CN106569029A - 单相智能电表 - Google Patents

Abstract

本发明提出的单相智能电表，属于智能电表领域，包括表计主控芯片，在表计主控芯片的输入端连接有电压信号采样电路、基于锰铜分流器的电流信号采样电路以及基于电流互感器的电流信号采样电路；还包括连接在表计主控芯片上的存储电路、液晶显示电路、近红外通讯电路、RF通讯电路以及脉冲输出电路；在表计主控芯片上还连接有用于对表计主控芯片供电的电源电路。通过使用集成多种功能的芯片，简化了使用该芯片的单相智能电表的结构，同时提高了单相智能电表的可靠性。

Description

单相智能电表

技术领域

本发明属于智能电表领域，特别涉及单相智能电表。

背景技术

当前，通用的分立设计方案的电能表一般采用微控制器单元(micro controlunit，MCU)加专用计量芯片、时钟芯片和液晶驱动芯片等外围器件的，独立芯片完成独立的计量、时钟、液晶(liquid crystal display，LCD)显示和数据管理功能。其中专用的计量芯片完成电信号的测量和计量；MCU完成通过通信接口从计量芯片获取计量数据，并进行处理的功能；时钟芯片实现日历时钟和和液晶驱动芯片完成液晶显示功能。很明显，电能表的现有分立设计方案存在硬件电路复杂、可靠性差的缺陷。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提供了用于简化电路结构、提高硬件电路可靠性的单相智能电表。

为了达到上述技术目的，本发明提供了单相智能电表，所述单相智能电表，包括：

表计主控芯片，在所述表计主控芯片的输入端连接有电压信号采样电路、基于锰铜分流器的电流信号采样电路以及基于电流互感器的电流信号采样电路；

还包括连接在所述表计主控芯片上的存储电路、液晶显示电路、近红外通讯电路、RF通讯电路以及脉冲输出电路；

在所述表计主控芯片上还连接有用于对所述表计主控芯片供电的电源电路。

可选的，所述表计主控芯片为HT5017芯片。

可选的，所述电压信号采样电路，包括：

依次相连的电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13，在电阻R13的一端连接有RC电路；

在所述RC电路中设有电阻R70以及与所述电阻R70并联的电阻R14、电阻R16，在所述电阻R16与所述R70之间还设有电容C11、电容C12。

可选的，所述基于锰铜分流器的电流信号采样电路，包括：

连接在火线上的第一线路和第二线路；

在所述第一线路上设有电阻R17，在所述第二线路上设有电阻R19，在所述第一线路与所述第二线路之间并联有电阻R18以及相互串联的电容C28、电容C33。

可选的，所述基于电流互感器的电流信号采样电路，包括：

连接在零线上的第三电路和第四电路；

在所述第三电路上并联有电阻R21和电阻R22，还包括与所述电阻R21串联的电容C37；

在所述第四电路上并联有电阻R23和电阻R24，还包括与所述电阻R23串联的电容C39。

可选的，在单相智能电表启动后，首先令普通输入输出接口检测上电情况，如果检测到已上电，则对所述表计主控芯片进行参数初始化处理，在初始化处理后对所述单相智能电表是否装载有电池进行检测，在确认装载电池并且在所述普通输入输出接口检测到上电情况后，读取所述单相智能电表所处线路上的电压；

如果读取到的电压值大于150V，则进行刷新标志置位处理；

如果读取到的电压值小于或等于150V，则关闭电量计量功能同时保存当前电量，进而对电池标志是否置位进行检测。

可选的，所述在令普通输入输出接口检测上电情况后，对电池标志是否置位进行检测。

可选的，所述进行刷新标志置位处理，包括：

检测所述单相智能电表是否已经进行一分钟标志置位，如果已进行则对所述单相智能电表的输入端口、随机存取存储器以及状态参数进行自检，在自检完成后进行检测所述单相智能电表的电量进位标志置位状态；

