2014电子设计大赛

2014年全国大学生
电子设计竞赛(D题)
编号：
题目：电能消耗计量装置 (D题)
学校：
学院：信息科学与电气工程学院
参赛学生：
联系方式：
2014年月日
电能消耗计量装置的设计报告
摘要：本设计以ATMEGA16A为控制核心，通过交流整形电路连接AD637KQ真有效值转换芯片量锰铜电阻，实现负载电流有效值检测；市电电压有效值的监测是通过连接市电电压的负载分压之后，由AD637KQ真有效值转换器实现测量；通过功率因数测量电路，市电电压经过二极管电桥正弦波变为方波，经单片机捕获测量出负载的功率因数和市电频率；单片机连接键盘和12864B v2.0液晶显示屏，通过中断服务模式实现控制负载用电时间、电能消耗、二氧化碳排放量的显示，以及显示市电电压有效值和市电频率、负载的工作电流有效值和有功功率、负载的功率因数；该装置还具备最大门限值设置、过流保护功能，进行了大量试验和测试，验证了设计的有效性，完成了基本部分和发挥部分功能要求。

关键词：电能消耗计量装置，ATMEGA16A，AD637，低能耗，精度
1.系统方案
1.1系统要求
设计一款用于市电的电能消耗计量装置，该装置能耗低，由非分体式独立供电结构供电，具备过流保护功能和声光报警功能，并可设置被测负载最大门限值。

能够监测所在电网的市电电压有效值和市电频率，以及连接负载的工作电流有效值和有功功率值，并显示出负载的功率因数、用电时间和负载用电量对应的二氧化碳排放量及电能消耗值，
1.2 方案论证
1.2.1 控制器模块
采用ATMEGA16A控制器。

ATmega 16A是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。

由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，功能强大，性价比高，使用方便。

1.2.2电压有效值测量模块和电流有效值测量模块
方案一：带有AD637KQ真有效值转换器，AD637BQ可以计算各种杂波形的真有效值，最大3dp宽带可达8MHZ，可选择测量直流信号和交流信号，带载能力强。

采用直插式连接，成本低，功耗更小
方案二：采用峰值监测电路直接测量。

用电容器来保持最近峰值的模拟储存器，使它充当一个电压储存器，当有一个峰值出现时则通过二极管向电容充电，达到监测峰值的作用，然后用得到的峰值V除以1.41421得到有效值。

测量的结果要求误差在±0.5v，方案二误差较大，易受到非正弦波的影响，故选用方案一。

1.2.3市电频率值测量模块
方案一：通过电阻降压、施密特电路整形后, 将电网电压转化为5 V 方波电压，并作为检测信号输入到单片机控制模块，通过单片机软件处理运算。

方案二:市电频率检测电路主要是将市电电网电压转换为方波信号，利用单片机定时器的捕获功能测量该方波一个周期的时间T，再通过公式f = 1/T计算电网电压的频率。

精度达到0.01Hz。

方案一使用过多原件，容易出错，功耗大，方案二测量要求、精度都足够满足，所以选择方案二。

1.2.4 液晶显示模块
方案一：ST7565P12864液晶显示屏，采用顺序操作编写程序，成本低，都是小尺寸，可以外挂字库，视域尺寸较小用于显示计量负载的工作电流有效值和有功功率，以及负载的功率因数和用电时间、电能的消耗值。

方案二：12864Bv2.0液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字、128个字符及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。

可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式,也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。

本装置要求显示负载用电时间，CO2排放量等，LCD12864自带字库，足以满足要求，另外功耗更低。

选择方案二。

1.2.5负载功率因数检测电路（模块）
方案一：波形分析法首先分别对电压u和电流i进行采样，得到各自离散的采样序列u和i，然后进行离散傅里叶变换，再分别根据傅里叶变换后得到的电压、
电流的实部和虚部，计算出各自的基波初相Фu 和Фi ，根据电路理论，电压与电
流的相位差θ= Φu-Фi ，功率因数为cos θ。

