独立家用电器能耗测试仪的设计
引言 1
一、 设计思路和系统构成 2
（一）独立家用电器能耗测试仪的设计思路 2
（二）系统构成 3
二、 系统的硬件结构设计 4
（一）电能计量电路 4
1. ADE7755的功能特点及电能计量原理 4
2. 电能计量电路的硬件电路设计 5
（二）单片机控制电路 8
1. P89V51RD2的功能特点 8
2. 单片机控制电路硬件设计 9
三、 系统软件结构设计 13
（一）系统软件设计说明 13
（二）算法设计 13
1. 主程序 13
2. 按键检测子程序 14
3. 显示子程序 16
4. 外部中断0服务程序 16
5. 外部中断1服务程序 18
6. 定时器1溢出中断服务程序 18
四、 系统调试 20
(一) 软硬件调试 20
1. 硬件调试 20
2. 软件调试 20
3. 软硬联调 20
(二) 组装、外部接线说明 21
(三) 调试图片说明 22
1. 实时时钟电路调试 22
2. 单片机控制板调试 23
3. 电能计量电路板调试 23
五、 设计结论 25
结论 25
六、 收获与致谢 25
参考文献 26
附录1 各部分元器件清单 27
附录二 原理图 30
附录三 PCB板 33
附件四 程序 36
附件五 实物图 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
49
引言
随着电能开发及利用的加快，对电能管理和电能表性能提出了高精度、宽频率、多功能等更高的要求。电力系统也随之不断扩大，及提高电能合理利用率，使得传统的感应系电能表逐渐暴露出自身所具有的准确度低、适用频率范围窄和功能单一等缺点。为了替代感应系测量机构，改进电能测量的缺点，从20世纪70年代起人们就开始逐步研究并实验采用电子电路来测量交流电能。大大促进了电子电能式电能表的发展。
由于电能是电功率对时间的积分，所以任何电子电路式电能计量方案都是通过确定电功率来计量的。因此，根据乘法器是实现测量电功率和电能的电子电路的共同特点而设计独立家用电器能耗测试仪。这一设计主要应对普通居民用户日常生活用电及电能管理，通过及时了解家用电器的用电情制定合理的用电方案。在经济的发展以及人民生活水平的不断提高的今天，家用电器越来越多，对于电能的需求也越来越大。同时，用电环境也越来越复杂而且随时市场经济大发展，计费方式也越来越灵活，也更复杂。这样，对于电能表也提出了更高的要求。然而，目前，我国尤其是农村依然有很大一部分机械感应电能表，基于机械式电能表的固有弊端，机械式电能表已经或将不能满足电能计量的需要。电子式电能取代机械感应式电能表是一种必然趋势。这是从我国自身需求来看，电子式电能表会不断的发展以适应市场的需求。能源消耗日益严重，在能源紧张的今天，全国上下提倡科学用电合理用电，并在全国大多数的范围提倡复率计费错峰用电。在技术成熟以后，可以进一步研制电能计量装置具有非常重大的意义，它能对电能进行精确的计量，并且能对主要的电参数如电压，电流，功率，功率因数，及频率等进行监测，同时还具有存储显示功能。数字电能表的研制，大大促进了对电能的合理利用和调度。而智能化数字电表正向着多功能、数字化、网络化、智能化、实时互动化的方向发展，就是以单片机为核心，配以相应的测试电路、通过总线把多个智能化功能单元连成局域网，再由上位机测控软件实现。随着计算机、信息人工智能、自动控制、系统工程的发展，一个全新的智能化系统已经形成。集计算、信息、自动化、管理为一体的电能计量装置是发展的方向之一。电力检测仪实现智能化，能够进一步适应我国电力系统的发展，满足运营管理的需要，解决特殊负载用户的计量问题
在新世纪里，这一设计充满了广阔的前景和发展空间能有效的解决电力不合理利用，分布调配不均等现在面临的严峻问题。
一、 设计思路和系统构成
（一）独立家用电器能耗测试仪的设计思路
