基于單片機智能電表控制技術的探究

王銀磊

【摘? ? 要】抄表技術是一個集電能表數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、共享等功能于一體，以達到為客戶、電力企業(yè)的電費、計量等數(shù)據(jù)應用部門服務的自動化系統(tǒng)。本文以當前電能計量與抄表系統(tǒng)的發(fā)展背景為依據(jù)，提出了基于單片機的智能抄表系統(tǒng)的相關問題。

【關鍵詞】單片機? 智能電表? 控制技術

中圖分類號：G4? ? ? 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2018.13.020

一、引言

電能已經(jīng)成為當今世界各國經(jīng)濟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智能化程度成為衡量一個國家和地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平的一個重要標志。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部門連成一個系統(tǒng)，電力生產(chǎn)的這種特點決定了三方之間的經(jīng)濟利益。因此，只有精準和完善的電能計量系統(tǒng)才能夠?qū)崿F(xiàn)三方利益的平衡，而完善的電能計量系統(tǒng)依賴于現(xiàn)代電子和計算機技術的進步。隨著我國電力系統(tǒng)的改革，電能計量系統(tǒng)不僅要實現(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)模用電對計量系統(tǒng)提出的更高要求，電能計量系統(tǒng)必須同時擁有使用便捷、遠程抄表和智能計量等功能。

二、智能電能表概述

智能電能表是由測量單元、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元等組成，具有電能測量計量、信息存儲及處理、實時監(jiān)測、自動化控制、信息交互等功能的電能表。智能電能表是世界范圍內(nèi)主流國家及聯(lián)盟打造智能電網(wǎng)系統(tǒng)工程的一個重要環(huán)節(jié)，不僅具有電能表的最基本計量功能，還有先進的數(shù)據(jù)抄讀、設置功能，并具備具有實質(zhì)性意義的互動功能。智能電能表不再是單純的作為電力供應部門回收電費、提高管理效率、方便客戶用電的一個工具，進而發(fā)展成供電部門與用戶互動的工具。對于供電部門，智能電能表將會變得更加準確，現(xiàn)場電能機各種狀態(tài)數(shù)據(jù)抄讀將會更加快捷，電能表將會具有更好的可維護性能;對于客戶，可以從智能電能表獲得快捷的、多途徑的相關電能信息，從而更合理的規(guī)劃能源消耗。不僅可以通過支付的方式從電網(wǎng)測消耗能量，還可以把自己的能源儲備向電網(wǎng)輸送，從而成為能源提供方，實現(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計

1.單片機模塊。單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。其大部分功能集成在一塊小芯片上，具有一個完整計算機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，同時集成諸如通信接口、定時器、實時時鐘等外圍設備?，F(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡、復雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上，朝著高集成度、精簡指令、高速高效、新體系結構、低功耗等方向發(fā)展。目前廣泛應用在過程控制、智能儀表、智能接口等工程和技術領域。微處理器的最大特點是單片化、體積小、功耗低、性價比高，廣泛應用于電子產(chǎn)品中，隨著大規(guī)模集成電路技術和半導體技術的發(fā)展，微處理器不斷產(chǎn)生新的變化和進步，品種更加齊全、功能更加強大、性能更加穩(wěn)定。

AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。

2.外圍接口電路。一是時鐘電路，時鐘是單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都以時鐘頻率為基準，單片機內(nèi)部有一個用于構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。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。單片機一般選擇振蕩頻率為6MHz或者12MHz的石英晶體。外部時鐘方式是在外部使用振蕩脈沖信號，外部的時鐘源直接接到XTAL2端，直接輸入到片內(nèi)的時鐘發(fā)生器上。二是復位電路。AT89C52的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的，復位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器與復位電路相連，用斯密特觸發(fā)器來抑制噪聲。在每個機器周期，對斯密特觸發(fā)器的輸出電平復位電路采樣一次，得到內(nèi)部復位操作所需要的信號。復位功能的主要作用是把PC初始化為OOOOH，使單片機從OOOOH開始執(zhí)行程序，除系統(tǒng)的正常初始化功能外，當程序運行出錯或者操作錯誤時系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為擺脫死鎖狀態(tài)也需要按復位鍵重新啟動。

3.計量模塊。計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、電壓及相關設備工況等各種實時信息，向CPU提供基礎數(shù)據(jù)。因而要求計量模塊計量精度高，運算速度快，終端計量部分由專門的計量芯片組成。三相多功能電能計量芯片71M6513是一種高精度的模擬前端（Analog Front End）電能計量IC，能夠為四象限三相計量提供測量值。該芯片包含了一個21位的Sigma-Delta A/D轉換器和一個6路輸入的模擬多路器、一個經(jīng)過溫度補償?shù)母呔然鶞孰妷涸匆约耙粋€計算引擎，具有精度高、動態(tài)范圍寬等特點。該模塊由互感器、采樣電路、高精度計量芯片等高精密器件組成。計量芯片根據(jù)采樣得到的數(shù)字信號進行相關運算，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，對于特定的傳輸線路，最大電纜長度與信號傳輸?shù)牟ㄌ芈食煞幢龋畲箝L度數(shù)據(jù)主要是受信號失真及噪聲等影響。理論上，RS-485的最長傳輸距離能達到1200m，但在實際應用中傳輸?shù)木嚯x要比1200m短，具體能傳輸多遠視周圍環(huán)境而定。在傳輸過程中可以采用增加中繼的方法對信號進行放大，最多可以加八個中繼，也就是說，理論上RS-485的最大傳輸距離可以達到9.6km。長距離傳輸時，可以采用光纖為傳輸介質(zhì)，收發(fā)兩端各加一個光電轉換器，多模光纖的傳輸距離是5～10千米，而采用單模光纖可達50km。

四、結束語

隨著電力網(wǎng)絡的擴大和發(fā)展，對電力行業(yè)的自動化程度要求越來越高，智能電表等電子式計量裝置以及遠程集中抄表技術等應運而生，它為未來的智能電網(wǎng)發(fā)展和電力市場的形成奠定了有力的基礎。本課題在論述基本電量計量原理和計量技術后，主要進行了用于電能采集的智能式電能表的設計和用于通信的網(wǎng)絡設計;智能電能表功能設計包括電量計量、電壓監(jiān)測、遠程費率、諧波監(jiān)測、停電統(tǒng)計等軟件設計流程圖，智能式電能表的模塊化設計是本課題的設計重點。

參考文獻

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