電能的智能計量采集設(shè)計實現(xiàn)

肖建明 嚴(yán)素清

摘 要 傳統(tǒng)的電能收集方式采用手工抄表，該方式工作量大，對人力物力造成極大浪費。本文采用STC12LE5A60S2設(shè)計實現(xiàn)了一種電能智能計量與采集，使用分流器及AED7755實現(xiàn)電能電量檢測，通過無線通信實現(xiàn)電能上傳。本設(shè)計具有低功耗、低成本、安全、高效率、較高的性價比和應(yīng)用前景，推動了電能自動計量及采集。

關(guān)鍵詞 核心處理器;電量計量;無線通信;顯示

引言

長期以來，我國所使用的交流電能表主要為感應(yīng)式的機械電表，電費采用人工抄讀電表方式，不但工作量大，周期長，而且容易出現(xiàn)錯誤，存在著勞動強度大、效率低、抄表不到位、錯抄、漏抄、估抄、錯算等嚴(yán)重問題[1-3]。于是智能電表應(yīng)運而生，而且具有高精確度、高可靠性和容易調(diào)校等優(yōu)點。電子式電表的廣泛應(yīng)用，為電能計量的網(wǎng)絡(luò)化管理以及智能抄表奠定了基礎(chǔ)[4-6]。

1電能計量采集方案

設(shè)計利用核心處理器與電能測量芯片實現(xiàn)電能的實時測量，同時能將測量結(jié)果通過無線傳輸?shù)绞殖质浇K端。具有顯示、存儲和日期顯示等功能，設(shè)計方案如圖1所示。

本方案采用STC12LE5A60S2為核心處理器，控制系統(tǒng)工作。利用ADE7755計算電能，通過存儲芯片對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，實現(xiàn)掉電后數(shù)據(jù)不丟失，最后把電量通過無線發(fā)送至手持式終端進(jìn)行顯示及存儲，實現(xiàn)對電能計量與采集。

2設(shè)計實現(xiàn)

2.1 主控電路

采用STC12LE5A60S為核心處理器，對各個模塊及電路進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)和控制。STC12LE5A60S2單片機是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051，指令代碼與傳統(tǒng)8051完全兼容[7]。主控電路包括復(fù)位電路、晶振電路以及電源電路等。主控電路控制和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)。晶振電路為單片機提供時鐘，保證單片機的正常工作，是最小系統(tǒng)中不可缺少的部分。

2.2 電能檢測

采用ADE7755計量電能，精度高，在500∶1的動態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.1%，且芯片外圍電路簡單，便于系統(tǒng)的開發(fā)[8-9]。

2.3 無線傳輸

無線傳輸采用NRF24L01進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，功耗低，外圍電路簡單，只需要少量的外圍元件就可以實現(xiàn)無線通信;兼容多種電壓I/O口，操作簡單方便，只需要配置幾個寄存器就可實現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)，控制器采用SPI通信方式;NRF24L01采用數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)，速率高且穩(wěn)定。

2.4 時鐘模塊電路

時鐘電路采用的是DS1302。通信方式采用串行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，備用電源在掉電提供可編程的充電功能，并且可以根據(jù)自己設(shè)置開關(guān)閉充電功能。采用普通32.768kHz晶振。

2.5 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括電能電量采集處理和手持式終端兩部分。

系統(tǒng)進(jìn)入工作時先讀取存儲器里的電量數(shù)據(jù)，當(dāng)用戶用電時，電量發(fā)生變化，立即將最新的數(shù)據(jù)存入存儲器中，實現(xiàn)電量數(shù)據(jù)的存儲，且掉電后數(shù)據(jù)不會丟失。如收到手持式終端發(fā)送數(shù)據(jù)請求，則把電量信息發(fā)送給終端，否則繼續(xù)檢測電量變化。

當(dāng)手持式終端讀取存儲器數(shù)據(jù)，進(jìn)入菜單界面。用戶操作菜單可實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取并顯示。若需獲取當(dāng)前電量，按下操作菜單，將發(fā)送請求給電能表，電能表把電量信息發(fā)送回來，再存入存儲器中。

2.6 無線通信程序設(shè)計

無線通信包括數(shù)據(jù)接收與發(fā)送兩個過程。發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)都是通過配置內(nèi)部寄存器，使無線NRF24L01工作在不同的模式。首先進(jìn)行NRF24L01初始化，當(dāng)需要接收數(shù)據(jù)時，設(shè)置本機地址和接收數(shù)據(jù)，設(shè)置完成后接收數(shù)據(jù)。程序如下：

void NRFSetRXMode （ ）

{

CE=0;