从原理上讲独立家用电器能耗测试仪其实就是一台功能特殊的单相电能表。电能表按结构及工作原理可以分为感应式电能表和电子式电能表。感应式电能表即传统的机械结构电能表，已经有百年历史，虽然它在技术上已经非常成熟，但仍存在一些明显的缺点。如使用中会有准确度低、适用频率范围窄、功能单一、机械磨损、抄表方式单一落后、容易窃电、无法满足复费率计费要求等，目前已经趋于淘汰。电子式电能表采用专用集成电路对电压和电流进行采样结果处理后输出频率与有功功率成正比的脉冲，再由微控制器（MCU）根据脉冲进行计算，实现电量显示，抄表等功能，它具有感应式电能表不可比拟的优势，将逐步的取代感应式电能表。根据这电子式电能表这一特点，研究设计的独立家用电器能耗测试仪，采用主要是基于电能计量芯片ADE7755和MCS—51系列单片机。主要任务是完成电能计量电路及显示的各个模块的硬件设计和软件设计的程序框图，实现电能采集、电能计量、电能显示等功能。设计思路如下图，从家用电器发出电压和电流信号，信号进去ADE7755的电能计量电路，经过电能计量电路处理将信号传输给单片机控制模块，经单片机处理，分别进行按键，数码管显示和定时器从而实现功能。本毕业设计核心技术为基于ADE7755的电子式电能表，原理框图如下图所示。
（二）系统构成
1．独立家用电器能耗测试仪的原理是利用单相电能表的原理，通过电流和电压的采样信号，分别经过 基于ADE7755的电能计量电路，电能计量电路低频输出是通过对电流和电压信号的有功功率信息的累计产生，即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功率。当这个平均有功功率信息进一步被累加，就能获得电能计量信息。电能计量板将电能计量信息传输给基于P89V51RD2单片机控制电路，控制电路通过按键板调节和数码管显示、时序电路控制电源开关等部分构成。通过电流、电压信号的采集，通过ADE7755的电能计量处理，以脉冲形势输入给单片机，实时时钟控制与单片机控制进行双向控制，单片机控制按键和显示电路将电能显示。独立家用电器能耗测试仪系统设计框图如图2-1所示。
图2-1系统设计框图
二、 系统的硬件结构设计
硬件电路的设计主要由电能计量电路、控制电路两部分构成。电能计量电路以ADE7755为核心，主要是对电流和电压2个信号的采集和处理从而获得电能计量信息传送给控制电路。控制电路经过单片机控制显示电路、按键电路、时钟电路等部分将电能计量的结果输出。
方案。它的极限参数和管脚排列如下图1-1、1-2所示。
图1-1 ADE7755的极限参数
图1-2 ADE7755的管脚排列
因为ADE7755只在ADC和基准电路中使用了模拟电路，其他的信号处理都由数字电路完成，这使得在恶劣的环境下仍然可以保持极高的准确度和长时间的稳定性，通过引脚F1、F2以低频形式输出有功功率的平均值，可以直接驱动机电式计数器，或者与微控制器接口，从引脚CF以高频形式输出有功功率的瞬时值，用于电能计量表的校准。芯片内部两个ADC对来自电流和电压传感器的电压信号进行数字化。使得ADE7755的模拟输入结构具有宽动态范围，大大简化了传感器接口和抗混叠滤波器的设计。电流通道中的HPF滤掉电流信号中的直流分量，从而消除了由于电压或者电流失调所造成的有功功率计算上的误差。有功功率是从瞬时功率信号推导计算出来，瞬时功率信号是用电流和电压信号直接相乘得到的。为了得到有功功率分量（即直流分量），只要对瞬时功率信号进行低通滤波就行了。下图示出了瞬时有功功率如何通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获取有功功率。这个过程中所有的信号处理都是由数字电路完成的，因此具有优良的温度和时间稳定性。ADE7755的低频输出是通过对上述有功功率信息的累计产生，即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功率。当这个平均有功功率信息进一步被累加，就能获得电能计量信息。从而获得独立家用电器能耗测试仪的电能计量。
一、 设计思路和系统构成 2
