基于单片机的家用智能电表.docx
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基于单片机的家用智能电表.docx
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基于单片机的家用智能电表
基于单片机的智能电表的设计
学院:
专业:
姓名:
指导老师:
机械与车辆学院
机械工程及自动化
辛超
学号:
职称:
070401031032
王立涛、王五
教授、助教
中国·珠海
二○一一年五月
诚信承诺书
本人郑重承诺:
本人承诺呈交的毕业设计《脉动式无级变速装置的仿真及设计》是在指导教师的指导下,独立开展研究取得的成果,文中引用他人的观点和材料,均在文后按顺序列出其参考文献,设计使用的数据真实可靠。
本人签名:
日期:
年月日
基于单片机的家用智能电表
摘要
近年来,在低碳经济、绿色节能及可持续发展思想的推动下,如何进一步提高电网效率,积极应对环境挑战,提高供电可靠性和电能质量,完善电力用户服务,适应更加开放的能源及电力市场化环境需要,对未来电网的发展提出了更高的要求。
智能电网的概念应运而生并成为全球电力行业共同研究和探讨的热点,支撑中国乃至全球智能电网的将是通信技术、信息处理技术和控制技术。
智能电表作为智能电网建设的重要基础装备,加快智能电表产业链整合,促进其产业化,对于电网实现信息化、自动化和互动化具有支撑作用。
基于以上分析,本文研究旨在基于AT89C51单片机的智能电表的设计。
本文主要包括以下三个方面的工作:
(1)智能电表的设计背景、优点及发展现状
(2)智能电表的硬件和软件实现
(3)设计的结论分析、不足及未来的展望
关键词:
智能电表电能计量单片机AT89C51
Abstract
Recentyears,duetothepopulationofideas,likegreeneconomics,energysavingandsustainabledevelopment,higherrequirementsareproposedforfuturepowernetworktofutureimprovetheefficiencyofpowernetwork,copedwiththechallengefromenvironment,elevatethereliabilityofpowersupplyandthequalityofelectricalpower,perfectuserservice,andadapttotherequirementsfromenergysourcesandpowermarkets.Theconceptofsmartgridemergesasthetimesrequire,andbecomesaresearchinganddiscussingfocusinglobalpowerindustry.Itcanbeassumedthatcommunicationtechnology,informationprocessingtechnologyandcontroltechnologywillsupportthesmartgridinChina,eveninthewholeworld.Smartmetersisanimportantfundamentaldevicefortheconstructionofsmartgrid.Itacceleratestheintegrationofsmartmeterindustry,facilitatesitsindustrialization,andsupportstheinformation.automationandinteractionofpowernetwork.Uponaboveanalysis,thispaperrealizesthedesignofthesmartmeterbyAT89C51chip.
Thisarticleconsistsofthefollowingthreeareaswork:
(1)Smartmeter’designbackground,advantagesanddevelopmentstatus
(2)Smartmeter’shardwaredesignandsoftwaredesign
(3)Theanalysisofthedesign’sconclusions,thedesign’sshortageandtheprospectforthefuture
Keywords:
SmartMeter,PowerMeasurement,single-chip,AT89C51
前言
随着国民经济的不断发展,各地对于电能需求量也随之急剧增加,电力已经成为国家最重要的能源。
传统意义上的电力网已经很难满足这样的发展要求。
为此人们提出了智能电网的设想,以实现传统电网的升级换代,作为智能电网终端设备之一的智能电表改造工程正在上演。
智能电表是智能用电的重要组成部分,是实现双向互动智能用电的“末端神经”。
长期以来,我国居民用电的管理过于落后,一直采用的先用电、后抄表、再付费的传统作业模式。
这种管理方式给居民和管理人员带来诸多不便,而且还存在着一些弊端与浪费。
为了适应社会的需求,保证用户安全,方便,合理的用电,需要对传统的电表和用电管理模式进行改造,使之符合社会的发展需要。
基于以上分析,我选择了基于单片机的智能电表的设计。
1智能电能表概述
1.1智能电能表的概念
智能电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的测量信息并具有对测量结果进行实时分析、综合和做出各种判断能力的仪器。
智能电能表一般具有自动测量功能,强大的数据处理能力,进行自动调零和单位换算功能,能进行简单的故障提示,具有操作面板和显示器,有简单的报警功能。
