精度、低功耗、抗谐波、防窃电、体积小、重量轻等优点。单相电子式电能表引入了时间的参照，已经不可能由我们单纯的通过一些具体的硬件电路实现其分时计量的功能，为此要在原来简单的电子式计量模块的基础上进行拓展，拓展时钟电路，拓展显示模块，拓展CPU以及一些与具体的要求相对应的通讯模块：485通讯，红外通讯，载波通讯以及无线GPRS通讯模块，构成各个时基电路，控制电路与通讯电路，引入时基电路的目的很明确，为每一次电量累计提供时基参照，以确定电价系数，而引入CPU则是建立一座时间与电量的桥梁，并提供智能化的操作与控制，CPU是单相电子式电能表的一个核心枢纽，电能表的各个量变参数汇聚到CPU进行进行各种复合的运算，最终得到一些和电量相关的加权参数，以供电力

部门调查取用，其间牵涉到的数据量的大小取决于用户对电能表功能的要求，我们可以拓展存储功能的模块进行优化存储算法，作为电力计量类的产品，电子式电能表要求其在十年内出现故障的概率为万分之三，为此在对电能表进行功能设计的同时，还必须着重考虑电能表的数据安全性与稳定性，而要达到这两个方面，则必须在硬件设计和软件优化两个方面都要进行具体细致的考虑，并需要比较长时间的现场测试与调整。

电力部门对时钟精度的要求误差标准在±5PPM的范围之内，也就是一天的累计日误差在±0.5秒之内，时钟一般在晶振的基础上进行运行，普通的的晶振误差在±20PPM，达不到我们的所需要求，因此必须选用高精度的晶振作为时钟的基准源，除此之外，由于温度的变化会影响到晶振频率的变化，从而引起时钟精度的变化，因此，我们还要加入温度芯片进行实时校正补偿，依此来达到精度所要求的范围。

电能表本身除去计量存储的功能外，还在不同的程度上具备一些通讯功能：红外通讯、串行通讯等。在电能表应用设计中串行通讯供485抄读，直接供给PC 机，而红外通讯则是借助红外掌上机为媒介，将众多数据通过红外掌上机传送至PC机，利于配电分步集中管理。

更进一步，在电能表中引入载波模块，即可实现对电能表的远程抄表与远程控制，这里的载波是电力载波，是在电力线的电能传输过程中加载在我们的控制信号或者数据信号，通过调制和解调的办法滤取信息，这种载波形式应用于电能表领域的，考虑起数据传输的安全性，所以滤取信号或者加载信号总在交流的跨零点的时刻加载信号，这样防止了交流干扰信号对于载波信号的叠加，只是传送的速率会相对的慢一些，但载波通讯可以随时对电能表进行远程的抄控，其实时性也就弥补了速率方面的不足；另外，随着科技的发展，一些更先进的功能模块也会逐渐引入电能表进行通讯，如GPRS。

总之，作为一种计量产品，单相电子式电能表从功能结构单一到功能强大、结构复杂，也是国家电力部门推行电力现代化的一个必然的趋势；其表型繁多，从单相到三相、从静止到复费率、预付费到多功能电能表、再外扩诸多的功能块、配合集抄系统，最终要达到电力集中抄表的自动化。电能表的设计与研究开发，也应该始终站在科技的前沿，掌握信息，任重道远。

1.2主要技术指标

1．输入电网额定电压：220V

2．输入额定电流：20A

3．精度：1级

4．检测电网侧电压频率，并实时显示，精度0.1Hz

5．测量并实时显示电功率

2．硬件系统设计

电能表硬件设计突出重点的就是计量功能和抗干扰功能两部分，电能表一般分为二级表、一级表和0.5级表，是对其测量误差精度的要求，计量部分的设计是电能表的设计中比较关键的部分。本文采用电能芯片ADE7753和单片机AT89S52以及外围电路共同组成硬件系统。其原理框图如图一所示：

图一

2.1工作原理

电压、电流经过电压分压网络和电流互感器，再通过滤波，转化成符合ADE7753芯片要求的输入信号，再经过芯片内部对电压和电流进行A/D转换、数字运算和能量累加，从而得到有功电能、无功电能、电压、电流有效值和频率值的原始寄存器值。采用外部中断读取这些数值，ZX与INT1相连，当过零时进行中断，这

些值通过SPI接口传送到微控制器中，微控制器再进行计算，最后通过LED显示出来。另外，微控制器也可以把测量的值通过串口把数据传到微机中，便于人们保存分析，这一点可以使人机对话功能大大增强。本系统选用高性价比的微控制器89S52，完成各种参数的计算、通信命令处理和控制功能, 89S52内部集成了8KB的ROM，程序存储能满足系统的需求，因而不需要外部扩展ROM。芯片X25045作为看门狗设置，加强系统的抗干扰性能,2片74LS145芯片驱动16路发光二极管（LED）。

2. 2 各部分电路设计

设计分成模块：输入部分、数据采集模块、数据处理模块、显示模块。应用芯片：ADE7753，89S52，74HC245，74LS145。数据采集模块采用芯片ADE7753，数据处理模块以89S52单片机为核心对采集信号进行精确控制和严格计算。

2.2.1电压采样

电压采样的方法是一般我们通过电阻电容相结合来分压得到小电压，即通常我们所说的阻容降压，在生产工艺当中所谓的校表既是通过调节电阻电容的综合给值来校正电表的计量误差，当然在一部分电能表中也可以通过变压器来获取小电压，用变压器的目的也不仅局限于取小电压，还要依靠CPU以及其它芯片提供基准直流电源。电阻的给值一般是成倍数递增的，电阻对误差的影响从1/2，1/4 ，1/8…….逐步递减，最终可以达到满足要求的误差，因为误差的调节是成线形的关系，所以这种调节的办法会比较简单。如图二所示:

2.2.3 功率的计算

相对于有功，无功功率的计算，通过电工学的基本常识我们知道：无功功率θ

p=，由这个算式可以看出，我们所需要测量的一个重要的因素就是功率cos

ui

的相位角，实现功率因数的测量的方法，可以通过高频的脉冲来计量电压与电流之间的起始的时间的脉冲差，再通过相应的数值运算换算出功率因数相位角，如图四所示：

图四

电压电流的相差脉冲（M）/电压电流的一周期的脉冲（N）*2π=相位角θ，它是多功能电能表进行无功计算必须具备的一个重要的参量。

一般电能表通过计量模块转化成脉冲后，接其脉冲输入端至计度器，计度器按照一定的比例步进，产生电量数据，这是最简单的电子式电能表，其功能单一，硬件设计结构也比较的简单。