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1、基于单片机的电子式电能表设计与研究摘要 随着经济的迅速发展，用电量日益增加，为电网的稳定运行带来了诸多不良因素。国家采取多费率用电政策，以消峰填谷，平衡用电。复费率电能表己经大规模取代了单一费率电能表。随着单片机技术的日益发展，以单片机为主控芯片的电子式电能表的生产已成规模。但是价格低廉、运行稳定、可靠性高、抗干扰能力强的电子式电能表还有待开发。论文在对电能计量和数字信号处理理论研究的基础上，以美国ADI公司生产的ADE7755为电能计量芯片，以89C52为主要控制芯片，利用单片机技术，设计开发了一款单相复费率智能电子式电能表。硬件外围电路采用模块化设计。其中电压电流采样模块实现了将电网中的不
2、可直接测量的大电压大电流转变成为可以用来处理测量的小电压小电流。电源模块为整个智能电表提供了稳定的电源。数据存储模块，红外通信模块和RS485通信模块的设计完成了电能信息的及时存储和交换。显示控制模块为用户提供了清晰，实时的电量信息。软件分为启动前的动态自检程序，计量电量的电能脉冲采集程序，数据信息处理和交换的数据存储程序，通讯中断子程序。在单片机的核心控制下，实现了电子式电能表电能分时段计量、数据通信等功能。关键词 电子式电能表；ADE7755；电能计量；信号处理The design and research of electronic watt-hour meter based on si
3、ngle chipAbstract With the development of economy and the increase of the electrical quantity, the running of the electric fence is threatened heavily. The government of china has adopted the policy of different prices of the electrical power, in order to keep balance of the electrical quantity cons
4、umption. Multi-rate watt-hour meter has taken the position of the single-rate watt-hour meter widely. With the development of single-chip technology, the research of electronic watt-hour meter is produced in a huge range. But, the low-price watt-hour meter which runs stably and has strong ability to
5、 resist interference still need to be designed.The paper is based on the research of electric energy measurement theory and digital signal processing theory, mainly utilizes chip ADE7755 produced by ADI company to measure power, single chip 89C52 to control the whole system. The paper finished the d
6、esign of the single-phase intelligent Multi-rate watt-hour meter. The peripheral hardware adopted module design. Voltage and electricity module converts the high voltage and electricity to low ones that can be measured. The source module provides the whole system stable power. Data storage module, i
