【正文】 諧波功率信號(hào)難以轉(zhuǎn)換成等比例的驅(qū)動(dòng)力矩，因而造成感應(yīng)式電能表對(duì)非線性負(fù)荷、沖擊負(fù)荷的計(jì)量誤差較大問題。隨著電能表擁有著容易實(shí)現(xiàn)多功能、高精度、便于自動(dòng)抄表及具有先進(jìn)通訊接口等諸多功能擴(kuò)展需要，促使各種新型的電子式電能表迅速發(fā)展。在這個(gè)原理基礎(chǔ)上我國(guó)研制出單相和三相電子式數(shù)字功率電能標(biāo)準(zhǔn)表。近年，在國(guó)外電子式電能表發(fā)展非?？?，芬蘭、瑞典、挪威等北歐各國(guó)以及法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、西班牙、比利時(shí)和意大利等西歐許多國(guó)家，其工商用戶計(jì)費(fèi)電能表已實(shí)現(xiàn)100%電子化。現(xiàn)在上海電網(wǎng)65%以上的居民使用了電子式電能表。在我國(guó)，電力生產(chǎn)對(duì)計(jì)劃調(diào)度、經(jīng)濟(jì)調(diào)度要求愈來愈高。為調(diào)節(jié)負(fù)荷用電時(shí)段，以解決日漸突出的電力供求矛盾，在不增添設(shè)備，不擴(kuò)大設(shè)備容量的前提下，主要通過兩種方法來解決：一是通過行政手段，在用電高峰時(shí)限、拉電；二是通過經(jīng)濟(jì)手段，實(shí)行分時(shí)電價(jià)，即提高用電高峰時(shí)段電能的售價(jià)，降低用電低谷時(shí)段電能的售價(jià)。2003年，國(guó)家在保持電價(jià)總水平基本穩(wěn)定的前提下，大力推行峰谷分時(shí)計(jì)電價(jià)，鼓勵(lì)用戶合理移峰填谷用電。其中，全新的全電子式復(fù)費(fèi)率電能表則改變了傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表的外形，并具獨(dú)特的多功能優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前電能表正向著全電子式、多功能、具有標(biāo)準(zhǔn)通訊接口以及遠(yuǎn)程抄控功能的方向發(fā)展。 硬件部分主要包括信號(hào)的輸入通道，微控制器或微控制器及其外圍電路、標(biāo)準(zhǔn)通信接口、人機(jī)交換通道，輸出通道。微控制器及其外圍電路用來存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)并進(jìn)行一系列的運(yùn)算和處理，通常包括程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路等組成。標(biāo)準(zhǔn)通信接口電路用于實(shí)現(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)的聯(lián)系，以使儀器可以接受計(jì)算機(jī)的程控指令，目前用于智能電能表的通信接口主要有GPIB、RS232C等。其中監(jiān)控程序面向儀器面板鍵盤和顯示器，通過鍵盤操作輸入并存儲(chǔ)所設(shè)置的功能、操作方式與工作參數(shù)。對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器所記錄的數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行各種處理。接口管理程序主要面向通信接口，其內(nèi)容是接受并分析來自通信接口總線的各種有關(guān)功能、操作方式與工作參數(shù)的程控操作碼，并通過通信接口輸出儀器的現(xiàn)行工作狀態(tài)及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，以響應(yīng)計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)控命令。 ②能夠進(jìn)行間接測(cè)量，智能電能表可以利用內(nèi)含的微處理器通過測(cè)量幾種容易測(cè)量的參數(shù)，間接地求出某種難以測(cè)量的參數(shù)。 ④具有自動(dòng)修正誤差的能力。 ⑥能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制功能。 ⑧智能電能表一般都配有GPIB或RS232等接口，使智能電能表具有可程控操作的能力。 設(shè)計(jì)概要智能電表在傳統(tǒng)電能表的基本功能上新增了自動(dòng)化功能和智能化功能，智能電表內(nèi)部帶有功能較強(qiáng)的 MCU（微控制器單元），具備雙向通信、雙向計(jì)量和強(qiáng)大的控制功能。第二章 總體方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)制作制作的智能電表，設(shè)計(jì)的主要要求如下：（1）該交流電能表能實(shí)現(xiàn)對(duì)單相交流電能的測(cè)量；（2）電表參數(shù)：額定電壓220V,額定電流5A,最大電流10A，最大計(jì)度容量：；（4）能測(cè)量并顯示當(dāng)前的功率、電壓和電流的有效值；（5）顯示當(dāng)前日期和時(shí)間，具有分時(shí)計(jì)量功能；（6）可以與PC機(jī)進(jìn)行串行通信，并可用鍵盤控制，便于操作；（7）電量脈沖輸出；（8）停電不丟失電能數(shù)據(jù)；電能表是一種計(jì)量某一段時(shí)間內(nèi)通過的電能的累積值的表計(jì)。