单相多用户多功能智能化电能表设计与实现

供电控制电路实现电表对用户供电的控制。当 电表工作在预付费方式时，处理器会不停比较用户用
７４ＨＣｊＺＡ
图３多通道电量采集电路设计
电量和预购电量，当用户预购电量使用完毕，实现自 动断电，当用户再次预购电量后系统将自动送电。当 某用户出现拖交电费等不良情况时，管理者可对该用 户实现强制停电。在大学生宿舍等需要定时供电的 场所，在实时日历时钟的配合下，实现整表用户的送 电、停电控制。如图４所示，单片机Ｐｌ口４位口线 Ｐ１．０一Ｐ１．３输出控制信号，经７４ＬＳｌ４５ＢＣＤ一十进制 译码器，输出两个电平始终相反的信号Ａ、Ｂ控制三 极管的导通或截至，控制磁保继电器触点的闭合或断。 开，达到供电控制目的。其他用户的磁保继电器的控 制信号Ａ、Ｂ皆为低，保持供电状态不变。
ｇｅｎｔｉｚｅｄ ａｍｍｅｔｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｓｐｅｃｉａｌ ｐｏｗｅｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｃｈｉｐ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｔｈｅ
ｐａｐｅｒ ａｌｓｏ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｉｔｓ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｉｓ ａｍｍｅｔｅｒ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｐｅｒｆｏｒｍ ｔｈｅ ｅｌｅｃ－
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工业仪表与自动化装置
２００８年第２期
单相多用户多功能智能化电能表设计与实现
原明亭，高军伟，何文雪
（青岛大学自动化工程学院，山东青岛２６６０７１）
摘要：介绍了一种以单片机为核心，采用专用电能计量芯片设计的单相多用户多功能智能化电
能表，并提供了其硬件和软件设计。该电能表可实现电能计量、复费率、远程抄表、预付费、定时供
技术应用，２０００，（８）：６９—７２． ［３］ 原明亭．多用户智能电表中的数据安全存储技术
３结论 该文采用ＡＤ７７５５电能计量专用芯片和单片机
［Ｊ］．工业仪表与自动化装置，２００５，（４）：４５－４７． ［４］万福君，单片微机原理系统设计与应用［Ｍ］．合肥：
中国科学技术大学出版社，２００２．
万方数据
１２Ｖ
ＰｌＯｌ５ Ｐｌｌ １４ Ｐ１２１３ Ｐ１３１２
图４供电控制电路
１．４非易失存储器电路设计
。
多用户电表作为计量仪表，电表的一些基本参
数（用户数、表地址、用户户号）、各用户的用电量、
预付费方式时用户预购电量、各用户计量的脉冲数
（小于０．１ ｋｗｈ对应的脉冲数）等都是非常重要的
万方数据
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峰。
显示用户户号
谷。 平。
显示用户用电量
图２ 显不器件外形设计
１．２计量电路接口设计 ＡＤ７７５５是一款功率／电能专用ＩＣ，基本工作原
理是，被测电流经芯片内可编程增益放大器（ＰＧＡ） 放大后接电流通道的ＡＤＣ，并由此ＡＤＣ转换为对 应的数字信号。再经相位校正和高通滤波，进入乘 法器。乘法器的另一路输入是由电压通道ＡＤＣ转 换而来的、与被测电压对应的数字信号。相乘后产 生瞬时功率信号。此信号经低通滤波器滤除其中的 交流分量，提取出负载消耗的瞬时有功功率，以较短 时间对瞬时有功功率进行累计，求得与瞬时有功功 。率成正比的高频频率并经ＣＦ输出，送ＭＣＵ微控制 器累加计数，实现对电能的计量，计量接口电路设计 可参见文献［２］。
ＹＵＡＮ Ｍｉｎｇ—ｔｉｎｇ，ＧＡＯ Ｊｕｎ—ｗｅｉ，ＨＥ Ｗｅｎ—ｘｕｅ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｌｔｎｄｅｒ Ｑｉｎｇｄａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｑｉｎｇｄａｏ ２６００７ １，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｉｖｅｓ ａｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ａ ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ ｍｕｌｔｉ－ｕｓｅｒ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ·ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｎｔｅｌｌｉ—
图６数据采集程序设计框图
设计的多用户多功能电能表，具有结构简单、成本低 廉、功能强、安装使用和管理比较方便等优点，在城 镇居民住宅、学生公寓、商铺等得到广泛应用，是很 有市场前景的一种智能化电表。
参考文献： ［１］孟臣，李敏．高性能铁电存储器ＦＭ２４Ｃ２５６及其在
单片机中的应用［Ｊ］．电子技术，２００３，（１）：３８－４１． ［２］ 高工．用ＡＤ７７５５设计的低成本电能表［Ｊ］．电子
单相多用户多功能智能化电能表设计与实现
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 引用次数：
原明亭， 高军伟， 何文雪， YUAN Ming-ting， GAO Jun-wei， HE Wen-xue 青岛大学,自动化工程学院,山东,青岛,266071
工业仪表与自动化装置 INDUSTRIAL INSTRUMENTATION & AUTOMATION 2008，(2) 0次
