摘 要

现代化社会，能源是不可缺少的一部分。作为居民日常生活密不可分的电能更是为生活提供了巨大的便利。在2009年国家电网首次对社会公布“智能电网”的发展计划，智能电网从此逐渐走进日常生活。而随着智能电网的发展，现代生活对居民家庭计量电能的功能电表就提出了更加严谨的要求。目前为止，城市范围内的智能电表安装已经基本普及，但在部分农村偏远地区，仍然存在老式电表，需要电网工作人员进行上门抄表、收费等等人工操作，增加了非常多不必要的工作量。

而目前部分小城市的电表，其智能管理与安全性和保密性较难满足智能电网管理与建设的需要，因此研发预付费智能电能表就对智能电网的建造与发展具有重要意义。本次设计就此情况设计了以IC卡预付费功能为前提的数字电能表，实现了电卡计费，节省人工成本。本设计以单片机AT89C51为核心，电能计量芯片采用ADE7755，并设计了IC卡充值电费电路、时钟电路、存储电路、显示电路、电能计量电路等等功能电路。软件方面使用Keil C51软件进行C51编程与Proteus画的硬件电路相结合，并在进行适当的电路调整后，成功实现了Proteus电路仿真，论证了方案的正确性。

关键词：电能表；AT89C51；仿真；IC卡计费；ADE7755

Abstract

In modern society, energy is an indispensable part. The electrical energy that is in contact with the daily life of residents is a great convenience for life. In 2009, the State Grid announced the development plan of the “smart grid” to the public for the first time, and the smart grid gradually entered daily life. With the development of smart grids, modern life has put forward more stringent requirements for the functional meters of residential households measuring electrical energy. So far, smart meter installations in urban areas have been basically popularized. However, in some rural remote areas, there are still old-fashioned meters, which require grid staff to perform on-site meter reading, charging, and other manual operations, adding a lot of unnecessary workload. .

At present, in some small cities, the smart meters, smart management and security and confidentiality are difficult to meet the needs of smart grid management and construction, so the development of pre-paid smart energy meters is of great significance to the construction and development of smart grids. This design has designed a digital watt-hour meter based on the prepaid function of the IC card in this situation, which has realized the billing of the electric card and saved labor costs. The design of the microcontroller AT89C51 as the core, energy measurement chip using ADE7755, and designed the IC card recharge power billing circuit, clock circuit, storage circuit, display circuit, energy metering circuit and other functional circuits. The software uses Keil software to combine the C51 programming with the hardware circuit of the proteus drawing. After appropriate circuit adjustments, the Proteus circuit simulation is successfully implemented and the correctness of the program is demonstrated.

