单相多功能电能表设计
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３．２计量取样电路设计及元器件参数的选择
本文设计的电能表额定工作电压仉为２３０ Ｖ＇ 额定电流厶为５ Ａ，最大电流为１００Ａ，脉冲常数为 ２ ０００ ｉｍｐ／ｋＷｈ，工作频率．厶为５０ Ｈｚ。ＥＳＰ提供了一 个差分输入电压通道和２个差分输入的电流通道， ＡＤＣ最大能采样的信号幅值为５００ ｍＶ，因此计量取 样电路要把电网中的电压电流信号幅值等比例整定 到５００ ｍＶ范围内。器件的选择基于取样信号在不超
结合当前市场上的一些常见功能需求【ｌ川以及 ＭＳＰ４３０ＦＥ４２７芯片本身所具有的特点和资源，设计 了电能表的主要功能如图２所示。
图２多功能电能表功能
Ｆｉｇ．２ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ
３电能表设计
ＭＳＰ４３０ＦＥ４２７是ＴＩ公司推出的一款用于电子 式电能表的系统级芯片微控制器，其体系架构和嵌 入式资源配置完全适应高可靠性多功能电能表的设 计需求，且它集电能计量与管理于一体，工作可靠， 性能优越，外围功能模块丰富【ｌ¨，可极大简化电能 表的软硬件设计。
为此，选用集成化程度更高的系统级低功耗芯 片ＭＳＰ４３０ＦＦＡ２７为核心，设计了一款具有多参数测 量、多通信方式、复费率等多种功能的单相电子式 电能表。该芯片内嵌了电能计量模块，能同时完成电 能计量和管理，外加简单的取样和通信等电路就能 实现多种功能。该设计方案结构简单、软件可移植 性强、成本低、功耗低、可靠性高，具有广阔的市场 前景和应用价值。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ｈｉｇｈｌｙ ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｌｏｗ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ—ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒ，ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ
ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＳＰ４３０ＦＥ４２７ ｗｉｔｈ ｍｕｌｔｉ—ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｍｕｌｔｉ—ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ
第２５卷
幅值为２８．３ ｍＶ，经可编程增益放大器放大１６倍后
幅值为４５２．５ ｍＶ，未超出ＡＤＣ最大采样幅值５００ ｍＶ
范围。零线电流删经电流互感器感应出的二次电流
流过Ｒ５得到取样信号Ⅵ砌），其计算公式如式（１）
ｙ（砌）：—ＩＮ×—Ｒ５
（１）
Ｎ
式中：Ｖ（Ｉｎ）为电流取样信号有效值：ＩＮ为电网电流有
效值；Ｒ５为取样电阻值；Ｎ为电流互感器变比。设计
火线电流从流经２００ ｒｔｔ－２锰铜电阻得到取样电 压，经调理输入到ＥＳＰ模块中的可编程增益放大器。 最大负载电流１００ Ａ流经锰铜电阻得到的取样电压
万方数据
Ｆｉｇ．４
图４计量取样及调理电路 Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓａｍｐｌｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ
· ９２
·
电子测量与仪器学报
Ｈｅ Ｊｉｎｇｄａｎｌ Ｔｅｎｇ Ｚｈａｏｓｈｅｎ９１ Ｗｅｎ Ｈｅｌ Ｚｈｏｕ Ｌｉａｎｇｚｈａｎ９２
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔＹ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｈｅｘｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１１，Ｃｈｉｎａ）
