三相自抄表電子式電能表的畢業(yè)設(shè)計

三相自抄表電子式電能表的設(shè)計摘要本課題針對三相電力用戶耗電統(tǒng)計的問題設(shè)計了一款新型的具有自抄表功能的電子式電能表，該電能表以專業(yè)計量芯片為計量核心，依靠單片機對整個系統(tǒng)進行控制。通過硬件和軟件模塊的相互配合，可以穩(wěn)定可靠的對電力用戶的多種電能參數(shù)進行測量，并且能夠?qū)㈦娔苄畔⑸蟼鞯匠硐到y(tǒng)。關(guān)鍵詞電子式電能表；掉電處理；自抄表；電能計量芯片DESIGNOFTHREEPHASEAUTOMATICREADINGELECTRONICPOWERMETERABSTRACTTHISPAPERPROPOSESANEWELECTRONICENERGYMETERWITHSELFMETERREADINGFUNCTIONTOCOUNTPOWERCONSUMPTIONOFTHREEPHASEELECTRICITYUSERSTHEMETERSCOREISAPROFESSIONALMEASUREMENTCHIP，ANDITCONTROLSTHEWHOLESYSTEMBYMCUTHEMETERSHARDWAREMODULESANDSOFTWAREMODULESCOMPLEMENTEACHOTHER,ITCANMEASURETHEPOWERUSERSVARIOUSENERGYPARAMETERSSTABLYANDSAFELY，ALSO，ITCANUPLOADELECTRICALENERGYPARAMETERINFORMATIONTOMETERREADINGSYSTEMKEYWORDSELECTRONICENERGYMETER；POWERDOWNPROCESSING；AUTOMATICMETERREADINGFUNCTION；ENERGYMEASUREMENTCHIP1前言11三相自抄表電子式電能表的研究背景在我國，電能作為一種清潔的二次能源是一種重要的消費品。改革開放以來，我國經(jīng)濟的發(fā)展突飛猛進，電力工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，各行各業(yè)對電能需求量大幅提高。每年我國都在不斷擴建發(fā)電設(shè)施，更新擴建配電系統(tǒng)，目的是增加發(fā)電量供電量，以滿足與日俱增的生產(chǎn)生活用電需求。電能管理監(jiān)督到戶的手段是國外個別發(fā)達國家實行電網(wǎng)統(tǒng)一管理的主要措施。電力公司對所轄地區(qū)內(nèi)各電力用戶的用電信息進行采集，直接或間接對每個用戶電能的使用進行管理，這樣可以大力的提高電能管理的力度。我國也在逐漸推行這一舉措，電子式電能表就是在這種大環(huán)境下出現(xiàn)并開始迅速推廣。上個世紀(jì)60年代出現(xiàn)了時分割乘法器的功率測量原理，在這個原理基礎(chǔ)上各國研制出了單相和三相電子式功率電能表，那時的電子式電能表都是時分割乘法器為核心的電路系統(tǒng)。后來嵌入式系統(tǒng)進一步發(fā)展，模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)和大規(guī)模集成電路開始廣泛應(yīng)用，具有集成AD轉(zhuǎn)換功能、存儲器、處理器、通信接口的專業(yè)計量芯片出現(xiàn)，各種性能和功能的電子式電能表逐步成為電能計量行業(yè)的主導(dǎo)。國際上近些年電子式電能表的發(fā)展非常快，許多歐洲發(fā)達國家以及北美等許多國家工商用電計費電能表已經(jīng)實現(xiàn)100電子化，居民用戶的計費電能表也幾乎被電子式計量設(shè)備取代，目前很多國家已經(jīng)宣布完全停止對傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表的購買和安裝。電子式電能表有著諸多優(yōu)點，如高精度、功能易擴展、抄表便利、可聯(lián)網(wǎng)通信，使各種電子式電能表設(shè)計生產(chǎn)行業(yè)發(fā)展迅速。在我國，電子式電能表已經(jīng)占據(jù)了電能表生產(chǎn)行業(yè)的主要份額，有多家大型電子設(shè)備制造公司長期致力于電子式電能表的研究和生產(chǎn)，他們的實踐和努力為電子式電能表在我國的發(fā)展打下基礎(chǔ)。國家電力系統(tǒng)的兩網(wǎng)改造工程開展后，國內(nèi)的電子式電能表研究機構(gòu)如雨后春筍，不斷涌現(xiàn)，設(shè)計水平和生產(chǎn)工藝水平一直在不斷提高。12三相自抄表電子式電能表的發(fā)展趨勢隨著集成電路的日益發(fā)展和新器件的開發(fā)成功，電子式電能表逐步進入電力系統(tǒng)生產(chǎn)和銷售管理部門的電能計量計費第一線，電子式電能表進入千家萬戶，我國加入WTO之后，電能表產(chǎn)品在國際市場上嶄露頭角，我國自主研發(fā)的專業(yè)計量芯片已被國際上認(rèn)可，許多我國生產(chǎn)的優(yōu)秀芯片類型已經(jīng)和世界上高端廠商生產(chǎn)的芯片在功能和性能上基本達到同一水平。由于專業(yè)計量芯片行業(yè)的蓬勃發(fā)展，電子式電能表的設(shè)計和生產(chǎn)也已經(jīng)取得了質(zhì)的飛躍。目前，電子式電能表制造行業(yè)已經(jīng)從原來的功能單一，內(nèi)部構(gòu)造模式單一，核心技術(shù)相似，性能不及傳統(tǒng)感應(yīng)式電能表的狀態(tài)逐漸發(fā)展為現(xiàn)在的多功能多品種，精度指標(biāo)高，性能質(zhì)量好，知識產(chǎn)權(quán)自主的形勢。