CN107064587A - 一种电能表电路 - Google Patents
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Abstract
一种电能表电路，该电路包括主控电路、计量电路、载波通信接口电路、红外通信电路、485通信电路和数据存储电路，计量电路、载波通信接口电路、红外通信电路、485通信电路、数据存储电路与主控电路连接；计量电路包括计量芯片U6、电流采样电路和电压采样电路，电流采用电路包括火线采样电路和零线采样电路，火线采样电路、零线采样电路、电压采样电路分别与计量芯片U6连接；485通信电路包括光耦OPT1、光耦OPT2和RS485芯片U4，信号接收端RX485与电阻R89一端、光耦OPT1内的三极管集电极分别连接，光耦OPT1内的三极管发射极接地。本电能表具有多种通信方式，能适用不同的环境需求。
Description
技术领域
本发明属于电子电表技术领域，具体涉及一种电能表电路。
背景技术
电能表是用来测量电能的仪表，电能表行业目前主流产品在国际上已经处于快速发展阶段，全球包括发达经济体和发展中国家均在进行电能表的更新换代，以适应当前整个世界形势的变化。一是全球性的节能减排要求，必须进行能量的精确计量，促进各用电主体根据能量的变化进行用电控制，改变用电习惯；二是适应电力企业管理现代化、信息化的要求，通过智能电能表作为电网的一个节点，可以快速有效地了解电力用户、变电站等计量测量点的用电实时情况，提供更加精确的服务和管理。目前家庭使用的单相电表使用载波技术传输的比较多，载波技术不需要从表内多接专用信号线出来的，它的传输方式是靠电力线路传输的，就是智能表内部的软件及硬件把数据自动转换为载波信号通过电力线路直接将信号传输至电力公司的专用监管系统。
但电能表中仅设置这一种通信方式，通信方式比较单一，这种方式虽然具有高度的可靠性和经济性，调度管理的分布基本一致，但受可用频谱的限制，并且抗干扰性能稍差，信号质量差，单宽窄，线路停运时检修时(有地线时)就不能传送数据，调试难度大，易受用电环境影响，通讯状况与用户的用电质量关系紧密。
因此，针对不同的使用环境，为了避免载波通信的意外中断给电力局及用户造成损失，提高用电数据的稳定性，电力表仅设置载波通信，局限性较大，不能满足社会经济日益发展的使用需求。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前电能表通信方式单一，受使用场所限制较大、信号传输不稳定等的问题，提供一种具有多种通信方式的电能表。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种电能表电路，包括主控电路、计量电路、载波通信接口电路、红外通信电路、485通信电路和数据存储电路，计量电路、载波通信接口电路、红外通信电路、485通信电路和数据存储电路与主控电路连接；计量电路包括计量芯片U6、电流采样电路和电压采样电路，电流采用电路包括火线采样电路和零线采样电路，火线采样电路、零线采样电路、电压采样电路分别与计量芯片U6连接；485通信电路包括包括光耦OPT1、光耦OPT2和RS485芯片U4，信号接收端RX485与电阻R89一端、光耦OPT1内的三极管集电极分别连接，光耦OPT1内的三极管发射极接地；光耦OPT1内的发光二级管正极与电阻R90一端连接，光耦OPT1内的发光二级管负极与RS485芯片U4第1引脚连接；信号发送端TX485与电阻R17、光耦OPT2内的发光二级管负极依次连接，光耦OPT2内的光敏三极管发射极与RS485芯片U4第2脚、3脚、电阻R4一端连接，RS485芯片U4第4脚与电阻R91一端连接，电阻R4另一端与电阻R91另一端都接地；RS485芯片U4的第8脚、第5脚分别接工作电压V485、接地，RS485芯片U4第6脚、7脚分别与RS485信号插座或者引脚接口485B、信号插座或者引脚接口485A连接，RS485芯片U4第8脚、6脚之间连接一电阻R92，RS485芯片U4第7脚、5脚之间连接一个电阻R93。
