1、毕业设计论文智能电表的设计 精品 2013届毕业生毕业论文题 目: 智能电表的设计 院系名称： 信息科学与工程学院 专业班级： 电子信息工程09级3班 学生姓名： 杨光 学 号： 200948300325 指导教师： 杨红卫 教师职称： 教 授 2013 年6 月3 日摘要随着科技的进步，电子产业的发展，人们生活水平的提高，电子式智能电表的出现势不可挡。智能电表相对于传统的机械式电表，具有精度更高，能够实现多费率计费，自动抄表，预付费等功能，优势不言而喻。相比传统电表需要电工去现场进行抄表，智能电表能够通过远程通讯进行抄表，这样就节省了大量的人力。同时，智能电表的多费率计费，能够让用户在电能生
2、产代价低的时候多用点。生产代价高的时候尽量节约用电。这样能够使发出的电能得到充分利用，有利于资源的节约。所以智能电表取代传统电表是大势所趋。智能电表具有数据保护功能，事件记录功能（如编程次数，失压次数等），远程抄表等一系列给基于集成电路而实现的功能。本文就一种简单智能电表的设计做出描述，主要通过载波通讯，485通讯，GPRS通讯，等各个单元来实现电表的数据传输，数据的显示，报警，远程抄表使电表具有简单的智能。本文通过对智能电表各个模块进行了简单设计，做出基本原理图。关键词：智能电表 485通信 智能 载波通信Title： The design of the smart meter Abstra
3、ctWith the progress of science and technology, the development of electronic industry and the improvement of peoples living standard. The emergence of smart meters is inevitable .Respect to the traditional mechanical meters, Smart meters is higher precision, further more, the smart meters have the f
4、unction such as achieve multi-rate billing, automatic meter reading, prepaid fees .The smart meter have the function of data protecting , event logging and automatic meter reading because of the IC. In this paper, a simple design of smart meters will be made description. It will make the data transf
5、er though GPRS and 485.Keywords: smart meters 485 smart Power Line Carrier目次1前言 21.1智能电表的概念 21.2智能电表发展概况 21.3智能电表的结构 31.4智能电表的主要特点 31.5智能电表研究的目的以及意义 32 智能电表的简单设计思路 52.1智能电表的硬件设计方法 52.2智能电表硬件设计 62.3智能电表的软件设计 83智能电表各个模块的设计 103.1通讯模块功能描述及设计 103.2 继电器模块功能描述 113.3继电器模块性能描述 123.4载波通讯部分电路及简要工作原理 123.5红外控制电