不但如此，我國電子式電能表行業(yè)逐漸發(fā)展成兩個成長方向，即專一功能高性能化和多功能多兼容化。電能計量裝置是商品交易中一種特殊的計量器具，其自身技術(shù)性強，要求高，因為生產(chǎn)企業(yè)在單位時間內(nèi)生產(chǎn)所消耗的電能數(shù)量巨大，電能計量裝置運行計量工作是與用戶用電同時進行的，電能計量的瞬時性和不可重復(fù)性決定做好電能計量工作格外重要。國家對電能計量裝置執(zhí)行強制檢定，監(jiān)管力度大，必須定期校驗，階段性的改進和更新計量裝置是我國電管部門的工作要求。13課題主要研究內(nèi)容本課題是基于應(yīng)用一款功能強大的電能計量芯片ATT7022A，采用以ATMEGA64為核心的單片機系統(tǒng)，研發(fā)的一款綜合自動抄表功能、多參數(shù)測量功能等于一體的電子式電能表。該電能表的研發(fā)方向定位于三相四線制電能測量方式，有功精度滿足O5S、02S，動態(tài)范圍10001，無功精度滿足O5S，動態(tài)范圍L000L。本課題的主要內(nèi)容及安排如下1、硬件設(shè)計之初構(gòu)建電子式電能表的PCB電路板，要求通過電路板能夠完成從電能信號采集、轉(zhuǎn)換、計算、顯示輸出等一系列過程。并且該設(shè)計硬件接口支持在線升級以及遠程抄表。硬件電路完成以下要求1利用電網(wǎng)電源供電，并且在電網(wǎng)掉電情況下保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全保存，恢復(fù)供電后可重新投入使用；2具備靈活方便的用戶操作鍵盤和一目了然的信息顯示系統(tǒng)，建立通暢的人機交流渠道；3通信接口包括SPI通信接口和RS485通信接口，SPI接口負(fù)責(zé)對單片機進行燒寫程序，RS485負(fù)責(zé)抄表時的數(shù)據(jù)傳輸；4具備近程或遠程的通信功能，在需要的情況下，系統(tǒng)能夠做到抄表員不需要直接到戶讀表通過網(wǎng)絡(luò)便可直接讀取電量參數(shù)信息，并且可以對電表存儲器內(nèi)數(shù)據(jù)進行更改；5硬件系統(tǒng)在常規(guī)環(huán)境下運行穩(wěn)定，在硬件層面能夠抵抗一定的電磁干擾。2因為電路板設(shè)計由多個功能模塊組建，并且需要擴展遠程抄表功能，因此各個模塊間的通信和抄表通信的可靠性顯得尤為重要。在電路板設(shè)計的同時對電子設(shè)備電磁兼容技術(shù)進行研究，并將電磁兼容技術(shù)應(yīng)用于電路設(shè)計。3完成電子式電能表程序設(shè)計，軟件程序可控制系統(tǒng)完成各個功能并且運行穩(wěn)定。2電子式電能表的硬件21硬件總體設(shè)計圖1電能表硬件總體設(shè)計FIG1METERHARDWAREDESIGN本設(shè)計目的是進行三相電能檢測，因此首先將三相電流電壓分別輸入采集電路，電流與電壓信號經(jīng)過互感器降壓，并且將信號進行調(diào)理輸入到計量芯片ATT7022A進行一系列處理，包括們轉(zhuǎn)換乘積運算等，ATT7022A芯片輸出的數(shù)字信號包含各種所需電參數(shù)信息，可供ATMEGA64處理，將所需參量存入片內(nèi)存儲器供電能信息提取。掉電檢測部分負(fù)責(zé)系統(tǒng)的將電網(wǎng)有無供電的情況提供給單片機，判別系統(tǒng)是否進行掉電處理。ATMEGA64預(yù)留的引腳為抄表系統(tǒng)抄表時提供數(shù)據(jù)傳輸，自動抄表系統(tǒng)可以讀取存儲器內(nèi)存儲的電量信息，還可以直接更改處理器內(nèi)寄存器狀態(tài)或通過總線與片內(nèi)EEPROM通信進行程序升級。設(shè)計要求能計量準(zhǔn)確、精度高，誤差為2。電能表正常工作時，能顯示剩余點能值、已用電能值，當(dāng)表內(nèi)剩余電能不足20度時，能提醒用戶余電不多，及時購電，具有記憶功能，遠程抄表功能。22系統(tǒng)整機性能指標(biāo)電能表的設(shè)計必須實現(xiàn)一些必須的功能，硬件和軟件水平達到國家對儀器儀表的相關(guān)要求標(biāo)準(zhǔn)。本課題設(shè)計的三相自抄表電子式電能表滿足國家電表儀器標(biāo)準(zhǔn)DLET6451997、GBT178831999、GBT152842002，部分技術(shù)指標(biāo)如下表。表1三相自抄表電子式電能表的部分技術(shù)指標(biāo)TAB1PARTOFTHREEPHASEAUTOMATICREADINGELECTRONICENERGYMETERSPECIFICATIONS參數(shù)名指標(biāo)額定電壓3220380V額定頻率50HZ計量誤差功率1級，其它2級時鐘準(zhǔn)確度05S23掉電數(shù)據(jù)保存時間10年1200MAH計度范圍O99999999KWH波特率1200BPSRS一485通信有效距離1200M絕緣耐壓4KV工作溫度范圍一2555相對濕度85貯存和運輸溫度一4070電池容量1200AH23電源電路的設(shè)計圖2電源電路設(shè)計FIG2POWERCIRCUITDESIGN由于電子式電能表的運行環(huán)境各種各樣，為其供電的電源電路必須能滿足在某些惡劣環(huán)境比如雷電和低溫下能安全穩(wěn)定供電的要求。