1、单相智能电表硬件电路设计单相智能电表硬件设计物理与电子信息学院 电气工程及其自动化 学号：指导教师：摘要：本文设计单相智能电表的硬件电路。主要由CPU模块、电能计量模块和电压电流采样模块、显示模块、电源模块、时钟模块、存储模块、通讯模块组成。电压电流采样模块采用分流器和精密电阻实现对市电的转换；电能计量模块采用ADE7755计量芯片实现对电流、电压的测量与转换；时钟模块采用DS12C887时钟芯片为系统提供时钟基准，存储模块采用AT24C04，显示模块用1602液晶，通信模块采用MAX485芯片，并利用AT89C52组成的CPU模块控制所有芯片的工作、测量、计算电能，送往显示模块和存储模块进行
2、实时显示。该电度表成本低、使用方便、安全可靠、具有广泛的应用前景。关键词：智能电表;计量芯片;时钟芯片Hardware Design of Single-phase Smart Meter College of Physics and Electronic Information Electrical Engineering and Automation No:Tutor: Abstract: This article designs hardware electric circuit of the single-phase intelligent electric instrument. T
3、he intelligent ammeter is mainly composed of CPU module, electric energy metering module, the voltage and current sampling module, display module, power module, clock module, storage module, communication module. Voltage and current sampling module use shunt and precision resistor to realize the con
4、version of electricity. Electric energy metering module uses ADE7755 chip to realize measurement and conversion of the voltage and current. Clock module uses DS12C887 chip to provide the clock benchmark for the system. Memory module uses AT24C04. Display module uses 1602 liquid crystal. Communicatio
5、n module uses MAX485 chip. The system use the AT89C52 composed of CPU module to control all the chips work, measuring, computing power, sent to the display module and storage module for real-time display. The meter is of low cost, easy to use, safe and reliable, with wide application prospect.Key wo
6、rds: Intelligent ammeter; metering chip; clock chip1 引言随着市场经济体制的建立，电力已经作为一种商品走向市场，电力企业管理正转向商业化运行。目前，绝大多数用电管理是采用最原始的分散计量、人工抄表，它离自动化的目标还非常遥远。当前城镇居民住宅公寓化，相对较为集中，及时开发并推出适合国情，既面向未来电量管理自动化建设的需要，又适应现行的运行管理体制的多用户表，是民用电计量、管理的大势所趋。用电量的急剧增长以及由此引发的能源供需矛盾加剧，许多工业大国日益重视电能管理，都在通过技术改造等各种手段加强对电力负荷的监控，以实现计划用电与合理配电，从而提
7、高电网负荷率。现代电能管理强调自动化、智能化，要求以高新技术手段确保经济杠杆调配电能的使用，以求更高的供用电效率。这便对电能计量仪器仪表提出了多功能化的要求，希望它不仅能计量电能，而且也能应用于管理。因此功能单一的感应式电能表已不适应现代电能管理的要求，电子式电能表应运而生。1.1 电能表的发展历程作为测量电能的专用仪表电能表，自诞生至今已有100多年的历史。因为1kWh的电能量被定义为一度电，所以按计量单位，电能表又俗称电度表或千瓦时表。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
