基于mps430电能表的原理设计毕业设计(编辑修改稿)

基于mps430电能表的原理设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

其电压与电流线圈将交变的电压与电流转变成交变的磁通 ， 驱动转动部分 (圆盘 ) 旋转 ， 记录转动部分所转过的圈数 ， 将其转换成相应的电能。 到十九世纪末 ， 经过诸多科学家的努力 ， 研究出较完整的感应式电能表制造理论。 随着电力事业的发展和人们对能源的有效利用使得感应式电能表在使用过程中暴露出它固有的缺点 ： 功能单一、准确度低、频率适应范围窄等。 二十世纪六十年代 ， 为了扩充电能表的使用功能 ， 出现了感应式脉冲电能表。 它依然采用感应式电能表的测量机构 ， 只是利用光电传感器将电能转换成电脉冲信号 ， 通过电子电路对脉冲信号进行处理和计算 ， 完成电能的计量工作。 但并没根本上改变感应式电能表的缺点。 二十世纪七十年代 ， 研制成功电子式电能表 ， 也称为静止式电能表。 电子式电能表利用电子线路把单相或三相交流功率转换成脉冲或其它数字量。 根据转换方式不同 ， 全电子式电能表主要有热电变换型、时分割乘法器型和模拟 /数字变换 （ ADC) 型。 热电变换型利用电能的热效应产生热量 ， 再利用热 电元件把热能转换成一个正比于电功率的电信号 ， 热电变换型电能检测方式成本较高 ， 适用于制造高精度仪表 ， 7 不适合大规模生产。 时分割乘法器型的核心是时分割乘法器 ， 它实质是一个脉宽、幅度调制器 ， 输入时分割器的两路输入信号分别被进行脉宽和幅度调制 ， 调制后得到的脉动信号的直流分量即为两路输入信号的乘积。 时分割乘法器型电能表因其成本低 ， 精度好而得到广泛运用 ， 但一般适用于生产普通电能表 ， 它的主要障碍在于功能扩展比较困难。 模拟 /数字变换型电能表将电压、电流瞬时值转换成数字量 ， 由微处理器对它们进行分析处理 ， ADC 检测 到的是反映电量的最基本的量 ， 微处理器对它进行各种数字处理 ， 计算出瞬时功率、无功功率、视在功率、电能累计值、功率因素 ， 电压电流的大小等。 模拟 /数字型电能表在精度、功能扩展、启动电流、频率的响应等方面都适于研制开发多功能电能表 ， 因此获得广泛运用。 电子式电能表与感应式电 能表相比 ， 有了质的飞跃 ， 它具有测量精度高、功能扩展容易、可测频带宽等优点。 2. 我国电能表技术发展的现状 我国 20 世纪 70 年代开始用电子式电能表 ， 先是依靠进口 ， 到 8090 年代国内已经能够生产 %级电子式电能表。 经过十多年的发展 ， 现在我国 的电能表技术 水平在大部分领域已经达到国外同类产品的先进水平。 在市场经济下 ， 人们对电能的计量的准确度越来越高 ， 对用电的管理要实现智能化和自动化 ， 这些都是感应式电能表无能为力的。 近年来 ， 高准确度、多功能、长寿命且能实现远程抄表的多功能全电子式电能表的出现 ， 为电子式电能表取代感应式电能表创造了条件。 3. 国外电能表技术发展的现状 国外电能表技术的发展主要集中在电子式电能表的计量芯片上 ， 而计量芯片的核心是乘法算法的实现方式。 目前 ， 乘法器与相关算法的实现主要有三种方式 ： 1. 采用硬件搭建构成内部运算乘法器 ： 2. 通过外部 MCU 软件编程实现乘法运算处理 ： 3. 采用 DSP 或专用计量芯片实现乘法处理 ， 如采用 ADC+DSP+MCU+计量软件或专用计量部件 +MCU 的解决方案 ， 前者如由 ATMEL 公司的 AT73C500 和 AT73C501制成的电能表 ， 后者如由 TI 公司 MSP430F42x 制成的电能表。 电能表未来的发展趋 势是计 量部分模块化 ， 并能直接给出所有高精度的测量参数 ， 以及控制部分功能扩展。 