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毕业设计基于mps430电能表的原理设计摘 要 电能是现代社会中国民经济和人民生活的重要保障，随着社会的快速发展往往导致电能的供应与使用之间产生矛盾。为了解决这一矛盾，电能计量的分时计费方式可以通过调节人们的用电行为，对提高电能利用的合理性和缓解电力供需矛盾具有重要价值。但是传统的机电式电能表无法执行分时计量和分时计费的功能，因此基于单片机技术设计的新型数字电表是实现新型电能管理方式的前提。 本文首先介绍了电能表发展的历程以及现状，阐述了各种抄表计费方式并讨论了各自的优缺点，介绍了电能表技术发展的未来趋势。 然后论述了网络电能表的目标功能，对比了国内外各种系统结构设计方案优缺点，确定本课题中电能表的系统结构设计方案。针对功能的需要，选用了TI公司的MSP430E427为MCU设计网络电能表的检测和控制系统，简化了电能表的电路设计，提升了系统的处理能力：数据采集部分采用二相电能计量专用芯片ADE77_58，以提高电能表的精度：点阵LCD模块的使用，则提供了友好的人机交互界面：在分析目前常用的系统网络架构和嵌入式接入方案的优缺点的基础上确定了电能表的网络架构和嵌入式接入方案，运用MC39i无线GPRS通讯模块，嵌入TC P/IP协议栈，实现电能量参数的远程传输：对网络电能表进行校准，确保了电能表的精度。关键词：ADE7758 MSP430FG4619 液晶显示GPRS 通讯MC39iAbstractThe electric energy is a guarantee to national economy and daily life in modern society. With the fast development of the society， contradiction between the demand and production of electrical energy occurs. Time-scheduled tariff system， that changes users behavior in energy consuming and rationalizes the electrical energy utilization， is an effective and valuable measure to solve this problem. For the energy measurement the traditional mechanical electricity meter no longer can meet the requirements of this new tariff system， and microcontroller-based digital E-meter becomes the prerequisite and backbone of this tariff system. The paper first introduced energy meter developments course as well as the presentsituation， and elaborated each kind way of energy meter reading and discussed therespective advantages and disadvantages. Briefed the future tendency of the energy meter technological development. Then the topic elaborated the network energy meters goal function， compared to the advantages and disadvantages of various system constructions design proposal at home and abroad to determine the issue of the energy meter constructions design. According to need of function， TIs MSP430E427 is selected as energy meters MCU and design energy meters testing and control