第 II 页摘 要随着中国经济的腾飞，人民生活水平的提高，对电能的需求日益增长，之前传统单一的费率政策已经不能满足需求，电网开始采用新的用电政策，用来平衡高峰用电和低谷用电，保证电网的安全稳定运行。这就对电能表提出了新的要求，如今单片机技术已经广泛应用在各个领域，其有着价格低廉、技术成熟、运行安全稳定等优点，如今单片机控制的电能表逐步取代了传统的电能表。根据题目要求，本设计采用STC单片机作为主控芯片，对线路实行单相测量，能实现实时测量电流、电压有效值和瞬时功率。电能表带有报警功能，可自行设置报警阈值，超过阈值蜂鸣器报警，从而保护电路。电能表采用模块化设计，采集部分分为电流采集模块，电压采集模块，功率因素采集模块，通过单片机自带的A/D转换器转换成可以处理的数字信号，经过单片机内部程序运算实现对电力参数的实时测量显示功能；单片机最小系统集成了LCD显示模块，通过LCD可实时查看电力参数；电源模块为双路输出，为单片机模块与采集模块分别提供5V与+-12V的稳定直流。软件部分带有设置中断，可随时设置报警值，并根据采集数据转换成可读电力参数。关键字：单片机；电能表；电力参数；实时显示；报警AbstractWith rapid development of Chinese economy, peoples living standards improve and the demand for energy growing day by day. The traditional single rate policy has been unable to meet the demand. In this case ,the grid started the new electricity policy to balance peak power and low electricity, guarantee the safe and stable operation of power grids. This raise a new demand for electric energy meter ,now SCM technology has been widely used in various fields. It has the advantages of low price, mature technology , safe and stable, and now the electric energy meter which controlled by single chip microcomputer gradually replaced the traditional electric energy meter.According to the requirements of the topic, this design uses STC microcontroller as the main control chip, the circuit implementation of single phase measurement, can achieve real-time measurement of current, voltage effective value and instantaneous power. The electric energy meter has the function of alarming, which can set the alarm threshold, if this threshold is exceeded, super buzzer will alarm, so that can protect the circuit. Electric energy meter based on modular design, collecting part is divided into current collecting module, voltage acquisition module, and the power factor of the acquisition module, through the MCU built-in A / D converter that convert the digital signals which can handle, through the internal procedures in the microcontroller operation of electric power parameter measurement display function. MCU minimum system integration of the LCD display module, through the LCD real-time view of the power parameters; power module for the dual output, for the microcontroller module and acquisition module respectively 5V and +-12V to provide a stable DC. The software part is equipped with an interrupt, which can set the alarm value at any time, and can be converted