6、路及原理分析 143.6计量模块 153.7 ESAM 电路及原理分析 164 系统软件设计 175 智能电表常见问题分析 175 智能电表常见问题分析 185 智能电表常见问题分析 19结 论 20致 谢 21参考文献 221前言1.1智能电表的概念所谓智能电表就是就是基于单片机，集成电路使电表具有简单的数据分许能力及其他功能。相对于传统电表，智能电表是电子式的，通过对智能电表内部单片机进行编程，可以使智能电表按照程序去进行简单的操作，比如说，每天定时抄表，在程序中设定在每天的某个时刻，单片机读取电表数据并做记录。再通过GPRS模块进行远距离通信，这就使电表实现了无人自动抄表功能，也就有了简
7、单的智能。1.2智能电表发展概况目前，不但是中国，世界其他国家都在致力于发展智能电表。在各个国家的大型企业于国家电网关口基本都已经实现了电表的电子化，而这电子化的趋势正在向居民区扩散。在世界范围内，掀起了电网改造的浪潮，而实现电表的远程抄表，节约人力是各国发展智能电表的第一步，欧盟决定大比例提高其管辖范围的的智能电表覆盖率。而美国也决定增加其国内智能电表的数量，并大力发展智能电网。智能电网在未来几年里将成为世界的话题，世界各国纷纷宣布将大力发展智能电网，这样就使得其他节能方法得到带动发展，如风能和太阳能。有力在世界范围内实现资源的节约。在中国，在20世纪60年代就已经将眼光投向了电子式电表。说
8、明中国人民颇具慧眼。在国内，智能电表也在飞速发展，我国近年来在进行智能电网的改造，那么智能电表的研究当然必不可免的进入了国家的眼中。我们可以从资料中了解到，国家电网对于智能电表的每年招标数量在逐年递增。国家通过建立智能电表生产基地或者收购已有的电表生产企业来达到满足其日益增加的智能电表的目的。而国家也颁布了有关支持智能电表发展的文件，这就更加说明国家对于智能电表产业的关注。所以说，可以预见，在将来很长的一段时间内，智能电表将是电表行业发展重点。1.3智能电表的结构智能电表其实就是一台简单的微型处理器。它主要有硬件结构和软件结构组合而成。其中硬件主要有电源板，逻辑板，液晶显示器板构成。其中电源板
9、的作用就是通过电阻分压网络对电压信号进行取样，还有就是通过变压器及整流电路为逻辑板提供直流工作电源。而逻辑板，就是为芯片内部程序的实现提供硬件条件。它其实就是一个通道，经过取样的电流或者电压信号，通过逻辑板的电路输入计量芯片。液晶显示板就相对而言比较简单，芯片中经过计算得到的数据，通过电信号传达出来，液晶显示电路得到电信号后，在液晶显示屏幕中将数据显示出来，实现人们的读取。1.4智能电表的主要特点1、量正向和反向电能，这样人们不但能够从电网上取电用，也可以把自己发的电用不完后返卖给电网。2、分时计量功能，因为我们现在一些地区已经实行分时收费，也就是在用电高峰期电价和用电低峰期电价是不同，分时计
10、量能够有利于人们节约用电。3、时段、费率功能。4、抄表功能，智能电表能够通过其自带GPRS模块与服务器进行通讯，从而省去了传统电表需要人员现场抄表的麻烦。5、报警功能，当认为的打开电表后，电表会向服务器发出警告，有利于供电局对于偷电行为的监控6、费功能，现对于传统电表，智能电表能够实现预付费功能，能够减少频繁缴费的麻烦，使购电用电更加方便。 1.5智能电表研究的目的以及意义现在国家正在逐步推行智能电网，而智能电网的推行必须有智能电表与其搭配，从这方面讲，智能电表的研究是必不可少的。同时，现在全球都面临着资源短缺的尴尬局面，各国都在推出了节约资源的各种办法，其中智能电网的推广就是资源节约的一种办
11、法。利用智能电表进行计量的智能电网，可以根据用电的高峰或低谷进行电价的收费。众所周知，在用电高峰时，发电所需成本是要高于用电低谷的，有了智能电表，人们就可以根据用电高低峰来决定电量的使用情况，从而为国家节约资源。还有，传统电表需要人工去抄表，这就需要大量的人工成本，智能电表采取远程抄表，这样就节约了认购成本。大量智能电表中还有自动报警功能，可以杜绝偷电行为的发生，从而打击不法分子。而智能电表的预付费功能也为人们的生活带来巨大的方面。所以智能电表的研究是很有意义的。 2 智能电表的简单设计思路2.1智能电表的硬件设计方法智能电表其实就是一个含有微处理器和微控制器的简单微机，既然是“智能电表”我们