system to simplify the design of energy meters circuit and improve the systems handling ability： Data acquisition partuses electrical energy measurement special-purpose chip ADE7758 to improve the network energy meters precision： the use of LCD module provides friendly people-machine interface： In the analysis of current commonly used system network construction and the disadvantage and advantage of the embedded turning on plan ，the topic determine the systems network construction and the embedded turning on plan， communication module realizes the electrical energy quantity parameter long-distance transmission through the wireless GPRS MC39i and embedded TCP/IP protocol stack： The calibration of energy meter ensure the accuracy of energy meter.The paper introduced in detail the process of GPRS communication realization. According to systems own need， carried on the approprite cutting out to TCP/IP protocol stack not only simplified the TCP/IP protocol but also satisfied the network communications request of energy meter.Key Words： ADE7758 MSP430FG4619 LCD GPRS MC39i目录第一章 绪 论11.1 课题背景11.2 数字仪表的发展历程11.2.1 智能仪表的概念21.2.2 智能仪表的特点31.2.3 电子技术、计算机技术和网络技术的进步对智能仪表发展的推动41.2.4 虚拟仪表是智能仪表发展的新阶段51.3 国内外电能表技术发展的现状61.4 本章小结8第二章 总体方案102.1 测量的概念及原理102.2 电能参数的测量102.2.1 电压、电流测量102.2.2 功率测量112.3 多费率电能表的原理132.4 单项电能表原理152.5 有功电能计算162.6 最大需求量172.7 多费率电能表开发过程172.8 本章小结18第三章 电能表的硬件设计193. 1 硬件总体方案193.2 MSP430C3XX系列单片机203.3 中断与部分资源的应用设计243.3.1 MSP430的中断系统243.3.2 定时器的应用243.3.3 通用定时器/口263.3.4 通用口PO273.3.4 中断和部分资源的综合运用273. 4 ADC14的原理与电压电流输入通道的设计283.4.1 MSP430的ADC14模数转换模块283.4.2 电压电流输入通道的设计303.5 LCD接口模块及其应用323.6 串行E2PROM接口343.7 串行通信接口的实现343.8 本章小结36第四章 电能表的软件设计374.1 软件开发过程与手段374.2 MSP430的指令系统394.2.1 指令系统的运行环境394.2.2 指令系统简述394.3 电能表的主流程与模块化程序设计404.4 实时时钟的产生424.5 电能测量模块的设计434.5.1 计量原理的选择434.5.2 采样频率和采样时间长度的选择444.5.3 简化扫描原理444.5.4电能计费模块的软件设计484.6 E2PROM读写模块的设计494.6.1 I2C接口的模拟494.7 液晶显示模块494.8 串行通信协议504.9 本章小结52第五章 总结与结论53致 谢55参考文献561第一章 绪 论1.1 课题背景 电能是社会生产、人民生活必需的重要能源之一，随着国民经济的不断发展，电力需求急骤上升，电力供应与电力需求出现了不平衡。