在电能表的制造技术上 ， 越来越多的新技术得到使用 ， 如 EDA(电子设计自动化 )、 8 CAM(计算机辅助制造 )、 CAT(计算机辅助测试 )、 SMT(表面贴装技术 )等。 本章小结 本选题所要研制的单相多功能电能表拟解决以往此类电表普遍存在的精度差、功能有限、结构复杂、成本偏高等问题 ， 本课题选择美国德州仪表公司 (TI)的 MSP430单片机作为电能表的微处理器 ， MSP430 是超低功耗的 16 位单片机 ， 采用精简指令集。 它具有丰富的片内外设 ， 功能强大 ， 并且具有很低的电能消耗 ， 特别适合在电池供电的设备中运用 ， 图 12是本选题开发的电能表的结构原理图。 本单相多功能电表由输入转换部分、单片机部分、通信部分和输出部分组成。 其中 ， 电压电流经输入转换变成单 片机可以处理的信号 ， 单片机采用 MSP430X3XX，通信采用红外通信方式 ， 输出部分则是有关数据送 LCD 显示和脉冲输出。 在研制过 程中 ， 精度、可靠性、功耗是侧重点 ， 并充分考虑产品化的需要 ， 采取了一些有利于推广的措施。 参照电能表的有关标准 ， 本电能表实现以下功 能 ： 电 压 回 路电 流 回 路脉 冲M S P 4 3 0存 储 器L C D时 钟通 信电 源 图 12 多功能电能表结构 ：对市电的电压， 电流采样处理 ， 得到电压有效值 ， 电流有效值 ， 有功功率和无功功率等电能参数 ； ： 每天有 3 种费率可供选择 ； 9 ： 具有日历、计量和闰年自动切换功能 ； ： 利用红外通信方式 ， 与电能表手持抄录器交换数据 ； ： 可显示上月、本月总电量及各费率时段的电量。 第 二 章 总体方案 10 电能表实际上就是一个自动化测控系统 ， 设计时需要一个总体设计方案 ， 以便后面具体设计工作的开展。 测量的概念及原理 人们借助于专门的设备 ， 通过实验方法对客观事物取得数量信息的过程称为测量。 它与计量的区别在于 ： 计量是以确定值为目的的一组操作。 一般认为 ， 以 国家法定计量单位为计值单位进行的测量属计量的范畴。 按被测量值的获取方法 ， 测量可以分为三类 ： 直接测量、间接测量和组合 测量法。 直接测量法是不需对被测量有函数关系的其它量进行测量而获得被测量值的一种方法。 间接测量法是通过对被测量有函数关系的二个或三个以上的相关量的测量而得到被测量值的测量方法。 组合测量法是当各未知量能以某些可测量的组合形式表示 (或改变测量条件未获得这种不同的组合 )时 ， 根据直接测量和间接测量所得的数据 ， 通过一组联立方程而求出各未知量的数据。 电能参数的测量 电压、电流测量 周期性电压、电流的瞬时值是随时变化的 ， 所以一般用有效值表征它们的作功能力并度量其“大小” ， 如电流有效值的定义是一个周期性电流的作功能力和直流电流的作功能力相比 ， 则有 ： 在相同时间 T内周期电流 I流过电阻 R 所做的功与直 流电流 I 流过电阻所做功相等 ， 就称此直流电流的量值为此周期电流的有效值。 直流电流 I 流过电阻 R在时间 T内所做的功为 ： RTIW 22  周期性电流 l 流过电阻 R， 在时间 T内 ， 电流 l 所作的功为 ： 11 RdtiW r 0 22 根据以上定义 21 WW ， 即 RTIRdtiT 20 2  于是 ， 周期电流 1 的有效值为 ：  T dtiTI0 21 (式 21) 同理 ， 电压有效值 V 为 ： dtuTV T0 21 (式 22) 上面两式 (21)和 (22 )式 ， 即是对电流、电压求均方根值的运算。 根据周期性连续函数有效值的定义 ， 将电压、电流函数离散化 ， 得  Nn nuNV 1 2 )(1 (式 23) )(1 1 2 niNI Nn (式 24) 式中 u(n)和 I(n)分别表示被测电压、电流信号离散采样值。 功率测量 电路由有源元件和无源元件组成 ， 有源元件包括电源和反电动势 ， 而无源元件可以分成两类 ： 一类 是耗能元件电阻 R， 另一类是储能元件电感 L 和电容 C， 工作中的电路中时时刻刻都在进行着电能和其它形式能量的相互转换。 