7、nfrared communication module and RS485 module can storage and exchange the power information. LCD module provides users with clear and real-time energy information. Software includes dynamic checking module, power pulse collection module, data storing and exchanging module, interrupted communication
8、 module. Under the control of the single chip 89C52, the whole system can measure the electrical quantity in different periods of time and finishes the data exchanging. Keywords Electronic watt-hour meter; ADE7755; Electric energy measurement; Signal processing 目录摘要.Abstract第1章 绪论1 1.1 课题背景1 1.2 电子式
9、电能表概述1 1.2.1 电子式电能表发展历史1 1.2.2 电子式电能表的分类2 1.2.3 电子式电能表的特点2 1.3 国内外电子式电能表的发展概况3 1.3.1 国外电子式电能表的发展概况3 1.3.2 国内电子式电能表的发展概况4 1.4 论文研究内容5第2章 电子式电能表电能计量基础6 2.1 电子式电能表的电能计量原理与方法6 2.1.1数字乘法器6 2.1.2 有功电能的计量8 2.1.3 无功电能的计量8 2.1.4 最大需量的计算9 2.2 电能参数的测量原理10 2.2.1电压电流有效值的计算10 2.2.2功率因素的计算10 2.3本章小结10第3章 电子式电能表的硬件
10、设计12 3.1 电能表总体设计方案框图12 3.2 电压电流采样模块13 3.3 电能计量模块14 3.3.1 ADE7755芯片14 3.3.2 ADE7755芯片引脚功能16 3.3.3 电能计量电路设计18 3.4单片机最小应用系统19 3.5电源模块20 3.5.1系统电源的工作原理20 3.5.2系统电源的硬件电路21 3.6时钟模块23 3.7数据存储模块24 3.8 RS-485通信模块25 3.9 红外通信模块27 3.9.1 红外通信原理27 3.9.2 红外发射电路28 3.9.3 红外接收电路28 3.10 看门狗电路29 3.11 键盘及显示控制电路31 3.12 本
11、章小结32第4章 电子式电能表的软件设计33 4.1 主程序33 4.2 动态自检程序34 4.3电能脉冲采集程序35 4.4 数据存储程序36 4.5 通讯中断子程序39 4.6 本章小结41结论42致谢43参考文献44附录A45附录B50附录C54第1章 绪论1.1 课题背景 在我国目前使用的电能表中，由于产品价格等因素，机械式电能表仍占大部分。据山东省技术监督局2000年底对该省机械式电能表进行抽查的结果中看，使用了两年的机械式电能表几乎都达不到计量精度要求，相当比例的电能表计量误差较大。而且机械式电能表功耗较多、体积较大、功能简单，需要人工抄表。这是由机械表的结构原理所决定的。 随着我
12、国电力的发展和人们生活中家用电器的普及，用电量日益增大，并月用电的高峰和低谷存在较大的差距；电力系统网络结构日益复杂庞大，用传统的方法已无法实现当代供电和用电管理系统的需要。现代化的供、用电管理方法要求电能表具有分时计价和自动远程抄表等功能。微电子技术、计算机技术和通信技术的高速发展为电子式电能表的迅速进步和日益成熟的提供了强大的技术支撑。 近年来我国的城市居民住宅建设发展十分迅速，随之而来楼房所用电能表的数量也日益增多，人们常常简单地将市场上现有的商品化电能表集中挂成一面“表墙” 。当用户较多时，将给使用、维护和管理带来诸多不便。用什么样的电能表更有利于电能计量管理呢。研究表明，从我国目前一