通过设置多种通信方式，根据不同环境需求可以选择以最优的通信方式作为电量数据的传输存储。还可以将数据备份存在在不同的监管终端，可以实现多点管理，而不是仅仅单一传输到某个特定管理终端，减少管理终端的存储压力。其中，RS485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号可以在千米以外得到正常接收。RS485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制，RS485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。RS485信号的抗干扰能力较强、结构简单、价格低廉、通讯距离远等优点。
更进一步，RS485通讯电路还包括保护电路，保护电路由瞬变二极管TVS1和热敏电阻RT2组成，RS485芯片U4第6脚、7脚之间连接一瞬变二极管TVS1，RS485芯片U4第6脚与信号插座或者引脚接口485A之间连接一热敏电阻RT2。瞬变二极管TVS1能瞬间放电，热敏电阻RT2用于防止外界220V-420V交流电的攻击，如接线操作时或用户故意以及雷电攻击，保护电路起着保护RS485芯片U4、MCU芯片及相关电路的作用。
进一步，电流采样电路包括火线采样电路与零线采样电路，火线采样电路为锰铜分流器的两个输出端分别与电阻R56一端、电阻R57一端连接，电阻R56一端、电阻R57一端之间接有电阻R61，电阻R56另一端、电阻R57另一端之间接有串联的电容C31、电容C32，电容C31、电容C32接地。
进一步，零线采样电路为电流互感器的两个输出端分别与电阻R63一端、电阻R66一端连接，电阻R63一端、电阻R66一端之间接有串联的电阻R64、电阻R65，R63另一端、电阻R66另一端之间接有串联的电容C33、电容C34。该电路具有防窃电作用，防止火线不接时零线可同样计量。
进一步，电压采用电路取的是零线电压，由电阻R81、电阻R82、电阻R83、电阻R84、电阻R85、电阻R86、电阻R87、电阻R88依次串联而成。
更进一步，计量芯片U6采用RN8209C型号，电阻R56与电容C31之间的节点、电阻R57与电容C32之间的节点分别与计量芯片U6的5脚、6脚连接；电阻R63与电容C33之间的节点、电阻R66与电容C34之间的节点分别与计量芯片U6的7脚、8脚连接；接在火线上的模拟地通过电阻R74、电阻R23和电容C39、电容C38滤波后输入计量芯片U6的9脚、10脚。
进一步，红外通信电路包括红外信号发射管IR2和红外信号接收管IR1，红外信号发射管IR2一端与电阻R78一端、电阻R79一端连接，电阻R78另一端、电阻R79另一端与PNP三极管Q2的集电极连接，PNP三极管Q2的基极与电阻R80一端连接，信号发射管IR2一端接地；红外信号接收管IR1的3脚分别与电阻R75一端、电容C41一端连接，红外信号接收管IR1的1脚与电容C42一端连接，电容C41另一端与电容C42另一端连接后接地。电容C41、C42作用为隔离退偶或隔直流通交流干扰信号到数字地，起到滤波作用。红外信号发射管IR2起到发射信号作用，电阻R79、R78并联起到分流作用，电路中电流较大，单个电阻功率有限，分流具有保护电阻不易损坏。
进一步，载波通信接口电路，包括双排针载波接口J2，双排针载波接口J2的2脚与电阻R31连接；双排针载波接口J2的3脚与电阻R48、电阻R50分别连接；双排针载波接口J2的4脚与电阻R30连接，双排针载波接口J2的5脚与电阻R29连接，双排针载波接口J2的8脚与电阻R34、电阻R49分别连接；双排针载波接口J2的12脚与并联的电容C19、电容C21连接后接地。载波接口J1直接接市电的火线和零线，即低压电力线载波信号通道。
进一步，数据存储电路包括存储器芯片U5，存储器芯片U5的1脚、2脚、3脚、4脚、6脚接地，存储器芯片U5的第1脚与8脚之间接电容C12，存储器芯片U5的8脚与5脚之间接电阻R2,存储器芯片U5的8脚与6脚之间接电阻R3。
进一步，主控电路采用FM331X型号的主MCU芯片。MCU是微控制单元或单片机。
本发明与现有技术相比，有益效果是：1.本电能表具有多种通信方式，能适用不同的环境需求；2.各个功能电路结构简单，传输稳定，抗干扰性强；3相比于传统电能表，本电能表采用的元器件更少，节约硬件资源，减少PCB板占用；4本电路的485通信模块能起到有效隔离作用，防止意外接线错误引起的意外，保护自身模块及MCU主控电路的作用。
