毕业设计(论文)-基于MCU的单相电表检测仪设计

摘 要

单相电表检测仪是用于现场检验低压单相电能表计量是否准确的专用仪器。本文针对检测仪的技术要求，阐述了系统的总体方案设计、硬件电路设计和软件设计，分析了影响测量精度的主要原因及解决方法。

本文的主要研究内容是针对低压单相电能表的现场检验，实现系统要求的检测功能和技术指标。采取的技术方案是以微控制器为核心，利用微型电压互感器和钳形电流互感器分别将单项供电电压和电流变换为弱电信号，实现对供电电路的电压和电流进行实时检测，同时通过电能计量芯片测量实际的有功功率，充分利用微控制器较强的运算功能，计算出一定时间内消耗的电能，同时利用光电采样器对被测表的计量的电能进行检测，从而计算出被测电能表的误差。

现场检验的特点是不停电接线，对于电流检测需采用钳形电流互感器，而钳形电流互感器的开口接触面存在空气间隙，使互感器的线形变差并存在较大的相移，且一致性较差。采用分段线性化处理，可以提高测量的精度。

本文内容涉及微控制器、电气测量技术等多项应用技术，具有一定的应用价值与实际意义。

关键词：微控制器；低压单相电能表；现场检测

Title The design of local calibrating instrument for low-voltage

Watt-hour meter based on MCU

Abstract

The local calibrating instrument for the single-phase watt-hour meter is a special device that is used to measure the accuracy of low-voltage Watt-hour meter in scene examine. This paper, according to the technical requirements of detectors, tells us the overall design of the system, hardware and software circuit, and analyzes the reason of the impact of measurement accuracy and the main measures to solution.

The main research content is the low-voltage single-phase watt-hour meter on-site inspection, the realization of the detection system requirements and technical indicators. The technical plan is taking the micro-controller as the core, using the mini-voltage transformer and clamp current transformer respectively to transform the single power supply voltage and current transformation to the weak electrical signal, and to realize the real-time detection for

the power supply circuit of voltage and current, at the same time, energy metering chip can measure the true value, take full advantage of strong computing microcontroller functions, to calculate within a certain period of time the power consumption, while using the optoelectronic sampler measurement to measure the watt-hour meter, then calculating the error of this meter. The characteristics of the on-site inspection is Non-power cables, The clamp current transformer is used to current detection, but the clamp current transformer’s interface exist air gap, causes the line of transducer become errand and exist in a bigger phase-shift, also the uniformity become worse. Using partition linearity processing, that may enhance the survey precision.

This article related to micro-controllers, a number of electrical measurement technology, applied technology, and have the application of a certain value and practical significance. Key words: The local calibrating; Low-voltage Watt-hour meter; Microprocessor

目次

1 引言 .................................................................. 2 1.1 研究背景 ............................................................. 2 1.2 研究现状 ............................................................. 3 2 总体设计方案 .......................................................... 3 2.1 技术要求 ............................................................. 3 2.2 方案论证 ............................................................. 4 2.3 总体方案 ............................................................. 5 3 硬件电路设计 .......................................................... 6 3.1 单片机的选择及外围电路设计 ........................................... 6 3.2 光电采样器的选择及接口电路 ............................................ 8 3.3 电流互感器的选择与连接 .............................................. 10 3.4 电压互感器的选择与连接 ............................................... 11 3.5 电能计量芯片 ......................................................... 13 3.6 显示接口电路设计 ..................................................... 17 3.7 键盘接口电路设计 ..................................................... 19 3.8 电源电路设计 ......................................................... 20 4 软件设计 .............................................................. 21 4.1 主程序设计 ........................................................... 22 4.2 中断服务程序设计 ..................................................... 22 4.3测量误差程序设计 ...................................................... 23 结论 .................................................................... 24 致谢 .................................................................... 25 参考文献 ................................................................ 26

附录：电能计量 光电检测、键盘、显示及单片机外围电路设计图 ............... 28

1 引言

1.1 研究背景

电能是各类能源中使用最为广泛的能源，与国民经济的发展和日常生活有着不 可分割的联系，随着人民生活水平的不断提高，家用电器越来越普及，每户居民的用电量也大大增加，因此每户居民每月的电费支出也大幅度地增长；随着社会市场经济的发展，新兴工业犹如雨后春笋，用电量大大增加。部分电力用户为了多用电少交电费，采取各种方法窃电，其主要方法是通过调慢电能表，使电能表显示的用电量比实际的用电量少，给国家造成了很大的经济损失。

针对上述现象，供电部门采取多种方法对用户的电能表进行定期或不定期的校验或检查，采取的方法主要有：

(1) 用钳形电流表、秒表现场检测电能表的快慢。用秒表实测电能表每转时间T1；查看电能表铭牌上标明的常数，算出电能表每转1转所需电能，然后用钳形电流表测量电流求出有功负荷P，电能表每转1转所需电能与有功负荷之比得到的时间即为电能表每转所需时间T2。通过T1与T2的比较，就可以判断电能表是否正常工作，从而达到检测目的。

