基于51单片机的电子式单相智能电表设计毕业论文

基于51单片机的电子式单相智能电表设计毕业论文内容摘要：

crocontroller Futian Qin (Mechanical amp。 Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong 271018) Abstract: With the rapid development of modern smart grid technology, the smart meter as an important part of smart grid has been developed rapidly. In the future, smart meters must been installed in a wide range. So the research of smart meter technology is of practical meter’s measurement accuracy is not high, only show the total amount of electricity, have single function, and the need for manual meter reading wastes resources. The main study of smart meters is in order to achieve highprecision measurement, data protection, automatic alarm, load control, remote meter reading and other functions. Remote meter reading system can achieve realtime munication, no need for manual meter reading. In this paper, I put forward the design of smart meters based on singlechip, which is designed primarily by the data sampling module, energy metering module, singlechip control module, display module, memory module, munication modules and other ponents. Singlechip is smart meters brain, all the peripheral hardware work under its coordination control. The peripheral hardware circuits is modular, data sampling module can convert not directly measured large voltage and large current of the grid to small voltages and small currents be used to measure. Electricity metering IC ADE7757 can achieve energy metering. The display module provides realtime power information for the user. Storage module and munication module can storage and exchange the information of electricity in a timely manner with the host puter. Keywords: Smart meters accurately measure ADE7757 microcontroller 51 remote meter reading 1 引言 伴随 我国经济的 飞 速发展，电力已经成为国家的 不可或缺的 能源。 然而 目 前的用电管理 方 式 太过 落后， 始终 采用先装表 用电 然 后抄表 付费的传统 作业 模 式 ， 并 且绝大部分 的电表都是分散的。 但是 这种管理 方 式 对 用户和管理人员 来说，十分 不方便 ，而且 有一定的弊端。 为了适应现代智能电网的 发展 要求，保证用户安全、方便、合理的用电， 必须改进传统的电表和用电 方 式，使之符合现代智能电网 的 发展。 很长一段时间来 ，我国 主要生产感应式机械 交流电表 ，虽然近几年开始生产使用简单的数字式电 能 表 ，但 抄表 绝大 部分仍采用人工的 方 式。 我们的 社会 正在 逐渐 步入 信息化，网络化 时代 ，电力系统 也逐渐变得更加 智能化 ，人工抄表 对电力 系统 智能 化 管理的 阻碍逐渐显现。 对 电力系统而言， 除了用电终端还没实现与网络对接外， 发电、输电、配电 、 区域变电 等 都 基本 实现了网络 智能化 管理，这 对 电力 系统潜能的发挥 会产生重大影响。 因此， 本次设计 选择了 基于 51 单片机的智能电表 设计。 此次设计的电能表应 用微机技术、通讯技术等，减少 了 电 表功耗， 计量更加准确，用电数据可以自动上传 ， 十分简便快捷， 工作效率 大大提高，最大程度上满足 现代 智能 电网 的要求。 1 传统电能 表 电能表的发展 电能表在 我国电工仪表行业中 是 需求量 最大的产品 ， 而且电能表发展历史较长。 伴随电力系统的发展，电能表经历了以下阶段 ： 感应电能表 —— 感应系统脉冲电能表 —— 纯电子式电能表 [1]。 感应系电能表 ： 电能表的金属圆盘 在 交变磁场 中 会感应出 电流 ， 与磁场 相互作用就会产生力，正是这个力驱动电表工作 [1]。 感应系统脉冲电能表 ：工作元件与 感应系电能表的测量机构 类似 ， 但是 电能脉冲转换 通过 光电传感器完成， 脉冲转换后 然后 利用电子电路处理 计算 ， 最终测得所消耗的电能 [1]。 纯电子式电能表 ： 电能计量都是利用 电子电路 完成 ，所以电子式电能表 的 共同特点 是都使用到 乘法器。 电能管理 智能 化 要求 访问电能表的 电参数逐渐增多 ， 还 需 要与电能表 实现 双向 实时 通讯，数字乘法器型电能表 的核心是 微处理器， 因此其 功能扩展 容易 ，和配电自动化系统集成 也就容易。 