多功能单相电子式电能表毕业设计

多功能单相电子式电能表 毕 业 设 计 说 明 书作 者： 学 号： 系 部：电力系专 业：电网监控题 目：多功能单相电子式电能表 指导者： （教授） 评阅者： 2004 年 6 月 30电 子 式 电 能 表摘要：电能是国民经济、工业、商业、等人民生活的重要二次能源，电能在现代社会中是普遍使用的，所以电能计量装置在发、供、用电的地位是十分重要的。电能计量装置就更显得重要，电能表作为测量电能的专用仪表其性能直接影响着电能管理的效率，为使电能计量仪器仪表适应工业现代化和电能管理现代化飞速发展的需求电子式电能表应运而生本次设计的多功能单相电子式电能表能采集计算电压、电流、有功电能、无功电能，在电能表本体上有LCD显示器，显示采集和计算的各种所需数据；并具有RS485通讯接口关键词：电能表 电子式 单相式 RS485 多功能Measuring apparatus of electric energy. Abstract：Electric energy for national economy, industry, commerce ,etc. peoples lives the energy important, electric energy be used generally among modern society, so electric energy measuring apparatus take place, support, use status of cable very important. If after China has participated in world commerce, the measuring apparatus of electric energy seems more important even more, because foreign countries require collect electric rate accurately rationally, especially those individual proprietorship factory or joint venture pay more attention to electric energy measuring apparatus.前 言在现代化社会中，电能已经成为最重要的能源。电力工业的发展需要电能计量仪表制造业的进步与之相适应，发电、输电、配电与用电均需要准确的计量电能。在世界资源匮乏的今天，电能的节约与有效利用均具有十分重要的意义。电能表作为测量电能的专用仪表，自诞生已有100多年的历史。电能表在电能管理用仪器仪表中占有很大比例，其性能直接影响着电能管理的效率和科学文化水平。100多年来，随着电力系统、所有以电能为动力的产业的发展以及电能管理系统的不断完善，电能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程。本设计的单相电子电能表具有用电计量、监视、控制、管理四大功能，由于内部无机械摩擦而准确度高，灵敏度高，易实现自动化测量，用RS485可实现远方通信 。在设计过程中，承蒙母校提供良好的上机环境，始终受到电网监控教研室主任韩念杭教授的关心和指导，在此表示衷心的感谢，并致以崇高的敬意！由于本人水平有限，设计中还存在不妥和欠缺之处，敬请各位老师谅解，恳请批评指正。谢谢！作 者2005年6月目 录前 言3第一章 电能计量基本概念1.1 电能计量装置第二章 电子式电能表2.1 电子式电能表的发展史2.2 电子式电能表的一般结构与原理2.3 电子式电能表的功能与分类2.4 各种电能表的比较第三章 多功能单相电子式电能表的硬件结构3.1 电子式电能表的硬件框图3.2 电源电路部分3.3 计量部分 3.4 通讯部分3.5 MCU及其它电路部分第四章 多功能单相电子式电能表的软件结构 4.1 电能表的系统软件结构框图、4.2 电能表的程序流程图第五章 电子式电能表的整体结构5.1 完整的电路原理图和印制电路板5.2 电能表的结构图附录一 参考文献附录二 参考程序第一章 电能计量基本概念电能是国民经济、工业、商业等人民生活的重要二次能源，电能可以方便地转化为其他形式的能量。