本設(shè)計需要一個穩(wěn)定的5V直流電源為其內(nèi)部元件提供直流供電。本設(shè)計提取一路電壓輸入提供直流穩(wěn)壓電源，直流穩(wěn)壓電源將交流輸入電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定不變的直流電壓。為了滿足設(shè)計要求，應(yīng)用串聯(lián)型穩(wěn)壓電源電路供電，串聯(lián)型穩(wěn)壓電源電路部分由變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路部分構(gòu)成。穩(wěn)壓電路作用是將輸出電壓穩(wěn)定在一定合理區(qū)間內(nèi)，在這里應(yīng)用了三端穩(wěn)壓器7805作為穩(wěn)壓器件。7805擁有諸多優(yōu)點，體積小、價格低、性能穩(wěn)定，使用安全可靠。運行時7085自身存在36V的壓降，變壓器二次側(cè)輸出也就是電源電路的輸入端電壓實際取值15V。在電網(wǎng)運行過程中，由于電網(wǎng)線路故障或供電設(shè)備的原因，偶爾會發(fā)生供電中斷的現(xiàn)象。為避免整個電子式電能表用硬件系統(tǒng)的癱瘓，電子式電能表在硬件設(shè)計方面都會有掉電檢測電路，軟件設(shè)計時配合掉電檢測功能程序。常見的掉電檢測電路有的是依靠系統(tǒng)檢測芯片為系統(tǒng)提供供電電源檢測，即“看門狗”電路。本設(shè)計的MCU采用的是處理能力相對較強的AVR單片機，所以硬件掉電檢測部分采用的是通過檢測電容放電信號來判斷電網(wǎng)是否掉電，由處理器來對掉電情況進行管理。在電路中，如果交流側(cè)電壓正常，電容C5被充電，經(jīng)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后，引腳INTO輸出的是高電平信號；如果這時交流側(cè)突然斷電，電容C5放電，穩(wěn)壓管沒有輸入，引腳INTO輸出的信號時低電平。單片機接收到信號后，進入相應(yīng)的中斷程序，進行掉電處理。圖3具有掉電檢測功能的電源電路FIG3POWERSUPPLYCIRCUITWITHPOWERDOWNDETECTION24MCU的選擇及資源配置此處省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整說明書和設(shè)計圖紙等請聯(lián)系扣扣九七一九二零八零零另提供全套機械畢業(yè)設(shè)計下載該論文已經(jīng)通過答辯242ATMEGA64介紹ATMEGA64單片機具有如下的一些主要特點1高性能低功耗的8位A詠處理器。2利用了RISC架構(gòu)和CMOS技術(shù)，執(zhí)行單條指令機器周期最低可達50LLS，工作于16MHZ時性能高達16MIPS。工作電流不超過25N認(rèn)，功耗較低。3芯片內(nèi)部集成64K字節(jié)的F1ASH程序存儲器擦寫壽命10000次，2K字節(jié)的EEPROM，擦寫壽命100000次，4K字節(jié)的SRAM，64K字節(jié)可選片外存儲空間，獨立鎖存位的可選BOOT代碼區(qū)。432個8位通用工作寄存器，35個中斷源8個外部中斷源。5兩個具有獨立功能和比較功能的8位定時器計數(shù)器，兩個具有獨立預(yù)分頻功能和比較捕捉功能的16位定時器計數(shù)器，8路10位ADC，兩路8位PWM，獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器。6具有可編程串行USART，JTAG接口，可工作與主機從機選擇模式的SPI串行接口，支持ISP下載，7具有64引腳TOFP和MLF兩種封裝形式，53個可編程IO口。8速度等級08MHZ。243處理器資源分配ATMEGA64芯片共有INTOINT78個外部中斷源，各外部中斷源做如下分配表2ATMEGA64外部中斷分配TAB2A11OCATIONOFATMEGA64SEXTERNALINTERRUPT外部中斷源功能INT0掉電檢測INT1抄表INT2計量芯片握手INT3計量芯片復(fù)位INT4按鍵中斷ATMEGA64共有兩個USART口其中USART0分配給抄表模塊，為抄表系統(tǒng)工作時提供數(shù)據(jù)傳輸，USART1口接顯示器串行口，對顯示器進行讀寫操作。兩個外部計數(shù)源輸入T1、T2，其中T1分配給時鐘芯片。在必要時，擴展由時鐘芯片輸出的可編程方波信號計數(shù)計時功能。SPI接口提供進行程序?qū)懭牖蚺cATT7022A進行通信。25計量模塊硬件設(shè)計在本設(shè)計中，計量模塊是負(fù)責(zé)對電能采樣信號值進行整理計算，最終得到所需電能參數(shù)值的部分。模塊內(nèi)部的專用DSP芯片將有功功率、有功能量、無功功率、無功能量等參數(shù)計算出，并將其輸入到MCU處理單元。從而避免了在單片機程序中設(shè)置復(fù)雜參數(shù)的數(shù)學(xué)模型計算。使用專業(yè)的電能計量芯片還可以減少MCU任務(wù)量，節(jié)省大量的CPU資源，使整個系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定安全。251電能采集電路的設(shè)計在本設(shè)計中，計量芯片的電壓采集輸入利用電壓互感器輸入方式，電流采集輸入利用電流互感器方式。