ｓａｍｐｌｉｎｇ ｍｕｌｔｉ—ｒａｔｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ｕｎｉｔ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ
ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ａｒｅ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｖｏｌｍｇｅ ｓａｍｐｆｉｎｇ ｉｓ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｓｏｕｒｃｅｓ
度、功率、耐压值等性能参数，又要兼顾生产成本和
效率，故选择使用精度为ｌ％的若干贴片电阻串联得
到ＲＡ阻值。如图４所示，ＲＡ阻值由２个３３０ ｋＱ、１
个２００ｋＱ和４个１００垃电阻串联得到；Ｒ８选择阻值
１．５ ｋｆｌ精度为１％贝ｄｉ片电阻，则电能表工作在额定电
电子测量与仪器学报
第２５卷
设计的电能表系统结构框图如图１所示。
Ｉ咀碾曹埋 ’。‘。。一
０堡墨兰～Ｒｓ４８；通信Ｉ
Ｉ／０。广ｊ五五１ｉ翮
．
锰铜ｌ
ＩＡ。
由啊ｒ一
网 ‘亡型 信 号
掣幽■百舸 ，
ＣＯＭ／ＳＥｑｌ
ＭＳＰ４３０
，ｒ。ｌ
ｆｍｌ
，
调 ＩＮ。
理
电
翟篇Ｌ 路 ＶＮ～
坚Ｈ麓 ｒ
＿｛＝］Ｊ
Ｉ’
ＦＥ４２７
—世Ｌ－ｆ骚覆酾
第２５卷第１期 ２０１１年１月
电子测量与仪器学报
ＪｏＵＲＮＡＬ ｏＦ ＥＬＥＣＴＲｏＮｌＣ ＭＥＡｓＵＲＥＭＥＭ ＡＮＤ ｌＮＳＴＲＵＭＥＮＴ
ＤＯＩ：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１ ｌ８７．２０１ １．０００８９
场￡２５ⅣＤ．１
· ８９
·
单相多功能电能表设计木
贺静丹１滕召胜１温和１周良璋２
（１．湖南大学电气与信息工程学院，长沙４１００８２；２．杭州海兴电器有限公司，杭州３１００１１）
万方数据
图３电能表电源电路图
Ｆｉｇ．３ Ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒ ｐｏｗｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ
第１期
单相多功能电能表设计
· ９ｌ
·
２３０ Ｖ交流电ＶＮ经过ＭＤＴＢ８—３在其二次侧输 出１２．５ Ｖ的交流电压，流经整流桥堆ＡＢｌ输出１５ Ｖ 左右的直流电压，经电容Ｃｌ和Ｃ２平滑滤波后输入 ＨＴ７１３６，电阻Ｒｌ、Ｒ２网络使ＨＴ７１３６输出对地直流 电压约“．０ Ｖ。为隔离通信和单片机电源，防止电池 向其他外围器件供电，ＤＶＤＤ和ＶＣＣ分别由“．０ Ｖ 经Ｍ７Ａ（导通压降约０．６ ｖ）隔离降压得到。ＲＳ４８５电 源与系统电源之间是电气隔离的，它是由变压器的 隔离绕组输出交流电经Ｄ１半波整流输入到ＨＴ７１５０．１， 再由该ＬＤＯ输出＋５ Ｖ的隔离电压得到。通过控制三 极管Ｑ３和Ｑ４的通断可实现电源供电切换；电网有电 时三极管Ｑ３和Ｑ４截止，由变压器降压电路而来 ＶＣＣ为单片机供电；停电时Ｑ３和Ｑ４导通，由３．６ Ｖ 电池Ｂ１而来的ＶＣＣ向单片机供电。图３中ＸＳｌ是 电池短接点，用来测试电池功耗方便生产，ＢＡＴ接到 单片机用来检测电池是否欠压。
ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｒｅｅ－ｐｏｉｎｔ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｉｓ
ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｃｏｓｔ，ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ｓａｔｉｓｆｙ ＩＥＣ６２０５２—１ １ ａｎｄ