电力的生产和其他产品的生产不同，其特点是发电厂发电、供电部门供电、用户用电这三个部门是连成一个系统，不能间断地同时完成，而且是互相紧密联系缺一不可，它们互相如何销售，如何经济计算，那就需要一个计量器具在三个部门之间进行测量计算出电能的数量，这个装置就是电能计量装置。在电力市场的整体运作中，电能计量装置的读数作为电力产品贸易结算的依据，已经越来越受到贸易双方的重视，是贸易双方经济核算的重要指标。随着我国加入WTO、融入国际大市场的步伐，工农业生产的自动化程度及劳动生产率已大大提高，降低产品的电能成本已成为广大电力用户追求的目标。必须加强电能计量的学习，加强电能计量新技术的学习，使电能计量工作管理规范化，符合国家标准，计量准确可靠。1.1 电能计量装置电能计量是由电能计量装置来确定电能量值的一组操作，是为实现电能量单位及其量值准确、可靠的一系列活动。电能计量原理框图如图所示。高压配电系统电压信号传输线电能量采样测量计算显示存储器件电压信号源器件电流信号传输线电流信号源器件用户配电变压器用户供电线路分支是与高压配电系统相连接的，要对这个高压供电系统分支的电能进行计量，首先要通过电压信号源器件将高电压信号成正比地变为低电压信号，通过电流信号源器件将大电流成正比地变为小电流信号；然后通过传输线将这个低电压、小电流信号传输给电能量采样、测量、计算、显示、存储器件。电压信号源器件一般选用电磁式电压互感器，也有用电容分压器或电阻分压器的，高新技术选用光电压互感器；电流信号源器件一般选用电磁式电流互感器，高新技术选用电子式电流互感器、光电流互感器；传输线一般选用电缆，高新技术选用光缆；电能量采样、测量、计算、显示、存储一般由电能表来完成，高新技术直接用计算机来取代电能表。目前广泛使用的电能计量装置包括：计量用电流电压互感器、电能表、互感器与电能表之间的二次回路、电能计量箱、电能计量集抄设备等。第二章 电子式电能表2.1 电子式电能表的发展史世界上最早的电能表是爱迪生于1880年利用电解原理发明的直流电能表，交流电的出现和被利用，对电能计量仪表提出了新的要求。测量直流电能的电能表多采用电动系测量机构，而用于测量交流电能的电能表则采用感应系测量机构。电能开发及利用的加快，对电能管理和电能表性能提出了更高的要求，感应系电能表准确度等级不够高，为使电能计量仪器仪表适应工业现代化和电能管理现代化迅速发展的需要，电子式电能表应运而生。电子式电能表是新一代电能表，在近几年得到了用户的普遍认可和接受，使用逐渐广泛起来。随着电子技术的发展和用户用电管理水平要求的不断提高，电子式电能表得到了迅猛的发展，成为电能计量不可缺少的重要组成部分。电子式电能表其测量部分完全由电子元件构成，而且内部时钟部分、电源部分、显示部分等均由电子元器件构成。电子式电能表由于其构成不同于机械电能表而得名。由于内部没有可以转动部分也成为静止式电能表。电子式电能表诞生在20世纪40年代，由欧洲的公司制造。它的诞生也是得益于电子技术的发展。在20世纪80年代之前，电子式电能表并没有显示出它巨大的生命力和活力，它的应用局限于高精度电能表、标准表和检验装置，其成本较高，性能和可靠性比机械表并不优越很多。在20世纪90年代，电子技术发展迅速，电子式电能表也取得了飞跃的发展，无论是高档、高精度三相表，还是低档、低精度单相表都有大量的、性能优越的电子式电能表产品。电子式电能表在技术上从模拟乘法器到数字乘法器，性能越来越好，而价格越来越低，大规模批量生产工艺也非常成熟，已形成了一个非常有活力、欣欣向荣的产业。2.2 电子式电能表的一般结构与原理电子式电能表通常由以下几个部分组成：电源部分、显示部分、测量部分、管理部分、外部设备。