附图说明
图1是电能表的485通信电路；
图2是电能表的计量电路；
图3是电能表的载波通信接口电路；
图4是电能表的红外通信电路；
图5是电能表的主控电路；
图6是电能表的数据存储电路。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。
如图1、图5所示，一种电能表电路，包括主控电路、计量电路、载波通信接口电路、红外通信电路、485通信电路和数据存储电路，计量电路、载波通信接口电路、红外通信电路、485通信电路和数据存储电路与主控电路连接；计量电路包括计量芯片U6、电流采样电路和电压采样电路，电流采用电路包括火线采样电路和零线采样电路，火线采样电路、零线采样电路、电压采样电路分别与计量芯片U6连接；485通信电路包括包括光耦OPT1、光耦OPT2和RS485芯片U4，信号接收端RX485与电阻R89一端、光耦OPT1内的三极管集电极分别连接，光耦OPT1内的三极管发射极接地；光耦OPT1内的发光二级管正极与电阻R90一端连接，光耦OPT1内的发光二级管负极与RS485芯片U4第1引脚连接；信号发送端TX485与电阻R17、光耦OPT2内的发光二级管负极依次连接，光耦OPT2内的光敏三极管发射极与RS485芯片U4第2脚、3脚、电阻R4一端连接，RS485芯片U4第4脚与电阻R91一端连接，电阻R4另一端与电阻R91另一端都接地；RS485芯片U4的第8脚、第5脚分别接工作电压V485、接地，RS485芯片U4第6脚、7脚分别与RS485信号插座或者引脚接口485B、信号插座或者引脚接口485A连接，RS485芯片U4第8脚、6脚之间连接一电阻R92，RS485芯片U4第7脚、5脚之间连接一个电阻R93；RS485通讯电路还包括保护电路，保护电路由瞬变二极管TVS1和热敏电阻RT2组成，RS485芯片U4第6脚、7脚之间连接一瞬变二极管TVS1，RS485芯片U4第6脚与信号插座或者引脚接口485A之间连接一热敏电阻RT2。
光耦OPT1、OPT2分别是RS485接口的信号输入和输出至MCU第9、10脚RX485、TX485。也起到与MCU隔离保护作用。光耦OPT1、光耦OPT2采用816D型号，RS485芯片U4采用AZRS485-BL3085A SOP3，电阻R89、电阻R90、电阻R4、电阻R17选用510R 5％0603，电阻R91选用1K 5％0603，电阻R92、电阻R93选用20K 5％0603不焊，热敏电阻RT2选用MZ11-0904300-600RM109A，瞬变二极管TVS1选用SMBJ6.0CA SMB/DO-214AA瞬雷型号。
如图2、图5所示，计量电路中，计量芯片U6检测到零线电流，判断用户在用电。以220V和用电时间推算或估算出用电电能，以便结算。M+、M-为单相火线输入和输出接的锰铜分流器的电流采样引线输入口，通过采样电路R61、R56、R57分压，C31、C32滤波后输入计量芯片的5、6脚。CT+、CT-为单相零线输入和输出电流互感器的电流采样引线输入口，通过采样电路R64、R65、R63、R66分压，C33、C34滤波后输入计量芯片的7、8脚，该电路具有防窃电作用，防止火线不接时零线可同样计量。
R81～R88为电压采样电路，取的是零线电压，将220V的交流电压降至mV级，输入计量芯片的9脚。接在火线上的模拟地通过R74、R23和C39、C38滤波后输入计量芯片的10脚。电压采样信号与电流采样信号输入计量芯片后，通过乘法器得到功率的模拟信号，再把模拟信号转换为数字信号，再通过分频器进行转换成脉冲信号，用过计量芯片的2、3脚。2脚输出有功脉冲，3脚输出无功脉冲。2脚输出有功脉冲通过电路再输入MCU的27脚CF-IN，再进行分频处理，使之与整个电表的仪表常数一致。最后由MCU的68脚输出测试脉冲CFLL。采用多个150K串联，多个电阻串联起到分压和降压的作用，电路中电压较大，单个或少数几个电阻功率有限，分压具有保护电阻不易损坏，否则单个电阻也容易烧坏。同时多个电阻串联时，电阻与电阻之间存在电容分布，有利于计量芯片对阻性与感性之间的计量线性平滑，即计量线性要好。在实际电路板中，电阻上下位置错开摆放，有利于通过电磁兼容试验，具有消除干扰信号的作用，即增强抗干扰能力。
