單相電子式預(yù)付費(fèi)電能表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

常 非 南富強(qiáng) 趙麗平 趙立興

1.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院 四川 成都 610031

2.燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院 河北 秦皇島 066004

0 引言

電子式預(yù)付費(fèi)電能表綜合了單片機(jī)技術(shù)、電子測(cè)量技術(shù)和智能卡技術(shù)，具有計(jì)量精度高、自身損耗低和可靠性高等特點(diǎn)。由于此類電能表的用電量數(shù)據(jù)己經(jīng)數(shù)字化，可以很方便地與各種數(shù)據(jù)收集傳送電路配合組成自動(dòng)計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。該類產(chǎn)品的大量使用將節(jié)省供電部門大量的抄表計(jì)算工作，并能及時(shí)回收電費(fèi)，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

本文從硬件和軟件兩個(gè)方面分別對(duì)該儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為全面的闡述。說明了系統(tǒng)主要元器件選擇，在闡述專用芯片CS5460A的有功電能測(cè)量原理基礎(chǔ)上給出了電量采集電路，以及單片機(jī)系統(tǒng)電路、繼電器接口電路、電源電路等，利用C語言進(jìn)行了單片機(jī)儀表系統(tǒng)的軟件編程，給出了主要子程序的設(shè)計(jì)流程圖。論文中還給出了所設(shè)計(jì)電能表的主要性能指標(biāo)。

1 電能計(jì)量的基本原理

電能計(jì)量是通過對(duì)有功功率的測(cè)量實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)用電器工作，負(fù)載上的瞬時(shí)電功率p等于負(fù)載兩端的瞬時(shí)電壓 u（t）與流過負(fù)載的瞬時(shí)電流 i（t）的乘積，即 p=u（t）*i（t）。 由于 u（t）和 i（t）都是隨時(shí)間變化的周期函數(shù)，所以p（t）也是隨時(shí)間周期變化的。令 u（t）=Ucosωt，i（t）=Icos（ωt＋φ），則在時(shí)刻t消耗的瞬時(shí)功率為：

式中，u為交流電壓瞬時(shí)值，i為交流電流瞬時(shí)值，U為交流電壓有效值，I為交流電流有效值，ω為交流電的角頻率，φ為電壓電流的相位差。

由式（2-1）可知，瞬時(shí)功率有恒定分量UIcosφ和正弦分量兩部分，正弦分量的頻率是電壓（或電流）頻率的兩倍。

一般將有功功率P定義為瞬時(shí)功率P（t）在一個(gè)周期T內(nèi)的平均值。利用公式（2-1）可以得到負(fù)載上的有功功率為：

由（2-2）式可知，對(duì)有功功率P的測(cè)量可以通過直接測(cè)量瞬時(shí)功率P的直流分量得到。有功電能則是有功功率和時(shí)間的乘積。在交流電路中，電壓U和電流I在某一段時(shí)間t內(nèi)的電能W表達(dá)式為：

電子式電能表是采用乘法器來實(shí)現(xiàn)電功率測(cè)量的。被測(cè)電壓和電流通過電壓變換器和電流變換器轉(zhuǎn)換后送至乘法器，乘法器由電壓和電流瞬時(shí)值相乘，輸出一個(gè)與平均功率成正比的直流電壓，然后利用電壓/頻率轉(zhuǎn)換器，電壓被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號(hào)，脈沖頻率正比于平均功率：將該頻率分頻，并通過一段時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，得到相應(yīng)的電能。

2 單相電子式預(yù)付費(fèi)電能表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單相電子式預(yù)付費(fèi)IC卡電能表主要以CS5460A和AT89C52雙芯片為核心。此表通過分流器、分壓電路分別對(duì)電流和電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，電流通道和電壓通道的信號(hào)經(jīng)放大器放大后，通過CS5460A內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為兩路數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)乘法器、低通濾波器、數(shù)字頻率變換器等電路的處理后，CS5460A得到電壓、電流及電能值，存放在相應(yīng)寄存器中。AT89C52微控制器通過串口方式與CS5460A相連，通過讀取寄存器中的數(shù)據(jù)得到相應(yīng)的電能值，當(dāng)用戶需要查看剩余電量、累計(jì)購買電量時(shí)，將其送至LED顯示。IC卡負(fù)責(zé)在電能表和管理部門之間傳遞信息。繼電器控制部分的主要作用是當(dāng)剩余電量小于預(yù)先設(shè)定值時(shí)，切斷供電主回路；當(dāng)剩余電量大于預(yù)先設(shè)定值時(shí)，維持供電主回路閉合狀態(tài)。

