CN101482578A - 多功能电能表 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种以Microchip dsPIC30F6014A单片机为核心构成的单相多功能电子式复费率电能表。该电能表包括了电源电路、采样电路、汉字LCD显示器、电能脉冲接口和通讯接口。采样交流电压、电流经过互感器和运算放大器TLC2264进入到MCU中的AD模块，同时电压信号进入MCU的输入捕捉模块获得采样频率，再经64点快速傅立叶变换得到精确的电量数值，因此款MCU所特有的DSP模块，使电能表具有更高的测量精度和运算速度。同时依靠实时时钟有效地将电能根据设置的时段和每月结算日期，产生分时段电能以及各月各费率的电能记录。多功能电能表可记录并保存电能的最大需量、停电来电、清空电能、设置系统参数等事件的发生情况，以利于电力部门进行统计和调整供电方案，实现能源的合理配置。

Description

多功能电能表

技术领域

本发明涉及一种计量电子仪表，具体说涉及一种电能表。

背景技术

随着我国经济的飞速发展，各行各业对电的需求越来越大，不同时间用电量不均衡的现象也日益严重。为缓解我国日趋尖锐的电力供需矛盾，调节负荷曲线，改善用电量不均衡的现象，全面实行峰、平、谷分时电价制度，“削峰填谷”，提高全国的用电效率，合理利用电力资源，国内部分省市的电力部门已开始逐步推出了多费率多功能电能表，对用户的用电量分时计费。这种电能表采用1.0级感应系电能表机芯为基础，采用红外光电变换器，脉冲输出和中央处理器(MCU)，单片机电路，使用附带的键盘编程或者红外无线键盘来进行各种需求量、时钟、时段的设定，可保护本月最大需求量、上月最大需求量和本月尖、峰、平、谷最大需求量显示及存储。带有脉冲输出及RS-232串行通信口，便于数据远程传送与监控。仪表性能比较精密可靠，功能可满足我国现阶段分时计费需求，生产工艺比较成熟，是目前国内应用最为广泛的一代产品。

但是美中不足的是很多生产厂家自行开发专用集成单片机，存储器和IO口资源有限，对于扩展更多功能或实现点阵汉字显示非常不便。且这些芯片多为8位单片机，影响程序执行速度和效率。还有一些电能表使用了单独的电能计量芯片，虽然克服了上述一些问题，却造成了硬件集成度不高，外围电路复杂，能耗大，同时也增加了生产的成本。

发明内容

针对现有电能表存在的缺陷，本发明提供一种外围电路少，硬件集成度高、能耗低、功能多、成本低、使用方便的电能表。

解决上述技术问题所采取的具体技术措施是：一种多功能电能表，其特征在于：由Microchip dsPIC30F6014A单片机、电源电路、外部时钟电路、LCD汉字显示器及键盘、测量回路、通讯接口构成：

电源电路：交流电源联接电源模块，得到12V的直流电压，一组输出端联接液晶显示器电源输入端，另一组输出端联接MC7805，MC7805输出端联接单片机电源输入端；

时钟电路：MCU的I2C模块以数据SDA和时钟SCL两线方式与PCF8563进行数据交换，PCF8563的振荡器接口连接32.768K晶振，法拉电容和系统电源连接时钟芯片；

显示及键盘电路：汉字显示器与单片机相连接，键盘设置“返回”、“修改”、“确认”、“查询”键；

测量回路：电网中的交流电压、电流连接互感器信号输入端，互感器信号输出端连接TLC2264四路运算放大器的其中两路输入端，放大电路输出端连接单片机的2路AD输入接口AN3，AN4，AGND直接联结AN2；放大器的方波信号输出端连接单片机的RD8引脚；

通讯接口：单片机上具有两路UART模块，红外线模块输入联接MCU的U1TX1，输出接U1RX1；RS485接口输入联接MCU的U2TX，输出接U2RX。

MCU的工作流程为，初始化Microchip dsPIC30F6014A，包括对所用到的按键外部中断、定时器中断、输入捕捉中断、串口中断、ADC中断等常用中断和I2C、UART等所用模块的初始化。读出MCU中保存的电能表测量参数、通讯参数、电能脉冲参数、费率设置参数、电能、需量和事件的记录等。设置好看门狗定时器，以防止程序跑飞或电能表死机。进入程序循环后，根据设置的各个显示页面的内容，通过外部中断按键进行调用，使得点阵液晶屏上显示所有所需的字符和汉字。中断扫描通讯接口，当接受到正确的数据帧后，返回电量数值或修改电能表参数。按所得采样周期采样并完成AD转换，经64点快速傅立叶变换，再经软件滤波得到电压、电流和频率，并以此计算功率、功率因数和有功、无功电能，电能每隔1秒保存到MCU的EEPROM中。根据所测有功、无功功率得到每单位时间的有功、无功电能脉冲数，通过MCU的定时器和脉冲管脚输出电能脉冲。循环通过I2C模块读取外部时钟得到当前时间，与所设的时间段进行比较，用程序分析得到当前费率和当前月份，把电能准确合理的归入各时段、各月份电能的记录中。然后根据所设需量周期和滑差判断电能最大需量并保存，同时对停电、来电、清空电能、修改电能表参数等事件进行记录，将相关的时间、电能、次数等参数保存到MCU的非易失性数据存储区中。定时监测所设的起始日是否到达，如果到达将清空本月数据，修改其它月份的数据。另外程序提供了良好的人机键盘参数编程页面。当通过按键密码检验后，电能表进入参数编程设置界面，可以对电能表的地址、通讯方式、显示模式、测量参数、当前时间、分费率时间段及其费率、电量结算日、需量参数、电能起始数值等参数分别进行编辑，退出时可以把修改的参数保存到MCU中。另外此电能表还可以通过密码进入设置起始电能、校准电表、清空电能及需量等界面。编程功能方便且强大。

