基于单片机的电子式电能表设计与研究毕业论文

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5060Hz。

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感器接口设计； 6.内有电源监控；

7.具有负功率指示功能REV，可用于防窃电。

ADE7755内有两个Σ-Δ结构的采样频率为900kHz的ADC，将电流调理信号和电压调理信号转换成数字量。电流通道（通道V1）的ADC的前端有可编程增益放大器PGA（programmable gain amplifier），其输出经相位校正电路（消除高通滤波器的相位）和高通滤波器HPF（out

基准电压的输入，输出引脚。片内基准电压标称值为2.5V8%。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，该引脚都使用100钽电容和100nF瓷介电容对AGND进行去耦。 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。模拟接地面是所有模拟电路的接地参考点，如抗混叠滤波器，电流和电压传感器等。为了有效地抑制噪声，模拟接地面与数字接地面只应有一点连接。星形接地方法有助于使数字电流噪声远离模拟电路。 10、SCF

校验频率选择。该引脚的逻辑输入电平确定CF引脚的输出频率。 11、S1，S0

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

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之间，为ADE7755提供一个时钟源。

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

13 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。数字接地面是所有数字电路的接地参考点。 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。常用于仪表校验。

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。

3.3.2 电能计量电路设计

单相电子式电能表的电能计量电路如图3-5所示。

图3-5 电能计量电路

线路电压220V，基本电流I为10A，最大电流40A，动态范围400：1(规定准确度的电流范围为2%I~Imax，即200mA~40A)；计度器的电表常数C为100impkWh，即ADE7755发100个脉冲，计度器记录1kWh电能；经CF输出脉冲常数为1600impkWh的电能脉冲；为满足电流通道的动态范围且留有充分的余量，选用250的分流器；通过它将负载电流转换为电压，接到V1P和V1N引脚。线路电压经电阻网络分压，也降到允许的最大电压范围之内，接到V2P和V2N引脚。

负载电流为基本电流(10A)时，负载的功耗为P=220x10=2.2kW。乘以电表常数得I情况下的输出频率为

fF1?P?C?2.2?100/3600?0.06111Hz （3－1）

从最大电流为40A并留有足够余量出发，则此时最高输出频率为

14 fF1?P?C?8.8?100/3600?0.24444Hz （3－2）

本设计选择CF的脉冲常数为1600impkWh，通过跳线将逻辑输入引脚SCF， S1，S0的电平分别置“低”、“高”、“低”来设定。

利用分压电阻网络将220V线路电压降到242.3mV，则分压比为(2200.2423):1=908:1。

为了给ADE7755提供必要的电流和电压转换，本设计采用简单的电阻分压网络和分流器来实现。分流器的材料为锰铜合金，阻值为250。通过跳线将逻辑输入引脚G1，G0都置高电平来设定通道1的增益为16，此时输入最大电压为30mV。最大负载电流时经分流器产生的电压为250x10x40x0.00142 =14.2mV，小于30mV的最大值。利用分压电阻R00~R09组成线电压衰减网络。这种电路的特点是，即使当衰减程度改变时，通道1和通道2之间仍然保持相位匹配。在对电表进行校验时，采用逐次逼近的方法：通过跳线接通或断开来改变串联电阻的总阻值，直到在V2N引脚得到合适的电压值，从而使CF引脚输出精确的1600impkWh的电能脉冲。与可调电位器调整相比，这种方法检修和调节更方便、快捷，最重要的是更稳定可靠。

3.4单片机最小应用系统

单片机最小应用系统是电能表的核心部分。具体电路如图3-6所示。由于电能表本身要求功耗低和体积小，所以本机系统使用的是ATMEL公司的AT89C52单片机。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52主要管脚有：XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RSTVpd(9脚)为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3 为可编程通用IO 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口(32~39脚)被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。AT89C52有以下主要特点：

1. 兼容MCS51指令系统 8k可反复擦写(>1000次）Flash ROM 2. 32个双向IO口 256x8bit内部RAM

3. 3个16位可编程定时计数器中断 时钟频率0-24MHz 4. 2个串行中断 可编程UART串行通道 5. 2个外部中断源 共6个中断源 6. 2个读写中断口线 3级加密位

15 7. 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能

图3-6 单片机最小应用系统

3.5电源模块

电能表的电源管理模块应解决以下四个问题：

1. 将50Hz的电网220V交流电压变成电能表所需的直流低电压5V； 2. 将电能表与外界交流电网实现电气隔离，避免电网噪声的侵入； 3. 提供后备电池，确保电网停电时重要数据不丢失； 4. 将电网瞬时的掉电信号提供给单片机进行处理。

3.5.1系统电源的工作原理

电子式电能表交流电供电通常有工频电源、阻容电源、开关电源三种方式。为减小体积和降低成本，单相电子式防窃电电能表采用阻容降压直流稳压电源。阻容降压电源主要由降压限流、整流滤波、稳压三部分组成，原理框图如图3-7所示。

图3-7阻容降压电源原理框图

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