下面简单的介绍以下各部分的功能：（1）测量部分：它接收交流电压、电流信号，将其运算后得到相乘的电功率信号，电子式电能表的精度和稳定性等主要性能就由此部件决定。它是电子式电能表的心脏，一般由模拟乘法器、数字乘法器或A/D模拟数转换加高速微处理器构成。（2）电源部分：将输入的交流电压整流、降压、滤波后得到直流5V、12V等电压等级的电压，供给其他电路。电源部分非常重要，它是电子式电能表工作的动力源，一般由线性或开关稳压电路构成。（3）显示部分：将电能量及其他信息显示出来。一般有数码管LED、液晶显示器LCD以及机械计度器三种方式。（4）管理部分：接收测量部件输出的电功率信号，计算出各种所需的电量，并且管理显示、时钟、通信接口、数据存储器等部件。一般由单片机或嵌入式计算机构成其核心。它是电子式电能表的大脑，指挥其他部分完成工作。（5）外部设备：包括接口部分、外壳等。一般有数字通信接口，用于与其他设备进行数据交换、抄表、设置表计参数等，常用的有：远红外数字通信接口、RS485通信接口、IC卡读写接口等。下面是电子式电能表的原理框图电压互感器显示部分测量部分 管 理 部 分接口部分I电流互感器U电源部分2.3 电子式电能表的功能与分类2.3.1电子式电能表的功能1 计量功能 电子式电能表的计量功能 具体地又分为累计和实时计量两部分。累计计量功能主要包括累计双向供电的有功电能、无功电能 、视在电能的消耗量、断电时间、断电次数等。实时计量包含测量并显示工频电能的所有参数。 2 监视功能监视功能为最大需量和防窃电监视；其次还有缺相指示、停电和复电时间记录、预付费表的所购电能将用尽时的报警及电压异常报警。3 控制功能主要的控制功能为时段与负荷控制。前者用于多费率分时计费；后者则是指通过接口接收远方控制指令或通过表记内部的编程控制负荷。4 管理功能电子式电能表的管理功能包括按时段费率进行计费、预付费提示、为抄表提供必要信息数据、可参与组网进入电能管理系统等。5最大需量计量需量的定义：定长时间的平均功率； 最大需量：需量的最大值。定长时间也称为需量周期，一般为5、10、15、30、60 min。而计算需量的间隔称为滑差步进时间，一般为1、3、5、15 min。其计量方法为：每个滑差步进时间到时，计算截止到当前时刻的一个需量周期的平均功率，并且与最大值进行比较。如需量周期为15 min，滑差步进时间为5 min，即每5 min计算一次当前15 min的平均功率，并且与最大值进行比较，如果大于最大值，将其记录为最大需量，如图为最大需量计算说明。功率 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95时间(min)如图所示，电能表从0 min开始计算需量，每5 min计算一次最大需量，当第50 min计算时达到最大值。 国内只需要计量有功最大需量，并依此进行收费。国外有计量视在最大需量的需求。最大需量也需要分时计量。最大需量为一个月的最大值，过月时，要求将当月最大值保留到上月，而当前最大值清零重新开始计量。一般要求记录多个月最大需量。2.3.2 电子式电能表的分类一电能表按所测电能种类分，可分为有功电能表、无功电能表、直流电能表三种。后者一般用于特殊行业，不用于电力贸易计量。有功电能表计量用户实际消耗的电能W有，这些电能已经不可逆转的变成了机械能、热能、光能、化学能、生物能等。无功电能表用于计量用户的无功电能W无。 无功不是用户消耗的电能而是用户曾经存储起来的电能，这部分电能会与电网进行能量交换。计量无功的目的，是要核算一个抄表期内的平均功率因数，即平均力率，即=cos= W有 = 1 W有2+W无2 1+(W有/W无)2用户消耗的无功越多，平均功率因数就越低，配电网在为用户输送这些无功电能时，要增加的线损就越多，增加了供电成本。因此在电费结算时要对功率因数进行考核。 二电能表按相别和接线方式分，可分为单相、三相三线制和三相四线制三种。 三按电压等级分可分为高压表（额定线电压为100V）和低压表（额定相电压统一为220V）两种。 四按电流的测量范围来分，可分为直通表和经电流互感器接入两种。 