目前，全国一些省份存在电力供应不足，这不但阻碍了经济的发展，也妨碍了人民的生活。在世界常规能源日趋贫乏的今天，电能的节约与电能的有效利用具有重要意义。电能表是当前电量计量和经济结算的主要工具，随着现代检测技术、电气与电子技术的不断发展，使人们能够开发出功能更多、准确度更高的电能计量装置。 本课题研制了基于MSP430的单相多功能电能表，它具有分时计费功能，即对每天的用电量进行分段计量，实行分时计价，通过利用经济杠杆调节人们的用电行为，促进对电能的节约和有效的使用。1.2 数字仪表的发展历程 仪表技术的发展过程和一般事物发展的趋势一样，经历了一个从低级到高级的过程。它随着其他学科如微电子技术、计算机技术和网络技术的发展而发展。二十世纪五十年代，仪表技术发展取得突破，数字技术的出现使得各种数字仪表得以问世，将模拟仪表的精度、分辨力和测量速度提高了好几个数量级，为实现测试自动化打下坚实的基础。六十年代中期，l拍着计算机技术的引入，测一试技术又获得重大进展，开始了仪表数字化、数显化的历程，但是仪表还不具备记忆、数据处理、可控及人机对话等高级功能。进入七十年代，计算机技术进一步渗入，使仪表在传统的时域与频域之外，出现了数据域测试，被测系统的信息载体为二进制数据流，仪表前面板向键盘化方向发展。二十一世纪七十年代后期，出现了完全突破传统仪表的、全新的一代仪表。它内含微处理器，以微处理器为核心，具有信息、处理、数据处理、显示记录、传输与测量过程自动控制等一系列功能，甚至还具有辅助专家推断分析与决策，人们习惯上把这种仪表称为智能仪表。智能仪表的出现，极大地扩充了仪表的应用范围。智能仪表凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在科研领域和运用领域得到广泛的运用。1.2.1 智能仪表的概念 智能仪表是以微处理器或微控制器芯片(如单片机)为核心的可以存储大量测量信启、并具有对测量结果进行实时分析、综合和做出判断能力的仪表。智能仪表一般具有自动测量的功能和强大的数据处理能力，具有进行自动调零和单位换算的功能。能进行简单的故障指示，具有操作面板和显示器，有简单的报警功能。 从结构上看，智能仪表是一个专用的微控制系统。它主要由硬件和软件组成，图1-1是其典型的硬件组成图。图1-1 智能仪表的系统框图硬件部分包括输入通道、微控制器及其外围模块、标准通信接口和输出通道。一般的工作过程是：传感器拾取被测参量的信号转换成电信号，经滤波去除干扰后送入多路模拟开关：由微控制器选通模拟开关将各输入信号逐一送入放大器，放大器的信号经A/D处理后变换成相应的数据送入微控制器中：微控制器根据仪表所设定的初值进行相应的运算和处理：运算结果送入显示和打印：微控制器把运算结果与存储于片内的FLASH ROM或 E2PROM内设定的参数进行比较后，根据运算结构和控制要求，输出相应的控制信号：与计算机相联，使仪表可以接受计算机的程控命令，由计算机进行全局管理。智能仪表的软件部分主要包括测控程序和接口管理程序两部分。测控程序通过控制数据采集，对数据进行预定的设置：对数据存储器所记录的数据和状态进行各种处理：以数据、字符、图形等形式显示各种状态信息以及测量数据的处理结果：通过键盘操作输入，并存储所设置的功能、操作方式与工作参数。接口管理程序主要面向通信接口，其内容是接受并分析来自通信接口的各种有关功能操作方式与工作参数的程序操作码，并通过通信接口输出仪表的实时工作状态及测量数据的处理结果，响应计算机的远程控制命令。1.2.2 智能仪表的特点与传统仪表相比，智能仪表主要具有以下特点：1. 操作自动化。仪表的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示和打印都用单片机来控制操作，实现测量过程的自动化。2. 具有自动调整功能。包括自动调零、自动故障与状态检测、自动校准、自动诊断及量程自动转换等。3. 具有数据处理功能。这是智能仪表的主要优点之一。由于采用单片机或微处理器，使得原来许多硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题可以通过软件灵活地解决。4. 测量精度高。可以利用单片机或微处理器执行指令的快速性和A/D转换时间短等特点对被测量进行多次测量求其平均值，排除一些偶然的误差和干扰，还可以进行数字滤波，剔除粗大误差和随机误差。5. 