畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué)生公寓多用戶電能計(jì)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘 要目前用于學(xué)生宿舍、公寓的電能計(jì)量控制系統(tǒng)在全國(guó)大部分高校中已普遍使用，但大部分采用以房間為單位計(jì)費(fèi)，然后均分到個(gè)人的計(jì)費(fèi)方法，該方法不能實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生個(gè)人用電計(jì)費(fèi)，收費(fèi)困難，易造成學(xué)生間的矛盾，因此如何科學(xué)合理地對(duì)學(xué)生公寓進(jìn)行電能管理是一個(gè)亟待解決的重要課題。本課題分析了當(dāng)前國(guó)內(nèi)居民小區(qū)和學(xué)生宿舍電能計(jì)量管理的現(xiàn)狀，根據(jù)學(xué)生公寓用電管理的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種帶身份識(shí)別的學(xué)生公寓電能計(jì)量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和管理級(jí)兩級(jí)組成，本文詳細(xì)闡述了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)模塊的軟硬件設(shè)計(jì)方案。現(xiàn)場(chǎng)級(jí)以專用電能計(jì)量芯片ad7755和帶有a/d轉(zhuǎn)換功能的微處理器80c196kb以及身份識(shí)別電路（ic卡預(yù)付電費(fèi)電路）為核心

2、，實(shí)現(xiàn)個(gè)人用電計(jì)量、類(lèi)阻性發(fā)熱負(fù)載識(shí)別、公寓用電情況的監(jiān)視等，并通過(guò)rs-485與上層管理級(jí)通信，完成對(duì)公寓用電情況的統(tǒng)計(jì)和管理。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于先刷卡識(shí)別身份再用電的管理模式。設(shè)計(jì)中給宿舍內(nèi)的用戶每人分配一條用電支路，用電時(shí)用戶先刷卡，通過(guò)身份識(shí)別后，該用戶的用電支路接通（通過(guò)繼電器控制通斷），其電源插座可插接電器，然后系統(tǒng)將對(duì)其用電情況進(jìn)行計(jì)量與控制。當(dāng)用戶超過(guò)一定的時(shí)間未用電時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)斷該用電支路，以達(dá)到節(jié)電、安全用電，并防止其他用戶竊電的目的。本系統(tǒng)解決了電費(fèi)均分難、惡性負(fù)載識(shí)別難、用電情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生公寓用電的現(xiàn)代化和自動(dòng)化管理。關(guān)鍵詞：電量計(jì)量；身份識(shí)別；惡性負(fù)

3、載識(shí)別；ic卡abstractuniversity student hostels currently prevailing own apartment management, how scientific and reasonable for students villas energy management is to be resolved into one of the important topics.this paper analyzes the domestic civilian and area energy management system based on the sta

4、tus of student apartments and electricity management in the actual situation, a design with the identification of student apartments intelligent power management system. the system can spot and the management level two components. field level through a dedicated power measurement and ad7755 chip wit

5、h a/d conversion function of 80c196 embedded microprocessor kb and the identification circuit (ic circuit prepaid electricity) as the core personal consumption data measurement, real-time dynamic type identification resistive heating load for the right side of the apartment monitor, investigate unus

6、ual electricity, thereby effectively limiting the use of students, such as faster heat, furnace son, incandescent easy use of fire appliances, communication through the completion of the apartments electricity consumption statistics and published; the upper management level pc at the core. through t

7、elephone lines or lan communications at any time acquisition bottom pc data resources, through the completion of various statistical database, analysis, can be kept informed of the entire campus apartment finally, the harmonic grid data energy and complete clearing business. this paper elaborates on

8、 the module-level design of software and hardware, anti-interference, ic card prepaid electricity circuit, communication protocol and vicious load identification theory, users must have the money to be put aside a certain amount of electricity to electricity, avoid the tariff arrears, when calculati

9、ng the balance of the customer or have insufficient arrearage. scm is this balance of power failure or lack of alarm control; the system also has a card to restore function, when the user less than the balance remaining tariffs, first alarm, and when users balance of a serious shortage of electricit

10、y, power outages to the user. credit cards can be conducted at this time to restore electricity, and only credit once.adoption of this study successfully resolved the difficult tariff equalization, vicious load identification difficult. electricity consumption to real-time monitoring, and other prob

11、lems that the student dormitories modernization and automation energy management program. key words： electric power measurement；identity recognition；malignant load identification；ic card目 錄第1章 緒 論11.1 電能計(jì)量、管理概述11.1.1 電能計(jì)量裝置11.1.2 集中式電能計(jì)量、管理21.2 課題的背景及意義31.3 本課題的設(shè)計(jì)任務(wù)與要求4第2章 方案設(shè)計(jì)與論證52.1 電能計(jì)量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)52.2

12、 身份識(shí)別（預(yù)付費(fèi)）系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)7第3章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)93.1 總體設(shè)計(jì)思想93.2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及原理方框圖9第4章 系統(tǒng)硬件電路及工作原理114.1 單片機(jī)及外圍電路設(shè)計(jì)114.1.1 cpu的選擇114.1.2 系統(tǒng)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展124.2 電能計(jì)量電路的設(shè)計(jì)144.2.1 電能計(jì)量的基本原理144.2.2 電能計(jì)量芯片ade7755154.2.3 電能計(jì)量的硬件電路194.2.4 電能存儲(chǔ)器204.3 身份識(shí)別電路的設(shè)計(jì)204.3.1 mf rc500的特性214.3.2 mf rc500的內(nèi)部結(jié)構(gòu)214.3.3 mf rc500與單片機(jī)的接口224.3.4 mf rc500與天線接口

13、設(shè)計(jì)234.4 智能開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)244.5 負(fù)載識(shí)別模塊的設(shè)計(jì)254.5.1 設(shè)計(jì)原理254.5.2 具體實(shí)現(xiàn)274.6 其他電路的設(shè)計(jì)284.6.1 報(bào)警電路284.6.2 鍵盤(pán)電路294.6.3 顯示電路294.6.4 串行通訊314.6.5 up監(jiān)控電路324.6.6 工作電源34第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明355.1 總體軟件設(shè)計(jì)355.2 各主要模塊程序流程35第6章 經(jīng)濟(jì)效益分析44第7章 總結(jié)45參考文獻(xiàn)46致 謝48附 錄49附 錄62附 錄66第1章 緒 論1.1 電能計(jì)量、管理概述隨著電力市場(chǎng)的發(fā)展，電力改革的深入，電力系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始由計(jì)劃經(jīng)濟(jì)向市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變，這對(duì)電能的計(jì)量及管理提