计量芯片的12、13脚为基本误差输入和输出调试口，实现软件补偿调试功能，达到不需人工焊接短路方式调试计量精度的目的，使精度的调试速度和计量精度达到快和高。即保护环境和人身健康，也节省了人力和物力。M_RX、M_TX数据串口与MCU数据串口的14和13脚M_TX、M_RX经过光耦连接，光耦起到强电和弱电隔离的作用。
计量电路中，电阻R72选用10R 5％0603，电容C37、电容C26选用100NF 10％0603；C36、电容C18分别选用10UF 10％0805 16V X5R、100NF 10％0805，电容C67、电容C68选用20PF 5％0603，晶振选用3.5795MHZ±20PPM。电阻R81、电阻R82、电阻R83、电阻R84、电阻R85、电阻R86、电阻R87、电阻R88都采用150K 1％0805。电阻R63与电阻R66采用1.2K 1％0603，电阻R64与电阻R65采用5.1R 1％0603，电容C33与电容C34采用33NF 10％0603。电阻R56、电阻R57都采用1.2K 1％0805贴片电阻，电阻R61采用5.1R 1％0805不焊，电容C31与电容C32都采用33NF 10％0805。
如图4、图5所示，红外通信电路包括红外信号发射管IR2和红外信号接收管IR1，红外信号发射管IR2一端与电阻R78一端、电阻R79一端连接，电阻R78另一端、电阻R79另一端与PNP三极管Q2的集电极连接，PNP三极管Q2的基极与电阻R80一端连接，信号发射管IR2一端接数字地；红外信号接收管IR1的3脚分别与电阻R75一端、电容C41一端连接，红外信号接收管IR1的1脚与电容C42一端连接，电容C41另一端与电容C42另一端连接后接数字地。IR1为红外信号接收管，红外通信信号MCU的第17脚IR-RXD接至其1脚。IR2为红外信号发射管，红外通信信号从三级管基电极B脚接至MCU的第18脚IR-TXD。
载波通信接口电路包括双排针载波接口J2，双排针载波接口J2的2脚与电阻R31连接；双排针载波接口J2的3脚与电阻R48、电阻R50分别连接；双排针载波接口J2的4脚与电阻R30连接，双排针载波接口J2的5脚与电阻R29连接，双排针载波接口J2的8脚与电阻R34、电阻R49分别连接；双排针载波接口J2的12脚与并联的电容C19、电容C21连接后接地。载波接口J1直接接市电的火线和零线，即低压电力线载波信号通道。电阻R29、电阻R30、电阻R31、电阻R49、电阻R50选用100R 5％0805，电阻R48、电阻R34选用5.1K 5％0805，电容C19、电容C21选用10UF 10％0805 16V X5R。
如图6、图5所示，数据存储电路包括存储器芯片U5，存储器芯片U5的1脚、2脚、3脚、4脚、6脚接地，存储器芯片U5的第1脚与8脚之间接电容C12，存储器芯片U5的8脚与5脚之间接电阻R2,存储器芯片U5的8脚与6脚之间接电阻R3，存储器芯片U5的6脚与电阻R3之间的节点接MCU芯片的第19脚，存储器芯片U5的第5脚与电阻R2之间的节点接MCU芯片的第20脚。存储器芯片U5采用电可擦可编程只读存储器(EEPROM)，FM24C512D SOP8型号。电容C40采用100NF 10％0603，电阻R3、电阻R2采用5.1K 5％0603型号。
主控电路采用FM331X型号的主MCU芯片。上述图1-图4和图6中，每个图对应的接线上的名称标识与图5中的MCU芯片U1上对应的引脚名称对应连接。如数据存储电路图中的SCL端与主控电路图中MCU芯片的第19脚SCL连接，数据存储电路图中的VDDPI端与主控电路图中MCU芯片的第66脚VDDPI连接。
