基于專用芯片的三相多功能電能表的研制

摘要：介紹一種以專用芯片和單片機為核心的三相多功能電能表的設計方法。該電能表能復費率分時計量電能，功能擴展后，可以實現若干電參數的測量,實現若干電力參數的檢測。
關鍵詞：多功能電能表 專用芯片
一、引言 電能是社會生產、人民生活所必須的最重要的能源之一。改革開放之后，我國的電力工業得到了長足的發展。目前　　　　我國的發電設備裝機容量、年發電量均居世界第二位。但是，電能作為一種特殊的商品，存在著供應和消費在時間和地區上的不平衡。隨著國民經濟的迅速發展和人民生活水平的極大提高，這種矛盾日益加劇。電力的供求矛盾固然可以通過新建電廠，增加裝機容量來解決，但這種方法投資大，周期長，還會帶來一定的環境和生態問題。而利用科學的方法進行負荷管理，指導合理用電，是投入小、見效快的首選方法，也是提高電能利用率，開發電力潛能，解決電力供需矛盾的一項重要手段。實施分時電價政策就是這項管理中很重要的一項舉措。據有關專家論證：全國在不新增裝機容量的情況下，只要采取分時計費的方法加強用電管理，合理用電，就能開發出60％的電力潛能。
1985年國務院批轉的《鼓勵集資辦電和實行多種電價的暫行規定》中，要求全國推廣峰谷分時電價。但由于種種原因，分時電價沒有得到普遍推廣，實行范圍很小。直至1992年東北三省和四川省對100kv 以上用戶全面推行分時電價和1995年全國計劃用電工作會議后，峰谷分時電價才在全國得到切實、有效、全面地推行。
推行峰谷分時電價的前提是使用新型的復費率的電能表。借助智能芯片的資源，復費率的分時電能表可方便地構成多功能的電能表，實現電力多參數的測量。為適應我國現階段的需要，迫切開發高質量、高可靠性、功能齊全、價格低廉、適應現代電力市場需要的多功能電能表。
二、三相多功能電能表的硬件設計
　　電能測量單元采用美國ATMEL公司的產品，即以Σ－Δ A/D轉換器為基礎的電能測量專用集成芯片AT73C500和 AT73C501,其中AT73C500為A/D變換芯片，AT73C501為專用的DSP芯片。該產品的特點是：滿足IEC1036 1及精度要求、高精度集成（有集成的A/D轉換器，電壓比較，功率計算等模塊），精度高（各種測量的參數小于0 .3％），易于接口，可以縮短開發新產品的開發周期。目前此種原理電能測量芯片所生產的電子式電能表占有國內電子式電能表大部分市場份額。兩芯片配合使用可以測量三相正、反向電能和感性、容性無功電能，同時還能測量三相電的每一相的有功功率、無功功率、視在功率、電壓有效值、電流有效值、功率因數和檢測電網頻率。外擴存儲芯片，可存儲相關的數據，以備查詢。其中有功測量可達1級，無功測量可達2級。使用外接參考電源時的有功精度可以提高到0.5級，無功提高到1級精度。
數據處理單元的單片機主要側重于多項功能的開發，選擇時主要從以下幾個方面考慮：功能、抗干擾、功耗、速度等。本表采用NEC單片機uPD753116作為數據處理單元。該單片機具有以下特點：具有集成的LCD控制器驅動模塊，高速工作與低速功耗兼顧的指令周期切換功能，5個定時器通道，可以完成實時時鐘和載波發生的功能，以及內置同步串行通訊口等功能。用uPD753116開發電能表在實現各種功能的時候可簡化電路結構。
系統硬件結構框圖如圖1所示。

　　其中，測量單元以AT73C500和 AT73C501為核心，完成功率、電能等參數的采集和測量，測量結果通過總線輸出。數據處理單元以NEC單片機uPD753116為核心，用來實現三相多功能電能表的各種功能，包括數據查詢，顯示，通訊、校準電表等。uPD753116從串行總線讀入瞬時量，從測量單元的脈沖讀入電能值，之后對讀入的數據進行處理。三相多功能電能表采用液晶顯示，使用紅外接口來實現本地抄表或遠程抄表。串行EEPROM用于存儲程序和數據。鍵盤用于查詢和設置功能。