12、也可以把智能电表看作一个人。微处理器或者控制器就是智能电表的心脏，要想构成一个完整的人，仅仅只有心脏是不行的。作为人类必须的口耳是不能少的，这就像智能电表的通信端口，通过通信端口连接通信模块就可以实现信息的收发。而人们将看到的东西通过眼睛显现，智能电表则需要显示装置，通过显示装置来显示微处理器处理过的数据。人们需要储存营养，那么智能电表就需要储存数据，故而RAM和ROM也是必须的。有些东西人体不能直接消化吸收，需要胃来消化，而对于智能电表来说，有些数据不能够被微处理器直接分析，那么就需要A/D和D/A转换器来实现数据的转变。转变成微处理器能够理解的形式。人们通过手来触摸感知东西，智能电表则需要
13、传感器来传达。人们出现了什么问题会以生病的形式表现出来，在生病之前机体就会发出报警，所以智能电表也需要一个报警装置，不过智能电表的报警装置不是来表现自身问题的，而是防止窃电行为的发生。当有人试图打开电表盖篡改数据或者干一些其他违法勾当时，智能电表就会向中央处理器发出警告。这样一来，智能电表才能够像人一样，实现简单的智能。2.2智能电表硬件设计2.2.1 微处理器或者微控制器众所周知，微处理器或者微控制器是任何智能器物的核心，因为任何东西想要具有最基本的智能，那么他必须去运算一些数据或者储存一些数据。那么微处理器就是必不可少的了。微处理器就是一台小型计算机，他能后把得到的数据按照内部设计程序的要
14、求进行计算和处理。根据需要实现功能的不同，微处理器的选择也不同，这样才能发挥未处理的最大功能。本文选择的基本都是现在较为流行的芯片。2.2.2 传感器传感器是将外界输入的被测量信号转变成电信号的元器件或者装置。在智能电表中其占及其重要的作用。传感器的工作原理本文不做详解，但是我们知道，智能电表肯定是要测量电的，传感器就是将得到的信息的能量形式转变成电信号。这主要是因为电信号相比其他信号而言更容易进行操作。2.2.3 光耦光耦是以光为媒介传输电信号的器件，光耦是单项传输信号的。它的输出端与输入端是相互隔离的，而且是电气隔离，这样就避免了输出信号对输入信号的影响，使其工作更加稳定，而且其使用范围极
15、广，能够构成各种逻辑电路，关键是它的传输效率还高。其主要有光敏三极管和发光二极管构成。当发光二极管电路导通时，发光二极管发光，光敏三极管感光后电阻减小也导通。2.2.4 A/D转换器和D/A转换器A/D转换器是将模拟信号转换成微处理器能够处理的数字信号，而A/D转换器的使用是有要求的，它必须根据输入通道的总误差来决定使用A/D转换器的类型，因为不同的A/D转化器其精度与分辨率是不同的。选择正确的A/D转化器才能保证电表的实时性。而D/A转换器是将离线的控制信号转换成离散的模拟信号。这是实现智能所必须的。同样D/A转换器芯片的选择也是很重要的。这样在设计转换器时才能实现接口方面，电路的简单，价格
16、低廉的要求。2.2.5 智能电表的通信接口的选择（RS-485和RS-232）智能电表，通信接口是必须的。因为作为智能电表的一大功能，实现远距离通信是必须的。在国际上现在流行的通信接口是RS-485，所以在智能电表行业，多说485通信。RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（26） V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（26）V表示。相对于早些时候较为流行的RS-232,RS-485在接口信号所需电平降低了，这样以来能够更好地保护接口电路芯片。且RS-485D的电平与TTL电平能够实现兼容，这样与TTL电路的连接就不是问题了。RS-485的数据传输速率最高可达10Mbps。R