如果所述电量进位标志已置位，则保存当前电量，检测电量刷新标志的状态，以及电量结算标志、显示刷新标志的状态，在检测完成后读取电压值。

可选的，所述在对电池标志是否置位进行检测后，还包括：

如果所述电池标志未置位，令所述表计主控芯片进入低功耗状态；

如果所述电池标志已置位，令所述表计主控芯片进入待机状态；

在所述表计芯片进入低功耗状态或待机状态后，如果检测到秒中断标志，则读取电压值，如果未检测到秒中断标志，则检测按键中断标志，并在检测到按键中断标志后读取电压值。

可选的，所述令表计主控芯片进入低功耗状态，包括：

对所述表计主控芯片的所述随机存取存储器进行初始化处理，将进入低功耗状态的信息显示在显示屏上，令所述表计主控芯片进入低功耗配置。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

通过使用集成多种功能的芯片，简化了使用该芯片的单相智能电表的结构，同时提高了单相智能电表的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的单相智能电表的结构示意图；

图2是本发明提供的LCD驱动电路；

图3是本发明提供的电压信号采样电路的结构示意图；

图4是本发明提供的基于锰铜分流器的电流信号采样电路的结构示意图；

图5是本发明提供的基于电流互感器的电流信号采样电路的结构示意图；

图6是本发明提供的表计程序流程图一；

图7是本发明提供的表计程序流程图二。

具体实施方式

为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。

实施例一

本发明提供了本发明提供了单相智能电表，如图1所示，所述单相智能电表，包括：

表计主控芯片，在所述表计主控芯片的输入端连接有电压信号采样电路、基于锰铜分流器的电流信号采样电路以及基于电流互感器的电流信号采样电路；

还包括连接在所述表计主控芯片上的存储电路、液晶显示电路、近红外通讯电路、RF通讯电路以及脉冲输出电路；

在所述表计主控芯片上还连接有用于对所述表计主控芯片供电的电源电路。

在实施中，该单相智能电表包括表计主控芯片，在该主控芯片的外围设有进行信号采样输入的电压信号采样电路、基于锰铜分流器的电流信号采样电路以及基于电流互感器的电流信号采样电路，还有用于同表计主控芯片进行数据交互的存储电路、近红外通讯电路和RF通讯电路。

与现有技术中分体式设计的智能电表相比，本实施例提出的单相智能电表基于高集成度的单芯片设计，

在表计主控芯片内部集成的3路高精度模数转换器分别对火线电流(锰铜回路)、零线电流(电路互感器回路)、电压分别采样，将采样得到的数据进行量化转换为数字信号，然后通过相应得数据处理完成对电参数测量、电能量累计等工作及脉冲输出；通过芯片内部集成的LCD驱动器驱动外部液晶显示电表的相关状态信息及用户需要的电参数数据。

在芯片内部有3个串口，完全可以满足RF通讯，近红外通讯等通讯接口的要求，非常容易实现用户和智能电表之间的数据交互；由存储模块存储电表配置参数、电量数据、负荷曲线与事件记录信息；通过表计主控内部丰富的普通输入输出(Common input andoutput，GPIO)口和中断资源完成编程按键查询、开盖检测报警输入和背光控制和发光二极管脉冲输出等功能；电池模块用来支持停电显示功能。

其中的液晶显示电路，通过SoC内部的LCD驱动器直接驱动外部段式液晶模块进行显示。LCD驱动电路如图2所示。图2中SEG0-SEG12为段输出，COM0-COM3为公共输出，接LCD背极；左边的17个电容用于滤除干扰信号，提高整表的静电放电(ElectroStatic Discharge，ESD)和电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility,EMC)性能。对LCD的软件配置很方便，配置好LCD模块的时钟源flcd周期、快速充电模式以及使能实际使用的SEG脚后，根据显示内容与LCD各段的映射关系将数据写入LCD内存寄存器即可。

