江蘇省如皋職業(yè)教育中心校 謝留婉

1.引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電度表已經(jīng)由傳統(tǒng)的感應(yīng)式機(jī)械表，逐步被電子式電度表替代。電子式電度表作為一種電能計(jì)量工具，在日常電度計(jì)量中等到了廣泛的應(yīng)用。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使得采用單片型微控制器和大規(guī)模集成型電量計(jì)量芯片設(shè)計(jì)的電度表日益普及，也使電能的計(jì)量的技術(shù)水平和性能得到長(zhǎng)足的發(fā)展[1]。用戶對(duì)電能計(jì)量的要求也越來(lái)越高，不僅要求電能計(jì)量表性能穩(wěn)定、計(jì)量準(zhǔn)確，還要求能顯示剩余電能值和已用電能值，使用戶直觀地了解電度表的工作狀態(tài)以及用電負(fù)荷等信息；電力部門也要求做到低功耗、高質(zhì)量和高可靠性，同時(shí)還要求其具有計(jì)費(fèi)、掉電保護(hù)等功能[2]；還要求有多功能計(jì)量，如：有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、電流、電壓等數(shù)據(jù)的測(cè)量。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STC90C58型單片機(jī)作為核心控制器，克服電磁感應(yīng)式電能表的計(jì)量不準(zhǔn)確的精度問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段電量計(jì)量和不同電費(fèi)計(jì)費(fèi)方式；采用ADE7753電量計(jì)量芯片，實(shí)現(xiàn)具有有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、電流、電壓等數(shù)據(jù)的測(cè)量；采用智能卡實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)計(jì)費(fèi)方式，減少人工抄表的麻煩；系統(tǒng)自動(dòng)判斷所帶負(fù)載的大小，當(dāng)負(fù)載超過一定的量時(shí)，自動(dòng)切斷電源供電，實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)功能，防止公寓供電過載引起火災(zāi)。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 ADE7753電量計(jì)量芯片簡(jiǎn)介[3]

ADE7753是由美國(guó)ADI公司生產(chǎn)，是具有SPI接口的單相多功能電能計(jì)量芯片之一，為電能表生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)低成本多功能電能表提供了可能。其主要特性如下：

（1)提供有功、無(wú)功、視在電能的測(cè)量；電流和電壓有效值測(cè)量。

（2)實(shí)時(shí)提供電流、電壓、有功波形數(shù)據(jù)。

（3)提供電壓信號(hào)過零點(diǎn)指示方波信號(hào)。

（4)電流和電壓通道放大器的增益均可由用戶編程設(shè)定。

（5)在1000:1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，有功測(cè)量誤差小于0.1%，測(cè)量精度高，滿足IEC61036/61268等IEC標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（6)功率、相位和輸入失調(diào)均可實(shí)現(xiàn)數(shù)字校準(zhǔn)。

（7)提供可編程的有功校正脈沖輸出接口。

（8)SPI兼容串行接口，便于單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制。

2.1.2 系統(tǒng)硬件組成

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STC90C58單片機(jī)為控制核心，ADE7753電量計(jì)量芯片向單片機(jī)提供所測(cè)量的電量數(shù)據(jù)，單片機(jī)進(jìn)行分析處理，并控制LCD顯示模塊，將電量信息、電費(fèi)信息等顯示出來(lái)，并定時(shí)將電量等信息存儲(chǔ)到非易失存儲(chǔ)器中，系統(tǒng)并采用IC智能加密卡實(shí)現(xiàn)用戶預(yù)付費(fèi)計(jì)費(fèi)方式，系統(tǒng)還具有負(fù)載過載短路等保護(hù)切斷電源供電功能，防止由于負(fù)載過載或短路造成火災(zāi)危險(xiǎn)，系統(tǒng)考慮到要能分時(shí)段計(jì)費(fèi)，因此配備了DS1302時(shí)鐘電路。本系統(tǒng)具體硬件模塊主要由繼電器控制、電流電壓取樣模塊、電量計(jì)量模塊、單片機(jī)控制模塊、LCD顯示模塊、時(shí)鐘模塊、掉電檢測(cè)、IC智能卡讀寫模塊、非易失存儲(chǔ)器和電源模塊等組成。系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)各部件模塊功能介紹：