NRFWriteTxDate （W_REGISTER+RX_ADDR_P0， TxAddr， TX_ADDR_WITDH）;

NRFWriteReg（W_REGISTER+EN_AA，0x01）;

NRFWriteReg（W_REGISTER+EN_RXADDR，0x01）;

NRFWriteReg（W_REGISTER+RF_CH，0x40）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+RX_PW_P0， TX_DATA_WITDH）;

NRFWriteReg（W_REGISTER+RF_SETUP，0x07）;

NRFWriteReg（W_REGISTER+CONFIG，0x0f）;

CE = 1;

Delay （ 10 ） ;? ?//保持 10 u s秒以上

}

發(fā)送數(shù)據(jù)時首先寫入接收機地址，把所需要發(fā)送數(shù)據(jù)寫入寄存器，如果發(fā)送數(shù)據(jù)沒有收到應(yīng)答信號，則再次重發(fā)數(shù)據(jù)。發(fā)送完成后由IRQ產(chǎn)生中斷。程序如下：

void NRFSetTxMode （unsigned char *TxDate）

{

CE = 0;

NRFWriteTxDate （W_REGISTER+TX_ADDR， TxAddr， TX_ADDR_WITDH）;

NRFWriteTxDate （W_REGISTER+RX_ADDR_P0， TxAddr， TX_ADDR_WITDH）;

NRFWriteTxDate （W_TX_PAYLOAD， TxDate， TX_DATA_WITDH）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+EN_AA， 0x01）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+EN_RXADDR， 0x01）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+SETUP_RETR， 0x0a）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+RF_CH， 0x40）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+RF_SETUP， 0x07）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+CONFIG， 0x0e）;

CE = 1;

Delay （ 10 ） ;//保持10us秒以上

}

3電能測試

本實驗中采用1000W左右用電器作為負(fù)載，電流在4～5A左右。接入單相電220V。測試工具為電筆、萬用表等。由于整個測量過程中電壓、電流并非恒定不變，采用平均電量進(jìn)行估算。測試電能如表1所示。

從表1中測試數(shù)據(jù)分析顯示本設(shè)計方案計算顯示電能與直接人工測試電流、電壓所得電能平均誤差僅為1.15%。該誤差滿足用戶要求。

4結(jié)束語

本文結(jié)合單相配電計量設(shè)計實現(xiàn)基于STC12LE5A60S2電能智能計量采集，實現(xiàn)了電量的計量、無線通信、數(shù)據(jù)存儲、電量顯示、時間等功能，系統(tǒng)性能良好，為方便功能擴展提供了備用接口，提升了系統(tǒng)靈活性，有效節(jié)約資源，降低人力物力成本，具有很好的應(yīng)用市場與前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭棟，孫明珠.基于無線技術(shù)的智能電能表設(shè)計[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2014， 34（4）：220-221.

[2] 朱金偉.智能電表及遠(yuǎn)程集中抄表的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].科技信息，2011（24）：208.

[3] 劉理云.低成本高精度多功能數(shù)字式單相電能表設(shè)計[J].北京電子科技學(xué)院學(xué)，2010：83-90.

[4] 賀靜丹.單相多功能電能表設(shè)計[J].電子測量與儀器學(xué)報，2011， 1：11-13.

[5] 邵光，侯加林，吳文峰.基于ZigBee自動抄表的無磁熱量表的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測量與儀器學(xué)報，2009，23（8）：95-98.

[6] 王曉蘭.基于CAN/RE-485雙層網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程系統(tǒng)抄表設(shè)計[J].微計算機信息，2006（17）：6.

[7] 王賢勇.單片機原理與接口技術(shù)應(yīng)用教程[M].清華大學(xué)出版社，2010，3.

[8] 蔡艷軍.基于AT89S52的單相數(shù)字電能表設(shè)計實現(xiàn)[J].主機光盤軟件與應(yīng)用，2010，7：104-106.

[9] 張瑞占.基于ATT7022B三相精確計量智能電能表設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2008：31.

作者簡介

肖建明（1973-），男，江西萍鄉(xiāng)人;職稱：講師;現(xiàn)就職單位：廣西師范大學(xué)漓江學(xué)院，研究方向：信號處理;計算機應(yīng)用。