14、出了新的要求。對(duì)用電管理部門(mén)來(lái)說(shuō)，最關(guān)心的不外乎三個(gè)問(wèn)題：電量的計(jì)量、電量信息的采集、電費(fèi)的收繳。而在其中起關(guān)鍵作用的是電能計(jì)量裝置，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到供需雙方的經(jīng)濟(jì)利益，而且先進(jìn)的電能計(jì)量裝置對(duì)于管理效率的提高、用電管理系統(tǒng)的擴(kuò)展都大有裨益。1.1.1 電能計(jì)量裝置電能表是一種計(jì)量某一段時(shí)間內(nèi)通過(guò)的電能的累積值的表計(jì)。電能表經(jīng)歷了從感應(yīng)式到電子式，從單一的計(jì)量功能到集計(jì)量、控制、通訊等多種功能于一身的發(fā)展階段。從總體來(lái)看，目前的計(jì)量表計(jì)是感應(yīng)式、電子式電能表并存，但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)電子式電能表取代傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表是大勢(shì)所趨。感應(yīng)式電能表由測(cè)量部分和輔助部分構(gòu)成，測(cè)量部分包括驅(qū)動(dòng)元件、轉(zhuǎn)動(dòng)元件、制動(dòng)元

15、件、軸承、計(jì)度器和調(diào)整裝置；輔助部分由基架、端鈕盒和表殼組成。當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，其電壓和電流線圈就將交變的電壓和電流轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔兊拇磐ǎ源藖?lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分（圓盤(pán)）旋轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)部分記錄圓盤(pán)所轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電能量顯示在計(jì)度器上。感應(yīng)式電能表具有可靠性高、制造簡(jiǎn)便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，其制造技術(shù)已經(jīng)非常成熟。但隨著人們對(duì)計(jì)量要求的提高，感應(yīng)式電能表在使用過(guò)程中暴露出越來(lái)越多的缺點(diǎn)，比如功能單一、準(zhǔn)確度低、頻率范圍窄等。到了20世紀(jì)60年代，為了擴(kuò)展電能表的使用功能，出現(xiàn)了感應(yīng)式脈沖電能表。這種表仍然采用了感應(yīng)式電能表的測(cè)量機(jī)構(gòu)，只是利用光電傳感器將電能轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，通過(guò)電子電路對(duì)脈沖信號(hào)的

16、計(jì)算與處理，完成電能的計(jì)量工作，它可以通過(guò)電子部分的各種變換來(lái)實(shí)現(xiàn)人們不同的實(shí)際需求。感應(yīng)式脈沖電能表的出現(xiàn)極大地解決傳統(tǒng)電能表功能單一的問(wèn)題，電能表可以通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表、負(fù)荷控制參數(shù)的分散采集和存貯等功能，使得分時(shí)電價(jià)、需量電價(jià)等功能得到有效地實(shí)施和推廣。但是，感應(yīng)式脈沖電能表僅僅解決了電能表的功能擴(kuò)展問(wèn)題，而對(duì)表計(jì)的準(zhǔn)確度低和頻率適應(yīng)范圍窄的問(wèn)題仍無(wú)能為力。隨著科技的發(fā)展及信息時(shí)代的到來(lái)，數(shù)字化產(chǎn)品層出不窮，遍及生產(chǎn)、生活的方方面面，電能計(jì)量表計(jì)也不例外。1976年日本首先研制出了電子式電能表，帶來(lái)電能計(jì)量裝置的革命性變革。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，電子式電能表可分為四個(gè)部分。第一部分：電

17、壓、電流輸入回路，是將被測(cè)功率的電壓和電流分別通過(guò)分壓器和互感器變換為合適于電子式電能表乘法器所需要的小電壓送至乘法器。第二部分：乘法器，是一個(gè)功率轉(zhuǎn)換單元，當(dāng)被測(cè)電路的電壓電流分別加到其相應(yīng)的輸入端時(shí)，可轉(zhuǎn)換成與被測(cè)電路相應(yīng)的直流電壓輸出，送至變換器進(jìn)行vf轉(zhuǎn)換。乘法器是電子式電能表的核心，電子式電能表的測(cè)量原理就是使用它來(lái)實(shí)現(xiàn)功率和電能的測(cè)量，表計(jì)的測(cè)量精度也主要取決于它。第三部分：變換器，也稱電壓頻率（vf）轉(zhuǎn)換電路。因乘法器輸出的是一個(gè)模擬量（直流電壓），用電壓表（數(shù)字式表）測(cè)量這個(gè)電壓，用功率單位（w或kw）表示的測(cè)量結(jié)果就是功率數(shù)。測(cè)量電能時(shí)需將這個(gè)電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖數(shù)，在一段時(shí)

18、間內(nèi)所累計(jì)的脈沖數(shù)才是要測(cè)量的電能量。第四部分：計(jì)數(shù)器，是將與功率成正比的脈沖數(shù)顯示出來(lái)的器件。絕大部分采取液晶或led顯示，也有通過(guò)步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)齒輪用機(jī)械數(shù)字顯示的。電能表電子化的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，使得電能表的功能從單一的電能量的計(jì)量向多功能化的方向發(fā)展。隨著人們用電水平的不斷提高和電能表制造技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)形成了眾多類(lèi)型的電能表。如：多費(fèi)率電能表（或稱分時(shí)電能表、復(fù)費(fèi)率表、峰谷表）、預(yù)付費(fèi)電能表（或稱ic卡表）、多用戶電能表、多功能電能表等。1.1.2 集中式電能計(jì)量、管理在我國(guó)，民用電表的收費(fèi)一直采用人工抄表、收費(fèi)的方式，十分煩瑣，而且容易出錯(cuò)。此外由于現(xiàn)在很多樓宇都裝有防盜門(mén)鎖，使得收費(fèi)工作

19、更加不方便。隨著電能計(jì)量裝置電子化的逐漸推廣應(yīng)用與普及，使得計(jì)量精度的提高、抄表/收費(fèi)方式的改變、多功能/多用戶的計(jì)量管理成為可能。現(xiàn)行的抄表、收費(fèi)方式主要有以下三種：1、 人工抄表收費(fèi)方式：為用戶安裝普通計(jì)量?jī)x表，按固定的時(shí)間由管理人員上門(mén)抄表和收費(fèi)。這種方式需要管理人員多，工作量大；優(yōu)點(diǎn)是計(jì)量?jī)x表成本低，收費(fèi)方式容易被用戶接受，基本上不存在用戶電源被切斷的問(wèn)題。2、 自動(dòng)抄表收費(fèi)方式：為用戶安裝具有通訊能力的計(jì)量?jī)x表，通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自動(dòng)完成用戶計(jì)量?jī)x表的數(shù)據(jù)抄收，再通過(guò)金融網(wǎng)點(diǎn)以自動(dòng)或人工方式完成繳費(fèi)。這種方式技術(shù)難度高，通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及維護(hù)成本大；優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度高，節(jié)省人力，也容易實(shí)現(xiàn)