方案二: 功率因数检测电路主要是将市电电网电压和电流转换为弱电压方
波信号，通过异或门得到一路方波信号，利用单片机测得该方波信号高电平时间，
换算成电网输出电压和输出电流的相位差φ，最后通过公式cos φ计算出功率
因数值。

精度达到0.01Hz 。

方案一中电压电流包含非周期分量和谐波分量，不是工频分量功率因数，单
纯应用DFT 变换不能实现功率因数的高精确度测量，故选择方案二。

1.2.6电源模块
方案一：市电电压连接低功耗离线式电流型脉宽调制单片开关电源集成电路
VIPER12ADIP ，输出一个直流电压，再经过LM7908和LM7905输出±5的电压，
+5V 电压经过低压差电压调节器LM1117-3.3输出3.3V 的电压。

方案二：自行焊接的整流桥实用新型能够将整流输出电压稳定在小于最小交
流输入电压幅值的一个设定值，适用于宽输入电压范围开关电源的前端整流，能
够减小功率器件电压应力，但功耗比较大，元器件比较多，且自行焊接误差较大。

考虑到使整体装置功耗较低，稳定性好，因此选用方案一。

1.2.7 AD 转换模块
采用24位ADS1256，该款AD 转换器是TI 公司推出的微低功耗、高精度芯片，
可同时采集8路信号输入，采集速率为30K/S ，精度可达0.00001，模地、数字
地完全接地，抗干扰能力强。

1.3系统设计
综合所述，控制芯片采用ATMEGA16A ，使用AD637真有效值转换芯片，输出
电压、电流真有效值，通过带有AD637KQ 直流转换器的电路，再由ADS1256转换
器，采集输出的电信号的相关真有效值。

使用74LS02异或门得到电压、电流相
位差，并以此测得频率、功率因数等参数。

直流稳压电源用带LM7805稳压原件
的电路提供电源，单片机驱动显示屏显示测量值。

而负载耗电量对应的二氧化碳
量等参数的测量将由单片机控制中心完成，且全过程的数据都将在屏幕上显示，
以便客户实时监视电网情况。

这样设计出来的电能消耗计量装置，完全满足设计
要求。

1.4系统框图
系统结构框图如图 1 ATMEGA16ADAN 单片机
声光报警
液晶显示键盘控制
过流保护
直流电源频率功率
因数检测电压检测电流检测
真有效值转换A/D1256L N
图1 系统原理框图
2.理论分析与计算
2.1负载功率因数、电网电压频率检测
时钟频率F ，定时器捕获相邻上升沿和下降沿的时刻频率1f ，2f ，其差值f ∆
21f f f -=∆ 那么功率角180
02.0360⨯⨯⨯⨯∆=ΦF f π 所以功率因数 Φ=cos pf 定时器捕获相邻上升沿前后两次的捕获值3f ，4f ，其差值1f ∆ ,所以市电频率⎪⎭
⎫ ⎝⎛∆⨯=F f f 10.1
2.2电网电压、电流有效值计算
AD637BQ 有效值测量电路输入采样的电阻的电压，属于高准确度的单片真有效
值/ 直流转换器，适用的波峰因数很宽, AD637KQ 转换成真有效值，ADS1256采集
到的电压为1U ,电路总电阻为R ，锰铜丝电阻为r ，电压为u ，则电压有效值为
⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯=r 1R U U ,电流有效值为r u =I 2.3电网功率及电能消耗量的计算
由电压电流有效值V 、I 可得电网视在功率S 为I V s ⨯=
电网视在功率（S ）、有功功率(P)、无功功率(Q)的对应关系如下
22Q P S += 则可得有功功率P （W ）为φCOS ⨯⨯=I V P
电能消耗值即为消耗的总功Ｗ，系统运行时间Ｔ，其电能消耗值（W ）计算
公式为T P W ⨯=
其中，Ｗ的单位为焦耳（J ）,Ｐ的单位为瓦特（Ｗ）,时间Ｔ的单位为秒（Ｓ）。

