毕业设计(论文)-数字电度表的软件设计.doc
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1、河南理工大学万方科技学院本科毕业论文摘 要随着现代工业的迅速发展以及人民生活水平的不断提高,对电能的需求越来越大,这对电量的计量与管理提出了新的要求:实施分时电价,实现自动抄表和收费等。为了能够满足上述要求,数字电能表应运而生。 本文从硬件和软件两个方面分别对数字电度表系统设计进行了较为全面的阐述。硬件方面,以电能计量专用芯片SM9903和AT89C52微处理器芯片为核心,阐述了电能计量、控制部分、显示电路、电量信息传输、用电数据存储器扩展等五大模块的电路设计。软件方面,给出了主要子程序的设计流程图及部分程序的源代码清单,包括掉电能检测子程序、显示子程序、通信子程序及按键扫描子程序。 本设计为
2、数字电度表的软件设计,因此重点分析了软件设计,对硬件方面作了简单的介绍,并在结论中阐述了尚需进一步解决的问题以及下一步的工作内容。关键词:数字 电度表 SM9903AbstractWith the rapid development of modern industry and the continuous improvement of peoples living standards, the growing demand for electricity, which is the measurement and management of electricity has made new
3、demands: the use electricity price, automatic meter reading and charges. In order to meet these requirements, digital power meter came into being.This article from the hardware and software were two aspects of digital power meter system design a more comprehensive exposition. Hardware, energy meteri
4、ng to ASIC SM9903 and AT89C52 microprocessor as the core, on the power measurement, control of the show circuit, information transmission of electricity, electricity and other five major data memory expansion module circuit design. Software, is the main subroutine flow chart of the design process an
5、d some of the source code list, including the power-down routines can be detected, show routines, communications routines and keys scan routines. This design for digital electric meters software design, therefore the selective analysis software design, has made the simple introduction to the hardwar
6、e aspect, elaborated in the conclusion must further solve question as well as next step work content.Key words: Numeral Power meter SM9903II目 录1 前 言11.1 研究意义11.2 研究现状22 数字电度表概述32.1 数字电度表工作原理32.1.1 工作原理32.1.2 数字电度表工作过程42.2 电量信息传输方式42.3 数字电度表系统结构62.4 电能计量模块方案设计72.4.1 电能计量模块方案选择与确定72.4.2 有功电能计量的基本原理83
7、数字电度表的硬件设计113.1 数字电度表硬件设计113.1.1 硬件设计概述113.1.2 SM9903简介113.1.3 SM9903构成的电能计量电路设计133.2 模块电路设计143.2.1 控制部分电路设计143.2.2 显示电路设计153.2.3 电能存储器设计173.2.4 掉电检测电路设计173.2.5 信息传输电路的设计184 数字电度表的软件设计204.1 软件系统概述204.2 系统软件主程序设计204.3 电能计量子程序设计224.3.1 定时器0初始化224.3.2 定时器0中断服务子程序设计244.4 功能检测子程序设计284.4.1 电能检测子程序设计284.4.
