智能單相電度表設計

江蘇省如皋職業教育中心校 謝留婉

1.引言

隨著電子技術的發展，電度表已經由傳統的感應式機械表，逐步被電子式電度表替代。電子式電度表作為一種電能計量工具，在日常電度計量中等到了廣泛的應用。隨著微電子技術的飛速發展，使得采用單片型微控制器和大規模集成型電量計量芯片設計的電度表日益普及，也使電能的計量的技術水平和性能得到長足的發展[1]。用戶對電能計量的要求也越來越高，不僅要求電能計量表性能穩定、計量準確，還要求能顯示剩余電能值和已用電能值，使用戶直觀地了解電度表的工作狀態以及用電負荷等信息；電力部門也要求做到低功耗、高質量和高可靠性，同時還要求其具有計費、掉電保護等功能[2]；還要求有多功能計量，如：有功功率、無功功率、功率因數、電流、電壓等數據的測量。

2.系統總體設計

本系統采用STC90C58型單片機作為核心控制器，克服電磁感應式電能表的計量不準確的精度問題，同時實現不同時段電量計量和不同電費計費方式；采用ADE7753電量計量芯片，實現具有有功功率、無功功率、功率因數、電流、電壓等數據的測量；采用智能卡實現預付費計費方式，減少人工抄表的麻煩；系統自動判斷所帶負載的大小，當負載超過一定的量時，自動切斷電源供電，實現過載保護功能，防止公寓供電過載引起火災。

2.1 系統硬件設計

2.1.1 ADE7753電量計量芯片簡介[3]

ADE7753是由美國ADI公司生產，是具有SPI接口的單相多功能電能計量芯片之一，為電能表生產廠家設計低成本多功能電能表提供了可能。其主要特性如下：

（1)提供有功、無功、視在電能的測量；電流和電壓有效值測量。

（2)實時提供電流、電壓、有功波形數據。

（3)提供電壓信號過零點指示方波信號。

（4)電流和電壓通道放大器的增益均可由用戶編程設定。

（5)在1000:1的動態范圍內，有功測量誤差小于0.1%，測量精度高，滿足IEC61036/61268等IEC標準的要求。

（6)功率、相位和輸入失調均可實現數字校準。

（7)提供可編程的有功校正脈沖輸出接口。

（8)SPI兼容串行接口，便于單片機對其進行控制。

2.1.2 系統硬件組成

本系統設計采用STC90C58單片機為控制核心，ADE7753電量計量芯片向單片機提供所測量的電量數據，單片機進行分析處理，并控制LCD顯示模塊，將電量信息、電費信息等顯示出來，并定時將電量等信息存儲到非易失存儲器中，系統并采用IC智能加密卡實現用戶預付費計費方式，系統還具有負載過載短路等保護切斷電源供電功能，防止由于負載過載或短路造成火災危險，系統考慮到要能分時段計費，因此配備了DS1302時鐘電路。本系統具體硬件模塊主要由繼電器控制、電流電壓取樣模塊、電量計量模塊、單片機控制模塊、LCD顯示模塊、時鐘模塊、掉電檢測、IC智能卡讀寫模塊、非易失存儲器和電源模塊等組成。系統機構圖如下圖1所示。

圖1 系統結構圖

系統各部件模塊功能介紹：

繼電器控制模塊：用來切斷/接通電源供電。當預付電費用完或線路中檢測到負載過載短路時立即切斷電源。

電流電壓取樣模塊：將供電進戶線中的電壓、電流數據用電壓互感器、電流傳感器傳遞取樣出來。

電量計量模塊：采用ADE7753計量芯片，測量有功、無功、視在電能、電流和電壓有效值等數據。

非易失存儲器：采用AT24C02掉電非易失存儲器，存儲主要包括電量參數、用戶信息和異常事件記錄等信息。

LCD顯示模塊：采用RT1602液晶模塊，顯示已用電量、剩余電量、已用電費、剩余電費等信息。

時鐘模塊：采用DS1302時鐘計時芯片，實現準確走時。為單片機實現分時段計費提高可靠時間依據。

圖2 軟件流程圖

IC智能卡接口模塊：采用西門子IC卡，提供用戶信息、預存電費、剩余電費等信息。

掉電檢測模塊：掉電檢測主要由電壓比較器、電壓基準等組成。當系統掉電時，電壓比較器輸出低電平，控制單片機STC90C58產生外部中斷處理，將電量信息立即存儲到非易失存儲器中，保證數據不會由于掉電而破壞。

電源模塊：本系統內設計5V電源。為提高抗干擾能力，系統電源進線處則使用磁環來防止高頻干擾脈沖對電路的影響，系統電源的性能很重要，它直接影響到電表能否穩定運行。

單片機控制模塊：采用STC90C58高性能、穩定性強的單片機，保證系統的可靠運行。

2.2 系統軟件設計

系統軟件主要負責使各硬件部件協調工作實現完整的電度表功能，程序開始要進行系統初始化，如ADE7753計量芯片初始化設置、LCD液晶初始化、單片機中斷系統初始化等操作；接著要進行IC卡信息讀取操作，將用戶信息、預存電費、剩余電量等信息進行讀取；然后將相關信息在LCD液晶進行顯示；系統自動判斷剩余電量，若無剩余電量系統控制繼電器切斷電源供電，并作相應聲光報警提醒；若有剩余電量，則系統開始進行ADE7753芯片讀取，將電量檢測數據讀取出來、并讀取時鐘芯片DS1302的當前時間、分時段進行累計，并將電量信息進行隨時存儲；最后系統對讀取的電流數據進行分析，判斷是否出現過載短路保護等情況，系統自動進行保護措施。具體軟件流程圖如下圖2所示。

3.結束語

本設計介紹的智能單相電度表具有制作成本低、精度高、多功能、性能穩定的特點，可以適用于普通家庭用戶，小區用戶，學生公寓等，實行“一戶一表”的完整的集檢測、控制、存儲于一體的智能電度表。由于本系統采用IC卡預付費設計，因此解決了目前廣泛使用的電度表還需人工抄表的麻煩。且系統設計了自動負載過載判斷功能，從入戶的源頭上切斷了電源，可以避免一些由于負載過載或供電線路短路等造成的火災。

[1]唐治平.供配電技術[M]北京:電子工業出版社,2005.

[2]柳旭英,張繼東,佘娜,等.基于AT89C51的中小型變壓器綜合保護器的設計[J].工礦自動化,2008(1):37-391.

[3]ADE7753 DataSheet[Z].http://www.analog.com.