多功能电能表设计流程
多用电表的原理设计
多用电表的原理设计
多用电表的原理设计是基于电流和电压的测量，其目的是准确计量电能的消耗。
多用电表广泛应用于家庭、工业和商业领域，以帮助用户管理能源消耗并实现用电费用结算。
多用电表的设计原理包括以下几个关键要点：
1. 电流测量：通过使用电流互感器或霍尔传感器等电流传感器测量电路中的电流值。
电流传感器可以将电流转换为低电平电压信号，以便进行后续的处理和测量。
2. 电压测量：通过将电压传感器连接到电路中，测量电路电压值。
电压传感器通常将电压信号变换为低电平电压信号，便于测量和处理。
3. 信号处理：将测量到的电流和电压信号进行放大、滤波和调整，以确保准确测量并适应不同的负载条件。
4. 能量计算和显示：通过使用微处理器或专用芯片，对电流和电压值进行计算，从而得出电能的消耗。
结果可以在多用电表的显示屏上实时显示，或者通过通信接口传输给远程监控系统。
5. 通信功能：一些高级多用电表配备了通信接口，可与智能电网系统或家庭能源管理系统进行通信。
这使得用户可以更好地管理和控制能源消耗，并通过监测用电行为来实现能源优化。
通过以上原理设计，多用电表能够准确测量和记录电能的消耗，帮助用户更好地管理和控制电力使用。
它在能源管理、费用结算和能源优化方面具有重要作用，为实现可持续能源发展和节能减排做出贡献。
多功能电表课程设计
多功能电表课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解多功能电表的基本工作原理和功能特点；2. 掌握多功能电表的使用方法，包括电压、电流、电阻的测量；3. 学会读取和解读电表测量数据，进行简单的数据分析和计算。
技能目标：1. 能够正确操作多功能电表，进行基本的电学实验测量；2. 培养学生动手实践能力，通过实际操作解决电学问题；3. 提高学生分析数据、解决问题的能力，形成科学探究的思维。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对物理实验的兴趣，激发学习热情和积极性；2. 培养学生严谨的科学态度，注重实验安全，遵循实验规范；3. 增强团队合作意识，培养学生相互协作、共同探究的精神。
本课程针对初中物理学科，结合学生年级特点，注重理论与实践相结合，以多功能电表为载体，培养学生实际操作能力和科学探究精神。
课程目标具体、可衡量，旨在让学生在掌握基本电学知识的同时，提高实践技能和情感态度价值观。
后续教学设计和评估将以此为基础，确保课程目标的实现。
二、教学内容本章节依据课程目标，紧密围绕多功能电表的使用和电学基础知识，选择以下教学内容：1. 多功能电表的结构与原理：介绍电表的组成部分、工作原理，结合教材相关章节，使学生理解电表的内部构造及其测量原理。
2. 电表的正确使用方法：详细讲解电压、电流、电阻测量的操作步骤，强调注意事项，确保学生能够正确使用电表进行实验。
3. 电表测量数据的读取与分析：教授如何读取电表显示的数据，并进行简单的数据分析和计算，结合教材实例，提高学生分析问题的能力。
4. 实践操作与实验：安排电学实验，如测量电压、电流、电阻等，巩固理论知识，培养学生动手实践能力。
5. 教学内容的安排和进度：- 第一节课：多功能电表的结构与原理，认识电表的各个部分及其功能；- 第二节课：学习电表的正确使用方法，进行简单的电压、电流测量实验；- 第三节课：读取和分析电表测量数据，进行实际操作练习；- 第四节课：综合实验，巩固所学知识，提高实践能力。
高精度多功能标准电能表设计方法
*高精度多功能标准电能表设计摘要：介绍一种高精度、多功能三相标准电能表的设计方法。
采用硬件锁相环电路，控制单片6通道16位高速并行A/D转换器ADS8364实现对三相电压、三相电流同步整周期均匀采样。
TMS320F2812 DSP 对采集的三相电压、电流数据进行运算和处理，并用软件方法产生高低频标准电能脉冲。
给出了系统总体结构、模拟通道设计、倍频锁相电路、数据采集电路、各种电参数测量算法及系统软硬件抗干扰措施。
主要指标的准确度等级优于0.05级。
其设计方法对于高精度电力测量仪表的研制具有实际参考价值。
关键词：标准电能表；同步采样；锁相环；ADS8364；TMS320F2812Design of High-precision Multi-functional Reference Energy MeterAbstract: Design method of high-precision, multi-functional three-phase reference energy meter is introduced. A hardware phase-locked loop circuit is used to control 6 channels 16 bits high-speed parallel interface converter ADS8364, realize the function of synchronous and full period collection of three-phase