摘要：针对目前市场对高可靠性低成本多功能单相电能表的需求，设计了一种基于单片机的具有多参数测量、多通信方
式、复费率等多种功能的单相电子式电能表，给出了电源管理和计量取样单元的硬件电路和软件流程，重点介绍了电流、电压
采样的设计，探讨了电能表的误差来源，提出了软件实现的单相电子式电能表的三点校表方法。这种电能表成本低，硬件结构简
量。电表通过比较火线和零线电流大小，自动选取较
大电流计算电能，从而实现防窃电功能。
电网电压ＶＮ经电阻网络ＲＡ和尺８分压后得到
等比例缩小的电压取样模拟信号Ⅶ，其计算公式如
式（２）
Ｖｎ＝而Ｒ８冗Ａ＋尺８ｉ×ＶＮ
（２）
式中：Ｖｎ为电压取样信号有效值；ＶＮ为电网电压有
效值：选择电阻网络电阻类型时主要考虑电阻的精
出ＡＤＣ最大采样范围下尽可能放大的原则，以提高 采样灵敏度；同时也要考虑留有一定的计量余量。
电压取样一般有电阻分压和电压互感器降压２种 方式，虽然电压互感器降压方式能隔离电网与电表 系统提高安全性能，但其功耗大且会增加成本，而 电阻网络分压占用空间小，电路简单，成本低，因此 本设计选择电阻网络分压的方式进行电压取样。电 流取样一般有锰铜分流和电流互感器加电阻取样两 种方式。锰铜分流方式简单可靠，价格低，抗直流； 电流互感器电流特性好，综合考虑电表成本、防窃电 能力及ＩＥＣ标准中火线电流回路必须能抗直流的要 求，选择使用锰铜分流器取样火线电流，电流互感 器加电阻取样零线电流的取样方式。计量取样及调 理电路设计如图４所示。
２ 电能表的构成与工作原理
电能表系统主要由电源管理、计量取样、通信、 存储、显示、按键处理、脉冲输出单元和备用电池 等８个部分组成№粤Ｊ。以ＭＳＰ４３０ＦＥ４２７芯片为核心
本文于２０１０年１２月收到。 ·基金项目：国家自然科学基金（编号：６０８７２１２８，６１００２０３５）资助项目。
万方数据
·９０ ·
信号调理电路作用是提高取样信号的稳定性和 系统抗电磁干扰能力。电路中双向二极管Ｑ１和Ｑ２起 限压作用，防止脉冲干扰电压过大损坏器件或引起 放大电路失真；磁珠Ｌ与１ ｎＦ电容组成滤波网络滤
除电网中的高频信号；各通道中ｌ ｍ电阻和３３ ｎＦ
电容组成抗混叠滤波器率，能有效滤除采样信号中 的高频分量，减少频谱混叠。
选择尺５为３ Ｑ，互感器参数为５（１２０）Ｍ５ ｍＡ，变比＾ｋ ｌ ０００：１。电表工作在最大电流１００ Ａ时，取样信号幅值
为４２４．２ ｍＶ，取可编程增益放大器放大倍数为１。反
Hale Waihona Puke Baidu
之，由取样信号幅值可以计算出电网电流有效值，
当取样信号幅值为５００ ｍＶ时电网电流有效值为
１１７．９ Ａ，电网电流不超过该值时电能表都能正确计
单，技术指标完全满足ＩＥＣ６２０５２．１ｌ和ＩＥＣ６２０５３—２１标准，已批量生产。
关键词：多功能单相电能表；ＭＳＰ４３０ＦＥ４２７单片机；低功耗设计；三点校表法
中图分类号：ＴＭ９３３
文献标识码：Ａ
国家标准学科分类代码：５１０．８０４０
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ ｍｕｌｔｉ－ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒ
∞－啊丽瓣酮 ．－型Ｌ可面丽湎田
Ｆｉｇ．１
图１电能表系统结构
Ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｂｌｏｃｋ ｄｉｇｒａｍ
电源管理单元负责给单片机系统及外围模块供 电，并能在停电时有效地切换到备用电池供电。计量 取样单元负责取样电网电压电流信号，并把取样信 号经调理电路等比例整定到ＭＳＰ４３０ＦＥ４２７电压、电 流计量通道所允许的电压输入范围内。通信单元由 光电和ＲＳ４８５两种通信电路组成，这两种通信方式 相互独立互不干扰；存储单元采用一片Ｅ２ＰＲＯＭ存储 器ＡＴ２４Ｃ６４，用于存放系统的配置参数、校表参数以 及电量数据。显示单元ＬＣＤ采用４ｘ２２段码液晶，由 单片机内部ＬＣＤ驱动电路直接驱动。选用１ ２００ ｍＡｈ 的３．６ Ｖ锂电池做备用电池，电池供电时电流不超过 ３０ ｕＡ，可满足系统掉电下时钟工作１０年以上的要 求且保证了停电抄表功能的实现。
