开题报告 电气工程及自动化 多参数电能表的设计 一、 综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 近几年夏季天气炎热，高温连续不断，国内大部分地区用电量都大幅度增加，电能质量会有所下降，国家电网面临着严峻的考验。在电力资源紧缺，备用电量严重不足，输变电设备重载的情况下，多参数电能表可以使用户及电力部门能够实时、详细、精确地了解电网的电能质量，并采取相应的措施来解决这个问题就显的尤为重要了。同时随着人们生活水平的提高，越来越多的电器被使用。如果能够用多参数电能表就可以实时了解各种电器的耗电量，用户就可以有意识的减少耗电量大的电器，从而达到节能减排的效果。

电能表是测量电能的专用仪表，诞生至今已有100多年的历史。因为电能表在电能管理中是最末端的仪器，在电能管理中用仪器仪表中占有很大比例，所以它的性能直接影响到电能管理的效率、准确度和科学化水平。多年来，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。1880年，一个叫爱迪生的德国人利用电解原理制成的世界上最早出现的直流电能表。交流电的出现和被利用之后，对电能计量仪表的功能有了新的要求。1888年，首先想到将旋转磁场理论用于交流电能测量的是意大利物理学教授费拉里斯。之后，感应式电能表得到了很快的发展。感应系电能表是利用处在交变磁场的金属圆盘中的感应电流与有关磁场形成力的原理制成的,具有制造简便、可靠性好和价格便宜等特点。经过近一百年的不断改进与完善之后,感应系电能表的制作技术已经成熟。通过用铬钢、铝镍合金取代替原来的钨铜过双重绝缘、绝缘度的加强和采用高质量双宝石轴承和磁力轴承等技术手段,其磁路和结构的稳定性得以提高,电磁振动被削弱,使电能表寿命延长了很多年,且过载能力也有了显著的提高。因此,至今在一些发达国家和包括我国在内的许多发展中国家里,感应式电能表仍被广泛使用。工业飞快发展的同时,电能的利用也在迅速增加，由于早期使用的感应式电度表有准确度低、功能单一、适用频率范围窄等缺点而越来越不适应市场要求。为使电能计量仪器仪表能够跟上工业现代化和电能管理现代化飞快发展的步伐,电子式电能表就这样产生了。

早期的电子式电能表是在感应式表计的测量基础上发展起来的，就是说其工作元件还是采用感应系电能表的测量机构，同时由光电传感器来完成电能脉冲的转换，然后脉冲经过电子电路进行适当处理，从而实现对电能的测量。虽然经过十几年的改善和提高，但器工作元件采用感应系电能表的测量机构，所以也存在准确度低、功能单一、适用频率范围窄等缺点。改善这些缺点，就必须找出另外一种方法来代替感应系电能表的测量机构。从70年代起，人们开始试着采用电子电路的方案来解决这个问题。因为电能是电功率和时间的积分，所以能够准确测量电功率是最重要的一步。通过把乘法器把电流和电压相乘就是电功率，所以通常大部分人是采用乘法器来测量电功率和电能的普遍方法。

近20年来，电子技术有了很快的发展，这为电子式电能表技术的提高奠定了基础。大量新型的电子元器件被研发出来，各种乘法器和AD转换芯片及电能专用芯片的大量出现，性能也大步的提升，这样就大步促进了电子式电能表的发展。之后单片微型计算机的出现是电子式电能表的重大转折点。它彻底改变了原来的观念，以前的乘法器和其他一些电子硬件电路都被软件编程所代替，使得电子硬件电路更加简单，其电参数（电流的有效值、电压的有效值、有功功率、无功功率、视在功率等）测量的更加准确，同时有些其具备了无限传送数据、IC卡预付费、防窃电、复费率等功能。

现在无线传送数据的方式有红外线传送，电力线通信，GPRS/GSM无线数字网通讯等等。以前传统的电能表与采集器之间采用RS485通信方式，但是需要布线并且线路很容易被破坏。随着信息高速公路的不断建设和发展，利用220V低压电力线传输高速数据的价值越来越为人们所重视，因为它具有无须布线、速度快、一线两用、连接方便的优点，被认为是解决信息高速公路“最后一公里“问题的最具竞争力的技术之一。此方式避免了重新布线，通过电网就可以传送数据，不会破会房屋的结构和装修，只需要少量的设备就可以使用，大大节约了时间和成本。GPRS数据传送方式时最有最好的通讯方式之一，具有实时性强，可对电表设备进行远程控制，建设成本少低，集抄范围广，系统传输容量大，数据传送速率高，后期维护升级简单等特点。

