基于STM8的預付費電表外置斷路器設計

韓鴻凌，宋仲康，沈怡彥

（武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

基于STM8的預付費電表外置斷路器設計

韓鴻凌，宋仲康，沈怡彥

（武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

隨著智能小區的快速發展，電量采集系統廣泛應用，內置繼電器式預付費電能表也隨之應用到千家萬戶。但由于內置繼電器的觸點間距較小，在分合閘過程中易出現爬電、閃絡等現象，造成繼電器觸點氧化、接觸不良等問題。基于STM8S103F為控制核心的外置斷路器控制系統，接收電能表控制信號，經信號處理驅動電機動作，從而快速、準確地進行合、分閘動作，克服了現有預付費電能表內置繼電器存在的問題，能夠滿足國家電網公司預付費電能表對外置斷路器的控制技術要求。

STM8；預付費電表；小型斷路器；電能表

0 引言

隨著社會經濟不斷發展，人們對生活質量要求越來越高，對電能的需求也越來越多，如何能及時收回電費又滿足電力用戶用電需求是供電企業亟待解決的問題。目前，內置繼電器式預付費電能表廣泛應用到千家萬戶，基本解決了電費及時回收與滿足電力用戶用電需求的矛盾。但是，由于內置繼電器觸點間距較小，在分合閘過程中易出現爬電、閃絡等現象，長時間運行后會造成繼電器觸點氧化、接觸不良[1-2]等問題，降低了供電可靠性，出現用戶交費也無法用電或用戶欠費又不能分閘等現象。

本文是按照國家電網公司預付費電能表外置小型斷路器技術要求設計，該設計使用單片機控制驅動電機帶動斷路器刀閘運動，實現自動合、分閘功能。控制系統的控制信號來至預付費電能表。根據實際需要，本設計采用了STM8S103F控制芯片，該芯片具有功耗低、處理速度快、性價比高的特點，同時滿足現場使用的環境條件、電磁環境等相關要求。

1 整體設計思路

1.1 國家電網公司的相關要求

國家電網公司對預付費電能表外置斷路器提出了具體要求，其中最基本的分、合閘操作要求如表1所示[3]。

表1 斷路器狀態控制表Tab.1 Circuit breaker state control chart

從表1中可以看出，相線代表供電狀態，AC220V——有電；0 V——停電。控制信號線代表用戶電費情況，上升——用戶欠費后繳費；下降——用戶突然欠費；AC220V以及0 V代表用戶一直有錢或用戶一直沒有錢。值得注意的是，該斷路器存在不允許用戶手動操作的情況，因此應為電機轉動加入鎖死區域。

另外，國家電網公司要求外置斷路器在合閘、分閘靜止工作狀態時電流必須小于0.2 mA。自動合閘時間必須小于3 s，自動分閘時間必須小于2 s[4]。

1.2 總體設計構成

該外置斷路器采用意法半導體公司生產的8位單片機STM8S103F為控制核心CPU，其總體設計框圖如圖1所示。

圖1 總體設計框圖Fig.1 Overall design block diagram

信號轉換電路接收電能表控制信號，將檢測到的控制信號AC220V以及0V轉換為單片機所能識別的1、0信號，CPU處理器對信號進行分析處理，按照表1輸入相應的信號驅動電機，電機帶動斷路器閘刀運動，實現自動合、分閘功能。當限位開關接通時，單片機收到反饋信號，電機停止轉動，以免電機繼續轉動導致斷路器受損。

2 信號轉換電路

2.1 電路設計

為將控制信號AC220V、0 V轉換為單片機所能識別的數字信號，設計的信號轉換電路如圖2所示。

將控制信號線輸出的交流電進行整流濾波，再通過光電耦合器輸出高、低電平給單片機[5-7]。通過電路分析易知，當控制信號為AC220V時，光電耦合器導通，單片機收到低電平；當控制信號為0 V，即用戶欠費時，光電耦合器斷開，單片機收到高電平。