可选的，所述表计主控芯片为HT5017芯片。

在实施中，表计主控芯片优选使用HT5017，即在表计主控芯片内集成32-bit ARM内核、128K flash、8K SRAM，支持断相防窃电功能的硬件能量计量单元(EnergyMeasurement unit，EMU)模块，带有温度自补偿功能的高精度实时时钟(Real-Time Clock，RTC)模块，以及LCD驱动等外设资源，从而利用一颗这样的芯片就可以实现电能表的计量、时钟、LCD显示和数据管理等功能。

HT5017是一款单相专用电能计量系统芯片，芯片结构设计严谨，功能强大并经过了严格测试。使用HT5017进行电能表的开发具有如下一些明显优势：由于高度集成，芯片对温度、湿度以及电磁干扰的敏感度大幅度降低，系统的性能和可靠性一定程度上得到了提高。内部功能模块丰富，在应用该芯片进行电能表设计时可以省掉很多外围的功能芯片，如专门的计量芯片，实时时钟芯片、LCD液晶驱动芯片、掉电检查芯片、硬件看门狗等，系统成本能够进一步得到降低。

电能表主要功能分为测量、处理和显示等部分。电压、电流信号经采样电路输入到主控表计主控芯片，经AD转换器变换成相应的数字信号，然后通过相应的数学计算求出电压、电流、功率因数、频率、需量等参数，通过通讯接口与外界通信，同时记录存储电量数据和事件信息及进行人机交互等。下面对主要的功能单元进行说明。

所述电压信号采样电路，包括：

依次相连的电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13，在电阻R13的一端连接有RC电路；

在所述RC电路中设有电阻R70以及与所述电阻R70并联的电阻R14、电阻R16，在所述电阻R16与所述R70之间还设有电容C11、电容C12。

在实施中，如图3所示电压信号采样电路，通过电压网络降压和电阻电容(Resistor-capacitor，RC)低通滤波器电路输入到表计主控芯片，由于表计主控芯片支持差分信号输入，所以无需对交流电压信号叠加基准电平。电压采样电路中，电阻R9，R10，R11，R12，R13是降压电阻，

从而在电阻R14和R15两端产生与输入电压成比例缩小的低电压信号，由于HT5017ADC输入电压幅值不能超过800mV，电阻取值必须是信号降低到模拟数字转换(Analog to digital conversion，ADC)输入范围以内。

然后电压分压信号经过由R70，R14，R16组成的RC网络进行抗混叠滤波以滤除干扰信号，最后输入到表计主控芯片。

可选的，所述基于锰铜分流器的电流信号采样电路，包括：

连接在火线上的第一线路和第二线路；

在所述第一线路上设有电阻R17，在所述第二线路上设有电阻R19，在所述第一线路与所述第二线路之间并联有电阻R18以及相互串联的电容C28、电容C33。

在实施中，如图4所示，锰铜电流信号采样电路火线电流通过锰铜、负载电阻和RC低通滤波电路输入到SoC芯片。

可选的，所述基于电流互感器的电流信号采样电路，包括：

连接在零线上的第三电路和第四电路；

在所述第三电路上并联有电阻R21和电阻R22，还包括与所述电阻R21串联的电容C37；

在所述第四电路上并联有电阻R23和电阻R24，还包括与所述电阻R23串联的电容C39。

在实施中，如图5所示，电流互感器(Current Transformer，CT)电流信号采样电路，零线电流通过CT、负载电阻和RC低通滤波电路输入到SoC芯片。电流信号通过电流互感器CT到电流采样电路中，其中电阻R21和R23是电流互感器的负载电阻，用于将互感器次级线圈的电流转换为电压信号，同时将信号调整到ADC输入范围。电流取样信号经RC低通滤波器滤波后输入到SoC芯片。由于锰铜取样后的信号相当微弱，因此可以设置片上ADC的模拟增益放大器(Analog gain amplifier，PGA)前端的放大增益为16倍，以便将信号控制在合理范围内。