20、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。3、 ic卡收費(fèi)方式：為用戶安裝具有ic卡接口的計(jì)量?jī)x表，以ic卡作為傳輸介質(zhì)在用戶和管理部門(mén)之間傳輸信息，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)計(jì)量?jī)x表的抄收以及繳費(fèi)工作。這種方式成本較高，信息傳輸不及時(shí)，同時(shí)讓用戶充當(dāng)了信息通道的角色。優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了抄表、收費(fèi)、控制的三位一體，徹底杜絕了欠費(fèi)現(xiàn)象的發(fā)生，精簡(jiǎn)了管理人員，降低了管理費(fèi)用。針對(duì)目前許多新型住宅電能表集中安裝的特點(diǎn)，綜合考慮不同抄表、收費(fèi)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮采用多個(gè)具有通訊接口的用戶電能測(cè)量模塊構(gòu)成通訊網(wǎng)絡(luò)，共用一套讀卡/顯示電路，以ic卡作為傳輸介質(zhì)，配合上位機(jī)的管理軟件，即可方便地構(gòu)成一套多用戶集中式電能計(jì)量/管理系統(tǒng)，很好地解決了計(jì)量、抄表、

21、繳費(fèi)等問(wèn)題。而由多個(gè)用戶共同承擔(dān)智能化的投入，從而提高了性價(jià)比，平均每戶造價(jià)僅略高于傳統(tǒng)感應(yīng)式電表。由此可見(jiàn)，使用電子式電能表，再配合相應(yīng)的通訊電路及管理軟件構(gòu)成的計(jì)量管理系統(tǒng)，可以有效地提高電力部門(mén)或物業(yè)公司對(duì)用戶進(jìn)行科學(xué)管理的能力，減少大量的繁重勞動(dòng)。1.2 課題的背景及意義自90年代以來(lái)隨著大學(xué)校園學(xué)生公寓的普及，學(xué)生日常用電已逐步實(shí)行商業(yè)化管理，因此如何科學(xué)合理地管理學(xué)生公寓的用電情況是一個(gè)重要的研究課題。根據(jù)實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)學(xué)生公寓的用電情況有以下特點(diǎn)：1、 各個(gè)大學(xué)的學(xué)生公寓用電管理方式基本相同，因此適合某個(gè)院校的電能管理系統(tǒng)稍經(jīng)改動(dòng)便可以推廣到其他院校，因此開(kāi)發(fā)研制一套適合學(xué)生公寓的

22、只能用電管理系統(tǒng)具有廣泛的社會(huì)意義和較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。2、 隨著學(xué)生公寓用電的商業(yè)化，越來(lái)越不便于學(xué)校對(duì)學(xué)生日常用電器的監(jiān)督和管理，因此導(dǎo)致很多學(xué)生隨意使用一些諸如電爐子、熱得快等發(fā)熱性負(fù)載（以下統(tǒng)稱為惡性負(fù)載），時(shí)常導(dǎo)致一些公寓火災(zāi)，雖然目前已有一些比較成熟的遠(yuǎn)程抄表用電管理系統(tǒng)用于學(xué)生公寓，但還遵從一般的民用或小區(qū)管理模式，大都不具備惡性負(fù)載自動(dòng)識(shí)別功能，即使具備也難以達(dá)到令人滿意的程度，時(shí)常導(dǎo)致一些識(shí)別錯(cuò)誤，給學(xué)校用電管理部門(mén)和學(xué)生造成很大的不便。3、 從近幾年的應(yīng)用情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的校園電能管理方式比較單一，只能簡(jiǎn)單地記錄用戶的每月電量，再據(jù)此進(jìn)行電費(fèi)結(jié)算。隨著全電子式電能表技術(shù)的逐漸

23、成熟和電能管理日趨科學(xué)化的要求，學(xué)校對(duì)公寓用電的管理已不滿足于僅僅對(duì)每月電能數(shù)據(jù)的抄錄和電費(fèi)的收繳，還要求每個(gè)學(xué)生的用電量由其所有的智能開(kāi)關(guān)支路的耗電量決定，與其他學(xué)生的用電無(wú)關(guān)，從而達(dá)到收費(fèi)公平、控制合理的目的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的民用和城市小區(qū)電能管理已有很多比較成熟的方案，而大學(xué)公寓的用電管理卻還剛剛起步，基本還是小區(qū)管理模式的簡(jiǎn)單移植，在很大程度上不適合學(xué)校電能管理的實(shí)際要求。針對(duì)以上情況，本文提出了帶身份識(shí)別的公寓電能計(jì)量控制系統(tǒng)。1.3 本課題的設(shè)計(jì)任務(wù)與要求本設(shè)計(jì)充分考慮到學(xué)生公寓用電的實(shí)際特點(diǎn)以及現(xiàn)代電能管理的發(fā)展趨勢(shì)，將電能記錄、違章用電查處、電能

24、檢測(cè)和一對(duì)一收費(fèi)，集中計(jì)量與管理等功能結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了合理用電與科學(xué)管電相結(jié)合的目的。設(shè)計(jì)的基本技術(shù)要求具有巡回顯示各用戶剩余電費(fèi)、用戶通過(guò)ic卡預(yù)存電費(fèi)及身份識(shí)別后方可用電、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的欠費(fèi)預(yù)報(bào)警和欠費(fèi)斷電、通過(guò)rs-485總線通信與上位機(jī)進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)校園用電系統(tǒng)的集中管理。精度要求為高于原模擬表的5%的指標(biāo)。第2章 方案設(shè)計(jì)與論證帶身份識(shí)別的公寓電能計(jì)量控制系統(tǒng)主要包括電能計(jì)量系統(tǒng)和身份識(shí)別（預(yù)付費(fèi)）系統(tǒng)。電能計(jì)量系統(tǒng)完成了電能測(cè)量、電能值顯示、超負(fù)荷斷電等功能；身份識(shí)別系統(tǒng)即預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)主要是利用ic卡對(duì)用戶的身份進(jìn)行識(shí)別從而實(shí)現(xiàn)先付費(fèi)，再用電。前者主要追求可靠性，后者要求高安全性。下

