单相智能电表硬件电路设计
单相智能电表表硬件原理
单相表硬件原理简述一、硬件架构二、电压采样电压采样电路是使用电阻分压三、电流采样单相电表电流采样使用锰铜采样用这个电阻来测量该电阻所在线路的电流，原理很简单，就是欧姆定律。
电路中串联电阻，电流不会发生变化，那么测出串入电阻的电压就得到了电流。
因为在电路中，检测的都是电压信号，不能检测到电流信号！所以采用这种方法测试电流。
四、变压器电源回路压敏电阻：抑制电路过电压。
热敏电阻：抑制电路过电流。
压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的阀值"UN"时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过UN时，流过它的电流激增，相当于阀门打开。
利用这一功能，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受过电压的损害。
热敏电阻：对热敏感的半导体电阻。
其阻值随温度变化的曲线呈非线性。
按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。
热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。
正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。
五、继电器回路继电器接在火线上六、计量芯片电源回路1、半波整流半波整流是利用二极管的单向导电性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变2、电解电容电解电容器特点是额定的容量可以做到非常大经过整流桥以后的是脉动直流，波动范围很大。
后面一般用大小两个电容，大电容用来稳定输出，电容两端电压不能突变，因此可以使输出平滑，小电容是用来滤除高频干扰的，使输出电压纯净，电容越小，谐振频率越高，可滤除的干扰频率越高容量选择：一般大电容滤低频波,小电容滤高频波。
可靠的做法是将一大一小两个电容并联,一般要求相差两个数量级以上,以获得更大的滤波频段.七、485电源回路全波整流是一种对交流整流的电路。
在这种整流电路中，在半个周期内，电流流过一个整流器件（比如晶体二极管），而在另一个半周内，电流流经第二个整流器件，并且两个整流器件的连接能使流经它们的电流以同一方向流过负载。
单相智能电能表设计
单相智能电能表设计近年来，智能电能表作为现代电力系统中的重要组成部分，逐渐受到人们的关注和重视。
单相智能电能表起到了电能计量和数据采集的作用，具备了遥程抄表、遥程控制、需量管理等功能。
本文将探讨单相智能电能表的设计原理和关键技术。
一、设计原理单相智能电能表的设计原理主要分为电能计量和通信采集两部分。
电能计量：智能电能表通过当前电流和电压的采样，经过一系列运算处理，得到有功功率、无功功率和视在功率等计量参数。
其中，有功功率通过乘积表算法得到，无功功率通过反相积分算法和功率因数得到，而视在功率则是有功功率和无功功率的矢量和。
通信采集：智能电能表通过内部集成的通信模块和遥程服务器进行数据传输。
通信模块可以选择有线通信或无线通信，有线通信主要包括RS485、Modbus等协议，无线通信则主要接受GPRS、NB-IoT等技术。
通过通信模块，智能电能表可以实现数据的遥程抄表、遥程控制、需量管理等功能。
二、关键技术1. 电流、电压采样技术：智能电能表需要对电流和电压进行采样，以得到准确的计量参数。
为了提高采样的精度，设计中常接受电流互感器和电压互感器，以降低对系统的干扰和安全隐患。
2. 运算处理技术：基于采样得到的电流、电压数据，通过一系列的运算处理，可以得到准确的有功功率、无功功率和视在功率等计量参数。
为了提高运算处理的速度和精度，可以接受DSP（Digital Signal Processor）等专用芯片进行计算。
3. 通信技术：通信模块是实现智能电能表遥程抄表、遥程控制、需量管理等功能的关键。
有线通信模块可选择RS485总线和Modbus协议进行数据传输，无线通信模块则可以选择GPRS、NB-IoT等技术进行数据传输。
通过通信模块，智能电能表可以与遥程服务器进行数据交互。
4. 数据安全技术：为了保证数据的安全性和防止黑客攻击，智能电能表需要在通信过程中加密数据、验证数据的完整性，并设置访问权限等措施，确保系统的稳定和可靠。
单相智能电表设计方案
单相智能电表设计方案首先，为了实现准确的电能计量，我们需要选用高精度的电能表芯。
这个芯片应该能够测量电流、电压和功率因数，并结合运算，实时计算出功率和电能的值。
我们可以选择一款集成度高、精度高、功耗低的芯片，比如TI的MSP430系列芯片。
此外，还应加入防止非法盗电的措施，例如使用高精度的电流互感器检测负载变化，当检测到异常的用电情况时，及时报警或停电。
其次，为了实现通信功能，我们可以选择无线通信和有线通信两种方式。
无线通信可以采用常见的蓝牙、Wi-Fi或NFC等协议，使得电表能够与用户的手机或电脑进行数据交互。
有线通信可以采用RS-485、以太网等方式，使得电表能够与电力公司的数据采集终端或用户的集中管理系统进行通信。
这样一来，电表就可以及时上传用电数据，电力公司或用户就可以远程实时监测用户的用电情况，并进行用电计费和管理。
另外，为了实现数据处理和显示功能，我们可以在电表内部集成一块处理器和显示屏。
处理器可以处理来自电表芯片的原始数据，并计算出有用的用电参数，比如电流、电压、功率、功率因数等。
它还可以将计算出的数据进行存储和处理，比如存储用电数据的历史记录、进行用电特征分析等。
显示屏可以显示当前的用电参数和历史数据，以及一些警告或提示信息，比如电量超标、功率过载等。
此外，还可以设计一个简单的操作界面，供用户设置一些用电限制或查询用电信息。
最后，为了提高电表的可靠性和安全性，我们可以在电表内加入一些保护设备和防护措施。
比如，可以加入过流保护、过压保护、欠压保护等电气保护设备，以防止因负载过大或电源波动而导致电表的损坏或误差。
此外，还可以加入密码锁、防篡改电路等防护措施，以阻止非法操作和数据篡改。
综上所述，单相智能电表的设计方案主要包括电能计量、通信、数据处理和显示等功能。
通过选择合适的芯片、通信方式、处理器和显示屏，加入保护装置和防护措施，可以设计出一款性能稳定、功能全面、安全可靠的单相智能电表。
M5839单相智能电表方案
6
M5839设计案例
PCB设计
顶部线路
底部线路
MOJAY Semiconductor Co., Ltd.
