寬頻單相智能電能表的設(shè)計(jì)

王麗娟

（鄭州華信學(xué)院 河南 鄭州 451100）

隨著高新技術(shù)尤其是電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，電子式、多功能、高精度、多費(fèi)率、自動(dòng)抄表等產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)突顯，已經(jīng)成為電能表發(fā)展的主流。在電能表改造或研制方面，出現(xiàn)了磁卡式電表、電卡式電表、IC卡電表、全電子電表、帶有通信接口的電度表等多種類型的表計(jì)。在抄表方式上，使用遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)手工抄表方法存在的速度慢、可靠性差、自動(dòng)化程度低等問題。

隨著電子式電能表技術(shù)的不斷進(jìn)步，有更多的用戶關(guān)注電表的量程、輕載準(zhǔn)確度、低功率因數(shù)準(zhǔn)確度、起動(dòng)靈敏度、防潛動(dòng)可靠性，以及諧波下計(jì)量的準(zhǔn)確性等特性。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的射頻卡預(yù)付費(fèi)智能電表主要有以下功能：

1）預(yù)付費(fèi)功能：預(yù)收電費(fèi)，剩余電量為零時(shí)自動(dòng)拉閘斷電；

2）合閘拉閘方式：內(nèi)附開關(guān)和外附控電開關(guān)兩種規(guī)格；

3）記憶功能：斷電情況下表內(nèi)數(shù)據(jù)可保存10年；

4）顯示功能：雙顯示，計(jì)度器顯示累計(jì)用電量，LED顯示器顯示剩余電量及其它信息。

而中國(guó)網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)為單相電表設(shè)計(jì)所提出的設(shè)計(jì)要求主要包括以下幾點(diǎn)：

1）基本計(jì)量功能增強(qiáng)，需要計(jì)量正反向有功電量，并測(cè)量線路電壓、相線電流、零線電流、有功功率，甚至功率因數(shù)等；

2）費(fèi)控功能復(fù)雜，需要支持IC卡本地費(fèi)控或載波遠(yuǎn)程費(fèi)控，支持時(shí)段電價(jià)或階梯電價(jià)，并需增加ESAM芯片以保證費(fèi)控部分的數(shù)據(jù)安全性；

3）需要支持多種抄表通訊模式，如紅外、RS-485和電力線載波；

4）外殼模具統(tǒng)一，液晶屏、LED指示燈、按鍵、紅外抄表和嵌入式載波通訊模塊安裝位置均完全固定，極大限制了電子線路布局布線的靈活性；

5）功能龐雜，除電量計(jì)量外還增加了大量的管理功能。

顯然現(xiàn)有的射頻卡預(yù)付費(fèi)智能電表功能無法滿足新標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范要求，本文旨在原有的射頻卡預(yù)付費(fèi)智能電表的基礎(chǔ)上，針對(duì)要求增加的新功能，通過利用ATMEGA16單片機(jī)、羅氏線圈、RS485通訊、LCD顯示器等部件，對(duì)智能電表在硬件上進(jìn)行研究和改進(jìn)。

1 單片機(jī)接口設(shè)計(jì)

ATmega16單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 ATMEGA16單片機(jī)接口設(shè)計(jì)圖Fig. 1 The ATMEGA16 single-chip microcomputer interface design

ATmega16單片機(jī)中含有32 個(gè)通用I/O 口線，32 個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，3個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFP封裝) 的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI 串行端口，以及六個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式[1]。

其中VCC接5 V電源，GND接地，RESET為復(fù)位輸入引腳。

端口PA(PA7..PA0) 端口A 做為A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，接LCD顯示器。端口A 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口A 處于高阻狀態(tài)。

端口B(PB7..PB0) 端口B 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口B 處于高阻狀態(tài)。

端口C(PC7..PC0) 端口C 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口C 處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、 PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被激活。

端口D(PD7..PD0) 端口D 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口D 處于高阻狀態(tài)。

XTAL1為反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端。

XTAL2為反向振蕩放大器的輸出端。

2 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)

PCF8563P多用于I2C總線接口的多功能時(shí)鐘/日歷電路，具有多種報(bào)警功能、定時(shí)器功能、時(shí)鐘輸出功能以及中斷輸出功能能完成各種復(fù)雜的定時(shí)服務(wù)，甚至可為單片機(jī)提供看門狗功能。內(nèi)部時(shí)鐘電路、內(nèi)部振蕩電路、內(nèi)部低電壓檢測(cè)電路1.0 V 以及兩線制I2C 總線通訊方式，不但使外圍電路極其簡(jiǎn)潔，而且也增加了芯片的可靠性[2]。

3 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)單復(fù)位電路的好處在于不受工作電壓范圍的限制，而專用復(fù)位集成電路，必須注意復(fù)位電壓和工作電壓是否匹配。這類專用的復(fù)位集成芯片除集成復(fù)位電路外，還有些集成看門狗、EEPROM存儲(chǔ)器等其他功能模塊。復(fù)位電路可采用簡(jiǎn)單的電阻、電容及按鍵開關(guān)構(gòu)成上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位，也可選擇專用的復(fù)位集成芯片[3]。復(fù)位電路連接示意圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)復(fù)位電路Fig. 2 Reset circuit of single-chip microcomputer