五按准确度等级分，可分为0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、3.0级等等。准确度等级的数字越小准确度等级越高。 六按结构原理分，可分为感应式电能表、全电子式电能表、机电一体化电能表。 七按测量功能分，可分为分时计费电能表、最大需量电能表、预付费电能表、集抄电能表、多功能电等能表等。2.4各种电能表的比较感应式电能表已有100多年的历史，其工艺成熟，价格低廉，过载能力强，可靠性好，可视性好，但由于元件磨损、灰尘增多、电磁性能变差等因素的影响，准确度等级不高，不易实现自动化，可是目前国内乃至国外，尤其是在农村电网及三相低压中，感应式电能表还占有相当大的市场。全电子式电能表因其内部没有可动部件，无机械摩擦而准确度高，灵敏度高，使用寿命长，易实现自动化计量，可实现遥测遥控，实现数据自动分析统计，计量中可排除人为因素干扰，功能多，数据可存储，便于无纸化抄核收作业，便于远方集中抄表。目前单相表选用全电子式电能表已经很普遍。 机电一体化电能表又称为脉冲电能表，它综合了感应式及全电子式电能表的优点。该表型的电能采样，仍然有感应式母表完成，这部分的结构与一般感应式电能表相同，用字轮显示电度数。第三章 多功能单相电子式电能表的硬件结构3.1电子式电能表的硬件框图本电能表的硬件电路由电源电路设计、计量电路设计、通讯电路设计、MCU（管理电路设计）及其它部分电路设计四大部分组成。其中核心部分是计量电路的设计，这也是电子式电能表计量功能的体现，它是电能表计量准确性的关键部分，但其他部分也是缺一不可的，他们相辅相成，特别是单片机控制器，它是电能表的灵魂，实现系统中各个部件协调控制。MCU部分（89LPC931）系统掉电检测RS-485通讯信道被测电压拾取电路被测电流拾取电路计量芯片电路（ADE7755）指示灯存储器EEPROM24WC08LCD显示器I2C总线实时时钟8025LCD驱动器（PCF8576）电源电路部分： RS-485通讯电源电路计量电源电路MCU及其相关部分电源电路由上图显示，电源电路为了提高系统的抗干扰性、可靠性，分为三个独立的电源，使计量电路，RS-485通讯和MCU的电源相互隔离，达到互不影响的目的，但是它们属于同一个变压器，所以选择变压器的时候要注意。在计量部分，ADE7755芯片是一个数模混合的电路，因此设计比较困难，要想达到良好的计量效果，要采取一定的抗干扰措施，如数字地和模拟地在PCB板上单点连接，特别是在对电流、电压采样的电路直接接在外部线路上，干扰比较严重。I2C总线在整个系统中占有重要的作用，它关系到LCD显示、电量数据存储、时间和日期的读取等等，它是MCU与外部设备的接口，是MCU获取信息的 窗口。在通讯电路中，在通讯发生时MCU要接受通讯帧，判断是否正确，并执行通讯命令。从上面简单的分析可以看出，MCU是系统的控制器，起着决定性的作用。 3.2 电源电路部分 单相电子式电能表的电源电路为三个部分：电量计量电源电路、RS-485通讯电源电路、MCU及其相关部分电源电路。电源是保证电能表正常运行的先决条件，因此在进行电源电路设计时要考虑多方面因素，如设计原理的正确性、电源容量的冗余量，要选择合适的元件参数。不能以马马虎虎的态度去解决。下面为各部分电路的电源电路设计图：电量计量电源电路和RS-485通讯电源电路都通过将压、整流、稳压和滤波四个环节，得到5V的直流电压。整个电源电路是以78L05这个稳压芯片进行设计的，是一种串联的稳压电路。上图：电量计量电源电路下图：RS-485通讯电源电路MCU及相关部分电源电路 通过电网输入220V的交流电源，通过变压器TR1降压，在5、6端产生12V的交流电压，通过AB1全波整流及C1、TR2、C2、E1滤波，其中C1、TR2、C2构成滤波网络，产生一个带有一定脉动分量的直流电。然后通过并联稳压集成电路LM317，同时调整R1、R2的比值，以得到所需的电压值3.9V。 在上电的时候，如果上电缓慢，单片机会出现复位错误，从而导致程序不能正确运行。