CN1120168A - 单片机多功能数字式电度表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用单片机控制的多功能数字式电度表，包括电压、电流输入传感元件，电压、电流检测电路，相位差检测电路，单片机及其接口，数字显示电路和脱扣控制机构。它既能分时计量峰值电度和低谷电度，又能同时计量有功电度和无功电度，并可设超负荷、超指标等控制和报警，具有功能强、自动化程度高的特点。

Description

单片机多功能数字式电度表

本发明涉及电量计量装置，特别是用单片机控制的多功能数字式电度表。

近几年来，全国各地的电业部门为了提高电网的负荷率，合理地、经济地进行供电，都正在采取有力的措施，准备推行电价改革，即高峰和低谷负荷时间的用电，分别实行不同的电价，这样，就需要分时计量的电度表；另外，全国各地现在都在执行功率因数调节电价，为此必须同时具有无功电度表。目前，国内生产分时计量电度表的厂家只有两、三家，市场供不应求，而且这些产品都是在常规的感应式电度表的基础上增加了电子计数/计时器或电脑而构成的，例如南京产和绵阳产的分时计量电度表即属于上述类型，它们不能同时计量无功电度，必须另外安装无功电度表。

此外，我们有些地区的电力损失是比较严重的，其中一个重要原因是由于窃电现象所造成的，为此，各地区的电业部门除积极地采取开展宣传教育活动，加强管理以及严厉打击违章接线，非法窃电行为等措施以外，都正在普遍地推广电表上杆、集中安装电度表以及采用总表计量等措施，以防止窃电行为。

针对上述情况，本发明设计参考了以下技术文献：

1、“智能电表的设计”《电子与自动化》1991年第三期；

2、“WDB-1型微机变送器”《电力系统自动化》1988年第三期；

3、“晶体管继电保护基础”水利电力出版社：

4、“二态和三态检相器原理”《电世界》1982年第7期；

5、“用单相电度表测量功率因数”《电世界》1982年第2期；

6、“三相两元件有功电度表接线分析”《电世界》1982年第1期。

本发明的目的是提供一种单片机控制的数字式自动化电度表，它具有多种计量功能，既能分时计量峰值电度和低谷电度，又能同时计量有功电度和无功电度，并且还具有超最大允许负荷，超允许用电指标等自动控制和报警功能。

本发明的另一目的是提供一种单片机控制的数字式自动化单相电度表，它采用多路集中控制计量，用户不能接触到电表，从而彻底解决各种窃电问题；增设语音报警功能，以增强用户与电表的沟通联系，并同时具有超最大负荷，超用电指标的报警和自动停电等功能。

本发明设计的单片机多功能数字式电度表，包括前向输入接口电路、单片机及其接口、数字显示电路和脱扣控制机构。前向输入接口电路由电压、电流输入传感元件、电压、电流数据检测电路、相位差检测电路组成，电压、电流输入传感元件是采用电压变换器和电流变换器，电压变换器的一次侧接于配电装置的电压互感器的二次回路中，电流变换器的一次侧接于配电装置中的电流互感器的二次回路，电压信号是从电压互感器的二次回路分支接入到电压变换器的一次绕组，经电压变换器将强电压信号变换为与一次电压成比例的弱电压信号；电流信号是从电流互感器的二次回路串入电流变换器的一次绕组，经电流变换器将强电流变换为与一次电流成比例的弱电流信号，并在电流变换器的二次负载电阻上取得与一次电流成比例的弱电压信号。电压变换器和电流变换器的一、二次绕组的匝数比及电流变换器的负载电阻值的选取是使变换器二次侧的电压输出信号的有效值为5伏和0-5伏。

对于低压系统的电压信号和20安以下的电流信号，直接通过电压变换器将低压系统的相电压变换为5伏电压信号，通过电流变换器直接将20安以下的电流变换为弱电流，并在负载电阻上取得0-5伏的弱电压信号。