(2) 通过检验电能表的外观，确定电能表有无破坏痕迹。这种方法包括： 1) 检查电能表表壳、封铅、封条是否完好，表壳是否过热变形，有无微小孔洞及铁丝；

2) 检查电能表接线盒是否封闭完好，进出线是否紧固，电压连接片是否压紧。 3)核对电能表铭牌上的型号、出厂编号及所计量负荷性质等是否与抄表卡相同，若不符即有窃电行为。

4) 针对用户窃电的无线报警形式的电能计量保护监测系统。该系统由监测分机和主机两部分组成，当发生某种窃电现象或者计量装置遭到破坏偷盗时，分机将发出包含有本计量箱编号，窃电方式及盗窃破坏方式等信息的无线信号，主机收到后经过识别、处理发出声光报警。该系统经过实际使用，具有较好的防窃电保护电力设施的作用。

(3) 在被测电能表电路中接入标准电能表，然后对被测表和标准表同时采样进行比对。

(4) 采用专门的检测仪器对电能表进行校验。这种方法分为两种形式，一种方法是将电能表从供电线路上拆下，利用实验室的电能表校验台对电能表进行校验，另一种方法是不拆下电能表，利用电能表现场检测仪器对电能表进行现场校验。

电能表的现场检验因不影响用户用电而被供电部门广泛采用，随着计算机技术的发展，供电部门迫切需要一种携带方便，操作简单，计量准确的单项电表检测仪，用于用户低压电能表的现场检验。

1.2 研究现状

电能表的校验是否准确，取决于有功功率的测量是否准确，有功功率的测量属于电气测量范畴，在电气测量方面，国内外已有大量的研究成果，就测量方法和采用的技术手段综述如下。

采用的技术手段上，一是采用微型计算机加数据采集卡，二是采用微处理器结合自行设计的数据采集通道。

在互感器的选择上，一是在供电电路中接入固定式的电压互感器和电流互感器。二是电压互感器采用固定式，接线端使用线夹，电流互感器采用钳形互感器[6]。固定式互感器中磁路是封闭的，因而具有较好的线形和较小的相移，可以得到较高的精度。但需要停电接线，不便于现场检测。电压互感器采用固定式，接线端使用线夹，电流互感器采用钳形互感器，现场不用接线。固定式互感器的优点是显而易见的，采用线夹后可直接加在供电线路的母线上，避免了现场检测需要停电接线的麻烦。但钳形电流互感器的接触面存在空气间隙，使互感器磁路的磁阻显著增大，且随工况不同呈现非线形，使互感器的线形变差，且相移较大，给功率因数的测量带来影响，为了弥补这一缺陷，对结果采用分段线性化处理，可以提高测量精度。

在有功功率的测量方面，一是采用真有效值转换，分别测量出电压、电流和功率因数，利用微处理器计算出功率。二是采用有功功率专用测量集成电路，直接测量出有功功率。三是利用各种数字式的电量传感器，测量出电压、电流、功率因数或直接测量有功功率。采用有功功率专用测量集成电路即专用电能计量芯片，直接测量出有功功率，测量方便，软件开销小，硬件电路简单。

2 总体设计方案

2.1 技术要求

本课题以MCU为核心，利用光电采样器对被测电能表进行采样，同时采用互感器及电能计量专用芯片对电能进行实时计量，利用单片机较强的运算功能，计算出被测电能表的误差，以检验电能表计量是否准确。具体要求如下： (1).电量测量范围：电压220VAC，电流0~40A，单相；

(2).检验对象：单相电能表； (3).测量误差：±0.5%FS； (4).测量方式：不拆线不断电；

(5).方便野外使用，强阳光下可清晰显示； (6). 220VAC供电。

2.2 方案论证

按照上述技术要求，系统应由互感器、有功功率测量通道、光电采样器、单片机、显示器和键盘几部分组成。系统组成图如图2.1所示。

互感器有功功率测量通道单片机光电采样器键盘显示器 图2.1系统组成图

利用互感器将供电电路的电压、电流转换为弱电信号，计算机通过有功功率测量通道对电参数进行实时采集并计算出电能，通过光电采样器对被测电能表进行采样，从而计算出被测电能表的相对误差。

(1) 互感器

方案一：在供电电路中接入固定式的电压互感器和电流互感器。固定式互感器中磁路是封闭的，因而具有较好的线形和较小的相移，可以得到较高的精度。但需要停电接线，不便于现场检测。

方案二：电压互感器采用固定式，接线端使用线夹，电流互感器采用钳形互感器，现场不用接线。固定式互感器的优点是显而易见的，采用线夹后可直接加在供电线路的母线上，避免了现场检测需要停电接线的麻烦。但钳形电流互感器的接触面存在空气间隙，使互感器磁路的磁阻显著增大，且随工况不同呈现非线形，使互感器的线形变差，且相移较大，给功率因数的测量带来影响。

根据上述分析，结合低压电能表进行现场检验的特点，确定采用方案二。因要测量电压和电流，故需要一只电压互感器和一只电流互感器。

(2) 有功功率测量通道

方案一：采用有功功率专用测量集成电路。专用电能计量芯片，直接测量出有功功率。测量方便，软件开销小，硬件电路简单，对测量结果采用分段线性化处理，提高测

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库毕业设计(论文)-基于MCU的单相电表检测仪设计在线全文阅读。