为了解决这个问题，必须采用快速上电的方法，我采用MAX809电源监控芯片，当上电电源达到电压门槛时，T1三极管导通，开通电源通道，达到MCU快速上电的目的，VCC的电压为3.9V-0.7V=3.3V。33 计量电路部分本次设计的单相电子式电能表的计量部分主要是针对ADE7755计量芯片的电路设计，它是有美国ADI公司2003年研制生产的有功电能单相测量芯片。它是为单相两线制系统设计的，用来生产低成本、高精度单相电能表。ADE7755内部包括两路数模转换器（对来自电压、电流传感器的电压信号进行数字化转换，在电流通道中还设计了PGA电路，同时还在电流通道中设置了HPF电路滤掉直流分量），一个基准电压源（其标称值为2.5V，一般无需外接基准）和用来计算有功功率的信号处理电路。瞬时功率是通过电压、电流信号的直接相乘得到的，此瞬时功率信号经过低通滤波器得到有功功率，再经过数字频率转换器累计脉冲得到有功电能量。ADE7755的功率脉冲输出是通过对上述有功功率信息的累计产生。P(t)=u(t)*i(t) W(t)=p(t)= u(t)*i(t)这个部分主要包括电压拾取电路设计、电流拾取电路设计以及其他部分电路的设计。 电压拾取电路实际上是一个分压电路，将火线和零线（负荷电压）分压：R23/（R9+R10+R11+R12），输入到测量芯片输入端8脚。通过电阻分压确保ADE7755电压通道中信号电压在其工作范围内。上面带有开关的电阻是一个电阻调整网络，可在一定范围内调整信号电压的大小。使电能表精度提高。 上图： 电压拾取电路下图： 电流拾取电路在电流拾取电路中，R26、C15和R27、C16组成两个一阶低通滤波器，滤除电流通道中的高频分量。C17是通过K10的合开来选择是否作用于系统的，它是补偿电流信号本身不平衡造成ADE7755计量电能出现比较大的误差，因此通过人为造成不平衡，使得系统达到平衡的目的。 上图为ADE7755其他电路部分，包括脉冲计数和电能方向指示。电能脉冲输出为CF（脚22），经过光耦输出：PULSE电能脉冲，将引入单片机的输入端，进行电能脉冲累计。REVP输出（脚20）指示电能方向，电能通过光耦输出。光耦器件是用来隔离MCU电路的。3.579545MHZ是ADE7755推荐的主时钟频率。AVDD和DVDD两路电源为模拟和逻辑直流正5V。 电路中DVDD和AVDD通过C18、C19、R28组成的滤波电路连接在一起滤除干扰。选择内部基准电源，在基准电源输出端加上一个滤波电容C20，防止外界干扰。3.4 通讯部分本次设计的单相电子式电能表采用RS485通讯信道，RS485通讯信道是用来和其他电能表组成RS485通讯网络，实现远程网络抄表。RS485通讯接口距离远、抗干扰能力强、半双工通信以及可以实现总线方式传送数据，非常简单实用，在电能表通信中得到了广泛的使用。半双工通信是指可以双向通信，数据传送方向可以从A到B，也可以从B到A，但同一时刻只能是一个方向。发送器 接收器BA数据 RS485通讯电路是通过3个光耦器件对单片机电路和RS485总线电路进行隔离的，提高系统的抗干扰能力，电路中的TVS1管并联在RS485A总线和RS485B总线的两端，对电路瞬态起保护作用。R39和R40是偏置电阻，进行网络失效保护。JP2接口是要进行瞬变脉冲和静电干扰的。3.5 MCU及其它相关部分MCU是选用89LPC931这种单片机，这部分电路有LCD显示电路、实时时钟电路、存储器及掉电保护等组成。实时时钟选用的是日本EPSON公司于2003推出的8025时钟芯片，内置高精度频率可调整的32768HZ的水晶振子，无须外接晶体，使用简便、精度高。它是一个I2C总线接口的芯片，最高时钟频率为400HZ，通信速率较高，它的I2C地址是60H。具有定时功能和闹钟功能。MCU通过I2C总线读写8025芯片的寄存器，设置芯片的工作状态，校正当前时间和日期，8025时钟芯片是一种低功耗、宽电压范围工作的芯片，在工作电源为3V时，工作电流为0.48uA，在1.7V-5.5V正常工作，同时能够检测晶振的情况和微调晶振的频率。