8、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。电能表已经经历了感应式电能表、机电脉冲式电能表、电子式电能表三个阶段。（1）感应式电能表（机械表）在电力系统发展的早期，感应式电能表被广泛用于工频（50Hz或60Hz）电能的测量。感应式电能表是利用处在交变磁场的金属圆盘中的感应电流与有关磁场形成力的原理制成的，具有制造简便、可靠性好、价格便宜等特点。经过不断改进和完善，感应式电能表制作技术已经成熟。通过双重绝缘和采用高质量双宝石轴承甚至磁悬浮轴承等技术手段，其结构和磁路的稳定性得以提高，电磁振荡被削弱，使用寿命大大延长，且过载能力明显增强。但受其工作原理以及材料工艺等条件的局限
9、其测量准确度很难提高。另外，感应式电能表是针对很低且十分狭窄的频率范围的正弦电压和正弦电流而设计的，但现代电力系统中采用硅整流与换流技术，这些非线性负荷产生大量高次谐波并引起不平衡，致使电网电压波形产生畸变、波动及三相不平衡，对感应式电能表产生不利影响，使其指示不正确，由此可能造成操作、管理人员做出错误的分析判断。（2）机电一体式电能表 20世纪60年代，为了扩展电能表的使用功能，出现了机电一体式脉冲电能表。这种表仍然采用了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为电脉冲信号，通过电子电路对脉冲信号的计算与处理，完成电能的计量工作，它通过电子部分的各种变换来实现人们不同的实际需求。
10、机电式电能表的出现，极大地解决电能表的功能单一的问题，电能表可以通过软件编程实现远程自动抄表、负荷控制参数的分散采集和存储等功能，使得分时电价和需量电价制度能够有效地实施和推广，充分发挥了电力在国民经济中的作用。但是它是以感应系测量机构作为其测量主回路的原理性缺陷，决定了它同样具有感应系电能表一样的准确度低、适用频率范围低等缺点。（3）电子式电能表1 为了替代感应系测量机构，从20世纪70年代起人们就开始研究并试验采用电子电路来测量交流电能。由于电能是电功率对时间的积分，所以任何电子电路式电能计量方案的第一步都是确定电功率。因而，使用乘法器是实现测量电功率和电能的电子电路的共同特点，全电子式电
11、能表多采用模拟或数字乘法器作为核心器件。近年来，微电子技术、计算机技术和通信技术的高速发展，有力地推动了电子式电能表技术的迅速更新与进步。高准确度、高可靠性的元器件以及大规模电路集成技术和电路制造的表面贴装技术等应用于电子式电能表的开发与生产，使电子式电能表寿命提高、功能多种多样，且仍在不断扩展，并逐步使供用电管理的微机化和自动化成为现实。电子式电能表与感应式电能表相比，具有一定的技术优势：（1）误差特性较为稳定，不像感应式电能表越走越慢。实际运行和加速老化试验都说明了这一特点。电子式电能表的故障能较明显的表露和被发现。（2）电子式电能表内阻小、损耗低，是节能仪表。有助于在已有计量装置中解决互
12、感器过载和一次电压降超标问题，从而提高计量综合精确度。（3）电子式电能表较轻，比感应式电能表节省大量有色和黑色金属，而且安装轻便。（4）使用电子式电能表彻底改革了原来电能量运行，检修的工作流程，革除了洗表的环节。如果故障表按合同规定由生产厂保修保换，则更简化了管理流程，可集中精力把好验收校验，对运行中缺陷故障统计分析以及招标时对各厂产品评定质量，彻底改革了电能表管理使适应电力市场经济要求。（5）电子式电能表能直接输出规范的电能脉冲，便于校验和实施远方自动抄读表，便于电力市场发展中对电能表扩展功能的实现。1.2 本课题研究的主要内容本文首先简要介绍了设计电能表的主要功能以及系统的总体方案，主要研
13、究电子式单相复费率IC卡电能表的硬件设计，详细介绍硬件各功能模块的工作原理和选用的主要元器件的功能特点，包括各部分电路的走向、芯片的选择以及方案的可行性分析等。分析电能表设计中运用的单片机控制技术，电能计量部分是基于ADE7755芯片设计，以DS12C887时钟芯片作为峰平谷不同时段的参考时间。此电能表可实现分时段电能计量功能、预付费功能、显示金额功能、用电不足报警功能等。2 系统设计2.1 系统方案论证2.1.1 电能计量系统方案设计方案一：模数转换式对电流和电压分别采样，再通过A/D转换器转换成数字信号，然后送入单片机进行相乘运算。并在CPU中设置一个定时器定时对功率进行累加。这种方案对信