這種設(shè)計將芯片與電網(wǎng)進行了隔離，從而可以獲得良好的抗干擾性能。圖4電壓采集電路FIG4VOLTAGECONDITIONINGCIRCUIT上圖中VXIN與VXOUT接電網(wǎng)三相電壓火線和零線，圖中的參數(shù)是以220V為參考電設(shè)計，利用電壓互感器將電網(wǎng)高電壓輸入變換為O2V到06V的采樣信號。1在模擬輸入電路中對輸入引腳引入24V左右的輸入偏置電壓，由ATT7022的第11引腳提供偏置電壓。2為了保證測量精度，芯片ATT7022A的第5引腳外接10UF和01UF濾波電容，盡量靠近引腳。電容的接地點與電流電壓采集信號的地線盡可能短的連接在一起。3在VXIN和VXOUT輸入電路中安置12K電阻和001UF電容構(gòu)成抗混疊濾波器，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)對稱，并采用溫度性能較好的元器件，保證電表獲得良好的溫度特性。4為防止外部接線錯誤，在任意一相電流與電壓反向時，ATT7022A的第40引腳REVP輸出高電平，據(jù)此可以判斷接線是否有錯。圖5電流采集電路FIG5CURRENTCONDITIONINGCIRCUIT252ATT7022A內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部電路連接圖6ATT7022A內(nèi)部框圖FIG6ATT7022AINTERNALBLOCKDIAGRAMATT7022A內(nèi)部集成了6路16位A，D轉(zhuǎn)換器，電流通道有效值在2MV至1V的范圍內(nèi)線性誤差小于O1，電壓通道有效值在10MV至LV的范圍內(nèi)線性誤差小于O1，電壓取值在O2V到O6V，電壓采樣信號小于O2V，可用電壓通道ADC增益選擇，將電壓信號適當(dāng)放大，電流取值在2MV至1V，電能線性誤差小于O1。每路ADC的交流輸入由管腳VXP和VXN輸入，同時要求VXP、VXN加24V左右直流偏置電壓，該偏置電壓可以由芯片的參考電壓輸出REFOUT獲得，也可以由外部基準(zhǔn)電壓提供。本設(shè)計采取的是利用芯片輸出的參考電壓引腳REFOUT為電能采集模塊提供直流偏置電壓。圖7ATT7022A及其外部電路設(shè)計FIG7ATT7022AANDITSEXTERNALCIRCUITDESIGN在單片機系統(tǒng)中，ATT7022A與單片機有6條連線。其中RESET是ATT7022A的復(fù)位線。CS、DIN、DOUT、SCLK為ATT7022A與ATMEGA64進行SPI通信的通信引腳，CS為單片機輸出的片選信號下降沿表示通信開始，上升沿表示通信結(jié)束，DIN與DOUT為SPI通信時數(shù)據(jù)輸入引腳與數(shù)據(jù)輸出引腳，SCLK為串行時鐘輸入引腳。為了避免SPI通信時電磁干擾對通信產(chǎn)生影響，本設(shè)計采用了在SPI傳輸線路上串聯(lián)低通濾波器的方法，低通濾波器由一個10電阻和一個10PF的電容組成，這樣可以消除SPI通信線路上可能出現(xiàn)的干擾或抖動。SIG為單片機與ATT7022A的握手信號引腳，在ATT7022A上電復(fù)位或重啟后，單片機必須通過SIG寫入高電平信號，ATT7022A才能與單片機進行通信。26時鐘模塊設(shè)計電子式電能表對用電用戶的電量參數(shù)測量動作都是建立在一定時間之上，因此對于每一組測量值都有一組相匹配的時間參數(shù)。時間參數(shù)是電子式電能表系統(tǒng)電能結(jié)算和監(jiān)控的依據(jù)。電子式電能表中的實時時鐘分為硬時鐘和軟時鐘兩種。硬時鐘由獨立的實時時鐘芯片組成。能自動產(chǎn)生秒、分、時、日、月、年等時間數(shù)據(jù)，并能自動進行閏年補償，還具有產(chǎn)生定時中斷等功能。軟時鐘是指利用單片機內(nèi)部或外部產(chǎn)生的定時中斷程序，通過對程序中定時終端的計數(shù)，計算出時間。軟時鐘的缺點是產(chǎn)生的日歷時鐘信息存放在MCU的RAM中當(dāng)單片機系統(tǒng)運行出現(xiàn)錯誤故障時，時鐘很容易遭到破壞，存儲的時鐘信息也易丟失。硬時鐘的應(yīng)用就彌補了軟時鐘的這一缺憾，硬時鐘芯片安裝在MCU外部，它的運行也相對獨立。內(nèi)部帶有備用電池，運行時較穩(wěn)定不易被外部因素影響。而且集成的時鐘芯片，運行的時鐘準(zhǔn)確度比軟時鐘要高。本設(shè)計采用的是DALLAS公司生產(chǎn)的并行操作接口的時鐘芯片DSL2C887。DSL2C887內(nèi)部具有128字節(jié)的RAM，4字節(jié)的控制與狀態(tài)寄存器，可以自動產(chǎn)生年、月、星期、日、時、分、秒7個時標(biāo)，具有報警定時功能，方波信號輸出功能。內(nèi)部配備鋰電池，無外部電源供電情況下可運行并且保存數(shù)據(jù)10年以上。由于DSL2C887計時精度高、運行穩(wěn)定、不掉電、操作方便、編程簡單，使其在單片機開發(fā)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在時鐘模塊硬件連接中，MOT為模式選擇引腳，接地表示系統(tǒng)選擇的是INTEL模式，在1NTEL模式中DSRD引腳作用是讀允許，RW引腳作用是寫允許。AD0AD7為復(fù)用地址數(shù)據(jù)總線，在這里與單片機的PF口相連。AS為地址選通輸入引腳，地址選通上升沿有效。