在含有储能元件电感 L或电容 C 的正弦交流电路里 ， 电阻元件 (以及反电动势负载 )的端电压与端电流方向总是相同的 ， 其瞬时功率都为正 ， 它把电能转化成其它形式的能量。 而电感 和 电容上电压与电流的瞬时值在一个周期里有半个周期二者的方向相同 ， 电能转化为磁场能或电场能储存在电感或电容内 ： 另外半个周期中电压与电流的实际方向是相反的 ， 磁场能或电场能转化为电能回馈电路。 所以 ， 储能元件能量的转换是双向的、 12 可逆的 ， 在一个 周期内的平均功率等于 O。 有功功率定义为一周期内瞬时功率的平均值 ， 由于储能元件一周期内瞬时功率 的平均值为 0， 所以实际元件的有功功率也就是电路中电阻上耗能的规模。 无功功率反映了储能元件 L 或 C在一周期内能量交换的规模 ， 即电能与磁场能或电场能交换的规模 ， 其规模大小用能量交换的最大速率来表示。 一般周期信号电路的有功功率为 ：  r dttituTP 0 )()(1 （式 25） 其中 T 为周期信号的周期。 式 (25)经离散化可得  Nn ninuNP 1 )()(1 （式 26） 注意 ((26)式对正弦电路是完全适用的。 由于储能器件的存在 ， 单相正弦电路中的有功功率的定义为 ： 其中 v， 了分别为电压、电流有效值 ， cos 216。 为功率因数 ， 它反映了有功功率与视在功率 S=叮的比值 ， 而在物理上功体现为正弦的电压波形与电流波形之间的相位差。 单相正弦电路的无功功率的定义式为 ： sinVIQ （式 28） 在这里会面临以下两个有待解决的问题 ： 1)如何得到式 ((28)的离散化表达式 ： 2)因为非正弦电路的无功功率不能简单地体现为电压波形与电流波形之间的相位差 ， 因此不能以 Vl sin216。 表示 ， 在这种情况下如何求得非正弦电路的无功功率。 下面就是解决上述问题的两个方法 ： 1. 数字移相法 (28)式可以变换为 ： )90c os (  VIQ （式 29） 由式 (29)可以看出 ， 用电压采样值乘以滞后电压 90“的电流采样 值然后累加可以求得无功功率 ， 即无功功率的离散化计算公式为 ： 13   Nn NninuNQ 1 )4()(1 （式 210） 这种计算称为无功功率的简单数字移相法 ， 它要求被测号为严格的正弦波情况 ， 换句话说 ， 它不能对含有谐波的电路进行准确的无功功率测量。 2. 视在功率法 实际运用中 ， 电网还存在一些谐波成分 ， 用式 (210 )计算无功功率将产生较大误差 ， 因此应该用下述方法进行无功功率的计算。 用 (23)和 ((24)分别求出有效值 v， r， 然后求出视在功率 S = vl 则有 ： 22 PSQ  (式 211) 这种方法只要满足采样定理 ， 在原理上可以实现对含有谐波的电路的有功和无功功率的测量 ， 并进而可推演出其它的一些被测量。 多费率电能表的原理 多费率电能表又称为分时计费电能表或复费率电能表 ， 它可按预定的峰、谷、平时段的划分 ， 分别计量高峰、低谷、平段的用电量 ， 从而对不同时段的用电量采用不同的电价。 多费率电能表由电能测量单元和具有分时计量功能的电 路组成 ， 对电子式电能 表而言 ， 测量为了实现分时计量 ， 电表设计的关键是设有计时准确、时段误差和日误差小、接通 /切换准确的时钟和时控电路 ， 多费率电能表原理如图 21。 多 功能电能表的费率结构按照电能表的技术要求 ， 主要规定了不同的费率结构 ，采用不同的费用结算方式 ， 对电能表来说 ， 需要存储费率结构的各种数据表格 ， 包括日费率表、周费率表、季节费率表和节假日费率表等 ， 这些表格不是孤立存在 ，而是一个有机的整体 ， 通过软件判断 ， 选择合适的费率 ， 实现分时计费的功能。 14 图 21 多费率电能表结构图。