基于STM32的單相電能表設(shè)計(jì)

呂德勇

（青島大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 青島266071）

0 引 言

隨著生活水平的不斷提高和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)電能的需求量不斷增加［2］。同時(shí)特別是某些工藝、設(shè)備等對(duì)電能有特殊要求的用戶(hù)，對(duì)供電連續(xù)性及電能的質(zhì)量要求更高。因此，供電公司需不斷地促進(jìn)電力系統(tǒng)的發(fā)展以及通過(guò)相應(yīng)措施提高電能質(zhì)量。在用戶(hù)側(cè)與供電側(cè)之間，電能計(jì)量裝置可以將用戶(hù)的用電情況及時(shí)反饋給供電部門(mén)。A／D轉(zhuǎn)換器和高性能微處理器等電子技術(shù)的不斷發(fā)展，使得電子式電能計(jì)量裝置得到了不斷的改進(jìn)。電子式電能計(jì)量裝置應(yīng)用廣泛，如遠(yuǎn)程抄表，從而為用戶(hù)的用電數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集和計(jì)費(fèi)等提供極大的方便。目前，電子式電能計(jì)量裝置有兩種模式：一種是以電能計(jì)量芯片為主的設(shè)計(jì)模式，此模式中電能計(jì)量芯片可以根據(jù)芯片內(nèi)部計(jì)量方式得出相應(yīng)的電能計(jì)量數(shù)據(jù)并放置在相應(yīng)的寄存器中供微處理器讀取，主要應(yīng)用于居民用電的單相用電計(jì)量場(chǎng)合；第二種計(jì)量模式是微處理器加A／D轉(zhuǎn)換器組成，此模式中相關(guān)電能數(shù)據(jù)是通過(guò)轉(zhuǎn)換器讀取后送至微處理器由微處理器通過(guò)運(yùn)算得出，往往應(yīng)用于工業(yè)用電及對(duì)電能質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合。

本文研究的單相智能電能表采用第一種模式，通過(guò)電壓電流采集電路將相關(guān)電能數(shù)據(jù)傳至電能計(jì)量芯片。

1 單相電能表的設(shè)計(jì)方法

1.1 單相電能表的計(jì)量原理

業(yè)內(nèi)一般用“功率”表述用戶(hù)消耗電能的快慢程度，而電能表計(jì)量的是用戶(hù)消耗的有功能量。由于家庭中用電設(shè)備的不斷接入與退出以及用電設(shè)備在不同工作階段消耗的電能也不相同，因此用戶(hù)負(fù)荷處于不斷的變化中，使得采樣裝置無(wú)法快速準(zhǔn)確測(cè)量得到每一周期內(nèi)的電壓、電流有效值以及二者相位差。針對(duì)此情況以及結(jié)合器件對(duì)電量的測(cè)量方式，可以采用將電流信號(hào)采樣、電壓信號(hào)采樣以及數(shù)字乘法器三者結(jié)合的方法獲取瞬時(shí)功率［3］。假設(shè)每次的采樣間隔為Δt（應(yīng)該足夠短），一段時(shí)間間隔T用N×Δt表示，則采樣點(diǎn)的瞬時(shí)功率如公式（1）所示：

式中，k為采樣點(diǎn)的采樣時(shí)刻，k＝1，2，3，…N。

則用戶(hù)消耗的電能可以用公式（2）表示：

1.2 單相電能表的總體設(shè)計(jì)框圖

本文研究的單相電能表主要由電壓取樣模塊、電流采集模塊、系統(tǒng)供電模塊、電能信息顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳輸模塊等組成。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 電能表總體設(shè)計(jì)框圖

