家用智能電能表的設(shè)計(jì)研究

吳鴻浩

渤海大學(xué)工學(xué)院

?

家用智能電能表的設(shè)計(jì)研究

吳鴻浩

渤海大學(xué)工學(xué)院

在我國(guó)的儀表行業(yè)中，電能表的使用范圍最廣，因?yàn)楦咝录夹g(shù)以及電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，出現(xiàn)了越來(lái)越多比較先進(jìn)的抄表產(chǎn)品，這些產(chǎn)品不僅可以報(bào)警而且可以進(jìn)行斷電顯示，從數(shù)據(jù)計(jì)量到數(shù)據(jù)圖處理的時(shí)候，通過(guò)集成電路軟件，逐漸的代替了原來(lái)的機(jī)械部件，而且由于配件的自動(dòng)化系統(tǒng)不斷的發(fā)展，最終取代了傳統(tǒng)的電子模式，這種電能表的擴(kuò)展功能對(duì)電表有重要的意義，有利于進(jìn)行電表的自動(dòng)化集成，這是電表發(fā)展的主要趨勢(shì)，本文通過(guò)對(duì)智能電表的分析以及各種數(shù)據(jù)顯示，可以最終實(shí)現(xiàn)電表智能化的目標(biāo)。

電能表 智能電表 智能化

1　電表硬件裝置

電表的硬件主要是接口卡以及電表費(fèi)率系統(tǒng)，在微機(jī)室內(nèi)可以插入接口卡，通過(guò)微機(jī)進(jìn)行連接的方式，電力公司可以獲得用戶(hù)的信息，用戶(hù)將手持單元的信息傳輸?shù)奖碣M(fèi)率系統(tǒng)，這樣可以根據(jù)用戶(hù)的信息更好地對(duì)用戶(hù)的用電情況進(jìn)行計(jì)算，對(duì)用戶(hù)購(gòu)電有重要的意義。

1.1手持單元

我們獲得了下圖的手持單元電路圖如圖1所示。

圖1　手持單元電路原理圖

它主要完成以下功能：

（1）經(jīng)過(guò)串口接收，可以得到最終的用戶(hù)購(gòu)電信息，可以對(duì)這些信息進(jìn)行存儲(chǔ)和加密。

（2）通過(guò)紅外線的方式可以對(duì)信息進(jìn)行構(gòu)建。

（3）如果信息發(fā)送完畢，系統(tǒng)會(huì)清理負(fù)面信息。

（4）如果信息發(fā)送完畢，系統(tǒng)會(huì)對(duì)負(fù)面信息進(jìn)行清除。

1.2通電表費(fèi)率系統(tǒng)

電表費(fèi)率系統(tǒng)的功能如下所示：

（1）可以獲得用戶(hù)的購(gòu)電信息；（2）可以對(duì)接收到的信息和電表系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，最終獲得比較新的信息，而且能夠得到剩余的電量，如果電量達(dá)到警戒值的時(shí)候就會(huì)點(diǎn)燃LED管，這是有利于用戶(hù)更好地構(gòu)電的，如果電量超過(guò)限度的話，就要切斷電源，這樣電表使用的方式就是單片機(jī)，這種單片機(jī)只會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)編碼，如果需要對(duì)電表數(shù)據(jù)抄錄的時(shí)候，可以通過(guò)廣播的方式對(duì)通信網(wǎng)進(jìn)行傳輸，而且獲得的單片機(jī)地址可以和編碼進(jìn)行比較，最終可以得到用電數(shù)據(jù)，這種方式可以最大限度地進(jìn)行抄表。

1.3抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)查詢(xún)的方式可以進(jìn)行抄表，單片機(jī)上會(huì)出現(xiàn)各種地址編碼，如果主機(jī)需要各種電表數(shù)據(jù)，可以發(fā)送各種廣播，單片機(jī)在獲得了地址編碼以后，可以將地址編碼寫(xiě)入到芯片中，最終可以獲得電表的數(shù)據(jù)，這種方法可以最好地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抄錄，打開(kāi)計(jì)算機(jī)后就可以獲得電表數(shù)據(jù)。

