李春峰，于 洋

(1.長春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，長春130022；2.長春信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院 汽車工程系， 長春 130103)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步、人們生活水平的不斷提高，電力需求越來越大，傳統(tǒng)的人工抄表、RS485總線、紅外等電能表抄表方式已不能滿足電力行業(yè)管理的要求。同時(shí)，為了加強(qiáng)對(duì)城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村及邊遠(yuǎn)山區(qū)的企業(yè)民用電能量的數(shù)據(jù)采集，有必要設(shè)計(jì)一款先進(jìn)的抄表設(shè)備來完成對(duì)電表的遠(yuǎn)程抄表。無線遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表已成為電表抄表發(fā)展的必然趨勢(shì)。GPRS遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)是在移動(dòng)通信公司GPRS業(yè)務(wù)平臺(tái)上構(gòu)建的電力遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，并能利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電能表數(shù)據(jù)的無線數(shù)據(jù)傳輸。具有縮短建設(shè)周期、降低建設(shè)成本的優(yōu)點(diǎn)。本文將針對(duì)基于GPRS智能型電子式電能表硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 GPRS遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)概述

GPRS遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。將GPRS模塊內(nèi)置于電子式電能表中，并利用GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中提供的TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)的無線數(shù)據(jù)傳輸，具有采集數(shù)據(jù)及時(shí)、能夠遠(yuǎn)程控制與管理、實(shí)時(shí)報(bào)警斷電數(shù)據(jù)保護(hù)等功能。該系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的抄表系統(tǒng)，由主站、基表、無線通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及電能計(jì)量模塊等組成。

2 總體設(shè)計(jì)方案

2.1 電子式電能表總體設(shè)計(jì)方案

基于GPRS智能型電子式電能表硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。該設(shè)計(jì)方案以AT89C51單片機(jī)為核心微處理器，設(shè)計(jì)了GPRS通信模塊、電能計(jì)量芯片、紅外通信單元、電源電路部分、顯示單元及電壓、電流采樣電路等。核心單片機(jī)采用傳統(tǒng)的性能指標(biāo)高、功率消耗低的AT89C51單片機(jī)作為主控制器，通過AT89C55單片機(jī)內(nèi)設(shè)的串行接口與電子式電能表內(nèi)置的GPRS進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。通信模塊采用目前比較常用的Sony公司生產(chǎn)的且能夠?qū)崿F(xiàn)GPRS功能的通信模塊GR47，電能計(jì)量芯片采用CS5463專用電能計(jì)量芯片，使電能在計(jì)量中保持準(zhǔn)確。紅外通信單元采用RS485與外界進(jìn)行通信，電源電路部分電流互感器、電壓互感器設(shè)置是為把工業(yè)或照明用電380V或220V電壓變換成本設(shè)計(jì)中電能計(jì)量芯片能夠承受的輸入電壓范圍之內(nèi)，電流采樣電路采用差分輸入方式進(jìn)行采樣，保證對(duì)電流采樣的準(zhǔn)確性。

圖2 總體設(shè)計(jì)方案

2.2 手持抄錄器設(shè)計(jì)方案

本文在GPRS智能型電子式電能表硬件電路總體設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了用于在偏遠(yuǎn)山區(qū)移動(dòng)數(shù)據(jù)信號(hào)不強(qiáng)或沒有的情況下采用手持抄錄器，其硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。為了與總設(shè)計(jì)方案核心單片機(jī)一致，并減少開發(fā)時(shí)間且不影響手持抄錄器的性能，手持抄錄器的核心單片機(jī)及其抄錄器的外圍電路與電能表總體設(shè)計(jì)方案所用到的核心單片機(jī)及其外圍電路一致。紅外接發(fā)送電路結(jié)構(gòu)及性能與總體設(shè)計(jì)方案所使用的電路一致。

圖3 手持抄錄器設(shè)計(jì)方案

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 AT89C51單片機(jī)