（一）独立家用电器能耗测试仪的设计思路 2
（二）系统构成 3
二、 系统的硬件结构设计 4
（一）电能计量电路 4
1. ADE7755的功能特点及电能计量原理 4
2. 电能计量电路的硬件电路设计 5
（二）单片机控制电路 8
1. P89V51RD2的功能特点 8
2. 单片机控制电路硬件设计 9
三、 系统软件结构设计 13
（一）系统软件设计说明 13
（二）算法设计 13
1. 主程序 13
2. 按键检测子程序 14
3. 显示子程序 16
4. 外部中断0服务程序 16
5. 外部中断1服务程序 18
6. 定时器1溢出中断服务程序 18
四、 系统调试 20
(一) 软硬件调试 20
1. 硬件调试 20
2. 软件调试 20
3. 软硬联调 20
(二) 组装、外部接线说明 21
(三) 调试图片说明 22
1. 实时时钟电路调试 22
2. 单片机控制板调试 23
3. 电能计量电路板调试 23
五、 设计结论 25
结论 25
六、 收获与致谢 25
参考文献 26
附录1 各部分元器件清单 27
附录二 原理图 30
附录三 PCB板 33
附件四 程序 36
附件五 实物图 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
49
引言
随着电能开发及利用的加快，对电能管理和电能表性能提出了高精度、宽频率、多功能等更高的要求。电力系统也随之不断扩大，及提高电能合理利用率，使得传统的感应系电能表逐渐暴露出自身所具有的准确度低、适用频率范围窄和功能单一等缺点。为了替代感应系测量机构，改进电能测量的缺点，从20世纪70年代起人们就开始逐步研究并实验采用电子电路来测量交流电能。大大促进了电子电能式电能表的发展。
由于电能是电功率对时间的积分，所以任何电子电路式电能计量方案都是通过确定电功率来计量的。因此，根据乘法器是实现测量电功率和电能的电子电路的共同特点而设计独立家用电器能耗测试仪。这一设计主要应对普通居民用户日常生活用电及电能管理，通过及时了解家用电器的用电情制定合理的用电方案。在经济的发展以及人民生活水平的不断提高的今天，家用电器越来越多，对于电能的需求也越来越大。同时，用电环境也越来越复杂而且随时市场经济大发展，计费方式也越来越灵活，也更复杂。这样，对于电能表也提出了更高的要求。然而，目前，我国尤其是农村依然有很大一部分机械感应电能表，基于机械式电能表的固有弊端，机械式电能表已经或将不能满足电能计量的需要。电子式电能取代机械感应式电能表是一种必然趋势。这是从我国自身需求来看，电子式电能表会不断的发展以适应市场的需求。能源消耗日益严重，在能源紧张的今天，全国上下提倡科学用电合理用电，并在全国大多数的范围提倡复率计费错峰用电。在技术成熟以后，可以进一步研制电能计量装置具有非常重大的意义，它能对电能进行精确的计量，并且能对主要的电参数如电压，电流，功率，功率因数，及频率等进行监测，同时还具有存储显示功能。数字电能表的研制，大大促进了对电能的合理利用和调度。而智能化数字电表正向着多功能、数字化、网络化、智能化、实时互动化的方向发展，就是以单片机为核心，配以相应的测试电路、通过总线把多个智能化功能单元连成局域网，再由上位机测控软件实现。随着计算机、信息人工智能、自动控制、系统工程的发展，一个全新的智能化系统已经形成。集计算、信息、自动化、管理为一体的电能计量装置是发展的方向之一。电力检测仪实现智能化，能够进一步适应我国电力系统的发展，满足运营管理的需要，解决特殊负载用户的计量问题
在新世纪里，这一设计充满了广阔的前景和发展空间能有效的解决电力不合理利用，分布调配不均等现在面临的严峻问题。
一、 设计思路和系统构成
（一）独立家用电器能耗测试仪的设计思路