13、个公寓楼房单元通常住有十几户甚至几十户的实际出发，开发和应用集多表位于一体的、多用户多功能组合式新型电子电能表具有重要意义。本课题从一个崭新的角度出发，将微电子技术、计算机技术和通信技术结合运用于实践，把目前分散计量的电能表数据通过单片机进行集中采集处理，研究设计了一种适合我国城镇居民用电计量的多用户单相电子电能表。它由电能专用芯片来测量各用户的电能，采用单片机作为数据处理中心，基本型的多用户电能表可同时实现对多个用户进行电能集中计量与管理，其功能有:电能计量、功率计量、多费率电价计算、数据显示与查询、数据存储、监视与控制和数据传输等。这种电能表由于运用单片机技术在确保电子电能表的测量精度和各
14、项功能齐全的前提下，缩小了整机体积，使每户分摊的成本大大降低。并且这种电能表能够通过低压电力线载波扩频通信接口组成远程自动抄表系统，便于供电部门对居民的用电情况进行实时抄收、数据汇总和监控，为电力部门进行现代化管理提供一种有效的手段。作为配电自动化系统的重要组成部分，在电子式电能表日益成为市场主流的今天，它将有很好的推广应用前景。1.2 电子式电能表概述1.2.1 电子式电能表发展历史 电子式电能表诞生于20世纪40年代，由欧洲的公司制造。它的诞生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现出它的巨大生命力和活力，它的应用局限于高精度电能表，标准表和检验装置，其成本也比
15、较高，性能和可靠性并不比机械表优越很多。在20世纪80年代末、90年代初，电子技术发展迅速，电子式电能表也取得了飞跃的发展，国外大公司推出了全电子式多功能电能表，如斯伦贝谢、LANDISG、GYR和美国GE公司，但是价格非常昂贵。国内电子式电能表产品是20世纪90年代出现的。首先是成都曙达公司推出的机电一体式电能表，珠海恒通仪表有限公司在1993年率先推出的电子式单相电能表，宁夏宁光仪表有限公司推出了电子式三相有功电能表，湖南威胜电子有限公司也于同年推出了集有功计量和无功计量于一表的电子式三相多功能电能表，填补了国内空白。三家公司作为中国电子式电能表巾场和产品的开拓者，他们的实践和努力为电子式
16、电能表的发展打下了基础。随着国家城乡电网改造工程的开展，国内电子式电能表厂家如雨后春笋不断涌现，无论是高档、高精度三相电能表，还是低档、低精度单相电能表都有大量的、性能优越的产品。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，设计水平和生产工艺水平不断提高，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。到2005年，国内生产厂家已达到600多家，极大地满足了市场的需求，这也进一步推动了电子式电能表的市场发展和产品性能的提高。1.2.2 电子式电能表的分类 电子式电能表的分类方法很多，根据分类的角度不同，通常有以下几种： 1、按规格分类有：单
17、相电子式电能表、三相电子式电能表。2、按接入方式分类有：经互感器接入式电子式电能表、直接接入式电子式电能表。3、按功能分类有：有功电子式电能表、无功电子式电能表、有功无功组合电子式电能表、有功复费率电子式电能表、最大需量电子式电能表、多功能电子式电能表。 4、按原理分类有：模拟乘法器型、数字乘法器型等。1.2.3 电子式电能表的特点 在短短的十几年时间内，电子式电能表得到如此大的发展，是因为与普通感应式电能表相比，在性能和功能方面有很大的优势。1、功能强大电子式电能表可实现正、反向有功、四象限无功、复费率、预付费、远程抄表等功能。特别是采用A/D转换原理的电能表，其功能的扩展十分方便；普通感应
18、式电能表受其结构和原理的限制，要进一步扩展其功能很困难。2、准确度等级高且稳定感应式电能表的准确度等级一般为0.53级，并且由于机械磨损，误差很容易发生变化；而电子式电能表可方便地利用各种补偿技术轻易地做到较高的准确度等级，一般为0.11级，并且误差稳定性很好。3、启动电流小，差动曲线平整。感应式电能表要在0.3下才能启动并计量；而电子式电能表非常灵敏。在0.1下就可启动计量。4、频率响应范围宽感应式电能表的频率响应范围一般为4555Hz；而电子式多功能电能表的频率响应范围为402000Hz。5、受外磁场影响小感应式电能表是依靠磁场的原理进行计量的，因此外界磁场对表计的影响较大；而电子式多功能
19、电能表主要是通过乘法器进行运算的，受外磁场影响较小。6、过载能力大感应式电能表一般只能过载4倍；而电子式多功能电能表可过载610倍。7、防窃电能力强窃电是我国城乡用电中一个无法回避的现实问题。感应式电能表由于自身的局限，防窃电能力较差；电子式电能表从基本原理上难以实现一定的防窃电功能。 8、强大的事件记录功能具有强大的事件记录功能是电子式电能表的又一大特色。电子式电能表采用CPU作为管理功能的核心，可以实现大量的事件记录、监控功能，如：失压、失流、过压、过流、编程、开盖、电压合格率等；这些是感应式电能表所缺少的。9、便于安装使用感应式电能表的安装有严格的要求；而电子式电能表采用静止式的计量方式
