具有遠(yuǎn)程抄表功能的單相電子式電能表設(shè)計(jì)

1 引言

　　電能表作為體現(xiàn)電力部門(mén)經(jīng)濟(jì)效益的唯一計(jì)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(zhuān)用計(jì)量芯片設(shè)計(jì)電量計(jì)量采集電路，只具有電能計(jì)量功能，難于實(shí)現(xiàn)分時(shí)計(jì)量、預(yù)付費(fèi)、定時(shí)供電控制[3,4]等功能。在一些用電集中的場(chǎng)所，給施工、抄表、控制等帶來(lái)困難。該文設(shè)計(jì)一種單相遠(yuǎn)程多用戶(hù)多功能智能化電能表，采用一塊微處理器、RS485總線(xiàn)，不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)用戶(hù)的電能計(jì)量，而且還具有分時(shí)計(jì)量、遠(yuǎn)程集中抄表、預(yù)付費(fèi)、定時(shí)供電控制等功能。

2 帶有RS-485 總線(xiàn)接口的單相電能表設(shè)計(jì)

　　電能表主要由電能計(jì)量單元、單片機(jī)系統(tǒng)和輸出部分組成。電能計(jì)量單元主要由電流、電壓采樣和專(zhuān)用電能表芯片（ADE7755）構(gòu)成，它的任務(wù)是完成電量累積、儲(chǔ)存，并同時(shí)將電量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖分別輸出或送入單片機(jī)（PIC16C63）進(jìn)行處理。單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)智能數(shù)據(jù)采集處理和控制單元，它的任務(wù)是接收并存儲(chǔ)各用戶(hù)電量，經(jīng)處理后控制顯示器，顯示各用戶(hù)電量，控制對(duì)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(duì)外通信、控制接口等。紅外通訊和RS-485接口通訊可同時(shí)進(jìn)行而互不干擾，RS-485總線(xiàn)自動(dòng)抄表系統(tǒng)的電能表， 單片機(jī)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(mén)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(shè)計(jì)

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(gè)部分組成，電路如圖2所示，具體是由NE555時(shí)基電路、紅外發(fā)光二極管及外圍元件組成。其中NE555時(shí)基電路和電阻R51、R52和電容C21,構(gòu)成一個(gè)載波頻率為f的振蕩器。通常固定電容C21調(diào)節(jié)R51或R52的阻值來(lái)改變載波頻率值。在實(shí)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(jìn)入NE555時(shí)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(shí)，NE555振蕩；當(dāng)NE555的4腳輸入低電平“0”時(shí)，NE555停止振蕩[5]。

2.1.2 RS-485通訊接口電路設(shè)計(jì)

　　RS-485通訊電路通過(guò)3個(gè)光耦器件對(duì)單片機(jī)電路和RS-485總線(xiàn)電路進(jìn)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(guò)光線(xiàn)實(shí)現(xiàn)耦合構(gòu)成電-光和光-電的轉(zhuǎn)換器件。當(dāng)電信號(hào)送入光電耦合器的輸入端時(shí)，發(fā)光二極管通過(guò)電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流，CE導(dǎo)通；當(dāng)輸入端無(wú)信號(hào)，發(fā)光二極管不亮，光敏二極管截止，CE不通。對(duì)于數(shù)字量，當(dāng)輸入為低電平“ 0”時(shí)，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當(dāng)輸入為高電平“1”時(shí)，光敏三極管飽和導(dǎo)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(xiàn)A、B線(xiàn)兩端,防止尖端電壓沖擊,對(duì)電路進(jìn)行瞬態(tài)保護(hù)作用，R46和R47為偏置電阻,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù)。但是這個(gè)電路沒(méi)有匹配電阻，在通訊總線(xiàn)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行匹配電路的設(shè)計(jì)。RS-485通訊電路中JP2接口是要進(jìn)行瞬變脈沖和靜電干擾的，在設(shè)計(jì)和選擇485轉(zhuǎn)換芯片要特別注意這個(gè)問(wèn)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(nèi)容

（1）物理層

　　紅外通信、RS-485總線(xiàn)