一種新型多費(fèi)率單相電能表設(shè)計(jì)

1 引言
隨著電力的需求越來越大，不同時(shí)間段用電量不均衡的現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。為了合理地調(diào)控電力負(fù)荷和節(jié)約能源，電力公司已開始鼓勵(lì)使用多費(fèi)率電能表。傳統(tǒng)的多費(fèi)率電能表一般采用機(jī)械轉(zhuǎn)盤式計(jì)量方式，計(jì)量精度隨機(jī)械磨損而降低，時(shí)段設(shè)置單一，人工抄表勞動(dòng)強(qiáng)度大，且偶有竊電情況發(fā)生等諸多弊端。本文給出基于 AT89S52單片機(jī)一種新型多費(fèi)率單相電能表設(shè)計(jì)，采用 AD7755電能計(jì)量芯片，電能計(jì)量準(zhǔn)確。該電能表具有分時(shí)段計(jì)量，液晶顯示，自動(dòng)回抄，時(shí)段設(shè)置靈活，時(shí)間校正及時(shí)，新穎的防竊電，功耗低的特點(diǎn)。并對該電能表實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行性了誤差分析，指出電能計(jì)量中減小與消除誤差的方法。

2硬件電路設(shè)計(jì)
2.1總體結(jié)構(gòu)
基于AT89S52單片機(jī)完成多費(fèi)率單相電能表的設(shè)計(jì)，AT89S52有以下功能，8k字節(jié)Flash 閃速存儲器，三級加密程序存儲器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)可編程I/O 口線，3個(gè) 16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路，兩種低功耗電工作方式。是一個(gè)比較適合于以開關(guān)量信號輸入檢測的性價(jià)比較高的 8位單片機(jī)。電能表硬件設(shè)計(jì)主要包括六大模塊，電壓和電流檢測電能計(jì)量電路 AD7755模塊，串行存儲與看門狗 X25045電路模塊，HT1621液晶顯示電路模塊，串行時(shí)鐘 S3530A電路模塊，
RS485總線通訊電路模塊，防竊電檢測電路模塊，總體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

