基于CAN总线的电能损失监测仪的设计说明书

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1、毕业设计题 目 基于CAN总线的电能损失监测仪的设计 学生姓名 学 号 专业班级 指导教师 学 院 答辩日期 毕业设计摘要社会的发展对于电能质量的要求越来越高，电能质量参数的实时、准确监控分析也日趋重要。借助CAN 数据通信突出的可靠性，实时性和灵活性的技术特点，设计一套基于CAN总线的电能质量监测通信系统，它可以监测到用户供电线路上的异常状态，发现非法用电行为，避免事故的发生和经济损失。可以实现对供电线路的工作状态和用户电能表计量的实时监测，监测信息显示，发出报警，并且可以根据监控中心需要，上传监测到的信息。关键词：电能质量；报警；CAN总线AbstractThe development o

2、f the society is increasingly high demand for power quality，Power quality parameters in real time ，accurate monitoring and analysis are becoming increasingly important . With outstanding reliability of the CAN data communication, the technical characteristics of real-time and flexibility, The design

3、 of a power quality detection communication systems based on CAN bus, it can monitor the abnormal state to the user on the power lines, illegal electricity consumption behavior, avoiding accidents and economic loss. The working status of the supply line and real-time monitoring of user METER monitor

4、ing information display, alarm, and upload monitoring information to the monitoring center needs. Keywords：the quality of electric energy；alarm；CAN Bus目录摘要1第一章 概述11.1设计背景11.2 电能量监测系统发展方向11.3设计的目的及意义21.4设计内容21.5电能计量设备异常及分析2第二章 方案论证52.1设计任务要求的分析52.1.1功能要求分析52.1.2性能指标分析62.1.3系统结构框图72.2电网信号采集单元72.2.1方案的

5、提出72.2.2方案论证72.3总体方案的比较、论证与选择92.3.1方案一-感应-电子式测量92.3.2方案二-感应-机械式测量92.3.3方案的论证与确定102.4其他部分设计方案102.4.1电能表电量采集102.4.2显示单元选择10第三章 系统的硬件设计113.1单片机外围电路设计113.1.1单片机的选择113.1.2简介113.1.3 C8051F040最小系统电路设计133.1.4总结133.2电网电能测量电路硬件设计143.3电源213.3.1 5V、12V直流电源213.3.2 +3.3V直流电源和+AV233.3.3 部分参数计算243.4 CAN总线单元243.4.1

6、CAN总线技术简介243.4.2 CAN总线的特点253.4.3 CAN总线控制器接口芯片PCA82C250253.4.4和其他通信方式的比较263.5 RS-232串行通信单元263.5.1设计思路及目的263.5.2 RS-232简介273.5.3 MAX232芯片简介273.5.4 小结283.6显示单元283.6.1设计思路与方案确定293.6.2 LCM12864ZK液晶模块简介293.7键盘303.7.1设计思路及方案确定313.7.2键盘电路单元323.8报警电路单元323.8.1设计思路及目的323.8.2硬件原理图33第四章 系统软件设计34第五章 设计总结43参考文献44英

7、文原文45英文翻译51致 谢55附 录564毕业设计第一章 概述1.1设计背景电的发现和应用极大的节省了人类的体力劳动和脑力劳动，使人类的力量长上了翅膀，使人类的信息触角不断延伸。电对人类生活的影响有两方面：一是能量的获取转化和传输，二是电子信息技术的基础。当今世界人类生活已经离不开电能，随着我国经济的发展，电网已经遍布城乡，电能已经成为人们生产生活中必不可少的重要能源。电能量是供用电双方电贸易结算的依据，其计量的准确性直接影响到双方的贸易关系。在电能计量过程中，使电能表不能正确反映用电量而出现错误电量的情况，称为非正常计量。非正常计量问题不仅困扰电力企业的发展，也给国家造成了巨大的经济损失，

8、年损失电量大于几十亿千瓦时。在我国一些地区或单位，偷漏电量竞超过了总用电量的30，其经济损失非常严重，据有关部门统计，我国每年因窃电而造成的电费损失超过50亿。另外，一些用户为了偷电，私自改接线路，这些情况不能被及时地发现，给供电线路以及用户自身埋下了可怕的安全隐患。而引起上述问题的根本原因在于线路和设备运行时实时数据缺乏，虽然目前一些系统有部分实时数据，如负荷管理的各种遥测量，但大多数管理系统中使用的还是非实时性数据，大多数情况下，都无法采取有效措施，及时避免设备和线路运行问题发生，阻止非法用电现象，为用户提供服务，从而直接或间接地影响了电力系统经济效益和社会效益的实现。因此，现在急需能够对