电压、电流数据检测电路是由多路开关、检波器、滤波器、采样/保持器组成的数据检测通道，多路开关的输入端接自多路电压、电流变换器的二次侧0-5伏电压输出。来自电压、电流变换器的0-5伏弱电压信号，进一步输入到单片机电度表内的多路开关在单片机的控制下进行巡回采样，经过多路开关的巡回采样，多路开关的输出端接检波器输入端，控制端接单片机的扩展I/O口，经过检波器检波，将0-5伏的正弦波全波信号变为正弦波半波信号，再通过低通滤波器将高次谐波干扰信号滤掉，而后引入共享的采样/保持器和模/数转换器进行数据检测，并将每次的检测内容送入单片机内相应的存贮单元里，而后由数据处理进行运算。

相位差检测电路是由检波器、鉴零电路、“异或”门电路组成的相位差检测通道，电压、电流变换器的输出端接入检波器，将电压和电流的0-5伏正弦波全波信号进行检波，变为正弦波半波信号，检波器输出端接入鉴零电路，经过鉴零电路将正弦波半波信号变换为方波信号，而后分别地将每个元件的电压和电流的方波信号共同地引入到“异或”门电路，这时“异或”门电路输出一个矩形波信号，这个矩形波信号的宽度即可反映出电压与电流之间相位差角φ的值。与此同时将电压的半个周期的方波信号和相位差的矩形波信号都引入到多路开关进行巡回采样，最后将多路开关的输出信号分别送入单片机内进行中断处理。输入单片机的电压信号、电流信号和相位差信号再通过程序计算可求出电压有效值，电流有效值和Cosφ值，并进而求出有功功率、无功功率、有功电量、无功电量，各计算公式如下：电压有效值 $U=[\frac{1}{N}\underset{K=1}{\overset{K=N}{\mathrm{\Σ}}}{V}^2\left(\mathrm{tk}\right){]}^{1/2}$ 电流有效值 $I={\left[\frac{1}{N}\underset{K=1}{\overset{K=N}{\mathrm{\Σ}}}{V}^{2}i\left(\mathrm{tk}\right)\right]}^{1/2}$ 式中N＝10有功功率P＝U.I.Cosφ无功功率Q＝U.I.Sinφ有功电量计算公式为：P.t无功功率计算公式为：Q.t

通过单片机内设定的程序可以分别计量峰值电度和低谷电度；利用单片机接口电路，增设超最大负荷、超充许用电指标的报警和控制功能。

多用户的单片机单相电度表，是将多个用户的用电情况共用一块表计量，并将电度表放在电业部门设置的柜中，使各个用户不能接触到电度表，避免各种窃电现象；并增设语音报警，使用户可以了解用电情况。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、电度计量精度高。单片机电度表精度误差小于0.3％，而常规电度表的精度实际都大于1％；

2、功能强。有多种自动控制和报警功能；

3、不需要另外增加硬件，既可以计量峰值电度和低谷电度，又可以同时计量有功电度和无功电度；

4、能实现语音自动报电量和报警；

5、电表集中计量，使用户不能接触到电度表，从而彻底防止了违章接线等窃电行为；

6、性能价格比高。单片机三相电度表的价格约为同类常规电表的二倍，而常规的分时计量电度表再加上无功电度表，则与单片机电度表价格相当，性能却远逊于后者；单片机单相民用电度表，以24路的为例平均每台可以计量20户的用电量，等于20块常规的电度表，而其性能要比分散的常规电度表优越得多。