25、面分別對(duì)其方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和論證。2.1 電能計(jì)量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)現(xiàn)有電能計(jì)量方案有以下幾種：1、機(jī)械電子式前置通道采用原感應(yīng)式電度表電路，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的計(jì)數(shù)來(lái)測(cè)量電能。具體方案是在轉(zhuǎn)盤(pán)上涂上大約1寬的“黑條”在轉(zhuǎn)盤(pán)的上方或下方設(shè)置一紅外線發(fā)射接收對(duì)管。當(dāng)紅外線照射在“黑條”處，紅外線被吸收，無(wú)反射，即接收管接收不到紅外線；當(dāng)紅外線照在其他部分時(shí)，被反射，接收管能接收到紅外線。這樣轉(zhuǎn)盤(pán)每轉(zhuǎn)一圈，產(chǎn)生一個(gè)脈沖，再通過(guò)對(duì)脈沖的整形、計(jì)數(shù)、顯示完成電能的計(jì)量。這種方案顯示直觀，讀數(shù)容易。但它仍然具有機(jī)械式感應(yīng)電度表的缺點(diǎn)，即耗電多、笨重。2、模數(shù)轉(zhuǎn)換式對(duì)電流和電壓分別采樣，再通過(guò)a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字

26、信號(hào)，然后送入單片機(jī)進(jìn)行相乘運(yùn)算。并在cpu中設(shè)置一個(gè)定時(shí)器定時(shí)對(duì)功率進(jìn)行累加，其系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。uii/u變換a/d轉(zhuǎn)換cpu液晶顯示器控制鍵盤(pán)ic卡卡座a/d轉(zhuǎn)換ad0ad774ls37374ls37374ls37374ls245閉合開(kāi)關(guān)8圖2.1 模樹(shù)轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)圖3、電壓頻率轉(zhuǎn)換式采用電壓/頻率（v/f）轉(zhuǎn)換器加單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流和電壓的a/d轉(zhuǎn)換。這樣，模擬通道中本身的干擾信號(hào)被抑制。無(wú)須專門(mén)的a/d轉(zhuǎn)換器，大大減少了硬件成本。cpu只需對(duì)v/f轉(zhuǎn)換后的脈沖進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，便可測(cè)出電壓和電流的數(shù)字量。同時(shí)，電壓和電流分別經(jīng)過(guò)零檢測(cè)電路。將過(guò)零脈沖送cpu處理，得出電流和電壓的相位差

27、（），按公式計(jì)算，便得有功功率，再定時(shí)累加就是電能值。系統(tǒng)框圖如圖2.2所示。uii/u變換模擬開(kāi)關(guān)過(guò)零檢測(cè)過(guò)零檢測(cè)v/f轉(zhuǎn)換cpu液晶顯控制鍵盤(pán)ic卡卡座圖2.2 電壓/頻率轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)圖這種方案cpu要實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)卡控制、求功率因數(shù)（）、電能計(jì)量等功能、負(fù)擔(dān)較重，一般的mcs-51、mcs-96和pic系列單片機(jī)難以勝任。4、功率累加式將端口電流和電壓先送入模擬乘法器相乘，得到一個(gè)與功率成正比的模擬電壓（或電流），再經(jīng)過(guò)v/f變換（或i/f變換）變成頻率信號(hào)。單片機(jī)對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行累加，便可得到電能。系統(tǒng)框圖如圖2.3所示。uii/u變換模擬乘法器低通濾波器v/f轉(zhuǎn)換器cpu液晶顯示器控制鍵盤(pán)ic

28、卡卡座圖2.3 功率累加式結(jié)構(gòu)圖這種方案不但兼有方案三的優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)cpu的要求低，采用mcs-51系列單片機(jī)完全可以勝任。而且，現(xiàn)在已有集成電路（如：bl0932、ade7755）將模擬乘法器、低通濾波器和v/f變換器集成，其性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于分立元件。基于以上分析，方案四明顯優(yōu)于其他三種方案。其中，模擬乘法器、低通濾波器和v/f變換器采用集成電路ade7755。cpu采用80c196kb，它內(nèi)部有8kb的程序存儲(chǔ)器。采用液晶顯示器，可大大減少功耗，并且可顯示漢字，使界面清晰、明了。2.2 身份識(shí)別（預(yù)付費(fèi)）系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)身份識(shí)別方案有以下幾中：1、采用非加密存儲(chǔ)器卡作為銷(xiāo)售電能的傳輸媒介非加密

29、存儲(chǔ)器卡的卡內(nèi)嵌入芯片為通用存儲(chǔ)器芯片，其特點(diǎn)為卡內(nèi)嵌入的芯片多為通用eeprom，無(wú)安全控制邏輯，可對(duì)片內(nèi)信息不受限制地任意存取，卡片制造中也很少采取安全保護(hù)措施，多采用2線串行通信協(xié)議（總線協(xié)議）或3線串行通信協(xié)議（spi協(xié)議）。非加密存儲(chǔ)器卡信息存儲(chǔ)方便、使用簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，很多場(chǎng)合可替代磁卡。但由于本身不具備信息保密功能，因此只能用于保密性要求不高的場(chǎng)合，因此不適合本設(shè)計(jì)的要求。2、加密存儲(chǔ)器卡加密存儲(chǔ)器卡（securitu cards 接觸型）的芯片由非易失性存儲(chǔ)器和硬件加密邏輯構(gòu)成。其特點(diǎn)為具有安全控制邏輯，安全性能較好，同時(shí)采用rom、prom、eeprom等存儲(chǔ)技術(shù)，從芯片制造

30、到交貨，均采用較好的安全保護(hù)措施，為提高安全性，加密存儲(chǔ)器卡的存儲(chǔ)空間被分為密碼區(qū)、個(gè)人區(qū)等多個(gè)不同的功能區(qū)。安全性加密存儲(chǔ)器卡內(nèi)嵌芯片在存儲(chǔ)區(qū)外增加了控制邏輯。在訪問(wèn)存儲(chǔ)器前，需要核對(duì)密碼。只有密碼正確，才能存取數(shù)據(jù)。允許連續(xù)密碼核驗(yàn)的錯(cuò)誤次數(shù)很少（一般在十次以內(nèi)），可以有效防止非法試探。若在限定的次數(shù)密碼仍不對(duì)，則卡片死鎖作廢。這類(lèi)器件保密性較好，應(yīng)用較廣泛。3、cpu卡cpu卡的硬件結(jié)構(gòu)包括cpu、存儲(chǔ)器（含ram、rom、eeprom等）、卡與讀寫(xiě)終端通信的i/o接口及加密運(yùn)算協(xié)處理器cau，其中：cpu一般均為兼容于8位字長(zhǎng)單片機(jī)的微處理器。它將在cos（chip operation

