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单片机智能电能表设计.doc
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单片机智能电能表设计.doc
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基于
MSP430
的智能电能表设计
摘要
基于炬力公司的高精度电能计量芯片 ,本文以超低功耗单片机
为控制器,设计了一款三相多功能电能表。该电表围绕
多功能电能表的技术要求和功能规 进展了设计。文中详细介绍
了该多功能电能表的软硬件设计方案。
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引言
随着我国电力事业的蓬勃开展和人民群众生活水平的不断提高,电力已成
为人们生活、工作中必不缺少的组成局部。并且,用电的顶峰和低谷存在的较
大差距,对传统的供电和用电管理系统提出了更高的要求。国家陆续提出了建
立智能电网实现现代化供用电的管理方法,包括电能表具有阶梯电价和自动远
程抄表功能。随着电子技术的开展,电子式电能表以其高准确度、高可靠性和
容易调校等优点逐渐取代了传统的机械式电能表。目前,电子式电能表正朝着
复费率、多功能的方向开展,如:智能电表、费控电表及多功能电表等。
随着居民用户电表数量的增加,人工抄表已经无法满足电力系统的管理和
效劳的需求。人工抄表的工作越来越繁重,效率低、误差大、本钱高,数据的
统计分析准确率低且滞后,无法实现实时抄表、分时计费、实时监测供用电情
况。电力系统迫切需要电力网络技术支持,以便及时准确的获得用电管理、收
费管理、供用电线损统计、分析及电力平安运行等各方面的信息。
为了满足电力部门对电力网络信息系统的要求,现时段研究电能管理与自
动抄表系统,可为智能电网的建立奠定良好的根底。
1. 系统方案与论证
1.1 电参量采集方案比照
方案一 采用多通道数据采集+CPU 运算处理
. .zj.
. -
本方案采用传统的数据采集方案,将三相电压、三相电流信号通过分时较
高频率的采样后,经 位以上的 转换芯片变成数字量送给 '(,'(
测量各相电压与电流之间的相位差,再通过功率、电能数学公式的大量乘加计
算,从而得到系统要求的各种电参数。经网上查询,这种方案约 4 年前在设
计较为简单的电子式电能表中得到过应用,但电路原理极其复杂,'( 运算量
十分庞大,性能不高,造价却很高。
方案二 采用智能电能计量芯片
与传统的电参数采集处理方法相比,智能电能计量芯片具有专用性极高、
价格低廉等显著优点,采用智能电能计量芯片作为电能表的核心元件是目前电
能表行业的标准设计方法。'( 只需通过 / 串行接口把电参数从该芯片中读
出,再经简单处理即可完成操作,这大大减轻了 '( 的负担。该方案具有本
钱低廉、性能优越、外围电路简单、调试简单等优点。
本设计选用方案二,以 / 公司的 单片机为控制器,炬力公
司的 为电能计量芯片,控制器通过 / 总线与 进展通
信,获取电能、功率等相关参数。同时系统还包括时钟、通信及 ' 显示等外
围电路。电能表主要功能特点如下:
〕测量、记录并显示电能表的总及各分相电压、电流、功率以及功率因
数等参数;
〕支持分时计量功能,可实现多时段复费率计费功能;
〕支持播送校时功能,可以自动完成时钟的调校,保证计费的准确度;
〕具有 54、红外通信接口,方便实现远程抄表、远程调校及手持抄表
等功能;
4〕具有停电抄表、失压、失流及断相监测功能;
〕具有多功能测试接口,可输出日记时误差信号、电能脉冲信号等;
〕充分利用 单片机的低功耗特性,实现了三相断相情况下可长
时间正常运行的要求。
1.2 系统设计
根据功能要求,设计了如下的整体方案:系统包括三相多功能智能电表、
红外遥控抄表器以及上位机抄表软件。系统构造框图如图 所示。
图 系统构造框图
红外遥控抄表器通过红外通信的方式完成对电能表内数据的抄取,通过
654 总线与电能表通信,实现对电能表的监测。
电能表主要由电能计量单元、电源管理、微控制器、通信单元、时钟、显
示模块、报警模块、播送校时模块等组成,系统构造框图如图 所示,
. .zj.
. -
图 电能表系统构造框图
、互感器完成大电压和大电流信号到小电流信号的转换。
、电能计量模块采集互感器转换的电流信号,完成对电能的计量。
、电能管理模块为系统提供 7、47 电源,并且完成对时钟电池和系统
后备电池的充电管理。
、显示模块完成对相关数据的显示。
4、报警模块主要完成断相、失压、电池欠压等报警功能。
、通信模块包括红外和 54 通信两局部,提供了红外收发和 654 两种
通信接口,辅助完成实现远程抄表、手持抄表等功能。
、播送校时模块通过接收中国人民播送电台的整点报时信号,完成对内
部时钟的校准。
5、时钟模块为系统提供一个准确的时间,辅助完成分时计量功能。
2. 系统硬件设计
2.1 微控制器
系统主控制器选用了 单片机,该芯片是一种超低功耗微处
理器,采用精简指令集构造,内部具有 8 保护,抗干扰能力强。同时,
采用 位总线,寻址 围可达 9,片内集成有 个硬件乘
法器、 个 位定时器、 路 (6、5 个 /: 口等丰富资源。凭借高可靠
性和超低功耗的特点, 系列单片机被广泛应用于电子产品的设计开发。
2.2 电源模块
整个系统需要两个等级的电压: 47、7。电源模块的构造框图如图 所
示。
图 电源模块构造框图
为满足国标中提出的“三相三线断一相、三相四线断两相时,电能表能正常
工作〞的要求,本系统电源采用了今升阳科技研发的 :4 型三
相四线制电表专用开关电源。该电源模块具有超宽输入 围:4~7'
~47',具有输出过流、短路、过压保护功能,具有输入欠压、过压关
断保护,效率可高达 5;,<47 输出。
为满足国标“断电后应保持内部时钟正确工作时间累计不少于 4 年〞和“备
用时钟电源容量 ≥ 1〞的要求,本设计采用 4& 的环保型锂离子电
池。该电池额定电压为 17,最高电压为 17。本设计选用的时钟芯片
'54 正常工作电压为 17~4147)该锂电池可直接为 '54 供电。
. .zj.
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pyhm63
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