7、可实现电量的先买后用自动停电的功能，彻底解决了拖欠电费的老大难的问题。

下面结合附图和实施方式进一步说明本发明的结构和原理。

图1为单片机三相四线式电度表的方框图；

图2为单片机24路单相电度表方框图；

图3为三相电度表输入部分接线原理图；

图4为单相电度表输入部分接线原理图；

图5为单片机接线图；

图6为健控、显示部分的接线图；

图7为三相脱扣控制电路接线原理图；

图8为单相脱扣控制电路接线原理图；

图9为语音部分电路接线图；

图10为CD4051多路开关的逻辑结构图；

图11为LF398采样/保持器电路原理图。

单片机多功能数字式三相电度表包括电压、电流、输入传感元件，电压、电流数据检测电路、相位差检测电路、单片机及其接口、数字显示和脱扣控制机构。它采用结构简单、成本低的电压、电流变换器作为输入信号的传感元件。电压和电流的输入信号来自于配电装置中的电压、电流互感器的二次回路，电压信号从电压互感器的二次回路分支引入电压变换器的一次绕组，经电压变换器将强电压信号变换为与一次电压成比例的弱电压信号，额定有效值为5伏。电流信号是将电流变换器的一次绕组串联在电流互感器的二次回路内，经电流变换器将强电流变换为与一次电流成比例的弱电流，并在电流变换器的二次负荷电阻上取得与一次电流成比例的弱电压信号，有效值为0-5伏。对于低压的和电流在20安以下的输入信号，直接由电压、电流变换器变换为与一次模拟量成比例的弱电压信号，有效值为5伏。

三相四线式三元件电度表共有六路输入信号，包括三路相电压信号VA、VB、VC和三路相电流信号IA、IB、IC。三相三线式两元件电度表共有四路输入信号，包括两路线电压信号VAB和VBC，两路线电流信号IA、IC。

来自电压、电流变换器的0-5伏弱电压信号，进一步地输入到单片机电度表内的多路开关进行巡回采样。在单片机控制下，每一路的采样周期均为20ms。选用的多路开关为CD4051八选一多路开关。CD4051由逻辑电平转换电路、地址译码电路、开关通道三部分组成，地址控制信号由单片机扩展的I/O接口8155的C口提供，共需三根地址控制线(A0-A2)，三位二进制数可确定八种状态，三相四线式三元件电度表的八选一多路开关利用六选一，三相三线式两元件电度表利用四选一。对于多用户的单相单元件电度表，输入信号的路数随用户的多少而定，最多可达32路，即一路相电压信号和31路相电流信号。以24路为例，输入信号共24路，其中有一路相电压输入信号V相和23路相电流输入信号I相(1-23)。选用三片CD4051组成的24路选1多路开关，24路需占用6根地址线A5-A0；最高位地址线A5、A4、A3分别作为三片CD4051的片选控制。经过多路开关的巡回采样，多路开关的输出信号再经二极管检波器检波，将0-5伏的正弦波全波信号变为正弦波半波信号，再通过低通滤波器将高次谐波干扰信号滤掉，而后引入共享的采样/保持器和模/数转换器进行数据检测。在单片机的控制下，模/数转换的周期均为1ms，因此，每一路信号的半波信号(半个周期)，只能检测到10次瞬时数字量V(tk)或Vi(tk)，并且分别送入单片机内相应的存贮单元里，而后由数据处理进行运算。

采样/保持器在输入通道中的作用主要体现在两个方面，一是保证A/D转换器在转换过程中被转换的模拟量保持不变，以提高转换精度；二是将多个相关的检测点在同一时刻的状态量保持下来，供分时转换和处理之用，以确保各检测量在时间上的一致性。也就是说，采样/保持器是在输入逻辑电平控制下，处于“采样”或“保持”两种状态的电路。在采样状态下，电路的输出跟踪输入模拟电压；转为保持状态时，电路输出保持前一次采样结束瞬时的模拟信号电平，直至进入下一次采样状态为止。

对于快速变化的输入信号，A/D转换器是对信号的某一瞬时状态实现转换的。A/D转换有一定的孔径时间。当信号频率f较高时，由于孔径时间tA存在，必然会造成过大的转换误差，要减少此误差，只能减少孔径时间。采用采样/保持器使A/D采样瞬间将输入信号瞬间状态“冻结”，这样能大大地减少由孔径时间造成的误差。因此，对于快速转换的信号，当最大孔径误差超过允许值时，必须在A/D转换之前加采样/保持器。

目前，采样/保持器电路大都做成集成电路芯片，本实施方式选用LF398，它是一种反馈型采样/保持器。

图11中A1和A2的输入阻抗高，电路的转换速率高。当逻辑控制信号为高电平时，处于跟随状态，控制信号为低电平时，处于保持状态。

本实施方式的数据检测采用AD574模/数转换器。AD574的结构由两部分组成，一部分是模拟芯片，另一部分是数字芯片。其中模拟芯片是由高性能的AD565 D/A12位转换器和参考电压组成，数字芯片由控制逻辑电路，逐次逼近型寄存器和三态输出缓冲器组成，它是一种快速12位逐次比较式的模/数转换器。