繼電器控制模塊：用來(lái)切斷/接通電源供電。當(dāng)預(yù)付電費(fèi)用完或線路中檢測(cè)到負(fù)載過載短路時(shí)立即切斷電源。

電流電壓取樣模塊：將供電進(jìn)戶線中的電壓、電流數(shù)據(jù)用電壓互感器、電流傳感器傳遞取樣出來(lái)。

電量計(jì)量模塊：采用ADE7753計(jì)量芯片，測(cè)量有功、無(wú)功、視在電能、電流和電壓有效值等數(shù)據(jù)。

非易失存儲(chǔ)器：采用AT24C02掉電非易失存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)主要包括電量參數(shù)、用戶信息和異常事件記錄等信息。

LCD顯示模塊：采用RT1602液晶模塊，顯示已用電量、剩余電量、已用電費(fèi)、剩余電費(fèi)等信息。

時(shí)鐘模塊：采用DS1302時(shí)鐘計(jì)時(shí)芯片，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確走時(shí)。為單片機(jī)實(shí)現(xiàn)分時(shí)段計(jì)費(fèi)提高可靠時(shí)間依據(jù)。

圖2 軟件流程圖

IC智能卡接口模塊：采用西門子IC卡，提供用戶信息、預(yù)存電費(fèi)、剩余電費(fèi)等信息。

掉電檢測(cè)模塊：掉電檢測(cè)主要由電壓比較器、電壓基準(zhǔn)等組成。當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，電壓比較器輸出低電平，控制單片機(jī)STC90C58產(chǎn)生外部中斷處理，將電量信息立即存儲(chǔ)到非易失存儲(chǔ)器中，保證數(shù)據(jù)不會(huì)由于掉電而破壞。

電源模塊：本系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)5V電源。為提高抗干擾能力，系統(tǒng)電源進(jìn)線處則使用磁環(huán)來(lái)防止高頻干擾脈沖對(duì)電路的影響，系統(tǒng)電源的性能很重要，它直接影響到電表能否穩(wěn)定運(yùn)行。

單片機(jī)控制模塊：采用STC90C58高性能、穩(wěn)定性強(qiáng)的單片機(jī)，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要負(fù)責(zé)使各硬件部件協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)完整的電度表功能，程序開始要進(jìn)行系統(tǒng)初始化，如ADE7753計(jì)量芯片初始化設(shè)置、LCD液晶初始化、單片機(jī)中斷系統(tǒng)初始化等操作；接著要進(jìn)行IC卡信息讀取操作，將用戶信息、預(yù)存電費(fèi)、剩余電量等信息進(jìn)行讀??；然后將相關(guān)信息在LCD液晶進(jìn)行顯示；系統(tǒng)自動(dòng)判斷剩余電量，若無(wú)剩余電量系統(tǒng)控制繼電器切斷電源供電，并作相應(yīng)聲光報(bào)警提醒；若有剩余電量，則系統(tǒng)開始進(jìn)行ADE7753芯片讀取，將電量檢測(cè)數(shù)據(jù)讀取出來(lái)、并讀取時(shí)鐘芯片DS1302的當(dāng)前時(shí)間、分時(shí)段進(jìn)行累計(jì)，并將電量信息進(jìn)行隨時(shí)存儲(chǔ)；最后系統(tǒng)對(duì)讀取的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷是否出現(xiàn)過載短路保護(hù)等情況，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行保護(hù)措施。具體軟件流程圖如下圖2所示。

3.結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)介紹的智能單相電度表具有制作成本低、精度高、多功能、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，可以適用于普通家庭用戶，小區(qū)用戶，學(xué)生公寓等，實(shí)行“一戶一表”的完整的集檢測(cè)、控制、存儲(chǔ)于一體的智能電度表。由于本系統(tǒng)采用IC卡預(yù)付費(fèi)設(shè)計(jì)，因此解決了目前廣泛使用的電度表還需人工抄表的麻煩。且系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自動(dòng)負(fù)載過載判斷功能，從入戶的源頭上切斷了電源，可以避免一些由于負(fù)載過載或供電線路短路等造成的火災(zāi)。

[1]唐治平.供配電技術(shù)[M]北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[2]柳旭英,張繼東,佘娜,等.基于AT89C51的中小型變壓器綜合保護(hù)器的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化,2008(1):37-391.

[3]ADE7753 DataSheet[Z].http://www.analog.com.