17、S-485将差分接收器和平衡驱动器进行了有机有效的结合，增强了其抗干扰性。相对于RS-232，RS-485实际可达3000米的传输距离更加具有优势。另外RS-232接口在总线上只允许连接1个收发器， 即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。2.3智能电表的软件设计在硬件设计完成情况下，开始设计软件流程图。因为电表的功能主要靠软件实现。软件来实现信号的处理计算等。首先要确定电表是否上电，也就是电表是否被安装。在确定已上电的情况下，进行系统的初始化，将电表出厂时自带数据去除。然后进行系统测试，看
18、系统是否正常工作。如果系统正常则进入下一步。这就是简单的准备程序。然后就是电表上的按键，扫描电表按键是否被按下，确定被按下则确定是按下哪个键，然后调用该键对应子程序。然后进行命令状态查询，受到命令后实行系统控制程序。这就是智能电表的基本程序框架。图2-2智能电能表的典型结构3智能电表各个模块的设计3.1通讯模块功能描述及设计MAX3085EESA芯片介绍：MAX3085是一块+5.0V工作电压，+15.0VESD保护，RS-485和RS-422通信系统的收发芯片，包含一个发送器和一个接收器。MXA3085传输和接受的数据传输率可高达2.5Mbps，为半双工型。另外，MAX3085有驱动使能和接
19、受使能管脚，当关闭时，驱动和接受输出为高阻。在上述电路中，为了实现零延迟，所以收发使能端不是由程序来控制的，而是有硬件来实现，这就需要两个光耦。同时程序要保证采用半双工的方式来传送数据，也就是说接受和发送不是同时进行的。当为RS-485接收器时其灵敏度为200mV，即差分输入电压UA-UB+200mV时，输出逻辑1；UA-UB-200mV时，输出逻辑0；-200mVUA-UB+200mV时，输出不确定。电阻R6、R7分别为A、B线上的上拉下拉电阻，通过这两个电阻使得当-200mVUA-UB+200mV 时，输出逻辑1。所以这两个电阻又被称为失效保护电阻（偏置电阻）。当接收器输入端开路、短路或总
20、线浮空（总线上所有驱动器输出为高阻时）均能起到保护作用。双二极管V1、V2起到电压钳位作用，使得电压范围在-0.7V到5.7V之间，在允许范围之内（接收器的共模输入电压范围是-7V到+12V），同时可以减小共模干扰。通过瞬变抑制器 TVS1 的稳压作用可以消除线路的浪涌干扰，工作更可靠。热敏电阻F1可以防止用户误操作时将强电施加于A、B端，从而保护转换电路不被损坏。光耦 U1、U2 的光电隔离作用隔离了外界干扰，以防止干扰直接进入主芯片，同时也提高了系统可靠行。电阻R8和电容C1的延时作用使得硬件控制发送时更可靠。3.2 继电器模块功能描述以输入的两个控制信号通过“磁保持继电器驱动电路模块”来
21、驱动磁保持继电器实现通、断控制。 继电器模块原理分析在空闲状态，JK_onJK_off0，三极管 Q3、Q4 无输入信号而截止，Q1、Q2 无驱动信号同时截止；输入继电器合闸信号“JK_on1， JK_off0”后，Q3导通，Q1获得驱动信号同时导通，Q4、Q2 无驱动信号截止，J1输出1+2-的驱动电压；输入继电器拉闸信号“JK_on0，JK_off1”后，Q4 导通，Q2获得驱动信号同时导通，Q3、Q1无驱动信号截止，J1输出1-2+的驱动电压。3.3继电器模块性能描述选用了低压降、高放大倍数的驱动三极管，最大限度的降低了功率管的损耗，提高了输出电压。由于采用了单级驱动，要求驱动输入信号要
