ADE7755全电子式单相电能表

基于ADE7755的二时段单相数字电能表设计摘要Abstract目录第一章绪论·········································1.1课题研究背景及意义····························1.1.1课题研究背景····························1.1.2课题研究意义····························1.2数字电能表的发展和现状························1.2.1电能表发展历程··························1.2.2数字电能表未来发展趋势··················1.3本文主要研究内容·····························第二章电能计量原理及多功能电能表通信规约的介绍·····2.1数字电能表的电能计量原理和方法············2.2多功能电能表通信规约的介绍················2.3本章小结································第三章基于ADE7755的计量模块硬件设计·············3.1电能计量芯片ADE7755的简介·············3.1.1功能简介及功能框图·················3.1.2外部引脚及其功能说明················3.2电能计量过程介绍························3.2.1ADE7755工作原理···················3.2.2电能计量电路设计····················第四章单相数字电能表的系统硬件设计··············4.1系统的总体设计····························4.1.1系统总体设计思路·······················4.1.2电能计量电路的基本组成·················4.2电源模块设计······························4.3控制模块设计·······························4.3.1单片机8051简介························4.3.2控制电路设计························4.4LCD显示模块设计···························4.4.1LCD显示器工作原理简介··············4.4.2芯片1602简介························4.4.3显示电路设计·························4.5通信接口模块设计····························4.5.151单片机的串行通信基础·········4.5.2RS232串行口标准简介··············4.5.3MAX232简介························4.5.4通信接口电路设计····················4.6数据存储模块设计··························4.6.1芯片24C02简介·····················4.6.2存储模块电路设计···················4.7时钟芯片································4.7.1DS1302简介4.7.2时钟电路设计第五章单相数字电能表的系统软件设计·············5.1软件集成开发环境简介·········5.1.1KeilC51μVision3介绍5.1.2编程语言选择5.2数字电能表系统软件的总体设计············5.3系统软件主程序设计······················5.4电能计量模块····························5.5LCD显示模块······························5.6数据存储模块······························5.7时钟芯片································5.8第六章课题结论与展望···························参考文献········································第一章绪论1.1课题研究背景及意义1.1.1课题研究背景传统的感应式机械电能表从1890年发明以来已经有一百多年历史,虽然经过多方面改进,但仍然存在个突出问题:①工作不稳定,精度低,内部的转动元件难免产生机械磨损,使电能表测量误差越来越大;②体积庞大,价格昂贵;③由于构造原理的问题,很容易窃电。于是新型的数字式电能表应用而生。数字式电能表可视性强,大致可分为以下两类。第一类是在原来机械式电能表的基础上,仅在表盘上打一个很小的光电检测孔,表盘每转一圈给出一个脉冲信号,经放大和整形后,作为计数脉冲,所计的客户用电量通过数码管或LCD显示出来。这种电能表只是改变了其计数显示方式,没有脱离传统感应式机械电能表的本质,机械磨损还存在,精度低,不稳定,所以完全被淘汰。第二类是利用传感器来采样电流、电压,然后把采样到的电流、电压信号转换成数字信号或计数脉冲来计量客户所用电量,再通过数码管或LCD显示出来。1.1.2课题研究意义研制电能计量装置具有非常重大的意义，它能对电能进行精确的计量，并且能对主要的电参数如电压，电流，功率，功率因数，及频率等进行监测，同时还具有存储显示功能，并同时具有完备的通信功能。数字电能表的研制，大大促进了对电能的合理利用和调度本文所设计的这种单相数字电能表是一种高精度多功能的单相电能表，利用电能计量专用芯片来计量所耗电量(单向电能计量芯片ADE7755),功能多,精度高,更有利于实行远程抄表,有利于电能的合理管理和应用。