8、2 显示子程序设计294.4.3 按键扫描子程序设计314.4.4 通信子程序设计325 结论与展望35致谢36参考文献37附录:38391 前 言电力作为动力资源在国民经济中占有举足轻重的地位,长期以来,由于供电能力不足,高电力市场供需矛盾突出,而且城乡部分企业,家庭偷电日趋严重。同时许多企业、家庭存在着欠交电费的问题。随着经济社会的发展,用电户大幅度增长,传统的抄表收费方式已经不能适应这种新形势的需求。1.1 研究意义随着电能管理向电子化、信息化方向发展,供电企业作为管理电力资源的主要单位,急需提高自己的管理能力。数字电度表应运而生,他不但实现了用电收费的电子化,而且改变了先用电后收费的不
9、合理状况,完善了电力销售环节,从根本上解决了人工抄表收费耗工费时的弊端,特别是可杜绝拖欠电费现象,加速了电力资金回笼,改善了供需关系,大大提高了用电计量、收费的科学化管理。普及数字电度表是提高现代化管理的最佳途径,推广使用势在必行。如今各种智能型的数字电度表已在智能小区、商场、学校等场所得到了广泛应用。数字电度表具有电能计量功能,能显示剩余电能值、已用电能值,还具有超负荷断电等功能。数字电度表可实现先付费,再用电,安全性高。电能的计量结果直接关系到供电部门和用户的经济利益,因此对计量的精度提出了较高的要求。由于电度表使用数量较多,成本控制显得也很重要。因此,开发出成本低、可靠性高、计量准确、安
10、全的智能电度表具有重要意义。1.2 研究现状长期以来使用的都是机械式感应电度表,它具有耗电多、笨重、需要手工抄表、防窃电性能低等缺点,随着微电子技术的迅速发展,微控制机(单片机)和大规模集成电路在电能计量领域的广泛应用,使电度表的技术水平和性能得到长足发展。智能抄表技术在国内外应运而生,国内外许多国家正在大力发展开发电能智能抄表系统的研制工作。在国外,如美国等发达国家已把智能抄表系统广泛应用于配电管理之中了。以色列尤尼克(Unique)技术公司开发了collectric集中抄表系统,利用现有的电网和电表,以电力线作为信息传递媒介,建立数据采集通讯系统,通过电力线载波技术将信息远距离传送。而由英
11、国自动化仪表公司本部策划,组织杭州沃制电力有限公司研制的IC系列电表,可按用户需要装上通讯接口,利用RS-485接口,零电压脉冲继电器输出或420mA线性输出进行运程监制。德国D-Tech公司为此专门开发了SMI专用模块,用于电子式电能表的数据采集,以400脉冲/度或800脉冲/度向外输出数据,在国内,虽然我国对智能抄表技术的研究起步较晚,但是发展速度很快。华立(Holley)集团、万胜(Wellsun)电力仪表公司、华电总公司特瑞电力设备公司、杭州奥特电力电子有限公司等均对自动抄表系统的开发大量投入。 数字电度表虽然只是普通计量器具,但由于微控制器的引入,对设计者提出了很高的要求。这是因为由
12、电源等引入的干扰很容易导致程序出错,可能引起不可预测的后果,诸如剩余电能等数据的丢失或改变、电度表死机等情况。数字电度表的工作条件相当恶劣,因此,对其可靠性的要求也相对较高。现在数字电能表已逐步取代以往的机械式感应电度表。目前,电能的计量方法已经十分成熟,已有用于计量电能的专用集成电路,可将电功率转换成频率信号供计算机处理。2 数字电度表概述2.1 数字电度表工作原理2.1.1工作原理数字式电度表是一种用于测量交流电度量的电子仪表。该测量仪表采用了数字电子技术。其转换电路,控制电路和显示装置均由集成电路片构成,与常规的磁电式机械传动计数电度表相比具有测量精度高,功能多等优点。既可累计显示每小时
13、用电量,又可累计显示,一日,一月,一年用电量,并有相应的时间显示,是目前使用的磁电式电度表的换代产品。数字电度表主要实现电能计量信息与监控系统之间数据传输,确保电量信息能直接,快速被监控系统掌握,从而即时做出反馈信息,并通过电表显示系统使用户直接了解电量剩余情况,然后要求用户在电力控制中心直接购电,经过单片机的处理和控制,用户从电力管理部门购买的电量通过电力通信传输系统传递给电度表。单片机将新的购电量和原表内剩余电量相加得到新的剩余电量,存于可断电保存的芯片中,借用有功电能测量集成电路SM9903它能将正弦电压和电流相乘后,转换为频率输出。只需对输出脉冲累计计数,就可计量出电能。并通过液晶显示