具有友好的人机界面，智能仪表通过使用键盘代替传统仪表中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，实现预定功能。显示屏可将仪表的运行状态、工作状态和对数据的处理结果及时反映出来，使仪表的操作更方便和直观。6. 具有可程控操作的能力，智能仪表一般配有GPIB， RS232， RS485以及现场总线等标准的通信接口，可以很方便地和计算机或其他仪表组成用户需要的多种功能的测量系统，来完成复杂的测试任务。1.2.3 电子技术、计算机技术和网络技术的进步对智能仪表发展的推动1. 微电子技术的发展对仪表智能化的影响 微电子技术是微电子学中各种工艺技术的总称，它包括系统和电路的设计、工艺技术、材料设备、自动测试等一系列技术。 自从二十世纪五十年代末第一块集成电路问世以来，集成电路从在一个芯片上只有几个晶体管发展到今天有几十亿个晶体管的规模。微电子技术的发展基本遵循摩尔定律(每隔18个月集成度增长一倍)高速发展，七十年代芯片的线宽为5um，八十年代为1um，目前处于0.35um到0.25um之间，甚至已经达到0.13um。过去一块PCB板、一个机箱、一个机柜的仪表，今天可以集中在单个芯片上，系统设计已经从传统的PCB设计进展到专用VLSI芯片的设计，这对仪表技术的智能化有着重大影响。 对仪表来说，把一些性能要求很高的单元线路设计成专用的集成电路具有重大意义。专用集成电路ASIC的出现，为这一要求的实现奠定了基础。 现在可以把ADC、DAC、运算放大器、比较器等模拟电路、微处理器、DSP等功能部件以及闪速存储器、SRAM等大规模存储器集成在一块芯片中，从而减少了仪表开发中微处理器外围电路的扩展要求，减少了由于电路分散引起的外部干扰，提高了仪表的可靠性。2. 计算机技术的发展对仪表智能化的影响 自从迅猛发展的计算机技术及微电子技术渗透到仪表技术领域，便使该领域的面貌不断更新。通过计算机，人机交互的信息传送可以分为三个阶段： 单纯文字、字符、数据交互：多媒体信息、交互：虚拟现实的信息交互。数据信息也称为数字信息或数值信扁、文字字符信息又统称为非数字信息。这是传统的计算机信息交互方式。3. 网络技术的发展对仪表智能化的影响进入二十一世纪，以Internet为代表的计算机网络的迅速发展及相关技术的日益完善，突破了传统通信方式的时空限制和地域障碍，使更大范围内的通信变得十分容易，Internet拥有的硬件和软件资源正在越来越多的领域中得到应用，与此同时，高性能、高可靠性、低成本的网关、路由器、中继器及网络接口芯片等网络互联设备的不断进步，又方便了Internet、不同类型测控网络、企业网络间的互联。利用现有Internet资源而不需建立专门的拓扑网络，使组建测控网络、企业内部网络以及它们与Internet的互联都十分方便。伴随着网络技术的飞速发展，Internet技术正在逐渐向智能仪表设计领域渗透，实现智能仪表基于Internet的通讯能力以及对设计好的智能仪表进行远程升级、功能重置和系统维护。1.2.4 虚拟仪表是智能仪表发展的新阶段虚拟仪表是基于计算机的软硬件测试平台，利用现有的计算机，加上特殊设计的仪表硬件和专用软件，形成既有普通仪表的基本功能，又有一般仪表所没有的特殊功能的高档、低价的新型仪表。虚拟仪表由计算机硬件、应用软件和仪表硬件三部分构成，通过软件将计算机硬件资源与仪表硬件有机融合为一体，把计算机强大的数据处理能力和仪表硬件的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。 虚拟仪表的系统结构构成和传统的仪表一样，也由三部分构成：数据输入，进行信号调理并将输入的被测模拟信号转换成数字信号便于处理：数据处理，按测试要求对输入信号进行各种分析与处理：数据输出，将量化的数据转换成模拟信号并进行必要的调理。 虚拟仪表的主要特征是： 1. 灵活性。虚拟仪表把仪表功能交付给用户去实施。随着测量需要的变化，用户可以方便地增加硬件或软件组成部分，或者重新配置现有的硬件与软件组成部分。特别是当用户转移到下一个研究开发项目时，不必抛弃其硬件和软件，只需制作一种新的虚拟仪表：2. 功能强大。虚拟仪表既有仪表硬件的功能，又有计算机硬件的功能，更有计算机软件的功能，现有硬件发展迅速，软件技术也在不断发展，所以虚拟仪表比传统仪表功能大为增强：3. 使用方便，易于维护。虚拟仪表具有很友好的用户界面，窗口接口，这为使用和维护提供了有利条件： 4. 高性能价格比。