Key words: Energy Meter; AT89C51; Simulation; IC Card Charging; ADE7755

目 录

第1章 绪论 1

1.1 当前国内电能计量装置情况 1

1.2 老式电表存在问题 1

1.3 研究意义 1

1.4 本文设计的主要内容 2

第2章 电能计量原理与芯片硬件电路设计 4

2.1电量计算理论与应用 4

2.2 ADE7755原理基础 5

2.3 以ADE7755为核心的电能计量电路设计 8

2.3.1 ADE7755外围元器件的选择 9

2.3.2 ADE7755与单片机的接口 11

第3章 基于单片机的数字电表硬件原理图设计 12

3.1总体系统设计思路 12

3.2 硬件设计 13

3.2.1 单片机最小系统 13

3.2.2 时钟电路 15

3.2.3 显示电路 17

3.2.4 存储电路 20

3.2.5 IC卡值模块 21

3.2.6 报警电路 22

3.2.7 用电控制电路 23

3.2.8 电源电路 23

3.2.9 键盘扫描电路 25

第4章 基于单片机的数字电表Proteus仿真设计 26

4.1 软件选择 26

4.2 数字电表仿真原理分析 26

4.3 仿真结果分析 28

4.3.1 Ptoteus仿真电能表正常运行结果 28

4.3.2 电能表电费低于10元报警 29

4.3.3 时间设置模块 29

第5章 基于单片机的数字电表Keil C51软件设计 31

5.1 软件设计总体结构 31

5.2 程序设计 32

5.2.1 显示子程序的设计 32

5.2.2 时间数据读取子程序 32

5.2.3 显示电量与电费子程序 33

5.2.4 键盘扫描程序 34

5.2.5 报警及中断子程序 35

总结 37

参考文献 38

附录A 39

附录B 42

致谢 64

第1章 绪论

1.1 当前国内电能计量装置情况

在中国经济飞速发展的背后，能源产业的腾飞起了不可或缺的重要作用，其中电能产业更是一马当先，成为中国的支柱产业。但是对于目前社会的电能需求来说，用电管理方式仍然与制度不相互匹配，处于比较落后的状态。目前仍有很多地区仍然使用先装电表，用电后抄表付费的较为传统的作业方式。而此管理方式不仅对于用户来说不方便，而且对于管理人员来说都是非常不方便的。为了跟上现代化智能电网的飞速发展，在保证用户安全、合理用电的前提下，就需要改进传统电表以及用电方式。国内在近些年来开始生产以及使用较为简单的数字电能表，但大部分仍采用人工抄表的方式记录电费。为了满足当前社会信息化，网络化时代提出的要求，电力系统必须要逐步智能化起来，人工抄表对于智能化电网就是一个非常大的障碍，必须予以突破。

1.2 老式电表存在问题

老式转盘电表仍然采用转盘显示电量参数。这种方式无法实现远程抄表，必须电网工作人员上门抄表，并且在抄表过程中有几率会出现错误。上门抄表的用户很多都住在偏远地区，甚至出现走了好几公里山路只为了抄一家电表的情况。这样不仅仅浪费了人工成本而且对居民以及电网双方的切身利益都造成了很大的损失。且老式电表存在收费困难问题，零散住户以及欠费用户的缴费难解决。并且由于老式电表多采用轮盘显示电能计费的情况，由轮盘本身摩擦等种种因素又为老式电表计量造成了额外的误差。不仅仅如此，老式电表还存在寿命短、耗电量大等种种缺点。对于目前智能化、信息化社会建设的目标，老式电表的大量存在的情况提出了挑战。为了能够建设真正的信息化社会，使得智能电能计量真正走进人们的生活。我们必须要解决这一问题。

1.3 研究意义

作为能源大国，中国的国家电网发展迅速。电能表在我国电工仪表行业中是需求量最大的产品。而且电能表发展历史较长，伴随电力系统的发展，电能表经历了以下阶段：感应电能表——感应系统脉冲电能表——纯电子式电能表^[1]。

为了跟上时代发展的步伐，电能计量设备就需要更加的智能化以及便利化。而这些年来，计算机科学技术以及通信技术的迅速发展高速推动了电能表的进步与更新。使用寿命的提高、测量精度的严谨、多种多样便利的功能等层出不穷。由此引出了智能电表。智能电表，顾名思义就是把传统电表智能化，除了能够实现简单的计量外，还能实现电功率、电能等电参数的准确实时计量，与上位机实时通讯，用电管理等功能。智能电表技术主要应用微机技术、通讯技术等技术，把智能芯片作为核心^[2]。同时应该注重网络在电气计量方面的应用，在普及开来以后可以得到以下好处：提高发展中国家的电力供应，较少依赖和占用公共电网资源，可以减少电力能源生产商的财政与电力负担^[3]。

对于任何一类电量计量设备来说，我们已知电功率对时间积分后就可得到电能。故要想进行电量测量必须先确定电功率。对此引用ADE7755，在对外部电路的电压以及电流进行信号采样后，由芯片内部的乘法器进行计算，从而得到电功率，并输出至与功率成一定比例关系的脉冲信号给单片机。而单片机就能对这个脉冲信号进行计数，在规定的时间内对脉冲信号的个数进行计数，就能得到电量，从而模拟计费。另外使用了电卡预付费功能，对节省人力成本来说意义巨大，解决了人工上门抄表不仅繁琐，而且容易出错的弊端。以上就是本次设计电表的基本功能。本次设计使用了IC电卡的形式，预付费电表实现了先购电，后用电的流程。很大程度上实现了自动化管理以及信息化管理的要求，计量准确，工作效率大大提高。

1.4 本文设计的主要内容

此预付费电能表是以标准的单相电子式电度表为基表改装而成，以单片机作为处理和控制系统的核心。使传统型电度表的功能得以更新。

在完成设计的同时努力实现电测仪表的主要技术要求有：准确度、稳定性、灵敏度与分辨率、可靠性阻尼时间、仪表的功率消耗、仪表过载能力^[4]。居民用户可以从本地电力部门购买电费IC卡，使用IC卡将购买的电费充值给电能表。电能表内部的单片机芯片可以将新购买的电费与表内剩余的电费相加得出当前的剩余电费，把电费信息存储在EEPROM芯片中。电能表通过内部的电能计量芯片可以把用电电路的功率转换成与功率成一定比例关系的电脉冲信号，将此信号送单片机计数。在一定时间内的计数值的大小就可以得出用电量的多少，当用电量达到规定的一个计费单元，单片机内部计费一次，从剩余电费中扣除这段时间内所消费的电费，当电费达到临界点时报警，归零时断电。