voltage and current. TMS320F2812 DSP processes and analyzes the acquired voltage and current data and generates standard electric energy pulses using software. The system hardware structure, analog channels circuits, data acquisition circuits, measurement algorithms of electric parameters and anti-jamming methods are given. Measuring accuracy grades of main parameters excelled 0.05%. Its design method has practical reference values for high-precision electrical measuring equipments.Keywords: Reference energy meter; Synchronous sampling; Phase-locked loop; ADS8364; TMS320F28120 引言课题背景电力是国家经济发展的命脉，随着工业技术的不断进步，对电力的需要越来越大，电力部门需要及时、准确的对供、用电量进行计量并监测电网的相关参数以便采取相应的措施保证整个电网的安全和稳定，电能表是必不可少的监测设备。
多功能电能表课程设计
多功能电能表课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解多功能电能表的基本工作原理，掌握其结构组成；2. 学生能够掌握多功能电能表的读数方法，并了解其计量单位；3. 学生能够了解多功能电能表在不同场合的应用，如家庭、工业等领域。
技能目标：1. 学生能够正确使用多功能电能表进行电能测量，并准确读取数据；2. 学生能够通过实际操作，掌握多功能电能表的安装、调试和故障排查方法；3. 学生能够运用所学知识，分析并解决实际生活中与电能表相关的问题。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对电能表及相关电器设备的兴趣，激发他们学习物理和电学的热情；2. 培养学生严谨的科学态度，使他们认识到准确测量和合理使用电能的重要性；3. 培养学生的团队协作意识，使他们能够在实际操作中互相配合，共同完成任务。
课程性质：本课程为物理电学领域的实践课程，旨在帮助学生将理论知识与实际应用相结合，提高学生的实践操作能力和解决问题的能力。
学生特点：学生为八年级学生，具备一定的物理知识和动手能力，对新鲜事物充满好奇心，但需要进一步引导和激发。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，强调实际操作和动手能力，使学生在实践中掌握知识，提高技能，培养正确的情感态度价值观。
通过分解课程目标，为教学设计和评估提供明确的方向。
二、教学内容1. 多功能电能表的基本原理与结构- 电能表的分类及工作原理- 多功能电能表的结构组成及其功能2. 多功能电能表的读数与计量单位- 电能表的读数方法及注意事项- 电能计量单位及其换算关系3. 多功能电能表的应用与安装- 多功能电能表在不同场合的应用案例- 电能表的安装位置、接线方法及注意事项4. 多功能电能表的调试与故障排查- 调试多功能电能表的步骤和方法- 常见故障现象及排查方法5. 实践操作与问题分析- 实际操作多功能电能表进行电能测量- 分析实际生活中与电能表相关的问题，并提出解决方案教学内容安排与进度：第一课时：多功能电能表的基本原理与结构第二课时：多功能电能表的读数与计量单位第三课时：多功能电能表的应用与安装第四课时：多功能电能表的调试与故障排查第五课时：实践操作与问题分析教材章节关联：本教学内容与教材中“电与磁”章节相关，涉及电能表的工作原理、应用、安装与调试等内容，为学生提供系统的知识体系。
多功能智能电表课程设计
多功能智能电表课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解多功能智能电表的基本工作原理和功能特点。
2. 学生能够掌握智能电表的数据读取、分析及应用方法。
3. 学生能了解智能电表在日常生活和工业中的应用和价值。
技能目标：1. 学生能够正确操作多功能智能电表，进行数据测量和读取。
2. 学生能够运用所学知识解决与智能电表相关的实际问题，提高解决问题的能力。
3. 学生能够通过小组合作，共同完成智能电表的使用与维护任务。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对多功能智能电表及其在现代社会中应用的兴趣，激发学生的学习热情。
2. 培养学生严谨的科学态度，养成尊重事实、注重实证的良好习惯。
3. 培养学生节能环保意识，认识到智能电表在节能减排中的重要作用，提高社会责任感。
