【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(guó)經(jīng)濟(jì)的 飛 速發(fā)展，電力已經(jīng)成為國(guó)家的 不可或缺的 能源 。 然而 目 前的用電管理 方 式 太過(guò) 落后， 始終 采用先裝表 用電 然 后抄表 付費(fèi)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(duì) 用戶和管理人員 來(lái)說(shuō)，十分 不方便 ，而且 有一定的弊端。為了適應(yīng)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(jìn)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(zhǎng)一段時(shí)間來(lái) ，我國(guó) 主要生產(chǎn)感應(yīng)式機(jī)械 交流電表 ，雖然近幾年開(kāi)始生產(chǎn)使用簡(jiǎn)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(huì) 正在 逐漸 步入 信息化，網(wǎng)絡(luò)化 時(shí)代 ，電力系統(tǒng) 也逐漸變得更加 智能化 ，人工抄表 對(duì)電力 系統(tǒng) 智能 化 管理的 阻礙逐漸顯現(xiàn) 。 對(duì) 電力系統(tǒng)而言， 除了用電終端還沒(méi)實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)對(duì)接外， 發(fā)電、輸電、配電 、 區(qū)域變電 等 都 基本 實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò) 智能化 管理，這 對(duì) 電力 系統(tǒng)潛能的發(fā)揮 會(huì)產(chǎn)生重大影響 。 因此， 本次設(shè)計(jì) 選擇了 基于 51 單片機(jī)的智能電表 設(shè)計(jì)。 此次設(shè)計(jì)的電能表應(yīng) 用微機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)等，減少 了 電 表功耗， 計(jì)量更加準(zhǔn)確，用電數(shù)據(jù)可以自動(dòng)上傳 ， 十分簡(jiǎn)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(guó)電工儀表行業(yè)中 是 需求量 最大的產(chǎn)品 ， 而且電能表發(fā)展歷史較長(zhǎng) 。 伴隨電力系統(tǒng)的發(fā)展，電能表經(jīng)歷了以下階段 ： 感應(yīng)電能表 —— 感應(yīng)系統(tǒng)脈沖電能表 —— 純電子式電能表 [1]。感應(yīng)系電能表 ： 電能表的金屬圓盤(pán) 在 交變磁場(chǎng) 中 會(huì)感應(yīng)出 電流 ， 與磁場(chǎng) 相互作用就會(huì)產(chǎn)生力，正是這個(gè)力驅(qū)動(dòng)電表工作 [1]。感應(yīng)系統(tǒng)脈沖電能表 ：工作元件與 感應(yīng)系電能表的測(cè)量機(jī)構(gòu) 類(lèi)似 ， 但是 電能脈沖轉(zhuǎn)換 通過(guò) 光電傳感器完成， 脈沖轉(zhuǎn)換后 然后 利用電子電路處理 計(jì)算 ， 最終測(cè)得所消耗的電能 [1]。純電子式電能表 ： 電能計(jì)量都是利用 電子電路 完成 ，所以電子式電能表 的 共同特點(diǎn) 是都使用到 乘法器。 電能管理 智能 化 要求 訪問(wèn)電能表的 電參數(shù)逐漸增多 ， 還 需 要與電能表 實(shí)現(xiàn) 雙向 實(shí)時(shí) 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(kuò)展 容易 ，和配電自動(dòng)化系統(tǒng)集成 也就容易。 在本世紀(jì)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(yīng)式電表 。 功能多樣的 智能電表 增強(qiáng) 了用電 管理 智能化的能力 ， 因此 未來(lái) 大規(guī)模自動(dòng)抄表 很有可能成為現(xiàn)實(shí) 。目前復(fù)費(fèi)率表技術(shù) 發(fā)展 迅速 ， 預(yù)付費(fèi)技術(shù) 也日漸 完善， 尤其 是 IC 卡和非接觸式卡等技術(shù) 的使用 ， 大大提高了預(yù)付費(fèi)表 的 安全性和可靠性 [2,3]。 電能表 的發(fā)展前景 隨著 國(guó)家城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造 ， 促使 電工儀器儀表行業(yè) 有了一個(gè)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(jìn)入發(fā)展低潮，但 發(fā)展 沒(méi)有停止 。 