电子信息工程毕业设计（论文） 1. 绪 论
1.1 概述
电表是我国电工仪表行业中产量最大的产品。近几年，国家连续出台的多项与电表行业发展相关的政策以及房地产产业的迅速发展，为电表需求的上升及保持行业发展的相对稳定起到了一定的保障作用。
随着高新技术尤其是电子信息技术的快速发展，电子式、多功能、高精度、多费率、自动抄表等产品的优势突显，且已经逐步成为电能表发展的主流，在未来几年里，这种趋势将更加明显。城乡电网改造，使电工仪器仪表行业步入了快速发展的轨道，同时也为行业企业提供了一个科技创新的平台，电工仪器仪表生产企业抓住机遇，通过对国外先进技术的兼收并蓄，并高标准、高起点自主开发了一系列高技术产品。因此研究本课题具有重要的实用意义。[1]
1.2 智能电表的发展及现状
1880年电表诞生。19世纪末感应系电表的制造理论就已基本形成。后来，为适应
工业化和电能管理现代化发展的需求，电子式电表应运而生。最初的电子式电表仍基于感应系测量机构，只是表盘的旋转变成了电脉冲；随后出现了基于各种乘法器原理的电子式电表。电管理现代化需要访问多种信息并要求决策与电价器具之间能双向通信。数字乘法器型电子式电能表扩展功能方便，适合与配电自动化系统集成，将成为电子式电表的主要发展方向。[9]
经过多年的发展，电力已经成为国家最重要能源之一，并逐步满足了工业用电和居民用电需求，解决了电力能源的供需矛盾。同时，电子技术、计算机技术和网络技术的发展，给供电部门和用电部门、居委会或物业管理部门在供用电管理的规范化、自动化和收费网络化方面提供了可能。在电表改造或研制方面，出现了磁卡式电表、电卡式电表、IC卡电表、全电子电表、带有通信接口的电表等多种类型的表计。在抄表方式上，使用远程自动抄表系统，解决了传统手工抄表方法存在的速度慢、可靠性差、自动化程
[11]度低等问题。经过几年的实际应用，收到了较好的效果，已成为我国用电管理的主流。
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电子信息工程毕业设计（论文） 1.3 电表的工作原理
(1)机械电表基本原理
传统电表指感应式的机械电表(简称感应表或机械表)，它利用的是电磁感应原理，主要由电压线圈、电流线圈、铝盘、永久磁铁、计度器等器件构成。其工作原理为：根据电磁感应原理，电表通电时，在电流线圈和电压线圈产生电磁场，在铝盘上形成转动力矩，通过传动齿轮带动计度器计数，电流电压越大，转矩越大，计数越快，用电越多。铝盘的转动力矩与负载的有功功率成正比。电表常数，指计量每单位电能值（度或千瓦·小时）时对应铝盘转过的圈数，单位是转/千瓦·小时。
(2)电子电表基本原理
电子式电表是利用电子电路/芯片来测量电能；用分压电阻或电压互感器将电压信号变成可用于电子测量的小信号，用分流器或电流互感器将电流信号变成可用于电子测量的小信号，利用专用的电能测量芯片将变换好的电压、电流信号进行模拟或数字乘法，并对电能进行累计，然后输出频率与电能成正比的脉冲信号；脉冲信号驱动步进马达带动机械计度器显示，或送微计算机处理后进行数码显示。[9]
1.4 智能电表的发展趋势
智能化电表，大体上可分为两种类型：带有微处理器的机电式和全电子式。机电式借用原感应式电表的机芯，通过光电传感器读取转盘转数来测量用户的用电量，如磁卡式电表、电卡式电表、IC卡电表等；而全电子式电表则采用电压电流隔离方式，进行A／D转换，将采样值相乘并累计计算用户的用电量。机电式智能电表成本较低，主要用于单相电表，适合于居民用户使用。全电子式电表主要用于三相电计费，针对企业应用。为了实现远程自动抄表，应选择配有通信接口的智能电表，通常有RS—485、RS—232、CAN总线收发器或红外等几种接口形式。[1]
通信方式远程自动抄表系统的核心是利用计算机网络与通信技术，通过双绞线、电话线、电力线、无线电或红外线等通信方式，自动统计各个用户的用电量，并送传到远程监控中心，实现抄表自动化。电话线方式，电力线载波方式电力线载波