本三相多功能電能表設計過程中注重了精度、可靠性、功耗等指標，并充分考慮了產品化要求。具有以下特點：
1、 時鐘功能
　　三相多功能電能表具有時鐘功能是實現復費率的前提條件。將每天分成若干個時段，在收費等級上分成尖、峰、平、谷四種費率。計費時段的具體劃分依照地區不同而有所差異，也因白天、夜間、節假日等有所調整。目前多功能電能表一般都采用專用的時鐘芯片來實現時鐘功能。本多功能電能表的uPD75116內置一路鐘表定時器，通過軟件可實現日歷時鐘的功能。時鐘由抄表微機通過紅外接口進行校準。
2、 液晶顯示
　　復費率電能表的顯示一般采用LCD液晶顯示器，uPD75116具有集成的LCD控制器驅動模塊，從而節省了外掛的液晶驅動芯片。本電能表采用多路尋址動態掃描驅動電路來驅動LCD,減少了外部引線，節省了空間和成本，提高了可靠性。用于顯示多功能表當前的狀態、內部參數及當前的統計數據等。
3、 紅外接口
　　本地自動抄表主要采用抄表微機來完成抄表、編程工作，大大提高了抄表的準確性。本地抄表首選的方法為紅外抄表。由于uPD75316不具有通用的串行接口，為了實現與抄表器和自動抄表系統之間的數據傳輸，在通訊接口部分設計了軟件實現的紅外通訊接口。通過手持電腦完成抄表和編程，防止誤抄、漏抄，提高了抄表數據的準確性。
4、 抗干擾設計
　　電能表受外部環境干擾影響較大，如何提高整機的抗干擾性是產品能否在現場應用，能否推向市場的關鍵。本表采取如下措施：
　　1）在電源變壓器前裝高電感共軛濾波器，配以吸收電容，有效抑制傳導干擾。
　　2）采取有效的屏蔽、隔離措施和適當的信號輸入方法，以減少內外干擾的影響。
　　3）計算機及外圍電路與測量電路備自獨立供電，并采用光電轉換隔離措施，使測量電路地與儀表地互不關聯，可以顯著提高儀表的抗現場干擾的能力。
　　4）設計電路板時注意線的走向以及整機的緊湊，在電路和工藝設計上還可采用各種
　　成熟的實用抗干擾措施，例如合理布局、正確選擇接地點、弱信號傳輸線屏蔽層單端接地、 單元電路的封閉式屏蔽環等，以降低干擾水平。
5、 可靠性設計
　　電能表是長期在線連續運行的計量儀表，故對其可靠性和長期穩定性有較高的要求，在設計時應予重點考慮。
本表采用集成芯片作為電路的核心部分大大，減少了外擴電路的接線和使用的元器件的數目，使整機趨于微型化，也提高了整機的可靠性。
　　為提高時鐘的可靠性，將時間信息進行數據備份，不定期將二者進行校對，如使用數據和備份數據不相同，就要通過抄表微機重新校正之后才能工作。
　　使用數據存儲容量大的EEPROM來備份RAM數據。 避免由于干擾造成的數據出錯。EEPROM的數據可以保持10年以上，數據保持不需后備電源。軟件寫入EEPROM采取必要的校驗方式，保證數據的安全性。
uPD753116具有極強的抗電磁干擾的能力，使數據的安全性得到進一步提高。
6、功能多樣化 除了分時計價的基本功能外，有增加了最大需量、，脈沖輸出、紅外線抄表、漢字顯示等功能，同時還可以計量有功電能、無功電能、還可以記錄失壓、檢測負荷等。預留資源，可方便擴大功能。
三、軟件設計 軟件部分主要設計了主控程序，數據通訊程序，時鐘校正程序，按鍵識別程序，校準程序等，限于篇幅，在此不作贅述。
四、結束語：本文對一種三相多功能電能表的設計過程進行了論述，系統中采用了功能強大的電能專用測量芯片和單片機、數據通信等技術，計量電能的同時，還具有長時間存儲電能數據和遠方傳輸數據等功能。考慮產品化的要求，進行了可靠性，抗干擾、低功耗等方面的設計。其意義在于適應電力市場的計量要求，推動電力系統用電商業化的發展。
參考文獻：
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