华邦电力科技股份有限公司 已通过实名认证

    随着电力的需求越来越大，不同时间段用电量不均衡的现象日趋严重。为了合理地调控电力负荷和节约能源，电力公司已开始鼓励使用多费率电能表。传统的多费率电能表一般采用机械转盘式计量方式，计量精度随机械磨损而降低，时段设置单一，人工抄表劳动强度大，且偶有窃电情况发生等诸多弊端。本文给出基于 AT89S52单片机一种新型多费率单相电能表设计，采用 AD7755电能计量芯片，电能计量准确。该电能表具有分时段计量，液晶显示，自动回抄，时段设置灵活，时间校正及时，新颖的防窃电，功耗低的特点。并对该电能表实验测试数据进行性了误差分析，指出电能计量中减小与消除误差的方法。

2硬件电路设计

2.1总体结构

基于AT89S52单片机完成多费率单相电能表的设计，AT89S52有以下功能，8k字节Flash 闪速存储器，三级加密程序存储器，256字节内部RAM，32个可编程I/O 口线，3个 16位定时/计数器，一个 6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路，两种低功耗电工作方式。是一个比较适合于以开关量信号输入检测的性价比较高的 8位单片机。电能表硬件设计主要包括六大模块，电压和电流检测电能计量电路 AD7755模块，串行存储与看门狗 X25045电路模块，HT1621液晶显示电路模块，串行时钟 S3530A电路模块，

RS485总线通讯电路模块，防窃电检测电路模块。

2.2 电能计量 单相电能计量采用美国 ADI公司的 AD7755低功耗芯片实现。AD7755内部除了 ADC和滤波、相乘电路外都采用了数字电路，有效的消除了尖脉冲等干扰信号，使得它在恶劣的环境条件下仍能保持极高的正确度和稳定性。对单相回路中的电压、电流信号采样，计算出功率并积分将其转换为电能脉冲输出，CPU对来自 AD7755输出端 CF的脉冲进行计量，计算出电能表的累计用电量。电能与脉冲的关系为：W=M/C，式中的W为电能，单位为千瓦时，M为脉冲累计个数，C为电表脉冲常数，选取C=1600，每千瓦时为 1600个脉冲。

2.3 RS485通讯MAX487芯片实现多费率电能表的 RS485通讯控制。MAX487芯片具有 RS485通讯协议，可以带下位机 128个、传输间隔大于1km、传输速率达250kb/s。电能表通过 RS485总线与用电治理计算机相连，每只电能表都有一个确定的**的八位十六进制的表号，初次安装，电工需要把用户信息与表号记录后输进用电治理计算机中，完成用户与治理计算机的连接。治理计算机采用广播式通讯方式下传时段设置与校时信息，此时不带有地址信息，而电能表中断接收;上位机采用呼唤地址的方式上传信息，即呼唤谁的地址，那只电能表便把信息及其校验码打包向上传送给用电治理计算机，实现电能回抄。MAX487的 DE为发送器使能端，DE为 1时发送器可以工作，DI为输进端，A、B为输出端。当 DE为 0时，停止发送输出端为高阻。RE为输进使能端，RE为 0时答应接收器工作，A、B为输进端，RO为输出端;RE为 1时，接收器被禁止，RO为高阻状态。因此，采用半双工通讯方式，把 DE和 RE相连然后接 AT89S52的P1.4，通过 AT89S52的 P1.4引脚来控制收发工作状态。

2.4 串行存储器 串行存储器采用美国 XICOR公司的 X25045低功耗芯片，它具备看门狗定时器WTD、电源电压监控和具有 512字节的串行 E2PROM存储器三种功能。WTD可以设置为200ms、600ms、1400ms喂狗定时间隔，软件编程写进 X25045中。在程序正常运行期间，WTD在定时间隔内收到触发信号，确保程序正常运行，一端 WTD在定时间隔内没有收到触发信号，X25045便通过 RESET引脚输出一个高电平信号，触发电能表复位来防止程序跑飞。X25045作为串行存储芯片，512字节分别用于存储电能表编码，多费率时段设置，上月和当月分时段的峰、平、谷电量和总累计电量等信息，存储次数可改写十万次，数据可保存一百年，它与 AT89S52可采用 SPI协议总线接口相连。

2.5时钟电路时钟电路采用 S3530A芯片完成，它是一种支持 I2C总线的低功耗时钟芯片，它按照 CPU经 RS485通讯接收校时的数据来设置时钟和日历，靠自身的振荡继续走时。在 S3530A的 Xin和 Xout引脚之间跨接 32.768kHz的晶体器振荡器。它通过两线式与 CPU连接，SDA脚和 SCL脚分别接 AT89S52的 P2.0和P2.1，并有两个中断报警引脚可设置为输出秒或分同步脉冲，向 AT89S52提供周期为 1秒的中断信号，单片机系统将根据该信号通过 I2C通讯接口读取当前的时间，计算出该时刻所属的时段，实现多费率电能表的分时段计量电能。该时钟电路带有备用锂电池，正常工作时有电源 Vcc供电，同时给 3.6V锂电池充电;当出现停电时，自动切换锂电池为时钟电路供电，即使停电时钟走时也正确。

