【文章內容簡介】 crocontroller Futian Qin (Mechanical amp。 Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong 271018) Abstract: With the rapid development of modern smart grid technology, the smart meter as an important part of smart grid has been developed rapidly. In the future, smart meters must been installed in a wide range. So the research of smart meter technology is of practical meter’s measurement accuracy is not high, only show the total amount of electricity, have single function, and the need for manual meter reading wastes resources. The main study of smart meters is in order to achieve highprecision measurement, data protection, automatic alarm, load control, remote meter reading and other functions. Remote meter reading system can achieve realtime munication, no need for manual meter reading. In this paper, I put forward the design of smart meters based on singlechip, which is designed primarily by the data sampling module, energy metering module, singlechip control module, display module, memory module, munication modules and other ponents. Singlechip is smart meters brain, all the peripheral hardware work under its coordination control. The peripheral hardware circuits is modular, data sampling module can convert not directly measured large voltage and large current of the grid to small voltages and small currents be used to measure. Electricity metering IC ADE7757 can achieve energy metering. The display module provides realtime power information for the user. Storage module and munication module can storage and exchange the information of electricity in a timely manner with the host puter. Keywords: Smart meters accurately measure ADE7757 microcontroller 51 remote meter reading 1 引言 伴隨 我國經濟的 飛 速發(fā)展，電力已經成為國家的 不可或缺的 能源 。 然而 目 前的用電管理 方 式 太過 落后， 始終 采用先裝表 用電 然 后抄表 付費的傳統(tǒng) 作業(yè) 模 式 ， 并 且絕大部分 的電表都是分散的 。 但是 這種管理 方 式 對 用戶和管理人員 來說，十分 不方便 ，而且 有一定的弊端。為了適應現(xiàn)代智能電網(wǎng)的 發(fā)展 要求，保證用戶安全、方便、合理的用電， 必須改進傳統(tǒng)的電表和用電 方 式，使之符合現(xiàn)代智能電網(wǎng) 的 發(fā)展。 很長一段時間來 ，我國 主要生產感應式機械 交流電表 ，雖然近幾年開始生產使用簡單的數(shù)字式電 能 表 ，但 抄表 絕大 部分仍采用人工的 方 式。 