7
M5839设计案例
变压器设计
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8
M5839设计案例
BOM表
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9
M5839 EMI测试
传导测试
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M5839 EMI测试
辐射测试
MOJAY Semiconductor Co., Ltd.
11
M5839电源设计方案与传统电源设 计优势分析
电源设计简单，轻薄窄小，容易满足高集成的电表方 案 效率高，成本低，可靠性高 输入电压范围广，负载响应速度快 内部集成900V超高压MOS电源设计更加简单
M5839电源EMI测试
M5839电源设计方案与传统电源设计优势分析
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2
M5839性能参数介绍
内置 900V 超高耐压低阻值 MOSFET 恒压和恒流精度可达 3% 原边控制模式，无需 TL431 和光耦 非连续模式下的反激拓扑 准谐振开关模式，减小开关损耗 具有软启动功能 内置前沿消隐电路(LEB) 频率抖动 恒压恒流控制 恒流和输出功率可调 内置初级电压采样控制器 可调式线损补偿 ◆欠压锁定 ◆逐周期电流限制 ◆峰值电流限制 ◆过温保护 ◆过 压保护和电源箝位
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3
M5839设计案例
基于90E46 SoC的单相智能电能表设计方案
功能的高精度实时时钟 （ Ｒ Ｔ Ｃ ） 。在计
量动态范 围 ５ ０ ０ ０ ： １内 ，有 功 电能 准 确度优于 ０ ． １ ％ ，无功 电能准确度优于 Ｏ ． ２ ％，且 只需要单点校 准 ，实时 时钟
误差小于 ４ － ０ ． ５秒 ， 天。
・
红 外调 制 ，Ｕ Ａ Ｒ Ｔ ３支 持 硬 件
／
・
电参数测 量 ： 电压 ， 电流有效
值 、平 均 功 率 、频 率 、功 率 因数 和 相 角 的 引用 误 差 低于
０． ５ ％
作温度范围 内稳定不变 。
实 时 时钟 的整个 补偿 过程 包括 ： 晶体 周围环 境温度 的采集 ，历史温 度 的比较 ，晶体 误差 的计算 ，补偿 等几
・
５ Ａ （ 或１ ０ Ａ ） 电流 下进 行校表 ，同样可
系统外接 单一 ３ ２ ７ ６ ８ Ｈ ｚ晶体 作
符合 Ｉ Ｅ Ｃ和 ＡＮ ＳＩ Ｃ标准要求 ， 以保证整个 电流范 围内的计 量准 确度 。 为系统 时钟 源 ，这 也作 为 Ｒ Ｔ Ｃ的时钟 可用于单相 １级 、２级有 功 电
基于９ ０ Ｅ ４ ６ Ｓ ｏ Ｃ的单相智 能 电能表 设计方案
■ ｌ Ｄ Ｔ 公 司
９ ０ Ｅ ４ ６是顺应 智能 电能表发 展趋
９ ０ Ｅ ４ ６具有下列特性 ：
・ ３ ２位 ＡＲ Ｍ Ｃｏ ｔ ｒ ｅ ｘ Ｍ０内核 ， ６ Ｋ Ｂ Ｒ Ａ Ｍ， １ ２ ８ Ｋ Ｂ闪存 ・ ４路独立 Ｕ Ａ Ｒ Ｔ，Ｕ ＡＲ Ｔ ０支持
・
片内温度传感器在 ＿ ４ ０ ｏ ｃ－ ＋ ８ ５ ｏ ｃ
２ ０ ｓ ） 和上 下限 阀值 ，进入 低功 耗状态 后， 芯 片会 自动进行周期性温度采样 ， 当Ａ ＤＣ采样 值 超 出 上下 阀值 的 范 围 时 ，会 唤 醒 ＭＣ Ｕ， 由 ＭＣＵ对 Ｒ Ｔ Ｃ 进 行温 度补偿修正 。
基于国网2013标准单相智能电表硬件设计
基于国网2013标准单相智能电表硬件设计作者根据2013年的新标准电表新规范进行设计，实现单相智能电表的硬件电路设计，通過产品型式试验，通过国家电网的各项测试。
【Abstract】According to the new standard of the new meter in 2013，the author designed the hardware circuit of the single-phase smart meter，passed the tests of the product type and passed the tests of State Grid.标签：智能电表；硬件；单片机1 单相智能电表原理组成1.1 单相智能电表组成单相费控智能电能表，采用当今最先进的电能表专用集成电路、微处理器、永久保存信息的不挥发性存贮器、宽温液晶显示等技术和SMT工艺设计、制造，是高精度、宽负载、高灵敏、低功耗。
本表具有红外、RS485接口，方便电力部门实现计算机网络管理。
并采用多种软件、硬件抗干扰措施，保证电表可靠运行，从而适应了电力部门对用户有效及时地现代化科学管理需求。
1.2 单相智能电表原理单相智能电表供计量额定频率为50/60Hz的单相电网中的交流有功电能，该表实现了正、反向有功、分时电能计量以及远传实时电压、火线电流、零线电流、有功功率、功率因数等。
电能表通讯规约符合DL/T645-2007及其备案文件要求。
远程管理控制功能利用低压电力线载波、RS485通讯可组成远程抄表、控制功能，可实现对表的远程抄读、设置、控制等管理。
其原理框图如下（见图1）。
2 单相智能电表结构设计要求2.1 智能电表结构设计要求单相智能电表严格按照国网的尺寸要求进行设计，包括材料、色差、尺寸均符合国家电网2013标准要求；特别注意的是通信模块的外形尺寸为70mm（L）×50mm（W）×22.7mm（H）。
单相智能电表硬件电路设计
单相智能电表硬件电路设计单相智能电表硬件设计物理与电⼦信息学院电⽓⼯程及其⾃动化学号：指导教师：摘要：本⽂设计单相智能电表的硬件电路。
主要由CPU模块、电能计量模块和电压电流采样模块、显⽰模块、电源模块、时钟模块、存储模块、通讯模块组成。
电压电流采样模块采⽤分流器和精密电阻实现对市电的转换；电能计量模块采⽤ADE7755计量芯⽚实现对电流、电压的测量与转换；时钟模块采⽤DS12C887时钟芯⽚为系统提供时钟基准，存储模块采⽤AT24C04，显⽰模块⽤1602液晶，通信模块采⽤MAX485芯⽚，并利⽤AT89C52组成的CPU模块控制所有芯⽚的⼯作、测量、计算电能，送往显⽰模块和存储模块进⾏实时显⽰。
该电度表成本低、使⽤⽅便、安全可靠、具有⼴泛的应⽤前景。
