多功能单相数字电能表的设计

第 4期
刘砚菊等: 多功能单相数字电能表的设计
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掉电检测等功能. 工作温度达到工业标准 ( - 40~ + 85 ) , 且单片机本身的电磁兼容特性比较好. 在本设计中主要利用 87LPC764单片机低功耗特 性, 达到节省电能表功耗的要求; 其独有的掉电中 断功能, 可在断电时将剩余计量脉冲写入 flash 存 储器中, 当电表再次上电时, 再将剩余脉冲读出, 可达到掉电不丢失脉冲的目的; 使用自带看门 狗 功能监控电表的运行, 防止 CPU 死机 , 造成意外 停电事故. 此外, 掉电检测功能可以保证当系统掉 电时保存瞬时电量计量值, 使电表计量任何情 况 下不丢失电脉冲, 实现高精度计量.
2 0 0 6年 8月 第 2 5卷 第 4期
沈阳 理 工 大 学 学 报
TRANSACT IONS OF SHENYANG L IGONG UN IVERS ITY
文章编号: 1003 - 1251( 2006) 04 - 0028- 04
Vol. 2 5 No . 4 A ug. 2 0 0 6
中图分类号: TP274. 2
文献标识码: A
我国供电目前存在着几个弊端: 供电费用 收 缴困难, 固定电价计费方法不科学, 电表数据抄读 不够准确、及时等. 供电各环节中的设备的改进在 一定程度上解决了这些问题, 也使自动化抄表 系 统得到了推广. 因此, 对供电系统中的关键设备-电能表, 也不断提出了新的要求. 为了更好的适应 自动化供电系统的需求, 本文设计一种多功能 电 子式电能表.
/元 ( 元 / kW h) (元 / kW h)
平价 电价 / ( 元 / kW h )
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4 结束语
本电能表通过 CPU 实现全数字设计, 不但具 有电能计量的功能, 还具有复费率计费、预付费控 制和红外遥控等功能. 此外, RS485接口和红外通 信接口的设计为该电表的应用提供了方便. 实际 应用表明, 本电表计量精度高, 工作稳定, 通信可 靠, 是用电系统 中理想的 用户用 表, 应用前 景广 阔.
[ 3] 崔伟, 王建华, 额日登布 鲁格, 等. 一种 新型单 相电子 式多费 率预付费电能表 [ J]. 电测与仪表, 2002. ( 4) : 15-18.
D esign ofM u ltifunctional S ingle-Phase D igital E lectric-En ergyM eter
显示部分采用六位 高亮数码管, 当电表接 到 查询等控制命令后循环显示相关信息, 数码管 驱 动电路采用集成芯片 7289, 该芯片也使用 SP I通 讯方式, 而且有闪烁显示等功能, 极大地提高了单 片机显示的效率.
2. 7 E2 PROM
为提供多费率功能, 该电能表的诸如时间、日 期、时段划分、电能表脉冲常数等参数都需要记忆 并允许修改, 在单片机内部存储单元有限的情 况 下, 为完成这些任务, 就需要扩充外部存储空间, 为此, 使用了电可擦写存储器 E2 PROM. 这 种 存储器的优点是不需要外部电池供电就能保存数 据.
存储单元采用 SP I总线的 flash 芯片 93C46. 与其他带 SP I接口的芯片复用单片机端口, 节 省 资源, 减少电路板空间.
3 电能表软件设计
电能表软件采用 C51编写, 主要实现电能计 量、4 85总 线与 红外 通信 、显示 、预 付费 控制 和复 费 率等基本功能. 考虑到 ADE7755芯片输出电能计 量脉冲频率很低, 间隙时间比单片机主循环执行 一周时间长得多, 为节省单片机中断资源, 电能计 量功 能 是 采用 查 询 方 式, 主 程 序 循 环 检 测 ADE7755采样信号输入口. 当有脉冲输入时则调 用电量计量子程序, 处理并存储相应数据并实时 更新剩余电量值, 刷新显示. 为保证不 丢失脉冲, 在主循环中插入几段延时, 并在利用查询指令实 现延时程序中, 取得一举两得的效果. 485与红外 通信共用单片机串口, 采用中断方式, 提高通信的 实时性. 流程图如图 4所示.
控制部分采用 JQX-15F 小型大功率电磁继电 器, 通过放大三极管与单片机相接. 当用户剩余电 量小于电能表中设置的报警电量时, 单片机会 启 动峰鸣器报警, 提示用户充值. 当用户剩余电量小 于电能表中设置的断电电量时, 单片机驱动继 电 器切断用户电源, 实现预付费控制功能.
2. 6 LED 显示模块
L IU Yan- ju, ZHANG Y ong- liang
( Shenyang Ligong U n ivers ity, Shenyang 110168, Ch ina)
Abstract: T he design of a m ultifunctional d ig ital electric- energy m eter is introduced. The features of the m eter are: high accuracy o fm easurem en,t having the funct ion o f prepaym ent and mu lt-i ra te, infrared comm unication, and RS-485 comm unication, etc. K ey w ord s: prepaym en;t mu lt-i rate; e lectric energy m eter; infrared rem o te contro l
为提高 电能表计量精 度, 采用 CF 端高 频输 出, 计数频率为 3 200脉冲 /度. 该脉冲经过光电隔 离后送到处理器计数端. 应用原理图如图 2所示.