化为电能的标准度量单位ＫＷ．Ｈ的计算公式为,Ｗ１的单位为度(ＫＷ．Ｈ)。

3600000
1W W = 2.4功耗分析
单片机正常模式下为1.1mA ，要电模式下小于1mA ，AD637KQ 正常模式为2.2mA ，
空闲状态下为350uA ，ADS1256正常模式下为38mW,空闲状态下为0.4mW ，LM1117
静态模式下为5mw ，电源模块为350mw 总的功耗为mW W 3.3543504.04.035.025103.33=+++⨯⨯+⨯=- 所以满足要求
错误！未找到引用源。

3.电路与程序设计
3.1电路设计
3.1.1 直流稳压电源模块 如图1
图1 接口电路图
3.1.2负载电流有效值测量电路
图2 有效值测量电路
3.1.3电压有效值测量电路
图3 有效值测量电路
3.1.4负载功率因数测量和市电频率测量电路
该部分是负载功率因数测量电路和市电频率测量电路的整合电路，通过二极管电桥的钳位功能和集成运放原件使市电转换成频率相同的方波，一部分通过测量两个上升沿的时间获得市电频率，另一部分获得电流的方波，通过单片机的捕获功能，得知电流电压的相位差来获得负载功率因数。

图4 负载功率因数测量电路和市电频率测量电路
3.2软件设计
3.2.1软件功能
软件实现如下功能①通过定时器中断服务中CTC模式捕获市电频率值。

②通过定时方式测量负载电能的功耗，并计算CO2的排放量。

③当电流较大时实现过电流保护，和声光报警功能。

④通过键盘中断服务程序驱动液晶显示屏显示3.2.2工作流程图
程序流程如图 5所示。

开始
市电电压供电
继电接触器
负载是否超过
最大门限值
电流是否过大
否否
市电频
率市电电
压有效
值
负载工
作电流
有效值
有功功
率
负载功
率因数
负载用
电时间
负载电
能消耗
CO2排
放量液晶显示屏显示
结束
是
是
否
否
图 5系统发挥部分程序流程图
4.测试方案与测试结果
4.1测试方案
4.1.1测试仪表
胜利的VC9807+ 4位半数字万用表(200µA档测电流)，示波器，信号发生器，直流稳压电源。

4.1.2测试过程
基本功能测试
基本功能测试结果见表1、表2
表1 电压有效值测试 表2 负载电流有效值测试
测量次数 标准值 测量值 测量偏差 1次 220 219.8 0.2 2次 219.8 220.1 -0.3 3次 217.9 218.1 -0.2 4次 219.8 219.6 0.2
表3 频率 表4 功率因数
测量次数 基准值 测量值 测量偏差 1次 49.53 49.51 0.02 2次 49.63 49.65 -0.02 3次 49.79 49.78 0.01 4次 49.88 49.92 -0.04
实现功能 是否测量显示电量对应CO2排放量 是否可设置被测负载最大门限值
整机是否具备过流保护功能 是否低功耗 是否有分体式独立供电部分 完成情况
是 是 是 是 否 4.1.3创新部分
我们在电能消耗计量装置上加装了语音播报模块，可让计量装置实现播报语音，更加智能化，人性化。

5.总结
经过四天三夜工作，我们最终设计并制造出了电能消耗计量装置，完成了比赛要求的基础和发挥部分。

在设计中，我们既考虑了系统的功耗，又充分发挥了系统中芯片的高性能。

本次竞赛极大的锻炼了我们，虽然遇到了很多困难和阻碍，但总体上成功与挫折交替，困难与希望并存，我们将继续努力争取更大的进步。

参考文献：
[1]黄智伟，全国大学生电子设计竞赛技能训练[M].北京。

北京航天航空大学出版社，2007.
[2]李智奇著. STM32系列单片机原理与设计. 西安电子科技大学出版社,2008.
[3] 谭浩强著. C 语言程序设计(第三版). 清华大学出版社,2005. 测量次数 基准值 测量值 测量偏差 1次 1.211 1.210 0.001 2次 1.217 1.219 -0.002 3次 1.305 1.301 0.004 4次 1.117 1.120 -0.003 测量次数 基准值 测量值 测量偏差 1次 0.471 0.468 0.003 2次 0.381 0.379 0.002 3次 0.626 0.621 0.005 4次 0.801 0.799 0.002 表 3发挥部分测试结果。