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基于mcu的单相电表检测仪设计.doc
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1、摘 要单相电表检测仪是用于现场检验低压单相电能表计量是否准确的专用仪器。本文针对检测仪的技术要求,阐述了系统的总体方案设计、硬件电路设计和软件设计,分析了影响测量精度的主要原因及解决方法。本文的主要研究内容是针对低压单相电能表的现场检验,实现系统要求的检测功能和技术指标。采取的技术方案是以微控制器为核心,利用微型电压互感器和钳形电流互感器分别将单项供电电压和电流变换为弱电信号,实现对供电电路的电压和电流进行实时检测,同时通过电能计量芯片测量实际的有功功率,充分利用微控制器较强的运算功能,计算出一定时间内消耗的电能,同时利用光电采样器对被测表的计量的电能进行检测,从而计算出被测电能表的误差。现场
2、检验的特点是不停电接线,对于电流检测需采用钳形电流互感器,而钳形电流互感器的开口接触面存在空气间隙,使互感器的线形变差并存在较大的相移,且一致性较差。采用分段线性化处理,可以提高测量的精度。本文内容涉及微控制器、电气测量技术等多项应用技术,具有一定的应用价值与实际意义。关键词:微控制器;低压单相电能表;现场检测Title The design of local calibrating instrument for low-voltage Watt-hour meter based on MCU AbstractThe local calibrating instrument for the s
3、ingle-phase watt-hour meter is a special device that is used to measure the accuracy of low-voltage Watt-hour meter in scene examine. This paper, according to the technical requirements of detectors, tells us the overall design of the system, hardware and software circuit, and analyzes the reason of
4、 the impact of measurement accuracy and the main measures to solution.The main research content is the low-voltage single-phase watt-hour meter on-site inspection, the realization of the detection system requirements and technical indicators. The technical plan is taking the micro-controller as the
5、core, using the mini-voltage transformer and clamp current transformer respectively to transform the single power supply voltage and current transformation to the weak electrical signal, and to realize the real-time detection for the power supply circuit of voltage and current, at the same time, ene
6、rgy metering chip can measure the true value, take full advantage of strong computing microcontroller functions, to calculate within a certain period of time the power consumption, while using the optoelectronic sampler measurement to measure the watt-hour meter, then calculating the error of this m
7、eter.The characteristics of the on-site inspection is Non-power cables, The clamp current transformer is used to current detection, but the clamp current transformers interface exist air gap, causes the line of transducer become errand and exist in a bigger phase-shift, also the uniformity become wo
8、rse. Using partition linearity processing, that may enhance the survey precision.This article related to micro-controllers, a number of electrical measurement technology, applied technology, and have the application of a certain value and practical significance.Key words: The local calibrating; Low-