2.2 電能計(jì)量 單相電能計(jì)量采用美國 ADI公司的 AD7755低功耗芯片實(shí)現(xiàn)。AD7755內(nèi)部除了 ADC和濾波、相乘電路外都采用了數(shù)字電路，有效的消除了尖脈沖等干擾信號，使得它在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。對單相回路中的電壓、電流信號采樣，計(jì)算出功率并積分將其轉(zhuǎn)換為電能脈沖輸出，CPU對來自 AD7755輸出端 CF的脈沖進(jìn)行計(jì)量，計(jì)算出電能表的累計(jì)用電量。電能與脈沖的關(guān)系為：Ｗ＝Ｍ／Ｃ，式中的Ｗ為電能，單位為千瓦時(shí)，Ｍ為脈沖累計(jì)個(gè)數(shù)，Ｃ為電表脈沖常數(shù)，選?。?1600，每千瓦時(shí)為 1600個(gè)脈沖。
2.3 RS485通訊MAX487芯片實(shí)現(xiàn)多費(fèi)率電能表的 RS485通訊控制。MAX487芯片具有 RS485通信協(xié)議，可以帶下位機(jī) 128個(gè)、傳輸距離大于1km、傳輸速率達(dá)250kb/s。電能表通過 RS485總線與用電管理計(jì)算機(jī)相連，每只電能表都有一個(gè)確定的唯一的八位十六進(jìn)制的表號，初次安裝，電工需要把用戶信息與表號記錄后輸入用電管理計(jì)算機(jī)中，完成用戶與管理計(jì)算機(jī)的連接。管理計(jì)算機(jī)采用廣播式通訊方式下傳時(shí)段設(shè)置與校時(shí)信息，此時(shí)不帶有地址信息，而電能表中斷接收；上位機(jī)采用呼叫地址的方式上傳信息，即呼叫誰的地址，那只電能表便把信息及其校驗(yàn)碼打包向上傳送給用電管理計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)電能回抄。MAX487的 DE為發(fā)送器使能端，DE為 1時(shí)發(fā)送器可以工作，DI為輸入端，A、B為輸出端。當(dāng) DE為 0時(shí)，停止發(fā)送輸出端為高阻。RE為輸入使能端，RE為 0時(shí)允許接收器工作，A、B為輸入端，RO為輸出端；RE為 1時(shí)，接收器被禁止，RO為高阻狀態(tài)。因此，采用半雙工通訊方式，把 DE和 RE相連然后接 AT89S52的P1.4，通過 AT89S52的 P1.4引腳來控制收發(fā)工作狀態(tài)。
2.4 串行存儲器 串行存儲器采用美國 XICOR公司的 X25045低功耗芯片，它具備看門狗定時(shí)器WTD、電源電壓監(jiān)控和具有 512字節(jié)的串行 E2PROM存儲器三種功能。WTD可以設(shè)置為200ms、600ms、1400ms喂狗定時(shí)間隔，軟件編程寫入 X25045中。在程序正常運(yùn)行期間，WTD在定時(shí)間隔內(nèi)收到觸發(fā)信號，確保程序正常運(yùn)行，一端 WTD在定時(shí)間隔內(nèi)沒有收到觸發(fā)信號，X25045便通過 RESET引腳輸出一個(gè)高電平信號，觸發(fā)電能表復(fù)位來防止程序跑飛。X25045作為串行存儲芯片，512字節(jié)分別用于存儲電能表編碼，多費(fèi)率時(shí)段設(shè)置，上月和當(dāng)月分時(shí)段的峰、平、谷電量和總累計(jì)電量等信息，存儲次數(shù)可改寫十萬次，數(shù)據(jù)可保存一百年，它與 AT89S52可采用 SPI協(xié)議總線接口相連。
2.5時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路采用 S3530A芯片完成，它是一種支持 I2C總線的低功耗時(shí)鐘芯片，它按照 CPU經(jīng) RS485通訊接收校時(shí)的數(shù)據(jù)來設(shè)置時(shí)鐘和日歷，靠自身的振蕩繼續(xù)走時(shí)。在 S3530A的 Xin和 Xout引腳之間跨接 32.768kHz的晶體器振蕩器。它通過兩線式與 CPU連接，SDA腳和 SCL腳分別接 AT89S52的 P2.0和P2.1，并有兩個(gè)中斷報(bào)警引腳可設(shè)置為輸出秒或分同步脈沖，向 AT89S52提供周期為 1秒的中斷信號，單片機(jī)系統(tǒng)將根據(jù)該信號通過 I2C通訊接口讀取當(dāng)前的時(shí)間，計(jì)算出該時(shí)刻所屬的時(shí)段，實(shí)現(xiàn)多費(fèi)率電能表的分時(shí)段計(jì)量電能。該時(shí)鐘電路帶有備用鋰電池，正常工作時(shí)有電源 Vcc供電，同時(shí)給 3.6V鋰電池充電；當(dāng)出現(xiàn)停電時(shí)，自動(dòng)切換鋰電池為時(shí)鐘電路供電，即使停電時(shí)鐘走時(shí)也準(zhǔn)確。
2.6液晶顯示