31、 system，片內(nèi)操作系統(tǒng)）控制下，實(shí)現(xiàn)卡與外界的信息傳輸、加密、解密和判別處理等；rom用于存放cos，3kb16kb；ram用于存放中間處理結(jié)果及作為卡與讀寫(xiě)器間信息交換的中間緩沖器，128b1kb；eeprom則是真正可供用戶訪問(wèn)的存儲(chǔ)區(qū)，用于保存卡的各種信息、密碼、應(yīng)用文件等，1kb16kb。cpu卡（smart cards 接觸型）內(nèi)嵌芯片相當(dāng)于一個(gè)特殊類(lèi)型的單片機(jī)，內(nèi)部除了帶控制器、存儲(chǔ)器、時(shí)序控制邏輯外，還帶有算法單元和操作系統(tǒng)。cpu卡有存儲(chǔ)容量大、處理能力強(qiáng)、信息存儲(chǔ)安全等特性，因此廣泛應(yīng)用于信息安全性要求特別高的場(chǎng)合。4、射頻cpu卡射頻cpu卡是射頻識(shí)別系統(tǒng)的電子數(shù)據(jù)載

32、體，卡中嵌有耦合元件和微電子芯片。在讀寫(xiě)器的響應(yīng)范圍之外，射頻cpu卡處于無(wú)源狀態(tài)。通常，射頻cpu卡沒(méi)有自己的供電電源（電池），只是在讀寫(xiě)器響應(yīng)范圍之內(nèi)，卡才是有源的，卡所需要的能量以及時(shí)鐘脈沖、數(shù)據(jù)，都是通過(guò)耦合單元的電磁耦合作用傳輸給卡的。射頻cpu卡必須配備相應(yīng)的讀寫(xiě)器，典型的射頻cpu卡讀寫(xiě)器包含有高頻模塊（發(fā)送器和接收器）、控制單元以及與卡連接的耦合元件。工作時(shí)由高頻模塊和耦合元件發(fā)送電磁場(chǎng)，以提供射頻cpu卡所需要的工作能量以及發(fā)送數(shù)據(jù)給卡，同時(shí)接收來(lái)自卡的數(shù)據(jù)。此外，大多數(shù)射頻cpu卡讀寫(xiě)器都配有上傳接口，以便將所獲取的數(shù)據(jù)上傳給另外的系統(tǒng)。采用射頻cpu卡作為銷(xiāo)售電能的傳輸媒

33、質(zhì)，不但安全性甚強(qiáng)，而且可靠性高，經(jīng)久耐用。但是讀卡器電路復(fù)雜，成本高甚至讀卡器成本高于電度表本身的成本。以上的四種方案都是可行的，其管理系統(tǒng)也大同小異，只是根據(jù)保密性和可靠性要求選用不同的ic卡而已。在本設(shè)計(jì)中，以射頻cpu卡作為售電的傳輸媒質(zhì)，配以相應(yīng)的讀卡器實(shí)現(xiàn)對(duì)ic卡的初始化、用戶的身份識(shí)別、充值等操作。第3章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1 總體設(shè)計(jì)思想系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要思路是房間內(nèi)每人一個(gè)用電支路，經(jīng)射頻卡識(shí)別身份后用戶支路接通，用戶電網(wǎng)的大電壓和大電流信號(hào)分別經(jīng)過(guò)pt（電壓互感器）、ct（電流互感器）以及對(duì)應(yīng)的電壓變換電路、電流變換電路變成適合于電能計(jì)量芯片輸入的小電壓和小電流，經(jīng)電能專用計(jì)量芯

34、片變成電能脈沖信號(hào)。單片機(jī)通過(guò)采集接口實(shí)現(xiàn)對(duì)8個(gè)采集前端的電能采集，這里采集的是脈沖量，而不是直接的電度量，實(shí)際的電度=（脈沖值編程常數(shù)）表倍率。如果檢測(cè)到某個(gè)用戶使用超過(guò)規(guī)定規(guī)定功率的發(fā)熱性負(fù)載（即惡性負(fù)載），則通過(guò)繼電器模塊切斷該路電源，15秒后再試探重新供電，如發(fā)現(xiàn)用戶已解除限制性負(fù)載，則給予正常供電。當(dāng)用戶的余額不足時(shí)，將通過(guò)報(bào)警提醒用戶盡快充值，如超過(guò)限額將予以斷電。用戶自行停止用電時(shí)可通過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)實(shí)行該支路的斷電。并通過(guò)總線方式實(shí)現(xiàn)用戶計(jì)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表。3.2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及原理方框圖系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分為上位機(jī)和用戶板兩層。每個(gè)上位機(jī)對(duì)應(yīng)一棟公寓樓，每個(gè)用戶板對(duì)應(yīng)一個(gè)房間，

35、其中用戶板包括一個(gè)專門(mén)的通訊/控制模塊（采集終端）以及每個(gè)學(xué)生用戶對(duì)應(yīng)的專門(mén)的電能采集模塊（采集前端）。通訊/控制模塊電路由主機(jī)電路及外圍接口與控制電路組成，外圍控制電路由智能開(kāi)關(guān)電路、顯示、報(bào)警電路、身份識(shí)別（ic卡）電路及監(jiān)控電路四個(gè)部分組成，實(shí)現(xiàn)電能的累計(jì)、電量信息的存儲(chǔ)及負(fù)載是否超限的判斷，以及接受上位機(jī)的控制命令并執(zhí)行響應(yīng)的操作；電能采集模塊由信號(hào)條理電路及專用的電能采集芯片組成，實(shí)現(xiàn)電能的計(jì)量和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳送。系統(tǒng)可以采用主從式結(jié)構(gòu)，主從之間采用串行通信方式（rs485總線和spi總線）交換數(shù)據(jù)，可使電量信息多級(jí)保存，防止丟失外，并且一旦當(dāng)系統(tǒng)某部分發(fā)生故障時(shí)也不會(huì)影響到其他部分，

