基于HT46F49E的低成本智能電表設(shè)計(jì)

康雪娟，薛榮輝

（1.西安航空學(xué)院 陜西 西安 710077；2.西安理工大學(xué) 陜西 西安 710048）

隨著能源價(jià)格的上漲，對(duì)電能計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高。傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表存在計(jì)量精度差，功能單一，過(guò)載能力小，抗電磁干擾能力差的缺點(diǎn)，而且在2009年國(guó)家電網(wǎng)出臺(tái)了新的電能表標(biāo)準(zhǔn)，其中對(duì)新電能表各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)有明確的規(guī)定。感應(yīng)式電能表顯然已不能滿足市場(chǎng)要求，面臨被淘汰的局面，而早新存在于市場(chǎng)的電子式電能表也沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，很多不符合國(guó)家電網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)，也將會(huì)被淘汰[1-2]。這必然會(huì)導(dǎo)致大量新的滿足國(guó)家電網(wǎng)家電新標(biāo)準(zhǔn)的電子式電能表出現(xiàn)，筆者在此背景下設(shè)計(jì)了一種低成本單相電子式電能表方案，該方案經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明是可行的。

1 方案的選擇

當(dāng)前電能表的核心作用就是計(jì)量電能并將其顯示，因此本文只討論目前存在的計(jì)量和顯示的幾種典型方案。

1.1 計(jì)量方案

1）MCU+ADC：用ADC芯片采樣電壓和電流大小，然后相乘即為有功功率。此法對(duì)ADC芯片要求比較高，而且MCU（單片機(jī)）需要進(jìn)行大量計(jì)算，MCU還要對(duì)電網(wǎng)中的諧波處理，對(duì)MCU的要求也很高，且成本較高，難以實(shí)現(xiàn)較高的精度[3]。

2）MCU+電能計(jì)量芯片：市場(chǎng)上有很多的電能計(jì)量芯片，如ADE7755，CS5463，這類(lèi)芯片內(nèi)部集成了高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，諧波處理電路，乘法器電流等，可以將電能轉(zhuǎn)化為脈沖或是其他數(shù)字量，大為簡(jiǎn)化了電能表的設(shè)計(jì)，而且計(jì)量精度較高，成本可接受。采用該方法對(duì)MCU沒(méi)有特殊要求，故本文采用該方案進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1.2 顯示方案

1）計(jì)數(shù)圈：電能計(jì)量芯片輸出的脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，然后帶動(dòng)計(jì)數(shù)圈計(jì)數(shù)。此法簡(jiǎn)單，而且跟傳統(tǒng)感應(yīng)電表顯示方法相同，但顯示內(nèi)容過(guò)于簡(jiǎn)單，容易出現(xiàn)卡死的情況，不能滿足新型電能表的要求。

2）數(shù)碼管：是最簡(jiǎn)單方便的顯示方法，而且可以自發(fā)光，但是數(shù)碼管工作電流太大，采用電池供電時(shí)無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間工作，而且國(guó)家電網(wǎng)對(duì)電能表的功耗有比較嚴(yán)格的要求，顯然不滿足要求。

3）段式LCD：段式LCD常用在計(jì)算器等電池供電設(shè)備上，顯示內(nèi)容比較豐富，功耗只有uA級(jí)，可大為降低系統(tǒng)功耗，但工作時(shí)需要外加驅(qū)動(dòng)芯片如HT1621等。顯然段式LCD是比較理想的選擇。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)分為兩部分：電能計(jì)量部分和紅外數(shù)據(jù)采集部分，分別在兩塊電路板上實(shí)現(xiàn)，以下分為兩部分介紹:

1）電能計(jì)量部分：系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 電能計(jì)量框圖Fig.1 Energy metering block diagram

ADE7755芯片采樣電壓和電流，相乘得到有功功率，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率脈沖，單片機(jī)計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖計(jì)數(shù)即為用戶(hù)電量，單片機(jī)再控制LCD將電能顯示出來(lái)。框圖1中紅外收發(fā)部分是為配合紅外抄表用的，而實(shí)時(shí)時(shí)鐘是配合備份電池充電提供時(shí)間基準(zhǔn)，也是為了方便開(kāi)發(fā)復(fù)費(fèi)率電表用。系統(tǒng)采用雙電源，正常情況下市電經(jīng)降壓、線性電源濾波后給系統(tǒng)供電，單片機(jī)檢測(cè)電池電量，若電量過(guò)低，還要給備用電池充電，停電時(shí)系統(tǒng)由電池供電，保障了停電狀態(tài)下紅外抄表的正常進(jìn)行。停電狀態(tài)下，數(shù)據(jù)保存在單片機(jī)自帶的EEPROM中，保證了數(shù)據(jù)的安全性。

