王銀磊

【摘? ? 要】抄表技術(shù)是一個(gè)集電能表數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、共享等功能于一體，以達(dá)到為客戶、電力企業(yè)的電費(fèi)、計(jì)量等數(shù)據(jù)應(yīng)用部門服務(wù)的自動(dòng)化系統(tǒng)。本文以當(dāng)前電能計(jì)量與抄表系統(tǒng)的發(fā)展背景為依據(jù)，提出了基于單片機(jī)的智能抄表系統(tǒng)的相關(guān)問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)? 智能電表? 控制技術(shù)

中圖分類號(hào)：G4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2018.13.020

一、引言

電能已經(jīng)成為當(dāng)今世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)和人民生活不可缺少的能源，現(xiàn)代化用電管理水平和自動(dòng)智能化程度成為衡量一個(gè)國(guó)家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的一個(gè)重要標(biāo)志。電能表的出現(xiàn)把電廠發(fā)電、供電部門供電和用戶用電三個(gè)部門連成一個(gè)系統(tǒng)，電力生產(chǎn)的這種特點(diǎn)決定了三方之間的經(jīng)濟(jì)利益。因此，只有精準(zhǔn)和完善的電能計(jì)量系統(tǒng)才能夠?qū)崿F(xiàn)三方利益的平衡，而完善的電能計(jì)量系統(tǒng)依賴于現(xiàn)代電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的改革，電能計(jì)量系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)它的基本功能，而且要滿足現(xiàn)代用電企業(yè)和用戶大規(guī)模用電對(duì)計(jì)量系統(tǒng)提出的更高要求，電能計(jì)量系統(tǒng)必須同時(shí)擁有使用便捷、遠(yuǎn)程抄表和智能計(jì)量等功能。

二、智能電能表概述

智能電能表是由測(cè)量單元、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元等組成，具有電能測(cè)量計(jì)量、信息存儲(chǔ)及處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化控制、信息交互等功能的電能表。智能電能表是世界范圍內(nèi)主流國(guó)家及聯(lián)盟打造智能電網(wǎng)系統(tǒng)工程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，不僅具有電能表的最基本計(jì)量功能，還有先進(jìn)的數(shù)據(jù)抄讀、設(shè)置功能，并具備具有實(shí)質(zhì)性意義的互動(dòng)功能。智能電能表不再是單純的作為電力供應(yīng)部門回收電費(fèi)、提高管理效率、方便客戶用電的一個(gè)工具，進(jìn)而發(fā)展成供電部門與用戶互動(dòng)的工具。對(duì)于供電部門，智能電能表將會(huì)變得更加準(zhǔn)確，現(xiàn)場(chǎng)電能機(jī)各種狀態(tài)數(shù)據(jù)抄讀將會(huì)更加快捷，電能表將會(huì)具有更好的可維護(hù)性能;對(duì)于客戶，可以從智能電能表獲得快捷的、多途徑的相關(guān)電能信息，從而更合理的規(guī)劃能源消耗。不僅可以通過(guò)支付的方式從電網(wǎng)測(cè)消耗能量，還可以把自己的能源儲(chǔ)備向電網(wǎng)輸送，從而成為能源提供方，實(shí)現(xiàn)真正意義上的全民參與節(jié)能減排的目的。

三、智能電能表的硬件設(shè)計(jì)

1.單片機(jī)模塊。單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其大部分功能集成在一塊小芯片上，具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件（CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)），目前大部分還具有外存，同時(shí)集成諸如通信接口、定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上，朝著高集成度、精簡(jiǎn)指令、高速高效、新體系結(jié)構(gòu)、低功耗等方向發(fā)展。目前廣泛應(yīng)用在過(guò)程控制、智能儀表、智能接口等工程和技術(shù)領(lǐng)域。微處理器的最大特點(diǎn)是單片化、體積小、功耗低、性價(jià)比高，廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，微處理器不斷產(chǎn)生新的變化和進(jìn)步，品種更加齊全、功能更加強(qiáng)大、性能更加穩(wěn)定。

AT89C52是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，AT89C52單片機(jī)提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合。

