電能的智能計量采集設計實現

肖建明 嚴素清

摘 要 傳統的電能收集方式采用手工抄表，該方式工作量大，對人力物力造成極大浪費。本文采用STC12LE5A60S2設計實現了一種電能智能計量與采集，使用分流器及AED7755實現電能電量檢測，通過無線通信實現電能上傳。本設計具有低功耗、低成本、安全、高效率、較高的性價比和應用前景，推動了電能自動計量及采集。

關鍵詞 核心處理器;電量計量;無線通信;顯示

引言

長期以來，我國所使用的交流電能表主要為感應式的機械電表，電費采用人工抄讀電表方式，不但工作量大，周期長，而且容易出現錯誤，存在著勞動強度大、效率低、抄表不到位、錯抄、漏抄、估抄、錯算等嚴重問題[1-3]。于是智能電表應運而生，而且具有高精確度、高可靠性和容易調校等優點。電子式電表的廣泛應用，為電能計量的網絡化管理以及智能抄表奠定了基礎[4-6]。

1電能計量采集方案

設計利用核心處理器與電能測量芯片實現電能的實時測量，同時能將測量結果通過無線傳輸到手持式終端。具有顯示、存儲和日期顯示等功能，設計方案如圖1所示。

本方案采用STC12LE5A60S2為核心處理器，控制系統工作。利用ADE7755計算電能，通過存儲芯片對數據進行存儲，實現掉電后數據不丟失，最后把電量通過無線發送至手持式終端進行顯示及存儲，實現對電能計量與采集。

2設計實現

2.1 主控電路

采用STC12LE5A60S為核心處理器，對各個模塊及電路進行統一協調和控制。STC12LE5A60S2單片機是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051，指令代碼與傳統8051完全兼容[7]。主控電路包括復位電路、晶振電路以及電源電路等。主控電路控制和協調整個系統。晶振電路為單片機提供時鐘，保證單片機的正常工作，是最小系統中不可缺少的部分。

2.2 電能檢測

采用ADE7755計量電能，精度高，在500∶1的動態范圍內誤差小于0.1%，且芯片外圍電路簡單，便于系統的開發[8-9]。

2.3 無線傳輸

無線傳輸采用NRF24L01進行數據傳輸，功耗低，外圍電路簡單，只需要少量的外圍元件就可以實現無線通信;兼容多種電壓I/O口，操作簡單方便，只需要配置幾個寄存器就可實現收發數據，控制器采用SPI通信方式;NRF24L01采用數字調制解調技術，速率高且穩定。

2.4 時鐘模塊電路

時鐘電路采用的是DS1302。通信方式采用串行方式進行數據傳輸，備用電源在掉電提供可編程的充電功能，并且可以根據自己設置開關閉充電功能。采用普通32.768kHz晶振。

2.5 軟件設計

軟件設計主要包括電能電量采集處理和手持式終端兩部分。

系統進入工作時先讀取存儲器里的電量數據，當用戶用電時，電量發生變化，立即將最新的數據存入存儲器中，實現電量數據的存儲，且掉電后數據不會丟失。如收到手持式終端發送數據請求，則把電量信息發送給終端，否則繼續檢測電量變化。

當手持式終端讀取存儲器數據，進入菜單界面。用戶操作菜單可實現數據讀取并顯示。若需獲取當前電量，按下操作菜單，將發送請求給電能表，電能表把電量信息發送回來，再存入存儲器中。

2.6 無線通信程序設計

無線通信包括數據接收與發送兩個過程。發送數據和接收數據都是通過配置內部寄存器，使無線NRF24L01工作在不同的模式。首先進行NRF24L01初始化，當需要接收數據時，設置本機地址和接收數據，設置完成后接收數據。程序如下：

void NRFSetRXMode （ ）

{

CE=0;

NRFWriteTxDate （W_REGISTER+RX_ADDR_P0， TxAddr， TX_ADDR_WITDH）;

NRFWriteReg（W_REGISTER+EN_AA，0x01）;

NRFWriteReg（W_REGISTER+EN_RXADDR，0x01）;

NRFWriteReg（W_REGISTER+RF_CH，0x40）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+RX_PW_P0， TX_DATA_WITDH）;

NRFWriteReg（W_REGISTER+RF_SETUP，0x07）;

NRFWriteReg（W_REGISTER+CONFIG，0x0f）;

CE = 1;

Delay （ 10 ） ;? ?//保持 10 u s秒以上

}

發送數據時首先寫入接收機地址，把所需要發送數據寫入寄存器，如果發送數據沒有收到應答信號，則再次重發數據。發送完成后由IRQ產生中斷。程序如下：

void NRFSetTxMode （unsigned char *TxDate）

{

CE = 0;

NRFWriteTxDate （W_REGISTER+TX_ADDR， TxAddr， TX_ADDR_WITDH）;

NRFWriteTxDate （W_REGISTER+RX_ADDR_P0， TxAddr， TX_ADDR_WITDH）;

NRFWriteTxDate （W_TX_PAYLOAD， TxDate， TX_DATA_WITDH）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+EN_AA， 0x01）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+EN_RXADDR， 0x01）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+SETUP_RETR， 0x0a）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+RF_CH， 0x40）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+RF_SETUP， 0x07）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+CONFIG， 0x0e）;

CE = 1;

Delay （ 10 ） ;//保持10us秒以上

}

3電能測試

本實驗中采用1000W左右用電器作為負載，電流在4～5A左右。接入單相電220V。測試工具為電筆、萬用表等。由于整個測量過程中電壓、電流并非恒定不變，采用平均電量進行估算。測試電能如表1所示。

從表1中測試數據分析顯示本設計方案計算顯示電能與直接人工測試電流、電壓所得電能平均誤差僅為1.15%。該誤差滿足用戶要求。

4結束語

本文結合單相配電計量設計實現基于STC12LE5A60S2電能智能計量采集，實現了電量的計量、無線通信、數據存儲、電量顯示、時間等功能，系統性能良好，為方便功能擴展提供了備用接口，提升了系統靈活性，有效節約資源，降低人力物力成本，具有很好的應用市場與前景。

參考文獻

[1] 郭棟，孫明珠.基于無線技術的智能電能表設計[J].遼寧工業大學學報（自然科學版）， 2014， 34（4）：220-221.

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[3] 劉理云.低成本高精度多功能數字式單相電能表設計[J].北京電子科技學院學，2010：83-90.

[4] 賀靜丹.單相多功能電能表設計[J].電子測量與儀器學報，2011， 1：11-13.

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[6] 王曉蘭.基于CAN/RE-485雙層網絡遠程系統抄表設計[J].微計算機信息，2006（17）：6.

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[8] 蔡艷軍.基于AT89S52的單相數字電能表設計實現[J].主機光盤軟件與應用，2010，7：104-106.

[9] 張瑞占.基于ATT7022B三相精確計量智能電能表設計[J].電子測量技術，2008：31.

作者簡介

肖建明（1973-），男，江西萍鄉人;職稱：講師;現就職單位：廣西師范大學漓江學院，研究方向：信號處理;計算機應用。