在本世纪初， 工商业用表的主流逐渐成为 电子式电能表 ， 不再是 感应式电表。 功能多样的 智能电表 增强 了用电 管理 智能化的能力 ， 因此 未来 大规模自动抄表 很有可能成为现实。 目前复费率表技术 发展 迅速 ， 预付费技术 也日渐 完善， 尤其 是 IC 卡和非接触式卡等技术 的使用 ， 大大提高了预付费表 的 安全性和可靠性 [2,3]。 电能表 的发展前景 随着 国家城乡电网改造 ， 促使 电工仪器仪表行业 有了一个快速的发展 ，但 是改造 完成 2 后，电工仪器仪表行业发展 逐渐 平稳，进入发展低潮，但 发展 没有停止。 在 高新技术尤其是电子信息技术快速发展 下 ， 要求电表不仅仅能完成电量的简单计量 ， 还能 实现管理、自动抄表等 若干 功能。 电能表发展的 主流将会是 纯 电子式 ，测量 精度 高 、 功能多样化 、 费率多样化 、 网络化、 抄表 自动 化 等， 而且 在未来，这种 发展 趋势 会越来越 明显。 2 智能电能表 智能电表的概念 智能电表，顾名思义就是把传统电表智能化，除了能够实现简单的计量外，还能实现电功率、电能等电参数的准确实时计量，与上位机实时通讯，用电管理等功能。 智能电表技术主要应用微机技术、通讯技术等技术，把智能芯片作为核心 [4]。 智能电能表的典型结构 从结构上说 ，智能电能表 相当于具有特定功能的 微型计算机系统， 通常包括 硬件和软件 两部分。 硬件部分主要包括 数据采集输入、输出电路 ， 电能计量芯片 ADE7757 及相关电路，STC89C52 单片机 及 相关 电路，通信接口电路，人机交换 电路。 数据采集 输入 、 输出 电路实现 模拟 信号和数字 信号 的输入和输出。 单片机及其外围电路实现程序和数据的 存储并 完成相关的程序、数据 运算和处理。 人与仪表 的 相互 “交流” ， 主要通过 液晶显示屏，上位机等。 通信接口电路 将仪表和计算机 联系 在一起 ， 实现 仪表和计算机信息 的实时 交换。 软件部分 主要分为两部分，一部分主要针对键盘、单片机 I/O 接口、存储器和显示器等，控制协调他们正常工作，另一部分主要针对通信接口，控制协调仪表和计算机通信。 比如 操作 键盘 可以 输入并存储 电表的相关 功能、操作方式 以及 工作参数；控制 单片机 I/O接口电路 完成 数据采集； 控制存储器可以把电表的各种状态，测量的电能数据分时实时地存储 ； 控制液晶显示器可以 把 电表的各种状态，测量的电能数据 通过 图形、字符、 数字等形式 显示 给用户。 控制 通信接口 接收和分析来自通信 总线的各种程序操作码，并 根据计算机的远程命令， 通过通信接口 将电表 的工作状态 和 测量 的电能 数据 等输出 到上位机 ， 或者完成计算机要求的相应的动作 [5]。 智能电表的主要特点 ， 以测量的参数 ，如无功功率、功率因数等。 简单的控制功能 ，如过负荷控制。 ， 通过按键 可以 查询 显示 电量参数 ，设定仪表的处置参数。 ， 可以对智能电表远程控制 ， 使其具有 自动抄表功能， 还可以与计算机或 其他仪表 组合 使用 ，构成 功能多样的 测量系统。 3 3 系统设计 的基本思路和具体设计 任务以及结构框图 系统设计的基本思路 通过 电压、电流采样电路 ,将 模拟信号输入计量芯片 ADE7757，电能计量芯片 ADE7757经过一系列的操作，输出相 应 的脉冲。 单片机 STC89C51 可以测量 瞬时有功功率， 完成对功率 、电能及其他电参量 的精确测量， 设定时间参数后 ， 还 可以 实现分时计量 和存储 等功能。 单片机 STC89C51 还可以 上位机实时通讯 ， 完成 电量信息 和控制指令的交互。 具体设计任务 测量相关的 电参量，即 采集 电压 信号 和电流信号 输入到计量芯片 ADE7757 中。 设计出系统结构框图 ，完成 系统硬件电路的设计，具体包括 电压、电流采样等 计量电路的设计，计量芯片和单片机的接口电路设计，单片机外围电路的设计以及 数据存储模块、时钟模块、显示模块、 电源模块 和 通信接口电路的设计。 完成系统软件流程图的设计，主要包括主程序 流程图 、中断程序流程图和按键查询流程图的设计。 系统结构框图 系统结构图是系统硬件 电路 设计 的基础，本设计的系统结构图如参考图 3— 1所示 图 3— 1系统结构框图设计 电压采样电路 电流采样电路 ADE7757计量芯片电路 电压采样信号 电流采样信号 MCU部分（STC89C51） 1602显示模块 24Co8 存储模块 DS1302 时钟模块 RS232通信模块 按键扫描、复位 电源模块 4 系统结构框图 主要是由以下几部分组成： 计量模块 (电压、电流采样电路 +计量芯片 )、控制模块、存储模块、 时钟模块、 显示模块、 电源模块、通信模块 等。 本次设计的单相电能表 核心芯片是 ADE7757 计量芯片和 STC89C51 单片机 ， 利用 单片机 定时 /计数器 T0 端 对 ADE7757 的 CF 脚输 出的脉冲计数， 再根据计量芯片 ADE7757 的计量原理，就可以测得 有功、无功等电参量。 单片机 利用 AT24C02 芯片对电参量的定时存储，利用 按键进行电参量的查询， 利用 1602 液晶 显示器 进行电参量的显示， 利用 RS232 总线把 电参量 进行 远程传送 ，传送到电脑上位机。 DS1302 时钟芯片 可以为电表计量存储 提供时间参数 ，同时可以作为数字时钟。 电源模块 采用 两种供电方式，一种是 利用 电源插座 直接供电， 另 一种是 采用 USB供电。 4 系统硬件电路设计 本部分 主要 对 系统 的 硬件电路 进行介绍 ，通过划分各个功能模块，选择相关的芯片。 设计 了 ADE7757 外围电路 ，包括电压、电流采样电路的设计，计量芯片 ADE7757 与单片机接口电路的设计 ， 同时阐述 了 电能计量 的一般原理和相关 电路参数计算； 设计了 STC89C52外围电路 ，包括单片机最小系统以及外围相关模块的电路设计 ；最后介绍 电表的供电 模块设计。 计量芯片 ADE7757 ADE7757 功能及特点概述 计量芯片 ADE7757 由 美国 AD公司 生产 推出 ，它是 一款高精度 的专用 电能计量集成芯片。 虽然芯片引脚减少了 ， 但并不影响他的功能，而且在它内部 还增加 了一个精确的振荡器电路 ，芯片的时钟就由此提供 ，不再需要在芯片。