家用无线电量监测与控制装置设计
摘 要随着物联网技术的逐步发展，人们对家庭用电智能化管理的要求不断提高，普通的电子式电能表已经不能满足“智能电网”的需求。因此，基于所谓智能电表的用以实现家用电监测、安全、节电的控制设备也在不断出现。为了进行电网终端的智能化改造，实现家用电量的无线监测与控制，本装置通过对普通插座进行改造，采用模块化的设计思路，接入前端电路调理模块、电能计量模块、单片机模块、显示模块、继电器模块等，构建出一个基本的电子式电能表。在此基础之上，通过无线通信模块把各参数传送给家用电脑，在上位机使用组态软件MCGS搭建人机界面，将其以图表的形式显示出来，并制定报警机制、控制继电器的通断，实现了无线监测与控制的功能。前端电路调理模块使用变比为1000:1000的电压互感器和变比为1000:1的电流互感器将电网的电压、电流转换为mV级的差模电压信号，并输入由CS5460A芯片构成的电能计量模块，实现对电压、电流、电能等各项参数的测量与转换；显示模块使用1602液晶，将各参数进行本地显示；无线通信模块使用蓝牙串口，实现数据的无线收发；单片机模块使用STC89C52作为主控芯片，统筹各模块的工作。本设计综合运用了单片机技术、传感器技术、无线通信技术，成功构建了无线电量监测与控制装置，为电网的智能终端的设计提供了一个新的思路和可行方案。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 引言 1
1.1 无线电量监测与控制的意义 1
1.2 无线电量监测与控制的发展 2
第2章 装置概要设计与分析 5
2.1 设计功能要求 5
2.2 系统基本方案 5
2.3 装置模块划分 6
第3章 电能计量芯片CS5460A模块 9
3.1 电能计量模块功能需求及分析 9
3.2 CS5460A硬件分析与设计 12
3.2.1 CS5460A的工作原理及过程 12
3.2.2 CS5460A引脚和寄存器功能 14
3.2.3 前端调理电路设计 17
3.3 CS5460A程序分析与设计 18
3.3.1 串口时序分析 18<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
br /> 3.3.2 CS5460A寄存器读写程序 19
3.3.3 CS5460A初始化程序 21
3.3.4 数据处理程序 22
第4章 单片机及外围电路模块 25
4.1 单片机模块 25
4.1.1 单片机功能需求及分析 25
4.1.2 STC89C52引脚分配 25
4.1.3 1602液晶 27
4.2 5V稳压电源模块 29
4.3 温度传感器模块 30
4.3.1 温度传感器功能需求及分析 30
4.3.2 DS18B20硬件分析 30
4.3.3 DS18B20软件分析 32
4.4 继电器模块 36
4.5 无线串口模块 37
第5章 上位机组态软件MCGS 39
5.1 组态软件的功能需求及分析 39
5.1 MCGS简介 39
5.2 MCGS实时数据库与用户界面 41
5.3 MCGS报警机制与控制策略 42
5.4 MCGS脚本驱动与设备组态 44
第6章 总结与展望 47
参考文献 48
致谢 50
附录 51
第1章 引言
1.1 无线电量监测与控制的意义
电能是电力企业的一种商品，由发电厂生产并由供电部门配送，已经成为企业和居民不可或缺的消费品，也是我们日常生活中最为重要的能源需求。如何对用电量进行监测、计量并控制，关系到电力企业与用户的经济利益和环保节能的消费观念，从电能出现至今都一直是与其息息相关的重要问题。
近几十年来，国民经济迅速发展，人民的物质生活得到了极大丰富，生活质量不断提高，同时对电能的需求也越发增大。然而，与信息社会物联网普及的时代背景相悖的是，虽然目前大多数供电公司已经完成了企业内部计算机网络管理系统的研发与应用，但电力系统中总重要也最基础的数据：居民用电量的监测、管理仍然相当落后，相当大一部分居民小区仍然使用感应式电能表，每户或每栋安装一个电表，电力部门每月安排专人每家每户人工抄读电表读数记录用电量，在按价开单收费。这种先用电、后抄表、再付费的模式，无法实现每家每户用电情况的实时监测与记录，给居民带来了诸多不便，增加了电力部门的工作量[1]，并且，人力抄表存在很多的弊端：工作强度大工作效率却极其低下，人毕竟不是机器、电脑、难免会出现错抄、漏抄的情况，对一些违法窃电的行为也无法及时发现。抄表对人力资源、管理资源、电力资源都造成了极大地浪费，这种时代的产物也应该消失在人类发展的长河中了。
