韓鴻凌，宋仲康，沈怡彥

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

基于STM8的預(yù)付費(fèi)電表外置斷路器設(shè)計

韓鴻凌，宋仲康，沈怡彥

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

隨著智能小區(qū)的快速發(fā)展，電量采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，內(nèi)置繼電器式預(yù)付費(fèi)電能表也隨之應(yīng)用到千家萬戶。但由于內(nèi)置繼電器的觸點(diǎn)間距較小，在分合閘過程中易出現(xiàn)爬電、閃絡(luò)等現(xiàn)象，造成繼電器觸點(diǎn)氧化、接觸不良等問題?；赟TM8S103F為控制核心的外置斷路器控制系統(tǒng)，接收電能表控制信號，經(jīng)信號處理驅(qū)動電機(jī)動作，從而快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行合、分閘動作，克服了現(xiàn)有預(yù)付費(fèi)電能表內(nèi)置繼電器存在的問題，能夠滿足國家電網(wǎng)公司預(yù)付費(fèi)電能表對外置斷路器的控制技術(shù)要求。

STM8；預(yù)付費(fèi)電表；小型斷路器；電能表

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，人們對生活質(zhì)量要求越來越高，對電能的需求也越來越多，如何能及時收回電費(fèi)又滿足電力用戶用電需求是供電企業(yè)亟待解決的問題。目前，內(nèi)置繼電器式預(yù)付費(fèi)電能表廣泛應(yīng)用到千家萬戶，基本解決了電費(fèi)及時回收與滿足電力用戶用電需求的矛盾。但是，由于內(nèi)置繼電器觸點(diǎn)間距較小，在分合閘過程中易出現(xiàn)爬電、閃絡(luò)等現(xiàn)象，長時間運(yùn)行后會造成繼電器觸點(diǎn)氧化、接觸不良[1-2]等問題，降低了供電可靠性，出現(xiàn)用戶交費(fèi)也無法用電或用戶欠費(fèi)又不能分閘等現(xiàn)象。

本文是按照國家電網(wǎng)公司預(yù)付費(fèi)電能表外置小型斷路器技術(shù)要求設(shè)計，該設(shè)計使用單片機(jī)控制驅(qū)動電機(jī)帶動斷路器刀閘運(yùn)動，實現(xiàn)自動合、分閘功能?？刂葡到y(tǒng)的控制信號來至預(yù)付費(fèi)電能表。根據(jù)實際需要，本設(shè)計采用了STM8S103F控制芯片，該芯片具有功耗低、處理速度快、性價比高的特點(diǎn)，同時滿足現(xiàn)場使用的環(huán)境條件、電磁環(huán)境等相關(guān)要求。

1 整體設(shè)計思路

1.1 國家電網(wǎng)公司的相關(guān)要求

國家電網(wǎng)公司對預(yù)付費(fèi)電能表外置斷路器提出了具體要求，其中最基本的分、合閘操作要求如表1所示[3]。

表1 斷路器狀態(tài)控制表Tab.1 Circuit breaker state control chart

從表1中可以看出，相線代表供電狀態(tài)，AC220V——有電；0 V——停電。控制信號線代表用戶電費(fèi)情況，上升——用戶欠費(fèi)后繳費(fèi)；下降——用戶突然欠費(fèi)；AC220V以及0 V代表用戶一直有錢或用戶一直沒有錢。值得注意的是，該斷路器存在不允許用戶手動操作的情況，因此應(yīng)為電機(jī)轉(zhuǎn)動加入鎖死區(qū)域。

另外，國家電網(wǎng)公司要求外置斷路器在合閘、分閘靜止工作狀態(tài)時電流必須小于0.2 mA。自動合閘時間必須小于3 s，自動分閘時間必須小于2 s[4]。

1.2 總體設(shè)計構(gòu)成

該外置斷路器采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)STM8S103F為控制核心CPU，其總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計框圖Fig.1 Overall design block diagram