此次设计的电表利用微机技术,通讯技术等等,减少了能量的消耗,把采集,处理集中于一体,节省成本和人力资源,提高了工作效率,适应了现代用户的需求
1.2智能电表研究现状及发展前景
中国是电能表生产大国,目前感应式电能表、电子式电能表和智能化电能表等主要产品都已经达到或接近发达国家技术标准,生产和研发能力也已经能够满足国际市场的不同需求,而且价格优势明显,在国际市场上具有较强的竞争力。
随着我国智能电网建设进程的不断推进以及相应的居民递增式阶梯电价改革模式的提出,对电能表等相关电能计量工具的要求也随之提高。
我国的智能电网技术与国外先进水平在技术上差距相对较小,加上其属于低碳经济的重要组成部分,因此具有稳定的高增长前景。
与国外相比,我国智能电能表功能完备、规范,阶梯电价、负荷控制等功能相对领先,更能满足我国智能电网建设工作需要。
我国用电户数众多,截至2009年底,国家电网公司系统服务的电力用户就达2.3亿户之多,推广应用智能电能表需要投入巨额资金,将现有使用的普通电能表全部更换为智能电能表需要一定的过程。
1.3智能电能表的典型结构
从结构上来说,智能电能表是一个专用的微型计算机系统,它主要由硬件和软件两部分组成。
硬件部分主要包括信号的输入通道,微控制器或微控制器及其外围电路、标准通信接口、人机交换通道,输出通道。
输入通道和输出通道用来输入输出模拟量信号和数字量信号,它们通常由传感器元件、信号调理电路、A/D转换器、D/A转换器等组成。
微控制器及其外围电路用来存储程序、数据并进行一系列的运算和处理,通常包括程序存储器、数据存储器、输入输出接口电路等组成。
人机交换通道是人与仪器相互沟通的主要渠道,它主要由键盘、数码拨盘、打印机、显示器等组成。
标准通信接口电路用于实现仪器与计算机的联系,以使仪器可以接受计算机的程控指令,目前用于智能电能表的通信接口主要有GPIB、RS-232C等。
1.4智能电能表的主要特点
与传统电能表相比,智能电能表具有以下几个主要特点:
1.测量精度高,可以利用微处理器执行指令的快速性和A/D转换的时间短等特点对被测量进行多次测量,然后求其平均值,就可以排除一些偶然的误差与干扰,还可以通过数字滤波,剔除粗大误差和随机误差的方法提高测量精度;
2.能够进行间接测量,智能电能表可以利用内含的微处理器通过测量几种容易测量的参数,间接地求出某种难以测量的参数;
3.能够自动校准,智能电能表在使用前进行自动校准,在测量过程中进行校准,从而减少误差;
4.具有自动修正误差的能力;
5.具有自诊断的能力,智能电能表若发生了故障,可以自检出来,仪器本身还能协助诊断发生故障的根源;
6.能够实现复杂的控制功能;
7.允许灵活地改变仪器的功能;
8.智能电能表一般都配有GPIB或RS232等接口,使智能电能表具有可程控操作的能力。
从而可以很方便地与计算机和其他仪器组成用户需要的多种功能的自动测量系统,来完成更复杂的测试任务。
2智能电能表的设计方法
2.1智能电能表的硬件设计方法
智能电能表中均含有微处理器或微控制器,在微处理器或微控制器的外围进行设备的扩展如程序存储器ROM、数据存储器RAM、键盘、显示器、报警装置和通信口。
作为一个完整的智能电能表还应包括输入通道和输出通道。
图2.1表述了智能电能表的硬件结构组成原理图。
2.1智能电能表硬件原理图
智能电能表实际上是一个微型计算机系统,它是具有微处理器或微控制器的,并有标准总线接口的新型仪器。
不同功能的智能电能表由不同部件组合而成。
智能电能表的监控程序固化在程序存贮器EPROM、ROM、EEPROM等中,被测参量通过传感器将非电量变换成电量,然后经过信号处理和模数转换后变为微处理器能直接识别的数字信号。
所采集的数据或从键盘上输入的数据以及经过一定的算法运算后的数据均暂存于片内数据存储器RAM中。
智能电能表的控制部分一般分两种情况,一是微处理器接受键盘输入的命令后,不需经过数模转换器,直接由接口输出控制信息和数据信息,去控制一些执行机构。
2.1.1微处理器或微控制器
微处理器和微控制器在智能电能表中都是智能电能表的心脏,它们的结构、特性对智能电能表的性能影响很大。
微处理器也是一种通用器件,如果给予足够的外部支持电路和处理时间,它几乎可以完成任何任务,数据处理和控制是微处理器的两个主要用途。
根据智能电能表控制功能和测量功能的不同选用合适的单片机作为智能电能表的核心,从而提高智能电能表的整体性能。
2.1.2传感器
传感器是将外界输入的被测量信号变换成电信号的元器件或装置。
它作为信息获取的工具和手段,在测量控制型智能电能表中占据了极其重要的地位。
传感器能转换信息存在的能量形式,通常是将其他能量形式转换成电量形式,以便进一步加工处理,传感器的输出往往总是电信号。
这主要是电信号较容易地进行放大、反馈、滤波、积分、微分、存储及远距离传送等操作。
2.1.3信号调理
信号调理装置是通过电子线路来实现模拟信号处理,一般包括放大、滤波、整形、检波、信号转换等功能环节。
信号调理的目的是对传感器输出的电信号进行必要的处理以满足信号处理后继环节的需要,使其输出信号适应A/D转换等环节的工作。
信号调理可以改善信号质量,还可以补偿传感器的非线性,提高信噪比,增强信号的环境抗干扰能力等。
2.1.4A/D转换器
微处理器能处理的信号应是数字信号,因此,在智能电能表的输入通道中加入能把模拟信号转换成数字信号的芯片即A/D转换器。
但并不是所有的输入通道都要加入A/D转换器,而是只有模拟量输入通道,而且输入微处理器的信号不是频率量而是数字码时,才用到A/D转换器。
使用A/D转换器时应先根据输入通道的总误差,选择A/D转换器的
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