虚拟仪表由需要部分专用硬件和软件，目前比较贵，但是由于虚拟仪表主要采用量大面广的普通计算机硬件和强大而成熟的软件环境，可实现灵活的仪表功能而具有重用性，所以具有优异的性能价格比和良好的应用前景。虚拟仪表的出现是仪表发展史上的一次革命，代表仪表发展的最新方向和潮流，将对仪表技术的发展产生不可估量的影响。1.3 国内外电能表技术发展的现状1. 电能表概述1880年，汤姆斯.爱迪生根据电解原理发明了电能表，但它只适用于对直流电能的测量。1888年，随着交流电的应用，人们开始研究交流电表。1889年，人们根据意大利的费拉里斯教授提出的感应式电能表原理成功地制造出了交流电能表即感应式电能表。当有交流电流通过时，其电压与电流线圈将交变的电压与电流转变成交变的磁通，驱动转动部分 (圆盘) 旋转，记录转动部分所转过的圈数，将其转换成相应的电能。到十九世纪末，经过诸多科学家的努力，研究出较完整的感应式电能表制造理论。 随着电力事业的发展和人们对能源的有效利用使得感应式电能表在使用过程中暴露出它固有的缺点：功能单一、准确度低、频率适应范围窄等。二十世纪六十年代，为了扩充电能表的使用功能，出现了感应式脉冲电能表。它依然采用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成电脉冲信号，通过电子电路对脉冲信号进行处理和计算，完成电能的计量工作。但并没根本上改变感应式电能表的缺点。二十世纪七十年代，研制成功电子式电能表，也称为静止式电能表。电子式电能表利用电子线路把单相或三相交流功率转换成脉冲或其它数字量。根据转换方式不同，全电子式电能表主要有热电变换型、时分割乘法器型和模拟/数字变换（ADC)型。热电变换型利用电能的热效应产生热量，再利用热电元件把热能转换成一个正比于电功率的电信号，热电变换型电能检测方式成本较高，适用于制造高精度仪表，不适合大规模生产。 时分割乘法器型的核心是时分割乘法器，它实质是一个脉宽、幅度调制器，输入时分割器的两路输入信号分别被进行脉宽和幅度调制，调制后得到的脉动信号的直流分量即为两路输入信号的乘积。时分割乘法器型电能表因其成本低，精度好而得到广泛运用，但一般适用于生产普通电能表，它的主要障碍在于功能扩展比较困难。模拟/数字变换型电能表将电压、电流瞬时值转换成数字量，由微处理器对它们进行分析处理，ADC检测到的是反映电量的最基本的量，微处理器对它进行各种数字处理，计算出瞬时功率、无功功率、视在功率、电能累计值、功率因素，电压电流的大小等。模拟/数字型电能表在精度、功能扩展、启动电流、频率的响应等方面都适于研制开发多功能电能表，因此获得广泛运用。电子式电能表与感应式电能表相比，有了质的飞跃，它具有测量精度高、功能扩展容易、可测频带宽等优点。2. 我国电能表技术发展的现状我国20世纪70年代开始用电子式电能表，先是依靠进口，到80-90年代国内已经能够生产0.05%级电子式电能表。经过十多年的发展，现在我国的电能表技术水平在大部分领域已经达到国外同类产品的先进水平。在市场经济下，人们对电能的计量的准确度越来越高，对用电的管理要实现智能化和自动化，这些都是感应式电能表无能为力的。近年来，高准确度、多功能、长寿命且能实现远程抄表的多功能全电子式电能表的出现，为电子式电能表取代感应式电能表创造了条件。3. 国外电能表技术发展的现状国外电能表技术的发展主要集中在电子式电能表的计量芯片上，而计量芯片的核心是乘法算法的实现方式。目前，乘法器与相关算法的实现主要有三种方式： 1. 采用硬件搭建构成内部运算乘法器： 2. 通过外部MCU软件编程实现乘法运算处理： 3. 采用DSP或专用计量芯片实现乘法处理，如采用ADC+DSP+MCU+计量软件或专用计量部件+MCU的解决方案，前者如由ATMEL公司的AT73C500和AT73C501制成的电能表，后者如由TI公司MSP430F42x制成的电能表。电能表未来的发展趋势是计量部分模块化，并能直接给出所有高精度的测量参数，以及控制部分功能扩展。在电能表的制造技术上，越来越多的新技术得到使用，如EDA(电子设计自动化)、CAM(计算机辅助制造)、CAT(计算机辅助测试)、SMT(表面贴装技术)等。1.4 本章小结本选题所要研制的单相多功能电能表拟解决以往此类电表普遍存在的精度差、功能有限、结构复杂、成本偏高等问题，本课题选择美国德州仪表公司(TI)的MSP430单片机作为电能表的微处理器，MSP430是超低功耗的16位单片机，采用精简指令集。它具有丰富的片内外设，功能强大，并且具有很低的电能消耗，特别适合在电池供电的设备中运用，图1-2是本选题开发的电能表的结构原理图。本单相多功能电表由输入转换部分、单片机部分、通信部分和输出部分组成。