1.2数字电能表的发展和现状1.2.1电能表发展历程电能表的发展历经了由感应式电能表→机电式电能表→电子式电能表→智能电表的过程。早期的感应式电能表和机电式电能表大多结构简单、操作安全、维修方便、造价低廉等，但是准确度低、适用频率窄、功能单一、功能扩展困难、且对非线性负荷、冲击负荷的计量误差较大。而电子式电能表则功能强大，准确度高，误差曲线平直且稳定，启动电流小、频率响应范围宽、功耗小、便于安装使用、过载能力强、防窃电能力强，随着科学技术的发展，尤其是电子技术，计算机技术、网络技术和通信技术的飞速发展及日臻完善，自动化技术的不断进步，使得研制数字电能表成为可能，并且具有巨大的商业价值和发展优势。1.2.2数字电能表未来发展趋势自19世纪末第一只感应式电能表用于电量计量以来，随着技术的进步尤其是上世纪70年代以来大规模集成电路的发展，电能表也由机械式向电子式发展，目前电子式电能表已基本取代了传统的机械式电能表，并开始走向智能化。而智能化数字电表正向着多功能、数字化、网络化、智能化、实时互动化的方向发展，就是以单片机为核心，配以相应的测试电路、通讯接口和相应的监控软件，通过总线把多个智能化功能单元连成局域网，再由上位机测控软件实现。随着计算机、信息人工智能、自动控制、系统工程的发展，一个全新的智能化系统已经形成。集计算、信息、自动化、管理为一体的电能计量装置是发展的方向之一。电力检测仪实现智能化，能够进一步适应我国电力系统的发展，满足运营管理的需要，解决特殊负载用户的计量问题1.3本文主要研究内容本论文主要内容是设计一种单相数字电能表，完成对电能的精确计量、显示以及通过串行通信接口实现与计算机之间远程通信。本次设计主要是基于电能计量芯片ADE7755和MCS—51系列单片机8051。主要任务是完成电能计量电路及显示的各个模块的硬件设计和软件设计的程序框图，实现电能采集、电能计量、电能显示和与计算机的远程通信等功能。本论文主要结构如下：第一章主要介绍数字电能表的研究背景、意义及其发展状况和趋势；第二章主要介绍电能计量原理以及多功能电能表通信规约；第三章主要是基于ADE7755的计量模块硬件设计，第四章主要介绍数字电能表的硬件设计，主要分为电源模块、控制模块、显示模块、通信接口模块几个部分；第五章主要介绍数字电能表的软件设计；第六章是对本论文的总结与展望。第二章电能计量原理及多功能电能表通信规约的介绍2.1数字电能表的电能计量原理和方法电能基本表达式如下：式中u(t)、i(t)、p(t)分别是顺势电压、瞬时电流、瞬时功率值，所以测量电能的基本方法是将电压、电流相乘，然后在时间上再累加（即积分）起来。对于大多数电子式电能表，电能计量的原理基本相同，主要包括对电压和电流的实时采样，将采样得到的电压和电流值相乘，计算出有效值、有功功率、无功功率等。采样份直流采样和交流采样两种，与直流采样相比，交流采样具有计算灵活、精度高、响应速度快等优点。当采样输入信号为正弦波时，测量时域、频域信号的算法有导数算法、半周期算法等。由于这些算法计算量小，因此应用较为普遍，尤其是对实时性要求很高的场合2.2多功能电能表通信规约的介绍2.3本章小结第三章基于ADE7755的计量模块硬件设计3.1电能计量芯片ADE7755的简介3.1.1功能简介及功能框图（1）ADE7755功能概述ADE7755是一种高准确度电能测量电路集成电路，主要用于单相电表系统，其技术指标超过了IEC1036规定的准确度要求。它只在ADC和基准电路中使用了模拟电路，其他的信号处理都由数字电路完成，这使得在恶劣的环境下仍然可以保持极高的准确度和长时间的稳定性，通过引脚F1、F2以低频形式输出有功功率的平均值，可以直接驱动机电式计数器，或者与微控制器接口，从引脚CF以高频形式输出有功功率的瞬时值，用于电能计量表的校准。（2）功能特点精度高，在500：1动态范围内误差低于0.1%；F1、F2输出频率表示平均有功功率；高频输出CF用于校准，并提供即时有功功率；逻辑输出引脚REVP能只是负功率或错误链接；可直接驱动机电式计数器和两相步进电机；在片电源监控电路；防潜动；在片电压源2.5V±9%;单5V电源，低功耗；采用SSOP24封装。（3）功能框图（4）极限参数参数符号最小值最大值单位工作电压VDD-VSS-0.37.0V管脚电流IPIN-150+150mA储藏温度TSTG-65+150℃工作温度TO-40+85℃3.1.2外部引脚及其功能说明ADE7755有24脚DIP和SSOP两种封装（1）管脚排列图如下：（2）管脚功能说明DVDD，数字电源引脚。该引脚提供数字电路的电源，正常工作电源电压应保持在5V±5%，该引脚应使用10µF陶瓷电容进行去耦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1kHz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。AVDD，模拟电源引脚。该引脚提供模拟电路的电源，正常工作电源电压应保持在5V±5%，当使电源的纹波和噪声减小到最低程度，该引脚应使用10µF电容并联100nF陶瓷电容进行去耦。NC（6号引脚），与6脚短接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。通道1有一个PGA。这两个引脚相对于AGND的最大信号电平为±1V。两个引脚内部都有ESD保护电路，这两个引脚能承受±6V的过电压，而不造成永久性损坏。RESET，复位引脚。当为低电平时，ADC和数字电路保护复位状态，在RESET的下降沿，清除内部寄存器。REFIN/OUT，基准电压的输入、输出引脚。片内基准电压的正常值为2.5V±8%，典型温度系数为30ppm/℃。外部基准源可以直接连接到该引脚上。无论用内部还是外部基准源，该引脚都应使用10µF钽电容和100nF陶瓷电容对AGND进行去耦。AGND，这是模拟电路（即A