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1. 单相智能电表概述
1.1 电能表的研究意义及研究现状
智能电表作为电网的终端,随着电网的不断改造和电力行业的发展以及电能管理系统的不断完善,电能表的结构和性能也不断更新、优化和升级:由最初的感应电能表,发展到后来的感应系脉冲电能表,到现在的纯电子式电能表。随着电能管理的现代化,需要更多关于电能表的数据,同时决策、管理还要与电能表进行双向通讯,由于数字乘法器型电能表是以微处理器为核心,所以功能容易扩展,易和配电自动化系统集成,因此本文设计了一种基于单片机AT89S52的单相智能电表,使用更加智能、方便。
1.2 设计概况
本文在参阅了大量前人设计的基于单片机的智能数字电能表的基础上，利用单片机技术结合电能表芯片CS5460A构建了一个单相智能电表。本文首先简要介绍了单相智能电表的主要功能以及系统构建的总体方案，然后详细介绍了单相智能电表硬件系统和软件系统的设计方案，并给出了硬件电路的设计细节，包括各部分电路的组成、芯片的选择以及方案的可行性分析等。最后对方案的仿真结果进行分析和总结。
2. 总体方案设计
2.1 单相智能电表的功能参数
设计一只单相智能电表，目标实现的主要功能如下：
(1)该单相智能电表能实现对单相交流电能的测量；
(2)电表基本参数：电压测量范围0-220V,电流测量范围0-10A,计度容量范围：0-99999.99Kw.h；
(3)能准确测量并实时显示功率、电流和电压的有效值；具有分时计量功能；
(4)可以实现智能电网和用户之间的双向通信，用户端控制功能；
2.2 系统的基本方案
单相智能电表系统主要由微处理器模块、电能芯片CS5460A模块、时钟模块、显示功能模块、通讯系统模块、键盘控制模块、存储功能模块和信号处理电路模块部分组成[3]。信号处理电路模块主要采用电压互感器、电流互感器，实现对信号的采集和处理。采样信号处理后送到电能芯片CS5460A，然后经过CS5460A转换将电流、电压、电能等信号传送给单片机AT89S52，以AT89S52为核心的微处理器模块控制所有芯片的功能实现，显示模块采用OCMJ4X8CM液晶模块，通讯模块采用Max232芯片，时钟模块采用DLS1302芯片，存储模块采用X5045，该系统可以实现对电能等电参量测量、显示及采集处理的功能[4]。系统硬件框图如图1所示。
3. 系统硬件设计与实现
3.1 电源电路模块的设计
直流电源电路模块是单相智能电表系统稳定工作的首要条件，电表系统中的每个模块都需要直流电源提供电能，本文采用+5V直流电源供电方式，通过变压器将220V交流电转换成交流低压，再经过桥式整流电路整流及滤波， W7805的稳压和电容的频率补偿，最后在直流电源的输出端产生了高精度、稳定性好的直流输出电压。直流电源设计如图2所示。
图2 +5V直流电源的设计
3.2 前端电路控制模块的设计
图3 前端信号调理电路
3.2.1电压信号采集模块
对于系统的前端电压控制部分，我们采用变比为2mA/2mA的电流型电压互感器和高精度电阻作为输入电路部分电路如图3所示。系统设计采用220V的市电电压输入，首先外接Rx=110k电阻得到2mA的电流，然后通过变比为1/1的电流型电压互感器，然后在二次侧连接1个125Ω的定值电阻得到所需的输入电压，可以为CS5460A提供电压信号，不超出芯片的测量范围。
3.2.2电流信号采集模块
电流控制模块采用变比2000：1 的电流互感器，然后结合电阻将电流信号转变成电压信号，再通过RC滤波网络对信号进行滤波。经处理后的电压信号送到CS5460A。因为互感器存在角差，所以可能使输入信号产生相移，增大功率测量的误差。由于CS5460A 具有相位补偿功能（可进行-2.4°至+2.5°的相位补偿，步进0.34°），可以在很大程度上减小由此产生的影响。
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