4 電源電路的設(shè)計(jì)

一個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性很大程度上取決于穩(wěn)定的電源模塊是否能夠提供穩(wěn)定的電壓和電流。各種整流器的輸出電壓不僅受市電電壓變化的影響，還受負(fù)載變化的影響。為了滿足精密電子設(shè)備的要求，應(yīng)在電源的輸入端加入線性穩(wěn)壓器，以保證電源電壓恒定和實(shí)現(xiàn)有源噪聲濾波。

單片機(jī)電路工作電源電壓為+5 V，平時(shí)用到的電源為220 V交流電壓，因此，需要設(shè)計(jì)電源電路。該電源電路中使用了7805穩(wěn)壓芯片，從而保證+5 V電壓值的輸出。圖中二極管D2為了防止反接，C12用以抵消輸入端較長(zhǎng)接線感應(yīng)，防止產(chǎn)生自激震蕩。C10為了瞬時(shí)增減負(fù)載電流時(shí)不致引起輸出端有較大的波動(dòng)，C10、C12一般可以選0.1～1 uF之間。電源電路模塊圖如圖3所示。

5 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖3 電源電路Fig. 3 Power circuit

在通訊工程中，在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS-485 串行總線，RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測(cè)低至200 mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。RS-485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制[4]。RS-485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線。應(yīng)用RS-485 可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器[5]。

6 羅氏線圈的設(shè)計(jì)

Rogowski線圈（洛氏線圈 )又叫電流測(cè)量線圈、微分電流傳感器，是一個(gè)均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環(huán)形線圈。輸出信號(hào)是電流對(duì)時(shí)間的微分。通過一個(gè)對(duì)輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行積分的電路，就可以真實(shí)還原輸入電流[6]。

它不含鐵磁性材料，無磁滯效應(yīng)，幾乎為零的相位誤差；無磁飽和象，因而測(cè)量范圍可從數(shù)安培到數(shù)百千安的電流；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且和被測(cè)電流之間沒有直接的電路聯(lián)系；響應(yīng)頻帶寬0.1 Hz-1 MHz。與帶鐵芯的傳統(tǒng)互感器相比，洛氏線圈具有測(cè)量范圍寬，精度高，穩(wěn)定可靠，響應(yīng)頻帶寬，同時(shí)具有測(cè)量和繼電保護(hù)功能，體積小、重量輕、安全且符合環(huán)保要求。

基于洛氏線圈的具有電流可實(shí)時(shí)測(cè)量、響應(yīng)速度快、不會(huì)飽和、幾乎沒有相位誤差的特點(diǎn)，故其可應(yīng)用于繼電保護(hù)，可控硅整流，變頻調(diào)速，電阻焊等信號(hào)嚴(yán)重畸變的場(chǎng)合。

本文采用Rogowski線圈對(duì)用戶所使用的電能進(jìn)行寬頻測(cè)量。將Rogowski線圈與電阻電容串聯(lián)，兩條引腳分別接于ADE7763芯片的V1P和VIN口，用于對(duì)電流數(shù)據(jù)的采集。

7 PCB板的設(shè)計(jì)

當(dāng)電路的各個(gè)部分都設(shè)計(jì)完成后，在PROTEL軟件中將他們有序的組合在一起構(gòu)成電路的原理圖，為PCB板[7-8]設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)PCB板之前，需要先收集原理圖中所用到的元件的技術(shù)資料并確定封裝形式等。當(dāng)在軟件所提供的庫中找不到所需要的元件封裝時(shí)，就要自己根據(jù)資料中的封裝手動(dòng)繪制PCB封裝。繪制PCB時(shí)，首先確定PCB 板的輪廓，確定工藝要求（使用幾層板等）。然后將原理圖傳輸?shù)?PCB板中來，在網(wǎng)絡(luò)表、設(shè)計(jì)規(guī)則和原理圖的引導(dǎo)下布局和布線，使用設(shè)計(jì)規(guī)則檢查工具查錯(cuò)等。PCB的設(shè)計(jì)是電路設(shè)計(jì)中的另一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它將決定該產(chǎn)品的實(shí)用性能，需要考慮的因素很多，不同的電路有不同要求。

當(dāng)PCB繪制完成后，關(guān)于硬件電路的設(shè)計(jì)部分就已經(jīng)完成，接下來就可以根據(jù)原理圖進(jìn)行軟件部分的設(shè)計(jì)了。

8 結(jié)束語

以上通過利用ATMEGA16單片機(jī)、羅氏線圈、RS485通訊、LCD顯示器等部件，能夠設(shè)計(jì)出一個(gè)基于單片機(jī)的寬頻單相智能電能表的硬件部分。以ATMEGA16單片機(jī)為核心，通過串口通信利用遠(yuǎn)程控制電能表，同時(shí)采用數(shù)碼管將數(shù)據(jù)顯示出來，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電能的消耗情況，也就達(dá)到了智能化的一個(gè)設(shè)計(jì)目的。

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