此次毕业设计所设计出的基于单片机的数字电能表具有以下功能：

（1）预付费功能：通过IC卡充值的方式实现先买电后用电。

（2）数字显示功能：实时时间、剩余电费、累计用电量显示在显示屏上，随时可供查询。

（3）欠费警告功能：当剩余电费小于设定的警告门限（10元）时，点亮提示电费将尽的发光二极管和驱动提示用扬声器发出声音，提醒用户及时购电。

（4）中断开关功能：电能表内的剩余电费归零时，自动切断用电回路，防止继续计费。

（5）数据保护功能：防止突然停电而造成的的电量信息与电费信息丢失。

（6）防伪功能：可以实行一个电能表对应一张充值卡，购电IC卡采用具有加密逻辑的存储器卡，加上对应的软件算法和“动态”密码技术，可以有效地防止伪造充电卡等不良行为。

第2章 电能计量原理与芯片硬件电路设计

2.1 电量计算理论与应用

电能表是测量用户当前已经使用电量多少的工具，其最重要的参数当然是电能测量。对有功电能测量我们可以简单做出如下描述^[5]：

在时刻时流过电路负载的交流电流和电路负载两端的交流电压的表达式如下：

（2.1）

（2.2）

这其中是时刻t时测点的瞬时电流值，是时刻t时测得的瞬时电压值；是电流的峰值；是电压的峰值；是电流的有效值；是电压的有效值；是电压与电流的相位差；ω是角频率。

根据上述式子分析可得平均有功功率计算为：

（2.3）

已知电功率对时间的积分就是电能：

（2.4）

由目前的电能表测量原理可以得知——关系式（2.4）是当前各乘法结构电能测量单元的理论基础。而在实际应用中，随着用电器的变化种种因素，用户的负荷也是不断随之变化的，随时可能增大或者减小。因此想要直接测出这些瞬时参数是很困难的。于是直接使用式（2.4）来计算电能是无法实现的。鉴于出现了这种情况，我们可以使用电子式的电能表来计量电能。

电子式电能表也被称静止式电能表。它早期是在标准电能表的基础上发展的，其基本功率表达式，其中功率P对时间的积分就可以得到电能。而按照不同的工作原理电子式电能表可以被分为数字乘法器型电子式电能表以及模拟乘法器型电子式电能表^[6]。

而在其中电能测试单元就起到了核心作用。其作用是把由用电回路端输进来的电流以及电压参数进行信号采样后，将两者变换成为与用电器的功率成正比例关系的脉冲信号，于CF、F1、F2端口输出，将此脉冲信号输送给单片机（本设计采用AT89C51型号的单片机）进行分频与计数。通过计量固定周期内的脉冲个数就可以得知电能使用情况。作为电子式电能表的核心部件——电能测试单元的测量精度直接决定电能表的精密度与准确度。

对比了实际使用情况以后，本设计决定采用ADE7755电能计量芯片来设计电路，作为整个电子式数字电能表的核心模块。

2.2 ADE7755原理基础

电能计量电路是整个设计的核心，其具体作用就是采集外部市电的电压信号以及电流信号，在芯片的内部进行一系列处理后可以输出与用电电路当前功率成一定比例关系的脉冲信号。通过对脉冲信号的计数，我们就可以得出当前的用电状况。如果说AT89C51是操控整个系统的大脑，那么ADE7755电能表系统的心脏。

ADE7755芯片内部功能电路结构如下图2.1所示：

图2.1 ADE7755芯片内部原理图

ADE7755芯片集成了具有高准确的电能测试电路。并且ADE7755芯片使用了模拟电路的地方只有基准源与ADC转换器中，而对于其它所有的信号处理（比如滤波处理和相乘处理）都使用数字电路，即使在环境恶劣的情况下这些特性使得ADE7755芯片可以保持其测试结果的稳定性和精确性。而精度是数字仪表最重要的特性，其取决于ADC转换器的分辨率，即采样过程。在数字电表中，数字信号处理的过程中可以消除测量误差^[7]。

ADE7755 芯片的电压通道中具有一个16位的A/D转换器，在电流通道中也具有一个16位的A/D转换器，故ADE7755的功率运算时采用了数字乘法器，经数字—频率转换器后运算结果就变成了电能计量的高频标准脉冲CF与低频标准脉冲F1，F2信号，然后进行输出。可测单相有功功率^[8]。

ADE7755芯片的内部包含一个监控电路，可以针对电源引脚监控。在ADE7755芯片中的AVDD所接电平信号达到到4伏特之前，其一直稳定在复位的状态。而在ADE7755芯片中的AVDD所接电平信号降低到4伏特以下时，其被复位。在此刻F1引脚，F2引脚和CF引脚都没有信号输出。

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