1.3.1EEPROM存儲(chǔ)器

EEPROM是在線的編程存儲(chǔ)器，在EEPROM掉電后仍然可以讓程序良好的運(yùn)作，而且進(jìn)行這種隨機(jī)讀寫(xiě)可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間，存儲(chǔ)的時(shí)間一般為10年，寫(xiě)入的壽命可以為10萬(wàn)次，這個(gè)芯片也叫做接口芯片和串行接口芯片。并行接口一般有比較大的容量，而且讀取起來(lái)比較快，操作也比較方便，比較高的功耗價(jià)格也比較昂貴，在存儲(chǔ)器中使用比較廣泛，常用的并行接口EEPROM芯片有2816（2K*8bit）、2817（2K*8bit）、2864（8K*8bit）等.串行接口有比較小的體積，而且功耗不高，放入的信號(hào)線也比較少，電路比較簡(jiǎn)單，工作的速度也不快，讀、寫(xiě)的方法很復(fù)雜，可以使用在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。

1.3.2LED顯示器

一般的顯示器上會(huì)有發(fā)光二極管，這種二極管上可能會(huì)產(chǎn)生可見(jiàn)光，這種器件的體積不大，重量可能比較輕，而且壽命比較長(zhǎng)，有很高的亮度，和一般的顯示器比較起來(lái)，即使光線比較暗淡也可以使用，主要問(wèn)題是需要使用非常大的工作電流，這種器件體積比較小，而且重量比較輕，壽命比較長(zhǎng)，響應(yīng)時(shí)間比較短，亮度也比較高，和一般的液晶顯示器比較而言，在光線暗的環(huán)境中可以使用，主要缺點(diǎn)是工作電流大。

1.3.3 顯示控制方式

顯示器通過(guò)不同的驅(qū)動(dòng)方式可以分為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)的方式，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)要使用的是單片機(jī)或者是硬件，可以在顯示器內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，這種數(shù)據(jù)傳輸一般為并行傳輸和串行傳輸?shù)姆绞?，顯示器的接口還會(huì)出現(xiàn)密碼，叫做譯碼和非譯碼，在靜態(tài)顯示的時(shí)候需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變更，這個(gè)時(shí)候的顯示器可能會(huì)通電，顯示器的占空比可能會(huì)達(dá)到百分之百，這個(gè)時(shí)候的顯示屏比較穩(wěn)定而且亮度比較高，主要問(wèn)題就是硬件電路比較多，可能會(huì)有一個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)器，我們可以通過(guò)各種方法對(duì)電路進(jìn)行絕緣，主要問(wèn)題就是掃描的時(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)很多的CPU，這會(huì)對(duì)亮度產(chǎn)生影響。

2　智能電表的軟件設(shè)計(jì)

軟件總體模塊如圖2所示，軟件系統(tǒng)實(shí)施初始化程序，啟動(dòng)程序以及通訊程序。

圖2　軟件總體設(shè)計(jì)框圖

（1）初始化程序有單片機(jī)以及緩沖區(qū)初始化。

（2）鍵盤(pán)中斷程序?qū)儆谙到y(tǒng)軟件的范圍，掃描鍵盤(pán)中可以做好相應(yīng)處理

（3）電表計(jì)量是最主要的程序，內(nèi)部也會(huì)出現(xiàn)脈沖計(jì)量程序。

（4）顯示程序的作用是顯示度數(shù)和時(shí)鐘的時(shí)間

（5）通訊程序可以對(duì)電流表的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄以及修改。

（6）時(shí)鐘程序可以累計(jì)脈沖，獲得時(shí)，分，秒的計(jì)費(fèi)功能，但是它的精度可能會(huì)影響計(jì)費(fèi)精度。

3　系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)及仿真

3.1主程序設(shè)計(jì)

在A/D模塊啟動(dòng)的程序中，可以根據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的時(shí)序圖對(duì)單片機(jī)引腳電平來(lái)啟動(dòng)ICL7135進(jìn)行設(shè)置，該部分判斷主要是通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊或者電流表?yè)跷?，通過(guò)比較可以獲得電流表的檔位，然后通過(guò)單位處理程序?qū)/D轉(zhuǎn)化模塊進(jìn)行處理，在數(shù)碼顯示器上可以顯示。