采用 HOLTEK公司 HT1621的 LCD顯示驅(qū)動(dòng)芯片,實(shí)現(xiàn)十六位 LCD數(shù)字顯示。HT1621是具有 128段（32×4）內(nèi)置存儲器的 LCD驅(qū)動(dòng)器，它片內(nèi)包括控制與計(jì)時(shí)電路、顯示RAM、LCD驅(qū)動(dòng)及偏置、監(jiān)視定時(shí)器等，采用了 48腳 SSOP封裝,具有體積小和功耗低的優(yōu)點(diǎn),非常適合于應(yīng)用電能表中，其接口電路和外圍電路簡單，它和 AT89S52之間采用串行接口，只需三根線。AT89S52的P2.4 、P2.5、P2.6分別接到它的 CS片選、WR寫允許、DATA串行數(shù)據(jù)三個(gè)引腳上，來控制刷新顯示 RAM緩沖區(qū)。另外應(yīng)用中，在VDD、VLCD間接一個(gè)20kΩ可調(diào)電阻，用來調(diào)節(jié) LCD顯示對比度，調(diào)節(jié)電阻，使得VDD=5V，VLCD=4V對比度較好。
2.7 防竊電檢測等
記錄電能表接線端子蓋被人為打開的次數(shù)而分析是否竊電。電能表被安裝好后將表殼打上鉛封，用戶不能私自打開電能表接線的表蓋破壞鉛封，否則屬于竊電行為。因此我們采用霍爾傳感器，檢測接線端子蓋是否被打開。如果接線端子蓋被打開，AT89S52的 P1.6引腳的電平變化，就檢測到開蓋一次，記錄表的接線端子蓋被人為打開和破環(huán)的次數(shù)，判定是否有竊電發(fā)生，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有竊電現(xiàn)象時(shí)，給出報(bào)警、斷電并及時(shí)上傳到上位管理計(jì)算機(jī)。實(shí)踐證明該新穎的防竊電技術(shù)有效的防止竊電情況發(fā)生，效果較好。檢測電路框圖如圖 2所示。

掉電保護(hù)電路，用 AT89S52的 P1.7輸入引腳檢測掉電信號，當(dāng)系統(tǒng)正常工作是 P1.7位高電平，當(dāng)突然發(fā)生斷電時(shí)，P1.7變成低電平，采用查詢方式檢測到 P1.7的變?yōu)榈碗娖胶?，將進(jìn)入掉電保護(hù)程序。電源電路中有個(gè)大濾波電容1000uf/25v，當(dāng)?shù)綦姾竽芫S持系統(tǒng)十多秒的工作時(shí)間，確保電能表存儲好重要數(shù)據(jù)。光電隔離電路，在系統(tǒng)中 AD775的脈沖輸出端，繼電器控制端，RS485通訊端分別使用了 4N35光電隔離器。通過光的耦合作用傳遞電信號，把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，提高系統(tǒng)抗干擾的能力。
軟件程序設(shè)計(jì)
3.1 軟件程序資源分配     多費(fèi)率單相電能表軟件程序共包括初始化及主程序，X25045讀寫程序，RS485串行通訊處理程序，中斷處理程序，定時(shí)器處理程序，HT1621顯示控制程序，電能分時(shí)段計(jì)量與掉電處理程序，系統(tǒng)自檢與軟件抗干擾處理八大程序模塊。系統(tǒng)的中斷資源分配為 INT0中斷用于 AD7755脈沖檢測，INT1用于秒同步檢測，定時(shí)器 T0用于定時(shí)100ms，T1未使用，T2用于串行通訊程序波特率發(fā)生器，串行口中斷設(shè)置為 RS485異步通訊接收中斷。
3.2 程序模塊的設(shè)計(jì)

電能表的工作過程主程序模塊如圖 3所示，每次上電要進(jìn)行初始化，初始化包括對AT89S52單片機(jī)定時(shí)器、串行口、中斷等工作方式的設(shè)定，寫入串行存儲芯片 X25045的控制字，串行時(shí)鐘芯片 S3530A控制字，串行液晶驅(qū)動(dòng)芯片 HT1621控制字。新電能表的初次工作要對 X25045初始值設(shè)定，包括電能表表號的設(shè)置，時(shí)段的設(shè)置，時(shí)鐘的設(shè)置，存儲地址的分配等。本系統(tǒng)設(shè)置了三個(gè)時(shí)段，單片機(jī)每秒從時(shí)鐘芯片 S3530A中讀取時(shí)鐘值，然后根據(jù)串行存儲芯片 X25045中預(yù)先設(shè)置好的時(shí)段，分析該時(shí)刻屬于哪個(gè)時(shí)段，根據(jù)相應(yīng)的時(shí)段把電能存儲 AT89S52的 RAM存儲器中，然后電能每累計(jì)夠 1度便寫入到 X25045相應(yīng)的地址中。16位液晶顯示器輪流顯示時(shí)段與電能信息。若有通訊請求將采用中斷方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。若停電，將執(zhí)行掉電保護(hù)程序。其它程序模塊流程圖略。 
 

