具有遠程抄表功能的單相電子式電能表設計

1 引言

　　電能表作為體現(xiàn)電力部門經(jīng)濟效益的唯一計量器具，需要其能正確反映供電與用電的情況。目前，一般的家用全電子式的電能表[1,2]，大多數(shù)采用專用計量芯片設計電量計量采集電路，只具有電能計量功能，難于實現(xiàn)分時計量、預付費、定時供電控制[3,4]等功能。在一些用電集中的場所，給施工、抄表、控制等帶來困難。該文設計一種單相遠程多用戶多功能智能化電能表，采用一塊微處理器、RS485總線，不僅能實現(xiàn)對多個用戶的電能計量，而且還具有分時計量、遠程集中抄表、預付費、定時供電控制等功能。

2 帶有RS-485 總線接口的單相電能表設計

　　電能表主要由電能計量單元、單片機系統(tǒng)和輸出部分組成。電能計量單元主要由電流、電壓采樣和專用電能表芯片（ADE7755）構成，它的任務是完成電量累積、儲存，并同時將電量轉換成相應的脈沖分別輸出或送入單片機（PIC16C63）進行處理。單片機系統(tǒng)是一個智能數(shù)據(jù)采集處理和控制單元，它的任務是接收并存儲各用戶電量，經(jīng)處理后控制顯示器，顯示各用戶電量，控制對外通信，完成抄表或遙控等功能。輸出部分主要包括顯示器和對外通信、控制接口等。紅外通訊和RS-485接口通訊可同時進行而互不干擾，RS-485總線自動抄表系統(tǒng)的電能表， 單片機可讀取電能表的數(shù)據(jù)，然后將電能表數(shù)據(jù)傳到電力部門的電能管理系統(tǒng)中。系統(tǒng)原理框圖1如示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.1 通信電路設計

2.1.1 紅外通訊接口硬件電路

　　紅外通訊的硬件由發(fā)射電路和接收電路兩個部分組成，電路如圖2所示，具體是由NE555時基電路、紅外發(fā)光二極管及外圍元件組成。其中NE555時基電路和電阻R51、R52和電容C21,構成一個載波頻率為f的振蕩器。通常固定電容C21調節(jié)R51或R52的阻值來改變載波頻率值。在實際電路中，我們選取載波頻率f為38kHz 。微控器(MCU)的串行通訊口TXD輸出的數(shù)據(jù)進入NE555時基電路的4腳，并控制NE555的起振和停振。NE555的4腳輸入高電平“1”時，NE555振蕩；當NE555的4腳輸入低電平“0”時，NE555停止振蕩[5]。

2.1.2 RS-485通訊接口電路設計

　　RS-485通訊電路通過3個光耦器件對單片機電路和RS-485總線電路進行隔離,提高系統(tǒng)的抗干擾能力。光電耦合器件是把發(fā)光器件(如發(fā)光二極管)和光敏器件(如光敏三極管)組裝在一起，通過光線實現(xiàn)耦合構成電-光和光-電的轉換器件。當電信號送入光電耦合器的輸入端時，發(fā)光二極管通過電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流，CE導通；當輸入端無信號，發(fā)光二極管不亮，光敏二極管截止，CE不通。對于數(shù)字量，當輸入為低電平“ 0”時，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當輸入為高電平“1”時，光敏三極管飽和導通，輸出為低電平“0”。電路中的TVS1管為隧道二極管并聯(lián)在RS-485總線A、B線兩端,防止尖端電壓沖擊,對電路進行瞬態(tài)保護作用，R46和R47為偏置電阻,進行網(wǎng)絡失效保護。但是這個電路沒有匹配電阻，在通訊總線設計中應根據(jù)實際情況進行匹配電路的設計。RS-485通訊電路中JP2接口是要進行瞬變脈沖和靜電干擾的，在設計和選擇485轉換芯片要特別注意這個問題，電路如圖3所示。

2.2 通訊協(xié)議

2.2.1 規(guī)約的主要內容

（1）物理層

　　紅外通信、RS-485總線