該電能表設(shè)計(jì)的核心是電能計(jì)量模塊以及微處理器控制模塊［4］。其中電能計(jì)量單元采用ATMEL公司的M90E26芯片，它具有獨(dú)立的能量寄存器，并且有功／無(wú)功電能可通過(guò)脈沖輸出或通過(guò)能量寄存器讀取以適應(yīng)不同的應(yīng)用。同時(shí)，它具有高精度∑－Δ轉(zhuǎn)換器的數(shù)字式乘法器，將電壓電流采樣信號(hào)值相乘并通過(guò)相應(yīng)運(yùn)算得到相應(yīng)電能參數(shù)存儲(chǔ)在相應(yīng)的寄存器中供微處理器讀取。在5 000：1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，它的有功電能精度可以達(dá)到0.1%，無(wú)功電能精度可以達(dá)到0.2%。系統(tǒng)的控制模塊采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103系列芯片，通過(guò)STM32對(duì)M90E26的工作模式電壓、電流輸入通道的增益等進(jìn)行配置，并且讀取存儲(chǔ)在電能計(jì)量芯片相應(yīng)寄存器中的有關(guān)電能數(shù)據(jù)。可以通過(guò)STM32編寫(xiě)相應(yīng)的電費(fèi)計(jì)量程序，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用戶(hù)用電量及電費(fèi)通過(guò)顯示模塊顯示，并將一定時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以便更好地掌握電能相關(guān)信息。與此同時(shí)，STM32可以通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊將相關(guān)電能信息傳輸給電力部門(mén)。

1.3 電壓采集電路

用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)電壓進(jìn)行采集，其電路如圖2所示。

圖2 電壓采集電路

M90E26的電壓輸入通道的范圍是120μVrms～600 mVrms，因此需要通過(guò)選擇合適參數(shù)的精密電阻，將220 V的用電電壓通過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為計(jì)量器件允許通過(guò)的電壓范圍［5］，并輸送到 M90E26的VP引腳以及VN引腳。此分壓網(wǎng)絡(luò)輸入電壓的計(jì)算公式為：

式中：UPN表示電壓取樣信號(hào)有效值；U表示電網(wǎng)電壓有效值。

1.4 電流采集電路

M90E26的相線(xiàn)電流輸入通道的增益倍數(shù)有1倍、4倍、8倍、16倍、24倍，分別對(duì)應(yīng)不同的可輸入電壓范圍。如在放大倍數(shù)為4倍時(shí)，其兩端輸入電壓的范圍為30μVrms～150 mVrms。而零線(xiàn)電流的兩端輸入電壓范圍為120μVrms～600 mVrms。因此，也需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有相應(yīng)輸入范圍的信號(hào)后進(jìn)行采樣。本設(shè)計(jì)中相線(xiàn)電流采集電路采用錳銅分流器進(jìn)行采樣［6］；零線(xiàn)電流采用電流互感器進(jìn)行采樣，零線(xiàn)電流經(jīng)過(guò)電流互感器后產(chǎn)生二次電流，然后經(jīng)過(guò)電阻獲得取樣信號(hào)。其采樣電路如圖3所示。

圖3 電流采集電路

在電壓采樣電路與電流采樣電路中輸入端子前面的1 kΩ電阻與33 nF的電容構(gòu)成了抗混疊濾波器，可以將采樣信號(hào)中的高頻分量進(jìn)行有效的濾除，從而減小頻譜的混疊程度；而電容間接地的目的是減小因基準(zhǔn)電壓偏移帶來(lái)的誤差［7］。

1.5 電能表的防竊電

M90E26提供防竊電工作模式。此模式下，L線(xiàn)和N線(xiàn)有功功率的差值閾值有1%，2%，…，1.5625%共16種供用戶(hù)選擇，其防竊電基本原理是根據(jù)L線(xiàn)電流和N線(xiàn)電流的大小，若超過(guò)設(shè)定的閾值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇電流較大的線(xiàn)路進(jìn)行電能的計(jì)量，從而在一定程度上減小了竊電的發(fā)生。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文主要采用了ATMEL公司的電能計(jì)量芯片M90E26以及意法半導(dǎo)體公司的低功耗微處理器STM32相結(jié)合的方式。此裝置在家庭單相用電中使用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、電能脈沖的采集、電能信息的顯示與存儲(chǔ)及通訊、防竊電等功能，具有精度高，便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。