22、有一定的高电平电流驱动能力。输出电流较小，一般应小于200mA。输入信号应有较强的高电平驱动能力（大于3mA）。表3-1 继电器工作原理空闲 JK_onJK_off=0J1 无电压输出（1+ 2+）JK_on 1， JK_off0J1 输出 1+ 2-JK_on 0， JK_off1J1 输出 1- 2+3.4载波通讯部分电路及简要工作原理载波通讯就是在供电同时进行电力使用情况的信号传输，主要采用两种电力线载波技术：窄带技术和扩频技术。窄带技术：模拟的FM(调频)、数字的FSK;扩频技术：直接序列扩频DS、调频FH。电力线载波通信所需要的直接序列扩频调制电路已经在PL3105芯片内部集成，外围
23、的配置电路主要包括功率放大电路、滤波整形电路、谐振电路、二次滤波电路。1、滤波整形电路由于放大后的信号Q 波形含有丰富的谐波成分，为减少对电网的谐波污染需要进行滤波整形。电感 L2、电容 C15 完成整形滤波后，再通过 耦合线圈 T1 耦合到低压电力线上，双向二极管 D9 起保护作用。2、载波发送电路图3-3 载波发送电路2、滤波整形电路由于放大后的信号 Q 波形含有丰富的谐波成分，为减少对电网的谐波污染需要进行滤波整形。电感 L2、电容 C15 完成整形滤波后，再通过 耦合线圈 T1 耦合到低压电力线上，双向二极管 D9 起保护作用。3、载波接收电路图3-4 载波接收电路如图3载波接收电路，
24、R11在接受本地强发射信号时可以有效地吸收衰减。电感 L1、电容 C10 组成并联谐振回路，谐振以中心频率为 120KHZ 进行设计，完成对有效信号的带通滤波，良好的选频回路可以有效地提高载波的接受你灵敏度。将接收到的信二极管 D2、D3 的作用是号电位钳制在0.7V。接收信号经 过电容 C12 后引入到芯片内部进行混频处理，SIGIN 载波接受信号被内部上拉后平移到 2.5V0.7V,以利于后续处理。3.5红外控制电路及原理分析红外控制电路实现的是对电表的远程控制，通过远程可以抄读电表的各种数据，一般有发射电路和接收电路两部分组成。HM238R芯片介绍：HM238R是一个微型的接收红外遥控的
25、控制系统。其优点是非常可靠，即使在干扰环境中也能防止不受控制的脉冲的输出。在现在广泛应用于红外遥控系统。红外发射回路是通过主 CPU 发出命令输出 38KHZ 的脉冲信号，电平信号的变化促使 LED 红外发射管导通并发射红外信号，相当于对 TXD-IFR 信号进行38KHZ 的脉冲调制；而如上图的接受回路，主要由红外接收管内部的电路来完成。当接收到的红外信号是38K时，V34138通过接收电路，在RXD-IFR红外信号接收处输出低电平，并将信号传送到CPU，友CPU处理并完成执行命令。否则的话，不执行红外接收命令。3.6计量模块计量系统通过电流互感器与采样电阻完成电流信号的取样，将电压取样信号
26、与电流采样信号都以电压信号送入计量芯片（电流采样部分有一些小电阻，把电流转换为电压）。通过对采样值的积分和软件滤波运算获得电压、电流值，通过对采样值的乘积运算获得对应的瞬时功率，然后通过对瞬时功率的积分，得到一段时间内的能量。CPU 对能量进行累加并以脉冲信号输出。CSG550 计量模块 CSG550 计量模块功能描述CSG550 是一颗高精度的单相电能专用计量芯片，适用于单相两线制和单相三线制系统，其内部集成了 3 路独立的二阶 -架构的 16 位 ADC，可同时采样一路电压、两路电流，测量功率、有效值、功率因数和频率等电参数。本模块主要实现了对单相交流电能进行精确计量，并能通过 SPI 通
27、信接口输出功率、有效值、功率因数和频率等电参数。电压与电流采样在能量的测量中，需要使用电压互感器和电流互感器将电力线相互隔离，这样以来就能减少电力线上交流信号对于输入通道信号的干扰。电压互感器具有高精度和低阻抗的特性。同时，它具有很小的延迟在高次谐波的情况下。3.7 ESAM 电路及原理分析 ESAM 模块功能描述在电网的售电系统中，ESAM在智能电表中主要扮演者保护者的功能，在有数据需要抄读或者发出，重要数据的储存时，都必须经过ESAM模块的安全认可。它就像运输部门的安检。只有远程主站和电表中的ESAM模块确定了数据和密钥的安全性后才能进行数据的传输。其中，ESAM重要有电网运行管理方负责，