20、，因此不存在上述问题，加上体积小、重量轻，便于使用。表1-1列出了两种电能表的性能比较。表1-1 感应式电能表与电子式电能表的性能比较类别感应式电能表电子式电能表准确度（级别）0.52.00.012.0频率范围（Hz）4555402000 启动电流0.0030.001 外磁场影响大小1.3 国内外电子式电能表的发展概况1.3.1 国外电子式电能表的发展概况 1、电力工业发展初期曾用电解化学原理电能表计量收费，1890年，发明了感应式电磁原理电能表沿用至今已有100多年。随着电费制度的发展，提出分时计量、需量计量预付费等要求，特别是19世纪70年代以来各国酝酿发展电力市场又提出实时电价、负荷曲线
21、计量、双工通讯、远方采集数据、记录负荷曲线和电能质量、控制负荷以及费率编程等要求，原来的感应式电能表虽经多方面改进扩充，已很难满足电力市场日益发展的功能和要求。2、20世纪中叶，开始随着微电子和信息产业的发展，新技术有力的支持电能表的革新，先是有高精度电子式标准电能表的出现满足了校验技术要求，继而70年代已开始商业化应用电子式电能表于大工业用户电能计量。3、国外家用计费用电子式电能表出现于1983年，到1988年已实用化。如英国在Felixs-towe的一个电能表厂19851988年间已累计生产单相电子式电能表183万只，供英国的15个配电公司，占有市场份额40%，且年返修率仅0.1%。4、世
22、纪之交，电力市场改革浪潮遍及全球，各国电力公司都认识到市场竞争的核心是表计。特别是用户选择供应商和实时电价，要求表计有灵活、可靠的双向通讯功能和不同制造商生产表计在电力市场技术支持系统中的兼容性，因而提出了标准化和兼容性问题。在欧洲著名表厂创导下成立了DLMS(计量部件描述语言消息规范)用户协会，DLMS已构成IEC有关表计规约标准的基础。北美也以ANSI为基础实施标准化。因为现有系统中已运行着众多制造厂不同年代制造的表计，故美国Itron公司于1986年推出能兼容100多制造厂表计规约的MV-90表计数据采集编译系统，广泛应用于北美和世界各地电力市场，起了较大作用。5、国际上电子式电能表经过
23、50多年发展，开始都是基于模拟量乘法器原理的，在历史上曾有过多种原理线路，后来演变为时分割(Time di-vision)和霍尔效应(Hall effect)两种乘法器。美国Govzelnik对这两种乘法器的特点曾作比较。到目前标准电子式电能表和安装式计费电子式电能表中较多用时分割乘法器于0.2级表计，而霍尔乘法器只用于0.5级及以下安装式计费电能表。由于数字技术的迅速发展，目前已有趋势全部更新为A/D转换，计算机处理方法，这样也更有利于实施负荷控制、记录电能质量、负荷曲线、发展表计的通信功能和确保高准确度。1.3.2 国内电子式电能表的发展概况1、我国20世纪70年代开始用电子式标准电能表，
24、先是进口后来到8090年代国内已能商业化生产0.05%级电子式标准电能表，也已研制出更高准确度等级的标准电能表。2、计费用电子式电能表在我国应用和制造发展都很快，从20世纪90年代开始到现在已大量使用只花了十多年就为广大电力公用企业接受。3、随着电力市场化改革的不断深入，我国网、省电网各级关口表在各级电能计量数据采集系统建设，大部分已更新为电子式电能表。且均为进口表计，总数近万只，运行情况较好。MV-90多开发商表计数据采集、编译系统也已在运行中表现其良好兼容性。4、各地在普及实施分时电价的过程中，大用户(大于100kW)电能表大部分更新机械电子式电能表，也有不少省局直接采用进口的0.5级电子
25、式电能表，总计已达数万只。国产0.5级电子式电能表也开始在部分地区实用。5、1993年由国内厂商试制成功单相电子式电能表后，1994年起在华东试用2000只，第一年故障率小于1%。这批表至今已连续运行6年以上，基层用电管理部门欢迎，因而装用量增长很快。单相电子式电能表的专用芯片据报道1998年全国产量500万片，而2000年新一代芯片ADE7755在中国销量超过1000万片。由此可以推论19982000年每年单相电子表产量均有数百万台。仅江苏、浙江两省不完全统计，单相电子式电能表装用量均大于100万台。以此可以推论全国装用量应不少于数百万台。单相电子式预付费用卡电能表也有相当大装用量。1.4