我們的 社會 正在 逐漸 步入 信息化，網(wǎng)絡化 時代 ，電力系統(tǒng) 也逐漸變得更加 智能化 ，人工抄表 對電力 系統(tǒng) 智能 化 管理的 阻礙逐漸顯現(xiàn) 。 對 電力系統(tǒng)而言， 除了用電終端還沒實現(xiàn)與網(wǎng)絡對接外， 發(fā)電、輸電、配電 、 區(qū)域變電 等 都 基本 實現(xiàn)了網(wǎng)絡 智能化 管理，這 對 電力 系統(tǒng)潛能的發(fā)揮 會產生重大影響 。 因此， 本次設計 選擇了 基于 51 單片機的智能電表 設計。 此次設計的電能表應 用微機技術、通訊技術等，減少 了 電 表功耗， 計量更加準確，用電數(shù)據(jù)可以自動上傳 ， 十分簡便快捷， 工作效率 大大提高，最大程度上滿足 現(xiàn)代 智能 電網(wǎng) 的要求。 1 傳統(tǒng)電能 表 電能表的發(fā)展 電能表在 我國電工儀表行業(yè)中 是 需求量 最大的產品 ， 而且電能表發(fā)展歷史較長 。 伴隨電力系統(tǒng)的發(fā)展，電能表經歷了以下階段 ： 感應電能表 —— 感應系統(tǒng)脈沖電能表 —— 純電子式電能表 [1]。感應系電能表 ： 電能表的金屬圓盤 在 交變磁場 中 會感應出 電流 ， 與磁場 相互作用就會產生力，正是這個力驅動電表工作 [1]。感應系統(tǒng)脈沖電能表 ：工作元件與 感應系電能表的測量機構 類似 ， 但是 電能脈沖轉換 通過 光電傳感器完成， 脈沖轉換后 然后 利用電子電路處理 計算 ， 最終測得所消耗的電能 [1]。純電子式電能表 ： 電能計量都是利用 電子電路 完成 ，所以電子式電能表 的 共同特點 是都使用到 乘法器。 電能管理 智能 化 要求 訪問電能表的 電參數(shù)逐漸增多 ， 還 需 要與電能表 實現(xiàn) 雙向 實時 通訊，數(shù)字乘法器型電能表 的核心是 微處理器， 因此其 功能擴展 容易 ，和配電自動化系統(tǒng)集成 也就容易。 在本世紀初， 工商業(yè)用表的主流逐漸成為 電子式電能表 ， 不再是 感應式電表 。 功能多樣的 智能電表 增強 了用電 管理 智能化的能力 ， 因此 未來 大規(guī)模自動抄表 很有可能成為現(xiàn)實 。目前復費率表技術 發(fā)展 迅速 ， 預付費技術 也日漸 完善， 尤其 是 IC 卡和非接觸式卡等技術 的使用 ， 大大提高了預付費表 的 安全性和可靠性 [2,3]。 電能表 的發(fā)展前景 隨著 國家城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造 ， 促使 電工儀器儀表行業(yè) 有了一個快速的發(fā)展 ，但 是改造 完成 2 后，電工儀器儀表行業(yè)發(fā)展 逐漸 平穩(wěn)，進入發(fā)展低潮，但 發(fā)展 沒有停止 。 在 高新技術尤其是電子信息技術快速發(fā)展 下 ， 要求電表不僅僅能完成電量的簡單計量 ， 還能 實現(xiàn)管理、自動抄表等 若干 功能 。 電能表發(fā)展的 主流將會是 純 電子式 ，測量 精度 高 、 功能多樣化 、 費率多樣化 、 網(wǎng)絡化、 抄表 自動 化 等， 而且 在未來，這種 發(fā)展 趨勢 會越來越 明顯 。 2 智能電能表 智能電表的概念 智能電表，顧名思義就是把傳統(tǒng)電表智能化，除了能夠實現(xiàn)簡單的計量外，還能實現(xiàn)電功率、電能等電參數(shù)的準確實時計量，與上位機實時通訊，用電管理等功能。智能電表技術主要應用微機技術、通訊技術等技術，把智能芯片作為核心 [4]。 智能電能表的典型結構 從結構上說 ，智能電能表 相當于具有特定功能的 微型計算機系統(tǒng)， 通常包括 硬件和軟件 兩部分。 硬件部分主要包括 數(shù)據(jù)采集輸入、輸出電路 ， 電能計量芯片 ADE7757 及相關電路，STC89C52 單片機 及 相關 電路，通信接口電路，人機交換 電路 。 數(shù)據(jù)采集 輸入 、 輸出 電路實現(xiàn) 模擬 信號和數(shù)字 信號 的輸入和輸出 。 單片機及其外圍電路實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的 存儲并 完成相關的程序、數(shù)據(jù) 運算和處理。人與儀表 的 相互 “交流” ， 主要通過 液晶顯示屏，上位機等。通信接口電路 將儀表和計算機 聯(lián)系 在一起 ， 實現(xiàn) 儀表和計算機信息 的實時 交換。 