从原理上讲独立家用电器能耗测试仪其实就是一台功能特殊的单相电能表。电能表按结构及工作原理可以分为感应式电能表和电子式电能表。感应式电能表即传统的机械结构电能表，已经有百年历史，虽然它在技术上已经非常成熟，但仍存在一些明显的缺点。如使用中会有准确度低、适用频率范围窄、功能单一、机械磨损、抄表方式单一落后、容易窃电、无法满足复费率计费要求等，目前已经趋于淘汰。电子式电能表采用专用集成电路对电压和电流进行采样结果处理后输出频率与有功功率成正比的脉冲，再由微控制器（MCU）根据脉冲进行计算，实现电量显示，抄表等功能，它具有感应式电能表不可比拟的优势，将逐步的取代感应式电能表。根据这电子式电能表这一特点，研究设计的独立家用电器能耗测试仪，采用主要是基于电能计量芯片ADE7755和MCS—51系列单片机。主要任务是完成电能计量电路及显示的各个模块的硬件设计和软件设计的程序框图，实现电能采集、电能计量、电能显示等功能。设计思路如下图，从家用电器发出电压和电流信号，信号进去ADE7755的电能计量电路，经过电能计量电路处理将信号传输给单片机控制模块，经单片机处理，分别进行按键，数码管显示和定时器从而实现功能。本毕业设计核心技术为基于ADE7755的电子式电能表，原理框图如下图所示。
（二）系统构成
1．独立家用电器能耗测试仪的原理是利用单相电能表的原理，通过电流和电压的采样信号，分别经过 基于ADE7755的电能计量电路，电能计量电路低频输出是通过对电流和电压信号的有功功率信息的累计产生，即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功率。当这个平均有功功率信息进一步被累加，就能获得电能计量信息。电能计量板将电能计量信息传输给基于P89V51RD2单片机控制电路，控制电路通过按键板调节和数码管显示、时序电路控制电源开关等部分构成。通过电流、电压信号的采集，通过ADE7755的电能计量处理，以脉冲形势输入给单片机，实时时钟控制与单片机控制进行双向控制，单片机控制按键和显示电路将电能显示。独立家用电器能耗测试仪系统设计框图如图2-1所示。
图2-1系统设计框图
二、 系统的硬件结构设计
硬件电路的设计主要由电能计量电路、控制电路两部分构成。电能计量电路以ADE7755为核心，主要是对电流和电压2个信号的采集和处理从而获得电能计量信息传送给控制电路。控制电路经过单片机控制显示电路、按键电路、时钟电路等部分将电能计量的结果输出。
方案。它的极限参数和管脚排列如下图1-1、1-2所示。
图1-1 ADE7755的极限参数
图1-2 ADE7755的管脚排列
因为ADE7755只在ADC和基准电路中使用了模拟电路，其他的信号处理都由数字电路完成，这使得在恶劣的环境下仍然可以保持极高的准确度和长时间的稳定性，通过引脚F1、F2以低频形式输出有功功率的平均值，可以直接驱动机电式计数器，或者与微控制器接口，从引脚CF以高频形式输出有功功率的瞬时值，用于电能计量表的校准。芯片内部两个ADC对来自电流和电压传感器的电压信号进行数字化。使得ADE7755的模拟输入结构具有宽动态范围，大大简化了传感器接口和抗混叠滤波器的设计。电流通道中的HPF滤掉电流信号中的直流分量，从而消除了由于电压或者电流失调所造成的有功功率计算上的误差。有功功率是从瞬时功率信号推导计算出来，瞬时功率信号是用电流和电压信号直接相乘得到的。为了得到有功功率分量（即直流分量），只要对瞬时功率信号进行低通滤波就行了。下图示出了瞬时有功功率如何通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获取有功功率。这个过程中所有的信号处理都是由数字电路完成的，因此具有优良的温度和时间稳定性。ADE7755的低频输出是通过对上述有功功率信息的累计产生，即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功率。当这个平均有功功率信息进一步被累加，就能获得电能计量信息。从而获得独立家用电器能耗测试仪的电能计量。
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