信號轉(zhuǎn)換電路接收電能表控制信號，將檢測到的控制信號AC220V以及0V轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所能識別的1、0信號，CPU處理器對信號進(jìn)行分析處理，按照表1輸入相應(yīng)的信號驅(qū)動電機(jī)，電機(jī)帶動斷路器閘刀運(yùn)動，實現(xiàn)自動合、分閘功能。當(dāng)限位開關(guān)接通時，單片機(jī)收到反饋信號，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，以免電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動導(dǎo)致斷路器受損。

2 信號轉(zhuǎn)換電路

2.1 電路設(shè)計

為將控制信號AC220V、0 V轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所能識別的數(shù)字信號，設(shè)計的信號轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

將控制信號線輸出的交流電進(jìn)行整流濾波，再通過光電耦合器輸出高、低電平給單片機(jī)[5-7]。通過電路分析易知，當(dāng)控制信號為AC220V時，光電耦合器導(dǎo)通，單片機(jī)收到低電平；當(dāng)控制信號為0 V，即用戶欠費(fèi)時，光電耦合器斷開，單片機(jī)收到高電平。

2.2 相關(guān)仿真

將電路在Multisim12.0軟件中進(jìn)行仿真，電流表XMM1測量工作電流，示波器XSC1可以反映出自動分閘合閘時間。

當(dāng)控制信號為AC220V時，單片機(jī)輸入為0，要求電機(jī)正轉(zhuǎn)，斷路器進(jìn)行合閘動作。此時，工作狀態(tài)電流如圖3所示。穩(wěn)定時間如圖4所示

圖2 信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計圖Fig.2 Design of signal conversion circuit

圖3 合閘靜止工作狀態(tài)電流Fig.3 Closing quiescent working current

圖4 自動合閘時間Fig.4 Automatic closing time

當(dāng)控制信號為0 V時，單片機(jī)輸入為1，要求電機(jī)反轉(zhuǎn)，斷路器進(jìn)行分閘動作。此時，工作狀態(tài)電流如圖5所示，穩(wěn)定時間如圖6所示。

圖5 分閘靜止工作狀態(tài)電流Fig.5 Quiescent working state of brake

圖6 自動分閘時間Fig.6 Automatic switching time

由圖3和圖5可知，斷路器靜止工作狀態(tài)時電流均小于0.2 mA，滿足國網(wǎng)要求。由圖4可知從5 V穩(wěn)定到0 V約用時20 ms。由圖6可知從0 V穩(wěn)定到5 V用時極短，均可滿足國家電網(wǎng)公司的相關(guān)要求。

3 電機(jī)驅(qū)動模塊

本設(shè)計采用一個電機(jī)驅(qū)動斷路器刀閘動作，選用L9110芯片作為電機(jī)驅(qū)動芯片。L9110是為控制和驅(qū)動電機(jī)設(shè)計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件成本降低，整機(jī)可靠性提高。

該芯片有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性[8]。兩個輸出端能直接驅(qū)動電機(jī)的正反向運(yùn)動，它具有較大的電流驅(qū)動能力，每通道能通過750～800 mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá)1.5～2.0 A；同時它具有較低的輸出飽和壓降；內(nèi)置鉗位二極管具有感性負(fù)載反向沖擊功能，使它在驅(qū)動繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開關(guān)功率管的使用上安全可靠[9-10]。驅(qū)動電路圖如圖7所示。

圖7 L9110驅(qū)動電路Fig.7 L9110 drive circuit

正轉(zhuǎn)信號為1，反轉(zhuǎn)信號為0時，電機(jī)正轉(zhuǎn)；正轉(zhuǎn)信號為0，反轉(zhuǎn)信號為1時，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)兩個信號相同時，電機(jī)不轉(zhuǎn)。因此采用該芯片可以最簡單直觀地滿足斷路器設(shè)計要求。