其中，电压电流经输入转换变成单片机可以处理的信号，单片机采用MSP430X3XX，通信采用红外通信方式，输出部分则是有关数据送LCD显示和脉冲输出。在研制过程中，精度、可靠性、功耗是侧重点，并充分考虑产品化的需要，采取了一些有利于推广的措施。参照电能表的有关标准，本电能表实现以下功能： 图1-2 多功能电能表结构1.电能计量：对市电的电压，电流采样处理，得到电压有效值，电流有效值，有功功率和无功功率等电能参数；2.费率管理：每天有3种费率可供选择；3.时间管理：具有日历、计量和闰年自动切换功能；4.通信：利用红外通信方式，与电能表手持抄录器交换数据；5.显示：可显示上月、本月总电量及各费率时段的电量。第二章 总体方案 电能表实际上就是一个自动化测控系统，设计时需要一个总体设计方案，以便后面具体设计工作的开展。2.1 测量的概念及原理 人们借助于专门的设备，通过实验方法对客观事物取得数量信息的过程称为测量。它与计量的区别在于：计量是以确定值为目的的一组操作。一般认为，以国家法定计量单位为计值单位进行的测量属计量的范畴。 按被测量值的获取方法，测量可以分为三类：直接测量、间接测量和组合测量法。 直接测量法是不需对被测量有函数关系的其它量进行测量而获得被测量值的一种方法。 间接测量法是通过对被测量有函数关系的二个或三个以上的相关量的测量而得到被测量值的测量方法。组合测量法是当各未知量能以某些可测量的组合形式表示(或改变测量条件未获得这种不同的组合)时，根据直接测量和间接测量所得的数据，通过一组联立方程而求出各未知量的数据。2.2 电能参数的测量2.2.1 电压、电流测量周期性电压、电流的瞬时值是随时变化的，所以一般用有效值表征它们的作功能力并度量其“大小”，如电流有效值的定义是一个周期性电流的作功能力和直流电流的作功能力相比，则有：在相同时间T内周期电流I流过电阻R所做的功与直流电流I流过电阻所做功相等，就称此直流电流的量值为此周期电流的有效值。直流电流I流过电阻R在时间T内所做的功为：周期性电流l流过电阻R，在时间T内，电流l所作的功为：根据以上定义，即于是，周期电流1的有效值为： (式2-1)同理，电压有效值V为： (式2-2)上面两式(2-1)和(2-2 )式，即是对电流、电压求均方根值的运算。根据周期性连续函数有效值的定义，将电压、电流函数离散化，得 (式2-3) (式2-4)式中u(n)和I(n)分别表示被测电压、电流信号离散采样值。2.2.2 功率测量电路由有源元件和无源元件组成，有源元件包括电源和反电动势，而无源元件可以分成两类：一类是耗能元件电阻R，另一类是储能元件电感L和电容C，工作中的电路中时时刻刻都在进行着电能和其它形式能量的相互转换。在含有储能元件电感L或电容C的正弦交流电路里，电阻元件(以及反电动势负载)的端电压与端电流方向总是相同的，其瞬时功率都为正，它把电能转化成其它形式的能量。而电感和电容上电压与电流的瞬时值在一个周期里有半个周期二者的方向相同，电能转化为磁场能或电场能储存在电感或电容内：另外半个周期中电压与电流的实际方向是相反的，磁场能或电场能转化为电能回馈电路。所以，储能元件能量的转换是双向的、可逆的，在一个周期内的平均功率等于O。有功功率定义为一周期内瞬时功率的平均值，由于储能元件一周期内瞬时功率的平均值为0，所以实际元件的有功功率也就是电路中电阻上耗能的规模。 无功功率反映了储能元件L或C在一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最大速率来表示。一般周期信号电路的有功功率为： （式2-5）其中T为周期信号的周期。式(2-5)经离散化可得 （式2-6）注意(2-6)式对正弦电路是完全适用的。由于储能器件的存在，单相正弦电路中的有功功率的定义为：其中v，了分别为电压、电流有效值，为功率因数，它反映了有功功率与视在功率S=叮的比值，而在物理上功体现为正弦的电压波形与电流波形之间的相位差。单相正弦电路的无功功率的定义式为： （式2-8）在这里会面临以下两个有待解决的问题：1)如何得到式(2-8)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Vl sin 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(2-8)式可以变换为： （式2-9）由式(2-9)可以看出，用电压采样值乘以滞后电压90“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： （式2-10） 这种计算称为无功功率的简单数字移相法，它要求被测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测量。 