36、是整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠性大大增強(qiáng)。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于對(duì)用戶板的軟硬件構(gòu)成和工作原理。每個(gè)用戶對(duì)應(yīng)一個(gè)電能采集前端，其硬件的物理構(gòu)成主要有電能采集模塊ade7755、濾波電路構(gòu)成，該模塊的功能有二：其一負(fù)責(zé)將用戶的電能轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖；其二將電網(wǎng)上的電壓和電流信號(hào)變換成05v范圍內(nèi)的模擬信號(hào)。每個(gè)采集終端對(duì)應(yīng)若干個(gè)采集前端，在物理上主要由80c196單片機(jī)為核心的電子器件構(gòu)成，該功能模塊主要實(shí)現(xiàn)三種功能：其一通過(guò)記錄、處理采集前端送來(lái)的電能脈沖實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量及存儲(chǔ)；其二，通過(guò)對(duì)采集前端送來(lái)的05v的模擬電壓和電流信號(hào)進(jìn)行a/d變換和傅立葉分析，并進(jìn)行相應(yīng)的算法處理實(shí)現(xiàn)惡性負(fù)載的自動(dòng)識(shí)別及電網(wǎng)諧波分析；其三

37、通過(guò)通信功能模塊實(shí)現(xiàn)采集終端與上位機(jī)集中器的通信。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理方框圖如圖3.1所示。用戶n+1用戶1ctct多路開(kāi)關(guān)電能測(cè)量電路單片機(jī)系統(tǒng)鍵盤(pán)及顯示電路路斷電控制電路報(bào)警及監(jiān)控電路電源電路預(yù)付費(fèi)及身份識(shí)別電路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路 圖3.1 系統(tǒng)原理框圖第4章 系統(tǒng)硬件電路及工作原理4.1 單片機(jī)及外圍電路設(shè)計(jì)4.1.1 cpu的選擇單片機(jī)是將cpu、rom、ram、i/o、定時(shí)器、串行口、振蕩電路等集成于一個(gè)芯片中，使其具有計(jì)算機(jī)的基本功能。單片機(jī)的應(yīng)用打破了人們的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想因此應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，如：智能化儀器儀表、機(jī)電一體化、各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、串行自動(dòng)呼叫應(yīng)答系統(tǒng)

38、、列車(chē)無(wú)線通信系統(tǒng)、無(wú)線遙控系統(tǒng)、洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐、高級(jí)智能玩具、電子門(mén)鈴和家用防盜報(bào)警器等，在配上單片機(jī)后，提高了自動(dòng)化程度，增加了功能，使人類(lèi)的生活更加方便舒適、豐富多彩。目前，單片機(jī)已形成多系列、多品種的局面。從1976年intel公司推出mcs-48單片機(jī)以來(lái)，各公司推出了一系列4位、8位單片機(jī)。1980年，intel公司推出了51系列單片機(jī)，這些單片機(jī)均帶有i/o口、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（為16位）、片內(nèi)ram及rom（或eprom、otp），并有多優(yōu)先級(jí)中斷處理功能，1982年至1988年，intel公司在原有的8位單片機(jī)的基礎(chǔ)上又先后推出了性能更高的16位單片機(jī)8096、

39、8098和80c196系列，其功能大大超過(guò)了51系列單片機(jī)。80c196kb即是此系列的產(chǎn)品。16位單片機(jī)具有16位字長(zhǎng)并行處理能力，運(yùn)算速度快，適應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)合廣泛，指令系統(tǒng)豐富、高效，編程方便，有6種尋址方式，編程和數(shù)據(jù)處理靈活，內(nèi)部有8k的程序存儲(chǔ)器及232字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可提供大型片內(nèi)寄存器組，減少了運(yùn)算過(guò)程中訪問(wèn)存儲(chǔ)器的次數(shù)，提高了系統(tǒng)運(yùn)算處理速度。另外，196系列單片機(jī)特別設(shè)計(jì)為低功耗芯片。本設(shè)計(jì)采用的芯片即為此系列的16位單片機(jī)80c196kb。80c196kb是繼8096bh之后，intel公司又推出了一系列高性能的chmos系列16位單片機(jī)80c1的一種，其性能特點(diǎn)簡(jiǎn)要介紹

40、如下：（1）cpu算術(shù)邏輯單元不再采用常規(guī)的累加器結(jié)構(gòu)，而改用了寄存器到寄存器的結(jié)構(gòu)；cpu的操作直接面向256字節(jié)的寄存器，消除了一般cpu結(jié)構(gòu)中存在的累加器的“瓶頸”效應(yīng)，提高了其速度和數(shù)據(jù)吞吐能力。（2）256字節(jié)寄存器中，24字節(jié)是專用寄存器，其余232字節(jié)為通用寄存器。其通用寄存器的數(shù)量遠(yuǎn)比一般的cpu的寄存器的數(shù)量多，免除了中斷服務(wù)過(guò)程中保護(hù)寄存器現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)寄存器現(xiàn)場(chǎng)所支付的軟件開(kāi)銷(xiāo)，并方便了程序設(shè)計(jì)。（3）有一套效率更高、執(zhí)行速度更快的指令系統(tǒng)?？梢詫?duì)帶符號(hào)數(shù)和不帶符號(hào)數(shù)進(jìn)行操作；16位乘16位的指令執(zhí)行時(shí)間為1.46.5us，32位除以16指令的執(zhí)行時(shí)間為2.46.25us；還

41、有符號(hào)擴(kuò)展、數(shù)據(jù)規(guī)格化等指令。除了上述幾點(diǎn)外，80c196kb單片機(jī)還集成了更為豐富的外設(shè)裝置；可用于提高系統(tǒng)的抗干擾能力的監(jiān)視定時(shí)器（watchdog）；可用于記載引腳上輸入事件（信號(hào)電平的跳變）發(fā)生時(shí)刻的高速輸入/輸出器（his/o）；可用于直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)類(lèi)元件或?yàn)V波后獲得直流輸出的脈寬輸出（pwm）等。4.1.2 系統(tǒng)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展4.1.2.1程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展80c196kb內(nèi)部沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，因此設(shè)計(jì)中采用一片2864作為系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)器。2864是intel公司生產(chǎn)的8k8位電檫除，可編程只讀存儲(chǔ)器（eeprom），其主要優(yōu)點(diǎn)是能在本系統(tǒng)中進(jìn)行改寫(xiě)，并能在判斷斷電情況下保存數(shù)據(jù)而不需要

42、保護(hù)電源。其各引腳功能如下：i0.i0.7：數(shù)據(jù)線（雙向） ce：片選線oe：輸出使能 we：寫(xiě)入使能2864采用單一+5v電源供電，它的最大量工作電流為160ma，最的維持電流為60ma，典型讀出時(shí)間最大為250s。由于芯片內(nèi)部沒(méi)有“頁(yè)緩沖器”，因而允許對(duì)其快速寫(xiě)入。本設(shè)計(jì)中2864與80c196kb連接說(shuō)明如下：（1）地址線的連接。2864的容量是8k（字節(jié)），需要13條地址線。通過(guò)80c196kb的p3口經(jīng)74ls373提供8位地址，p4.0p4.4提供高5位地址。（2）數(shù)據(jù)線的連接簡(jiǎn)單，只要將2864的數(shù)據(jù)輸出線與80c196kbp3口連接即可。（3）控制線的連接。2864的oe與單片

