武汉理工大学毕业设计（论文） 武汉理工大学毕业设计（论文）智能IC多功能电表的设计学院（系）：自动化学院专业班级：电气学生姓名：指导教师：摘 要智能电网的迅猛发展直接推动了智能电表的快速更新换代。最早使用的电表是机械式电表，通过磁场对转盘产生的力矩转动转盘计费，这种电表弊端极多，磁场很容易受到外界环境的干扰，导致电能计量不精确，灵敏度和稳定性很差。其后兴起的电子式电能表抛弃了早先的机械式计量方式，利用集成电路进行数据处理，很大程度上提高了计量的精度，同时大大减小了电能表的体积。随着近年来电子技术的飞速发展，电路集成化程度更高，出现了单片机、DSP、ARM等微处理器，人们将这些智能化集成芯片应用于电表中，使之具有更强大的功能。本文设计了一款具有功率检测、显示功能，并能读取IC卡信息，能对电量进行管理的智能多功能电表。本设计以DSP微处理器作为核心，将采样得到的电参量进行实时分析，可存储测量结果，并通过网络将结果反馈给上位机，有显示和简单的操作功能，实现了人机交互。本文首先介绍了智能电表发展的背景、国内外发展现状和所涉及到的基本理论概念；然后介绍了系统硬件电路的设计，包括对前置电路、A/D采样电路、DSP数据处理系统，以及输入输出系统和IC卡读写模块的设计，讲述了元器件的选型理由和每个模块的硬件连接电路；其次详细说明了谐波功率测量及仿真验证方法，包括了对于周期信号的傅立叶级数分解公式、DFT的基本原理和FFT算法概念的介绍，分析了谐波存在情况下的功率计算方法，介绍了DSP的浮点库，利用MATLAB对FFT算法进行验证，给出了简单的谐波电能计量例子；最后介绍了系统的软件设计，利用模块化设计结构，分为DSP主程序、AD采样子程序、按键子程序、主循环流程几个部分进行说明。关键词：智能电表；FFT；AD转换；DSPAbstractThe rapid development of smart grid directly promotes the rapid upgrading of smart electric meters. The earliest electric meter is the mechanical meter, which measures electricity by rotating the dial via a torque generated by the magnetic field. There are so many disadvantages in this way. For example, the magnetic field is so susceptible to the interference from external environment that the measurement is not enough accurate and the sensitivity and stability is poor. Then the electronic electric meter was invented, which abandoned the earlier mechanical measurement method. The electronic meter uses an integrated circuit for data processing. It greatly improved the accuracy of measurement, and greatly reduced the volume of meters. With the rapid development of electronic technology recently, the integrated circuit is higher intergraded than before, and the MCU (microcontroller), DSP, ARM and other microprocessors is appeared. They are applied to the meter as intelligent integrated chip and the electric meters have more functions.This paper designed a smart electric meter, which can detect power, display, read the IC card information, and be able to manage the electric power. This design uses DSP as the CPU of the system. It can analysis electrical parameters that have been collected in real-time and store the measurement results, and then feedback these results to the upper computer through the network. It can also display the results and do some simple operation to achieve the human-computer interaction.Firstly, This paper introduces the background of the development of smart meter. Secondly, this paper introduces the design of hardware circuit, including the pre-circuit, A/D sampling circuit, DSP data processing systems, the input/output system and IC card reader module design. It mainly tells the selecting reasons of hardware components and describes these connection circuits of each module. Then, it introduces the theoretical basis of the harmonic energy metering based on the Fourier transform, including decomposition formula of Fourier series for a periodic signal, the basic principle of DFT and FFT algorithm, and analyzes the power calculation method in case where there is some harmonic and the Floating Point Unit of DSP, using MATLAB to verify FFT algorithm, and it also gives a simple example of the measurement of harmonic energy. Finally, this paper introduces the design of the software, it can be divided into four parts to explain with a modular design structure: the main program, AD sampling subroutine, key subroutine, the main loop flow. Key Words：smart electric meters；FFT；A/D conversion；DSPI目 录第1章 绪论11.1 课题的研究背景11.2 国内外发展现状11.3 本文的计量理论基础21.4 本文的设计目标和主要研究内容3第2章 系统硬件设计42.1 硬件系统总体方案设计42.1.1 系统设计思路42.1.2 总体设计框图52.2 前置电路62.2.1 互感器的选取与设计62.2.2 放大滤波电路的选取与设计72.3 采样电路112.3.1 A/D转换器的选取112.3.2 AD7610介绍122.4 DSP数据处理系统132.4.1 DSP在电能计量中的应用132.4.2 DSP的选取132.4.3 TMS320F28335简介142.4.4 TMS320F28335与ADC接口电路设计142.5 输入输出系统152.5.1 显示模块设计152.5.2 按键模块设计162.5.3 无线通讯模块设计172.6 IC卡读取模块设计172.6.1 SLE4442简介182.6.2 SLE4442与DSP接口电路设计182.7 本章总结19第3章 谐波功率测量及仿真验证203.1 傅立叶变换原理203.2 离散傅立叶变换（DFT）213.3 快速傅里叶变换（FFT）213.4 谐波功率计算243.5 FFT程序设计253.6 FFT算法仿真验证263.4.1 建立谐波电源263.4.2 频谱分析计算273.5 本章总结29第4章 系统软件设计304.1 DSP主程序设计304.2 AD采样子程序设计304.3 按键子程序设计314.4 主循环流程图设计324.5 本章总结33第5章 总结与展望345.1 全文小结345.2 本文不足与工作展望34参考文献35致 谢36第1章 绪论1.1 课题的研究背景智能电网建立在高速双向通讯网络的基础上，通过先进的传感测量技术，实时将采集到用户用电情况反馈回网络，紧密的供需联系使智能电网能及时应对电网出现的种种问题，使电网更加安全可靠、经济高效地运行。智能电网的卓越性能推动世界各国纷纷开始大刀阔斧地进行电力市场的改革创新1。最早使用的电表是机械式电表，通过磁场对转盘产生的力矩转动转盘计费，电流大小改变磁场大小，从而改变力矩及旋转速度，起到计量电费的作用。这种电表弊端极多，磁场很容易受到外界环境的干扰，导致电量计量不精确，灵敏度和稳定性很差。其后兴起的电能表是电子式电表，这种电表得到广泛的使用，它抛弃了早先的机械式计量方式，而是采取利用集成电路进行数据处理的方式，对电能进行计量，大大减小了电能表的体积，很大程度上提高了计量的精度。随着电子技术的发展，电路集成化程度更高，单片机、DSP、ARM等微处理器也在快速发展，人们将这些智能化芯片应用于电表中，实现了更多的拓展化功能，随之涌现出了许多功能更强的智能电表，例如分时计费电表、异地抄表电表、智能IC卡电表等。作为智能电网的用户终端，智能电表也随之迅猛发展。世界各国都在积极发展智能电网的建设，网络化管理的兴起，直接导致了智能电表普及率激增，据调查研究统计，智能电表的全球使用量将在2020年突破5亿只。我国也紧跟世界形势，积极推进智能电网的建设。随着不断地改进，电表也从传统的机械式电表、人工抄