在 高新技術(shù)尤其是電子信息技術(shù)快速發(fā)展 下 ， 要求電表不僅僅能完成電量的簡(jiǎn)單計(jì)量 ， 還能 實(shí)現(xiàn)管理、自動(dòng)抄表等 若干 功能 。 電能表發(fā)展的 主流將會(huì)是 純 電子式 ，測(cè)量 精度 高 、 功能多樣化 、 費(fèi)率多樣化 、 網(wǎng)絡(luò)化、 抄表 自動(dòng) 化 等， 而且 在未來(lái)，這種 發(fā)展 趨勢(shì) 會(huì)越來(lái)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?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的計(jì)量外，還能實(shí)現(xiàn)電功率、電能等電參數(shù)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)計(jì)量，與上位機(jī)實(shí)時(shí)通訊，用電管理等功能。智能電表技術(shù)主要應(yīng)用微機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)等技術(shù)，把智能芯片作為核心 [4]。 智能電能表的典型結(jié)構(gòu) 從結(jié)構(gòu)上說(shuō) ，智能電能表 相當(dāng)于具有特定功能的 微型計(jì)算機(jī)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(jì)量芯片 ADE7757 及相關(guān)電路，STC89C52 單片機(jī) 及 相關(guān) 電路，通信接口電路，人機(jī)交換 電路 。 數(shù)據(jù)采集 輸入 、 輸出 電路實(shí)現(xiàn) 模擬 信號(hào)和數(shù)字 信號(hào) 的輸入和輸出 。 單片機(jī)及其外圍電路實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的 存儲(chǔ)并 完成相關(guān)的程序、數(shù)據(jù) 運(yùn)算和處理。人與儀表 的 相互 “交流” ， 主要通過(guò) 液晶顯示屏，上位機(jī)等。通信接口電路 將儀表和計(jì)算機(jī) 聯(lián)系 在一起 ， 實(shí)現(xiàn) 儀表和計(jì)算機(jī)信息 的實(shí)時(shí) 交換。 軟件部分 主要分為兩部分，一部分主要針對(duì)鍵盤(pán)、單片機(jī) I/O 接口、存儲(chǔ)器和顯示器等，控制協(xié)調(diào)他們正常工作，另一部分主要針對(duì)通信接口，控制協(xié)調(diào)儀表和計(jì)算機(jī)通信 。比如 操作 鍵盤(pán) 可以 輸入并存儲(chǔ) 電表的相關(guān) 功能、操作方式 以及 工作參數(shù)；控制 單片機(jī) I/O接口電路 完成 數(shù)據(jù)采集； 控制存儲(chǔ)器可以把電表的各種狀態(tài)，測(cè)量的電能數(shù)據(jù)分時(shí)實(shí)時(shí)地存儲(chǔ) ； 控制液晶顯示器可以 把 電表的各種狀態(tài)，測(cè)量的電能數(shù)據(jù) 通過(guò) 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(lái)自通信 總線的各種程序操作碼，并 根據(jù)計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程命令， 通過(guò)通信接口 將電表 的工作狀態(tài) 和 測(cè)量 的電能 數(shù)據(jù) 等輸出 到上位機(jī) ， 或者完成計(jì)算機(jī)要求的相應(yīng)的動(dòng)作 [5]。 智能電表的主要特點(diǎn) ， 以測(cè)量的參數(shù) ，如無(wú)功功率、功率因數(shù)等 。 簡(jiǎn)單的控制功能 ，如過(guò)負(fù)荷控制 。 ， 通過(guò)按鍵 可以 查詢 顯示 電量參數(shù) ，設(shè)定儀表的處置參數(shù) 。 ， 可以對(duì)智能電表遠(yuǎn)程控制 ， 使其具有 自動(dòng)抄表功能， 還可以與計(jì)算機(jī)或 其他儀表 組合 使用 ，構(gòu)成 功能多樣的 測(cè)量系統(tǒng)。 3 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的基本思路和具體設(shè)計(jì) 任務(wù)以及結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路 通過(guò) 電壓、電流采樣電路 ,將 模擬信號(hào)輸入計(jì)量芯片 ADE7757，電能計(jì)量芯片 ADE7757經(jīng)過(guò)一系列的操作，輸出相 應(yīng) 的脈沖 。 