以上为本发明的优选实施方式，并不限定本发明的保护范围，对于本领域技术人员根据本发明的设计思路做出的变形及改进，都应当视为本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电能表电路，其特征在于，该电路包括主控电路、计量电路、载波通信接口电路、红外通信电路、485通信电路和数据存储电路，计量电路、载波通信接口电路、红外通信电路、485通信电路、数据存储电路与主控电路连接；计量电路包括计量芯片U6、电流采样电路和电压采样电路，电流采用电路包括火线采样电路和零线采样电路，火线采样电路、零线采样电路、电压采样电路分别与计量芯片U6连接；485通信电路包括包括光耦OPT1、光耦OPT2和RS485芯片U4，信号接收端RX485与电阻R89一端、光耦OPT1内的三极管集电极分别连接，光耦OPT1内的三极管发射极接地；光耦OPT1内的发光二级管正极与电阻R90一端连接，光耦OPT1内的发光二级管负极与RS485芯片U4第1引脚连接；信号发送端TX485与电阻R17、光耦OPT2内的发光二级管负极依次连接，光耦OPT2内的光敏三极管发射极与RS485芯片U4第2脚、3脚、电阻R4一端连接，RS485芯片U4第4脚与电阻R91一端连接，电阻R4另一端与电阻R91另一端都接地；RS485芯片U4的第8脚、第5脚分别接工作电压V485、接地，RS485芯片U4第6脚、7脚分别与RS485信号插座或者引脚接口485B、信号插座或者引脚接口485A连接，RS485芯片U4第8脚、6脚之间连接一电阻R92，RS485芯片U4第7脚、5脚之间连接一个电阻R93。
2.根据权利要求1所述的电能表电路，其特征在于，RS485通讯电路还包括保护电路，保护电路由瞬变二极管TVS1和热敏电阻RT2组成，RS485芯片U4第6脚、7脚之间连接一瞬变二极管TVS1，RS485芯片U4第6脚与信号插座或者引脚接口485A之间连接一热敏电阻RT2。
3.根据权利要求1所述的电能表电路，其特征在于，电流采样电路包括火线采样电路与零线采样电路，火线采样电路为锰铜分流器的两个输出端分别与电阻R56一端、电阻R57一端连接，电阻R56一端、电阻R57一端之间接有电阻R61，电阻R56另一端、电阻R57另一端之间接有串联的电容C31、电容C32，电容C31、电容C32接地。
4.根据权利要求1所述的电能表电路，其特征在于，零线采样电路为电流互感器的两个输出端分别与电阻R63一端、电阻R66一端连接，电阻R63一端、电阻R66一端之间接有串联的电阻R64、电阻R65，R63另一端、电阻R66另一端之间接有串联的电容C33、电容C34。
5.根据权利要求1所述的电能表电路，其特征在于，电压采用电路取的是零线电压，由电阻R81、电阻R82、电阻R83、电阻R84、电阻R85、电阻R86、电阻R87、电阻R88依次串联而成。
6.根据权利要求1所述的电能表电路，其特征在于，计量芯片U6采用RN8209C型号，电阻R56与电容C31之间的节点、电阻R57与电容C32之间的节点分别与计量芯片U6的5脚、6脚连接；电阻R63与电容C33之间的节点、电阻R66与电容C34之间的节点分别与计量芯片U6的7脚、8脚连接；接在火线上的模拟地通过电阻R74、电阻R23和电容C39、电容C38滤波后输入计量芯片U6的9脚、10脚。
7.根据权利要求1所述的电能表电路，其特征在于，红外通信电路包括红外信号发射管IR2和红外信号接收管IR1，红外信号发射管IR2一端与电阻R78一端、电阻R79一端连接，电阻R78另一端、电阻R79另一端与PNP三极管Q2的集电极连接，PNP三极管Q2的基极与电阻R80一端连接，信号发射管IR2一端接地；红外信号接收管IR1的3脚分别与电阻R75一端、电容C41一端连接，红外信号接收管IR1的1脚与电容C42一端连接，电容C41另一端与电容C42另一端连接后接地。
8.根据权利要求1所述的电能表电路，其特征在于，载波通信接口电路，包括双排针载波接口J2，双排针载波接口J2的2脚与电阻R31连接；双排针载波接口J2的3脚与电阻R48、电阻R50分别连接；双排针载波接口J2的4脚与电阻R30连接，双排针载波接口J2的5脚与电阻R29连接，双排针载波接口J2的8脚与电阻R34、电阻R49分别连接；双排针载波接口J2的12脚与并联的电容C19、电容C21连接后接地。
9.根据权利要求1所述的电能表电路，其特征在于，数据存储电路包括存储器芯片U5，存储器芯片U5的1脚、2脚、3脚、4脚、6脚接地，存储器芯片U5的第1脚与8脚之间接电容C12，存储器芯片U5的8脚与5脚之间接电阻R2,存储器芯片U5的8脚与6脚之间接电阻R3。
10.根据权利要求1所述的电能表电路，其特征在于，主控电路采用FM331X型号的主MCU芯片。
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