三相四线式电度表共有六路输入信号，每个循环的采样和数据检测的时间为20ms×6＝120ms，再加上数据处理所需的时间，共需250ms。对于三相三线式两元件电度表共有4路输入信号，每个循环的采样和数据检测所需的时间为20ms×4＝80ms，再加上数据处理所需的时间，每个循环共需180ms的时间。对于单相多路电度表，以24路为例，采样和数据检测所需的时间为20ms×24＝480ms，再加上数据处理的时间，每个循环共需1秒的时间。

电压与电流之间相位差角φ的检测部分接线如图2、图3。各种单片机电度表的检测元件组成如下：三相四线式三元件是，VA与IA、VB与IB、VC与IC；三相三线式两元件是VAB与IA，VBC与IC；24路的单相单元件是，V相与I相(1-23)。

三相四线式三无件电度表和三相三线式两元件电度表的相位差检测电路，是将电压、电流变换器的输出端接到检波器的输入端，首先将电压和电流的0-5伏正弦波全波信号进行检波，变为正弦波半波信号，再把检波器的输出端接入鉴零电路输入端，将正弦波信号变为方波信号，而后分别将每一元件的鉴零电路输出端接入“异或”门电路，即分别将每个元件的电压和电流的方波信号共同地引入到“异或”门电路，这时“异或”门电路输出一个矩形波信号，这个矩形波信号的宽度即可反映出电压与流之间相位差角φ的值。再把鉴零电路的输出端和“异或”门电路的输出端都接到多路开关输入端，将电压的半个周期的方波信号和相位差的矩形波信号都引入多路开关进行巡回采样，每一路输入信号的采样周期均为20ms(与数据检测的巡回采样是同步的)，最后将多路开关的输出端接入单片机，将多路开关的输出信号分别送入单片机内进行中断处理，即可求取半个周期时间T/2和相位差时间t，并分别存贮到每个元件相应的存贮单元里，由数据处理求取φ值，计算公式是：

8031单片机利用本身所带的16位计数器，分别记录各元件的半周期方波信号的宽度T/2和相位差矩形波信号宽度t。

对于多路单相单元件电度表的相位差检测电路，是将电压、电流变换器的输出端接到检波器的输入端，将单元件的相电压、相电流的0-5伏正弦波全波信号变为正弦波半波信号，把检波器的输出端接入鉴零电路的输入端，将电压、电流的半波信号变换为方波信号，而后将通过电压信号的鉴零电路的输出端接入“异或”门电路的输入端；而将通过电流信号的鉴零电路的输出端与地址控制信号共同接入一个与门，并将与门的输出端接入“异或”门电路的另一个输入端，最后将“异或”门电路的输出端接入单片机。即当多路开关第一路闭合、对电压信号进行检测的时候，相位差检测电路的与门电路没有输出信号，这时“异或”门电路检测的是电压半个周期方波信号的时间T/2；当多路开关第2路到最后一路分别闭合的时候，检测的是各路的电流信号与电压信号之间的相位差，在这个期间，相位差检测电路中“与门”电路输出的是各路电流的方波信号，为此，这个期间“异或”门分别检测的是相电压与各相电流之间的相位差宽度值。关于相位差角采集的原理与三相电度表是完全相同的。

图5所示为本发明实施方式采用的8031单片机、扩展的存储器和I/O接口芯片的接线原理图。

图6为各项用电数据显示部分接线原理图。本实施方式采用6位LED数码管，由8279芯片构成的标准键盘、显示控制电路。三相电度表的显示项目有：用户的代码、已购电量、峰值有功电量、低谷有功电量、有功电量合计、无功电量和剩余电量。单相电度表的显示项目除无功电量外，其它与三相电度表相同，报警的项目有：剩余电量为0，超最大用电负荷、超允许用电指标。