2.2 相關仿真

將電路在Multisim12.0軟件中進行仿真，電流表XMM1測量工作電流，示波器XSC1可以反映出自動分閘合閘時間。

當控制信號為AC220V時，單片機輸入為0，要求電機正轉，斷路器進行合閘動作。此時，工作狀態電流如圖3所示。穩定時間如圖4所示

圖2 信號轉換電路設計圖Fig.2 Design of signal conversion circuit

圖3 合閘靜止工作狀態電流Fig.3 Closing quiescent working current

圖4 自動合閘時間Fig.4 Automatic closing time

當控制信號為0 V時，單片機輸入為1，要求電機反轉，斷路器進行分閘動作。此時，工作狀態電流如圖5所示，穩定時間如圖6所示。

圖5 分閘靜止工作狀態電流Fig.5 Quiescent working state of brake

圖6 自動分閘時間Fig.6 Automatic switching time

由圖3和圖5可知，斷路器靜止工作狀態時電流均小于0.2 mA，滿足國網要求。由圖4可知從5 V穩定到0 V約用時20 ms。由圖6可知從0 V穩定到5 V用時極短，均可滿足國家電網公司的相關要求。

3 電機驅動模塊

本設計采用一個電機驅動斷路器刀閘動作，選用L9110芯片作為電機驅動芯片。L9110是為控制和驅動電機設計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件成本降低，整機可靠性提高。

該芯片有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性[8]。兩個輸出端能直接驅動電機的正反向運動，它具有較大的電流驅動能力，每通道能通過750～800 mA的持續電流，峰值電流能力可達1.5～2.0 A；同時它具有較低的輸出飽和壓降；內置鉗位二極管具有感性負載反向沖擊功能，使它在驅動繼電器、直流電機、步進電機或開關功率管的使用上安全可靠[9-10]。驅動電路圖如圖7所示。

圖7 L9110驅動電路Fig.7 L9110 drive circuit

正轉信號為1，反轉信號為0時，電機正轉；正轉信號為0，反轉信號為1時，電機反轉；當兩個信號相同時，電機不轉。因此采用該芯片可以最簡單直觀地滿足斷路器設計要求。

電機帶動斷路器閘刀轉動示意圖如圖8所示。

圖8 電機轉動示意圖Fig.8 Schematic diagram of motor rotation

無論斷路器合閘還是分閘，電機都需要先轉動一定角度，脫離鎖死區。在鎖死區內，斷路器內部通過機械部件鎖死閘刀的運動，電機的轉動只會帶動機械部件脫離鎖死狀態而不會帶動閘刀動作。當電機轉動到合、分閘轉動區時，機械部件完全脫離鎖死狀態，此時電機的轉動才會帶動閘刀進行相對應的動作。采用三個限位開關，可以很好地限制電機轉動的最大角度，不會損傷斷路器。

當用戶突然欠費，斷路器分閘并進入鎖死區，電機最終會轉動到限位開關3處，禁止用戶手動操作。

當用戶欠費后繳費，斷路器脫離鎖死區并合閘，電機最終會轉動到限位開關1處，此時用戶可以進行手動操作。

圖9 程序流程圖Fig.9 Program flow chart

4 軟件實現

該斷路器軟件設計利用IAR Embedded Work?bench平臺，采用模塊化結構。由主程序、電機驅動子程序、中斷子程序等構成。程序流程圖如圖9所示。

該程序主要功能是采集信號轉換電路的輸出信號、等待用戶繳費情況產生的上升沿或下降沿中斷、通過限位開關的狀態判斷斷路器的初始位置以及控制電機的轉動與停止，實現預付費電能表外置斷路器自動合閘、分閘功能。

5 結語

本文設計了一種基于STM8芯片的預付費電能表外置斷路器控制系統，采用STM8S103F芯片作為中央處理器，采集預付費電能表輸出的控制信號，從而控制斷路器刀閘自動合、分閘操作。

當用戶繳費后，CPU控制電機模塊帶動外置斷路器脫離鎖死區并自動合閘，此時允許用戶手動操作;當用戶突然欠費時，CPU控制電機模塊帶動外置斷路器自動分閘并進入鎖死區，此時不允許用戶進行手動操作。

本文設計的預付費電能表外置斷路器控制系統有效解決了現有預付費電表使用內置繼電器所帶來的缺陷，能夠正常且快速精確地實現自動合閘、分閘的操作。在此基礎上還加入斷路器鎖死區，具有一定的防竊電功能，滿足國家電網公司智能用電管理要求，經濟實用，具有良好的發展前景。

（References）

[1]曾思斌.基于STM32 ARM的智能電表研究與設計[D].華南理工大學,2014.Zeng Sibin.Research and Design of Smart Meter Based on STM32 [D].South China University of Technology,2014.