本课程针对初中年级学生设计，结合课程性质、学生特点和教学要求，将目标分解为具体的学习成果。
通过本课程的学习，期望学生能够掌握智能电表相关知识，提高实际操作能力，培养科学精神和节能意识，为学生的全面发展奠定基础。
二、教学内容1. 多功能智能电表概述- 智能电表的定义与分类- 智能电表的发展历程及其在现代生活中的应用2. 智能电表的工作原理与功能- 电流、电压、功率等基本电学参数的测量原理- 智能电表的数据处理、显示与存储功能- 能耗分析与节能建议3. 智能电表的操作与使用- 智能电表的操作面板介绍- 数据测量、读取与记录方法- 智能电表的维护与故障处理4. 案例分析与实践活动- 日常生活中的智能电表应用案例- 工业领域中的智能电表应用案例- 小组合作完成智能电表操作与数据分析任务教学内容按照课程目标制定，涵盖智能电表的基本概念、工作原理、操作使用以及案例分析等方面，确保内容的科学性和系统性。
本教学内容将按照教学大纲安排和进度进行，与教材相关章节紧密关联，帮助学生全面掌握多功能智能电表的相关知识。
三、教学方法本课程将采用以下多样化的教学方法，以激发学生的学习兴趣和主动性：1. 讲授法：- 通过生动的语言和形象的表达，讲解多功能智能电表的基本概念、工作原理和操作方法。
多功能智能电表的设计
多功能智能电表的设计摘要目前，电力系统中仪器仪表已经进入了自动化和智能化的时代。
自动化和智能化特性不仅要求这些仪器仪表像传统计量表一样具有计量功能，而且还要具有测量、保护、控制、通信等多种功能，以反映电气元件运行状态和控制调节的信息。
随着高新技术尤其是电子信息技术的快速发展，电子式、多功能、高精度、多费率、自动抄表等产品的优势突显，且已逐步成为电能表发展的主流。
国内仪器制造设计的电能表主要有远程监测仪表，手持式仪表，便携式多功能分析仪表。
而在技术解决方案中，传统的单片机不能满足多功能而且精度低，不适用于信息交互高速实时处理场合。
智能电表具有数据保护，报警，断电显示，负荷控制，防窃电，远程抄表等功能。
从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件，从而取消了电表上长期使用的机械部件，随着智能化电表的发展，将最终取代传统电表在用户中的使用。
本文主要应用AT89C52单片机，RS485通讯各个单元来完成数据的传输，费率的计算，数据的显示，报警，远程抄表控制，使电表实现智能化。
关键词：智能电表；自动抄表；RS485通信；预付费；智能化Design on Multifunctional Smart MeterAbstractAt present, the power system instrumentation has entered the era of automation and intelligent. Automation and intelligent feature not only require these instruments the same as the traditional measurement meter measurement function, but also with the measurement, protection, control, communications and other functions in order to reflect the operational status and control of electrical components, regulation of information.Along with the high technology and new technology electronic information technology’s fast develop ment, the electronic formula, multifunction, the high accuracy, the multi-tariffs, copies product and so on table superiority to underline automatically particularly, and already gradually became the electrical energy table development the mainstream. Design of domestic equipment manufacturers are remote meter monitoring instruments, handheld instruments, portable and multifunctional analysis instruments. In the technical solution，the traditional single chip cannot meet the multi-function and low precision, high-speed information exchange does not