基于Proteus的数字电能计量装置设计

DOI:10.13901/j.cnki.qhwxxbzk.2009.02.009

第27卷第2期

2009年4月青海大学学报(自然科学版)JournalofQinghaiUniversity(NatureScience)Vol.27No.2Apr.2009

基于Proteus的数字电能计量装置设计

张海峰,沈媛萍,张金霞121

(1.青海大学水电系,青海西宁,810016;2.青海大学附属中学,青海西宁,810016)

摘要:通过对电压电流信号进行交流采样,并检测出功率因数,最终利用所得参数求出电能。根据采样所获取的数据,显示电压、电流、功率因数以及累计用电量。结果表明,基于Proteus所设计的数字式电能计量装置具有功能扩展方便、功耗低、计量精确的优点。

关键词:数字电能计量;Proteus;交流采样;单片机

中图分类号:TM76文献标识码:A文章编号:1006-8996(2009)02-0001-05

DesignonthedigitalmeteringdeviceofelectricitybasedonProteus

ZHANGHai-feng,SHENYuan-ping,ZHANGJin-yia

(1.HydroelectricEngineeringDepartmentofQinghaiUniversity,Xining810016,

China;2.TheHighSchoolAffiliatedtoQinghaiUniversity,Xining810016,China)

Abstract:ThroughACsamplingtothevoltageandcurrentsignalandmeasuringthepowerfactor,theelectricalconsumptionquantitycanbecalculatedandthenalltheparameters,voltaqe,current,powerfactorandelectricalconsumption,willbedisplayed.Theresearchresulfshowsthatthedigitalmete-ringdeviceforelectricalconsumptionhastheadvantagesofeasyfunctionextension,lesspowercon-sumptionandhighmeasurementprecision.

Keywords:digitalmeteringofelectricity;Proteus;ACsampling;MCU

电能表的主要用途是计量负载所消耗的电能。在一切用电场合都要用电能表来计量用电量。电能表在我国社会经济建设中起着重要的作用,装置虽小,但其作用值得重视。它的准确与否涉及千家万户,直接关系着电力企业和用户的经济利益。随着我国经济发展和人民生活水平不断提高,家庭中家用电器越来越多,随之而来的则是电费的增加,这就使人民群众更加关注电能表的计量性能。由于价格和使用等条件的制约,传统的感应式电能表仍然在很多场合继续使用。数字式电能表有机械式所不可比拟的优点,因此是未来发展的方向,由于一般系统都是采用现成的测量模块进行,所以成本比较高,可扩展性和灵活性也不好。鉴此,笔者设计了一种数字式的电能计量装置,通过交流采样,准确得出电压电流值,再经过单片机计算后,显示相关的计量信息,设计中借助Proteus完成了整个系统的软硬件仿真。1211

1.1电能计量装置现状电能计量装置类型

电能计量装置按结构和工作原理主要有机械式(又称感应式)、数字式(又称电子式)两种主要类型。机械式计量装置内有铝盘转动,带动计数器把所消耗的电能指示出来,从而实现计量电能的目的,因此存在易磨损、计数精度较低、耗能等缺点。而数字式计量装置进一步又可分为全数字式和机电脉冲式,是近几年来发展较快的一种新型的测量仪表,是应用微电子技术、模/数转换技术和脉冲数字技术作为工作基础,把被测电能量变成一串串脉冲或数字量,由电子计数器计数,或用数码管、液晶等直接显示电能的电能表。国内目前已经逐渐在新使用的计量装置中使用此类型,数字表功耗小、灵敏度高、不易

收稿日期:2008-12-25

作者简介:张海峰(1977—),男,上海人,副教授,硕士。

2青海大学学报第27卷人为修改计数值、防窃电能力好等优点,但全数字式由于结构复杂,成本较高等原因,尚未被广泛应用,但它仍是一种很有发展前途的新型仪表。

1.2数字式电能计量装置的优点

在节能的大背景下,数字式将越来越受到青睐。近年能源问题越来越受到各方重视,电能自然也不例外。以前基本是机械表一统天下,近年有了根本性的变化,与机械式相比,数字式电能计量装置有下面优点。

(1)数字式电能表能有效控制负荷运行的情况、用电量等,能有效节约电能,这显然是与国家能源政策相统一的,而机械表很难做到这一点。

(2)生产机械表需要大量的铜,对矿产资源消耗也特别大,显然,在这方面数字式电能表具有得天独厚的优势。

(3)数字式电能表灵敏度高,计量精确。机械式电能表是通过机械运作来实现计数,不可避免会出现磨损,时间一长计数就会失准,因此使用年限短。而数字式电能表是依靠数字电路和程序来进行计数,自然不存在磨损,且计数相对准确,使用年限也长。