9、voltage Watt-hour meter; Microprocessor目次1 引言31.1 研究背景31.2 研究现状42 总体设计方案52.1 技术要求52.2 方案论证62.3 总体方案73 硬件电路设计83.1 单片机的选择及外围电路设计83.2 光电采样器的选择及接口电路103.3 电流互感器的选择与连接123.4 电压互感器的选择与连接133.5 电能计量芯片153.6 显示接口电路设计193.7 键盘接口电路设计213.8 电源电路设计224 软件设计234.1 主程序设计244.2 中断服务程序设计254.3测量误差程序设计25结论26致谢27参考文献28附录:电能计量
10、光电检测、键盘、显示及单片机外围电路设计图311 引言1.1 研究背景 电能是各类能源中使用最为广泛的能源,与国民经济的发展和日常生活有着不可分割的联系,随着人民生活水平的不断提高,家用电器越来越普及,每户居民的用电量也大大增加,因此每户居民每月的电费支出也大幅度地增长;随着社会市场经济的发展,新兴工业犹如雨后春笋,用电量大大增加。部分电力用户为了多用电少交电费,采取各种方法窃电,其主要方法是通过调慢电能表,使电能表显示的用电量比实际的用电量少,给国家造成了很大的经济损失。针对上述现象,供电部门采取多种方法对用户的电能表进行定期或不定期的校验或检查,采取的方法主要有:(1) 用钳形电流表、秒表
11、现场检测电能表的快慢。用秒表实测电能表每转时间T1;查看电能表铭牌上标明的常数,算出电能表每转1转所需电能,然后用钳形电流表测量电流求出有功负荷P,电能表每转1转所需电能与有功负荷之比得到的时间即为电能表每转所需时间T2。通过T1与T2的比较,就可以判断电能表是否正常工作,从而达到检测目的。(2) 通过检验电能表的外观,确定电能表有无破坏痕迹。这种方法包括:1) 检查电能表表壳、封铅、封条是否完好,表壳是否过热变形,有无微小孔洞及铁丝;2) 检查电能表接线盒是否封闭完好,进出线是否紧固,电压连接片是否压紧。3)核对电能表铭牌上的型号、出厂编号及所计量负荷性质等是否与抄表卡相同,若不符即有窃电行
12、为。4) 针对用户窃电的无线报警形式的电能计量保护监测系统。该系统由监测分机和主机两部分组成,当发生某种窃电现象或者计量装置遭到破坏偷盗时,分机将发出包含有本计量箱编号,窃电方式及盗窃破坏方式等信息的无线信号,主机收到后经过识别、处理发出声光报警。该系统经过实际使用,具有较好的防窃电保护电力设施的作用。(3) 在被测电能表电路中接入标准电能表,然后对被测表和标准表同时采样进行比对。(4) 采用专门的检测仪器对电能表进行校验。这种方法分为两种形式,一种方法是将电能表从供电线路上拆下,利用实验室的电能表校验台对电能表进行校验,另一种方法是不拆下电能表,利用电能表现场检测仪器对电能表进行现场校验。电
13、能表的现场检验因不影响用户用电而被供电部门广泛采用,随着计算机技术的发展,供电部门迫切需要一种携带方便,操作简单,计量准确的单项电表检测仪,用于用户低压电能表的现场检验。1.2 研究现状电能表的校验是否准确,取决于有功功率的测量是否准确,有功功率的测量属于电气测量范畴,在电气测量方面,国内外已有大量的研究成果,就测量方法和采用的技术手段综述如下。采用的技术手段上,一是采用微型计算机加数据采集卡,二是采用微处理器结合自行设计的数据采集通道。在互感器的选择上,一是在供电电路中接入固定式的电压互感器和电流互感器。二是电压互感器采用固定式,接线端使用线夹,电流互感器采用钳形互感器6。固定式互感器中磁路
14、是封闭的,因而具有较好的线形和较小的相移,可以得到较高的精度。但需要停电接线,不便于现场检测。电压互感器采用固定式,接线端使用线夹,电流互感器采用钳形互感器,现场不用接线。固定式互感器的优点是显而易见的,采用线夹后可直接加在供电线路的母线上,避免了现场检测需要停电接线的麻烦。但钳形电流互感器的接触面存在空气间隙,使互感器磁路的磁阻显著增大,且随工况不同呈现非线形,使互感器的线形变差,且相移较大,给功率因数的测量带来影响,为了弥补这一缺陷,对结果采用分段线性化处理,可以提高测量精度。在有功功率的测量方面,一是采用真有效值转换,分别测量出电压、电流和功率因数,利用微处理器计算出功率。二是采用有功功
15、率专用测量集成电路,直接测量出有功功率。三是利用各种数字式的电量传感器,测量出电压、电流、功率因数或直接测量有功功率。采用有功功率专用测量集成电路即专用电能计量芯片,直接测量出有功功率,测量方便,软件开销小,硬件电路简单。 2 总体设计方案2.1 技术要求本课题以MCU为核心,利用光电采样器对被测电能表进行采样,同时采用互感器及电能计量专用芯片对电能进行实时计量,利用单片机较强的运算功能,计算出被测电能表的误差,以检验电能表计量是否准确。具体要求如下:(1).电量测量范围:电压220VAC,电流040A,单相;(2).检验对象:单相电能表;(3).测量误差:0.5%FS;(4).测量方式:不拆
16、线不断电;(5).方便野外使用,强阳光下可清晰显示;(6). 220VAC供电。2.2 方案论证按照上述技术要求,系统应由互感器、有功功率测量通道、光电采样器、单片机、显示器和键盘几部分组成。系统组成图如图2.1所示。图2.1系统组成图利用互感器将供电电路的电压、电流转换为弱电信号,计算机通过有功功率测量通道对电参数进行实时采集并计算出电能,通过光电采样器对被测电能表进行采样,从而计算出被测电能表的相对误差。(1) 互感器方案一:在供电电路中接入固定式的电压互感器和电流互感器。固定式互感器中磁路是封闭的,因而具有较好的线形和较小的相移,可以得到较高的精度。但需要停电接线,不便于现场检测。方案二