随着电力系统的改革以及智能电网的提出和发展，电力系统现代化建设的进程也已经有了长足发展，人工抄表与高度自动化的无人管理已经形成了鲜明的对比，最底层用户端的信息不清晰流畅掣肘了电力系统现代化的推进，电表全体更新换代已经被提上日程。普通的电子式电能表虽然实现了电能信息的数据化，但本身精度较之感应式电能表并没有什么优势，即使有些电子式电能表带有脉冲输出及RS232串行通信口,但受限于有限串口需要布线以及RS232串口通信距离有限，在保持高波特率下只能在15米内有效传输，诸多弊端使得大部分电子式电能表未能实现多机通信或与上位机通信，换言之，数据流仍未能接入电力系统，依然需要通过抄表来记录用户用电量，用户本身也无法方便快捷的查看当前的各项电能参数的信息。这不仅是对人力资源、芯片资源的浪费，也是物联网技术不够普及的表现。
在上述背景下，本设计提出一个家用无线电量监测与控制装置，应用单片机技术、电能计量芯片、无线通信技术，既能实现普通电子式电能表的功能：计量用户的累计用电度数，同时也能检测出实时的电流有效值、电压有效值、有功功率、功率因数和室温等参数显示在液晶屏上，并且，为了方便家庭用户自行监测各项电能参数，或出于安全、节能等因素的考虑需要通断电流，本设计利用组态软件MCGS在上位机构建出界面，通过蓝牙串口实现与下位机的无线通信和实时显示以及上位机控制电流通断等功能，从一定程度上弥补了现今常用的电能表的不足，为智能电网在用户端的构建提供了一个可行的方案。
1.2 无线电量监测与控制的发展
无线电量监测与控制的基础与核心在于由底层的电能计量芯片、互感器、单片机等构成的电子式电能表，其读取精度、通讯方式等等都决定了整个装置能否正常运作。
电能表的出现可以追溯到十九世纪末爱迪生利用电解原理发明了直流电能表，然而随着特斯拉发明的交流电的广泛应用，电能计量装置也有了新的要求和发展。从电能表的出现至今的大量应用已有一百多年的历史，随着电力系统及其相关产业的发展以及电能管理系统的不断完善，电能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程：由最初的感应电能表，发展到后来的感应式脉冲电能表，直至现在的纯电子式电能表[2]。
感应式电能表的原理是把电压、电流、相位转变为磁力矩从而推动铝制圆盘转动。因此感应式电能表的好处就是直观、动态连续、停电不丢数据。早期的电子式电能表仍采用感应式电能表的测量机构作为工作原理，由光电传感器完成电能脉冲转换，然后由电子电路对脉冲进行计数处理，从而实现对电能的测量。这种电能表是感应式测量机构加装脉冲发生装置的半电子式结构，只是电子式电能表发展过程中的过渡产品，被称作电脉冲式电能表。纯电子式电能表的原理是运用模拟或数字电路得到电压和电流向量的乘积，采用电子电路来实现电能计量，所以电子式电能表的共同特点是采用乘法器，根据所依托的乘法器为模拟的还是数字的分为模拟乘法器型电子电能表和数字乘法器型电子电能表[3]。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 引言 1
1.1 无线电量监测与控制的意义 1
1.2 无线电量监测与控制的发展 2
第2章 装置概要设计与分析 5
2.1 设计功能要求 5
2.2 系统基本方案 5
2.3 装置模块划分 6
第3章 电能计量芯片CS5460A模块 9
3.1 电能计量模块功能需求及分析 9
3.2 CS5460A硬件分析与设计 12
3.2.1 CS5460A的工作原理及过程 12
3.2.2 CS5460A引脚和寄存器功能 14
3.2.3 前端调理电路设计 17
3.3 CS5460A程序分析与设计 18
3.3.1 串口时序分析 18<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
br /> 3.3.2 CS5460A寄存器读写程序 19
3.3.3 CS5460A初始化程序 21
3.3.4 数据处理程序 22
第4章 单片机及外围电路模块 25
4.1 单片机模块 25
4.1.1 单片机功能需求及分析 25
4.1.2 STC89C52引脚分配 25
4.1.3 1602液晶 27
4.2 5V稳压电源模块 29
4.3 温度传感器模块 30
4.3.1 温度传感器功能需求及分析 30
4.3.2 DS18B20硬件分析 30
4.3.3 DS18B20软件分析 32
4.4 继电器模块 36
4.5 无线串口模块 37
第5章 上位机组态软件MCGS 39
5.1 组态软件的功能需求及分析 39
5.1 MCGS简介 39