8025芯片应设置输出1S中的时钟脉冲信号，为了保证时间和工作的连续性，应保证电源不断电。8025引脚说明：NC-空引脚；SCL-I2C数据串行传输同步时钟输入；FOUT-32768HZ时钟频率输出；TEST-测试用，正常使用时接到VDD；VDD-工作电源输入；FOE-控制FOUT的输出：当为高时，输出32768HZ时钟信号；当为低时，不输出时钟信号；/INTA-定时输出A脚，输出闹钟中断（ALARM-W）或定时到信号地；SDA-I2C数据串行传输数据引脚（输入/输出） 存储器选用的是支持I2C总线的可檫写E2PROM，型号是24WC08，可以随时读写，而且在掉电后数据仍然保存不变。这种存储器的数据写入是通过提高电压来完成的，其存储器内部有电压泵起着泵高电压的作用。这种存储器非常适合电能表作数据存储，当电能表有电时可以随时改写数据，而当掉电后数据保持不变。 存储容量为8K位、1K字节、10位地址线，工作电压范围是1.8V6.0V。采用低功耗CMOS技术，同时具有写保护，执行写操作时，在主器件产生停止信号后开始内部数据的擦写，在内部擦写过程中，器件不应答主器件的请求，因此在执行存储器写操作之后，应延时一定的时间再对存储器进行操作，改写数据时间较长，一般在几到几十毫秒。 掉电检测电路是一个R43、R44组成的分压电路，C23用来滤波，提高抗干扰性。通过MCU内部比较器，比较器内部参考电压和PWRCHK脚的电压相比较，当电源电压下降到一定时，MCU比较器发生翻转，发生掉电事件。由于有C23的存在，管理芯片的电源不会马上消失，以提供电源方便管理部分进行数据保护。指示灯电路包括峰指示、谷指示、通讯指示，当MCU对应脚输出低电平时，电流经限流电阻，LED，流入MCU脚，指示灯亮。 以上是电能表硬件各部分独立的电路原理图。它详细地介绍了各部分的具体任务和功能，使大家对电能表的基本结构和组成有个大概地了解。第四章 多功能单相电子式电能表的软件结构3.1 电能表的软件系统结构框图软件系统是整个电能表系统的灵魂，正如韩念杭老师所说：当硬件离开软件，这个硬件还有什么意义呢？它是系统的神经中枢，它是整个系统的控制、指挥中心。电能表软件系统的算法设计在整个电能表系统设计中占有重要的地位。控制算法的好坏直接决定着整个系统运行的正确性、可靠性，所以在进行电能表软件设计时，我花费了不少时间但由于计算机基础的薄弱，可能不够完整完善，希望老师谅解、指正！电能表的软件系统有五大部分组成，包括程序初始化模块、程序数据结构模块、时钟及显示处理模块、通讯处理模块和电量处理模块。各个部分都有其特定的任务，完成他们相应的任务。下面逐一介绍以下各部分的功能：程序数据模块 EEPROM数据结构内存数据结构 程序数据结构模块是对程序中的数据进行分析，合理的分配数据内存，定义程序涉及的变量。它是根据整个程序的算法来制定的，同时一个好的数据结构对整个程序的编写起着非常重要的作用，所以制定好的数据结构是很有必要的，这个电能表的数据结构包括两个部分：MCU内存数据结构和EEPROM数据结构。程序初始化电能表部件初始化MCU初始化LCD初始化配置I/0口工作模式实时时钟初始化看门狗初始化电量恢复定时器初始化通讯通道键盘中断初始化历史电量处理串口初始化指示灯初始化比较器中断初始化由上图可见，程序初始化模块包括MCU初始化和电能表部件初始化两部分，是对整个程序进行初始化。其中MCU初始化是对MCU各部件进行初始化，为各个部件在程序工作时提供合适的初始状态，它包括配置I/O口工作模式、看门狗初始化、定时器初始化、键盘中断初始化、串口初始化、比较器中断初始化等等。电表各部件初始化是对电能表系统各部件进行配置工作状态，初始化它们的工作方式，为程序工作提供电能表部件初始状态，它包括指示灯初始化、LCD初始化、实时时钟初始化、电量恢复、通讯通道、历史电量处理等等部件的初始化。时钟、显示处理模块电能反向时间处理时钟及相关处理显示处理费率、电量结算时钟、显示处理模块是程序系统中进行时钟和显示处理的部分。