ＩＥＣ６２０５３—２１ ｓｔａｎｄａｒｄ，ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｗｉｄｅｌｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ－·ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒ；ＭＳＰ４３０ＦＥ４２７；ｌｏｗ－·ｐｏｗｅｒ ｄｅｓｉｇｎ；ｔｈｒｅｅ·－ｐｏｉｎｔ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ
１引言
近年来电能消费急剧增长，各国电力部门需要 具有更多功能的电能表来更公平合理的收取电能费 用，以及更好的规划电能生产。目前国内外的多功能 电能表一般采取“ＡＤ采样＋ＤＳＰ＋ＭＣＵ”和“专用电能 计量芯片＋Ｍｃｕ”１１－７１２种方案，一般的专用计量芯片 都集成了ＡＤＣ和ＤＳＰ内核，所以电子式多功能电表 厂家基本上都采用“专用电能计量芯片＋ＭＣＵ”的双 核结构方案，但双核模式会带来核与核之间的时序 匹配困难以及数据传输可靠性低等诸多问题【８】，且 因系统芯片数量多，成本偏高，阻碍了多功能电表 的大规模使用。
３．１电源电路设计 电源单元采用变压器降压电源，静态电能表使
用的是低压元件，直接输入的交流电压需经过降压 型变压器降压以产生适合的交流电压，同时要保证 在电网电压跌落到较低水平时，变压器的输出不影 响计量电路的工作，又考虑到通信电路电源要与单 片机系统电源隔离，本设计选用带隔离绕组的双输 出绕组降压变压器ＭＤＴＢ８；为保证系统停电后能快 速切换到备用电池供电，设计电源电路如图３所示。
本文设计的电能表额定工作电压仉为２３０ Ｖ＇ 额定电流厶为５ Ａ，最大电流为１００Ａ，脉冲常数为 ２ ０００ ｉｍｐ／ｋＷｈ，工作频率．厶为５０ Ｈｚ。ＥＳＰ提供了一 个差分输入电压通道和２个差分输入的电流通道， ＡＤＣ最大能采样的信号幅值为５００ ｍＶ，因此计量取 样电路要把电网中的电压电流信号幅值等比例整定 到５００ ｍＶ范围内。器件的选择基于取样信号在不超
结合当前市场上的一些常见功能需求【ｌ川以及 ＭＳＰ４３０ＦＥ４２７芯片本身所具有的特点和资源，设计 了电能表的主要功能如图２所示。
图２多功能电能表功能
Ｆｉｇ．２ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ
３电能表设计
ＭＳＰ４３０ＦＥ４２７是ＴＩ公司推出的一款用于电子 式电能表的系统级芯片微控制器，其体系架构和嵌 入式资源配置完全适应高可靠性多功能电能表的设 计需求，且它集电能计量与管理于一体，工作可靠， 性能优越，外围功能模块丰富【ｌ¨，可极大简化电能 表的软硬件设计。
为此，选用集成化程度更高的系统级低功耗芯 片ＭＳＰ４３０ＦＦＡ２７为核心，设计了一款具有多参数测 量、多通信方式、复费率等多种功能的单相电子式 电能表。该芯片内嵌了电能计量模块，能同时完成电 能计量和管理，外加简单的取样和通信等电路就能 实现多种功能。该设计方案结构简单、软件可移植 性强、成本低、功耗低、可靠性高，具有广阔的市场 前景和应用价值。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ｈｉｇｈｌｙ ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｌｏｗ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ—ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒ，ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ
ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＳＰ４３０ＦＥ４２７ ｗｉｔｈ ｍｕｌｔｉ—ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｍｕｌｔｉ—ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ
第２５卷
幅值为２８．３ ｍＶ，经可编程增益放大器放大１６倍后
幅值为４５２．５ ｍＶ，未超出ＡＤＣ最大采样幅值５００ ｍＶ
范围。零线电流删经电流互感器感应出的二次电流
流过Ｒ５得到取样信号Ⅵ砌），其计算公式如式（１）
ｙ（砌）：—ＩＮ×—Ｒ５
（１）
Ｎ
式中：Ｖ（Ｉｎ）为电流取样信号有效值：ＩＮ为电网电流有
效值；Ｒ５为取样电阻值；Ｎ为电流互感器变比。设计
火线电流从流经２００ ｒｔｔ－２锰铜电阻得到取样电 压，经调理输入到ＥＳＰ模块中的可编程增益放大器。 最大负载电流１００ Ａ流经锰铜电阻得到的取样电压
万方数据
Ｆｉｇ．４
图４计量取样及调理电路 Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓａｍｐｌｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ
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电子测量与仪器学报
Ｈｅ Ｊｉｎｇｄａｎｌ Ｔｅｎｇ Ｚｈａｏｓｈｅｎ９１ Ｗｅｎ Ｈｅｌ Ｚｈｏｕ Ｌｉａｎｇｚｈａｎ９２
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔＹ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｈｅｘｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１１，Ｃｈｉｎａ）
ｓａｍｐｌｉｎｇ ｍｕｌｔｉ—ｒａｔｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ｕｎｉｔ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ
ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ａｒｅ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｖｏｌｍｇｅ ｓａｍｐｆｉｎｇ ｉｓ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｓｏｕｒｃｅｓ
度、功率、耐压值等性能参数，又要兼顾生产成本和
效率，故选择使用精度为ｌ％的若干贴片电阻串联得
到ＲＡ阻值。如图４所示，ＲＡ阻值由２个３３０ ｋＱ、１
个２００ｋＱ和４个１００垃电阻串联得到；Ｒ８选择阻值
１．５ ｋｆｌ精度为１％贝ｄｉ片电阻，则电能表工作在额定电
电子测量与仪器学报
第２５卷
设计的电能表系统结构框图如图１所示。
Ｉ咀碾曹埋 ’。‘。。一
０堡墨兰～Ｒｓ４８；通信Ｉ
Ｉ／０。广ｊ五五１ｉ翮
．
锰铜ｌ
ＩＡ。
由啊ｒ一
网 ‘亡型 信 号
掣幽■百舸 ，
ＣＯＭ／ＳＥｑｌ
ＭＳＰ４３０
，ｒ。ｌ
ｆｍｌ
，
调 ＩＮ。
理
电
翟篇Ｌ 路 ＶＮ～
坚Ｈ麓 ｒ
＿｛＝］Ｊ
Ｉ’
ＦＥ４２７
—世Ｌ－ｆ骚覆酾
第２５卷第１期 ２０１１年１月
电子测量与仪器学报
ＪｏＵＲＮＡＬ ｏＦ ＥＬＥＣＴＲｏＮｌＣ ＭＥＡｓＵＲＥＭＥＭ ＡＮＤ ｌＮＳＴＲＵＭＥＮＴ
ＤＯＩ：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１ ｌ８７．２０１ １．０００８９
场￡２５ⅣＤ．１
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单相多功能电能表设计木
贺静丹１滕召胜１温和１周良璋２
（１．湖南大学电气与信息工程学院，长沙４１００８２；２．杭州海兴电器有限公司，杭州３１００１１）