IRQ為中斷請求輸入，CS為片選信號輸入引腳。VCC接5V電源，當(dāng)電源電壓輸入小于3V時，DSL2C887默認(rèn)系統(tǒng)掉電，自動將電源轉(zhuǎn)換到內(nèi)部自帶鋰電池上，保證時鐘程序能夠正常運行。RESET直接接VCC，從而保證了DSL2C887在掉電情況下，內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)不受影響，時鐘繼續(xù)工作。圖8時鐘模塊硬件連接圖FIG8CLOCKMODULEHARDWARECONNECTIONDIAGRAM27自動抄表模塊的設(shè)計自動抄表功能要求將電子式電能表的測量參數(shù)信息讀取出來，對于電子式電能表，測量部分一般由MCU和電能測量模塊構(gòu)成，在設(shè)計之初電子式電能表都會配備輸入輸出接口，利用上位機讀取電能表的測量參數(shù)。信號傳輸?shù)妮d體方面，常用的傳送方法有利用電力線實施載波通訊傳送、利用電話網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸、利用無線方式傳送數(shù)據(jù)、利用光線方式傳送數(shù)據(jù)。綜合運行成本、運行技術(shù)難度、安全可靠性、可操作性等各方面因素考慮，本設(shè)計最終選擇應(yīng)用電話網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)的自動抄表方式。利用電話網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，是一個經(jīng)濟有效的方案。電話網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)字信號傳輸速度快、頻帶寬、傳輸距離遠、安全穩(wěn)定的優(yōu)點。并且電話傳輸線提供兩根數(shù)據(jù)傳輸線，符合設(shè)計RS一485通訊標(biāo)準(zhǔn)的要求。271抄表方式選擇自動抄表方式，根據(jù)應(yīng)用范圍、規(guī)模大小、抄表上位機距電能表距離遠近分為近程抄表和遠程抄表，這里的上位機主要指的是手持抄表器或抄表管理計算機。由于本設(shè)計采用RS485作為通訊標(biāo)準(zhǔn)，RS485通訊標(biāo)準(zhǔn)的最遠傳輸距離是12KM，所以自動抄表的覆蓋范圍一般最遠為幾個街區(qū)，針對電能用戶的位置分散程度不一的實際情況選擇的是以小區(qū)為抄表單位的近程抄表方式。在抄表員進行抄表工作時，是以小區(qū)為單位，對于個別地理位置偏僻的零散電力用戶，可以選擇利用手持抄表器進行上門抄表。在整個抄表系統(tǒng)中，主要有抄表上位機手持抄表器或抄表管理計算機，電子式電能表，傳輸線纜三個部分組成圖9抄表功能實現(xiàn)FIG9METERREADINGFUNCTIONTOACHIEVE每戶電力用戶電表的RS485接口與該電力用戶使用的電話線纜相連接，因為每個小區(qū)都會對電話線纜的出戶端進行集中統(tǒng)一管理，電管部門可以在每個小區(qū)電話線集線箱設(shè)置自動抄表接入端口，這樣便建立起了抄表上位機與電力用戶的一對多的信號通道。但是在抄表過程中還應(yīng)注意，TIEIA485標(biāo)準(zhǔn)特性中最大接收器和最大發(fā)送器數(shù)量都不超過32個單位，因此抄表員一次最多可采集32戶電力用戶的電能測量參數(shù)數(shù)據(jù)。272RS485通訊接口設(shè)計RS一485芯片是一類常用的通訊接口器件，許多知名半導(dǎo)體公司，諸如SIPEX公司、MAXIM公司、TI公司，都有相關(guān)匹配芯片生產(chǎn)。MAXL483芯片是一種低功耗高效能的半雙工差分收發(fā)器，完全兼容RS一485標(biāo)準(zhǔn)和RS一422標(biāo)準(zhǔn)，正常工作電流不超過20UA，非正常工作電流也不會超過O1UA。表3MAXL483管腳功能TAB3MAX1483PINSFUNCTION管腳號名稱描述1RO接收器輸出2RE接收器輸出使能低電平有效3DE發(fā)送器輸出使能高電平有效4DI發(fā)送器輸入5GND接地6A發(fā)送器輸出接收器輸入7B發(fā)送器輸出接收器輸入8VCC電源電壓475VVCC525V由于本設(shè)計中RS一485通訊傳輸介質(zhì)是借助的電話線纜，與用戶電話線共用一套線纜，雖然電話線纜載波頻帶較寬，在抄表員自動抄表時，抄表信號不會對電話用戶通話產(chǎn)生影響。為了防止外界突發(fā)強電流強電壓對芯片造成損害，本設(shè)計中對在MAXL483芯片的A、B信道傳輸路徑上特別加入了光電隔離器件，而不是通常采用的雙絞線設(shè)計，這樣做還可以在電能表內(nèi)部防止外界電磁干擾信號在傳輸路徑上對RS一485信號傳輸產(chǎn)生影響。圖10RS一485通信模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)FIG10THEINTERNALSTRUCTUREOFRS485COMMUNICATIONMODULE273RS485通信協(xié)議介紹解決MCU之間中長距離通信是本設(shè)計自動抄表通信模塊所考慮的主要內(nèi)容，本設(shè)計中所采用的主從機通信標(biāo)準(zhǔn)為RS485標(biāo)準(zhǔn)。RS485因硬件設(shè)計簡單、控制方便、成本低廉等優(yōu)點，在工業(yè)測控技術(shù)領(lǐng)域中被廣泛使用。