关键词：智能电表;计量芯⽚;时钟芯⽚Hardware Design of Single-phase Smart Meter College of Physics and Electronic Information Electrical Engineering and Automation No: Tutor:Abstract: This article designs hardware electric circuit of the single-phase intelligent electric instrument. The intelligent ammeter is mainly composed of CPU module, electric energy metering module, the voltage and current sampling module, display module, power module, clock module, storage module, communication module. Voltage and current sampling module use shunt and precision resistor to realize the conversion of electricity. Electric energy metering module uses ADE7755 chip to realize measurement and conversion of the voltage and current. Clock module uses DS12C887 chip to provide the clock benchmark for the system. Memory module uses AT24C04. Display module uses 1602 liquid crystal. Communication module uses MAX485 chip. The system use the AT89C52 composed of CPU module to1control all the chips work, measuring, computing power, sent to the display module and storage module for real-time display. The meter is of low cost, easy to use, safe and reliable, with wide application prospect. Key words:Intelligent ammeter; metering chip; clock chip⽬录摘要 (1)1 引⾔ (4)1.1 电能表的发展历程 (4)1.2 本课题研究的主要内容 (6)2 系统设计 (6)2.1 系统⽅案论证 (6)2.1.1 电能计量系统⽅案设计 (6)2.1.2 其他模块的⽅案论证 (7)2.2 系统原理框图的确定 (8)3 电压、电流采样模块 (10)3.1 电能计量芯⽚简介 (10)3.1.1 ADE7755芯⽚结构 (10)3.1.2 ADE7755引脚排列及功能 (11)3.1.3 ADE7755⼯作原理 (12)3.2 电流、电压采样电路设计 (13)3.3 脉冲输出 (14)3.4 电能计量电路设计 (15)4 控制芯⽚、外围电路设计 (16)4.1 控制芯⽚ (16)4.1.1 AT89C52单⽚机介绍 (16)4.1.2 最⼩系统 (17)4.2 LCD显⽰模块 (18)4.2.1 引脚功能简介 (18)24.2.2 显⽰电路设计 (18)4.3 实时时钟 (19)4.3.1 时钟芯⽚简介 (19)4.3.2 引脚功能 (19)4.3.3 时钟电路设计 (21)4.4 其他电路设计 (22)4.4.1 电源模块 (22)4.4.2 存储模块 (22)4.4.3 IC卡接⼝ (23)4.4.4 通讯模块 (24)4.4.5 掉电检测 (25)4.4.6 磁保持继电器驱动 (26)5 结论 (28)参考⽂献 (28)附录1 智能电表原理图 (29)附录2 智能电表PCB图 (30)31引⾔随着市场经济体制的建⽴，电⼒已经作为⼀种商品⾛向市场，电⼒企业管理正转向商业化运⾏。
基于单片机与RN8209的单相智能电表的设计
基于单片机与RN8209的单相智能电表的设计摘要：单相智能电表是一种电能计量工具，随着物联网的快速发展，智能单相计量电表逐渐走进人们的生活。
系统以STM32为主控，RN8209为单相计量芯片，实现电压、电流、功率实时显示及电量计量等功能。
关键词：单相智能电表；电能计量；STM32；RN82091引言智能电网是以特高压电网为骨干网，以各级电网协调发展为基础，以信息平台为支撑，具有信息化、自动化特征，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”一体化融合的现代电网。
在智能电网的发展趋势中，电表的智能化是重要的一个环节。
随着NB-loT技术的飞速发展，智能家电及设备逐渐走进千家万户，远程无线控制给人们带来便捷的同时，安全监控成了重中之重，多功能智能电表可以实时监测家庭用电情况，能起到节能减排的作用。
2系统总体设计系统由STM32主控模块、RN8209计量模块、液晶显示模块、485接口、红外接口、载波接口等组成，如图1所示。
智能电能表主要由测量单元、数据处理单元、通信单元等组成，具有电能量计量、数据处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能，并能显示、存储和输出数据。
电能表工作时，电压、电流经取样电路分别取样后，送入专用电能芯片进行处理，并转化为数字信号送到CPU进行计算。
由于采用了专用的电能处理芯片，使得电压电流采样分辨率大为提高，且有足够的时间来更加精确的测量电能数据，从而使电能表的计量准确度有了显著改善。
图中CPU用于处理各种输入输出数据，通过串行接口将专用电能芯片的数据读出，并根据预先设定的时段完成分时电能计量功能，根据需要显示各项数据、通过红外、载波或485接口进行通讯传输，并完成运行参数的监测，记录存储各种数据。
图1 单相智能电能表框图3硬件设计计量电路是系统的核心部分，决定信号的准确性，合理的布局及电路设计能提高采集精度及系统的稳定性，篇幅所限，仅就具有计量电路部分进行分析。
一种简单便携式单相电能表的硬件设计
约能源 ，有重 要意义 。 １便 携式单相 电健 表的研 究方法 现在 已有很 多数 字 电能表 的成熟 技术 ，充分 利用这 些技 术通过 机械 结
构 、硬件 电路 、软件 的设计 ，最终达 到便携 化 以及 精确 检测 的 目的 。
２便携 式单相 电能寰 的硬件 设计 ２ １组 成 及原 理 。 该智 能单 相 电表主 要 由两 大 部 分组 成 ，一 是 基 于 ． Ｂ６ ０的 电功 率采集 处理 部分 ，二是基 于Ａ８ Ｓ２ Ｌ５３ Ｔ９５ 的显示 输 出部分 。 电功率 的信号 采集 主要是 通过 交流 互感器 与鳄 鱼夹子 直接 作用 于接入 用 电器 的零 火线 上 ，然后 经 电路模 块处 理成Ｂ ６０ 所能 接收 的 电压 、电流 Ｌ ５３ 信号 ，而Ｂ ６０本 身具 有将 输入 信号 处理 成 与用 电器实 时功 率对应 的频率 Ｌ５ ３ 信 号 ，并从Ｆ 、Ｆ和ｃ 这３ 引脚输 出，这里 只用 ￣Ｃ输 出信号 。紧接 着 ， １ ２ Ｆ 个 Ｊ ＩＦ