9、电能的使用状况和供电线路的工作状态进行有效实时监控的工具，以避免由于非法用电产生不必要的经济损失，发生安全事故。1.2 电能量监测系统发展方向传统电能计量方式误差造成电力部门重大损失，难以满足电力市场计量的要求，今后发展方向应是智能化多功能电能表的分布式直接数字传送模式，数据传输逐步实现网络化。综上所述，电能监测系统正步入成熟发展阶段，向高端延伸。形成集现代数字通信技术、计算机软硬件技术、电能计量技术为一体的综合性实时信息采集与分析处理系统。以公共的通信网络和多种通讯方式实现系统计算机主站和现场计量终端之间的数据通讯。为电力市场提供更加快速、高效的服务，使电能得到合理的利用。1.3设计的目的及

10、意义为了采集到线路和设备运行时的实时数据，以便于及时避免设备和线路运行问题发生，阻止非法用电现象，为用户提供服务。本设计充分析了电能计量，传感器技术，单片机应用技术等技术问题，参考了大量的解决方案，进行总体方案的论证、功能单元电路的分析、设计、整定计算，元器件选型，提出了一整套完整的设计方案。针对常见的一些偷电手段，设置了相应的监测和报警装置，一旦发现了异常状况，系统就会立即发出警报，工作人员从而可以迅速直观地看到故障信息，及时排除故障，制止偷电行为，实现了对供电线路的工作状态和用户电能表计量的实时监测。1.4设计内容采用微电子技术和单片机技术，通过接口电路将PT输出的电压计量信号和CT输出的

11、电流计量信号进行采集处理，微处理器(MCU)对采集来的三相电压、电流计量信号进行各种运算处理，计算出相应三相交流电的有功功率、无功功率、功率因数以及各相的累加电量，这些数据存储在微处理器的存储单元中，可随时通过CAN总线数据包的形式将这些数据传送到远端的电量管理计算机，完成前端数据采集模块的功能。同时微处理器还可以通过RS-232串行通信接口对计量电表的数据采集，两者进行比较，来确定是否有窃电行为发生，以及供电线路是否处于正常工作状态，有何故障等。1、分析设计题目要求，根据系统功能要求，完成总体的设计方案；2、熟悉电能计量原理，传感器技术，单片机应用技术等技术问题，掌握检测、控制、通讯等技术要

12、求；3、完成各个功能单元电路设计的系统进行硬件和软件设计（其中包括设计原理分析、方案比较、部分参数计算等）4、设计并绘制系统的电器原理图及软件流程图；1.5电能计量设备异常及分析造成计量装置异常的原因主要包括: 计量装置故障、系统干扰(主要是谐波) 、窃电。其中，窃电是造成电能计量设备异常的最重要和最经常的原因。(一) 计量装置故障分析如果计量装置的生产质量较差和配置不合理，或者长期在恶劣工况下运行， 就可能造成计量装置的故障，它包括电能表故障、互感器故障和计量回路故障等。计量装置故障最严重的后果就是造成装置本身完全无法工作，但是这种情况是比较少见的。通常情况下计量装置的故障是逐渐形成的，因此

13、它所造成的常见后果就是计量装置综合误差的增大，电能计量设备综合误差包括电能表误差、互感器误差、PT二次回路压降引起的误差等。计量装置综合误差的大小取决于它的设计和制造水平，以及运行环境和运行时间等。正常情况下，计量装置综合误差的值是一定的, 它对于计量准确度的影响也是较小的。但如果有计量装置故障发生的话，其综合误差就可能变得很大，从而严重影响计量的准确性。(二) 系统干扰分析系统的干扰也可能造成计量装置的误差增大，进而对电能的正确计量产生不利影响。这里所说的系统干扰主要是指电力系统谐波的干扰。电力系统内的谐波主要来自于网内大量的电力电子设备和非线性负荷，它的存在给电力系统造成了污染，同时能够引

14、起电能计量设备(主要是感应式电能表) 的计量误差。感应式电能表的设计是按基波情况考虑的，只能保证在工频附近很窄的频带范围内的工作性能，而当它在谐波状态下工作时，就会在谐波影响下产生较大误差。理论表明，感应式电能表的频率响应是下降性的， 即负荷频率增高时，计量误差为负.(三) 窃电分析所谓窃电，是指不法分子通过各种手段人为地造成电能计量设备的异常，导致计量装置对其用电量少计或不计，从而获取经济利益的行为。随着我国经济的快速发展和近几年来电费的提高，窃电犯罪不断增多，已经成为造成电能计量设备异常的最主要原因。窃电具有多种方式和手段, 从原理上分析, 主要包括欠压法窃电、欠流法窃电、移相法窃电、扩差

15、法窃电、机械法窃电、无表法窃电等。窃电的手法很多，最常见的是从电能计量的基本原理。电能计量主要决定于电压、电流、功率因数三要素。因此，改变其中的任何一个或者改变电表本身的结构性能都可以使电表慢转、停转、甚至反转。单片机作为一个实时比较系统，在故障分析上占有很大比重。（1）失压 1）前端无电压，后端无，不进行处理； 2）前端有电压，后端无，故障报警“失压”。 以A相为例： 前端电压Ua=0 , 后端电压Ua=0, 不进行处理（也应报警，线路故障也记录） 前端电压Ua0 , 后端电压Ua60V, 故障报警“A相失压” （2）欠压 以A相为例： 前端电压Ua60V, （也应报警，线路故障也记录）60