是通过对当前时钟的比较，对有关时钟时间是否发生进行判断，程序对时钟事件进行处理，可以说时钟是这个程序模块的节奏，告诉程序什么时候发生什么事。它包括时钟及相关处理、显示处理、电能反向处理和费率、电量结算处理等部分组成。通讯接受处理通讯处理模块通讯命令执行处理通讯发送处理通讯处理模块是电能表系统进行外界通讯的模块，它包括通讯接受处理、通讯命令执行处理和通讯发送处理三部分。当通讯接受到一帧正确的数据时，通知程序通讯命令处理事件的发生，执行通讯命令操作，当命令要求发生数据通讯时，通讯发送事件发送，进行通讯数据发送。通讯通道为RS485。电量恢复处理电量处理模块电量脉冲累计处理电量小数及整数累计处理 电量处理模块是电能表实现电能计量的程序，是实现基本功能的程序，这部分是电能表系统中关键的一部分。其计量的正确性、可靠性和电量数据储存的正确性关系到整个电能表的成败，因此这部分计量的算法要设计正确，合理。它包括MCU上电对各电量值的恢复处理、对各电量脉冲的累计、对各电量小数及整数累计处理。当电量脉冲累计一定值时，电量小数加1事件发生；当电量小数累计到一定值时，电量整数加1事件发生，执行电量整数累计程序。由上可知，组成电能表软件系统的五大部分是缺一不可的，各个模块相互联系，形成整个电表的软件系统。3.2 电能表的程序流程图3.2.1电能表主程序算法分析 电能表软件系统的主程序在电能表整个程序当中相当于“领头羊”的作用，是非常重要的，它是电能表的执行部分。它涵盖了整个软件系统的各个部分：初始化部分、显示刷新处理部分、日期时间及与其相关操作处理部分、通讯帧命令处理部分、电量运算及储存部分、电量结算处理部分及其他事件处理部分。整个程序我是采用查询方式执行的，通过查询电表事件发生的条件，判断电能表事件是否发生，来执行相应的操作。这种执行方式能保证CPU的执行速度足够快，从而保证事件响应的时效性。在电量处理模块算法中，它包含电量小数事件和电量整数事件，当对应类型电量脉冲累计到0.01kWh，电量小数事件发生，电量小数加1及保存电量小数数据，当电量小数发生进位时，电量整数事件发生同时应进行电量整数部分及相关事件处理。在时钟和显示处理模块中，它包含秒事件、分事件、半小时事件及小时事件，秒事件是通过MCU中RTC定时器1S来激发的。在通讯处理模块算法中，它包含通讯接收帧事件和通讯发送帧事件，当程序查询到通讯接收帧完标志位置时，通讯接收帧事件发生，程序进行通讯格式的判断，如果通讯帧格式正确，再进行通讯地址的比较，如果通讯帧中的地址域时本机的地址或广播地址，表示是对本机通讯，则程序进行通讯命令的解释及执行，同时如果要返回数据帧，置通讯发送标志，准备好发送数据帧，则通讯发送数据帧事件发生，启动发送数据帧。开始半小时事件发生 N 程序初始化 Y 置时段费率检测标志电量数据检测并修正数据 时钟配置设置N N 电量小数事件发生 小时事件发生Y电量小数加1 置电量结算标志 N 及温度补偿处理 电量整数事件发生 人工复位事件处理电量整数事件处理 电量结算及时段 费率检测处理 电量小数及其他相关事件处理 N 通讯接收N 帧事件发生电量运算完毕 YY N电池、硬件状态检测，编程开关处理 接收帧格式正确 Y N费率及控制参数错误检测及恢复 本机地址和广播 Y 秒事件发生 通讯执行命令Y 备份编程时间及次数通讯指示处理 Y N 备份时间及数据显示刷新处理 N 发送数据帧事件发生反向事件处理 Y 通讯数据帧准备分钟事件发生Y 启动发送数据帧分钟校时及时钟备份事件处理秒加1主程序结束 校时允许检测 第五章 电子式电能表的整体结构这一章是除软件外的完整的电能表，它包括了电能表的完整电路原理图、印制电路板图及结构图。在前面的第二章里面我对组成电能表硬件的四大部分（电源电路、计量电路、通讯电路、管理电路）分别作了介绍，使大家对电能表有个大概的了解，在这一章里，我将把组成电能表硬件的这四大部分电路组合起来组成完整的电能表的电路原理图。使大家对电能表硬件部分有个整体的印象。