43、機(jī)的rd相連，作為讀選通信號(hào)，we與wr相連，作為寫(xiě)選通信號(hào)，ce端與p4口經(jīng)74ls138擴(kuò)展的y0相連。實(shí)現(xiàn)片選。因此2864的地址范圍是：0000h1fffh。4.1.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間較大,因此需要擴(kuò)展一片6264作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器.本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是只針對(duì)上節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的。6264是intel公司生產(chǎn)的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量為2k字節(jié)。該芯片采用cmos制造工藝，因此具有功耗低的特點(diǎn)，在維持狀態(tài)下只需要幾個(gè)微安電流，很適于應(yīng)用在需要低功耗的場(chǎng)合。額定功耗160mw，典型存取時(shí)間200ns，6264是26引腳雙列直插式封裝。其中：a0a12：地址線； d0d

44、7： 數(shù)據(jù)線oe：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào) we：寫(xiě)選通信號(hào)ce：片選信號(hào) vcc：電源（+5v）gnd：地。6264共有4種操作模式，如表4.1表4.1 6264操作方式方式d0d7沒(méi)選中禁止讀出寫(xiě)入1000x101x101高阻高阻讀出數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264與80c196kb連接說(shuō)明如下：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展的數(shù)據(jù)連接與程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展的方法相同。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用80c196kb的wr、rd的控制線，wr信號(hào)接6264的we端，rd信號(hào)接6264的oe端，6264的ce端由p4口經(jīng)74ls138的選通，實(shí)現(xiàn)片選。4.1.2.3擴(kuò)展電路結(jié)構(gòu)圖80c196kb與擴(kuò)展的eeprom2864及ram6264的

45、具體連接如圖4.1所示。74ls2452864ce oe we74ls138 y0y174ls24574ls24574ls37374ls37374ls373ad0ad7ad9ad12d13ad15rdwr6264ce oe we80c196kb圖4.1系統(tǒng)的存儲(chǔ)器擴(kuò)展示意圖 圖中74ls373為三態(tài)8口鎖存器，用于分離p3和p4口的地址和數(shù)據(jù)，由于80c196kb的p3口是分時(shí)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線。因此在進(jìn)行i/o口擴(kuò)展和存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，需要利用地址鎖存器將地址信號(hào)從地址/數(shù)據(jù)總線分離出來(lái)，以實(shí)現(xiàn)總線的分時(shí)復(fù)用，74ls373是最常用的鎖存器之一。值得注意的是，74ls373的g端和80c196

46、kb的ale（地址鎖存信號(hào)）連接，在ale的下降沿將程序存儲(chǔ)器的低8位地址鎖存起來(lái)。74ls245是8位數(shù)據(jù)/地址雙向總線驅(qū)動(dòng)裝置，由于p3、p4口還需外接多路控制電路和多個(gè)接口電路，為了保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，故在p3口p4口后各加了一片總線驅(qū)動(dòng)芯片。圖中74ls138譯碼器的作用是將p4.5p4.7的三根地址數(shù)據(jù)復(fù)用線擴(kuò)展為y0y7八根控制線，用于對(duì)外電路進(jìn)行控制。4.2 電能計(jì)量電路的設(shè)計(jì)4.2.1 電能計(jì)量的基本原理電能計(jì)量是通過(guò)對(duì)有功功率的測(cè)量實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)有電器用電時(shí)，負(fù)載上的瞬時(shí)電功率等于負(fù)載兩端的瞬時(shí)電壓與流過(guò)負(fù)載的瞬時(shí)電流的乘積，其表達(dá)式為=。由于和都是隨時(shí)間變化的周期函數(shù)，所以

47、也是隨時(shí)間周期變化的。通常取=，=；這樣在t時(shí)刻，負(fù)載上消耗的瞬時(shí)功率就是=2= （4-1）由公式（4-1）可知，瞬時(shí)功率是由直流分量和分流分量?jī)刹糠纸M成的。一般將有功功率p定義為瞬時(shí)功率在一個(gè)周期t內(nèi)的平均值。利用公式（4-1），可得到負(fù)載上的有功功率為= （4-2）由（4-2）式可知，大意有功功率p的測(cè)量可以直接通過(guò)測(cè)量瞬時(shí)功率的直流分量得到有功電能則是有功功率和時(shí)間的乘積，在交流電路中，電壓u和電流i在某一段時(shí)間t內(nèi)的電能w表達(dá)式： （4-3）電子式電能表是采用乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)電功率測(cè)量的，具體的工作原理見(jiàn)圖4.2，被測(cè)的高電壓u、大電流i通過(guò)電壓變換器和電流變換器轉(zhuǎn)換后送至乘法器m，乘法器

48、m完成電壓和電流瞬時(shí)值相乘，輸出一個(gè)與一段時(shí)間內(nèi)的平均功率成正比的直流電壓，然后利用u/f轉(zhuǎn)換器，被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖頻率，即得到正比于平均功率，將該頻率分頻，并通過(guò)一段時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，顯示出相應(yīng)的電能。 iu電壓變換器電流變換器乘法器電壓/頻率轉(zhuǎn)換器（u/f）分頻器、計(jì)數(shù)器送至微處理器處理圖4.2 電子式電能表的工作原理 最早的電子式電子表只能通過(guò)使用分立的元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電能計(jì)量新技術(shù)和新產(chǎn)品不斷問(wèn)世，目前已開(kāi)發(fā)出用于各種電能計(jì)量的專用集成電路，如單相電子式電能表專用集成電路bl0931、雙向單相全電子式電能表專用集成電路bl0932、靜止式電子電度表專用大規(guī)模集成

49、電路gw6832pa等。這些電路在內(nèi)部集成了如圖4-2所示的各種電路。經(jīng)過(guò)精心挑選，最終選擇了美國(guó)analog device 公司推出的ade7755。4.2.2 電能計(jì)量芯片ade7755ade7755是一種用于功率測(cè)量和電能計(jì)算的高準(zhǔn)確度的專用集成電路芯片，它可與不同量程傳感器直接相連，從而達(dá)到簡(jiǎn)化接口設(shè)計(jì)并提高功率測(cè)量的精確度和穩(wěn)定度的目的。由于它的輸出為脈沖信號(hào)，所以cpu通過(guò)中斷引腳可以方便準(zhǔn)確的進(jìn)行電量的累計(jì)。它只在adc和基準(zhǔn)源中使用模擬電路，所有其它信號(hào)（如相乘和濾波）都是用數(shù)字電路，即使ade7755在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。這為設(shè)計(jì)一種低成本、高