RS485是由電子工業(yè)協(xié)會E認(rèn)制定發(fā)布的一種平衡通信接口，被命名為TIE認(rèn)485A標(biāo)準(zhǔn)。RS485總線是異步半雙工的通信總線，因此，只需有兩根傳輸線便可以進行雙向通信。信號傳輸時速率最高可達10MBPS，際應(yīng)用中在信號傳輸速率不超過100KBITS時最遠傳輸距離可達1200米以上。在條總線上可連接最多10個接收器和多個發(fā)送器，是一種可以單機發(fā)送、多機接收的單向平衡傳輸規(guī)范。表4TIAEIA一485標(biāo)準(zhǔn)的特性TAB4FEATURESOFTMIA485規(guī)格TIAEIA一485傳輸模式平衡電纜艮度90KBPS4000FT1200M電纜長度10MBPS50FT15M數(shù)據(jù)傳輸速率10MBPS最大差動輸出士6V最小差動輸出士15V接收器敏感度士02V發(fā)送器負(fù)載歐姆60Q最大發(fā)送器數(shù)量32單位負(fù)責(zé)最大接收器數(shù)量32單位負(fù)責(zé)RS485協(xié)議遵循“查詢一響應(yīng)”模式，在查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能，數(shù)據(jù)段包含從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息，錯誤檢測域為從設(shè)備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。如果從設(shè)備產(chǎn)生一正常響應(yīng)，在回應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的響應(yīng)，錯誤檢測域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用。RS485通信協(xié)議時，在其串行數(shù)據(jù)單元規(guī)定的數(shù)據(jù)格式是8N1。當(dāng)設(shè)備設(shè)為以遠程終端I玎U模式通信，在消息中的每個字節(jié)包含兩個4BIT的十六進制字符。這種方式優(yōu)點是在同樣的波特率下可以比其他方式傳輸更多數(shù)據(jù)。每個通訊字節(jié)的位由低到高1個起始位，1個停止位，1個奇偶校驗位無校驗則無，8個數(shù)據(jù)位最小的有效位先發(fā)送，1位邏輯1的停止位，總共11位。圖11查詢一響應(yīng)模式FIG11QUERY一RESPONSEMODEL表5通訊字節(jié)格式TAB5COMMUNICATIONSBYTEFORMAT0D0DLD2D3DD5D6D7PL起始位8個數(shù)據(jù)位偶校驗位停止位使用遠程終端R1W模式，消息發(fā)送至少要以35個字符時間T1T2T3T4的停頓間隔開始，傳輸?shù)牡谝粋€域是設(shè)備地址。設(shè)備不斷偵測總線，包括停頓時間間隔，當(dāng)?shù)谝粋€域地址域接收到，每個設(shè)備都進行譯碼，以判斷是否發(fā)送給自己，在最后一個傳輸字符之后，一個至少35個字符時間的停頓標(biāo)志了消息結(jié)束，另一個新消息在此停頓之后開始。整個消息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸，如果在幀完成之前有超過15個字符時間的停頓，接收設(shè)備將刷新不完整的消息，并假定下一字節(jié)是一個新的消息地址域。如果一個新消息在小于35個字符時間內(nèi)開始，接收設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。這將導(dǎo)致一個錯誤，可以在后邊的CRC域里檢測出來。設(shè)備地址域AOA5當(dāng)?shù)刂肺粸?時，為廣播地址，同時當(dāng)從控制器接收到一陣數(shù)據(jù)時，地址域相同時應(yīng)響應(yīng)命令，取得總線控制權(quán)，當(dāng)響應(yīng)命令之后，把總線控制權(quán)還給主控器。命令碼執(zhí)行操作的依據(jù)。校驗碼幀開始各個字節(jié)二進制算術(shù)和，不計溢出值。前導(dǎo)字節(jié)在發(fā)送信息之前發(fā)送1個或多個字節(jié)FEH，以喚醒接收方。數(shù)據(jù)域發(fā)送時數(shù)據(jù)加33H，接收時數(shù)據(jù)減33H。表6RTU消息幀格式FIG6IUUMESSAGEFRAMEFORMAT起始位設(shè)備地址域命令碼數(shù)據(jù)校驗結(jié)束符T1他T3T48BIT8BITN個8BIT16BITT1T2T3T428按鍵及顯示模塊的設(shè)計按鍵和顯示模塊是用來使電子式電能表內(nèi)部運行系統(tǒng)與用戶進行交流的通道，在電子式電能表的設(shè)計中是比較重要的部件。通過它電力用戶能夠直觀方便的讀取本用戶消耗總電能的各項參數(shù)，具備自動抄表功能的電子式電能表或者是有預(yù)付費功能的電子式電能表中，用戶也可以直觀的觀測到電管部門對用戶電費收取情況和抄表情況。通過按鍵設(shè)置，用戶也可以更改電子式電能表面向用戶的使用功能?？梢哉f，按鍵和顯示模塊設(shè)計的好壞決定了電子式電能表給電表用戶的使用印象的好壞，也決定了設(shè)計成果成為產(chǎn)品后能否得到迅速普及和推廣。