2.外圍接口電路。一是時(shí)鐘電路，時(shí)鐘是單片機(jī)的心臟，單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入端為芯片引腳XTAL 1輸出端引腳為XTAL2。這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。單片機(jī)一般選擇振蕩頻率為6MHz或者12MHz的石英晶體。外部時(shí)鐘方式是在外部使用振蕩脈沖信號(hào)，外部的時(shí)鐘源直接接到XTAL2端，直接輸入到片內(nèi)的時(shí)鐘發(fā)生器上。二是復(fù)位電路。AT89C52的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，復(fù)位引腳RST通過(guò)一個(gè)斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，用斯密特觸發(fā)器來(lái)抑制噪聲。在每個(gè)機(jī)器周期，對(duì)斯密特觸發(fā)器的輸出電平復(fù)位電路采樣一次，得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。復(fù)位功能的主要作用是把PC初始化為OOOOH，使單片機(jī)從OOOOH開(kāi)始執(zhí)行程序，除系統(tǒng)的正常初始化功能外，當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)或者操作錯(cuò)誤時(shí)系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為擺脫死鎖狀態(tài)也需要按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。

3.計(jì)量模塊。計(jì)量模塊是智能電表的重要組成部分，是終端傳感器，用于獲取電流、電壓及相關(guān)設(shè)備工況等各種實(shí)時(shí)信息，向CPU提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因而要求計(jì)量模塊計(jì)量精度高，運(yùn)算速度快，終端計(jì)量部分由專門的計(jì)量芯片組成。三相多功能電能計(jì)量芯片71M6513是一種高精度的模擬前端（Analog Front End）電能計(jì)量IC，能夠?yàn)樗南笙奕嘤?jì)量提供測(cè)量值。該芯片包含了一個(gè)21位的Sigma-Delta A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)6路輸入的模擬多路器、一個(gè)經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)母呔然鶞?zhǔn)電壓源以及一個(gè)計(jì)算引擎，具有精度高、動(dòng)態(tài)范圍寬等特點(diǎn)。該模塊由互感器、采樣電路、高精度計(jì)量芯片等高精密器件組成。計(jì)量芯片根據(jù)采樣得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，從而精確的獲得各種電能數(shù)據(jù)，如電流值、電壓值、功率、電能量等。

4.通信模塊。RS-485電纜采用普通雙絞線，在要求比較高的環(huán)境，可以采用帶屏蔽層的同軸電纜。在使用RS-485接口時(shí)，對(duì)于特定的傳輸線路，最大電纜長(zhǎng)度與信號(hào)傳輸?shù)牟ㄌ芈食煞幢?，最大長(zhǎng)度數(shù)據(jù)主要是受信號(hào)失真及噪聲等影響。理論上，RS-485的最長(zhǎng)傳輸距離能達(dá)到1200m，但在實(shí)際應(yīng)用中傳輸?shù)木嚯x要比1200m短，具體能傳輸多遠(yuǎn)視周圍環(huán)境而定。在傳輸過(guò)程中可以采用增加中繼的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，最多可以加八個(gè)中繼，也就是說(shuō)，理論上RS-485的最大傳輸距離可以達(dá)到9.6km。長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，可以采用光纖為傳輸介質(zhì)，收發(fā)兩端各加一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器，多模光纖的傳輸距離是5～10千米，而采用單模光纖可達(dá)50km。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著電力網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)大和發(fā)展，對(duì)電力行業(yè)的自動(dòng)化程度要求越來(lái)越高，智能電表等電子式計(jì)量裝置以及遠(yuǎn)程集中抄表技術(shù)等應(yīng)運(yùn)而生，它為未來(lái)的智能電網(wǎng)發(fā)展和電力市場(chǎng)的形成奠定了有力的基礎(chǔ)。本課題在論述基本電量計(jì)量原理和計(jì)量技術(shù)后，主要進(jìn)行了用于電能采集的智能式電能表的設(shè)計(jì)和用于通信的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì);智能電能表功能設(shè)計(jì)包括電量計(jì)量、電壓監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程費(fèi)率、諧波監(jiān)測(cè)、停電統(tǒng)計(jì)等軟件設(shè)計(jì)流程圖，智能式電能表的模塊化設(shè)計(jì)是本課題的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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