2. 视在功率法 实际运用中，电网还存在一些谐波成分，用式(2-10 )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。 用(2-3)和(2-4)分别求出有效值v， r，然后求出视在功率S = vl则有： (式2-11)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测量，并进而可推演出其它的一些被测量。2.3 多费率电能表的原理 多费率电能表又称为分时计费电能表或复费率电能表，它可按预定的峰、谷、平时段的划分，分别计量高峰、低谷、平段的用电量，从而对不同时段的用电量采用不同的电价。多费率电能表由电能测量单元和具有分时计量功能的电路组成，对电子式电能表而言，测量为了实现分时计量，电表设计的关键是设有计时准确、时段误差和日误差小、接通/切换准确的时钟和时控电路，多费率电能表原理如图2-1。多功能电能表的费率结构按照电能表的技术要求，主要规定了不同的费率结构，采用不同的费用结算方式，对电能表来说，需要存储费率结构的各种数据表格，包括日费率表、周费率表、季节费率表和节假日费率表等，这些表格不是孤立存在，而是一个有机的整体，通过软件判断，选择合适的费率，实现分时计费的功能。图2-1 多费率电能表结构图2.4 单项电能表原理 图2-2 单项电能表测量时序 被测电能E为 （式211）式中时刻的电流采样值(A)：时刻的电压采样值(V)：U时刻的电压采样值(V)：采样时间间隔(s)。t时刻则电流为 （式2-12）时刻电压采样值 （式2-13）时刻电压采样值 （式214）为被测电压和被测电流之间的相位差测量方法引入测量误差为： （式2-15）2.5 有功电能计算设在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： （式2-16） （式2-17）其中u时刻电压瞬时值：时刻电流瞬时值：电压峰值：-电流峰值：U电压有效值：I电流有效值：电压与电流相位差：一角频率。则在一个周期内平均有功功率P为 （式2-18） 一个周期内的电能W为 （式219）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。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。乘法器大体可分为模拟乘法器和以数字乘法器两类，模拟乘法器的又分为热电转换型、霍尔效应型和时分割型等：数字乘法器则包括以微处理器为核心的高精度A/D型和DSP型乘法器。不管哪种乘法器，都是以式(219)为理论基础形成的。初期的电子式电能表以时分割型为主的较多，目前的电子式电能表则以数字乘法器为主。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： （式220）式中u(k)，i(k)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(220)计算出被测的有功能量。街取得越小，则计算结果越准确。对三相计量来说，三相有功功率或者三相负载吸收的平均功率都等于它们各相的平均功率之和，即： （式2-21）2.6 最大需求量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。计量最大需量是为了调节用电负荷，作到负荷平衡，有利于提高电网设备利用率。其中为时刻，的差等于15或30分钟。在一段时间，内，记录下的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。2.7 多费率电能表开发过程本选题以美国德州仪表(Texas Instruments)公司生产的以超低功耗16位单片机MSP430X32X系列为核心开发多费率电能表，其开发过程遵循以下步骤： 1. 根据任务需求及单片机所能提供的资源(外围I/O接口、定时器、中断和计算时间等)在MSP430系列中选择最适当的型号： 2. 对硬件电路进行完整的设计，并按工作条件选择单片机外部器件： 3. 根据设计任务对单片机的RAM单元进行分配和定义： 4. 设计完整软件的流程图： 5. 软件模块化汇编语言编程，汇编与纠错： 6. 仿真调试与修改完善： 7. 现场试验和测试。2.8 本章小结