万方数据
图３电能表电源电路图
Ｆｉｇ．３ Ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒ ｐｏｗｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ
第１期
单相多功能电能表设计
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２３０ Ｖ交流电ＶＮ经过ＭＤＴＢ８—３在其二次侧输 出１２．５ Ｖ的交流电压，流经整流桥堆ＡＢｌ输出１５ Ｖ 左右的直流电压，经电容Ｃｌ和Ｃ２平滑滤波后输入 ＨＴ７１３６，电阻Ｒｌ、Ｒ２网络使ＨＴ７１３６输出对地直流 电压约“．０ Ｖ。为隔离通信和单片机电源，防止电池 向其他外围器件供电，ＤＶＤＤ和ＶＣＣ分别由“．０ Ｖ 经Ｍ７Ａ（导通压降约０．６ ｖ）隔离降压得到。ＲＳ４８５电 源与系统电源之间是电气隔离的，它是由变压器的 隔离绕组输出交流电经Ｄ１半波整流输入到ＨＴ７１５０．１， 再由该ＬＤＯ输出＋５ Ｖ的隔离电压得到。通过控制三 极管Ｑ３和Ｑ４的通断可实现电源供电切换；电网有电 时三极管Ｑ３和Ｑ４截止，由变压器降压电路而来 ＶＣＣ为单片机供电；停电时Ｑ３和Ｑ４导通，由３．６ Ｖ 电池Ｂ１而来的ＶＣＣ向单片机供电。图３中ＸＳｌ是 电池短接点，用来测试电池功耗方便生产，ＢＡＴ接到 单片机用来检测电池是否欠压。
ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｒｅｅ－ｐｏｉｎｔ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｉｓ
ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｃｏｓｔ，ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ｓａｔｉｓｆｙ ＩＥＣ６２０５２—１ １ ａｎｄ
摘要：针对目前市场对高可靠性低成本多功能单相电能表的需求，设计了一种基于单片机的具有多参数测量、多通信方
式、复费率等多种功能的单相电子式电能表，给出了电源管理和计量取样单元的硬件电路和软件流程，重点介绍了电流、电压
采样的设计，探讨了电能表的误差来源，提出了软件实现的单相电子式电能表的三点校表方法。这种电能表成本低，硬件结构简
量。电表通过比较火线和零线电流大小，自动选取较
大电流计算电能，从而实现防窃电功能。
电网电压ＶＮ经电阻网络ＲＡ和尺８分压后得到
等比例缩小的电压取样模拟信号Ⅶ，其计算公式如
式（２）
Ｖｎ＝而Ｒ８冗Ａ＋尺８ｉ×ＶＮ
（２）
式中：Ｖｎ为电压取样信号有效值；ＶＮ为电网电压有
效值：选择电阻网络电阻类型时主要考虑电阻的精
出ＡＤＣ最大采样范围下尽可能放大的原则，以提高 采样灵敏度；同时也要考虑留有一定的计量余量。
电压取样一般有电阻分压和电压互感器降压２种 方式，虽然电压互感器降压方式能隔离电网与电表 系统提高安全性能，但其功耗大且会增加成本，而 电阻网络分压占用空间小，电路简单，成本低，因此 本设计选择电阻网络分压的方式进行电压取样。电 流取样一般有锰铜分流和电流互感器加电阻取样两 种方式。锰铜分流方式简单可靠，价格低，抗直流； 电流互感器电流特性好，综合考虑电表成本、防窃电 能力及ＩＥＣ标准中火线电流回路必须能抗直流的要 求，选择使用锰铜分流器取样火线电流，电流互感 器加电阻取样零线电流的取样方式。计量取样及调 理电路设计如图４所示。
２ 电能表的构成与工作原理
电能表系统主要由电源管理、计量取样、通信、 存储、显示、按键处理、脉冲输出单元和备用电池 等８个部分组成№粤Ｊ。以ＭＳＰ４３０ＦＥ４２７芯片为核心
本文于２０１０年１２月收到。 ·基金项目：国家自然科学基金（编号：６０８７２１２８，６１００２０３５）资助项目。
万方数据
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信号调理电路作用是提高取样信号的稳定性和 系统抗电磁干扰能力。电路中双向二极管Ｑ１和Ｑ２起 限压作用，防止脉冲干扰电压过大损坏器件或引起 放大电路失真；磁珠Ｌ与１ ｎＦ电容组成滤波网络滤
