单片机三相智能电表设计指南

摘要

在构筑国家智能网格的概念上，在中国，智能电表一直事构建智能网络的焦点。智能电表是新型的电能表，与以往的电表相比，智能电表具有硬件时钟和完整的通信接口。可靠性和安全性高。其大容量存储容量可改进电能的合理利用，并提供具有公平和公正的电力用电环境给用户，这也使得用户在用电方面得到安全保障。本设计提供了智能电表的设计目标和整体设计方案以及电气测量的基本设计原理，并将各硬件电路单元设计为一个功能，以及电源模块、测量模块 、显示单元、通信单元、中央存储模块。通过模块软件的设计方法，实现了有无功的时间共享测量、RS485通信、红外通讯、键盘显示和异常检测记录的功能，文中也对三相电能表的发展及现状都进行了论述，并对三相电能表的功能进行详细的概括。本设计经过试验测试，实现对电能的精准测量、数据存储、数据显示、485通信、红外通信等功能，达到了设计要求，表明本设计方案是正确的。

关键词：电能计量；智能电能表；ATT7030A；485通信；红外通信；

1 智能表硬件设计

1.1硬件总体框架

在设计中考虑到使电路能简单和模块化，并且能满足三相智能电表的各个功能的要求，所以我们可以把三相智能电表的整体内部构造规划为：电源版块、电压电流采样版块、CPU版块、电能计量版块、通信版块、显示版块、控制版块、存储版块。大致的设计方案如图3-1所示。

图3-1三相智能电表系统框架图
系统整体工作原理为：
第一步接通电源电路，CPU开始动作，系统处于待机状态，并通过待机状态使显示模块显示出剩余电量和智能表上的数据，并通过键盘来设置系统进入功能设置状态，并保存退出。
第二步通过电压电流采样发出电量计量信号，系统也在这时进入工作状态，在此状态下，CPU对电量计量发出的信号进行计算，并通过时间的计量来算出这段时间用电用户的电量。
第三步是计算用户的电量，用户利用之前的电量减少剩余电量，并获得用户新的预充电输入量的剩余值，如果用户电量低于规定的数量，之后，系统立即向用户通知警报模块，通知用户购买电。在485的通信和红外通信中，两个随机的事件在系统中发生。其两个随机事件在系统中发生状态转换如图3-2所示。

图3-2系统状态转换图

2 电源单元

电能表是对其测量精度、可靠性和耐干涉性能要求严格的的电能计量产品，所以电源版块也是是电子能表设计的重要组成部分。电子电能包括三种交流电源，即频率电源（即变压器降压）、电阻电源（电阻和电压降）和开关电源。无论供电系统如何，都必须解决以下问题：
利用降压实现52HZ的电网220V交流高电压到电流+5V的转变。
电气格里实现电气与外界交流电网的隔离，避免电网噪声的干扰。
提供备用电源，保证电网停电时不丢失重要数据。
将电网瞬时的掉电信号提供给单片机处理。
在三相电路中，开关电源虽然体积小、质量轻、电压范围大，但是在电路工作是不稳定。另外，由于采用了开关技术，在设计测试时可能会引起波形的奇变，从而降低了测试的电源。为了解决这个问题，一些厂家采用了隔离变压器，首先隔离系统的电压，降低压力，然后考虑开关的功率，这种设计在与变压器的模拟电源中是有效的，但数量较大，价格昂贵。因此，本设计采用工频电源系统。即三相电压在三台变压器降压后对系统进行整流-滤波-稳压和供电。原理图如图3-3所示。

图3-3电源电路原理图

3 智能表软件设计

3.1软件总体框架设计

根据硬件电路建立后，通过软件的设计来实现电能表的电能数据处理、存储、传输等功能，电能表功能多样化和精准高效，硬件的正确合理设计和完善的软件算法设计这样也使得电能表功能多样化和精准高效。
单片机硬件系统能满足测试的要求，开始启动软件测试。为了使得本次设计能快捷方便的运行，所以本次设计采用PC、硬件仿真器、编辑器来进行模拟。
电能表软件采用C51编写主要用于实现X5045初始化、电能测量、485的通信和红外通信、显示器键盘、异常检测和处理的基本功能。按键和显示、通信处理、异常检测处理、电能测量、事件记录、警告处理等，需要立即处理这些功能的任务，而且每秒执行一次。改进485与红外通信共享并采用中断模式是为了实时性单片机串口的通信提高，流程图如图4-1所示。

 图4-1主程序流程图

系统程序的设计有助于根据不同功能调整程序，调整模块，以提高通用性和移植性。本设计的系统功能模块包括X5045初始化模块、通信模块、按钮模块、显示模块、事件记录模块和电能计量模块组。下面这些模块进行介绍。

4 系统调试与结果

经过几个月的查阅资料以及编写程序，三相智能电表终于有了雏形，但是还需要系统的调试。首先将电路板按照原理图焊接完成，之后按照确定的连接方式，将各个模块连接在一起，各器件准备情况如下图5.1所示。

图5-1 各器件准备情况
编写好程序之后，将可执行文件通过ISP下载工具烧写进单片机，在互感器侧接上交流电源，屏幕显示如下图5.2所示。

图5-2 总体调试结果

5 结 论

为满足当前电力系统的需要，设计具有稳定操作、可靠性高、灵活性强、防干扰能力的高精度、长寿命多功能电子时间表。还可以实现精确测量和功率、存储数据、键盘控制、串行通信、红外通信智能管理。从而达成基本的设计目标，这也实现证明设计计划的实现可能性和准确性。
本文从基于ATT7030A专用计量芯片系统设计入手，基于用户需求的分析，提出了多功能电表的详细设计方式，并简单的实现了系统。在设计方面，，多功能电表的整体设计分为系统硬件的各模块和软件的各模块。在软件设计的过程中，采用了模块设计，功能模块被设计成增加灵活性，各功能模块被设计成实现时分处理的想法。系统是根据硬件和软件两方面设计的，以确保系统的稳定性。本系统实现了具有RS485通信、红外通信、复费率等功能的多功能电表。
最后，在设计系统时，必须遵循“将软件与硬件结合”的原则。通过硬件实现一些功能，可以提高速度，降低存储容量，降低软件开发的负荷，但增加硬件的利用，降低系统的灵活性和适应性也降低了性能。另一方面，如果使用软件实现硬件功能，可以节约硬件费用，提高灵活性和适应性，但相应的速度会降低，增加软件设计成本和存储容量。
目前，越来越多的大功率非线性电气设备被使用，这使得电网污染非常严重，这也使得它威胁到仪表的测量精度。因此，需要从这两个方向开始多功能电能表的未来改进方向。目前，世界上企业用户的电网网关和电能表基本上都升级为电子式电能表。居民电度表逐渐变为电子式，中国企业和居民使用的大部分电能表都是机械式电表。即使一些电子电度表共用，它们也会显示在电子仪表和机械仪表中。目前，电子式液晶电能表的技术基础相当成熟。此外，居民也迫切需要修改单相和三相电能表。目前，它处于从机械计时器到电子计时器的转换的关键时期。替代品的数量非常巨大，具有非常广阔的应用前景。

作者：启初科技