２ ４ Ｂ ０ 电能计量 原理及工 作计 算公式 ５３ ｌ ６
ｌ ＿ ８ ８
２ ４１Ｂ ６０ 电能计 量原理 。电能计 量主 要把输 入 的电压 和 电流 信 号 ．． １５ ３ 按 照 时间相乘 ，得 到功 率 随着 时间变 化 的信息 ，假 设 电流 电压信 号为 余弦 函数 ，并 存在相位 差 中，功率 为 ： （ ＰＯ＝Ｖ ｏ（ ｔ ｓｗ ＋中 。 ｃｓ ） ｃ （ ｔ ） ｗ Ｉｏ 电能计 量信 号流如 图１ 。 通过对 电流 电压信 号 高精 度采 样及模 数 转换后 ， 电流 电压 信 号通过 数
Ｖ Ａ
一：【科产研 】 疆 高技品发
一
种 简单 便 携 式单 相 电能 表 的硬 件设 计
基于HT5017芯片的SoC单相智能电表的设计
基于 ＨＴ ５ ０ １ ７ 芯片的 Ｓ ｏ Ｃ单相 智能 电表 的设计
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ － Ｐｈ ａ ｓ ｅ Ｓ ｍａ ｒ ｔ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｅｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｓ ｏ Ｃ ｏ ｆ ＨＴ５ ０ １ ７
池模 块 用来 支 持停 电显示 功 能 。
本 设 计 主 要 由表 计 主 控 芯 片 部分 （ Ｓ ｏ Ｃ） 、液 晶显 示模 块 、存 储模 块 、射频 （ Ｒ ａ ｄ ｉ ｏ Ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ， Ｒ Ｆ ）通讯 模 块 、近红 外 通 讯 模块 、脉 冲输 出管 理 模 块 、 电源模 块 、电流 互 感 器 电流 采 样 电路 、锰 铜 分 流 器 电流采 样 电路 、电压 分 压 电压 信 号 采 样 电路 等 部 分 构 成 。 系 统 以 Ｓ ｏ Ｃ芯 片 Ｈ Ｔ ５ ０ １ ７为 控
价 比 高 。Ｓ ｏ Ｃ芯 片 片 内 集 成 ３ ２ 一 ｂ ｉ ｔ ＡＲ Ｍ 内核 、
计量 ；ＭＣ Ｕ 完成 通 过 通信 接 口从 计 量 芯 片获 取 计
量数 据 ，并 进 行 处 理 的功 能 ；时 钟 芯 片 实 现 日历 时钟 和 和液 晶驱 动 芯 片 完 成 液 晶显 示 功 能 。很 明
１ ２ ８ Ｋ ｌ ｆ ａ ｓ ｈ 、８ Ｋ Ｓ Ｒ ＡＭ，支 持 断 相 防 窃 电 功 能 的 硬 件 能 量 计 量 单元 ｆ Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｕ ｎ ｉ ｔ．Ｅ ＭＵ １
显 ，电 能表 的现 有 分 立 设 计 方 案 存 在 硬 件 电路 复
基于90E46的单相智能电表设计方案
基于90E46的单相智能电表设计方案[导读] IDT的90E46顺应智能电能表的发展趋势，在业界推出的第一款集成硬件高精度宽量程计量模块，ARM 32位 Cortex M0 高性能低功耗MCU内核，LCD驱动和带温度补偿功能的高精度实时时钟（RTC）于一体真正意义上的系统级芯片（SoC）。
智能电能表作为智能电网的重要组成部分，其技术标准也在不断地发展之中，使得相应的芯片技术也在日益提高。
以市场需求量最大的单相智能电能表为例，其技术发展主要表现在以下几个方面：计量准确度要求越来越高，电流范围越来越宽，从之前的5（20）A到现在的5（60）A，再到1（100）A，早期的计量芯片已无法满足当前电能表设计的要求，高精度、宽量程的计量芯片被广泛应用。
数据和事件处理要求越来越多，使得MCU的运算能力和程序容量不断提高，传统的8-bit MCU会逐渐被32-bit MCU所取代。
智能电能表作为智能电网的最终节点，其数据通信要求越来越强，对外的通信方式有RS485、PLC、红外，并且要求各通信接口相互独立并能同时运行；这要求用于电能表设计的MCU具有丰富的硬件通信接口。
IDT的90E46就是顺应智能电能表的这种发展趋势，在业界推出的第一款集成硬件高精度宽量程计量模块，ARM 32位 Cortex M0 高性能低功耗MCU内核，LCD驱动和带温度补偿功能的高精度实时时钟（RTC）于一体真正意义上的系统级芯片（SoC）。
在计量动态范围5000:1 内，有功电能准确度优于 0.1%，无功电能准确度优于0.2%，且只需要单点校准；实时时钟误差小于±0.5秒/天。
90E46芯片与硬件设计90E46芯片简介90E46是业界集成度最高的高精度宽量程单相电能计量SoC，在IDT既有的宽量程计量模拟前端（AFE）的基础上，集成了ARM Cortex-M0微处理器、LCD驱动和带温度补偿功能的高精度实时时钟（RTC），可以减少单相电能表的元器件数量，简化设计和生产流程，降低材料成本和库存管理难度。
单相智能电表(RN8209)参考设计
富士通半导体设计（成都）有限公司 应用笔记F²MC-8FX 家族8-BIT 微型控制器MB95410H/470H 系列单相智能电表（RN8209）参考设计RN8209 操作应用笔记修改记录修改记录本手册包含14 页。
版权©2011富士通半导体设计（成都）有限公司目录目录修改记录 (2)目录 (3)1概要 (4)2背景 (5)2.1概要 (5)2.2RN8209的特性 (5)2.3功能框图 (5)3硬件框图 (6)3.1电能计量系统的硬件框图 (6)4硬件参考原理图 (7)5软件框图 (9)5.1SPI 帧格式 (9)5.2SPI 通信过程 (9)5.3软件系统框图 (10)6软件函数列表 (11)6.1上层应用函数 (11)6.2底层函数 (12)7更多信息 (13)8附录 (14)8.1图表索引 (14)1 概要这篇应用笔记介绍了电表方案的计量功能。
第2章介绍了背景。
第3章介绍了计量功能的硬件框图。
第4章介绍了硬件参考原理图。
第5章介绍了软件流程图。
第6章介绍了软件函数列表。
2 背景本章介绍了RN8209的背景2.1 概要RN8209能够测量有功功率、无功功率、有功能量、无功能量，并能同时提供两路独立的有功功率和有效值、电压有效值、线频率、过零中断等，可以实现灵活的防窃电方案。
RN8209支持全数字的增益、相位和offset校正。