26、论文研究内容 本课题主要完成三个方面的内容： 1、设计一种全数字低功耗多功能复费率的电度表，计量和控制精度高，功耗低，稳定性好，工作可靠，能够实现电量分时计量计费，具有通讯接口实现远程抄表等功能，当掉电时能够将重要信息保存起来。 2、通过硬件的设计使电能表完成比较准确的电能计量，使电表在环境恶劣的情况下具有一定抗干扰能力。 3、通过软件设计能够使电能表运行稳定，可靠，同时具有一定的智能纠错功能。第2章 电子式电能表电能计量基础电能的测量方式有电解式、感应式、电子式，目前在实际应用中最常用的为感应式和电子式两种。以下对电子式电能表工作原理进行介绍，并介绍基于-A /D转换器的数字乘法器的工作原理
27、以及基本电能量的计量原理和电能参数的计算方法。2.1 电子式电能表的电能计量原理与方法电子式电能表中起主要作用的是电能测量单元，其作用是将输入电压与电流变换成与功率成一定比例关系的脉冲信号，送至分频和计数8。它是电子式电能表的关键，其测量精度直接决定电能表的精度和准确度。电子式电能表的电能测量单元种类繁多，其中乘法器是该单元的核心组成部分。乘法器的类型决定了电子式电能表电能测量单元的结构。由此大体可分为以模拟乘法器为核心和以数字乘法器为核心两类。模拟乘法器的又分为热电转换型、霍尔效应型、时分割型等；数字乘法器则以微处理器为核心的高精度A/D型为代表。初期的电子式电能表以时分割型为主的较多，目前
28、的电子式电能表则以数字乘法器为主。本文主要介绍数字乘法器原理，在此基础上本节还将对基本电能量的计量原理进行阐述。2.1.1数字乘法器数字乘法器型电子式电能表是以微处理器为核心，将经过采样网络变换的被测电压和电流信号由A/D转换器完成数字化处理，然后微处理器对数字化的被测对象进行各种判断、处理和运算，从而可实现多种功能。利用作图法可求得一个周期内各采样点的功率，图2-1为分时采样与采样点功率。从图2-1可以看到各采样点功率为 (21)一个周期T内平均功率为= = (22)即各采样点功率为 (23)则一周期内平均功率为 = (24)令，则一个周期内的电能为 (25) 若，则有 (26)式(25)说
29、明将各采样点的电流、电压相乘积的累加和再乘以采样周期就是平均电能。式(22)是一个数值计算公式，由微处理器可以轻松完成。这种方法通过模数转换器(也称A/D转换器)把交流电压、电流模拟量转换为数字量。如果100采样一次，而工频50Hz的交流电压、电流的周期就是20ms，则一个周期内可采样200次。研究指出，利用高精度A/D转换器，增加采样次数就可以将电能计算得很准确。这种测量方法的误差来源主要有采样频率、A/D转换器的转换精度，取样电路及其后的放大线路元器件的分散性造成的幅值和相位误差。误差补偿可通过硬件电路和软件程序来实现。图2-1 分时采样与采样点功率数字型乘法器的实现电路可由单片机、A/D
30、转换器、采样保持器、多路模拟开关和显示器等部分组成。这种电路的硬件部分元件多、体积较大；而其软件也较复杂，因为数据采集、计算、积分等都是通过数字电路来实现的。由这样方法设计的电能表的可靠性较差，特别对于大批量生产工艺来说更不合适。由于计算机技术的发展和ASIC技术的应用，使开放专用芯片的工作相对容易。这种专用电能计量模块不仅集成了乘法器、P/F变换电路，而且还包含有其他电路，如相位调整电路、电源检测电路、接口电路等，采用这些模块只需配以少量的外围电路就能实现满足不同需要的电子式电能表。数字型乘法器以A/D变换原理也分为两类；用逐次比较型A/D进行采样的数字乘法器和用-原理进行A/D转换的数字乘
31、法器。因为数字乘法器型的电能测量专用电路利用位数较多的A/D转换电路或自动量程转换电路，在原理上可达到很高的测量准确度，且它在一定周期内对电压、电流信号进行采样处理的方法，可保证了测量准确度可不受高次谐波的影响；并且其精度、线性度、稳定性和抗干扰能力等方面都优于模拟乘法器电路，具有更好的发展前景。2.1.2 有功电能的计量 作为电能表，最重要的功能就是电能计量。电能计量包括有功电能和无功电能的计量，其中有功电能计量可简单地描述如下： 设在t时刻负载两端的交流电压和流过负载的交流电流的表达式为： (27) (28)其中时刻电压瞬时值；时刻电流瞬时值；电压峰值；电流峰值；电压有效值；电流有效值；电