2.6液晶显示

采用 HOLTEK公司 HT1621的 LCD显示驱动芯片,实现十六位 LCD数字显示。HT1621是具有 128段(32×4)内置存储器的 LCD驱动器，它片内包括控制与计时电路、显示RAM、LCD驱动及偏置、监视定时器等，采用了 48脚 SSOP封装,具有体积小和功耗低的优点,非常适合于应用电能表中，其接口电路和外围电路简单，它和 AT89S52之间采用串行接口，只需三根线。AT89S52的P2.4 、P2.5、P2.6分别接到它的 CS片选、WR写答应、DATA串行数据三个引脚上，来控制刷新显示 RAM缓冲区。另外应用中，在VDD、VLCD间接一个20kΩ可调电阻，用来调节 LCD显示对比度，调节电阻，使得VDD=5V，VLCD=4V对比度较好。

2.7 防窃电检测等

记录电能表接线端子盖被人为打开的次数而分析是否窃电。电能表被安装好后将表壳打上铅封，用户不能私自打开电能表接线的表盖破坏铅封，否则属于窃电行为。因此我们采用霍尔传感器，检测接线端子盖是否被打开。假如接线端子盖被打开，AT89S52的 P1.6引脚的电平变化，就检测到开盖一次，记录表的接线端子盖被人为打开和破环的次数，判定是否有窃电发生，当发现有窃电现象时，给出报警、断电并及时上传到上位治理计算机。实践证实该新奇的防窃电技术有效的防止窃电情况发生，效果较好。

   掉电保护电路，用 AT89S52的 P1.7输进引脚检测掉电信号，当系统正常工作是 P1.7位高电平，当忽然发生断电时，P1.7变成低电平，采用查询方式检测到 P1.7的变为低电平后，将进进掉电保护程序。电源电路中有个大滤波电容1000uf/25v，当掉电后能维持系统十多秒的工作时间，确保电能表存储好重要数据。光电隔离电路，在系统中 AD775的脉冲输出端，继电器控制端，RS485通讯端分别使用了 4N35光电隔离器。通过光的耦合作用传递电信号，把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，进步系统抗干扰的能力。

软件程序设计

3.1 软件程序资源分配 多费率单相电能表软件程序共包括初始化及主程序，X25045读写程序，RS485串行通讯处理程序，中断处理程序，定时器处理程序，HT1621显示控制程序，电能分时段计量与掉电处理程序，系统自检与软件抗干扰处理八大程序模块。系统的中断资源分配为 INT0中断用于 AD7755脉冲检测，INT1用于秒同步检测，定时器 T0用于定时100ms，T1未使用，T2用于串行通讯程序波特率发生器，串行口中断设置为 RS485异步通讯接收中断。

3.2 程序模块的设计

电能表的工作过程主程序模块如图 3所示，每次上电要进行初始化，初始化包括对AT89S52单片机定时器、串行口、中断等工作方式的设定，写进串行存储芯片 X25045的控制字，串行时钟芯片 S3530A控制字，串行液晶驱动芯片 HT1621控制字。新电能表的初次工作要对 X25045初始值设定，包括电能表表号的设置，时段的设置，时钟的设置，存储地址的分配等。本系统设置了三个时段，单片机每秒从时钟芯片 S3530A中读取时钟值，然后根据串行存储芯片 X25045中预先设置好的时段，分析该时刻属于哪个时段，根据相应的时段把电能存储 AT89S52的 RAM存储器中，然后电能每累计够 1度便写进到 X25045相应的地址中。16位液晶显示器轮流显示时段与电能信息。若有通讯请求将采用中断方式与上位机进行数据通讯。若停电，将执行掉电保护程序。其它程序模块流程图略。

测试结果

该电能表在华邦电力科技股份有限公司进行了误差测试和运行试验，上位计算机完成用电治理时段设置，设置三个费率时段，**时段 00点 00分点到 06点 30分，为谷电量时段，第二时段 06点 30点到 22点 30分，为峰电量时段，第三时段 22点 30点到 24点 00分，为平电量时段。费率时段设置由电力供电公司根据**政策规定设定到计算机治理系统中，通过RS485串行通讯传送到电能表中，并存储于 X25045中。每月峰、平、谷、累计电量存进电能表中，并打包传送到上位计算机治理系统，通讯波特率设为9600 bit/s。用 0.1级标准电子式电能表校验台作为标准表，该多费率电能表为被测表，华邦电力科技股份有限有限公司针对不同负荷的情况下进行测试，限于篇幅仅列出负荷为 5KW时的实测数据如表1 所示。测试结果表明该复费率电能表误差小于1%，属于 1.0级标准。经实验得知减小电能计量误差方法，一是通过调节 AD7755的匹配电阻调整到**值;二是该匹配电阻阻值要求随温度变化阻值变化较小;三是在电能计量过程中，在时间段的切换时，计量电能的尾数部分不足 0.01度的电能计进下一个时间段中，避免了不足 0.01度的电能丢失而造成累计电量有误差。

表 1 标准表与被测表丈量值，负荷 5KW

结束语

多费率电能表根据不同的时段设置，实现电能分时计量，采用 RS485串行通讯，实现电量自动回抄，实时校时。该电能表经淄博贝林电子有限公司生产表明，设计技术新奇，计量正确，走时**，时段设置灵活，防窃电设计新奇，各项技术指标均达到**多费率电能表的技术标准，具有广阔的应用远景。