(PowerLineCarrier，PLC)方式自动抄表系统，ASK(幅频键控)电力载波方式，SC(扩展频谱电力载波)方式的集成电路方案，无线通信方式，基于LonWorks技术的抄表方式等。
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电子信息工程毕业设计（论文）
1.5 研究方法
要研究智能电表，首先必须搞清楚这个产品的工作原理，当把电表接入被测电路时，电流线圈和电压线圈中就有交变电流流过，这两个交变电流分别在它们的铁芯中产生交变的磁通；交变磁通穿过铝盘，在铝盘中感应出涡流；涡流又在磁场中受到力的作用，从而使铝盘得到转矩（主动力矩）而转动。铝盘转动时，带动计数器，把所消耗的电能指示出来。这就是电表工作的简单过程。在设计中我们应该对它的功能有一个初步的定位，智能电表，顾名思义是应该在实现电表的基础功能外更加体现它的智能化，它应该具有数据的保护，报警功能，断电的显示，负荷的控制，防窃电功能，等功能，在后面的设计中会详细的介绍每个功能实现的方法与步骤。电表作为电费收取的计量依据，涉及到一个抄表问题，智能电表应该在这一方面显示出它的优越性，在设计中，也应该花大气力解决这个问题，在远程自动抄表系统中，有总线和载波抄表等几种方式，在设计终，更多的用到的是载波方式的抄表，现在国内外厂家使用的电力线载波技术主要有： 窄带载波技术及扩频技术。窄带技术成本低，易于实现，但缺点也比 较明显，即抗干扰能力较差。扩频技术具有突出的抗干扰能力和保密性。[6]
1.6 研究措施、步骤
这次所设计的智能电表属机电式智能电表，它由硬件电路、相应软件及控制系统三部分构成。因此应该分别对智能电表的各个模块分开研究。在硬件电路方面包括读写器，IC卡及电表费率系统三部分，通过安装在微机上的读写器，可用IC卡实现与普通微机的连接。卡内的数据由供电部门的售卡系统写入、电度表具有对电卡回写的功能，当用户将卡接触读写器，电表正确识别密码后，读入购买电量，然后再将零回写给电卡。用户的电卡只能在自己的表上使用，在其它表上不能使用。
IC卡系统由读写器和IC卡两部分组成。应用系统通过读写器对卡进行操作;读卡器通过射频信号同卡进行近距离通讯，并为卡上芯 片提供能量;IC卡响应读写器的指令，并报告处理的结果。IC卡通过连接IC芯片的线圈在特定交变磁场中耦合获得高压能量，再通过整流得 到直流电流，从而得到工作电压及电流。IC卡的读写器通过发射线圈发
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电子信息工程毕业设计（论文） 射交变强磁场，给予IC卡能量，通过磁场的断、续编码写入数据，并通过线圈感 应IC卡发出的磁场阅读IC卡发来的数据;IC卡通过交变磁场获得能量，通过检验磁场的断、续获得读写头写来的数据，并按设定的模式编码、调制，向读写头 发出数据。 电表费率系统需要完成的功能主要如下:接收IC卡系统单元发送的用户购电信息；将新收到的用户购电信息与费率系统的自有用户用电信息进行合并计算以得到新的信息；动态计算以得出剩余电量，并在剩余电量到达警戒值时点亮LED管，以提醒用户购电，并在剩余电量达到一定值时切断电源。
软件系统包括微机串口通信，内部工作和数据的传送。微机串口通信部分主要完成将用户购电信息通过串口异步通讯适配器输出到IC卡系统的单片机中，IC卡系统数据传输程序主要完成将加密后的用户购电信息发送到电表费率系统。并在确定用户购电信息已无误地被电表费率接收后自动清零。[9]
系统基本原理图如下图1.1：
显示单元 采集单元 数据存储单元 CPU处理单元 负荷控制单元 电源单元 输入输出单元
图1.1 基本原理图
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