apply to real-time processing applications. The intelligent electric instrument has the data protection, the warning function, the power failure demonstration, the load control, against steals the electric work energy, long-distance copies functions and so on table system, uses take the integrated circuit from the measurement to the processing as the core electronic device, thus has canceled on the electric instrument the long-term use mechanical part, along with the intellectualized electric instrument’s development, will substitute for traditional electric instrument in userpractical finally. In this dissert the hand-hold unit, the AT89C52 monolithic integrated circuit are used and so on each unit completes the data with RS485 communications the transmission, the tariff computation, the data demonstration, the warning, long-distance copies the table control, causes the electric instrument to realize the intellectualization.Keywords: Intellectual mater；Auto Read Meter；RS485 Communication；Prepayment；Intellectualization目录中文摘要 (I)外文摘要 (II)1绪论 (1)1.1引言 (1)1.2课题研究背景，目的及意义 (1)1.3国内外研究概况及发展趋势 (2)1.4智能电表设计的技术要求及主要研究内容 (3)1.4.1技术要求 (3)1.4.2主要研究内容 (4)2智能电表的总体设计方案 (5)2.1总体设计思想 (5)2.2系统总体功能 (5)2.3智能电表的硬件设计方法 (6)2.3.1微处理器或微控制器 (7)2.3.2传感器 (8)2.3.3信号调理 (8)2.3.4A/D转换器和D/A转换器 (8)2.3.5智能电表的接口通信 (9)2.4智能电表的软件设计方法 (9)3智能电表的硬件设计 (12)3.1单片机系统设计 (12)3.1.1AT89C52的主要特性 (13)3.1.2AT89C52各主要引脚功能 (13)3.2电能计量芯片ADE7758 (15)3.2.1ADE7758综述 (15)3.2.2ADE7758引脚配置及功能描述 (15)3.2.3ADE7758信号衰减电路设计及互感器选型 (17)3.2.4ADE7758与MCU接口设计 (18)3.3MCU外围电路及其它模块的设计 (19)3.3.1存储模块设计 (19)3.3.2时钟模块设计 (20)3.3.3液晶显示模块设计 (21)3.3.4按键模块设计 (22)3.3.5串口通信模块设计 (24)4智能电表的软件设计 (25)4.1主流程图 (25)4.2系统初始化 (27)4.3系统子程序模块 (27)4.3.1系统参数自校正模块 (27)4.3.2电量测量功能模块 (27)4.3.3电能检定功能模块 (28)5系统调试 (29)5.1软硬件调试 (29)5.2功能测试 (29)5.3误差的定性分析及改进措施 (30)总结及前景展望 (32)参考文献 (33)致谢 (35)附录1 外文参考文献（译文） (36)附录2 外文参考文献（原文） (41)1绪论1.1引言作为仪器仪表中的一个子类产品，电能表在电力系统的各个环节中占据着重要的地位。
多功能电表软件系统设计
电表上电状态的处理部分
4.2.3电表上电状态的处理部分 电表上电状态的处理程序流程图如下：
电表上电状态的处理部分
case 0: //上电工作状态 if(!LVIF) { DI(); PCC = 0x0; //CPU Clock = 内部高速振荡8M 0.25us/指令执行最短时间 RCM=0x80; OSCCTL=0X30; //内部高速振荡,副晶振开起 DataTemp[0] = 0xc8; //init// DataTemp[1] = 0; write_LCD1(PCF8576_ADDR, PCF8576_CS,2,DataTemp); PowerOn_io_init(); Message.OneMinute=1;//当初始化时把当前的时段读出来 timer_init(); usart_init(); Att7028_para(); WORK_state=1; EI(); } else WORK_state=4;//进入唤醒 break;
