基于GPRS智能型電子式電能表硬件電路的設計與實現

李春峰，于 洋

(1.長春大學 機械與車輛工程學院，長春130022；2.長春信息技術職業學院 汽車工程系， 長春 130103)

隨著社會的不斷發展進步、人們生活水平的不斷提高，電力需求越來越大，傳統的人工抄表、RS485總線、紅外等電能表抄表方式已不能滿足電力行業管理的要求。同時，為了加強對城鎮、鄉村及邊遠山區的企業民用電能量的數據采集，有必要設計一款先進的抄表設備來完成對電表的遠程抄表。無線遠程自動抄表已成為電表抄表發展的必然趨勢。GPRS遠程抄表系統是在移動通信公司GPRS業務平臺上構建的電力遠程抄表系統，并能利用現有網絡實現電能表數據的無線數據傳輸。具有縮短建設周期、降低建設成本的優點。本文將針對基于GPRS智能型電子式電能表硬件電路進行設計與實現。

圖1 系統結構圖

1 GPRS遠程抄表系統概述

GPRS遠程抄表系統結構圖如圖1所示。將GPRS模塊內置于電子式電能表中，并利用GPRS移動網絡系統中提供的TCP/IP協議實現電表數據的無線數據傳輸，具有采集數據及時、能夠遠程控制與管理、實時報警斷電數據保護等功能。該系統有別于傳統的抄表系統，由主站、基表、無線通信模塊、數據處理模塊及電能計量模塊等組成。

2 總體設計方案

2.1 電子式電能表總體設計方案

基于GPRS智能型電子式電能表硬件電路的設計與實現總體設計方案如圖2所示。該設計方案以AT89C51單片機為核心微處理器，設計了GPRS通信模塊、電能計量芯片、紅外通信單元、電源電路部分、顯示單元及電壓、電流采樣電路等。核心單片機采用傳統的性能指標高、功率消耗低的AT89C51單片機作為主控制器，通過AT89C55單片機內設的串行接口與電子式電能表內置的GPRS進行連接，實現數據的遠程傳輸。通信模塊采用目前比較常用的Sony公司生產的且能夠實現GPRS功能的通信模塊GR47，電能計量芯片采用CS5463專用電能計量芯片，使電能在計量中保持準確。紅外通信單元采用RS485與外界進行通信，電源電路部分電流互感器、電壓互感器設置是為把工業或照明用電380V或220V電壓變換成本設計中電能計量芯片能夠承受的輸入電壓范圍之內，電流采樣電路采用差分輸入方式進行采樣，保證對電流采樣的準確性。

圖2 總體設計方案

2.2 手持抄錄器設計方案

本文在GPRS智能型電子式電能表硬件電路總體設計方案基礎上，設計了用于在偏遠山區移動數據信號不強或沒有的情況下采用手持抄錄器，其硬件結構原理圖如圖3所示。為了與總設計方案核心單片機一致，并減少開發時間且不影響手持抄錄器的性能，手持抄錄器的核心單片機及其抄錄器的外圍電路與電能表總體設計方案所用到的核心單片機及其外圍電路一致。紅外接發送電路結構及性能與總體設計方案所使用的電路一致。

圖3 手持抄錄器設計方案

3 硬件電路設計

3.1 AT89C51單片機

單片機作為本文設計的核心，主要用于從電能計量芯片中讀取數據并進行修正，能夠根據修正后的數據計算出電能表電壓、電流、功率等，然后進行存儲、顯示、輸出處理結果。同時，微處理器對電源電壓進行檢測，當電壓低于門檻時，對數據進行自動存儲。由于現代社會對電能表功能要求增多，功能的增多意味著數據處理的增多，故本文采用以AT89C51單片機為核心處理器，AT89C51單片機是一種帶4K字節的FLASH存儲器。是一種低電壓、運行速度快、性能高的8位微處理器，同時帶有4k 字節Flash 閃速存儲器，128字節內部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數器，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路等，大大提高對數據處理的速度。

3.2 GPRS通信模塊

本設計采用的GPRS通信模塊主要是Sony公司生產的且能夠實現GPRS功能的通信模塊GR47。GR47帶有GSM/GPRS全套語音和數據功能，內嵌TCP/IP協議棧，GPRS 有4+1個通道和P通道，對外有3個串口，串口1主要用于指令通道，串口2主要用于調試程序，串口3主要用于通信232接口。GR47的典型應用是將單片機AT89C51與其結合，并通過UART向其發送AT指令。當電能表的電壓、電流、功率等數據被檢測到以后，經數據傳輸發送給GPRS 模塊，GPRS模塊將數據發送到GPRS網絡中，并最終傳送到主站控制中心，實現數據的傳輸。

3.3 電能計量芯片

CS5463是美國公司Cirrus Logic生產的高精度、多功能的電能計量芯片，其采用24腳封裝，內部集成了高通數字濾波器、模數轉換器、數字信號處理單元等?？蓪τ泄β?、無功功率、視在功率、功率因數、電流瞬時值、電壓瞬時值、功率瞬時值、電壓/電流有效值等進行測量，同時具有有功/無功補償等功能。當電壓、電流采樣信號經內部模數轉換器轉換為數字信號后，送給電能計量芯片CS5463，通過其內部的電能計算單元計算出電壓/電流有效值等測量值，并存入相應寄存器，同時從E1和E2輸出引腳輸出相應頻率的脈沖，驅動電能表進行計數。

3.4 電壓/電流采樣電路

電壓采樣電路如圖4所示。主要把來自電網的交流電壓信號通過一系列的電阻將其進行分壓處理，將原強電壓信號按一定比例轉換成弱電壓信號，提供給電能計量芯片CS5463，使電能計量芯片得到電壓信號。多采用電阻串聯進行多級分壓方式進行，使其提高分壓網絡性能。

圖4 電壓采樣電路

電流采樣電路如圖5所示。將交流電網中的電流經變換轉換為與電流成正比的小電流信號，提供給計量芯片采樣使用；同時為保證采集到的電壓和電流的相位一致，應使電壓和電流通道的參考電勢點應保持一致。

圖5 電流采樣電路

3.5 紅外發送/紅外接收單元

紅外發送電路、紅外接收電路如圖6所示。電能表和手持抄錄器的紅外發射電路由NE555定時器時基電路組成，輸出腳輸出的載波信號驅動紅外發光管發光，因一個紅外發光管發射紅外光脈沖功率較小，在設計中采用兩個并聯的紅外發光管，增加紅外發射頻率。

圖6 紅外發送電路、紅外接收電路圖

4 結語

本文通過對基于GPRS智能型電子式電能表硬件電路的設計與實現，介紹了AT89C51單片機、GPRS通信模塊GR47、電能計量芯片CS5463，同時設計了、電壓/電流采樣電路及紅外發送/紅外接收單元主要硬件電路，為以后從事相關研究的人員提供理論幫助。