智能家居・ ・低压电器（２００８Ｎｏ１８） 现代建筑电气篇 智能电能计量表设计 张继军，秦长海 （安阳工学院电子信息与电气工程系，河南安阳４５５０００） 摘 要：介绍了基于ＩｘＰＤ７８ＦＯ０３４单片机的模块式结构电能计量表的硬件和软件 设计方法，并介绍了单片机和Ｐｃ机串行通信的硬件连接方法。给出了采用单、双信号 防盗电技术的具体实现方法。 关键词：ｐＰＤ７８Ｆ００３４单片机；电能计量表；防盗电技术；传感器；模块 中图分类号：ＴＵ８５５：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—５５３１（２００８）１８— ００２１—０３ 张继军（１９６２一）， 女，副教授，从事电 子技术的教学与科 研工作。 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍｅｔｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｉ．ｔＰＤ７８Ｆ００３４ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｈｉｐ ＺＨＡＮＧ Ｊ＠ｎ， ＱＩＮ Ｃｈａｎｇｈａｉ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ａｎｙａｎｇ ４５５０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｘＰＤ７８Ｆ００３４ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ａｎｄ ＰＣ ｍａ— ｃｈｉｎｅ ｓｅｒｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｈａｒｄｗａｒｅ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ａ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｎｇａｌ，ｄｏｕｂｌｅ ｓｉｇ— ｎａｌ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｇｕａｒｄ ａｇａｉｎｓｔ ｓｔｅａｌｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗａｓ ｇｉｖｅｎ ｏｕｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐＰＤ＇／８Ｆ００３４ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒ；ｇｕａｒｄ ａｇａｉｎｓｔ ｓｔｅａｌｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｔｅｃｈ－ ｎｉｑｕｅ；ｓｅｎｓｏｒ；ｍｏｄｕｌｅ ０ 引 言 随着电力自动化的发展，对电能计量表的要 量不准确的问题，实现不同时段用电的计费制和 不同类别用电制的计费方法以及与管理机的通信 及防盗电功能。 求越来越高，用户不仅要求电能计量表性能稳定、 计量准确，电力部门也要求具有防盗电的功能，同 １ 基本组成与工作原理 基于￣ＰＤ７８Ｆ００３４为主控器件设计的电能计 量表基本组成框图如图１所示。整个电能计量表 时还要求其具有计费和通信等功能。