除电网中的高频信号；各通道中ｌ ｍ电阻和３３ ｎＦ
电容组成抗混叠滤波器率，能有效滤除采样信号中 的高频分量，减少频谱混叠。
选择尺５为３ Ｑ，互感器参数为５（１２０）Ｍ５ ｍＡ，变比＾ｋ ｌ ０００：１。电表工作在最大电流１００ Ａ时，取样信号幅值
为４２４．２ ｍＶ，取可编程增益放大器放大倍数为１。反
Hale Waihona Puke Baidu
之，由取样信号幅值可以计算出电网电流有效值，
当取样信号幅值为５００ ｍＶ时电网电流有效值为
１１７．９ Ａ，电网电流不超过该值时电能表都能正确计
单，技术指标完全满足ＩＥＣ６２０５２．１ｌ和ＩＥＣ６２０５３—２１标准，已批量生产。
关键词：多功能单相电能表；ＭＳＰ４３０ＦＥ４２７单片机；低功耗设计；三点校表法
中图分类号：ＴＭ９３３
文献标识码：Ａ
国家标准学科分类代码：５１０．８０４０
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ ｍｕｌｔｉ－ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒ
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Ｆｉｇ．１
图１电能表系统结构
Ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｂｌｏｃｋ ｄｉｇｒａｍ
电源管理单元负责给单片机系统及外围模块供 电，并能在停电时有效地切换到备用电池供电。计量 取样单元负责取样电网电压电流信号，并把取样信 号经调理电路等比例整定到ＭＳＰ４３０ＦＥ４２７电压、电 流计量通道所允许的电压输入范围内。通信单元由 光电和ＲＳ４８５两种通信电路组成，这两种通信方式 相互独立互不干扰；存储单元采用一片Ｅ２ＰＲＯＭ存储 器ＡＴ２４Ｃ６４，用于存放系统的配置参数、校表参数以 及电量数据。显示单元ＬＣＤ采用４ｘ２２段码液晶，由 单片机内部ＬＣＤ驱动电路直接驱动。选用１ ２００ ｍＡｈ 的３．６ Ｖ锂电池做备用电池，电池供电时电流不超过 ３０ ｕＡ，可满足系统掉电下时钟工作１０年以上的要 求且保证了停电抄表功能的实现。
ＩＥＣ６２０５３—２１ ｓｔａｎｄａｒｄ，ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｗｉｄｅｌｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ－·ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒ；ＭＳＰ４３０ＦＥ４２７；ｌｏｗ－·ｐｏｗｅｒ ｄｅｓｉｇｎ；ｔｈｒｅｅ·－ｐｏｉｎｔ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ
１引言
近年来电能消费急剧增长，各国电力部门需要 具有更多功能的电能表来更公平合理的收取电能费 用，以及更好的规划电能生产。目前国内外的多功能 电能表一般采取“ＡＤ采样＋ＤＳＰ＋ＭＣＵ”和“专用电能 计量芯片＋Ｍｃｕ”１１－７１２种方案，一般的专用计量芯片 都集成了ＡＤＣ和ＤＳＰ内核，所以电子式多功能电表 厂家基本上都采用“专用电能计量芯片＋ＭＣＵ”的双 核结构方案，但双核模式会带来核与核之间的时序 匹配困难以及数据传输可靠性低等诸多问题【８】，且 因系统芯片数量多，成本偏高，阻碍了多功能电表 的大规模使用。
３．１电源电路设计 电源单元采用变压器降压电源，静态电能表使
用的是低压元件，直接输入的交流电压需经过降压 型变压器降压以产生适合的交流电压，同时要保证 在电网电压跌落到较低水平时，变压器的输出不影 响计量电路的工作，又考虑到通信电路电源要与单 片机系统电源隔离，本设计选用带隔离绕组的双输 出绕组降压变压器ＭＤＴＢ８；为保证系统停电后能快 速切换到备用电池供电，设计电源电路如图３所示。