單片機(jī)作為本文設(shè)計(jì)的核心，主要用于從電能計(jì)量芯片中讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行修正，能夠根據(jù)修正后的數(shù)據(jù)計(jì)算出電能表電壓、電流、功率等，然后進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示、輸出處理結(jié)果。同時(shí)，微處理器對(duì)電源電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電壓低于門檻時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)。由于現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電能表功能要求增多，功能的增多意味著數(shù)據(jù)處理的增多，故本文采用以AT89C51單片機(jī)為核心處理器，AT89C51單片機(jī)是一種帶4K字節(jié)的FLASH存儲(chǔ)器。是一種低電壓、運(yùn)行速度快、性能高的8位微處理器，同時(shí)帶有4k 字節(jié)Flash 閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個(gè)I/O 口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路等，大大提高對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度。

3.2 GPRS通信模塊

本設(shè)計(jì)采用的GPRS通信模塊主要是Sony公司生產(chǎn)的且能夠?qū)崿F(xiàn)GPRS功能的通信模塊GR47。GR47帶有GSM/GPRS全套語音和數(shù)據(jù)功能，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，GPRS 有4+1個(gè)通道和P通道，對(duì)外有3個(gè)串口，串口1主要用于指令通道，串口2主要用于調(diào)試程序，串口3主要用于通信232接口。GR47的典型應(yīng)用是將單片機(jī)AT89C51與其結(jié)合，并通過UART向其發(fā)送AT指令。當(dāng)電能表的電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)被檢測(cè)到以后，經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送給GPRS 模塊，GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)中，并最終傳送到主站控制中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

3.3 電能計(jì)量芯片

CS5463是美國公司Cirrus Logic生產(chǎn)的高精度、多功能的電能計(jì)量芯片，其采用24腳封裝，內(nèi)部集成了高通數(shù)字濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理單元等?？蓪?duì)有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、電流瞬時(shí)值、電壓瞬時(shí)值、功率瞬時(shí)值、電壓/電流有效值等進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)具有有功/無功補(bǔ)償?shù)裙δ堋．?dāng)電壓、電流采樣信號(hào)經(jīng)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，送給電能計(jì)量芯片CS5463，通過其內(nèi)部的電能計(jì)算單元計(jì)算出電壓/電流有效值等測(cè)量值，并存入相應(yīng)寄存器，同時(shí)從E1和E2輸出引腳輸出相應(yīng)頻率的脈沖，驅(qū)動(dòng)電能表進(jìn)行計(jì)數(shù)。

3.4 電壓/電流采樣電路

電壓采樣電路如圖4所示。主要把來自電網(wǎng)的交流電壓信號(hào)通過一系列的電阻將其進(jìn)行分壓處理，將原強(qiáng)電壓信號(hào)按一定比例轉(zhuǎn)換成弱電壓信號(hào)，提供給電能計(jì)量芯片CS5463，使電能計(jì)量芯片得到電壓信號(hào)。多采用電阻串聯(lián)進(jìn)行多級(jí)分壓方式進(jìn)行，使其提高分壓網(wǎng)絡(luò)性能。

圖4 電壓采樣電路

電流采樣電路如圖5所示。將交流電網(wǎng)中的電流經(jīng)變換轉(zhuǎn)換為與電流成正比的小電流信號(hào)，提供給計(jì)量芯片采樣使用；同時(shí)為保證采集到的電壓和電流的相位一致，應(yīng)使電壓和電流通道的參考電勢(shì)點(diǎn)應(yīng)保持一致。

圖5 電流采樣電路

3.5 紅外發(fā)送/紅外接收單元

紅外發(fā)送電路、紅外接收電路如圖6所示。電能表和手持抄錄器的紅外發(fā)射電路由NE555定時(shí)器時(shí)基電路組成，輸出腳輸出的載波信號(hào)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光管發(fā)光，因一個(gè)紅外發(fā)光管發(fā)射紅外光脈沖功率較小，在設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)并聯(lián)的紅外發(fā)光管，增加紅外發(fā)射頻率。

圖6 紅外發(fā)送電路、紅外接收電路圖

4 結(jié)語

本文通過對(duì)基于GPRS智能型電子式電能表硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，介紹了AT89C51單片機(jī)、GPRS通信模塊GR47、電能計(jì)量芯片CS5463，同時(shí)設(shè)計(jì)了、電壓/電流采樣電路及紅外發(fā)送/紅外接收單元主要硬件電路，為以后從事相關(guān)研究的人員提供理論幫助。