2.2 RN8209的特性∙计量∙软件校表∙提供SPI/RSIO通信接口∙具有电源监控功能∙单+5V电源供电，功耗典型值为32mw∙内置2.5V±3%参考电压，温度系数典型值为25ppm/℃2.3 功能框图图 2-1: RN8209的功能框图第3章硬件框图3 硬件框图本章介绍了电能计量系统的硬件框图3.1 电能计量系统的硬件框图图 3-1: 硬件框图4 硬件参考原理图本章介绍了电能计量系统的硬件参考原理图图 4-1: RN8209 外围电路R1001K图 4-2: 火线电流采样电路图 4-3: 零线电流采样电路R105150KR107100K图 4-4: 电压采样电路图 4-5: SPI 通信电路5 软件框图本章介绍了电能计量系统的软件框图5.1 SPI 帧格式表 5-1: SPI 帧格式5.2 SPI 通信过程图 5-1: SPI 写过程图 5-2: SPI 读过程5.3 软件系统框图Array图 5-3: 软件系统框图6 软件函数列表6.1 上层应用函数表 6-1: 软件上层应用函数列表6.2 底层函数表 6-2: 软件底层函数列表第7章更多信息7 更多信息关于富士通半导体更多的产品信息，请访问以下网站：英文版本地址：/cn/fsp/services/mcu/mb95/application_notes.html 中文版本地址：/cn/fss/services/mcu/mb95/application_notes.html第8章附录8 附录8.1 图表索引表 5-1: SPI 帧格式 (9)表 6-1: 软件上层应用函数列表 (11)表 6-2: 软件底层函数列表 (12)图 2-1: RN8209的功能框图 (5)图 3-1: 硬件框图 (6)图 4-1: RN8209 外围电路 (7)图 4-2: 火线电流采样电路 (7)图 4-3: 零线电流采样电路 (7)图 4-4: 电压采样电路 (8)图 4-5: SPI 通信电路 (8)图 5-1: SPI 写过程 (9)图 5-2: SPI 读过程 (9)图 5-3: 软件系统框图 (10)。
国网单相智能电表设计方案探讨
内容简介¾设计要求回顾¾系统硬件实现¾系统软件架构¾结论飞思卡尔™, Freescale™and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc. All other product TM►基本计量功能增加•计量正反向有功电量•测量线路电压、相线电流、零线电流、有功功率，甚至还有功率因数►费控功能复杂•支持IC卡本地费控或载波远程费控•支持时段电价或阶梯电价•增加ESAM芯片保证费控部分的数据安全性►多种抄表通讯模式•红外，RS485和电力线载波►外壳模具统一•液晶屏、LED指示灯、按键、红外抄表和嵌入式载波通讯模块安装位置完全固定。
电子线路布局布线的灵活性受到极大限制►功能庞杂•除电量计量外增加了大量的管理功能►选择带片上LCD的MCU？•MCU上需要太多的LCD引脚连接，印版布线非常麻烦•不合理的布局布线容易造成整体EMC 和ESD性能降低•缺乏后续系统扩充或移植的灵活性►5V芯片大大方便系统设计•计量芯片、载波模块都要求5V接口►MCU要有足够的程序和数据空间•配以丰富的外设模块►飞思卡尔最佳单片机选择：9S08MZ60主板主电源, CPU, 开关按键,时钟, 数据存储器,ESAM, PLC/485抄表计量板计量电路电源控制继电器显示板液晶显示状态LED, 红外抄表IC 卡扩展预付费IC 卡电源设计飞思卡尔™, Freescale™and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc. All other product TM电源设计要点►MCU主板和前端计量板直接共地!•简化CS5464信号连接，不然需要7-8个光藕隔离•提高CS5464 SPI的通讯速度(接近2M)►交流供电和电池供电通过简单的二极管通路切换•交流供电时，7805输出的5V一路直接供给无需电池备份工作的电路；另一路由D2供给其它需要电池备份工作的电路，此路电压为4.3V。
基于国网2013标准单相智能电表硬件设计
基于国网2013标准单相智能电表硬件设计作者：程正忠来源：《中小企业管理与科技·上旬刊》2017年第07期【摘要】作者根据2013年的新标准电表新规范进行设计，实现单相智能电表的硬件电路设计，通过产品型式试验，通过国家电网的各项测试。
【Abstract】According to the new standard of the new meter in 2013， the author designed the hardware circuit of the single-phase smart meter， passed the tests of the product type and passed the tests of State Grid.【关键词】智能电表；硬件；单片机【Keywords】smart meter； hardware； microcontroller【中图分类号】TM933.4 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0189-021 单相智能电表原理组成1.1 单相智能电表组成单相费控智能电能表，采用当今最先进的电能表专用集成电路、微处理器、永久保存信息的不挥发性存贮器、宽温液晶显示等技术和SMT工艺设计、制造，是高精度、宽负载、高灵敏、低功耗。
本表具有红外、RS485接口，方便电力部门实现计算机网络管理。
并采用多种软件、硬件抗干扰措施，保证电表可靠运行，从而适应了电力部门对用户有效及时地现代化科学管理需求。
1.2 单相智能电表原理单相智能电表供计量额定频率为50/60Hz的单相电网中的交流有功电能，该表实现了正、反向有功、分时电能计量以及远传实时电压、火线电流、零线电流、有功功率、功率因数等。
电能表通讯规约符合DL/T645-2007及其备案文件要求。
远程管理控制功能利用低压电力线载波、RS485通讯可组成远程抄表、控制功能，可实现对表的远程抄读、设置、控制等管理。
基于51单片机的电子式单相智能电表设计
