具有遠程抄表功能的單相電子式電能表設計

　　1、引言
　　
　　電能表作為體現電力部門經濟效益的*計量器具，需要其能正確反映供電與用電的情況。目前，一般的家用全電子式的電能表，大多數采用計量芯片設計電量計量采集電路，只具有電能計量功能，難于實現分時計量、預付費、定時供電控制[等功能。在一些用電集中的場所，給施工、抄表、控制等帶來困難。該文設計一種單相遠程多用戶多功能智能化電能表，采用一塊微處理器、RS485總線，不僅能實現對多個用戶的電能計量，而且還具有分時計量、遠程集中抄表、預付費、定時供電控制等功能。
　　
　　2、帶有RS-485總線接口的單相電能表設計
　　
　　電能表主要由電能計量單元、單片機系統和輸出部分組成。電能計量單元主要由電流、電壓采樣和電能表芯片（ADE7755）構成，它的任務是完成電量累積、儲存，并同時將電量轉換成相應的脈沖分別輸出或送入單片機（PIC16C63）進行處理。單片機系統是一個智能數據采集處理和控制單元，它的任務是接收并存儲各用戶電量，經處理后控制顯示器，顯示各用戶電量，控制對外通信，完成抄表或遙控等功能。輸出部分主要包括顯示器和對外通信、控制接口等。紅外通訊和RS-485接口通訊可同時進行而互不干擾，RS-485總線自動抄表系統的電能表，單片機可讀取電能表的數據，然后將電能表數據傳到電力部門的電能管理系統中。系統原理框圖1如示。　　　　
　　2.1通信電路設計
　　
　　2.1.1紅外通訊接口硬件電路
　　
　　紅外通訊的硬件由發射電路和接收電路兩個部分組成，電路如圖2所示，具體是由NE555時基電路、紅外發光二極管及外圍元件組成。其中NE555時基電路和電阻R51、R52和電容C21,構成一個載波頻率為f的振蕩器。通常固定電容C21調節R51或R52的阻值來改變載波頻率值。在實際電路中，我們選取載波頻率f為38kHz。微控器（MCU）的串行通訊口TXD輸出的數據進入NE555時基電路的4腳，并控制NE555的起振和停振。NE555的4腳輸入高電平“1”時，NE555振蕩；當NE555的4腳輸入低電平“0”時，NE555停止振蕩[5]。
　　
　　2.1.2RS-485通訊接口電路設計
　　
　　RS-485通訊電路通過3個光耦器件對單片機電路和RS-485總線電路進行隔離,提高系統的抗*力。光電耦合器件是把發光器件（如發光二極管）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光線實現耦合構成電-光和光-電的轉換器件。當電信號送入光電耦合器的輸入端時，發光二極管通過電流而發光，光敏元件受到光照后產生電流，CE導通；當輸入端無信號，發光二極管不亮，光敏二極管截止，CE不通。對于數字量，當輸入為低電平“0”時，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當輸入為高電平“1”時，光敏三極管飽和導通，輸出為低電平“0”。電路中的TVS1管為隧道二極管并聯在RS-485總線A、B線兩端,防止電壓沖擊,對電路進行瞬態保護作用，R46和R47為偏置電阻,進行網絡失效保護。但是這個電路沒有匹配電阻，在通訊總線設計中應根據實際情況進行匹配電路的設計。RS-485通訊電路中JP2接口是要進行瞬變脈沖和靜電干擾的，在設計和選擇485轉換芯片要特別注意這個問題，電路如圖3所示。
　　
　　2.2通訊協議
　　
　　2.2.1規約的主要內容
　　
　　（1）物理層
　　
　　紅外通信、RS-485總線
　　
　　（2）鏈路層
　　
　　本協議為主-從結構的半雙工通信方式。手持單元或其它數據終端為主站，電能表為從站。每個電能表均有各自的地址編碼通信鏈路的建立與解除均由主站發出的信息幀來控制。每幀由幀起始符、從站地址域、控制碼、數據長度、數據域、幀信息縱向校驗碼及幀結束符等7個域組成。每部分由若干字節組成。
　　
　　（3）應用層
　　
　　可分為對讀數據、寫數據、寫設備地址、修改密碼等的規定。
　　
　　2.2.2主站發布正常通信命令類型及信道中數據傳輸格式
　　
　　（1）主站讀數據集合
　　
　　主站讀數據集合如表1所示。
 　　　　　　
　　（2）主站向從站編程數據　　
　　主站向從站編程數據如表2所示。　　
　　3、軟件設計
　　
　　3.1電能表軟件系統主程序設計
　　
　　電能表軟件系統主程序如圖4所示。包括整個程序初始化部分、顯示刷新處理部分、通訊幀命令處理部分、電量運算及儲存部分、電量結算處理部分以及其他事件處理部分。整個程序是通過查詢方式執行的，通過查詢電表事件發生的條件情況，判斷電能表事件是否發生，來執行相應的操作，這種執行方式只要保證CPU的執行速度足夠快，是能夠保證事件響應的時效性的。　　　　
　　3.2通信主程序設計
　　
　　在通訊處理模塊算法中，它包含通訊接收幀事件和通訊發送幀事件，當程序查詢到通訊接收幀完標志置位時，通訊接收幀事件發生，程序進行通訊格式的判斷，如果通訊格式正確，再進行通訊地址的比較，如果通訊幀中的地址域是本機地址或廣播地址，表示是對本機通訊，則程序進行通訊命令的解釋及執行，同時如果要返回數據幀，置通訊發送標志，準備好發送數據幀，則通訊發送數據幀事件發生，啟動發送數據。
　　
　　4、單相電能表系統測量誤差分析
　　
　　4.1電流回路測量誤差
　　
　　由于電流回路中存在電能計量芯片中，也就是電流信號輸入電能計量芯片中的通道1運算放大器中，一般取運算放大器的輸入電流為零[6,7]，所以其電流回路的等效電路為圖5所示。
　　
　　圖5電流通道電路
　　
　　由于電阻是線性元器件，其誤差也為線性誤差，可以進行線性補償為零即
　　
　　所以由R5決定。如取R5精度為0.5%，則電流回路測量誤差。
　　
　　4.2電壓回路測量誤差
　　
　　由電壓回路等效電路如圖6所示。
　　
　　圖6電壓通道等效電路
　　
　　由，
　　
　　設R1、R2、R3的測量誤差精度為0.5%，所以電壓回路測量誤差。
　　
　　4.3測量誤差
　　
　　由芯片ADE7755測量誤差精度為0.1%，為ADE7755的測量誤差，所以。
　　
　　4.4電能總測量誤差
　　
　　由于系統測量回路是由電流回路、電壓回路、ADE7755所構成，所以系統總誤差為電流回路測量、電壓回路測量及ADE7755測量的合成誤差。
　　
　　總測量誤差。
　　
　　5、結論
　　
　　該智能表控制系統經過測試表明，性能穩定、能夠計量正、反向有供電能、四象限無功電能，并具有分時計費、數據存儲、異常監測、遠方通信、遠程集中抄表、預付費、多費率等多項功能，總測量誤差小、功耗低、計費準確，適用于多用戶集中控制的場合。