在图３中，自ＡＤ７７５５采样的电能脉冲经光电 隔离后，送到了Ｉ／Ｏ接口芯片７４ＨＣ３７３，ＭＣＵ自 ７４ＨＣ３７３读人８个通道的电能脉冲信号，采用软件 方法，识别出每个通道电能脉冲是否出现脉冲下降 沿，若出现下降沿，便进行脉冲计数和电量累计，达
到电能计量目的。Ｉ／Ｏ接口可达到ｌ一５个，使整个 系统的用户通道数达到１—４０个，在一个ＮＣＵ控制 下实现对多个用户的电能计量。 １．３供电控制电路设计
０ 引言
目前一般的家用全电子式的电能表，大多采用 专用计量芯片设计电量计量采集电路，采用机电式 计度器作为显示装置，只具有电能计量功能。结构简 单，价格便宜，适合一户一表使用，近几年得到推广 应用。这类电表，内部不含微处理器，难于实现分时 计量、远程抄表、预付费、定时供电控制等功能。在 一些用电集中的场所，如大学生宿舍，分户计量时每 层需安装多块电表，给施工、抄表、控制等带来困难。 该文设计一单相多用户智能化电能表，采用一块微 处理器，不仅能实现对多个用户的电能计量，而且具 有分时计量、远程抄表、预付费、定时供电控制等多 种功能。
由于电能表一般安装在楼梯间等较为昏暗的地 方，要求显示器件不仅具备自主发光能力，而且寿命
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工业仪表与自动化装置
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要长，显示的信息易于理解。对多用户多功能的电能 表来讲，其基本要求是正常计量情况下，需要同时清 楚显示出用户编号和其用电量，以便查看、抄表等。 所以显示电路由１０位ＬＥＤ数码管和３只发光二极管 构成，１０位数码管排列如图２所示。上面的４位用来 显示用户编号或用户户号，如显示２０１，表示为该单元 ２０１室，易于和门牌号对应，下面６位以５ 位整数一位小数形式显示用户的用电量， 显示的最大数为９９ ９９９．９，用电超过此 值，系统自动回零。三位发光二极管作复 费率情况下的峰、谷、平指示灯。显示器 以分时方式轮流显示各户的用电信息和 系统信息，每３．５ ｓ刷新一次，更新显示 用户户号及正常睛况下的用电量、预付费 方式时用户剩余电量、实时日历时钟、复 费率工作方式下各时段标志及用电量、远 程通信提示信息、电表基本信息（用户 数、表地址信息）等。电路设计采用串行 方式，由７４ＬＳｌ６４串并转换器作接口芯片，电路设计 较为简单，可参考文献［４］。
ｔｉｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｍｕｈｉｒａｔｅ，ｌｏｎｇ—ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅｔｅｒ ｒｅａｄｉｎｇ，ｐｒｅｐａｙｍｅｎｔ，ｔｉｍｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ，ｅｔｃ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｍｍｅｔｅｒ；ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｏｌｅｒ；ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ；ｓｏｆｔｅｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ
远程通信电路、供电控制电路等部分组成。
蕊计量电路ｌ ｌ一。 一户电能ｌ ｌ。。
计晕电路Ｉ Ｌ三二
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豆位及系统运行监视电路Ｌ一 －Ｉ供电控制电Ｐ
图１ 电能表硬件结构框图
用户电能计量采用专用集成电路设计，每一户 的计量脉冲信号，经Ｉ／Ｏ接口电路连接到系统总线， 在微处理器的控制下，轮流采集并计数其脉冲信号， 达到０．１ ｋＷｈ时，将电量存储到非易失存储器中， 以防电量丢失。整个电表采用分时方式，轮流显示 用户使用的电量数据。远程通信电路可实现电表联 网和远程抄表；实时１３历时钟实现电表的复费率和 定时供电；系统运行监视电路实时监控电表运行情 况，增加电表的可靠性。下面介绍一下电表的主要 电路设计。 １．１显示电路设计
２软件设计
多用户多功能电表，可在多个用户通 道上工作在电能计量方式、预付费用电方 式、复费率用电方式，并具有远程抄表和供 电控制功能。工作方式灵活，功能繁多，软 件编程较为复杂。硬件设计时很多部分采
调著门狗子秤序
襄 自相应Ｉ／Ｏ接ｕ渡入通道ｆ“量脉冲信号
延时Ｉ ｍｓ，再次自该通道读入脉冲信号
Ｎ
！土 该通道孟臣.李敏 高性能铁电存储器FM24C256及其在单片机中的应用[期刊论文]-电子技术 2003(1) 2.Anthony Collins.高工 用AD7755设计的低成本电能表[期刊论文]-电子技术应用 2000(8) 3.原明亭 多用户智能电表中的数据安全存储技术[期刊论文]-工业仪表与自动化装置 2005(4)
１ 电能表硬件设计
单相多用户多功能智能化电能表硬件结构如图 １所示。系统主要由电量计量采集电路、微处理器、
收稿臼期：２００７—０ｒ７—１６ 作者简介：原明亭（１９６７一），男，工学硕士，副教授，博士研究 生，现从事自动化仪表及装置、智能控制系统等方面的教学与科研工 作。
实时日历时钟电路、非易失存储器电路、显示电路、
多（５ Ｖ供电的ＦＲＡＭ擦写次数达到１００亿次）、速
度快（串口总线的ＦＲＡＭ的ＣＬＫ的频率高达２０ ＭＨｚ，无１０ ｍｓ的写等待周期），这样，ＭＣＵ每检测
图５主程序设计框图
一个脉冲就可以写到ＦＲＡＭ保存起来，以 １ ６００个脉冲为１度计算，ＦＲＡＭ能存１６０ 万度电，对单相表和单相复费率电表已足 够使用。接口及编程参见文献［１］。若采 用普通的串行ＥＥＰＲＯＭ，作为多用户智能 电表的数据存储器，须采用复杂的可靠性 措施，以防数据丢失¨１。