山东农业大学毕 业 论 文 基于51单片机的电子式单相智能电表设计 院系： 机械与电子工程学院 专业班级： 电气工程及其自动化专业三班 届次：20**届 学生姓名： 学号： 指导教师： 二0**年六月六日……………………. ………………. …………………装订线……………….……. …………. …………. ………目录引言 (3)1传统电能表 (3)1.1电能表的发展 (3)1.2 电能表的发展前景 (3)2 智能电能表 (4)2.1智能电表的概念 (4)2.2 智能电能表的典型结构 (4)2.3智能电表的主要特点 (4)3系统设计的基本思路和具体设计任务以及结构框图 (4)3.1系统设计的基本思路 (4)3.2具体设计任务 (5)3.3 系统结构框图 (5)4系统硬件电路设计 (6)4.1 计量芯片ADE7757 (6)4.1.1 ADE7757功能及特点概述 (6)4.1.2 ADE7757计量芯片的内部结构和各引脚功能 (6)4.1.3 ADE7757的原理特性 (7)4.1.4 ADE7757与单片机的接口 (8)4.2电能计量电路设计 (8)4.2.1电压采集通道设计 (9)4.2.2电流采集通道设计 (10)4.2.3计量芯片与单片机之间连线 (11)4.3单片机外围电路设计及器件选择 (11)4.3.1 单片机STC89C52概述、引脚配置及功能概述 (11)4.3.2 单片机控制电路最小系统 (13)4.3.3 LCD显示器模块设计 (14)4.3.3.1 LCD显示器工作原理简介 (14)4.3.3.2 芯片1602简介 (14)4.3.3.3 显示电路设计 (16)4.3.4 数据存储模块设计 (16)4.3.4.1芯片24C02简介 (16)4.3.4.2 存储模块电路设计图 (17)4.3.5时钟模块设计 (18)4.3.5.1 DS1302简介 (18)4.3.5.2 时钟电路设计 (19)4.3.6 通信模块设计 (19)4.3.6.1单片机串行通信基础 (19)4.3.6.2 RS232串行口标准简介 (20)4.3.6.3 MAX232简介 (20)4.3.6.4 接口电路设计 (21)4.3.7 电源模块设计 (21)5 系统软件程序流程图以及上位机设计 (23)5.1主程序设计框图 (23)5.2 功率计量流程图 (23)5.3 按键查询流程图 (25)5.4上位机设计 (25)6 总结 (26)参考文献 (27)致谢 (28)附录 (29)ContentsAbstracts (1)Introduction (1)1Traditional meters (1)1.1 The development of meters (1)1.2 The prospects of meters (2)2 Smart meters (2)2.1The concept of smart meters (2)2.2 The typical structure of smart meters (2)2.3The main features of smart meters (3)3The basic idea of system design and detailed design tasks and structure diagram (3)3.1The basic idea of system design (3)3.2The detailed design tasks (3)3.3 System structure diagram (4)4System hardware circuit design (4)4.1 Metering chip ADE7757 (4)4.1.1 ADE7757 functions and features Overview (5)4.1.2 ADE7757 chip's internal structure and function of each pin (6)4.1.3 The principle of ADE7757 (6)4.1.4ADE7757 and microcontroller interface (6)4.2 Energy Metering Circuit Design (7)4.2.1Design of voltage acquisition channels (8)4.2.2Design of the current acquisition channel (9)4.2.3Metering connection between the chip and the microcontroller (9)4.3 Single-chip peripheral circuit design and component selection (9)4.3.1 SCM STC89C52 overview, pin configuration and function overview .. 124.3.2 Minimum System of MCU control circuit (13)4.3.3 LCD display module design (13)4.3.3.1 LCD monitor works Introduction (13)4.3.3.2 Chip 1602 Introduction (14)4.3.3.3 Display circuit design (15)4.3.4 Design Data storage module (15)4.3.4.1 Chip 24C02 Introduction (16)4.3.4.2 The memory module circuit design (16)4.3.5Clock Module Design (16)4.3.5.1 DS1302 Introduction (17)4.3.5.2 Clock circuit design (18)4.3.6 Communication Module (18)4.3.6.1Serial communication infrastructure (18)4.3.6.2 RS232 serial port standard profiles (19)4.3.6.3 MAX232 Introduction.................................. 错误！未定义书签。
国网单相智能电能表设计概要
国网单相智能电能表设计概要随着电子技术的迅速发展和不断成熟，电子式电能表在我国得到了广泛的使用，成为主要的电能量贸易结算器具，在电网技术由自动化向智能化方向发展的趋势下，电子式电能表将向智能电能表过渡。
智能电能表在电能量计量的基础上具有信息存储及处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能，数据安全传输和存储是实现以上功能的基础，因此如何保证信息传递、信息保存的安全性已经成为智能电能表的关键性因素。
1智能电能表基本架构1.1基本架构（1）硬件架构智能电能表在硬件上主要包括电压/电流采样电路、计量单元、中央控制单元（MCU）、电源模块、存储单元、控制回路、红外通信、IC卡接口、安全论证单元等部分组成，其中数据安全防护重点为数据存储区和通信接口。
在数据存贮方面，采用FLASH芯片和EEPROM两种芯片，FLASH芯片容量大，成本较低，但擦写次数一般为10万次，所以主要存储负荷曲线、事件记录等历史数据；EEPROM芯片单片存贮容量较小，价格相对较高，但一般存储电量、金额以及表计的设置参数等重要数据。
在对外通信接口方面，红外通信接口、485通信接口、CPU 卡接口以及以窄带载波，其它近距离无线和无线公网为主的其他通信接口,暂不考虑。