軟件部分 主要分為兩部分，一部分主要針對鍵盤、單片機 I/O 接口、存儲器和顯示器等，控制協(xié)調他們正常工作，另一部分主要針對通信接口，控制協(xié)調儀表和計算機通信 。比如 操作 鍵盤 可以 輸入并存儲 電表的相關 功能、操作方式 以及 工作參數(shù)；控制 單片機 I/O接口電路 完成 數(shù)據(jù)采集； 控制存儲器可以把電表的各種狀態(tài)，測量的電能數(shù)據(jù)分時實時地存儲 ； 控制液晶顯示器可以 把 電表的各種狀態(tài)，測量的電能數(shù)據(jù) 通過 圖形、字符、 數(shù)字等形式 顯示 給用戶 。 控制 通信接口 接收和分析來自通信 總線的各種程序操作碼，并 根據(jù)計算機的遠程命令， 通過通信接口 將電表 的工作狀態(tài) 和 測量 的電能 數(shù)據(jù) 等輸出 到上位機 ， 或者完成計算機要求的相應的動作 [5]。 智能電表的主要特點 ， 以測量的參數(shù) ，如無功功率、功率因數(shù)等 。 簡單的控制功能 ，如過負荷控制 。 ， 通過按鍵 可以 查詢 顯示 電量參數(shù) ，設定儀表的處置參數(shù) 。 ， 可以對智能電表遠程控制 ， 使其具有 自動抄表功能， 還可以與計算機或 其他儀表 組合 使用 ，構成 功能多樣的 測量系統(tǒng)。 3 3 系統(tǒng)設計 的基本思路和具體設計 任務以及結構框圖 系統(tǒng)設計的基本思路 通過 電壓、電流采樣電路 ,將 模擬信號輸入計量芯片 ADE7757，電能計量芯片 ADE7757經過一系列的操作，輸出相 應 的脈沖 。 單片機 STC89C51 可以測量 瞬時有功功率， 完成對功率 、電能及其他電參量 的精確測量， 設定時間參數(shù)后 ， 還 可以 實現(xiàn)分時計量 和存儲 等功能 。 單片機 STC89C51 還可以 上位機實時通訊 ， 完成 電量信息 和控制指令的交互 。 具體設計任務 測量相關的 電參量，即 采集 電壓 信號 和電流信號 輸入到計量芯片 ADE7757 中 。設計出系統(tǒng)結構框圖 ，完成 系統(tǒng)硬件電路的設計，具體包括 電壓、電流采樣等 計量電路的設計，計量芯片和單片機的接口電路設計，單片機外圍電路的設計以及 數(shù)據(jù)存儲模塊、時鐘模塊、顯示模塊、 電源模塊 和 通信接口電路的設計。 完成系統(tǒng)軟件流程圖的設計，主要包括主程序 流程圖 、中斷程序流程圖和按鍵查詢流程圖的設計。 系統(tǒng)結構框圖 系統(tǒng)結構圖是系統(tǒng)硬件 電路 設計 的基礎，本設計的系統(tǒng)結構圖如參考圖 3— 1所示 圖 3— 1系統(tǒng)結構框圖設計 電壓采樣電路 電流采樣電路 ADE7757計量芯片電路 電壓采樣信號 電流采樣信號 MCU部分（STC89C51） 1602顯示模塊 24Co8 存儲模塊 DS1302 時鐘模塊 RS232通信模塊 按鍵掃描、復位 電源模塊 4 系統(tǒng)結構框圖 主要是由以下幾部分組成： 計量模塊 (電壓、電流采樣電路 +計量芯片 )、控制模塊、存儲模塊、 時鐘模塊、 顯示模塊、 電源模塊、通信模塊 等。 本次設計的單相電能表 核心芯片是 ADE7757 計量芯片和 STC89C51 單片機 ， 利用 單片機 定時 /計數(shù)器 T0 端 對 ADE7757 的 CF 腳輸 出的脈沖計數(shù)， 再根據(jù)計量芯片 ADE7757 的計量原理，就可以測得 有功、無功等電參量。單片機 利用 AT24C02 芯片對電參量的定時存儲，利用 按鍵進行電參量的查詢， 利用 1602 液晶 顯示器 進行電參量的顯示， 利用 RS232 總線把 電參量 進行 遠程傳送 ，傳送到電腦上位機 。 DS1302 時鐘芯片 可以為電表計量存儲 提供時間參數(shù) ，同時可以作為數(shù)字時鐘 。電源模塊 采用 兩種供電方式，一種是 利用 電源插座 直接供電， 另 一種是 采用 USB供電。 4 系統(tǒng)硬件電路設計 本部分 主要 對 系統(tǒng) 的 硬件電路 進行介紹 ，通過劃分各個功能模塊，選擇相關的芯片。設計 了 ADE7757 外圍電路 ，包括電壓、電流采樣電路的設計，計量芯片 ADE7757 與單片機接口電路的設計 ， 同時闡述 了 電能計量 的一般原理和相關 電路參數(shù)計算； 設計了 STC89C52外圍電路 ，包括單片機最小系統(tǒng)以及外圍相關模塊的電路設計 ；最后介紹 電表的供電 模塊設計。 計量芯片 ADE7757 ADE7757 功能及特點概述 計量芯片 ADE7757 由 美國 AD公司 生產 推出 ，它是 一款高精度 的專用 電能計量集成芯片。 雖然芯片引腳減少了 ， 但并不影響他的功能，而且在它內部 還增加 了一個精確的振蕩器電路 ，芯片的時鐘就由此提供 ，不再需要在芯片