5.2 MCGS实时数据库与用户界面 41
5.3 MCGS报警机制与控制策略 42
5.4 MCGS脚本驱动与设备组态 44
第6章 总结与展望 47
参考文献 48
致谢 50
附录 51
第1章 引言
1.1 无线电量监测与控制的意义
电能是电力企业的一种商品，由发电厂生产并由供电部门配送，已经成为企业和居民不可或缺的消费品，也是我们日常生活中最为重要的能源需求。如何对用电量进行监测、计量并控制，关系到电力企业与用户的经济利益和环保节能的消费观念，从电能出现至今都一直是与其息息相关的重要问题。
近几十年来，国民经济迅速发展，人民的物质生活得到了极大丰富，生活质量不断提高，同时对电能的需求也越发增大。然而，与信息社会物联网普及的时代背景相悖的是，虽然目前大多数供电公司已经完成了企业内部计算机网络管理系统的研发与应用，但电力系统中总重要也最基础的数据：居民用电量的监测、管理仍然相当落后，相当大一部分居民小区仍然使用感应式电能表，每户或每栋安装一个电表，电力部门每月安排专人每家每户人工抄读电表读数记录用电量，在按价开单收费。这种先用电、后抄表、再付费的模式，无法实现每家每户用电情况的实时监测与记录，给居民带来了诸多不便，增加了电力部门的工作量[1]，并且，人力抄表存在很多的弊端：工作强度大工作效率却极其低下，人毕竟不是机器、电脑、难免会出现错抄、漏抄的情况，对一些违法窃电的行为也无法及时发现。抄表对人力资源、管理资源、电力资源都造成了极大地浪费，这种时代的产物也应该消失在人类发展的长河中了。
随着电力系统的改革以及智能电网的提出和发展，电力系统现代化建设的进程也已经有了长足发展，人工抄表与高度自动化的无人管理已经形成了鲜明的对比，最底层用户端的信息不清晰流畅掣肘了电力系统现代化的推进，电表全体更新换代已经被提上日程。普通的电子式电能表虽然实现了电能信息的数据化，但本身精度较之感应式电能表并没有什么优势，即使有些电子式电能表带有脉冲输出及RS232串行通信口,但受限于有限串口需要布线以及RS232串口通信距离有限，在保持高波特率下只能在15米内有效传输，诸多弊端使得大部分电子式电能表未能实现多机通信或与上位机通信，换言之，数据流仍未能接入电力系统，依然需要通过抄表来记录用户用电量，用户本身也无法方便快捷的查看当前的各项电能参数的信息。这不仅是对人力资源、芯片资源的浪费，也是物联网技术不够普及的表现。
在上述背景下，本设计提出一个家用无线电量监测与控制装置，应用单片机技术、电能计量芯片、无线通信技术，既能实现普通电子式电能表的功能：计量用户的累计用电度数，同时也能检测出实时的电流有效值、电压有效值、有功功率、功率因数和室温等参数显示在液晶屏上，并且，为了方便家庭用户自行监测各项电能参数，或出于安全、节能等因素的考虑需要通断电流，本设计利用组态软件MCGS在上位机构建出界面，通过蓝牙串口实现与下位机的无线通信和实时显示以及上位机控制电流通断等功能，从一定程度上弥补了现今常用的电能表的不足，为智能电网在用户端的构建提供了一个可行的方案。
1.2 无线电量监测与控制的发展
无线电量监测与控制的基础与核心在于由底层的电能计量芯片、互感器、单片机等构成的电子式电能表，其读取精度、通讯方式等等都决定了整个装置能否正常运作。
电能表的出现可以追溯到十九世纪末爱迪生利用电解原理发明了直流电能表，然而随着特斯拉发明的交流电的广泛应用，电能计量装置也有了新的要求和发展。从电能表的出现至今的大量应用已有一百多年的历史，随着电力系统及其相关产业的发展以及电能管理系统的不断完善，电能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程：由最初的感应电能表，发展到后来的感应式脉冲电能表，直至现在的纯电子式电能表[2]。
感应式电能表的原理是把电压、电流、相位转变为磁力矩从而推动铝制圆盘转动。因此感应式电能表的好处就是直观、动态连续、停电不丢数据。早期的电子式电能表仍采用感应式电能表的测量机构作为工作原理，由光电传感器完成电能脉冲转换，然后由电子电路对脉冲进行计数处理，从而实现对电能的测量。这种电能表是感应式测量机构加装脉冲发生装置的半电子式结构，只是电子式电能表发展过程中的过渡产品，被称作电脉冲式电能表。纯电子式电能表的原理是运用模拟或数字电路得到电压和电流向量的乘积，采用电子电路来实现电能计量，所以电子式电能表的共同特点是采用乘法器，根据所依托的乘法器为模拟的还是数字的分为模拟乘法器型电子电能表和数字乘法器型电子电能表[3]。
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