281液晶顯示部分現(xiàn)在最常用的器件是發(fā)光二極管有源顯示LED和液晶顯示LCD兩種。發(fā)光二極管有源顯示LED是需要對顯示發(fā)光二極管施加電壓的主動發(fā)光顯示器件，液晶顯示LCD是控制所施加電壓光反射的顯示器件，使用壽命一般為500050000H。LED或LCD顯示包括有控制芯片以及背光燈、存儲器、通訊串口等結(jié)構(gòu)組件。常見的LCD液晶顯示器有兩種結(jié)構(gòu)一種是筆畫式或稱字段式液晶顯示器；另一種是點陣式液晶顯示器，點陣式液晶顯示器又可分為點陣字符式和點陣圖形式兩類。字段式液晶顯示器由分段型的顯示器件與專用集成控制電路構(gòu)成，缺點是只能顯示數(shù)字和符號。點陣式液晶顯示器有點陣字符顯示器件和專用驅(qū)動器控制器構(gòu)成，可以顯示數(shù)字和中西文字符或某些圖形。圖12按鍵顯示模塊電路連接FIG12KEYPADANDDISPLAYMODULECIRCUITCONNECTION282按鍵部分常見的鍵盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤，在應(yīng)用MCU的各種系統(tǒng)中，使用最多的是靠軟件編程來識別的非編碼鍵盤。非編碼鍵盤又分為獨立鍵盤和矩陣式鍵盤。為了兼顧節(jié)約單片機引腳資源與為用戶提供足夠按鍵個數(shù)的要求，本設(shè)計采用的是4水4矩陣式鍵盤。由單片機PC引腳高四位控制鍵盤的行掃描，低四位控制鍵盤的列掃描。行線接上拉電阻至高電平，某一鍵按下，行線電平狀態(tài)將由該鍵的列電平?jīng)Q定。列電平為低，行線輸出為低；列電平為高，則行線輸出為高，單片機通過掃描PC引腳的第四位和高四位電平信號判斷按鍵位置。3三相自抄表電子式電能表的軟件設(shè)計總方案上電開始后首先進行參數(shù)設(shè)置等初始化程序，中斷源設(shè)置包括有掉電中斷、電源恢復(fù)中斷、抄表中斷、按鍵中斷等。在ATMEGA64芯片中可設(shè)置低功耗模式，主循環(huán)結(jié)束后為了節(jié)電芯片進入低功耗模式，在發(fā)生掉電、抄表、按鍵按下等外部中斷或100MS讀計量芯片ATT7022A電量參數(shù)信息等內(nèi)部中斷情況時芯片被喚醒。主程循環(huán)中進行掉電檢測、抄表檢測以及各功能模塊的相關(guān)子程序。圖13主程序流程圖FIG13MAINPROGRAMFLOWCHART31初始化模塊程序中對ATT7022A的控制分兩部分，一是定時從計量芯片參數(shù)寄存器讀取各電參量數(shù)據(jù)，包括有功功率、無功功率、視在功率、電流有效值、電壓有效值等，這部分可根據(jù)電管部門的實際要求進行有選擇的讀?。黄涠菍﹄娔芰窟M行讀取。對用戶耗電量統(tǒng)計是電能表最重要的功能，ATT7022A芯片中負(fù)責(zé)電能統(tǒng)計累加的有累加型能量寄存器，累加型能量寄存器負(fù)責(zé)對電量脈沖進行累加計算，可以從000000到FFFFFF進行累加。在使用累加能量寄存器前，在溢出位之前設(shè)置一個能量最大值EMAX，此最大值代表的是單位累加電量值0OLKWH，即累加電量大于001KWH時電量存儲單元電量值遞增1個單位。ATMEGA64在與ATT7022A進行通信時，必須對SIG握手信號進行監(jiān)控，在芯片上電或外界干擾使計量芯片復(fù)位時必須由單片機對計量芯片數(shù)據(jù)進行更新，以確保計量的準(zhǔn)確性。由于在實際應(yīng)用中為了配合電力部門對電力用戶電力管理多費率的要求，可配合時鐘信息進行分時段電量累加，在能量寄存器中對電量寄存位置按時段分配，以一個小時為一個時段，一天以24進行分配。在電量存儲時，脈沖累加大于E時，當(dāng)前時段的寄存器單元相應(yīng)的加1。這樣抄表時便可以對用戶耗電量進行分時段讀取。圖14電能計量管理流程圖FIG14ENERGYMEASUREMENTFLOWCHART32自抄表模塊為了實現(xiàn)遠程自動抄表，通信協(xié)議采用的是異步串行通信協(xié)議UART。I7ART總線是種通用串行數(shù)據(jù)總線，用于異步通信。該總線雙向通信，可以實現(xiàn)全雙工傳輸和接收。在嵌入式設(shè)計中，UAI玎用來與PC進行通信，包括與監(jiān)控調(diào)試器和其它器件。通常的微處理器都集成有1路或多路硬件UART通道，可以非常方便地實現(xiàn)串行通訊。在工業(yè)控制、電力通訊、智能儀表等領(lǐng)域中，也常常使用簡便易用的串行通訊方式作為數(shù)據(jù)交換的手段。主程序相應(yīng)代碼ORG0100HMAINMOVSP,60H；堆棧設(shè)置LCALLDIRRST；執(zhí)行顯示復(fù)位程序LCALLKEYRST；執(zhí)行鍵盤復(fù)位程序LCALLAT24RST；執(zhí)行E2PROM復(fù)位程序LCALLAT24RSTI；執(zhí)行復(fù)位程序LCALLDDJCRST；設(shè)置中斷LCALLDLCSRST；設(shè)置定時器MAIN1LCALLKEY；執(zhí)行掃描程序MOVA,SEERCJNEA,SEE,MAIN3MOVA,1CJMEA,SEE,MAIN2SJMPMAIN4MAINMOVA,2CJMEA,SEE,MAIN5SJMPMAIN4MAIN3MOVSEER,SEELCALLLCDRESET；執(zhí)行液晶顯示器復(fù)位程序MOVA,00HLCALLLCDFILLMAIN4LCALLDIR；執(zhí)行顯示程序MAIN5LCALLICK；執(zhí)行檢測及讀寫程序AJMPMAINEND4本設(shè)計中的主要抗干擾措施41電源電路部分電源電路設(shè)計時，電源電路穩(wěn)壓部分的電源輸入和地單點相連，并且在穩(wěn)壓管輸出端接4700F的濾波電容，電源上的干擾不會與進入整個系統(tǒng)。