3.2自動(dòng)量程切換子程序

自動(dòng)切換程序設(shè)計(jì)主要是對(duì)轉(zhuǎn)換模塊A/D得到的數(shù)據(jù)以及單位的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和選擇，通過(guò)計(jì)算可以將16進(jìn)制轉(zhuǎn)換為17進(jìn)制，并存儲(chǔ)在4個(gè)單元中，然后通過(guò)調(diào)用可以將其顯示在數(shù)碼器上，通過(guò)單片機(jī)編程程序可以自動(dòng)切換和顯示，可以讓整個(gè)電路的設(shè)計(jì)元件數(shù)量減少，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)性能來(lái)說(shuō)具有重要的意義。

3.3A/D轉(zhuǎn)換與中斷子程序

通過(guò)71352單片機(jī)進(jìn)行連接可以將采集到的信號(hào)通過(guò)c語(yǔ)言程序轉(zhuǎn)換為c數(shù)據(jù)信號(hào)，程序設(shè)計(jì)主要是針對(duì)轉(zhuǎn)換模塊得到的數(shù)據(jù)和量子數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過(guò)計(jì)算將16進(jìn)制轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制，可以在5個(gè)單元中存儲(chǔ)，然后通過(guò)自己程序可以在數(shù)碼顯示器上顯示，通過(guò)單片機(jī)編制數(shù)量量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換和顯示功能，可以讓硬件電路的設(shè)計(jì)元器件減少，而且可以比較方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可以獲得比較穩(wěn)定的系統(tǒng)性能。

ICL7135在一分鐘可以進(jìn)行3次數(shù)據(jù)采集，需要在1/3秒會(huì)向CPU申請(qǐng)，這個(gè)時(shí)候CPU可能會(huì)工作暫停而且服務(wù)也會(huì)中斷，這個(gè)時(shí)候開(kāi)關(guān)也會(huì)中斷，所以要判斷是否出現(xiàn)中斷的情況，在中斷后可以將ACC、PSW出棧，開(kāi)中斷。

3.4顯示子程序

本設(shè)計(jì)使用的軟件編程可以驅(qū)動(dòng)共陰極LED數(shù)碼顯示管實(shí)現(xiàn)被測(cè)電流的數(shù)值顯示功能。數(shù)據(jù)顯示一般使用單片機(jī)LED顯示器，P2口可以作為L(zhǎng)ED數(shù)碼顯示器的驅(qū)動(dòng)單，P0口是LED數(shù)碼顯示器的驅(qū)動(dòng)單口，在顯示過(guò)程中通過(guò)軟件可以顯示LED數(shù)碼器，而且通過(guò)掃描的方式可以顯示出來(lái)，并且能夠調(diào)用延時(shí)子程序。

3.5顯示部分仿真結(jié)果

通過(guò)A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)果在LED上顯示接口，該部分具有極性的顯示，小數(shù)點(diǎn)可以設(shè)置，而且具備數(shù)字顯示的功能，但是自動(dòng)判斷并切換量程的功能還沒(méi)實(shí)現(xiàn)。

4　結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在的電力系統(tǒng)輸電以及配電實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化管理，網(wǎng)絡(luò)外的終端用戶(hù)可能會(huì)受到系統(tǒng)的影響，所以對(duì)智能電表有非常大的期待，遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表功能是智能電表發(fā)展的主要趨勢(shì)，由于社會(huì)和科技技術(shù)的發(fā)展，抄表系統(tǒng)逐漸的走向了大眾化，而且抄表系統(tǒng)的價(jià)格也在不斷的降低。

［1］楊振江，馮軍.流行集成電路程序設(shè)計(jì)與實(shí)例［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.2

［2］倪曉軍，章韻.單片機(jī)原理與接口技術(shù)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.9

［3］張五一，張道光.微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)［M］.鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，2006.8

［4］李剛健，劉鵬，程憲平.微功耗智能IC卡燃?xì)獗淼难兄七?微型機(jī)與應(yīng)用.2902