14、号的采样速率快，但A/D转换器的精度要求高，而且由于电网的电力谐波引入前置通道，导致A/D转换后产生错误数据。为抑制这种干扰，必须在软件上加数字滤波器或在硬件上采用隔离放大器和高精度的运算放大。这将增加CPU的负担和硬件电路成本，其方案可行而不可取。方案二：电压频率转换式采用电压频率（V/F）转换器加单片机实现对电流和电压的A/D转换。这样，模拟通道中本身的干扰信号被抑制。无须专门的A/D转换器，大大减少了硬件成本。CPU只需对V/F转换后的脉冲进行定时计数，便可测出电压和电流的数字量。同时，电压和电流分别经过零检测电路。将过零脉冲送CPU处理，得出电流和电压的相位差（），经过查表得功率因数（
15、）计算，便得有功功率，再定时累加就是电能值。这种方案的CPU要实现读写卡控制、求功率因数（）、电能计算等功能，负担较重，一般的MCS-51、MCS-96和PIC系列单片机难以胜任。方案三：功率累加式将端口电流和电压先送入模拟乘法器相乘，得到一个与功率P成正比的模拟电压（或电流），再经过V/F变换（或I/F变换）变成频率信号f。单片机对频率信号f进行累加，即可得出电能。这种方案不但兼有方案二的优点，而且对CPU的要求低，采用MCS-51系列单片机完全可以胜任。而且，现在已有集成电路将模拟乘法器、低通滤波器和V/F变换器集成，其性能指标都远远高于分立元件。 基于以上分析，方案三明显优于其他两种方案
16、。其中，在电子式电能表的设计中，选择一款精度高、速度快、应用成熟的电能计量芯片尤显重要。模拟乘法器、低通滤波器和V/F变换器采用集成电路ADE7755。目前，国内较为常用的单相电子式电能计量芯片有德国CIRRUS LOGICAL公司的CS5460，美国AD公司的AD7751和7755以及BL0932、SM9903。课题提出的多功能电能表采用ADE7755是AD公司推出的脉冲输出高精度电功率测量芯片，相对于其前身AD7755提升了更加优良和精确的计量性能，在电量测量中具备更实用的价值。因为经过仔细分析发现，ADE7755采用了基于-调制A/D转换技术，ADE7755还具有自校准的功能，例如，通道
17、的偏移校正，相位和功率的校准。因此，使用ADE7755构成电表系统，电路十分简单2-4。2.1.2 其他模块的方案论证（1）电压电流采样模块方案一：采用电阻网络分压、分流的方式将大电压、大电流转换成ADE7755能接收的电压信号，该方案电路复杂，难于调试，精度低，且不能实现芯片与电网的隔离，故不采用。方案二：采用电流互感器与精密电阻网络组成调理电路，将电压和电流转换为芯片可以接收的电压信号。该方案设计简单，精度高，且实现了芯片与电网的隔离，保证了芯片的安全，故本设计采用此方案。（2）主控芯片方案一：选用DSP处理器。DSP处理器具有运算速度快，处理能力强等优点，但是存在价格相对较高，参考资料相
18、对较少等缺点。方案二：选用单片机。单片机是目前电能表行业中普遍选用的中央处理器。目前，国内高校主要以MCS-51单片机为例来学习单片机原理与接口，因此，市场上该类得单片机参考资料最多，成功设计案例较多。因此，本设计选用此方案。我们选用高速、低功耗、超强抗干扰的AT89C52，它内部有8KB的程序存储器，应用于此系统绰绰有余，该单片机具有较强的数据处理功能，与MCS-51完全兼容，设计使用方便。（3）预付费系统方案设计方案一：采用非加密存储器卡作为销售电能的传输媒质，非加密存储器卡的卡内嵌入芯片为通用存储器芯片。非加密存储器卡信息存储方便、使用简单、价格便宜，很多场合可替代磁卡。但由于本身不具备
19、信息保密功能，因此只能用于保密性要求不高的场合，对于某单位或学校内部进行定量用电，超标付款，则可采用此方案。方案二：采用加密存储器卡。加密存储器卡（Security Cards接触型）的芯片由非易失性存储器和硬件加密逻辑构成。加密存储器卡内嵌芯片在存储区外增加了控制逻辑。在访问存储器前，需要核对密码。只有密码正确，才能存取数据。允许连续密码核验的错误次数很少（一般在十次以内），可以有效防止非法试探。若在限定的次数密码仍不对，则卡片死锁作废。这类器件保密性较好，应用较广泛。此方案保密性优于方案一，可用于社区或以村为单位的预付费用电系统。方案三 ：采用CPU卡。CPU卡的硬件构成包括CPU、存储器