單片機(jī) STC89C51 可以測(cè)量 瞬時(shí)有功功率， 完成對(duì)功率 、電能及其他電參量 的精確測(cè)量， 設(shè)定時(shí)間參數(shù)后 ， 還 可以 實(shí)現(xiàn)分時(shí)計(jì)量 和存儲(chǔ) 等功能 。 單片機(jī) STC89C51 還可以 上位機(jī)實(shí)時(shí)通訊 ， 完成 電量信息 和控制指令的交互 。 具體設(shè)計(jì)任務(wù) 測(cè)量相關(guān)的 電參量，即 采集 電壓 信號(hào) 和電流信號(hào) 輸入到計(jì)量芯片 ADE7757 中 。設(shè)計(jì)出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 ，完成 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，具體包括 電壓、電流采樣等 計(jì)量電路的設(shè)計(jì)，計(jì)量芯片和單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)以及 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、顯示模塊、 電源模塊 和 通信接口電路的設(shè)計(jì)。 完成系統(tǒng)軟件流程圖的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖是系統(tǒng)硬件 電路 設(shè)計(jì) 的基礎(chǔ)，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如參考圖 3— 1所示 圖 3— 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì) 電壓采樣電路 電流采樣電路 ADE7757計(jì)量芯片電路 電壓采樣信號(hào) 電流采樣信號(hào) MCU部分（STC89C51） 1602顯示模塊 24Co8 存儲(chǔ)模塊 DS1302 時(shí)鐘模塊 RS232通信模塊 按鍵掃描、復(fù)位 電源模塊 4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 主要是由以下幾部分組成： 計(jì)量模塊 (電壓、電流采樣電路 +計(jì)量芯片 )、控制模塊、存儲(chǔ)模塊、 時(shí)鐘模塊、 顯示模塊、 電源模塊、通信模塊 等。 本次設(shè)計(jì)的單相電能表 核心芯片是 ADE7757 計(jì)量芯片和 STC89C51 單片機(jī) ， 利用 單片機(jī) 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0 端 對(duì) ADE7757 的 CF 腳輸 出的脈沖計(jì)數(shù)， 再根據(jù)計(jì)量芯片 ADE7757 的計(jì)量原理，就可以測(cè)得 有功、無(wú)功等電參量。單片機(jī) 利用 AT24C02 芯片對(duì)電參量的定時(shí)存儲(chǔ)，利用 按鍵進(jìn)行電參量的查詢， 利用 1602 液晶 顯示器 進(jìn)行電參量的顯示， 利用 RS232 總線把 電參量 進(jìn)行 遠(yuǎn)程傳送 ，傳送到電腦上位機(jī) 。 DS1302 時(shí)鐘芯片 可以為電表計(jì)量存儲(chǔ) 提供時(shí)間參數(shù) ，同時(shí)可以作為數(shù)字時(shí)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(shè)計(jì) 本部分 主要 對(duì) 系統(tǒng) 的 硬件電路 進(jìn)行介紹 ，通過(guò)劃分各個(gè)功能模塊，選擇相關(guān)的芯片。設(shè)計(jì) 了 ADE7757 外圍電路 ，包括電壓、電流采樣電路的設(shè)計(jì)，計(jì)量芯片 ADE7757 與單片機(jī)接口電路的設(shè)計(jì) ， 同時(shí)闡述 了 電能計(jì)量 的一般原理和相關(guān) 電路參數(shù)計(jì)算； 設(shè)計(jì)了 STC89C52外圍電路 ，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)以及外圍相關(guān)模塊的電路設(shè)計(jì) ；最后介紹 電表的供電 模塊設(shè)計(jì)。 計(jì)量芯片 ADE7757 ADE7757 功能及特點(diǎn)概述 計(jì)量芯片 ADE7757 由 美國(guó) AD公司 生產(chǎn) 推出 ，它是 一款高精度 的專(zhuān)用 電能計(jì)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(nèi)部 還增加 了一個(gè)精確的振蕩器電路 ，芯片的時(shí)鐘就由此提供 ，不再需要在芯片