32、压与电流相位差；角频率。则在一个周期内平均有功功率为 (29)一个周期内的电能为 (210)各种乘法结构的电能计量单元都是以式(210)为理论基础形成的。当用计算机处理时，需要将连续量离散化，用和式代替积分。若以t的时间间隔对电压和电流进行采样，用N表示每周期采样的次数(即T=N*t)，则有功电量公式可以表示为： (211)式中、分别代表电压、电流的第k次采样值，N为采样总点数，计算机软件就可按公式211计算出被测的有功能量。t取得越小，则计算结果越准确。2.1.3 无功电能的计量 无功电量反映了储能元件L或C在一个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
33、最大速率来表示。一般周期信号电路的有功功率由式(29)表示。单相正弦电路的无功功率的定义式为： (212)其中、分别为电压、电流有效值，在物理上体现为正弦的电压波形与电流波形之间的相位差。 在这里会面临以下两个有待解决的问题： 1) 如何得到式(212)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数字移相法式(212)可变换为： (213)由式(213)可以看出，用电压采样值乘以滞后电压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：
34、 (214)这种计算称为无功功率的简单数字移相法，它要求被测信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计量。2视在功率法实际运用中，电网还存在一些谐波成分，用(214)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。分别求出有效值、，然后求出视在功率，则有： (215)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计量，并进而可推演出其它量的计量。2.1.4 最大需量的计算 最大需量定义为一个月内平均30分钟或15分钟内消耗的功率的最大值。 (216) 其中,为时刻，,的差等于15或30分钟。在一段时间内，记录下的
35、最大值和发生的时刻，一般情况下,采用滑差方式，每过一分钟,增加，但的差值保持不变，固定为15或30分钟。2.2 电能参数的测量原理2.2.1电压电流有效值的计算 根据电工原理，周期性变化的电压、电流信号的有效值为： (217) (218)式中T为信号周期。式(217)、(218)离散化得： (219) (220)式中和分别为被测电压、电流信号经采样保持、模数转换后的离散序列。N为一个工频周期内的采样点数。2.2.2功率因素的计算 功率因素是指负载上的有功功率与视在功率的比值，即： (221) 式中的就是电压与电流之间的相位角。 功率因素作为电力系统中的一个重要指标，其大小体现了电网运行质量的高
36、低，是电力部门调节电网时重点参考的数据。在实际应用中，如果功率因素太低，表示输出功率中无功功率所占比例很大，会有如下所列的不良后果: （1）电源设备不能充分利用。 功率因素越低，电源设备所能发生的有功功率越小，其容量将不能充分利用。 （2）在线路中将会引起较大的电压跌落和功率损失。 在线路中,越低，则通过线路的就越大，导线的能量损失和导线电抗电压降落就越大，线路的功率损失增加，则降低了使用效率，造成有功电能的浪费，而线路的电压降增加，会使负载两端电压降低，影响正常使用。2.3本章小结电子式电能表中起主要作用的是电能测量单元，其作用是将输入电压与电流变换成与功率成一定比例关系的脉冲信号，送至分频
37、和计数。它是电子式电能表的关键，其测量精度直接决定电能表的精度和准确度。乘法器是电能测量单元的核心组成部分。数字型乘法器的实现电路可由单片机、A/D转换器、采样保持器、多路模拟开关和显示器等部分组成。电能的测量包括有功电能的测量和无功电能的测量以及最大需量的测量。电压电流的有效值以及功率是电能测量的重要参数。第3章 电子式电能表的硬件设计3.1 电能表总体设计方案框图 电子式电能表总体设计方案如图3-1，各种硬件模块构成了整个电子式电能表，每个硬件模块都有着不同的功能，在整个电能表硬件系统中都承担着一定的作用。模块和模块之间又通过MCU统一地联系在一起，共同形成了功能强大的职能电能表系统。各个