into a readable power parameter according to the collected data.Keywords: microcomputer; electric energy meter; electrical parameter; real-time display; alarm 目录目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题背景11.2 发展情况11.2.1国际发展情况11.2.2国内发展情况21.3 发展趋势31.4 课题研究基本要求31.5 本章小结42 电能表电力参数与芯片选择52.1 互感器52.2 电能参数的测量52.2.1电压电流有效值52.2.2功率计算52.3 主控模块的选择62.4 显示模块72.5 AD转换72.6 本章小结73 硬件部分83.1 硬件整体结构83.2 主控芯片12c5a60s293.2.1STC12c5a60s2最小系统设计93.3 LCD1602显示模块103.3.1LCD1602内部存储结构113.3.2初始化设定LCD1602指令113.3.3读写数据123.4 电流采集模块143.4.1 I-V变换部分电路：143.4.2电压跟随器：153.4.3精密整流滤波153.5 电压采样电路173.5.1运放采样173.5.2电压跟随器183.5.3精密整流滤波183.6 电源模块193.6.1桥式整流电路203.6.2稳压芯片电路203.7 功率因素检测电路213.7.1电路原理223.7.2时间相位换算223.8 本章小结224 软件设计234.1 软件思路234.2 显示程序234.3 主程序245调试255.1 硬件调试255.2 软件调试256 结论26谢 辞27参考文献28附录一 基于单片机的数字电能表设计电路原理图29附录二 基于单片机的数字电能表设计电路PCB图32附录三 基于单片机的数字电能表设计C语言程序35 第 39 页 共37页1 绪论1.1 课题背景电出现在人类历史不过几百年的时间，但其发展之广泛，速度之快是人们意想不到的，这对电能表提出了每个时代不同的需求，人们最开始的时候使用的是电解化学电能表进行计费，而后发明的电磁感应电能表使用了将近一个世纪，虽对其做了诸多改进，技术成熟，但如今已难以满足时代的需求。上世纪经历工业革命后，人类的生产力有了空前的提高，同时带动了科学技术的发展，人类在微电子领域和计算机领域有了重大的技术突破，这就为新一代电能表的产生奠定了基础，其测量精度高，实时电价计算，远程抄表，负荷曲线计算等优势明显，现已取代传统电磁电能表成为未来电能表发展的主流。 随着国家对电力行业的规范化和市场化改革，我国对智能化电网的建设，电能远程抄表系统逐渐普及，实际使用中旧式电能表已经被数字电能表取代，其大部分为国外厂商生产的电能表，且运作良好。电网营运中，电能的测量为整个电网生产，运营不可或缺的环节，故发展更为先进、精准的电能表，对电网的运营有重要的意义。随着国内对用电水平要求的提高，传统的二次设备已经不能满足电网安全稳定运行了，如电网的功率因素会影响设备的正常运行，需对检测设备进行更新换代，实时调整电网各项参数，才能保证电网安全经济运行，减少电能浪费。随着人民生活水平的提高，用电设备家里从原来的几样变成现在我们无时无刻地离不开电器设备，用电设备已经成为了我们不可或缺的生产力工具，国家的发展离不开电，人民生产离不开电，人民对电能的需求不断增长，这就促进了国家电网的建设，发电厂增多，电压等级升高，发电厂装机容量的增大，传统的二次设备已经不能满足电网的稳定运行，且传统二次设备需值班人数较多，无法满足如今市场化的电力行业经济性要求。一些高新技术产业对电能质量要求颇高，这就要求电网对电力参数做到实时监控。如用电单位的无功功率超标，导致电能不能充分利用，造成电能浪费，若不及时补偿，则可能导致电压波形畸变，对用电设备的寿命和使用造成影响，若不及时调整则会造成用电设备受损。为了保证电网和用电设备安全稳定运行，我们势必要对电网中各项电力参数进行实时监测，对参数进行判断及预判，合理对对各项参数失常进行必要的补偿。故电力参数实时测量时电网安全运行的保证，对电能参数的合理预判可避免故障的发生。1.2 发展情况1.2.1国际发展情况在电力产业发展起步阶段，国际上研发了第一代电能表，初代电能表采用了电解化学原理计费。直到1890年，国际上才发明了以电磁感应为原理的电能表，至今使用该原理的电能表已经有百年历史了。随着国际上对电费制度的改革，提出了新的电价制度如分段费率、预付费制度等一系列新一代电费制度。上世纪七十年代，国际电力行业又迎来了一次新的发展机遇，对电能计量设备提出了如负荷曲线记录、电能质量检测、电能表远距离通讯、智能抄表、实时电价编程等新的要求，传统的铝盘式电能表虽经过诸多改善，但对国际电力行业不断增加的新需求不免力不从心。上世纪中叶，人类的科学技术水平有了一次大的飞跃，在微电子和电子信息领域有了飞跃式进展，技术变革催生了新一代的电能表的产生，基于微电子的高新技术，新一代电能表精度远高于电磁感应式电能表。在电力行业变革的潮流中，世界各地电能表生产厂商意识到电能表要在业内能站稳脚跟就要发展自主设计的表计。不同的供应商和不同的电价系统，在二次设备标准还未完全指定的时代,厂家之间的通讯协议混乱,故制定二次设备生产标准迫在眉睫,在欧洲二次设备大厂的引导下成立了DLMS用户协会,该协会给后来的IEC规约的出台奠定了基础。同样的在北美地区也出台了ANSI规约标准，当时的电力系统中有着不同厂家制造的不同标准的二次设备