20、（含RAM、ROM、EEPROM等）、卡与读写终端通信的I/O接口及加密运算协处理器CAU。CPU卡（Smart Cards接触型）内嵌芯片相当于一个特殊类型的单片机，内部除了带控制器、存储器、时序控制逻辑外，还带有算法单元和操作系统。CPU卡有存储容量大、处理能力强、信息存储安全等特性，因此广泛应用于信息安全性要求特别高的场合。此方案保密程度高，适用于大范围（如全国性的）预付费售电系统5。在对以上三种方案的比较后，我在本设计中，选用第一种方案，以非加密存储器卡作为售电的传输媒质，具体型号是AT24C01。该芯片应用较多，且价格便宜，可参考的资料多，能实现本设计的功能。（4）时钟芯片本系统要求
21、时段起始点设定及显示当时的日期和时间，因此，需要自身携带时钟芯片，以便实时监控。目前，市场上的时钟芯片种类繁多，功能各异，如DS1302，MSM58321等。我们选用了性能价格比较高，且功能完善的DS12C887时钟芯片。本文本着可靠、安全、性价比高的原则，设计其他接口电路。2.2 系统原理框图的确定总体设计方案如图1所示，各种硬件模块构成了整个电子式电能表，每个模块都有着不同的功能，在整个电表硬件系统中都承担着一定的作用。模块与模块之间又通过MCU统一地联系在一起，共同地形成了功能强大的智能电表系统。 图1 智能电表系统框图图1中各部分主要功能：（1）电能采样模块是将电能表硬件系统与主电网进
22、行隔离，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。（2）ADE7755是电能计量芯片，在整个硬件电路中发挥着重要作用。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可操作的数字电能信息。（3）AT89C52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控制协调下进行工作的。（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交压、整流为5V的直流。在掉电情况下，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
23、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通信模块是电能表与外界设备进行数据交换的场所，RS485通信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。（8）LCD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，供用户抄表人员参考。（9）IC卡模块实现先付费、再用电功
24、能。一户一卡，互不通用，具有良好的可靠性和安全性。3 电压、电流采样模块3.1 电能计量芯片简介3.1.1 ADE7755芯片结构ADE7755的内部电路结构原理图如图2所示，它主要由信号输入和信号处理两部分组成。图2 ADE7755功能框图模拟输入是电能计量芯片对用电线路电压、电流信号进行采集的部分，包括电流通道和电压通道。 （1）通道1（电流通道）线路电流传感器的输出电压接到ADE7755的通道V1，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（纯正弦电压有效值为330mV）。应当注意，通道1有一个PGA，其增益可由用户选择为l，2，
25、8或16（见表1），这使传感器的接口设计大为简单。表1 通道1的增益选择G1G0增益最大差动信号001470mV012235 mV10860 mV111630 mV表1示出了V1P和V1N引脚的最大差动电压是470mV，由增益选择而定。在这两引脚上的差动信号必须以同一个共模端作为参考点，如AGND，最大共模信号为100mV。（2）通道2（电压通道） 线路电压传感器的输出接到ADE7755的通道V2，该通道的最大差动峰值电压为660mV。加在通道2上的差动电压信号必须以一个共模端作为参考点（通常是AGND），最大共模电压为100mV。然而，当共模电压为0V时能获得最好的测量结果。 3.1.2 A
26、DE7755引脚排列及功能ADE7755有24脚双列直插（DIP）和表面贴装（SSOP）两种封装形式，其引脚排列见图3：图3 ADE7755管脚图（1）DVDD：数字电源引脚。该引脚提供ADE7755数字电路的电源，正常工作电源电压应保持在5V5，该引脚应使用10uF电容并联100nF瓷介电容进行去耦。（2）AC/DC：高通滤波器HPF选择引脚。当该引脚输入高电平时，通道1(电流通道)内的HPF被选通，该滤波器所涉及的相位响应在45Hz至lKHz范围内在片内已得到补偿。在电能计量的应用中应使HPF选通。（3）AVDD：模拟电源引脚。该引脚提供ADE7755模拟电路的电源，正常工作电源电压应保持