這里主要介紹根據(jù)智能小區(qū)家庭型用戶電能計(jì)量系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)的一種智能型多功能復(fù)費(fèi)率電能表。用經(jīng)濟(jì)手段鼓勵(lì)用戶在低谷時(shí)段用電。電子式的復(fù)費(fèi)率電能表一般使用單片機(jī)對(duì)電能脈沖進(jìn)行分時(shí)段計(jì)算處理，同時(shí)具有有效的參數(shù)設(shè)定。電能表部分應(yīng)包括電流傳感器、電壓傳感器、電能計(jì)量芯片、顯示器件、按鍵開關(guān)時(shí)鐘/日歷芯片、看門狗電路、擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及用于通斷電控制用的小功率交流開關(guān)。其中，電能表部分需要電流互感器、電壓互感器把照明電路中的22OV電壓和大電流(10A)變換成電能計(jì)量芯片所要求的輸入電壓和輸入電流范圍之內(nèi)。此電能表主要由計(jì)量模塊、單片機(jī)、IC卡模塊、LCD顯示、EEPROM存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路及電源電路等部分組成。其中，單片機(jī)以AT89C51為電能表的核心控制芯片，它是電能表的“大腦”，外圍所有的硬件模塊都是在它的控制協(xié)調(diào)下進(jìn)行工作的。單片機(jī)（AT89C51）LCD顯示IC卡模塊EEPROM存儲(chǔ)器電能計(jì)量芯片實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路電源電路89C1是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。它能方便地讀取IC卡的數(shù)據(jù)，并控制液晶顯示器的工作，同時(shí)還可以將電能表的數(shù)據(jù)存入EEPROM進(jìn)行永久保存并可通過串口送至表外的數(shù)據(jù)終端，大大地提高了電能表的智能化功能。（2）片內(nèi)256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM/SFR，用以存放可以讀/寫的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等。（4）4個(gè)8位并行I/O端口P0P3,每個(gè)端口既可以用作輸入，也可以用作輸出。（6）具有5個(gè)中斷源、兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷控制系統(tǒng)。（8）片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。以上各個(gè)部分通過片內(nèi)八位數(shù)據(jù)總線相連接。 圖2 單片機(jī)AT89C51的引腳圖（1）XTAL1（19腳）：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。（3）RST（9腳）：復(fù)位輸入，當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。作為漏極開路的輸出端口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。（5）P3口（10～17腳）：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O多功能口。對(duì)P3口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口，此時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處低電平10ms來完成。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。 智能電能表的設(shè)計(jì)方法 智能電能表的硬件設(shè)計(jì)方法智能電能表中均含有微處理器或微控制器，在微處理器或微控制器的外圍進(jìn)行設(shè)備的擴(kuò)展如程序存儲(chǔ)器ROM、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、鍵盤、顯示器、報(bào)警裝置和通信口。圖3表述了智能電能表的硬件結(jié)構(gòu)組成原理圖。不同功能的智能電能表由不同部件組合而成。所采集的數(shù)據(jù)或從鍵盤上輸入的數(shù)據(jù)以及經(jīng)過一定的算法運(yùn)算后的數(shù)據(jù)均暫存于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM中。智能電能表硬件設(shè)計(jì)各功能環(huán)節(jié)如下: 微處理器或微控制器微處理器和微控制器在智能電能表中都是智能電能表的心臟，它們的結(jié)構(gòu)、特性對(duì)智能電能表的性能影響很大。根據(jù)智能電能表控制功能和測(cè)量功能的不同選用合適的單片機(jī)作為智能電能表的核心，從而提高智能電能表的整體性能。它作為信息獲取的工具和手段，在測(cè)量控制型智能電能表中占據(jù)了極其重要的地位。這主要是電信號(hào)較容易地進(jìn)行放大、反饋、濾波、積分、微分、存儲(chǔ)及遠(yuǎn)距離傳送等操作。