[2]苗彧智，王艷.基于單片機的智能電表設計[J].現代電子技術，2015(2):59-61.Miao Yuzhi,Wang Yan.Design of smart meter based on single chip microcomputer[J].Modern Electronics Technique,2015，38(2):59-61.

[3]靜恩波.基于嵌入式系統的智能電表設計與研究[J].低壓電器，2011,(03):26-30.Jing Enbo.Design and Research of Smart Meter Based on ARM System [J].Low voltage apparatus, 2011,(03):26-30.

[4]毛海鋒，樓銘達，徐惠興.具有分合功能的智能預付費控制器的設計[J].電器與能效管理技術，2014,(13): 25-27.Mao Haifeng,Lou Mingda,Xu Huixing.Design of Intelligent Prepayment Controller with On and Off Function.Electrical& Energy ManagementTech?nology,2014,(13):25-27.

[5]鄭欣.智能電表在智能電網中的功能及擴展應用研究[D].華北電力大學(北京)，2016.Zheng Xin.Research on the Function and Extension Application of the smart meter in Smart Grid[D].North ChinaElectricPowerUniversity(Beijing), 2016.

[6]高舒，龐劍玲.預付費電能表的使用狀況和前景[J].河北電力技術，2006,25(1):28-29.Gao Shu,Pang Jianling.Using Status and Prospect of Advance-payment Card Wattmeter.[J].Hebei Elec?tric Power,2006,25(1):28-29.

[7]余宇紅，吳志群，周虹.預付費電能表的應用研究[J].華東電力，2008,36(12):142-144.Yu Yuhong,Wu Zhiqun,Zhou Hong.Application of prepayment watt-hour meters[J].East China electric power,2008,36(12):142-144.

[8]陳國照.STM8系列單片機的開發與應用[J].甘肅冶金，2011,33(2):113-114.Chen Guozhao.Developmentand Application of STM8 Series Microcontroller[J].Gansu Metallurgy, 2011,33(2):113-114.

[9]高雅利.一種預付費電能表用斷路器的設計[J].電氣制造，2011(8):46-47.Gao Yali.Design of a Circuit Breaker for a Prepaid Meter[J].Electrical Manufacturing,2011(8):45-46.

[10]張培，姜家寅.電能表外置斷路器的應用[J].農村電工，2017(3):51-51.Zhang Pei,Jiang Jiayin.Application of Power Meter External Circuit Breaker[J].Rural Electrician,2017 (3):51.

Design of External Circuit Breaker for Prepayment Meter Based on STM8

Han Hongling，Song Zhongkang，Shen Yiyan
（Wuhan University of Technology,Hubei Wuhan430070,China）

With the rapid development of intelligent community,the power collection system is widely used,and the built-in relay type prepaid energy meter is also applied to thousands of house?holds.However,due to the small contact distance of the built-in relay,the phenomenon of creepage and flashover is prone to occur during the switching process,resulting in the oxidation of the relay contacts and the poor contact.The external circuit breaker control system based on STM8S103F as the control core can receive power meter control signal,then the motor is operated by signal pro?cessing so as to rapidly and accurately perform the braking operation,which overcomes the existing prepayment meter built-in relay problems,can satisfy the control technical requirements of State Grid Corp prepayment meter for the external circuit breakers.

STM8;prepayment electricity meter;miniature circuit breaker;electric energy meter

TP23

B B

1006-3986(2017)04-0045-05

2017-03-23

韓鴻凌（1993），男，湖北武漢人，在讀碩士研究生。

10.19308/j.hep.2017.04.010