电压采样电流采样计量芯片MCU单元存储单元控制回路485接口电源模块实时时钟通讯单元功率脉冲输出红外通信Lc卡接口LC D显示操作接口图1 智能电能表硬件框图（2）功能架构智能电能表以电能量计量、信息存储及处理、实时监测、自动控制、信息交互功能为特征，根据国网公司的要求，有以下功能：计量功能：正确计量正反向总有功电量，并单独存储；费率时段：正确计量各费率时段有功电量和总有功电量；数据存储和冻结功能：存储结算日或按照约定的时间或时间间隔的总电能、各费率电能、需量等信息；事件记录：存储失压、失流、断相、开盖、远程控制等事件发生时间、结束时间和相应的电能量数据；停电抄表：可通过按键、红外方式唤醒显示，背光灯点亮，可支持红外抄表；通信功能：具有RS485、红外通讯接口、载波三种通信方式，通信协议采用DL/T645系列及其国网公司颁布的增补通信协议，并且三个通信通道在硬件上、软件上完全独立；预付费功能：按照预售给用户的电费或电量值，在用完以后自动切断用电的功能。
基于STM32的单相智能电表的设计
2.2.4用电管理设备的设计 9
2.2.4显示模块的设计 10
第三章 智能电表软件设计 11
3.1智能电表软件总体概述 11
3.1.1电能采集任务 11
3.1.2用户通信任务 12
3.1.3显示存储任务 13
3.1.4供电通信任务 13
第四章 总结与展望 15
4.1总结 15
西班牙政府在2007年8月出台了相关法律，要求截止到2014年，所有经销商需要有高级表计管理（AMM）操作系统。根据其规定到2018年末，所有的电表全部换成智能电表，在实现电表的基本电能数据采样的功能上，又添加了远程断/供电、远程编程和电源管理等功能[[[] 杨金涛,乐健,汪妮等. 谐波背景下电能计量系统的计量误差分析[J].电力系统自动化,2015,39(13):144-150. ]]。截止到 2016 年底，法国 95%的智能电表已于 AMM（advanced meter management）操作系统相连，法国 Actaris 和兰吉尔公司采用 PLC 通信方式的智能电表已在全国范围内铺开。智能电表作为第 2 代智能电网的核心设备，在国外发达国家的发展已处于较高水平[[[] 冯庆东,何占勇. 国内外智能用电发展分析比较[J].电测与仪表2012,49(554):1-6.[] 郭庆,郭建炎.智能电表在智能电网中的应用与发展[J]. 电工电气,2017(3): 65-67. ]]。在欧盟和欧洲各国政府的大力推行和号召下，预计在2020年，智能电表的安装台数达到1.7～1.8亿[[[] 冯庆东,何占勇. 国内外智能用电发展分析比较[J].电测与仪表2012,49(554):1-6.[] 郭庆,郭建炎.智能电表在智能电网中的应用与发展[J]. 电工电气,2017(3): 65-67. ]]。
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单相智能电表硬件设计物理与电子信息学院电气工程及其自动化学号：指导教师：摘要：本文设计单相智能电表的硬件电路。
主要由CPU模块、电能计量模块和电压电流采样模块、显示模块、电源模块、时钟模块、存储模块、通讯模块组成。
电压电流采样模块采用分流器和精密电阻实现对市电的转换；电能计量模块采用ADE7755计量芯片实现对电流、电压的测量与转换；时钟模块采用DS12C887时钟芯片为系统提供时钟基准，存储模块采用AT24C04，显示模块用1602液晶，通信模块采用MAX485芯片，并利用AT89C52组成的CPU模块控制所有芯片的工作、测量、计算电能，送往显示模块和存储模块进行实时显示。
该电度表成本低、使用方便、安全可靠、具有广泛的应用前景。
关键词：智能电表;计量芯片;时钟芯片Hardware Design of Single-phase Smart Meter College of Physics and Electronic Information Electrical Engineering and Automation No:Tutor:Abstract: This article designs hardware electric circuit of the single-phase intelligent electric instrument. The intelligent ammeter is mainly composed of CPU module, electric energy metering module, the voltage and current sampling module, display module, power module, clock module, storage module, communication module. Voltage and current sampling module use shunt and precision resistor to realize the conversion of electricity. Electric energy metering module uses ADE7755 chip to realize measurement and conversion of the voltage and current. Clock module uses DS12C887 chip to provide the clock benchmark for the system. Memory module uses AT24C04. Display module uses 1602 liquid crystal. Communication module uses MAX485 chip. The system use the AT89C52 composed of CPU module to1control all the chips work, measuring, computing power, sent to the display module and storage module for real-time display. The meter is of low cost, easy to use, safe and reliable, with wide application prospect. Key words:Intelligent ammeter; metering chip; clock chip目录摘要 (1)1 引言 (4)1.1 电能表的发展历程 (4)1.2 本课题研究的主要内容 (6)2 系统设计 (6)2.1 系统方案论证 (6)2.1.1 电能计量系统方案设计 (6)2.1.2 