并根据这个完整的原理图用特殊的软件将它翻译成印制电路板图。同时，将作出详细的电能表面板图。5.1 电能表的印制电路板图5.2 电能表的结构图毕业设计小结为期三个月的毕业设计已经结束。在此，对本次设计作一个小结，谈谈自己的感想。本次设计是在韩念杭老师的指导下完成的。由于我的愚笨和基于课题的复杂性、专业性，在设计过程中我向韩念杭老师提出更改课题请求，在征得韩老师的同意后我对原方案进行了修改和删除以便达到预期的整体效果。本次设计课题具有一定的专业性，涵盖了很多方面的知识：如单片机,电路设计,计算机的应用及专业课电网监控，电力负荷管理技术等等科目，是对我过去四年学习的综合考查.所以难度和跨度都很大,做起来有的地方难免不顺手甚至有些地方我没有能力完成.虽然我本次课题的主要工作是硬件方面,但同时对单片机的掌握与应用要求也是很高的.在设计过程中遇到了很多拦路虎,我努力从各方面查着手去图书馆南京书城上网去查找相关资料.除此之外,韩老师还给我进行了耐心地辅导和讲解,同时我还向比较在行的同学请教,我才按时完成任务.设计过程中我充分地体会到了时间紧张,压力大的生活节奏.下面逐章简单的介绍一下本次设计：第一章，我对电能计量作了简单的介绍，使读者对电能、电能计量及电能计量原理有个大概的了解。为下面引出电能表这个课题埋下伏笔。第二章，对电能表的发展史，功能及分类作了简单的介绍，让读者对电能表有个基本的了解，知道它是如何产生的及它的发展情况，它有什么用途，了解电能表这个大家族的各个成员，增长知识，在没有接触这个课题前我对电能表只有一个概念：计量电量的小盒子。但在此之后电能表的种类及功能让我瞠目结舌，要学的东西实在是太多啦！这一章里我还粗略的介绍了电能表的结构原理，为我下面的毕业设计奠定基础。 第三章，言归正传，是本次设计的开始。它对单相电子式电能表的硬件结构作了详细的描述，分别从电源电路、计量电路、通讯电路、管理电路及其它部分电路四大部分着手介绍了各部分的原理及电路图，并对它们分别作了讲解。计量部分采用美国CIRRUS LOGIC公司生产的有功电能计量芯片ADE7755，它是电能表的核心部分；管理部分采用89LPC931单片机，这部分是电能表的最复杂最关键所在，因为它连接的外设多，任务多，如实时时钟、存储器、温度检测、掉电等。这些外部设备使电能表功能更完善；最具特色的是电源电路，它分为三个独立的电源以提高系统的抗干扰性、可靠性；在显示部分采用的是LCD液晶显示器，它具有寿命长、功耗低的优点。这一章是电能表最关键的部分，我对电能表从一无所知到心中有数，让我学到了不少知识，心里觉得踏实开心。第四章是软件部分，软件和硬件的结合才能使电能表有意义，没有软件辅助的硬件可以用“行尸走肉”来形容，偏偏计算机软件是我最薄弱的一块，一开始我对这部分设计几乎无从下手，经过韩老师的指导，和向其他同学请教，我才对主程序设计有了大概了解。并从硬件所需实现功能入手，完成了软件结构的设计，主程序流程图，这样将问题解决了。虽然这部分的工作已经完成，但还是存在很多不足之处。第五章是对电能表的进一步完善，它包含了印制电路板，电能表的面板等等内容。内容虽少工作量还是蛮大的，特别是印制电路板的生成。以上五章的组合就是我本次的毕业设计，虽然只是勉强完成任务但我还是很开心，因为在这当中我学到了很多新知识，综合运用了学过的老知识。不仅如此，最意外的收获是我的计算机的一些软件操作能力提高了，如Microsoft Word、Auto CAD2004，患有计算机恐惧症的我居然喜欢上了使用计算机。在做该设计的三个月，从刚接到课题时的茫然无措甚至恐惧到基本完成任务时的释然，在这段时间里所取得的收获是大学里其它任何阶段都无法比拟的。例如查阅资料、分析问题、对知识进行融会贯通的能力以及自己的耐心、毅力等都得到了很好的锻炼。在毕业之际，将自己在这四年中所学的知识得到运用，做到了学以致用。为以后走上工作岗位奠定了扎实的基础！在此,再次对我的指导老师韩老师说声:谢谢!感谢他百忙之中抽出时间来辅导我.感谢那些给予我帮助的同学.这次毕业设计真的让我获益匪浅！