基于实时测量单相智能电表的设计与实现

发布时间：2017-10-14 20:05

  本文关键词：基于实时测量单相智能电表的设计与实现

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【摘要】：随着我国经济的飞速发展，能源消耗日益增加。根据《BP世界能源统计年鉴2014》显示，中国是世界最大的能源消费国家，2013年占全球消费量的22.4%，以及全球净增长的49%，资源浪费、不合理利用资源现象突出，由此而导致的环境污染问题也愈发受到社会的关注。电能是我国主要的能源之一，是人民生活和国民经济的重要保障。因此，节约电能、高效使用电能对社会经济和环境问题有着积极的影响。 在上述背景下，智能电表作为用户端和电网的桥梁，不仅在计量有功电能方面要具备高准确度，使交易双方买卖公平，而且支持复费率和分时段功能，引导用户改变用电陋习，从而达到节约电能、高效用电的目的。本课题实现了以专用计量芯片RN8209和控制器STM32为核心的单相智能电表，不但提高了有功电能计量精度，而且相比较传统的电能表，它提供了RS485双向通信接口，可实现远程集抄、分时段费率、配电网状态监控及数据存储等特色功能，，应用较广泛。本文主要内容如下： 1.提出了智能电表整体设计方案。从功能需求方面对智能电表进行了整体结构分析，以此为基础设计了智能电表的硬件系统框图；详细分析了电表系统的运行机理及所要实现的具体功能；对智能电表主要硬件模块进行了芯片选型及详细的原理分析。 2.制定了单相智能电表硬件设计方案。详细分析了信号采样原理和相关电参数计算原理，研究了电能计量芯片RN8209内部结构和工作机理；设计了采样信号衰减滤波电路，实现了将负载线路大电压、大电流变换成计量芯片可接受的电压信号功能；根据智能电表的功能需求,确定了主控制器的具体型号，并完成了主要功能模块电路设计，分别为电源模块、存储模块、时钟模块、显示模块、双向通信模块和JTAG接口电路的设计；最后分析了智能电表硬件抗干扰措施。 3.制定了单相智能电表软件设计方案。以KEIL软件为实验开发平台，利用C语言编写了智能电表控制系统程序，主要包括：主程序、计量模块子程序、SPI通讯子程序、存储模块子程序及RS485通讯模块子程序等，程序采用模块化编写方式，可读性好，可移植性强；最后分析了系统软件抗干扰措施。 4.单相智能电表调试和实验分析。在实验室搭建的测试平台基础上，详细介绍了各个功能模块的硬件电路测试及软件调试过程；以实验室现有电气设备为负载，对智能电表进行了有功电能计量、数据显示及存储、双向通信等性能测试。实验结果表明，设计的单相智能电表可以准确、可靠地测量家庭用电量，计量精度可达到0.5级；基于双向通信功能，可实现远程集抄、在线监控、数据存储预期目标。
【关键词】：单相智能电表 实时测量 双向通信 节电
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM933.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 研究的目的和意义11-12
• 1.2 国内外发展现状12-15
• 1.2.1 国外发展动态12
• 1.2.2 国内发展动态12-15
• 1.3 主要内容15-17
• 第二章 智能电表的总体设计方案17-27
• 2.1 智能式电能表17-19
• 2.1.1 智能式电能计量表17-18
• 2.1.2 智能式电能表的功能18-19
• 2.2 智能电表整体结构框架及运行原理19-23
• 2.2.1 整体设计思想19-20
• 2.2.2 芯片选型20-23
• 2.2.3 系统运行机理23
• 2.3 单相智能电表的功能实现23-25
• 2.4 小结25-27
• 第三章 智能电表硬件电路设计27-43
• 3.1 测量原理27-29
• 3.1.1 非同步采样法分析27-28
• 3.1.2 参数计算方法28-29
• 3.2 信号采样电路设计29-33
• 3.2.1 计量芯片 RN8209 机理29-32
• 3.2.2 信号采样电路32-33
• 3.3 主控单元33-35
• 3.4 主控制器外围电路35-41
• 3.4.1 电源模块35-36
• 3.4.2 存储模块36-37
• 3.4.3 时钟模块37-38
• 3.4.4 显示模块38-39
• 3.4.5 通信模块39-41
• 3.4.6 JTAG 接口41
• 3.5 硬件抗干扰41-42
• 3.6 小结42-43
• 第四章 智能电表系统软件开发43-53
• 4.1 开发环境和编程语言43-44
• 4.1.1 开发环境43-44
• 4.1.2 软件编写语言44
• 4.2 软件总体设计流程44-46
• 4.3 功能模块程序设计46-52
• 4.3.1 计量模块程序46-47
• 4.3.2 SPI 通信程序47-48
• 4.3.3 存储模块程序48-49
• 4.3.4 通信模块程序49-52
• 4.4 软件抗干扰52
• 4.5 小结52-53
• 第五章 电表系统调试及结果测试53-71
• 5.1 模块调试53-62
• 5.1.1 液晶屏显示模块53-56
• 5.1.2 AT24C02 存储模块56-58
• 5.1.3 DS1302 时钟模块58-59
• 5.1.4 RS485 通信接口59-61
• 5.1.5 调试经验总结61-62
• 5.2 电表校验62-64
• 5.3 电表性能测试及误差分析64-70
• 5.3.1 电表测试方法64-65
• 5.3.2 功能测试65-70
• 5.4 小结70-71
• 第六章 总结与展望71-73
• 6.1 总结71-72
• 6.2 展望72-73
• 参考文献73-77
• 致谢77-79
• 攻读硕士学位期间的研究成果79

【参考文献】

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本文编号：1032912