測試結(jié)果
該電能表在淄博貝林電子有限公司進(jìn)行了誤差測試和運(yùn)行試驗(yàn)，上位計(jì)算機(jī)完成用電管理時(shí)段設(shè)置，設(shè)置三個(gè)費(fèi)率時(shí)段，第一時(shí)段 00點(diǎn) 00分點(diǎn)到 06點(diǎn) 30分，為谷電量時(shí)段，第二時(shí)段 06點(diǎn) 30點(diǎn)到 22點(diǎn) 30分，為峰電量時(shí)段，第三時(shí)段 22點(diǎn) 30點(diǎn)到 24點(diǎn) 00分，為平電量時(shí)段。費(fèi)率時(shí)段設(shè)置由電力供電公司根據(jù)國家政策規(guī)定設(shè)定到計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)中，通過RS485串行通訊傳送到電能表中，并存儲于 X25045中。每月峰、平、谷、累計(jì)電量存入電能表中，并打包傳送到上位計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，通訊波特率設(shè)為9600 bit/s。用 0.1級標(biāo)準(zhǔn)電子式電能表校驗(yàn)臺作為標(biāo)準(zhǔn)表，該多費(fèi)率電能表為被測表，貝林電子有限公司針對不同負(fù)荷的情況下進(jìn)行測試，限于篇幅僅列出負(fù)荷為 5KW時(shí)的實(shí)測數(shù)據(jù)如表1 所示。測試結(jié)果表明該復(fù)費(fèi)率電能表誤差小于1%，屬于 1.0級標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得知減小電能計(jì)量誤差方法，一是通過調(diào)節(jié) AD7755的匹配電阻調(diào)整到精確值；二是該匹配電阻阻值要求隨溫度變化阻值變化較?。蝗窃陔娔苡?jì)量過程中，在時(shí)間段的切換時(shí)，計(jì)量電能的尾數(shù)部分不足 0.01度的電能計(jì)入下一個(gè)時(shí)間段中，避免了不足 0.01度的電能丟失而造成累計(jì)電量有誤差。

表 1  標(biāo)準(zhǔn)表與被測表測量值，負(fù)荷 5KW

結(jié)束語
多費(fèi)率電能表根據(jù)不同的時(shí)段設(shè)置，實(shí)現(xiàn)電能分時(shí)計(jì)量，采用 RS485串行通訊，實(shí)現(xiàn)電量自動(dòng)回抄，實(shí)時(shí)校時(shí)。該電能表經(jīng)淄博貝林電子有限公司生產(chǎn)表明，設(shè)計(jì)技術(shù)新穎，計(jì)量準(zhǔn)確，走時(shí)精確，時(shí)段設(shè)置靈活，防竊電設(shè)計(jì)新穎，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國家多費(fèi)率電能表的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于采用 AD7755電能計(jì)量芯片計(jì)量準(zhǔn)確；串行 X25045存儲靈活可靠，串行時(shí)鐘 S3530A走時(shí)精確，RS485總線傳輸可靠性高，防竊電新穎設(shè)計(jì)。采用 I2C總線結(jié)構(gòu)多費(fèi)率單相電能表設(shè)計(jì)更加合理，具有性價(jià)比高的特點(diǎn)。