27、在5V5，为使电源的纹波和噪声减小到最低程度，该引脚应使用10pF 电容并联100nF瓷介电容进行去耦。（4）NC：不连接。（5）V1P,V1N：通道1(电流通道)的正，负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工作最大信号电平为470mV。（6）V2P,V2N ：通道2（电压通道）的正，负模拟输入引脚。（7）RESET：复位引脚。当为低电平时，ADC和数字电路保持复位状态，在RESET的下降沿，清除ADE7755内部寄存器。（8）REF：基准电压的输入，输出引脚。（9）AGND：这是ADE7755模拟电路（即ADC和基准源）的接地参考点，该引脚应连接到印刷电路板的模拟接地面。（10）SCF：校验
28、频率选择。该引脚的逻辑输入电平确定CF引脚的输出频率。（11）S1，SO：这两个引脚的逻辑输入用来选择数字/频率转换系数。（12）G1，G0：这两个引脚的逻辑输入用来选择通道1的增益。可能的增益是1，2，8和16。（13）CLKIN：外部时钟可从该引脚接入，也可把一个石英晶体接在CLKIN和CLKOUT之间，为ADE7755提供时钟源，规定时钟频率为3.579545MHz。（14）CLKOUT：把一个石英晶体接在CLKIN和CLKOUT之问，为ADE7755提供一个时钟。（15）REVP：当检测到负功率时，即电压和电流信号的相位差大于900时，该引脚输出逻辑高电平。该输出没有被锁存，当再次检测
29、到正功率时，该引脚输出复位。该输出的逻辑状态随CF输出脉冲同时变化。（16）DGND：这是ADE7755数字电路(即乘法器，滤波器和数字频率转换器)的接地参考点。该引脚应连接到印刷电路板的数字接地面。（17）CF：频率校验输出引脚。其输出频率反映瞬时有功功率的大小。（18）F1，F2：低频逻辑输出引脚，其输出频率反映平均有功功率的大小。3.1.3 ADE7755工作原理芯片内部两个ADC对来自电流和电压传感器的电压信号进行数字化。ADE7755的模拟输入结构具有宽动态范围，大大简化了传感器接口（可以与传感器直接连接），也简化了抗混叠滤波器的设计。电流通道中的PGA进一步简化了传感器接口。电流通
30、道中的HPF滤掉电流信号中的直流分量，从而消除了由于电压或者电流失调所造成的有功功率计算上的误差。有功功率是从瞬时功率信号推导计算出来，瞬时功率信号是用电流和电压信号直接相乘得到的。为了得到有功功率分量（即直流分量），只要对瞬时功率信号进行低通滤波就行了。下图4示出了瞬时有功功率如何通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获取有功功率。这个过程中所有的信号处理都是由数字电路完成的，因此具有优良的温度和时间稳定性。图4 信号处理框图 ADE7755的低频输出是通过对上述有功功率信息的累计产生，即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功率。当这个平均有功功率信息进一步被累加，就能获
31、得电能计量信息。CF输出的频率较高，累加时间较短，因此CF的输出频率正比于瞬时有功功率，这对于在稳定负载条件下进行系统校验是很有用6。 3.2 电流、电压采样电路设计（1）电流采样电路使用分流器，如图57所示： 图5 电流采样电路其中R57、R56为采样电阻，C21、C22为采样电容，他们为采样通道提供了采样电压信号，采样电压信号的大小由分流器的阻值和流过其上的电流决定。电流采样通道采用完全差动输入，V1P为正输入端，V2P为负输入端，电流采样通道最大差动峰值电压应小于470mV，电流采样通道的PGA其增益可由ADE7755的G1和G0来选择。当使用分流器采样时，G1和G0都接高电平，增益选1
32、6，通过分流器的峰值电压为30mV。本设计电表为5（30）A规格，分流器阻值选择350u，当流过分流器的电流为最大电流时，其采样电压为350u30A=10.5mV，不超过峰值电压半满度值。（2）电压采样电路如图6，电压输入通道也为差分电路，V2N引脚连接到电阻分压电路的分压点上，V2P接地。图6 电压采样电路电压输入通道的采样信号是通过衰减线电压得到的，其中R11、R13、R47R49、R55、R60、R75R78、R80、R81为校验衰减网络，通过短接跳线S5至S13可将采样信号调节到需要的采样值上，当电能表为基本电流时，电压采样值为174.2mV，为了允许分流器的容差和片内基准源8的误差，衰减校验网络应该允许至少30的校验范围，根据图6的参数，其调节范围为168.9 mV250 mV，完全满足了调节的需要。这个衰减网络的-3dB频率是由R80和C33