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分組成：電量采集電路、微控制器電路、電源電路、存儲(chǔ)器電路、IC卡接口電路、繼電器接口電路、顯示電路等。

3 電子式預(yù)付費(fèi)電能表的硬件設(shè)計(jì)

3.1 電量采集電路

3.1.1 電能計(jì)量芯片選擇

CS5460A是美國Cirrus Logic公司最新推出的帶有串行接口的單相雙向功率/電能計(jì)量集成電路芯片，現(xiàn)主要應(yīng)用在單相電子式電能表和三相電子式電能表中。不同于以前流行的CS5460芯片，該芯片特有的自動(dòng)引腳模式功能，能使芯片獨(dú)立工作，得電時(shí)自動(dòng)初始化，由外部的EEPROM引導(dǎo)開始工作，并從中讀取數(shù)據(jù)，如果用于高容量或用在家庭，為了降低成本，此模式下，該型芯片可以不用微控制器獨(dú)立工作。因此本設(shè)計(jì)采用該公司的CS5460A。

3.1.2 電量采集電路硬件設(shè)計(jì)

電量采集電路硬件設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 電量采集電路硬件設(shè)計(jì)圖

1）電流互感器的選擇

CS5460A電量通道的可編程增益放大器（PGA）的增益為10和50，分別對(duì)應(yīng)于最大有效值為150mV和30mV的交流信號(hào)輸入。

電流互感器的額定電壓UN應(yīng)與被測(cè)線路的電壓UL相適應(yīng)，即UN≥UL，所以UN為250V，負(fù)荷電流為5A，二次側(cè)電阻值為6Ω

綜上所述，選擇CTY-2型精密電流互感器，5A交流輸入，5mA輸出，精度、線性度優(yōu)于0.1%。

2）分壓器的選擇

用分壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分壓，如圖2所示。Ui=U·R2/（R1+R2）。 考慮散熱與穩(wěn)定性選擇，U=250V，Ui=150mV。

R1=100 Ω，R2=2 kΩ。 繞線型電阻器，因?yàn)槔@線電阻具有較低的溫度系數(shù)，阻值精度高，穩(wěn)定性好，耐熱耐腐蝕，可以用做精密大功率電阻使用。

圖2 分壓電路原理圖

3.2 微處理器的選擇

微控制器為電能表的心臟，實(shí)現(xiàn)寄存器信號(hào)、IC卡信號(hào)、串行EEPROM數(shù)據(jù)的采集和讀寫，完成顯示驅(qū)動(dòng)模塊的控制和磁保持繼電器的驅(qū)動(dòng)等功能。

PIC單片機(jī)具有抗干擾性能好、雙向I/0驅(qū)動(dòng)電流大、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。51單片機(jī)的突出特點(diǎn)是價(jià)格低，編程資源豐富。另外PIC單片機(jī)內(nèi)部集成復(fù)位電路、振蕩電路等，但是51單片機(jī)外部配以少量的外圍器件仍能和PIC單片機(jī)進(jìn)行媲美。MSP430單片機(jī)比PIC單片機(jī)具有更多的優(yōu)越性，但是價(jià)格要比PIC和51都要高。作者綜合考慮各方面的因素，選用美國Atmel公司的AT89C52單片機(jī)。該CPU典型特點(diǎn)如下：

片內(nèi)程序存儲(chǔ)器內(nèi)含8KB的Flash程序存儲(chǔ)器，可擦寫1000次；

片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)含256字節(jié)的RAM；

具有32根可編程I/0口線；

具有3個(gè)可編程定時(shí)器；

具有6個(gè)中斷源；

低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式。

3.3 EEPROM電路

AT24C02的存儲(chǔ)容量為2K位，可配置成256X8或128 X 16的形式，它采用IIC總線協(xié)議。AT24C02的最小數(shù)據(jù)擦寫次數(shù)為1百萬次，數(shù)據(jù)保持時(shí)間大于200年。

電能表中剩余電量、累計(jì)購買電量、累計(jì)用電量、表號(hào)、系統(tǒng)參數(shù)等信息存儲(chǔ)在AT24C02中。AT24C02僅有8個(gè)引腳，串行通信只用3根引腳。由于IC卡電能表中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)較少，且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度要求不高，故這種小容量的串行EEPROM能夠很好的滿足系統(tǒng)的要求。