信號(hào)調(diào)理的目的是對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行必要的處理以滿足信號(hào)處理后繼環(huán)節(jié)的需要，使其輸出信號(hào)適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)的工作。 A/D轉(zhuǎn)換器微處理器能處理的信號(hào)應(yīng)是數(shù)字信號(hào)，因此，在智能電能表的輸入通道中加入能把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的芯片即A/D轉(zhuǎn)換器。使用A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)應(yīng)先根據(jù)輸入通道的總誤差，選擇A/D轉(zhuǎn)換器的精度及分辨率。在選用A/D時(shí)還應(yīng)考慮智能電能表所處的環(huán)境選擇A/D轉(zhuǎn)換器的環(huán)境參數(shù)。 D/A轉(zhuǎn)換器微處理器輸出的數(shù)字控制信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換，將離散時(shí)刻輸出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成為離散模擬信號(hào)，為實(shí)現(xiàn)智能控制創(chuàng)造了必要條件。選擇D/A芯片時(shí)，主要考慮芯片的性能、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特性。 智能電能表的通信接口智能電能表一般都設(shè)置有通信接口，以便能夠?qū)崿F(xiàn)程控、方便地構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。1. RS232C標(biāo)準(zhǔn)通信接口RS232C總線標(biāo)準(zhǔn)接口是目前最常用的串行通信總線接口，其邏輯電平是對(duì)地對(duì)稱的，與TTL、MOS邏輯電平完全不同。因此，RS232C驅(qū)動(dòng)器與TTL電路連接必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。MC1489，75189(從RS232C到TTL的電平轉(zhuǎn)換)。在當(dāng)今的信息化時(shí)代，用于其他信息裝置的通信技術(shù)也同樣可用于嵌入式智能電能表。PCI對(duì)于連接到它上面的器件是具有即插即用的高速總線。但由于總線負(fù)載問題，同一個(gè)PCI總線上只能掛4到8個(gè)器件。3. USB總線通用串行總線(USB)是一種外設(shè)總線標(biāo)準(zhǔn)。USB特別適合于需要高數(shù)據(jù)率和易于即插即用的應(yīng)用。除了這些新的多媒體設(shè)備外，USB也用于傳統(tǒng)的I/O設(shè)備。纜線型1394總線可支持63個(gè)器件。一般長(zhǎng)度為幾米，IEEE1394和USB都是串行協(xié)議，然而USB和IEEE1394比其競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)由更大的技術(shù)互補(bǔ)性，USB屬于低帶寬到中帶寬，而IEEE1394屬于中到高帶寬。相應(yīng)的軟件有采集、采集控制、數(shù)據(jù)處理、顯示、結(jié)果打印等。一般先是清楚的列出智能電能表系統(tǒng)各系統(tǒng)部件與軟件設(shè)計(jì)的有關(guān)特點(diǎn)，并進(jìn)行定義和說明，以作為軟件設(shè)計(jì)的根據(jù)。再將程序流程圖的一列操作用機(jī)器碼或匯編語言或高級(jí)語言譯成處理器能處理的機(jī)器代碼。在所有的工作完成之后還要進(jìn)行文件編制。同時(shí)，為了與軟件結(jié)構(gòu)相配合，還必須將程序存儲(chǔ)器(ROM)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)實(shí)現(xiàn)規(guī)劃。智能電能表在不同的應(yīng)用場(chǎng)合所受到干擾也各不相同，當(dāng)儀器在運(yùn)行時(shí)所受到的干擾超過一定限度時(shí)就會(huì)嚴(yán)重影響智能電能表的可靠性，甚至嚴(yán)重影響工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，因此在設(shè)計(jì)智能電能表時(shí)要注意智能電能表的抗干擾設(shè)計(jì)。硬件抗干擾技術(shù)主要包括濾波技術(shù)(無源濾波和有源濾波)、去耦技術(shù)、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)、接地技術(shù)等。因此，除了采取硬件抗干擾方法外，還要采取軟件抗干擾措施。軟件看門狗技術(shù)的基本思路是:在主程序中對(duì)T0中斷服務(wù)程序進(jìn)行監(jiān)視。第三章 電源模塊設(shè)計(jì)電源模塊由變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓、四部分組成使干擾脈沖的數(shù)量和幅度有所減少，并加裝專用的電源監(jiān)控電路由于智能電表要求能夠停電喚醒，智能電表的電源供給: 一是由火線和零線的主電壓提供電源，另一部分是由在主