本发明的有益效果：本发明提供了一种用Microchip dspic30F6014A芯片以及少量外围电路，即可实现电量测量、电能记录、需量统计、费率设置、事件管理、键盘操作和LCD汉字显示的新型多功能复费率单相电能表。且由于设计采用了点阵汉字液晶显示器，使得操作人员能够更简单、更直观的实现人机对话，避免了由于设置操作失误所造成的不必要的损失。

本发明具有电路简单、功能全面、操作直观、计量精确、成本低廉等特点。采用Microchip dsPIC30F6014A的电能表大大节省了功耗，并提高了程序的执行效率。传统的电能表只具备一些基本的计量功能，而现在使用了该款芯片，使得电能表的功能非常全面，必然更加有利于电力部门合理高效地实现电力能源的合理分析与配置。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是图1中电源电路图。

图3是图1中电压、电流采样电路图。

具体实施方式

一种单芯片多功能电能表是由Microchip dsPIC30F6014A单片机、电源电路、外部时钟电路、LCD汉字显示器及键盘、测量回路、通讯接口、脉冲输出接口构成，如图1所示。

Microchip dsPIC30F CPU模块采用高性能的16位(数据)改良的哈佛架构，并带有增强型指令集包含对DSP的有力支持。CPU拥有24位指令字，指令字带有长度可变的操作码字段。程序计数器(PC)为24位宽，可以寻址高达4M×24位的用户程序存储器空间。DSP引擎具备一个高速17位×17位乘法器、一个40位ALU、两个40位饱和累加器和一个40位双向桶形移位寄存器。Microchip dsPIC30F系列单片机集成了采样、按键、LCD驱动、双通讯、非易失性数据存储等模块，高达30MIP的工作速度，灵活的看门狗定时器，超大容量的数据存储空间，使得基于此芯片研发的电能表可以方便的完成电量测量、需量记录、费率设置、事件管理等项工作，且含有两路通讯接口，可支持多种通讯方式。

电源电路：如图2，将交流回路电压引入电源模块，得到12V的直流电压，经过MC7805变换后得到供MCU工作的5伏电压。同时12V电压也为液晶显示器供电。

时钟电路：为分时计费、事件记录提供时钟源，包括PCF8563和它所用法拉电容及32.768K晶振组成，具有日历、计时和闰年自动切换等功能。

MCU的I2C模块以数据SDA和时钟SCL两线方式与PCF8563进行数据交换。法拉电容和系统电源分别在电能表上电和无电时为时钟芯片供电。PCF8563的振荡器接口连接32.768K晶振，形成振荡源，提供分频信号。

显示及键盘电路：两者配合显示电量、调整参数。四个按键分别代表“返回”、“修改”、“确认”、“查询”功能。通过按键切换显示内容，可以显示实时电量、电能及需量记录、输入密码设置参数、清空电能等。显示器采用128×64点阵显示屏，突破了传统段码LCD只能显示若干固定符号的限制，使电能表更直观更具操作性。

测量回路：如图3，电网中的交流电压、电流信号分别经过电压互感器和电流互感器得到模拟采样信号，经过TLC2264运算放大器的输入引脚，放大后输出的信号经过100欧电阻降压，形成标准宽范围的正弦波进入MCU的AD转换模块，电压信号连接信道AN3，电流信号连接信道AN4，基准地信号连接信道AN2。同时采样得到的电压模拟信号经运放积分后形成方波信号，进入MCU的输入捕捉通道RD8，得到电网频率和MCU采样中断周期，并以此判断正弦波的周期。所采样信号经过AD转换后，通过64点快速傅立叶变化和软件滤波结合DSP模块功能得到交流电压、电流的实际值，进而得到功率和电能。

通讯接口：Microchip dsPIC30F6014A具有两路UART模块，可选择红外线、RS232、RS485等接口与上位机通讯。

脉冲输出接口：为校表或计量检测所设置。Microchip dsPIC30F6014A产生的有功、无功电能脉冲采用两路高速光耦NEC2701隔离输出实现，既简单又安全可靠。

以上各部分电路通过与Microchip dsPIC30F6014A的完整连接实现了多功能复费率电能表的所有功能。

Claims (1)

1、一种多功能电能表，其特征在于：是由Microchip dsPIC30F6014A单片机、电源电路、外部时钟电路、LCD汉字显示器及键盘、测量回路、通讯接口构成：

电源电路：交流电源联接电源模块，得到12V的直流电压，一组输出端联接液晶显示器电源输入端，另一组输出端联接MC7805，MC7805输出端联接单片机电源输入端；

时钟电路：MCU的I2C模块以数据SDA和时钟SCL两线方式与PCF8563进行数据交换，PCF8563的振荡器接口连接32.768K晶振，法拉电容和系统电源连接时钟芯片；

显示及键盘电路：显示器与单片机相联接，键盘设置“返回”、“修改”、“确认”、“查询”键；

测量回路：电网中的交流电压、电流联接互感器信号输入端，互感器信号输出端联接TLC2264四路运算放大器的其中两路输入端，放大电路输出端联接单片机2路AD输入接口AN3、AN4，AGND直接联结AN2；放大器的方波信号输出端连接单片机的RD8引脚；

通讯接口：单片机上具有两路UART模块；红外线模块输入联接MCU的U1TX1，输出接U1RX1；RS485接口输入联接MCU的U2TX，输出接U2RX。

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