程序RAM数据结构部分
typedef struct { unsigned long PhaseActivepower[4]; //ABC合相有功功率 unsigned long PhaseApparentpower[4]; //ABC合相有功瞬时功率 unsigned long PhasevoltageRMS[4];//ABC合电压有校值 unsigned long PhaseCurrentRMS[4];//ABC合电流有校值 unsigned long Linefrequency[1]; //当前的线频率 unsigned long PhasePowerFactor[4];//ABC合功率因数 unsigned long PhasePhaseAngle[4];//ABC合相电压与电流的夹角 unsigned long StatusPhaseLossPhaseSequenceSIG[1]; unsigned long StatusEnergyRegister[1]; unsigned long DirectionActivepower[1]; unsigned long CalibrationDataCheckoutRegister[1]; unsigned long PhaseActiveEnergy[8];//当前的电能 }Emu_Parameter; 此结构可以对ATT7026A的计量参数寄存器一次可以全读出，并同时也可以分别 取出对应所需要的参数
多功能电能表设计
功能模块 计量
存储器 RTC 通讯接口
存储器 计量 MCU
LCD MCU 通讯
资源需求 带方向的有功无功计量
FLASH及EEPROM需要有相应的容量 需要RTC 至少需要两路UART
FLASH及EEPROM需要有相应的容量 提供电压/电流检测 占用相应的GPIO数量
v(t) 2.V.sint
i(t) 2.I.sin(t q)
Wt vtit V I cosq V I cos2t q
有功功率值P为瞬时有功功率的直流分量部分，即P = V.I.cos(q)
12
无功功率计算
无功功率的计算可以通过将电流或电压之一移相90度后与另外一个 通道结果相乘得到 – Hilbert变换
The World Leader in High Performance Signal Processing Solutions
多功能电子式电能表设计
第1部分：前言
内容概述
电子式电能表设计的一些基本方法 整表方案设计思路 各功能模块设计软硬件设计要点 常见问题案例分析 设计中的一些注意事项
CT 电阻分压
CT 电阻分压
CT 电阻分压
单相计 量芯片
单相计 量芯片
单相计 量芯片
SPI/GPIO
MCU UART
LCD
RTC
其它输入 输出外设
变压器A 变压器B 变压器C
整流 稳压
电源1 电源2
光电隔离 RS485
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方案1 vs 方案2
方案1：电流互感器+3相计量芯片
最典型的三相多功能表方案 电流互感器的隔离使得计量芯片与MCU之间可以直接连接且共用同一组
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电子式多功能电能表主要针对国内市场三相用电的工业用户。
随着电力行业改革深入,工业三相用电对多功能电能表的需求大量增加。
目前国内多功能表种类少、价格较高、功能不完善,往往仅是针对某些地区的特定要求开发,缺乏通用性,某些产品未能完全达到国标的要求。
本文介绍的电子式多功能电能表正是为了适应这种市场需求而设计的。
这是一款智能型高科技电能计量产品,该表可以同时计量正/反向有功电能、正/反向无功电能、四象限无功电能,还具有多费率控制,负荷曲线记录,各相失压、过压、频率超限记录,数据LCD显示等多种功能。
主站可以通过RS-485总线或手持红外抄表器对该电表进行查表、设表、抄表等操作。
软件代码全部采用C/C++语言编写,编码效率高,可维护性好,便于实现模块化设计,可根据用户的需求方便地对功能模块进行裁剪。
而且代码经过优化,其生成的目标代码大小和执行效率已与汇编代码相差无几。
该产品的技术指标全面符合GB/T 17215-1998 《1级和2级静止式交流有功电度表》、DL/T 614-1997《多功能电能表》和DL/T 645-1997《多功能电能表通信规约》的要求。
多功能电能表的总体结构和硬件设计
多功能表总体结构
电子式多功能电能表硬件的核心MCU主控制器,它负责按键输入扫描、工作状态检测、计量数据的读入、计算和存储、电表参数的现场配置以及与外界的通信控制等。