图 2 电能计量模块原理图
2. 3 通信模块
PH 303发射红外线. 接收也是从 红外接收模块的 输出直接进入 87LPC764 的输出串 口 RXD, 在红
收稿日期: 2005 - 09- 20 作者简介: 刘砚菊 ( 1965 ), 女, 辽宁本溪人, 副教授.
图 1 电能表原理结构图
2. 1 87LPC764简介
87LPC764是一种 性价比较 高的 80C51 改进 型 CPU, 具备 MCS-51系列单片机的所有特性, 还 增加了 WDT ( 看门狗 ) 、I2C 总线、上电复位检测、
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2004- 12 - 1 (购电 )
[ 1] 欧阳惠斌, 高嵩. A DE7755 在功率变送器中的应用 [ J] . 国外 电子元器件, 2003, ( 4) : 28-30.
[ 2] 王敏, 于洋, 陈亮. 基于 以太网 的预 付费 用电 控制 管理 系统 [ J] . 沈阳工业学院学报, 2004, ( 4) : 67-70.
省编解码的 开销, 直接 将 87LPC764 的输 出串 口
电表复费率按峰、谷、平、尖四个时段的不同
TXD 进 行 38kH z 调 制, 然 后 驱 动 红 外 发 射 管 电价进行计量, 每天最多设置 8个时段.
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沈阳理工 大学学报
2006 年
图 3 通信模块原理图
2. 5 预付费控制模块
1 电能表的总体功能设计
并写入电能表中, 操作简便.
2 电能表的硬件电路设计
电能表主要由计量模块、单片机、LED 显示、 485通信接口、E2PROM 存储器、实时时钟电路及 电源电路等组成部分. 其中, 单片机是电能表的核 心, 由它智能化的形成并可靠地提供电能计算、时 段判断、费 率切换等 功能. 原理 结构图 如图 1 所 示.
控接口是本电能表设计的特点, 它可以实现非 接
使用串行接口的专用 实时时钟芯 片 DS1302
触式数据通信, 实现用户预购电功能. 电路主要有 实现复费率功能. 该芯片能提供秒级时钟信号和
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红外发射和红外接收两个部分组成. 在电路设 计 相应的时段切换逻辑, 完成电能表的时段切换, 实
时, 为提高传输速率, 方便与异步串口的联结及节 现复费率功能.
电能表在表内设定了包括地区号, 用户号, 电 价等基本信息, 如表 1 所示. 用户从开 户之日起, 即按照设定的电价在三种不同的时段 扣除金额, 每月结算一次. 其动态用电信息记 录表如表 2所 示.
电表 地区
号
电表 用户
号
表1
报警 金额
/元
电能表内设置基本信息
断电 峰值
谷值
金额 电价 / 电价 /
研制的电能表主要实现的功能有: ⑴采用高精度 电能计量 芯片 ADE7755作 为 电能计量模块核心, 实现了高精度的计量功能; ⑵针对供电费用 收缴困难的问题, 本表提 供 了预付费控制功能; ⑶提供了复费率功能, 即将供电时间分成峰、 谷、平等时段, 各时段采取不同的电价, 达到公 平 计费, 并通过这种方法降低用电高峰期供电系 统 的负荷; ⑷电能表需要带 有远程传输功能, 因此本 电 能表设计了 RS485 接口, 这种标准接口可以与任 何带有 RS485接口的系统互连; ⑸具有红外通信 接口, 使用本表的用户可 以 使用配套的购电遥控器作为载体, 从供电局购电,
参考文献:
图 4 电能表程序流程图
表 2 电能表动态用电信息纪录表
用电 记录
用额电/元金剩额余/元金用峰/ 电kW值量h 用谷/ 电kW值量h 用平/电kW时量h
总用 电量 / kW h
抄表 日期
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2004-10- 1 (新开户 )
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2004- 11 - 1 (未购电 )
2. 2 电能计量模块
电能计量采用美国 T I公司的 ADE7755芯片,
这是一种用于功率测量和电能计量的 专用芯片. 它具有很高的精度, 在 500: 1的动态范围内误差 小于 0 1% , 且功耗极低.
实际应用中 ADE7755采集负载电流和电压, 获得有功功率之后通 过数字-频率转换器 将其转 换成频率输出. ADE7755有两种输出方式: 第一种 是经 F1、F 2引脚以低频形式输出; 第二种是经 CF 端以高频形式输出, 输出频率很高, 有功功率累计 的时间非常短, 所以 CF 的输出对功率的波动比较 敏感.
通信模块除了用 MAX487ESA 芯片扩展出通 外接收头无太阳光或荧光灯直射情况下, 通信波
用的 RS485接口外, 还设计了红外遥控通信接口, 特率 2 400, 直线无遮挡通信距离不少于 10m.
实现本地或远程数据信息采集和交换等功能以及 完成编程和抄表功能. 原理图如图 3所示. 红外遥 2. 4 复费率模块
多功能单相数字电能表的设计
刘砚菊, 张永良
( 沈阳理工大学 信息科学与工程学院, 辽宁 沈阳 110168)
摘 要: 介绍了一种多功能单相数字电能表的设计方法, 该电能表不仅实现了高精度的 计量功能, 还具有预付费、复费率、红外通信、RS485串行通讯等功能. 能更好地适应自 动化供电系统的需求.
关 键 词: 预付费; 复费率; 电能表; 红外遥控