(4)从原理上,数字式电能表功耗较小。机械式电能表由于电流线圈存在电阻,随着用户负荷的增加,电能表本身消耗的功率也随之增大。数字式电能表是利用电压互感器和电流互感器进行电压采样,再接到AD转换器进行模数转换,其功耗小于电流线圈和电压线圈,并且没有机械式电能表的其他损耗。

(5)数字式对于反窃电也很有利[1],安全性好、不易人为修改计数值。

因此,数字式电能表具有节能、长寿命、计量精度高、多费率、防窃电能力好、自动抄表等优点,将逐步成为电能表发展的主流,在未来几年里,具有各种功能的新型电子表将迅速被推广和应用。

1.3数字式电能计量装置的现状

为了设计的简易性,数字式电能计量装置的设计多数采用现有的计量模块,得出所测参数,再累计处理得出电能值,控制相应的输出模块,达到设计功能,如SA9903B、AS8228等,很少有产品利用简单的微处理控制器,自行设计来接收采样信号,对采样信号进行独立的模数转换,最终实现电能计量。还有一些数字式计量电能表,是在机械式的基础上,通过红外对管及其信号处理电路将电表的转盘旋转圈数转换成相应的数字脉冲信号,从而实现数字化计量和远程数据传输的目的,并没有从真正意义上实现全数字式的电能计量。

在国内,为满足推行峰谷电价制的需要,开发与生产了各种复费率电能表;为满足一户一表制的需要,开发了IC卡预付费表;为防窃电,开发了防窃电电能表;为满足用电营业管理的需要,开发了多功能电能表和电能管理系统;为满足负荷监控的需要,开发了无线电力负荷监控系统;为实现抄表自动化、远

[4]程化,开发了远程电能表抄表系统。

在国外,数字式电能表发展很快。芬兰、瑞典、挪威等北欧各国和法、英、德、西班牙、比利时和意大利等西欧国家,目前已经全部完成了工商用户电能表100%的电子化。居民用户表也正在逐步向电子化过渡,如法国2001年起已停止购装感应表;意大利也从2005年开始逐步把感应表更新为自动抄表的电子表;而英国目前已经有80%居民用上了电子式表

因而他们掌握着数字式电能表的相关核心技术。[5][2,3]。现有的电能计量芯片多数由国外厂商制造,

2Proteus仿真环境简介

Proteus是英国Labcenter公司的EDA仿真软件,集成了原理图绘制、电路仿真和PCB设计,约有20年的历史。该软件最大的亮点在于其可以仿真单片机及其外围硬件,并可以在虚拟环境中将软硬件的仿真融为一体,真正达到了实物仿真的效果。Proteus主要由下面几部分构成:ISIS是Proteus的核心,提供了超过10000元件的大型元件库,可适用于大多数仿真需要;PROSPICE用于完成混合模式电路仿真,基于标准的SPICE3F5模拟内核,为用户提供了开发和测试的强大交互式环境;ProteusVSM用于虚

第2期张海峰等:基于Proteus的数字电能计量装置设计3拟系统建模,集成了混合模式电路仿真、动态器件和常见微控制器的纯硬件模型,微控制器芯片在仿真时像现实中那样运行用户单片机中的程序,用户可以通过大量的外设模型和强大的调试工具与之交互使用;AREAS基于网络表,用于将ISIS中的原理图变成PCB图,用户可以手工或者自动进行布线。本设计中主要使用ProteusVSM特性来完成单片机及其外围系统的软硬件仿真设计,使用Keil完成程序的编写与调试,通过Proteus和Keil的联合调试完成整个系统的设计与调试。3

3.1数字电能计量装置原理与仿真系统构成及工作原理

计量装置主要由电压信号、电流信号、相位检

测、AD转换器、单片机、显示电路和报警电路构成,

如图1所示。

从电压互感器取得的电压信号、从电流互感器

取得的电流信号和相位检测电路检测出的相位信

号同时送入AD转换器,转换后得到的电压、电流和

相位数据送入单片机进行处理,通过软件处理得出图1系统总体硬件构成图电压电流的有效值和功率因数,再由公式P=U·

I·cos 计算得出有功功率,进行时间累计后得出累计用电量,最终将结果显示在显示电路上,当功率因数低或电压越限时进行报警。

3.2交流采样算法

交流采样算法的数学基础是离散时间数据。设在一个周期T内等间隔对u(t)、i(t)作N(N为正整

)=U,k=0,1,…,N-1msNN数)次采样,则第k次采样值u(k),i(k)为:uu(kk=

ii(kk=(1)T2πk)=Ii-φ),k=0,1,…,N-1(2)msNN

交流采样的算法很多,设计中选择时域分析算法中的积分算法。电压、电流的有效值及有功功率的离散表达式如下:

20u(t)dtU==T

2i(t)dt=T0∫2u=T∑NNk=02kTTi=∑Tk=0NN2ukN∑k=02i∑k=0k(3)(4)I=∫

由式(1)和式(2)可知,系统中所需要的数据即为相应信号的离散采样数据,即电压和电流的计算方法为:对每个采样点的采样数据进行均方根计算,就得到对应的电压有效值;功率计算方法为对每个采样点对应的瞬时功率求平均值。由式(3)和式(4)可知,对一般的功率计算,可以直接利用这一采样周期所对应的电压电流有效值乘以对应的功率因数cos 计算得出,即:

P=U·I·cos

再将有功功率对时间进行累计,即可得到所消耗的电能。

3.3AD转换电路

AD转换电路是整个系统的核心电路,用于将输入的电压、电流信号转换成单片机所能接受的数字量,如图2所示。

其中ADC0809主要完成电压信号、电流信号和相位差数据的实时采样,从而为精确计量奠定基础,74LS373用于提供ADC0809的输入通道地址。由于ADC0809和ADC0808在引脚上相同,在功能上没有差异,因此在仿真时采用ADC0808模型来进行仿真。(5)

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4青海大学学报第27卷

图2AD转换电路图

3.4AD时钟信号的获得

ADC0809在工作时需要的时钟信号由单片机的

ALE信号提供,由于选用了12MHz的晶振,ALE经

过单片机内部的6分频电路,出来的是2MHz的信

号,超出了ADC0809允许的时钟范围,因此采用

7474构成的4分频电路产生AD所需的500kHz的

时钟信号,电路如图3所示。

在Proteus中要使用ALE信号,非常关键的一点

是需要在单片机的属性中选择SimulateProgramFet-图34分频电路图

ches=YES,如图4所示,否则将得不到所需的ALE信号和ADCLK信号,从而AD不能正常工作。用Proteus仿真后在虚拟示波器上看到的ALE和ADCLK信号如图5所示。

图4Proteus中单片机的属性设置图5ALE和AD转换器时钟仿真波形图

从图5中可以看到,输入2MHz的ALE信号后输出为500kHz的ADCLK信号,满足ADC0809工作

第2期

频率的要求。

3.5程序的装入及仿真张海峰等:基于Proteus的数字电能计量装置设计5

为了完成软硬件的联合调试,在Proteus中构

建完成硬件原理图后,在Keil中编写程序,有两种

方式可完成软硬件的调试。一种是在Keil中编译

程序生成Hex文件,然后在Proteus进行设置(图

6),即可脱离Keil在Proteus中可单独完成系统的

独立运行,就像传统方法中,将程序烧写到单片机

中后目标电路板的运行情况;另一种是在Proteus

的Deubg菜单中勾选UseRemoteDebugMonitor,同

时在Keil中选择Optionsfortarget`target1',并选

择UseProteusVSMSimulator,此时在Keil中执行调

试,则程序在硬件上的运行结果立刻在Proteus仿

真环境中表现出来,就像传统方法中利用硬件仿真

器配合目标电路板完成的工作。图6Proteus中单片机程序的装入

4结论

真正意义上的全数字式电能计量装置是利用数字式交流采样电路,实现对模拟交流信号的AD采样,并用微处理器对采样的数据进行处理,最终得出计量数值并控制显示模块显示出计量结果,实现计量目的。本设计利用虚拟仿真平台Proteus展开了对数字式电能计量装置的设计和研究,对相应设计模块进行了硬件、软件仿真。在设计中,采用单片机控制的模数转换芯片对电压电流参数的交流采样,可以精确得出电压、电流和功率因数3个重要参数,为以后系统多功能模块的扩展,提供了很好的基础,如电压报警、功率报警、防窃电等,利用所测参数,处理出对应的有功电能,同时可以显示当前电网参数。显示模块采用数码管,用价格低廉的硬件完成所有参数的显示,Proteus良好的硬件设计及软件设计仿真环境,给设计带来了很多便利,基于Proteus所设计的数字式电能计量装置具有方便的功能扩展空间,功耗低、防窃电、计量精确等优点。

参考文献:

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(责任编辑李渝珍)