電機(jī)帶動斷路器閘刀轉(zhuǎn)動示意圖如圖8所示。

圖8 電機(jī)轉(zhuǎn)動示意圖Fig.8 Schematic diagram of motor rotation

無論斷路器合閘還是分閘，電機(jī)都需要先轉(zhuǎn)動一定角度，脫離鎖死區(qū)。在鎖死區(qū)內(nèi)，斷路器內(nèi)部通過機(jī)械部件鎖死閘刀的運(yùn)動，電機(jī)的轉(zhuǎn)動只會帶動機(jī)械部件脫離鎖死狀態(tài)而不會帶動閘刀動作。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動到合、分閘轉(zhuǎn)動區(qū)時，機(jī)械部件完全脫離鎖死狀態(tài)，此時電機(jī)的轉(zhuǎn)動才會帶動閘刀進(jìn)行相對應(yīng)的動作。采用三個限位開關(guān)，可以很好地限制電機(jī)轉(zhuǎn)動的最大角度，不會損傷斷路器。

當(dāng)用戶突然欠費(fèi)，斷路器分閘并進(jìn)入鎖死區(qū)，電機(jī)最終會轉(zhuǎn)動到限位開關(guān)3處，禁止用戶手動操作。

當(dāng)用戶欠費(fèi)后繳費(fèi)，斷路器脫離鎖死區(qū)并合閘，電機(jī)最終會轉(zhuǎn)動到限位開關(guān)1處，此時用戶可以進(jìn)行手動操作。

圖9 程序流程圖Fig.9 Program flow chart

4 軟件實現(xiàn)

該斷路器軟件設(shè)計利用IAR Embedded Work?bench平臺，采用模塊化結(jié)構(gòu)。由主程序、電機(jī)驅(qū)動子程序、中斷子程序等構(gòu)成。程序流程圖如圖9所示。

該程序主要功能是采集信號轉(zhuǎn)換電路的輸出信號、等待用戶繳費(fèi)情況產(chǎn)生的上升沿或下降沿中斷、通過限位開關(guān)的狀態(tài)判斷斷路器的初始位置以及控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動與停止，實現(xiàn)預(yù)付費(fèi)電能表外置斷路器自動合閘、分閘功能。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于STM8芯片的預(yù)付費(fèi)電能表外置斷路器控制系統(tǒng)，采用STM8S103F芯片作為中央處理器，采集預(yù)付費(fèi)電能表輸出的控制信號，從而控制斷路器刀閘自動合、分閘操作。

當(dāng)用戶繳費(fèi)后，CPU控制電機(jī)模塊帶動外置斷路器脫離鎖死區(qū)并自動合閘，此時允許用戶手動操作;當(dāng)用戶突然欠費(fèi)時，CPU控制電機(jī)模塊帶動外置斷路器自動分閘并進(jìn)入鎖死區(qū)，此時不允許用戶進(jìn)行手動操作。

本文設(shè)計的預(yù)付費(fèi)電能表外置斷路器控制系統(tǒng)有效解決了現(xiàn)有預(yù)付費(fèi)電表使用內(nèi)置繼電器所帶來的缺陷，能夠正常且快速精確地實現(xiàn)自動合閘、分閘的操作。在此基礎(chǔ)上還加入斷路器鎖死區(qū)，具有一定的防竊電功能，滿足國家電網(wǎng)公司智能用電管理要求，經(jīng)濟(jì)實用，具有良好的發(fā)展前景。

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Design of External Circuit Breaker for Prepayment Meter Based on STM8

Han Hongling，Song Zhongkang，Shen Yiyan
（Wuhan University of Technology,Hubei Wuhan430070,China）

With the rapid development of intelligent community,the power collection system is widely used,and the built-in relay type prepaid energy meter is also applied to thousands of house?holds.However,due to the small contact distance of the built-in relay,the phenomenon of creepage and flashover is prone to occur during the switching process,resulting in the oxidation of the relay contacts and the poor contact.The external circuit breaker control system based on STM8S103F as the control core can receive power meter control signal,then the motor is operated by signal pro?cessing so as to rapidly and accurately perform the braking operation,which overcomes the existing prepayment meter built-in relay problems,can satisfy the control technical requirements of State Grid Corp prepayment meter for the external circuit breakers.

STM8;prepayment electricity meter;miniature circuit breaker;electric energy meter

TP23

B B

1006-3986(2017)04-0045-05

2017-03-23

韓鴻凌（1993），男，湖北武漢人，在讀碩士研究生。

10.19308/j.hep.2017.04.010