一種新型多費率單相電能表設計

1 引言
隨著(zhù)電力的需求越來(lái)越大，不同時(shí)間段用電量不均衡的現象日趨嚴重。為了合理地調控電力負荷和節約能源，電力公司已開(kāi)始鼓勵使用多費率電能表。傳統的多費率電能表一般采用機械轉盤(pán)式計量方式，計量精度隨機械磨損而降低，時(shí)段設置單一，人工抄表勞動(dòng)強度大，且偶有竊電情況發(fā)生等諸多弊端。本文給出基于 AT89S52單片機一種新型多費率單相電能表設計，采用 AD7755電能計量芯片，電能計量準確。該電能表具有分時(shí)段計量，液晶顯示，自動(dòng)回抄，時(shí)段設置靈活，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)驗測試數據進(jìn)行性了誤差分析，指出電能計量中減小與消除誤差的方法。

2硬件電路設計
2.1總體結構
基于A(yíng)T89S52單片機完成多費率單相電能表的設計，AT89S52有以下功能，8k字節Flash 閃速存儲器，三級加密程序存儲器，256字節內部RAM，32個(gè)可編程I/O 口線(xiàn)，3個(gè) 16位定時(shí)/計數器，一個(gè) 6向量?jì)杉壷袛嘟Y構，一個(gè)全雙工串行通信口，片內振蕩器及時(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(kāi)關(guān)量信號輸入檢測的性?xún)r(jià)比較高的 8位單片機。電能表硬件設計主要包括六大模塊，電壓和電流檢測電能計量電路 AD7755模塊，串行存儲與看門(mén)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(xiàn)通訊電路模塊，防竊電檢測電路模塊，總體結構如圖 1所示。

2.2 電能計量 單相電能計量采用美國 ADI公司的 AD7755低功耗芯片實(shí)現。AD7755內部除了 ADC和濾波、相乘電路外都采用了數字電路，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確度和穩定性。對單相回路中的電壓、電流信號采樣，計算出功率并積分將其轉換為電能脈沖輸出，CPU對來(lái)自 AD7755輸出端 CF的脈沖進(jìn)行計量，計算出電能表的累計用電量。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為脈沖累計個(gè)數，Ｃ為電表脈沖常數，選?。?1600，每千瓦時(shí)為 1600個(gè)脈沖。
2.3 RS485通訊MAX487芯片實(shí)現多費率電能表的 RS485通訊控制。MAX487芯片具有 RS485通信協(xié)議，可以帶下位機 128個(gè)、傳輸距離大于1km、傳輸速率達250kb/s。電能表通過(guò) RS485總線(xiàn)與用電管理計算機相連，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(hù)信息與表號記錄后輸入用電管理計算機中，完成用戶(hù)與管理計算機的連接。管理計算機采用廣播式通訊方式下傳時(shí)段設置與校時(shí)信息，此時(shí)不帶有地址信息，而電能表中斷接收；上位機采用呼叫地址的方式上傳信息，即呼叫誰(shuí)的地址，那只電能表便把信息及其校驗碼打包向上傳送給用電管理計算機，實(shí)現電能回抄。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 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(guò) AT89S52的 P1.4引腳來(lái)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(mén)狗定時(shí)器WTD、電源電壓監控和具有 512字節的串行 E2PROM存儲器三種功能。WTD可以設置為200ms、600ms、1400ms喂狗定時(shí)間隔，軟件編程寫(xiě)入 X25045中。在程序正常運行期間，WTD在定時(shí)間隔內收到觸發(fā)信號，確保程序正常運行，一端 WTD在定時(shí)間隔內沒(méi)有收到觸發(fā)信號，X25045便通過(guò) RESET引腳輸出一個(gè)高電平信號，觸發(fā)電能表復位來(lái)防止程序跑飛。X25045作為串行存儲芯片，512字節分別用于存儲電能表編碼，多費率時(shí)段設置，上月和當月分時(shí)段的峰、平、谷電量和總累計電量等信息，存儲次數可改寫(xiě)十萬(wàn)次，數據可保存一百年，它與 AT89S52可采用 SPI協(xié)議總線(xiàn)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(xiàn)的低功耗時(shí)鐘芯片，它按照 CPU經(jīng) RS485通訊接收校時(shí)的數據來(lái)設置時(shí)鐘和日歷，靠自身的振蕩繼續走時(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(guò)兩線(xiàn)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)中斷報警引腳可設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，單片機系統將根據該信號通過(guò) I2C通訊接口讀取當前的時(shí)間，計算出該時(shí)刻所屬的時(shí)段，實(shí)現多費率電能表的分時(shí)段計量電能。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；當出現停電時(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)也準確。
2.6液晶顯示

采用 HOLTEK公司 HT1621的 LCD顯示驅動(dòng)芯片,實(shí)現十六位 LCD數字顯示。HT1621是具有 128段（32×4）內置存儲器的 LCD驅動(dòng)器，它片內包括控制與計時(shí)電路、顯示RAM、LCD驅動(dòng)及偏置、監視定時(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),非常適合于應用電能表中，其接口電路和外圍電路簡(jiǎn)單，它和 AT89S52之間采用串行接口，只需三根線(xiàn)。AT89S52的P2.4 、P2.5、P2.6分別接到它的 CS片選、WR寫(xiě)允許、DATA串行數據三個(gè)引腳上，來(lái)控制刷新顯示 RAM緩沖區。另外應用中，在VDD、VLCD間接一個(gè)20kΩ可調電阻，用來(lái)調節 LCD顯示對比度，調節電阻，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(xiàn)端子蓋被人為打開(kāi)的次數而分析是否竊電。電能表被安裝好后將表殼打上鉛封，用戶(hù)不能私自打開(kāi)電能表接線(xiàn)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(xiàn)端子蓋是否被打開(kāi)。如果接線(xiàn)端子蓋被打開(kāi)，AT89S52的 P1.6引腳的電平變化，就檢測到開(kāi)蓋一次，記錄表的接線(xiàn)端子蓋被人為打開(kāi)和破環(huán)的次數，判定是否有竊電發(fā)生，當發(fā)現有竊電現象時(shí)，給出報警、斷電并及時(shí)上傳到上位管理計算機。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。