脱扣控制机构及其与单片机I/O接口的接线如图7、图8所示，三相电度表和单相电度表分别采用不同的继电控制方式。

多路单相电度表的语音报警系统，实施方式采用T6668-1型功能板。普通T6668-1型功能板是一路输出，本设计将其扩展为多路输出，将T6668-1语音芯片的11脚输出电位器的滑动端接入多路开关的一路输入端，再将多路开关的多路输出端分别通过功率放大器接入各用户家中的扬声器。并在用户家里设置一个按键开关，各按键开关的接线采用行列式组成的键盘控制电路。

单片机多功能数字式电度表与供电部门的主机之间的通讯采用电力线路进行数据传输。

Claims (9)

1、一种单片机多功能数字式电度表，包括前向输入接口电路、单片机及其接口、数字显示电路和脱扣控制机构，其特征在于前向输入接口电路由电压、电流输入传感元件、电压、电流数据检测电路、相位差检测电路组成，电压、电流传感元件采用电压变换器和电流变换器，电压变换器和电流变换器的一次侧分别接于配电装置的电压互感器和电流互感器的二次回路，二次侧接数据检测电路的输入端和相位差检测电路的输入端，电流变换器的二次侧有负载电阻，电压变换器和电流变换器的匝数比及电流变换器的负载电阻值的选取是使其二次侧的电压输出信号的有效值为5伏和0-5伏；

电压电流数据检测电路是由多路开关、检波器、滤波器、采样/保持器组成的数据检测通道，多路开关的输入端接自多路电压、电流变换器的二次侧0-5伏电压输出，其输出端接检波器输入端，控制端接单片机的扩展I/O口，检波器的输出端接滤波器的输入端，滤波器的输出端通过采样/保持器、模/数转换器接入单片机；

相位差检测电路是由检波器、鉴零电路、“异或”门电路组成的相位差检测通道，电压、电流变换器的输出端接入检波器，检器输出端经过鉴零电路接入“异或”门电路，“异或”门电路的输出端接入单片机。

2、如权利要求1所述的单片机多功能数字式电度表，其特征在于它是三相四线式三元件电度表，即输入信号共有六路，VA、VB、VC三路相电压输入信号和IA、IB、IC三路相电流输入信号。

3、如权利要求1所述的单片机多功能数字式电度表，其特征在于它是三相三线式两元件电度表，即输入信号共有四路，VAB、VBC两路线电压输入信号和IA、IC两路线电流输入信号。

4、如权利要求1所述的单片机多功能数字式电度表，其特征在于它是单相单元件电度表，输入信号的路数随用户的多少而定，最多为32路。

5、如权利要求4所述的单片机多功能数字式电度表，其特征在于输入信号的路数为24路。

6、如权利要求1所述的单片机多功能数字式电度表，其特征在于所述的采样/保持器为LF398反馈型采样/保持器。

7、如权利要求2或3所述的单片机多功能数字式电度表，其特征在于相位差检测电路是将电压、电流变换器的输出端接到检波器的输入端，检波器的输出端接入鉴零电路入端，分别将每一元件的鉴零电路输出端接入“异或”门电路，再把鉴零电路输出端和“异或”门电路的输出端都接到多路开关输入端，最后将多路开关的输出端接入单片机。

8、如权利要求4或5所述的单片机多功能数字式电度表，其特征在于相位差检测电路是将电压、电流变换器的输出端接到检波器的输入端，检波器的输出端接入鉴零电路输入端，再将检测电压信号的鉴零电路的输出端接入“异或”门电路的输入端，将检测电流信号的鉴零电路的输出端与地址控制信号共同接入一个与门，并将与门电路的输出端接入“异或”门电路的另一个输入端，最后将“异或”门电路的输出端接入单片机。

9、如权利要求4或5所述的单片机多功能数字式电度表，其特征在于增设一个语音报警电路，是采用T6668-1型功能板，将T6668语音芯片的11脚输出电位器的滑动端接入多路开关的一路输入端，多路开关的多路输出端分别通过功率放大器接入用户家中的扬声器。

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