本设计主要由电源模块，单片机，电压电流采集模块，显示模块，无线传送模块以及各种接口电路组成。电源模块主要采用220V电压经过9V的变压器，再经过三段稳压器lm2940稳定5V电压，给单片机及显示模块供电。因为发射模块采用了NRF24L01无线发射模块，其工作电压为3.3V，所以还采用了AMS117-3.3稳压模块给其供电。单片机STC12C5A16S2有AD口采样、运行速度快，功耗低，稳定性强，抗干扰能力强以及既有PWM输出端口等特点。单片机STC12C5A16S2作为系统的CPU，是整个设计中最重要也是最难的一块，主要负责数据的转换，数据的运算以及数据的传送，电能质量差时发出危险警报等。为了降低设计成本，电压的采集是采用电阻分压的方法电压参数采集采集采用电阻分压，然后再用放大器NE5532进行信号放大使信号范围在1～5V。由于要采集的电流比较大，所以电流参数采集采用相对价格比较低的而线性度比较好，相位误差比较小的电压互感器和电流互感器。电压电流互感器采集出来的数据经过一系列校正后变成0~5V的电压，在传到给CPU进行AD转换采集，在进行数据处理。电流电压互感器显示模块用汉字图形点阵液晶显示模块QC12864B，此模块可以显示数字、图形即文字，同时还有光标显示、画面移动、自定义字符、睡眠模式等功能，符合设计所要的要求。通过12864B显示模块可以直观的显示各个电能参数，让用户随时都能知道用电信息。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：
设计一个能同时对一路工频交流电的频率，电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、谐波等进行测量的数字式电能质量监测装置。

主要解决电压电流的采集，数据处理及显示的编程等问题。

三、研究步骤、方法及措施：
1． 明确设计任务及要求，收集资料；

2． 总体方案的选择、确立；

3． 电路原理图设计、PCB电路板的设计与制作；

4． 电路的焊接与调试；

5． 作品的完善，论文的撰写；

通过查阅已有的相关文档及技术资料，先确立总体方案，根据选择的方案通过电路的搭建，进行针对性的设计研究。

四、参考文献 [1] 赵伟庞,海波刘,灿涛.电能表技术的发展历程.电测与仪表1996(6):4-7. [2] 李常波.电子电度表电源设计.电源技术应用,2006(5):56-59. [3] 张祎江.基于PLC技术的远程抄表系统的研究与设计.应用技术和研究,2009(7):57-59. [4] 杨波.GPRS系统在电力系统中的应用分析.电气工程技术与标准化,2010(1):71-74. [5]薛毓强,陈建国,柯是兴.多参数测量电表的设计.电测与仪表,1997,176 -184． [6]王欣.基于VHF的数据通信系统的研究与实现． http://172.16.99.198/kns50/classical/singledbindex.aspx?ID=2;2006.06.12. [7]林易聋.未来十年一能电网革命改变生活.全球视野,2010(4):32-34. [8] 马春兰.多功能电表计量.计量与测试技术,2008(7):29-32． [9] 李东生.PROTEL99SE电子设计技术入门与应用[M].北京:电子工业出版社,2002. [10] 李光飞,楼然苗.单片机课程设计实例指导[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003. [11] 杨欣等.51单片机应用从零开始[M].北京:清华大学出版社,2006． [12] 李华等.MCS-51系列单片机应用接口技术单片机应用从零开始[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001． [13]王欣.基于VHF的数据通信系统的研究与实现． http://172.16.99.198/kns50/classical/singledbindex.aspx?ID=2;2006. [12]林易聋.未来十年一能电网革命改变生活.全球视野,2010(4):32-34. [13] 韩绍甫,杜树新.电能质量监测系统设计及实现.电力自动化设备,2006,80-83.