電源濾波電容要靠近芯片引腳，使信號先接濾波電容再接芯片電源引腳，且走線不要過細(xì)。利用導(dǎo)磁性能好的材料將電源變壓器外殼進行包裹，起到嚴(yán)密的屏蔽的作用，避免漏磁。在PCB板的電源與地之間并聯(lián)510F和O0101F的去耦電容，消除電源和和地之間的脈沖電流干擾。各個模塊分立式供電，每個硬件模塊的電源都是進行單獨的變壓、穩(wěn)壓、濾波，這樣既提高了供電質(zhì)量，避免單一模塊掉電影響其他部分供電，又能避免各個模塊的電源和地之間的耦合干擾。42單片機部分復(fù)位引腳跨接O01F電容，對電路進行濾噪和去耦，減少電源電路波動影響復(fù)位電路動作。晶振電路與單品機時鐘引腳盡量靠近，晶振外殼接地，并且避免布線時導(dǎo)線從晶振兩個引腳之間穿過。單片機的電源輸入引腳接O01F和100F電容，電容盡量與引腳靠近放置。43計量芯片部分ATT7022的第5引腳為電能信號采集輸入模塊提供24V的直流偏執(zhí)電壓。該連接需要進行去耦來防止信號采集模塊和電能計量模塊間的信號耦合。采取并聯(lián)10F和O1UF電容進行去耦，并且電容靠近引腳，兩個電容接地點與電能信號采集模塊的接地盡可能短的連接在一起。ATT7022內(nèi)部集成了AD轉(zhuǎn)換器，在模擬信號做完數(shù)字變換后，會產(chǎn)生多個的頻譜峰，為濾掉不需要的O5倍與采樣頻率的高頻分量部分，ATT7022的電流信道和電壓信道正負(fù)模擬輸入引腳連接12K電阻和O01F電容，構(gòu)成了抗混疊濾波電路。連接筒ATT7022與ATMEGA64的SPI信號線是在電路板上相對較長的信號線，有可能受到干擾或出現(xiàn)抖動，在每根信號線上都串聯(lián)電阻值10電容值10PF的RC低通濾波器消除干擾和震蕩，防止誤讀誤寫。ATT7022具有多種電源和地線，如數(shù)模轉(zhuǎn)換部分的VCC與GND、與單片機通信部分的AVCC與AGND，所有數(shù)字地和模擬地就近連接在一起，不需要分開，保證大面積接地，這樣才能減小地線上的阻抗。ATT7022脈沖輸出線接外部設(shè)備時，通常線路走線會較長，為了吸收環(huán)路上的干擾信號，引腳CF1、CF2上放置去耦電容，且電容盡量靠近芯片引腳。44其他部分在自抄表模塊部分，由于通信線纜較長，為了避免通信線路上的干擾信號或噪聲對系統(tǒng)造成影響，在MAXL483與信號傳輸線纜之間進行光電隔離。這種方法隔絕了大部分外界干擾信號，還可以避免干擾產(chǎn)生的強電流或強電壓對內(nèi)部系統(tǒng)的損害。在地線布線時，線寬盡量加大，以減小地線上的阻抗，避免地線上產(chǎn)生壓降導(dǎo)致信號電平不平穩(wěn)。所有導(dǎo)線布線時，如果面積允許盡量使導(dǎo)線間距加大，尤其注意在信號回路中導(dǎo)線間距避免過小，以降低導(dǎo)線間的分布電容。交流電能采樣部分的電路布線區(qū)域與其他模塊布線區(qū)域間隔一定距離，以降低交變電流對其他元器件的干擾影響。由于PCB采用的是雙面板，在每面布線時盡量使走線垂直相交，以減少電磁耦布線時走線盡量用弧線或45度角代替直角折線，減少線路中的高頻信號和外界的耦合。電路板的布線面積要設(shè)計合理，既不太大也不太小。面積過大會使導(dǎo)線走線過長，增加導(dǎo)線阻抗，面積過小會導(dǎo)致元件之間的干擾效應(yīng)增強。5結(jié)論與展望本課題根據(jù)電力行業(yè)發(fā)展對電能表設(shè)計的要求，研制丌發(fā)了一款全新的應(yīng)用于三相電能計量的電子式電能表。在整個設(shè)計過程中，查閱了國內(nèi)外最新電子式電能表研發(fā)信息，參照了眾多電力行業(yè)電能計量標(biāo)準(zhǔn)，目的在于使研發(fā)成果更加標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化，并且在研發(fā)成功之后能夠易于推廣和普及。儀器儀表的制造標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，設(shè)備性能指標(biāo)要求高，應(yīng)用在電力參數(shù)計量方向的電子式電能表的性能指標(biāo)好壞勢必影響到企業(yè)效益和電網(wǎng)管理。盡管在新型電子式電能表的的設(shè)計當(dāng)中花費了相當(dāng)多的努力，盡量做到各方面完善且能夠直接投入實際應(yīng)用，但是由于本人閱歷和時間有限，設(shè)計尚存許多不足本文的不足1本設(shè)計的一大特色是為電子式電能表添加了自動抄表的功能，系統(tǒng)通過特定的傳輸協(xié)議可以與上位機進行通信，實現(xiàn)自動抄表動作。但是由于篇幅所限，本設(shè)計僅僅對電子式電能表部分做了相關(guān)的硬件和軟件設(shè)計，沒有對自動抄表機或抄表PC機部分做相應(yīng)的研究和設(shè)計，設(shè)計需要在這一部分進行完善，構(gòu)建完整統(tǒng)一的抄表系統(tǒng)。2電子式電能表在應(yīng)用當(dāng)中會遇到許