14、器显示剩余电量,每用一度电,单片机内剩余电量减一度,当单片机内剩余电量减到不足20kW.h时,监控中心反馈信息通过表在液晶显示器上显示“请及时购电”以提醒用户余电不多,请及时购电。当表内剩余电能“0”时,内继电器切断用户供电,用户需到电力中心再次购电,方可得到供电。达到先购电后用电,方便电力部门收费管理的目的。2.1.2数字电度表工作过程(1)用户将在控制中心购买电能并通过电力传输系统传输电能量到电度表由显示系统总剩余电能值。(2)实现电能计量信息与监控系统之间数据传输,确保电量信息能直接,快速被监控系统掌握,从而即时做出反馈信息。(3)电度表正常工作时,液晶显示剩余电能值、己用电能值,使用户
15、直观地了解电度表的工作是否正常及用电负荷的大小。(4)用电时,能按二级表(误差为2)的精度计量电能,并随时改写剩余电能和已用电能。(5)当表内剩余电能不足20kW.h时,在液晶显示器上显示“请及时购电”以提醒用户余电不多,及时购电。(6)具有掉电保护功能。掉电时,自动把剩余电能从RAM转存储在EEPROM中。(7)当表内剩余电能为“0”时,自动断电,这时用户不能用电。在用户将重新购电的时,电度表完成上述第一项的功能,恢复供电。2.2电量信息传输方式电量传输方式的选择与确定电量信息传输是数字电度表将电量信息反馈给控制中心,当电量低于某一值时,通知用户购电。电量信息极为重要,他直接反映用户的用电信
16、息,一旦出现差错或流失,后果十分严重,这要求电量信息在传输时要准确无误,同时要考虑成本。方案1:基于RS485通信技术RS-485通信技术以RS485接口芯片为核心。RS485接口芯片广泛应用于工业控制、仪器、仪表、多媒体网络、机电一体化产品等诸多领域。RS-485接口在不同的使用场合,对芯片的要求和使用方法也有所不同。使用者在芯片的选型和电路的设计上应考虑相关因素,由于某些芯片的固有特性,通信中有些故障甚至还需要在软件上作相应的调整。在RS-485总线构筑的半双工通信系统中,在整个网络中任意时刻只能有一个节点处于发送状态并向总线发送数据,其他所有节点都必须处于接收状态。如果有2个节点或2个以
17、上节点同时向总线发送数据,将会导致所有发送方的数据发送失败。因此,在系统的硬件设计中,考虑到数字电度表的实际需要,有时需要同时收发多个数据,如果选用RS-485作为通信方式,那么在通信中难免会出现数据收发失败或流失,这对通信准确性要求的数字电度表来说,是不能接受的。同时RS-485通信时,需要铺设专门的双绞线作为通信信道,这样不得不付出大量的额外费用,增加了成本。方案2:电力载波通信电力载波通信技术用现有交流电源线作通信线路, 省去不切实际的铺线工程, 具有通道可靠性高、投资少见效快、与电网建设同步等无法比拟的优越性, 现已成为电力系统应用最为广泛的通信手段。特别是利用相关芯片加以处理后的电力
18、载波通信方式能满足多种要求,实现远程抄表的数字电度表, 它能实现各个电力用户用电量的自动记录、传送等功能, 使得在供电局抄表中心便能查询用电情况, 自动抄收用户电表数、计算电费等, 由此带来的经济效益及社会效益都将非常可观。当它对用户用电情况进行实时监控管理时,是通过微机与用户电子电度表的全双工或半双工数据通讯实现的。微机作为监控管理中心与用户电子电度表之间数据信息的传输通道直接采用220V交流供电线路。显得经济、简便,其组成框图如图2.1。计算机电力调制解调器结合设备波阻器波阻器用户1用户N1用户N2用户2用户323213333232222n3用户n图2.1 信息传输方框图图示中用户即为具通
19、讯功能的电子电度表。由于采用220V 交流供电线路作为有线载波通讯的信道,因此在信道与调制解调器间设置有结台设备。一方面将载波信号传送到信道(即220V供电线路上),另一方面隔离220V50Hz的工频交流电流入调制解调器。另一端的结合设备和调制解调器包含在用户电子电度表中。对于不属于管理范围内的用户,可以用高频波阻器进行隔离。高频波阻器阻止载波信号的通过,对220V50Hz的工频交流电的通过无任何影响。这样监控管理中心便可对界定范围内之用户的用电情况进行实时监控管理(监视用电情况、对用户进行限电、断电、供电等功能)。综上所术,选择方案2能满足电量信息的传输的要求。2.3 数字电度表系统结构 数
20、字电度表的硬件电路可分为电能计量模块、显示模块和信息传输模块。硬件结构如图2.2所示。CPU电能计量模块显示模块信息传输模块图2.2数字电度表的系统图其中,电能计量模块完成电能测量等功能;信息传输模块主要是实现电量信息的传输;显示模块主要是显示电量信息。前者主要追求可靠性后者要求高安全性。下面分别对其方案进行设计和论证。2.4 电能计量模块方案设计2.4.1 电能计量模块方案选择与确定在实际应用中,电能计量模块主要存在功率累加式、电压频率转换式、机械电子式和模数转换式四种方案。其中,功率累加式比其他方案更具优势,由于本设计为单相预付费电度表的软件设计,所以对其他三种方案不一一详述,仅将功率累加
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