17、:电压互感器采用固定式,接线端使用线夹,电流互感器采用钳形互感器,现场不用接线。固定式互感器的优点是显而易见的,采用线夹后可直接加在供电线路的母线上,避免了现场检测需要停电接线的麻烦。但钳形电流互感器的接触面存在空气间隙,使互感器磁路的磁阻显著增大,且随工况不同呈现非线形,使互感器的线形变差,且相移较大,给功率因数的测量带来影响。根据上述分析,结合低压电能表进行现场检验的特点,确定采用方案二。因要测量电压和电流,故需要一只电压互感器和一只电流互感器。(2) 有功功率测量通道方案一:采用有功功率专用测量集成电路。专用电能计量芯片,直接测量出有功功率。测量方便,软件开销小,硬件电路简单,对测量结果
18、采用分段线性化处理,提高测量精度。方案二:采用真有效值转换电路,分别测量出电压、电流和功率因数,利用微处理器计算出功率。便于对钳形互感器带来的相移进行修正或补偿,但电路较为繁琐,软件开销量较大。根据上述分析,确定采用方案一,有功功率测量通道由既是专用电能计量芯片。(3) 显示器方案一:采用LED显示器,即数码管显示。传统的数码管具有:低功耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高(低)温,对外界环境要求低,易于维护,同时其精度要求比较高,称量快,精确可靠,操作简单。数码管是采用BCD编码显示数字,程序编译容易,资源占用较少。方案二:使用液晶显示屏显示各种信息。液晶显示屏(LCD)
19、具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险,平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势,可视面积大,画面效果好,分辨率高,抗干扰能力强等优点。LCD符合本设计系统的要求,利用其自带的字符库,进行编程还可以实现各信息的显示,即节省资源又省去了大量编程任务,且在强光照射下的户外进行检测时,LCD可清晰地显示数值。根据上述分析,本设计系统采用方案二。2.3 总体方案根据上述方案论证,系统总体方案方框图如图2.2所示。图2.2 总体方案方框图被测电能表通过光电采样器进行检测。光电采样器是由光发射管、光敏接受管及整形电路组成。低压电能表的转盘均有一小部分为涂黑的区域,这部分区域对光的反射能力较弱,而未被涂黑的区域则对
20、光的反射能力很强。当光发射管发射的光经聚焦后照射到转盘上,在未被涂黑的区域,反射到光敏接受管,经整形后输出低电平;在涂黑的区域没有反射光,光电采样器输出高电平。这样电能表的转盘每转一转就输出一个正脉冲,从第一个脉冲开始到第N+1个脉冲止,电能表的转盘共转过了N转,已知电能表的转盘数B及配用电流互感器的互感比H,则电能表在转盘转过N转后所计量的电能如公式(2-1)所示。W1 = N H/B (2-1)实时检测部分的主要作用是利用图2.2中设计的单元电路对电参数进行实时检测,从而得到实际的有功功率。其过程如下:首先对电压和电流进行测量,然后把测量值送入CS5460芯片,每次采样后,利用单片机较强的
21、运算功能,计算出本次采样周期内消耗的电能W2i,则被测电能表的转盘转过N转后的实际电流,如公式(2-2)。W2 = W2i (2-2)显示部分主要用于显示电能表的相对误差,从误差的精度判断电能表是否正常工作。显示部分的选择有一定的要求,要考虑其显示的位数是否满足要求,是否便于携带,在强光照射下是否可以清楚读数。键盘部分具有手动测量功能和自动测量功能。手动测量在被测表的转盘不光洁或涂黑区域脱漆时使用。当手动键按下时,清零定时器T1及ti计时单元,开始W2的累加,当转盘转过N转时再次按下该键,则通过单片机计算出的r值送到LCD显示。自动测量键在任何时刻按下后,当第一个脉冲到来时,清除定时器T1及t
22、i计时单元,开始W2的累加,当第N+1个脉冲到来时,计算r值并显示。3 硬件电路设计3.1 单片机的选择及外围电路设计(1) 单片机的选择PIC系列单片机是Microchip公司生产的16位单片机,集成了CCP捕捉,PWM脉宽调制等功能,但是它单价较贵,又是精简指令集,给编程带来不便。ATEML公司的AT89C51单片机算术运算功能强大,变成灵活、自由度大,可用软件编程实现各种算法和逻辑控制,并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点,使其在各个领域应用广泛。基于以上分析本设计系统采用ATEML公司的AT89C51实现设计要求。1)AT89C51的简介AT89C51是低电压,高性能CMO
23、S 8位单片机,片内含8K字节的可反复擦写的制度程序存储器(PEROM)和256字节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(CPU)和Flash 存储单元,3个16位定时/计数器。2)主要性能参数:. 与MCS-51系列产品指令系统完全兼容. 4K字节可重复擦写Flash闪速存储器. 1000次擦写周期. 全静态操作:0Hz-24Hz. 三级加密程序存储器. 128 X 8字节内部RAM. 32个可编程I/O口线. 2个16位定时/计数器. 6个中断源. 可编程串行UART通道. 低功耗空闲和掉
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