基于前述的单相智能电表，其中的电能计量单元EMU包括三路完全独立的Σ-ΔADC以及数字信号处理部分。三路ADC完成两路电流信号和一路电压信号的采样，数字信号处理部分完成有功功率与有功电能、无功功率与无功电能、视在功率与视在电能、电压有效值、电流有效值及频率计算等计量功能。通过特殊功能寄存器(Special FunctionRegisters，SFR)寄存器和中断的方式，可以对数字信号处理部分进行校表参数配置和计量参数读取；计量的结果还通过PF/QF/SF引脚输出，也即校表脉冲输出，可以直接接到标准表进行误差对比。软件提供专门的通讯接口对计量参数进行校准。校准流程的通讯规约利用IEC62056-21规约。

该单相智能电报的表计程序流程图如图6所示：

首先，在单相智能电表启动后，首先令普通输入输出接口检测上电情况，如果检测到已上电，则对表计主控芯片进行参数初始化处理，在初始化处理后对单相智能电表是否装载有电池进行检测，在确认装载电池并且在普通输入输出接口检测到上电情况后，读取单相智能电表所处线路上的电压；

其次，如果读取到的电压值大于150V，则进行刷新标志置位处理；如果读取到的电压值小于或等于150V，则关闭电量计量功能同时保存当前电量，进而对电池标志是否置位进行检测。

其中，如果确认当前未装载电池，则置位不带电池标志。

最后，在令普通输入输出接口检测上电情况后，对电池标志是否置位进行检测。

可选的，如图7所示，所述进行刷新标志置位处理，包括：

检测所述单相智能电表是否已经进行一分钟标志置位，如果已进行则对所述单相智能电表的输入端口、随机存取存储器以及状态参数进行自检，在自检完成后进行检测所述单相智能电表的电量进位标志置位状态；

如果所述电量进位标志已置位，则保存当前电量，检测电量刷新标志的状态，以及电量结算标志、显示刷新标志的状态，在检测完成后读取电压值。

可选的，所述在对电池标志是否置位进行检测后，还包括：

如果所述电池标志未置位，令所述表计主控芯片进入低功耗状态；

如果所述电池标志已置位，令所述表计主控芯片进入待机状态；

在所述表计芯片进入低功耗状态或待机状态后，如果检测到秒中断标志，则读取电压值，如果未检测到秒中断标志，则检测按键中断标志，并在检测到按键中断标志后读取电压值。

令表计主控芯片进入低功耗状态，包括：

对所述表计主控芯片的所述随机存取存储器进行初始化处理，将进入低功耗状态的信息显示在显示屏上，令所述表计主控芯片进入低功耗配置。

基于HT5017的单相电表在完成硬件电路原理设计、线路板设计、电路模块的元器件的焊接、整体调试和校表后对其进行了基本误差试验。其中，Un条件下，基本误差试验电流点为0.05Ib，0.10Ib，Ib，Imax(Ib为基本电流，Ib＝10A，Imax为最大电流，Imax＝40A，Un＝240V)。每个试验电流点分别测试了1.0、0.5L、0.8C功率因数的误差，样表的误差数据如下：

表一 样本误差数据

在表一中，Un＝240V,Ib＝10,Imax＝40A,脉冲常数＝1600imp/kWh。基于表一中的数据，可见能够将样机误差控制在0.05％之内，符合内控的标准。精度优于IEC62053-21关于1级电能表的要求。

该单相电能表可以用于商业计量和家庭计量应用，其可以测试无功电能、有功电能，并且测量精度满足IEC62053-21 1级单相电能表的技术规范要求。与电表的传统分立设计方案相比，具有更高的性价比和可靠性，具有更强的可扩展性，具有更高的市场竞争力。该款电能表已经进入量产阶段。同竞争对手相比具体更好的价格，更高的性能和精度，

本发明提出的单相智能电表，包括表计主控芯片，在表计主控芯片的输入端连接有电压信号采样电路、基于锰铜分流器的电流信号采样电路以及基于电流互感器的电流信号采样电路；还包括连接在表计主控芯片上的存储电路、液晶显示电路、近红外通讯电路、RF通讯电路以及脉冲输出电路；在表计主控芯片上还连接有用于对表计主控芯片供电的电源电路。通过使用集成多种功能的芯片，简化了使用该芯片的单相智能电表的结构，同时提高了单相智能电表的可靠性。