国外许多 Ｉｃ设计制造公司曾推出了系列电参量测量的专 用芯片，如ＣＳ５４６０Ａ、ＡＤＥ７７５５、ＡＴ７３Ｃ５００／５０１ 系统共由５个模块单元和１个输人单元组成，分 别为ＣＰＵ ＩｘＰＤ７８Ｆ００３４、显示模块、防盗电模块、 通信模块和电源模块以及信号采集的输入部分。 等。利用它们可以方便地实现单相、三相电能表 的设计，达到较高的测量精度，同时大幅降低产品 成本。但上述芯片并不能实现与上位机的通信， 也不能完全实现自动抄表和计量的功能，更不能 完成防盗电的功能。将￣ＰＤ７８Ｆ００３４单片机应用 在电能计量表上，可以解决电磁感应式电能表计 ＩｘＰＤ７８Ｆ００３４芯片用于对输入电压和电流进行计 算，将经过高通滤波后的电压和电流信号相乘， 得出瞬时功率信号，此瞬时功率经过低通滤波器 即可产生瞬时有功功率信号。利用求平均法计算 秦长海（１９６３一），男，教授，从事电子技术应用的教学与研究工作。 一２１— 低压电器（２００８Ｎｏ１８）现代建筑电气篇 图１ 电能计量表基本组成框图 出所需的有功功率输出，然后通过器件的ＤＴＦ转 换器对瞬时有功功率信息进行累加，以产生输出 脉冲。该脉冲的频率与平均有功功率成比例，每 个脉冲对应于一个固定的有功电量值。再通过 ＡＶＲ单片机对该脉冲信号进行计数，即可得出有 功功率的数值。最后通过ＬＣＤ显示模块显示出 来。系统的电能累计分为第一次上电后的连续累 计和时段累计两种。时段累计需要对时间进行判 断，即如果当前时间处在某个时段内，则对该时段 进行电能累计；否则，不进行电能累计。 １．１ ＩｘＰＤ７８Ｆ００３４主控模块 ＩｘＰＤ７８Ｆ００３４芯片的主要特点如下： （１）时钟频率为８．３８ ＭＨｚ时，指令周期为 ０．２４ ｓ。 （２）ＲＯＭ和ＲＡＭ容量分别为３２ ＫＢ、１ ＫＢ。 （３）可寻址空间为６４ ＫＢ，有５个外部中断 和１５个内部中断。 （４）带有３９个ＣＭＯＳ Ｉ／Ｏ，８个ＣＭＯＳ输入 和４个Ｎ。ＣＨ漏极开路Ｉ／Ｏ。 （５）带有１个１６ ｂｉｔ定时／计数器和２个８ ｂｉｔ 定时／计数器。 （６）带有１个时钟定时器、１个看门狗定时 器和１个ＵＡＲＴ端口。 （７）支持Ｉ２Ｃ总线，可输出时钟及蜂鸣信号。 （８）外部数据总线为８ ｂｉｔ，内部寄存器为 １６ ｂｉｔ。 （９）具有８ ｂｉｔ无符号乘法指令和１６ ｂｉｔ除法 指令。 （１０）工作电压范围为１．８～５．５ Ｖ，具有 ＳＴＯＰ／ＨＡＬＴ工作模式。 由此可见，该芯片具有８ ｂｉｔ无符号乘法指令 及１６ ｂｉｔ除法指令，给软件编程带来了很大的方 ２２一 ・智能家居・ 便。对ｔｘＰＤ７８Ｆ００３４编程时，只需用５个引脚，其 中３个引脚在正常工作时用到，因此在设计电路 板时可将这３个引脚作为跳线开关。编程时，将 这３个引脚与编程器相连，正常工作时则与电路板 上的元件相连。这样就可以不用将ｐ￣ＰＤ７８Ｆ００３４ 从电路板上取下而直接对其编程，即在线系统编 程。该方法为开发调试及以后的功能修改和软件 升级提供了极大的方便。本次开发时，甚至没有 用到￣ＰＤ７８Ｆ００３４４的开发系统，而是在ＰＣ机上 将程序写好后，通过编译变成二进制代码，直接通 过编程器将其写入到ｔｘＰＤ７８ＦＯ０３４中，便可调试 电能计量表的各项功能。此外，该主控模块中的 复位、看门狗及电源监控由ＭＡＸ７０５芯片来完成。 时钟及存储器由芯片ＤＳ１２４４Ｙ来完成。通过选 项可以设定是否有读卡、打印功能，各种读卡、打 印命令数据均由ＰＣ机通过ＲＳ一４８５串行日或手 持式资料传输器传给电能计量表并存储在 ＤＳ１２４４Ｙ中。该电能计量表可使用电业卡、采集卡 及收费卡３种Ｉｃ卡，使用哪种卡均可由选项控制。 １．２通信模块 图２所示为通信模块组成图，主要由单片机 的两个Ｉ／Ｏ口、ＭＡＸ２３２和一些电阻、电容等组 成。