28、这样有力于运营商对于用电安全的监控。4 系统软件设计智能电表的设计中，软件与硬件同样重要，如果说硬件是人类的躯体，那么软件就是人类的大脑。要想实现真正的智能，软件时必不可少的。硬件电路只有在软件在的指导下才能发挥它应有的作用。5 智能电表常见问题分析1、黑屏 电表黑屏的原因一般由以下几种情况引起：电压线断了或者未焊接，变压器坏了，5v电压接地，主芯片未烧写程序，液晶驱动芯片与主芯片数据线不通。2、红外通讯失败红外接收或者发送电路有漏焊或者连锡，红外发射二极管焊反，三极管损坏，红外接收管连锡或者损坏。3、插卡失败卡座上的线焊错位置，卡座金属片接触不好，卡座线路有不通的地方。结 论在智能电表中，计
29、量模块是其最基本功能，要做到计量的准确性。而GPRS功能则是其必要附加功能，智能电表的主要目的之一就是要节省人力抄表成本。所以在设计中，选用移动SIM卡来完成这样功能，在移动通信已经较为完善的今天，利用移动通信技术来解决远程抄表已不是难题。当然要注意电表周围移动信号的覆盖情况，不然会因为信号不好而导致电表在远程系统中的掉线情况，或者在线但数据难以抄回。同时也证实，红外通信技术在智能电表中的实现也已经比较成熟，利用手握式掌机，在电表附近利用红外通信进行参数的设置或者查询。同时，因为我即将从事电表的维修工作，所以我对智能电表的未来发展充满期待。可以想象在不远的将来，智能电网将覆盖全国，人们的生活用
30、电也智能化，那么不但为人们的生活提供便利，国家的资源也得到节约。同时，在智能电表的发张带动下，其他智能项目也将陆续出现，比如说智能家居。有中央控制器来控制所有家电，控制中心可以根据电价的不同来调整家电的工作状态，利用手机等移动设备来远距离与控制器通讯，远距离的来控制家电的运行状况。这样在下班途中就可以打开家里的空调，进入家门那瞬间就可以享受清凉夏日。致 谢经过几周的课程设计，在老师的指导下，我通过不断的翻阅资料的情况下，对于智能电表的工作原理有了基本的了解，也使自己对学过的数电等知识更加清楚明白。在实际应用中学的更多。因为自己将来参加的工作就是跟智能电表打交道，工作的内容就是智能电表的维修，现
31、在通过毕业设计使自己在进入工作岗位前对智能电报有简单的了解，对于智能电表的运行原理有了初步掌握，在今后的工作中将会产生巨大的效果，也让自己对即将到来的工作生活增加了信心。同时，经过这次毕业设计，我学会了自主学习，通过自己搜集资料来了解自己想要学习的东西，让电脑不再是手中的游戏机，这对于我来说无疑是一个巨大的长进。虽然现在对智能电表的了解还是皮毛，但是我相信在进入工作后通过自己不断的学习努力，一定能够全面掌握智能电表的运行原理以及常见故障的维护，让自己成为一个合格的维修员。在大学的最后一段时间里，感谢杨老师的辛勤指导，让我在离校前再一次得到一块魁宝。感谢我的母校，给了我学习的机会，让我从一个懵懂男孩成长为一名知道社会责任和家庭责任的男人。我会在将来的日子里不断努力，实现现在我以母校为荣，将来母校以为为荣的目标。参考文献1 童诗白,华成英,模拟电子技术基础M.北京:高等教育出版社,2006.5:3467.2 张毅刚,刘杰.单片机原理及应用M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2004,5:6791. 3 杨振江.智能仪表与数据采集系统中的新器件及应用.西安M:西安电子科技大学出版社,2001,7:75112.4 吴大正.信号与线性系统分析M.北京:高等教育出版社,2005,9:97110.5 樊昌信,曹丽娜.