上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.单相智能电表，其特征在于，所述单相智能电表，包括：

表计主控芯片，在所述表计主控芯片的输入端连接有电压信号采样电路、基于锰铜分流器的电流信号采样电路以及基于电流互感器的电流信号采样电路；

还包括连接在所述表计主控芯片上的存储电路、液晶显示电路、近红外通讯电路、RF通讯电路以及脉冲输出电路；

在所述表计主控芯片上还连接有用于对所述表计主控芯片供电的电源电路。

2.根据权利要求1所述的单相智能电表，其特征在于，所述表计主控芯片为HT5017芯片。

3.根据权利要求1所述的单相智能电表，其特征在于，所述电压信号采样电路，包括：

依次相连的电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13，在电阻R13的一端连接有RC电路；

在所述RC电路中设有电阻R70以及与所述电阻R70并联的电阻R14、电阻R16，在所述电阻R16与所述R70之间还设有电容C11、电容C12。

4.根据权利要求1所述的单相智能电表，其特征在于，所述基于锰铜分流器的电流信号采样电路，包括：

连接在火线上的第一线路和第二线路；

在所述第一线路上设有电阻R17，在所述第二线路上设有电阻R19，在所述第一线路与所述第二线路之间并联有电阻R18以及相互串联的电容C28、电容C33。

5.根据权利要求1所述的单相智能电表，其特征在于，所述基于电流互感器的电流信号采样电路，包括：

连接在零线上的第三电路和第四电路；

在所述第三电路上并联有电阻R21和电阻R22，还包括与所述电阻R21串联的电容C37；

在所述第四电路上并联有电阻R23和电阻R24，还包括与所述电阻R23串联的电容C39。

6.根据权利要求1至5任一项所述的单相智能电表，其特征在于，还包括：

在单相智能电表启动后，首先令普通输入输出接口检测上电情况，如果检测到已上电，则对所述表计主控芯片进行参数初始化处理，在初始化处理后对所述单相智能电表是否装载有电池进行检测，在确认装载电池并且在所述普通输入输出接口检测到上电情况后，读取所述单相智能电表所处线路上的电压；

如果读取到的电压值大于150V，则进行刷新标志置位处理；

如果读取到的电压值小于或等于150V，则关闭电量计量功能同时保存当前电量，进而对电池标志是否置位进行检测。

7.根据权利要求6所述的单相智能电表，其特征在于，所述在令普通输入输出接口检测上电情况后，对电池标志是否置位进行检测。

8.根据权利要求6所述的单相智能电表，其特征在于，所述进行刷新标志置位处理，包括：

检测所述单相智能电表是否已经进行一分钟标志置位，如果已进行则对所述单相智能电表的输入端口、随机存取存储器以及状态参数进行自检，在自检完成后进行检测所述单相智能电表的电量进位标志置位状态；

如果所述电量进位标志已置位，则保存当前电量，检测电量刷新标志的状态，以及电量结算标志、显示刷新标志的状态，在检测完成后读取电压值。

9.根据权利要求6所述的单相智能电表，其特征在于，所述在对电池标志是否置位进行检测后，还包括：

如果所述电池标志未置位，令所述表计主控芯片进入低功耗状态；

如果所述电池标志已置位，令所述表计主控芯片进入待机状态；

在所述表计芯片进入低功耗状态或待机状态后，如果检测到秒中断标志，则读取电压值，如果未检测到秒中断标志，则检测按键中断标志，并在检测到按键中断标志后读取电压值。

10.根据权利要求9所述的单相电能表，其特征在于，所述令表计主控芯片进入低功耗状态，包括：

对所述表计主控芯片的所述随机存取存储器进行初始化处理，将进入低功耗状态的信息显示在显示屏上，令所述表计主控芯片进入低功耗配置。