AT24C02與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸符合上述所講的IIC總線規(guī)程，遵守雙向兩線制總線和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，接線如圖3所示。CPU產(chǎn)生控制總線收發(fā)的串行時(shí)鐘SCL，并且產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳送的起始和終止條件。

圖3 EEPROM電路設(shè)計(jì)圖

在IC卡插入卡座后，經(jīng)過密碼核對(duì)和表卡對(duì)應(yīng)性驗(yàn)證后，將卡上的充值電量和AT24C02內(nèi)的剩余電量相加，然后將卡上的充值電量清零，并且將AT24C02中的累計(jì)用電量返寫到IC卡上。這樣只有在終端和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的同時(shí)才進(jìn)行IC卡的讀寫操作，減少了對(duì)IC卡的擦寫次數(shù)，減小磨損，提高其使用壽命。

AT24C02的寫入次數(shù)為1百萬次，如果每檢測(cè)電能一次都對(duì)其讀寫一次，按每個(gè)用戶每月使用200度電計(jì)算，存儲(chǔ)器可以使用1.5個(gè)月，顯然不能滿足實(shí)際的需要。如果每計(jì)量1度電則向AT24C02寫一次，則可以使用5000個(gè)月。

3.4 IC卡接口電路

IC卡座引腳如圖4所示，其中引腳SW1、SW2為微動(dòng)開關(guān)在無IC卡狀態(tài)時(shí)，處與斷開狀態(tài)；有卡插入時(shí)，IC卡卡座上的微動(dòng)開關(guān)閉合。因此，此開關(guān)往往是用來判斷是否插IC卡的傳感器件。

圖4 IC卡接口電路設(shè)計(jì)圖

在本設(shè)計(jì)中，對(duì)IC卡的選擇主要考慮以下幾個(gè)方面：存儲(chǔ)容量、安全要求和價(jià)格因素等。

IC卡容量的選擇：本設(shè)計(jì)所需的IC卡是數(shù)據(jù)傳遞的媒介，并且數(shù)據(jù)要在IC卡保留一段時(shí)間，所以選用的IC卡必須帶有非易失性的EEPROM存儲(chǔ)器?？ㄖ写鎯?chǔ)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的加密形式以及廠家代碼、卡標(biāo)識(shí)等信息，所以結(jié)合卡的價(jià)格因素，選擇存儲(chǔ)容量為2K位的IC卡。

安全性要求的選擇：預(yù)付費(fèi)電能表系統(tǒng)的IC卡中的數(shù)據(jù)必須保密，并且在消費(fèi)時(shí)還要進(jìn)行IC卡的認(rèn)證，所以選擇帶CPU的IC卡或邏輯加密性存儲(chǔ)卡。但兩者相比較，CPU卡的價(jià)格要比邏輯加密卡貴許多，而邏輯加密卡也具有相對(duì)較高的保密性能。

綜合考慮以上因素，結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)上流行的IC卡的使用，考慮到預(yù)付費(fèi)電能表推廣所受到的價(jià)格方面的影響，本設(shè)計(jì)采用美國（Atmel）公司設(shè)計(jì)的邏輯加密型存儲(chǔ)卡AT24C01卡。

3.5 顯示電路

顯示電路由5位超高亮度LED數(shù)碼管組成，如圖5所示。圖5中，A、B、C是三根位選線控制數(shù)碼管，主要顯示剩余電量及有關(guān)操作。

圖5 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)圖

3.6 繼電器接口電路

繼電器在本設(shè)計(jì)中的作用是當(dāng)剩余電量小于斷電限度值時(shí)，繼電器斷開供電回路，停止供電。本設(shè)計(jì)采用上海貝斯特公司的BST-902型磁保持繼電器。BST-902型大功率雙穩(wěn)態(tài)磁保持繼電器的觸點(diǎn)的開、合狀態(tài)平時(shí)由永久磁鋼速產(chǎn)生的磁力所保持，當(dāng)繼電器的觸點(diǎn)需要開與合的狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)（即接通或切斷負(fù)載），只需用正（反）直流脈沖電壓激勵(lì)線圈，則繼電器在瞬間就完成了開與合的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。之后，線圈不需繼續(xù)通電，僅依靠永久磁鋼的磁力就能維持繼電器的狀態(tài)不變。繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖

3.7 電源電路

本設(shè)計(jì)采用對(duì)市電220 V電壓進(jìn)行變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓的方法獲得系統(tǒng)所需的電源。+5 V電源分又為兩路，一路為IC卡供電，另一路為電能計(jì)量電路和微控制器電路供電，如圖7所示。

電能計(jì)量單元采用單電源供電，VA+=+5 V，VD+=+3 V至+5 V。

圖7 電源電路設(shè)計(jì)圖

輸入電路的電阻R1（或R1、R2）要采用品質(zhì)較好的金屬膜電阻或水泥電阻，功率2～5W，阻值100～820Ω；降壓電容C2采用高質(zhì)量的高壓金屬化聚丙烯電容，一般0.22～0.47μF，耐壓不低于交流250V，電容的容量過大會(huì)引起視在功率超標(biāo)。D1和D2為IN4007型二極管。D3為穩(wěn)壓二極管，選用5.1 V穩(wěn)壓二極管。

4 電子式預(yù)付費(fèi)電能表的軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，首先要進(jìn)行初始化，初始包括單片機(jī)特殊功能寄存器的設(shè)置，定時(shí)器參數(shù)的設(shè)置和CS5460A芯片的初始化。

讀取EEPROM的數(shù)據(jù)，判斷剩余電量，如果大于零，保持供電；如果為零，切斷用戶電源，同時(shí)等待IC卡插入。

4.1.1 CS5460A的初始化

在啟動(dòng)CS5460A之前，必須先對(duì)它復(fù)位，只要對(duì)它的復(fù)位腳發(fā)復(fù)位脈沖，脈寬不少于10 ms即可。對(duì)CS5460A寫OXE8控制命令，即開始進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并輸出計(jì)算結(jié)果，這個(gè)命令一般在復(fù)位操作完成后輸入，使其進(jìn)入正常工作狀態(tài)。在校準(zhǔn)前，必須使CS5460A處于活動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)準(zhǔn)備接收有效命令，并清除狀態(tài)寄存器的DRDY位。有時(shí)串口與SCK會(huì)不同步，這時(shí)可向串口發(fā)初始化序列，包括至少3個(gè)時(shí)鐘周期的SYNC1命令字0XFF，以及緊跟著一個(gè)時(shí)鐘周期的SYNCO命令字0XFE，這樣才能使得CS5460A能夠正確的解釋輸入的命令字。

4.1.2 主程序流程圖

主程序流程圖，如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

4.2 電能檢測(cè)中斷子程序設(shè)計(jì)

電能檢測(cè)中斷子程序流程圖，如圖9所示。

圖9 電能檢測(cè)中斷子程序流程圖

AT89C52通過SPI串口方式與電能計(jì)量芯片通信。首先發(fā)送讀寄存器命令，然后準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。取其前16位即可滿足精度要求，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制，用于保存和顯示。

4.3 顯示中斷子程序

電能表運(yùn)行過程中，對(duì)用戶的用電量進(jìn)行不斷累加，通過五位LED數(shù)碼管顯示。精確到0.1度，當(dāng)累加大于1度時(shí)，保存數(shù)據(jù)到EEPROM。

使用T0選擇定時(shí)器工作模式，工作于方式1系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12 MHz。

初值的計(jì)算：

設(shè)：需要裝入的 T0 初值為 X，則（216-X）×1×10-6=4×10-3

4.4 插卡中斷子程序設(shè)計(jì)

當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)到用戶插入的卡是用戶卡，單片機(jī)進(jìn)入用戶卡子程序。單片機(jī)分別從EEPROM和IC卡中讀出電能表的表號(hào)，兩者加以比較來判斷是否為本電能表所對(duì)應(yīng)的卡。比較通過后，然后進(jìn)行密碼校驗(yàn)。如果密碼正確，將IC卡中存放的購電量的密文解密后和AT24C02中的剩余電量相加后存放到AT24C02中，并將IC卡中的購電量清零。

5 系統(tǒng)的性能指標(biāo)

本課題所設(shè)計(jì)的單相電子式預(yù)付費(fèi)電能表的性能指標(biāo)如下：

正常工作電壓：176 V～250 V

額定電壓：220 V

額定電流：5A

額定頻率：50 Hz

儀表量程：0.1～9000度

工作溫度范圍：-40℃～70℃

IC卡型號(hào)：SIEMENS的SLE4442卡。

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