50、精度、多功能的電能計(jì)量系統(tǒng)方案提供了保證。ade7755的主要特點(diǎn)如下：l 精度很高，在500：1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的誤差小于1%。l 滿足iec687/1036標(biāo)準(zhǔn)的要求。l 通過(guò)頻率輸出端提供的功率信號(hào)可以直接與計(jì)算機(jī)接口。l 芯片采用cmos工藝，單+5v供電，供耗極低。l 具有在片電源監(jiān)控功能。l 具有正負(fù)電能指示功能，防竊電。ade7755的引腳f1和f2以較低頻率形式輸出有功功率平均值，能直接驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)數(shù)器或與微控制器（mcu）接口。引腳cf以較高頻率輸出有功功率的瞬時(shí)值，用于校驗(yàn)或與mcu接口，內(nèi)部的相位匹配電路使電壓和電流通道的相位始終是匹配的。v1p、v1n是模擬輸入通道1，用于

51、電流信號(hào)的輸入通道，最大差分輸入信號(hào)為470mv，該通道同時(shí)具有過(guò)電流保護(hù)功能。v2p、v2n是模擬輸入通道2，用于電壓信號(hào)的輸入，最大差分輸入信號(hào)為660mv，該通道同時(shí)具有過(guò)電壓保護(hù)電路。g0，g1是電流通道中可編程增益放大器的增益選擇輸入端，表4.2所列是通過(guò)g0、g1來(lái)選擇增益的具體方法。表4.2 通道1的增益選擇g1g0增益最大差動(dòng)信號(hào)001470mv012235 mv10860 mv111630 mv1、 ade7755的實(shí)際應(yīng)用1） 當(dāng)輸入的電壓信號(hào)與電流信號(hào)不同相時(shí)在電壓與電流同相的情況下，瞬時(shí)功率信號(hào)中的有功功率分量（即直流分量）為（vi/2）；而在電壓與電流不同相（設(shè)電流滯

52、后電壓角）的情況下，瞬時(shí)功率信號(hào)中的有功功率分量（即直流分量）為（vi/2）。即這種通過(guò)低通濾波從瞬時(shí)功率信號(hào)獲取有功功率的方法對(duì)于電壓與電流不同相（即功率因數(shù)不為1）的情況也是成立的。2） 當(dāng)輸入的電壓信號(hào)與電流信號(hào)不為標(biāo)準(zhǔn)正弦波時(shí)實(shí)際應(yīng)用中，所有電壓和電流波形均含有一定的諧波成分。瞬時(shí)電壓和電流可用傅立葉變換表示成諧波分量之和： （44）式中：瞬時(shí)電壓； h次電壓諧波有效值；h次電壓諧波有效值；h次電壓諧波的相位角； （45）式中：瞬時(shí)電流； 電流的直流分量； h次電流諧波有效值； h次電流諧波的相位角；瞬時(shí)電壓和電流相乘后所得的有功功率p可用基波分量和諧波分量之和表示： （46）其中：

53、（） （）由上可見(jiàn)，電壓和電流相乘后經(jīng)過(guò)低通濾波器的數(shù)字輸出包含有功功率信息，但由于此低通濾波器不是理想濾波器，其輸出信號(hào)仍含有衰減的基波和諧波成分，即，其中h=1，2，3，。該濾波器的幅頻響應(yīng)特性為： （47）在線路頻率為50hz時(shí)，成分的衰減大約為22db。主諧波由瞬時(shí)有功功率產(chǎn)生，而這個(gè)信號(hào)通過(guò)數(shù)字-頻率轉(zhuǎn)換器隨時(shí)間被積分（累加），進(jìn)而產(chǎn)生輸出頻率，這種累加起到平均作用，將抑制瞬時(shí)有功功率信號(hào)中的非直流成分，正弦信號(hào)的平均值等于零。因此ade7755產(chǎn)生的頻率與平均有功功率成正比。對(duì)于ade7755的高頻輸出端cf（其輸出頻率能高達(dá)f1、f2的2048倍）來(lái)說(shuō)，即使在穩(wěn)定負(fù)載條件下輸出頻

54、率仍然隨時(shí)間變化，這也是由于瞬時(shí)有功功率進(jìn)行累加完成頻率轉(zhuǎn)換的過(guò)程中累加的時(shí)間較短，而較短的累加時(shí)間意味著減弱了對(duì)成分的平均作用，于是部分瞬時(shí)有功功率信號(hào)成分通過(guò)了數(shù)字-頻率轉(zhuǎn)換器，但這在實(shí)際應(yīng)用中并不成為問(wèn)題。當(dāng)cf用于校驗(yàn)時(shí)，輸出頻率還應(yīng)該用頻率計(jì)數(shù)器進(jìn)一步平均以消除紋波。當(dāng)cf用于帶微處理器的電能計(jì)量時(shí)，也應(yīng)該進(jìn)行平均后再計(jì)算功率。而對(duì)于ade7755的低頻輸出端f1、f2，其輸出頻率很低，對(duì)瞬時(shí)有功功率已有足夠的平均作用，因此大大衰減了正弦成分，獲得幾乎無(wú)紋波的輸出。由以上分析可見(jiàn)，電壓和電流波形提供的各次諧波都產(chǎn)生諧波有功功率分量。在純正弦情況下功率因數(shù)的計(jì)算是正確的，而諧波是由一系列純正弦波組成的，因此諧波功率因數(shù)和有功功率的計(jì)算也是正確的。2、 ade7755功率計(jì)算計(jì)量芯片ade7755先計(jì)算通道1和通道2兩個(gè)輸入電壓信號(hào)的乘積，然后對(duì)乘積進(jìn)行低通濾波。獲取有功功率信息。再將這個(gè)有功功率信息進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成頻率，以低電平有效的脈沖信號(hào)從引腳f1和f2輸出。輸出頻率與輸入電壓大小的關(guān)系如下式所示：f=（8.06g）/ （48）式中：f引腳f1、f2輸出的脈沖頻率（hz） ，通道1，2差動(dòng)輸入電壓有效值（v） g增益（1.2.8.16），由g0和g1的邏輯輸入確定 基準(zhǔn)電壓（2.5v8%）（v）cf的輸出頻率與瞬時(shí)有功功率成正比，它與引腳f1、f2輸