单片机的Ｐ３０为串行数据接收脚，Ｐ３１为串 行数据发送脚，通信的波特率设为９ ６００ ｂ／ｓ。 ＭＡＸ２３２芯片的作用是将单片机输出的１ＴｒＬ电平 转换成Ｐｃ机能接收的２３２电平或将Ｐｃ机输出 的２３２电平转换成单片机能接收的ｒｒｒＬ电平。电 能计量表通过通信模块与ＰＣ机或手持式资料传 数器进行串行通信，以便设置电能计量表的各种 参数，采集电能计量表中存储的各种数据。 图２通信模块组成框图 １．３显示模块 显示模块如图３所示，该模块由１片４５１１、 １片４０２８、１片２００３及ＬＣＤ显示屏组成。电能表 的显示一般可采用段式ＬＣＤ显示器，这种显示器 ・智能家居・ 低压电器（２０ｏ８№ｌ８） 现代建筑电气篇 平，为低电平则正常，否则为盗电脉冲，并产生断 电现象。 １．５ 电源模块 为确保电能表稳定、可靠地运行，电源是电能 表设计的一个关键。该设计采用９ Ｖ和５ Ｖ电源 来分别给ＭＡＸ２３２和ＲＳ一４８５通信单元供电。 图３显不模块原理框图 １．４防盗电输入模块 通信单元、计量单元和ＣＰＵ之间的通信采用光电 耦合进行隔离，可提升整个系统的抗干扰能力。 该模块具有功耗低、寿命长、显示方式灵活等 优点。为了提高电能计量表的抗干扰能力，脉冲 输入信号采用了光电耦合方式。电能计量表的脉 冲传感器通常有单信号脉冲传感器和双信号脉冲 传感器两种。单信号脉冲传感器只有一条信号线 输出脉冲信号；双信号脉冲传感器是指电能计量 表在工作时，有两条信号线同时输出幅度相同、相 位相反的脉冲信号。防盗电方式也相应有单信号 防盗电和双信号防盗电两种。究竟选择哪种方 式，可由电能计量表内的选项及硬件跳线来决定。 防盗电脉冲模块组成如图４所示。 图４防盗电脉冲模块组成框图 １．４．１ 单信号防盗电的工作原理 当电能计量表通过选项选定单信号防盗电方 式时，跳线开关Ｂ与Ａ相连、Ｂ与ｃ断开，单片机 通过Ｐ３５口使开关与光电耦合器相连。当有脉冲 输入时，ＩＮＴ０产生一中断信号，单片机执行中断 子程序。然后通过Ｐ３５使开关与光电耦合器断 开，即断开脉冲传感器的电源。此时检测Ｐ３６的 电平，若为低电平，则为正常；若为高电平，则为盗 龟脉冲。当盗电脉冲累积到一定数量（此数值由 电能计量表初始安装时设定）时，电能计量表便 认定有盗电发生，于是报警，同时产生断电现象。 １．４．２双信号防盗电的工作原理 当电能计量表选定双信号防盗电后，跳线开 关Ｂ与ｃ接通、Ｂ与Ａ断开。当有脉冲输入时， ＩＮＴ０产生一中断信号，单片机执行中断子程序。 此时单片机判别Ｐ３６脚输入的信号是否为低电 在设计中采用压敏电阻来吸收电源的瞬间高压冲 击，电源进线处则使用磁环来防止高频电磁脉冲 对电路的干扰和破坏。 １．６信号采集部分 信号采集部分由电压转换器、电流互感器和 ＡＴ７３Ｃ５０１组成。由于ＡＴ７３Ｃ５０１只能接收峰峰 值不超过２ Ｖ的小电压信号，故将电网上的大电 压、电流信号通过电压转换器和电流互感器进行 转换。￣ＰＤ７８Ｆ００３４和ＡＴ７３Ｃ５０１芯片构成了智 能电能表的内核，实现将模拟信号转换成数字信 号，并由此得到各种电参数。 ２ 软件设计 整个电能表的软件程序由主程序、系统初始 化、电量处理模块、数据存储、键盘中断、ＬＣＤ显 示模块、通信模块等组成。通过主程序或通过中 断方式可以调用子程序，以实现系统的整体功能。 主程序可用于完成启动和系统初始化以及判 定时段，在ＬＣＤ上显示电量和时间等。主程序的 流程图如图５所示。电量处理模块则用于读取计 量芯片的有功功率等电量数据，并进行复杂的处 理，然后保存这些电能参量。中断模块主要用来 处理按键中断。ＬＣＤ显示模块用于完成ＬＣＤ字 段的显示，可通过ＬＣＤ显示屏轮流显示有功功率 和总电量等参数。 