38、硬件模块具体如下：实时时钟电流采样电源模块电压采样看门狗电路ADE7755电能计量芯片数据存储模块键盘及显示控制电路RS485通信模块89C52单片机红外通信模块 L N图3-1 电能表总体设计方案框图 1、89C52单片机是整个电子式电能表硬件的核心部分，它是电能表的“大脑” ，外围所有的硬件模块都是在它的协调控制下完成工作的。单片机通过烧制在其中的各种程序，控制着其他硬件模块的工作状态。 2、ADE7755是电能计量芯片，在整个硬件电路中发挥着重要的作用。主要完成对电能量的计量，将模拟电能信息转化为单片机可以读取并且操作的数字电能信息。 3、电能采样模块是将电能表硬件系统与主电网进行隔离，
39、使强电和弱电分开。将主网中的大电压，大电流转化为小电压，小电流，以便提供给计量芯片进行信号处理。 4、电源模块为整个电能表硬件系统正常工作供电，它通过电能变换将主电网中的220V交流降压，整流为5V的直流。在掉电的情况下，为了保证时钟的连续性和准确性，还有专用的电池供电。 5、实时时钟为复费率电能表提供准确的时间信息，以便于实现不同费率下电能的计量。 6、数据存储模块是所有电能信息的存储单元。单片机对存储器里的数据信息进行读操作时，将信息读出后送给其它模块使用。单片机对存储器里的数据信息进行写操作时，是将计量芯片计量的数据保存到存储器里的过程。 7、RS485通信模块和红外通信模块是电能表与外
40、界设备进行数据交换的场所，RS485通信模块实现了单片机与上位机的通信。当上位机发出命令要求上传数据时，单片机就将数据通过RS485通信模块送出。上位机的数据也同样能够通过RS485模块下传给单片机。红外通信模块实现了单片机与抄表器之间数据交换。 8、显示模块可以将用电信息，时段信息，实时日期等清楚地显示在液晶屏上，供用户和抄表人员参考。3.2 电压电流采样模块一方面为了将电子式电能表的计量芯片与电力线隔离，另一方面又要完成电压电流的采样。前置模拟电压和电流取样电路一般有两种，一种是通过电阻分压和分流的方法获得的，另一种是通过电压互感器和电流互感器的方法获得。考虑成本等因素，本设计中电压采样选
41、用电阻分压的接法，电流取样选用电流互感器。 1、电流通道线路电流传感器的输出电压接到ADE7755的通道Vl，该通道采用完全差动输入，V1P为正输入端， V1N为负输入端。通道1的最大差动峰值电压应小于470mV(有效值为330mV)。通道l有一个PGA，其增益可选择为1，2，8或16。如表3-1所示。这使传感器接口的设计大为简单。表3-1 电流通道增益选择表G1G0增益最大差动信号001470mV012235mV10860mV111630mVV1P和V1N引脚上的最大差动电压为470mV，在这两个引脚上的差动信号必须以一个共模端作为参考点，如AGND。最大共模信号为 100mV。本设计选择电
42、流互感器(CT)作为电流传感器。如图3-2所示通道1的共模电压是AGND，它是通过负载电阻的中间抽头接到AGND上的，对V1P和V1N上的模拟电压起到互补作用。CT的变比和负载电阻Rb的大小根据差动峰值电压而定。图3-2 电流采样模块原理图 2、电压通道电压通道采用电阻分压网络获得采样电压。3.3 电能计量模块3.3.1 ADE7755芯片 ADE7755是美国AD公司于近年推出专用于功率/电能测量的低成本集成电路，其技术指标满足GB/T17215-1998标准规定的准确度等要求。采用单+5V电源供电、低功耗(典型值15mW)的CMOS芯片。具有量程宽(负载能力可达4-6倍Ib)，精确度高(在
43、1%-500%Ib动态范围内误差小于0.1%)，内部具有掉电、上电自动复位电等性能优点。当发生短路、开路和旁路的情况时，除了具有输出指示外，还能以原精度继续计量。另外，ADE7755内部的空载阐值特性保证了它在空载时没有潜动。 ADE7755的结构原理图如图3-3所示。ADE7755主要由模拟信号处理电路和数字信号处理电路两部分组成。被测电压、电流转换为数字量后，接下来的信号处理都由数字电路实现。图3-3 ADE7755结构原理图 模数转换电路ADC（analog digital converter）是唯一的模拟电路，其他信号处理电路部分如相位校正环节、高通滤波器、乘法器、低通滤波器和数字-频率转换电路都是数字电路，从而保证了芯片强大的抗干扰能力和电能计量的高精度。ADE7755的主要特点有： 1.高精度，在500：1的动态范围内误差小于0.1%，技术指标超过了IEC1036标准的要求，支持50/60Hz。 2.低频频率输出端Fl和F2提供平均功率信息； 3.高频频率输出端CF提供正比有功功率的瞬时功率信息，送至MCU的接口用可于校表或电能计量； 4.具有自校准的功能； 5.电流通道中的可编程增益放大器方便与传