其他模块的方案论证 (7)2.2 系统原理框图的确定 (8)3 电压、电流采样模块 (10)3.1 电能计量芯片简介 (10)3.1.1 ADE7755芯片结构 (10)3.1.2 ADE7755引脚排列及功能 (11)3.1.3 ADE7755工作原理 (12)3.2 电流、电压采样电路设计 (13)3.3 脉冲输出 (14)3.4 电能计量电路设计 (15)4 控制芯片、外围电路设计 (16)4.1 控制芯片 (16)4.1.1 AT89C52单片机介绍 (16)4.1.2 最小系统 (17)4.2 LCD显示模块 (18)4.2.1 引脚功能简介 (18)24.2.2 显示电路设计 (18)4.3 实时时钟 (19)4.3.1 时钟芯片简介 (19)4.3.2 引脚功能 (19)4.3.3 时钟电路设计 (21)4.4 其他电路设计 (22)4.4.1 电源模块 (22)4.4.2 存储模块 (22)4.4.3 IC卡接口 (23)4.4.4 通讯模块 (24)4.4.5 掉电检测 (25)4.4.6 磁保持继电器驱动 (26)5 结论 (28)参考文献 (28)附录1 智能电表原理图 (29)附录2 智能电表PCB图 (30)31引言随着市场经济体制的建立，电力已经作为一种商品走向市场，电力企业管理正转向商业化运行。
目前，绝大多数用电管理是采用最原始的分散计量、人工抄表，它离自动化的目标还非常遥远。
当前城镇居民住宅公寓化，相对较为集中，及时开发并推出适合国情，既面向未来电量管理自动化建设的需要，又适应现行的运行管理体制的多用户表，是民用电计量、管理的大势所趋。
用电量的急剧增长以及由此引发的能源供需矛盾加剧，许多工业大国日益重视电能管理，都在通过技术改造等各种手段加强对电力负荷的监控，以实现计划用电与合理配电，从而提高电网负荷率。
现代电能管理强调自动化、智能化，要求以高新技术手段确保经济杠杆调配电能的使用，以求更高的供用电效率。
这便对电能计量仪器仪表提出了多功能化的要求，希望它不仅能计量电能，而且也能应用于管理。
因此功能单一的感应式电能表已不适应现代电能管理的要求，电子式电能表应运而生。
1.1电能表的发展历程作为测量电能的专用仪表电能表，自诞生至今已有100多年的历史。
因为1kWh的电能量被定义为一度电，所以按计量单位，电能表又俗称电度表或千瓦时表。
电能表在电能管理用仪器仪表中占有很大比例，其性能直接影响着电能管理的效率和科学化水平。
100多年来，随着电力系统、所有以电能为动力的产业的发展以及电能管理系统的不断完善，电能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程。
电能表已经经历了感应式电能表、机电脉冲式电能表、电子式电能表三个阶段。
（1）感应式电能表（机械表）在电力系统发展的早期，感应式电能表被广泛用于工频（50Hz或60Hz）电能的测量。
感应式电能表是利用处在交变磁场的金属圆盘中的感应电流与有关磁场形成力的原理制成的，具有制造简便、可靠性好、价格便宜等特点。
经过不断改进和完善，感应式电能表制作技术已经成熟。
通过双重绝缘和采用高质量双宝石轴承甚至磁悬浮轴承等技术手段，其结构和磁路的稳定性得以提高，电磁振荡被削弱，使用寿命大大延长，且过载能力明显增强。
但受其工作原理以及材料工艺等条件的局限其测量准确度很难提高。
另外，感应式电能表是针对很低且十分狭窄的频率范围的正弦电压和正弦电流而设计的，但现代电力系统中采用硅整流与换流技术，这些非线性负荷产生大量高次谐波并引起不平衡，致使电网电压波形产生畸变、波动及三相不平衡，对感应式电能表产生不利影响，使其指示不正确，由此可能造成操作、管理人员做出错4误的分析判断。
（2）机电一体式电能表20世纪60年代，为了扩展电能表的使用功能，出现了机电一体式脉冲电能表。
这种表仍然采用了感应式电能表的测量机构，只是利用光电传感器将电能转换为电脉冲信号，通过电子电路对脉冲信号的计算与处理，完成电能的计量工作，它通过电子部分的各种变换来实现人们不同的实际需求。
机电式电能表的出现，极大地解决电能表的功能单一的问题，电能表可以通过软件编程实现远程自动抄表、负荷控制参数的分散采集和存储等功能，使得分时电价和需量电价制度能够有效地实施和推广，充分发挥了电力在国民经济中的作用。
但是它是以感应系测量机构作为其测量主回路的原理性缺陷，决定了它同样具有感应系电能表一样的准确度低、适用频率范围低等缺点。
（3）电子式电能表[1]为了替代感应系测量机构，从20世纪70年代起人们就开始研究并试验采用电子电路来测量交流电能。
由于电能是电功率对时间的积分，所以任何电子电路式电能计量方案的第一步都是确定电功率。
因而，使用乘法器是实现测量电功率和电能的电子电路的共同特点，全电子式电能表多采用模拟或数字乘法器作为核心器件。
近年来，微电子技术、计算机技术和通信技术的高速发展，有力地推动了电子式电能表技术的迅速更新与进步。
高准确度、高可靠性的元器件以及大规模电路集成技术和电路制造的表面贴装技术等应用于电子式电能表的开发与生产，使电子式电能表寿命提高、功能多种多样，且仍在不断扩展，并逐步使供用电管理的微机化和自动化成为现实。
电子式电能表与感应式电能表相比，具有一定的技术优势：（1）误差特性较为稳定，不像感应式电能表越走越慢。
实际运行和加速老化试验都说明了这一特点。
电子式电能表的故障能较明显的表露和被发现。
（2）电子式电能表内阻小、损耗低，是节能仪表。
有助于在已有计量装置中解决互感器过载和一次电压降超标问题，从而提高计量综合精确度。
（3）电子式电能表较轻，比感应式电能表节省大量有色和黑色金属，而且安装轻便。
（4）使用电子式电能表彻底改革了原来电能量运行，检修的工作流程，革除了洗表的环节。
如果故障表按合同规定由生产厂保修保换，则更简化了管理流程，可集中精力把好验收校验，对运行中缺陷故障统计分析以及招标时对各厂产品评定质量，彻底改革了电能表管理使适应电力市场经济要求。
5（5）电子式电能表能直接输出规范的电能脉冲，便于校验和实施远方自动抄读表，便于电力市场发展中对电能表扩展功能的实现。
1.2本课题研究的主要内容本文首先简要介绍了设计电能表的主要功能以及系统的总体方案，主要研究电子式单相复费率IC卡电能表的硬件设计，详细介绍硬件各功能模块的工作原理和选用的主要元器件的功能特点，包括各部分电路的走向、芯片的选择以及方案的可行性分析等。
分析电能表设计中运用的单片机控制技术，电能计量部分是基于ADE7755芯片设计，以DS12C887时钟芯片作为峰平谷不同时段的参考时间。
此电能表可实现分时段电能计量功能、预付费功能、显示金额功能、用电不足报警功能等。
2系统设计2.1系统方案论证2.1.1电能计量系统方案设计方案一：模数转换式对电流和电压分别采样，再通过A/D转换器转换成数字信号，然后送入单片机进行相乘运算。