通信模块主要按照通信规约的要求实现与抄 表系统的可靠通信，以便通过抄表系统来读取用户 的电量数据，并设置时间、费率和地址等电表参数。 ３ 设计时应注意的问题 该电能计量表的功能齐全，能适应不同类别 用电设备的需要，软件编程要根据不同的地区和 不同类型的用电户进行修改、调试。为了使电能 （下转第２７页） ２３— ・消防与安防・ 低压电器（２００８Ｎｏ１８） 现代建筑电气篇 普及，ＡＲＭ的性价比不断提升，各类仪器仪表都 朝着智能化、网络化发展。因此，在火灾报警控制 【参考文献】 器中使用高端的嵌入式技术以及控制器的网络化 ［１］ＧＢ ４７１７－－２００３火灾报警控制器通用技术条件 也将是未来的发展趋势。本文提出的基于ＡＲＭ９ ［Ｓ］． 的火灾报警控制器在硬件上具有丰富的资源可以 ［２］ 张迎辉，庞伟正．火灾探测模糊神经网络的层次结 利用，适合于复杂的火灾控制系统，为控制器中融 构［Ｊ］．信息技术，２００６（１１）：７７＿７８，８２． 人智能化技术提供了一个高速的处理平台；软件 ［３］刘汉峰，吴友宇．火灾报警显示系统中基于ＡＲＭ的 上移植了实时操作系统，并且提出加入Ｗｅｂ服务 ＣＡＮ接口模块的设计与实现［Ｊ］．国外电子元器件， ２００７（１）：２４－２７． 器，不但能够具有实时多任务处理能力，也为远程 ［４］ Ａｔｍｅｌ Ｃｏｒｐ．ＡＴ９１ＡＲＭ９２００ Ｄａｔａｓｈｅｅｔ［Ｇ］．２００５． 监控与数据共享提供了一种新的途径。 收稿日期：２００８—０６—１１ （上接第２３页） 开始 压；增加开关管与散热片之间绝缘垫片的厚度，减 Ｉ 竺 Ｉ 少开关管与散热片之间的耦合电容；在电源的输 １． 皇兰里至１± ． 入端加入滤波器来抑制输入端的瞬态干扰。 １． ！Ｉ． ４ 结 语 采用￣ＰＤ７８Ｆ００３４芯片来开发智能电能计量 读取电量参数 ——１一 表，不仅能够测量功率、电能，还能够测量电压、 电量处理模块 电流、功率因数、频率等多种电参数以及电费的计 算和显示，为电能管理的现代化提供了可能。采 火竺 用单、双信号防盗电技术，基本上杜绝了电能计量 键中哆 表的用户盗电现象，能够实现通信功能，成本较 低。从使用情况看，该电能计量表稳定性好、可靠 性高、返修率很低，系统性能稳定、功能完善、操作 Ｎ『ｌ 简单，非常适用于单相电能的测量。使用结果表 明：该方法具有精度高、稳定性好、功能易于扩展 图５ 电能计量表软件主程序流程图 等优点，可为仪器及电子产品设计提供一种新的 计量表能够稳定、可靠地工作，进行软硬件设计时 设计思路。 要注意以下几点： （１）为了防止电能计量表死机，软件编程时 【参考文献】 应采用指令冗余技术、软件陷阱技术以及软件看 ［１］丁镇生．传感及其遥控遥测技术应用［Ｍ］．北京：电 门狗技术。 子工业出版社，２００２． （２）由于该电能计量表可使用ＩＣ卡交费和 ［２］ 唐志平．供配电技术［Ｍ］．北京：电子工业出版社， 校验，Ｉｃ卡又有电力卡、用户卡之分，且共用一个 ２００５． ＩＣ卡接口，因此主控模块要注意区分卡的类型， ［３］张淑清．单片微型计算机接口技术及其应用［Ｍ］． 应按照ＩＣ卡的有关控制命令正确编程。 北京：国防工业出版社，２００２． ［４］王幸之．单片机应用系统抗干扰技术［Ｍ］．北京：北 （３）电能计量表采用开关电源，在设计时要 京航空航天大学出版社，２００２． 采用屏蔽措施来减少开关电源的干扰。在开关管 ［５］窦振中．ＰＩＣ系列单片机应用设计与实例［Ｍ］．北 的ＣＥ极间加ＲＣ吸收电路，并在二次整流回路的 京：北京航空航天大学出版社，１９９９． 整流二极管两端加ＲＣ吸收电路以抑制浪涌电 收稿日期：２００８－０４－０１ —２７一