16、V 前端电压Ua85V, 故障报警“A相欠压” （3）电流异常 如果前端电流与后端电流之差大于前端电流的（1%），作为故障，故障报警为“电流异常”。 以A相为例： (前端电流Ia后端电流Ia)/ 前端电流Ia小于1%前端电流Ia,作为故障，故障报警“A相电流异常” （4）错接线 以A相为例： 如果60（前端A相无功/前端A相有功）+，当+，因而，所以=，=29.6V，选30V。电容值：根据经验值选取。3.4 CAN总线单元3.4.1 CAN总线技术简介CAN 是Controller Area Network（控制器局域网）的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。CAN总线属

17、于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，主要用于各种过程检测及控制。它最初是由德国BOSCH公司为汽车监测和控制而设计的，目前CAN已逐步应用到其它工业控制中，现已成为ISO-11898国际标准。其典型的应用协议有：SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。3.4.2 CAN总线的特点1、CAN可以是对等结构，即多主机工作方式，网络上任意一个节点可以在任意时刻主动地向 网络上其它节点发送信息，不分主从，通讯方式灵活。 2、CAN网络上的节点可以分为不同的优先级，满足不同的实时需要。 3

18、、CAN采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点自动 停止发送，在网络负载很重的情况下不会出现网络瘫痪。 4、CAN可以点对点、点对多点、点对网络的方式发送和接收数据，通讯距离最远10 km(5 kb/ s)，节点数目可达110个。 5、CAN采用的是短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，具有CRC校验和其它检测措施，数据出错几率小。CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭功能，不会影响总线上其它节点操作。 6、通讯介质采用廉价的双绞线，无特殊要求，用户接口简单，容易构成用户系统。3.4.3 CAN总线控制器接口芯片PCA82C250PCA82C250是控制器与物

19、理总线间的接口，器件的作用是提供对总线的差分发送能力和对CAN控制器的差分接受能力。它与ISO/DIS11898标准完全兼容。CAN总线通过CAN控制器接口芯片PCA82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连。 CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态,CANL端只能是低电平或悬浮状态。最小值典型值最大值单位电源电压4.55.5V电源电流显性位；V11V70mA隐性位；V14V；RS=47K14mA隐性位；V1=4V；V8=1V18mA待机方式；TA90170A工作大气温度（TA）4025125表3-3 PCA82C250部分电气参数图317 PCA82C250引脚图 引脚图、管脚

20、名称及作用： 1 TXD 发送数据输入端 2 GND 地 3 Vcc 电源电压 4 RXD 接受数据输出端 5 Vref 基准电压输出端 6 CANL 低电平CAN电压输入/输出段 7 CANL 高电平CAN电压输入/输出段 8 Rs 斜率电阻输入端 芯片与单片机的连接图如下：图3-18 PCA82C250硬件接线图3.4.4和其他通信方式的比较在CSMA/CD这样的网络中,如Ethernet,系统往往由于过载而崩溃, 位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题，所以这种情况在CAN中不会发生。较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言,基于CAN总线的分布式控制系

21、统具有明显的优越性：与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。另外,与其它现场总线比较而言,CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点。3.5RS-232串行通信单元3.5.1设计思路及目的监测仪要能“读取电度表的实时计量值”，这是设计任务的要求，只有这样才能真正达到监测的目的。要读取电度表的实时计量值，一方面要求计量电能表具有数据存储功能，另一方面需要监测仪能和计量电能表之间进行数据传输，及能够实现通信。目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，许多电子式电能表上就带有RS-232接口，本设计单元就以读取带由RS-232接

22、口的电能表的计量值为目标进行设计。3.5.2 RS-232简介RS-232-C接口（又称 EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。 3.5.3 MAX232芯片简介Max232产品是由美信（MAXIM）集成产品公司推出的一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5

23、-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。直接从单片机输出的是TTL电平，要使用RS-232接口进行通信，就需要将TTL电平转换成RS-232接口规定的电平。Max232芯片的作用就是起到电平转换的作用。从单片机输出的数据，经Max232被转换成RS-232电平在通信线路上传输，在进入数据接收设备之前又经Max232被转换成TTL电平，从而达到可靠通信的目的。芯片引脚图如下： 图3-19 MAX引脚图引脚功能说明：引脚功能引脚功能C1+电解电容1正极C1-电解电容1负极C2+电解电容2正极C2-电解电容2负极V+发送器输出正电压V-发送器输出正电压T1INTTL/CMOS输入端1T2INTTL/CMOS输入端2T1OUTTTL/CMOS输出端1T2OUTTTL/CMOS输出端2