2）紅外數(shù)據(jù)采集部分：系統(tǒng)方框圖如圖2。AD鍵盤(pán)向系統(tǒng)輸入指令，紅外收發(fā)部分完成紅外抄表或是向電表發(fā)送其他指令，由24C64保存采集到的數(shù)據(jù)，每個(gè)用戶(hù)數(shù)據(jù)占用8個(gè)字節(jié)，共可保存約1 000多個(gè)用戶(hù)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘為每個(gè)用戶(hù)數(shù)據(jù)插入時(shí)間數(shù)據(jù)用。串口是用來(lái)和電腦通信用，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦上，進(jìn)一步的進(jìn)行處理，生成電費(fèi)單。

圖2 紅外數(shù)據(jù)采集Fig.2 Infrared data acquisition

2.2 硬件設(shè)計(jì)

1）電能計(jì)量部分：主要硬件電路如圖3所示。

圖3 電能計(jì)量部分主要硬件電路Fig.3 Main hardware circuitof the energy metering part

ADE7755[4]為美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的一款寬量程，高精度的功率測(cè)量或電能計(jì)量的專(zhuān)用集成電路芯片，其輸入引腳可直接與不同量程的傳感器相連接，簡(jiǎn)化了與傳感器的接口。芯片輸出為脈沖信號(hào)，方便與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該芯片將瞬時(shí)有功功率轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)由CF端輸出。ADE7755芯片內(nèi)部除了A/D轉(zhuǎn)換電路和參考電路外，信號(hào)全部采用數(shù)字方式處理，從而保證了在極其惡劣環(huán)境條件和長(zhǎng)期工作狀態(tài)下的高度穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，這一點(diǎn)為功率變送器的設(shè)計(jì)提供了一種低成本高精度的解決方案。

HT46F49E[5]是臺(tái)灣Holtek公司生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)型FLASH單片機(jī)，內(nèi)置EEPROM，用來(lái)保存電表數(shù)據(jù)；自帶9位AD，兩路PWM輸出，用來(lái)管理電池充電和產(chǎn)生38 KHz紅外載波；2.2～5.5 V的寬電壓供電，主電源為5 V，備份電池為3.6 V；兩種低功耗模式，在低功耗模式下只有數(shù)μA的電流，延長(zhǎng)了電池工作時(shí)間。

2）紅外數(shù)據(jù)采集部分：主要硬件電路如圖4。由于采集數(shù)據(jù)時(shí)涉及到密碼和用戶(hù)碼的設(shè)置，需要用到較多的按鍵，方案中用單片機(jī)的4路AD擴(kuò)展了19個(gè)按鍵，巧妙的解決該單片機(jī)I/O口較少的不足。單片機(jī)還要和電腦通信，而該單片機(jī)沒(méi)有串口，因此需要用軟件模擬UART口，選用4.9152 M的晶振，正好是9 600的整數(shù)倍，模擬UART波特率剛好可以做到9 600 bit/s，而且用該晶振時(shí)PWM的頻率為38.4 kHz，正好可以驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管。

電能計(jì)量（左）和紅外數(shù)據(jù)采集（右）的實(shí)物圖如圖5所示。

圖4 紅外數(shù)據(jù)采集部分主要硬件電路Fig.4 Main hardware circuit of infrared data acquisition part

圖5 智能電表實(shí)物圖Fig.5 Pictures of smart electricity meter

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由兩部分組成:電能計(jì)量部分和紅外數(shù)據(jù)采集部分。電能計(jì)量部分通過(guò)ADE7755是通過(guò)電壓、電流采樣的信號(hào)送到芯片內(nèi)的硬件乘法器進(jìn)行處理，經(jīng)處理后輸出與所計(jì)量的電能量成正比的脈沖信號(hào)，然后將采樣信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器或送去單片機(jī)，讓單片機(jī)處理記錄用戶(hù)所用的電量。紅外數(shù)據(jù)采集是以傳統(tǒng)紅外通信的原理制作的，利用波長(zhǎng)為900～1 000 nm的紅外波作為信息的載體，發(fā)射裝置把二進(jìn)制信 號(hào)經(jīng)過(guò)38.4 kHz高頻調(diào)制后發(fā)送出去，接收裝置把接收的紅外高頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)為原來(lái)信息的一種通信傳輸方式。電能計(jì)量和紅外數(shù)據(jù)采集部分程序框圖分別如圖6、7所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

圖6 電能計(jì)量部分程序框圖Fig.6 Energy Measurement part of the block diagram

圖7 紅外數(shù)據(jù)采集程序框圖Fig.7 Infrared data acquisition block diagram

國(guó)家電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化，智能電表占有重要部分，第一期電網(wǎng)改造預(yù)計(jì)會(huì)有數(shù)千萬(wàn)臺(tái)智能電表進(jìn)入市場(chǎng)。本文介紹了一種低成本智能電表方案，比較巧妙地用到了HT46F49E單片機(jī)和各種特性，比如用AD來(lái)擴(kuò)展鍵盤(pán)等，系統(tǒng)方案靈活，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和參考價(jià)值。

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