其主要功能单元包括MCU 主控制器单元、电量计量模块、红外和RS-485通信模块、校表模块、EEPROM存储阵列等;其他辅助模块主要有：时钟日历电路、工作异常报警电路、按键输入电路、复位和看门狗电路、开关电源模块和后备电池电路、大屏幕液晶显示模块和LED显示模块。
多功能表总体结构框图如图1所示。
高性能主控制器单元
主控制器采用NEC公司8位单片机中的高档产品μP D78F0338。
该款单片机为120脚QFP封装,单片集成有60kB Flash、一个异步通信串行口、40×4段LCD驱动器、高达10MHz的总线时钟和10路10位精度的ADC,并可通过简单的接口进行在系统编程,极大地方便在线调试和软件升级。
并且支持高级语言,较好地满足了多功能表任务繁多、数据量庞大、算法较复杂的功能要求。
串口复用通信单元
通信电路模块主要包括TSOP1838红外接收头、红外发射二极管、载波电路、MAX487专用485收发电路、驱动/开关二极管和其他元件。
本电能表为便于用户抄表,设计有红外本地抄表和RS-485集中抄表两种串行抄表方式,因为μPD78F0338仅有一个串口,故通信电路设计时采用串口复用技术。
由9012、9014和若干电阻等器件组成互补开关,由MCU的一个I/O口来控制红外和RS-485通信方式的切换,如图2所示。
图2 >
高精度电量计量模块
计量模块由高精度专用电能计量芯片SA9904、电流互感器和其他外围电路元件组成。
SA9904是Sames公司生产的一款三相双向功率/电能计量芯片,可以计量有功/无功功率、电压、频率、相序异常等,可以单独计量每一相的用电信息,符合IEC521/1036标准,可达到1级交流电能表的精度要求,各数据寄存器具有24位精度,可通过三线SPI接口与CPU交换数据。
从而可以较好地适应多功能表需要计量多种电量数据的要求。
SA9904引脚及其外围电路图如图3所示。
图4 >
其中,CLK、DO、DI构成与MCU控制器的接口,用于传输控制命令和测得的电量数据,IIPs、IIPt、IIPr用来对电流取样,IVP1、IVP2、IVP3用来对电压取样。
时钟日历模块
时钟电路采用EPSON生产的RTC-4553实时时钟芯片。
内部集成了32.768kHz的石英晶体振荡器,简化外围电路,并可以根据需要进行自由设置以得到较高的频率;同时集成有时钟和日历计数器;可选择24或12小时显示模式;时钟可通过软件方式进行间隔30秒的调整;并提供0.1Hz或1024Hz 的定时脉冲输出,以便于在电能表的外部对时钟精度进行定期检查。
RTC-4553引脚及其外围电路图如图4所示。
其中,SCK、Sin、Sout与主处理器接口,用于发送控制指令或者传输日期时间数据,本系统日历时钟模块采用电池作后备电源,以确保在停电状态下,日期时间的准确无误。
图5 >
多功能电能表的软件设计
数据结构设计
多功能电能表涉及的数据类型种类繁多。
按字节分包括单字节、双字节、三字节、四字节和六字节等;按表征的意义分有时间、时刻、电压、电流、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能、次数、功率因数、门限、状态字、系数、表号等。
复杂的数据类型对数据结构的设计提出了较高的要求,本实现方案通过采用多种数据寻址方式和多种类型存储器较好地解决了这一问题。
数据结构设计要点
系统的数据存放方式有：内部ROM、RAM和外挂EEPROM。
内部ROM用来存放大量的常数表格;RAM用于存放临时变量和堆栈,本方案需要2.5kB左右的RAM;串行EEPROM则存储各种用户电量数据和设表参数,通过I2C总线与CPU交换数据,电能表按设计需求的最大要求大约需要250kB的EEPROM,本方案采用8片256位EEPROM通过级联来实现。
数据寻址方式
EEPROM数据访问采用两种方式：直接地址访问,通过数据的EEPROM地址直接读写数据;数据ID寻址,通过数据的编码读写数据。
通信口复用功能设计
红外通信和RS-485共用一个串行口（RxD/TxD）通信,由于串行口通信开始都有一低电平位（0）,因此将红外接收端（与485接收端用一三极管隔开）引到一中断引脚INTP1,通过其引发的中断可判断串行口数据是否来自红外。
发送时按对应方式发送,使其不互相干扰。
由于红外通信和遥控接收用同一接收管,因此在判断红外来源的中断中启动定时器INTTM4检测红外接收端,如果检测到脉冲宽度为9ms或0.56ms,则判断为红外遥控,并根据定时检测遥控编码;否则判定为红外产生的串行口接收中断,并将定时检测关闭。
红外38.4kHz调制信号由CPU内部分频输出（P05/PCL）。
f=fx/27=4.9152/128=38.4kHz。
因红外发送字节之间可选有15～20ms的延时,而485通信则不需要延时。
数据发送在发送中断中进行,红外通信在发送操作后立即关闭发送中断允许,待延时时间到后再允许发送中断。
多功能表程序流程图
多功能表主程序流程主要包括初始化、数据校验、负荷曲线修补和事务处理等,其流程图如图5所示。
日常事务处理流程集中体现了多功能表的大部分主要功能,包括费率处理、计量数据采集及处理、自动抄表、电能脉冲输出、校表模块和掉电检测及处理模块等,其流程图如图6所示。