李春峰，于 洋

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

隨著社會的不斷發(fā)展進步、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，為了加強對城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村及邊遠山區(qū)的企業(yè)民用電能量的數(shù)據(jù)采集，有必要設(shè)計一款先進的抄表設(shè)備來完成對電表的遠程抄表。無線遠程自動抄表已成為電表抄表發(fā)展的必然趨勢。GPRS遠程抄表系統(tǒng)是在移動通信公司GPRS業(yè)務(wù)平臺上構(gòu)建的電力遠程抄表系統(tǒng)，并能利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)實現(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。本文將針對基于GPRS智能型電子式電能表硬件電路進行設(shè)計與實現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 GPRS遠程抄表系統(tǒng)概述

GPRS遠程抄表系統(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移動網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中提供的TCP/IP協(xié)議實現(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、能夠遠程控制與管理、實時報警斷電數(shù)據(jù)保護等功能。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)處理模塊及電能計量模塊等組成。

2 總體設(shè)計方案

2.1 電子式電能表總體設(shè)計方案

基于GPRS智能型電子式電能表硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)總體設(shè)計方案如圖2所示。該設(shè)計方案以AT89C51單片機為核心微處理器，設(shè)計了GPRS通信模塊、電能計量芯片、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。核心單片機采用傳統(tǒng)的性能指標高、功率消耗低的AT89C51單片機作為主控制器，通過AT89C55單片機內(nèi)設(shè)的串行接口與電子式電能表內(nèi)置的GPRS進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。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，電能計量芯片采用CS5463專用電能計量芯片，使電能在計量中保持準確。紅外通信單元采用RS485與外界進行通信，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)計中電能計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行采樣，保證對電流采樣的準確性。

圖2 總體設(shè)計方案

2.2 手持抄錄器設(shè)計方案

本文在GPRS智能型電子式電能表硬件電路總體設(shè)計方案基礎(chǔ)上，設(shè)計了用于在偏遠山區(qū)移動數(shù)據(jù)信號不強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)計方案核心單片機一致，并減少開發(fā)時間且不影響手持抄錄器的性能，手持抄錄器的核心單片機及其抄錄器的外圍電路與電能表總體設(shè)計方案所用到的核心單片機及其外圍電路一致。紅外接發(fā)送電路結(jié)構(gòu)及性能與總體設(shè)計方案所使用的電路一致。

圖3 手持抄錄器設(shè)計方案

3 硬件電路設(shè)計

3.1 AT89C51單片機

單片機作為本文設(shè)計的核心，主要用于從電能計量芯片中讀取數(shù)據(jù)并進行修正，能夠根據(jù)修正后的數(shù)據(jù)計算出電能表電壓、電流、功率等，然后進行存儲、顯示、輸出處理結(jié)果。同時，微處理器對電源電壓進行檢測，當電壓低于門檻時，對數(shù)據(jù)進行自動存儲。由于現(xiàn)代社會對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單片機為核心處理器，AT89C51單片機是一種帶4K字節(jié)的FLASH存儲器。是一種低電壓、運行速度快、性能高的8位微處理器，同時帶有4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路等，大大提高對數(shù)據(jù)處理的速度。

3.2 GPRS通信模塊

本設(shè)計采用的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個通道和P通道，對外有3個串口，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AT89C51與其結(jié)合，并通過UART向其發(fā)送AT指令。當電能表的電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)被檢測到以后，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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

3.3 電能計量芯片

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)字信號處理單元等?？蓪τ泄β?、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、電流瞬時值、電壓瞬時值、功率瞬時值、電壓/電流有效值等進行測量，同時具有有功/無功補償?shù)裙δ堋．旊妷?、電流采樣信號?jīng)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，送給電能計量芯片CS5463，通過其內(nèi)部的電能計算單元計算出電壓/電流有效值等測量值，并存入相應(yīng)寄存器，同時從E1和E2輸出引腳輸出相應(yīng)頻率的脈沖，驅(qū)動電能表進行計數(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)的交流電壓信號通過一系列的電阻將其進行分壓處理，將原強電壓信號按一定比例轉(zhuǎn)換成弱電壓信號，提供給電能計量芯片CS5463，使電能計量芯片得到電壓信號。多采用電阻串聯(lián)進行多級分壓方式進行，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，提供給計量芯片采樣使用；同時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點應(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定時器時基電路組成，輸出腳輸出的載波信號驅(qū)動紅外發(fā)光管發(fā)光，因一個紅外發(fā)光管發(fā)射紅外光脈沖功率較小，在設(shè)計中采用兩個并聯(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

本文通過對基于GPRS智能型電子式電能表硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)，介紹了AT89C51單片機、GPRS通信模塊GR47、電能計量芯片CS5463，同時設(shè)計了、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。