專利名稱：多功能電能表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種計(jì)量電子儀表，具體說涉及一種電能表。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)電的需求越來越大，不同時(shí)間用電量 不均衡的現(xiàn)象也日益嚴(yán)重。為緩解我國(guó)日趨尖銳的電力供需矛盾，調(diào)節(jié)負(fù)荷曲線， 改善用電量不均衡的現(xiàn)象，全面實(shí)行峰、平、谷分時(shí)電價(jià)制度，"削峰填谷"，提 高全國(guó)的用電效率，合理利用電力資源，國(guó)內(nèi)部分省市的電力部門已開始逐步推
出了多費(fèi)率多功能電能表，對(duì)用戶的用電量分時(shí)計(jì)費(fèi)。這種電能表采用1.0級(jí)感 應(yīng)系電能表機(jī)芯為基礎(chǔ)，采用紅外光電變換器，脈沖輸出和中央處理器(MCU)， 單片機(jī)電路，使用附帶的鍵盤編程或者紅外無線鍵盤來進(jìn)行各種需求量、時(shí)鐘、 時(shí)段的設(shè)定，可保護(hù)本月最大需求量、上月最大需求量和本月尖、峰、平、谷最 大需求量顯示及存儲(chǔ)。帶有脈沖輸出及RS-232串行通信口，便于數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送 與監(jiān)控。儀表性能比較精密可靠，功能可滿足我國(guó)現(xiàn)階段分時(shí)計(jì)費(fèi)需求，生產(chǎn)工 藝比較成熟，是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的一代產(chǎn)品。
但是美中不足的是很多生產(chǎn)廠家自行開發(fā)專用集成單片機(jī)，存儲(chǔ)器和IO 口 資源有限，對(duì)于擴(kuò)展更多功能或?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)陣漢字顯示非常不便。且這些芯片多為8 位單片機(jī)，影響程序執(zhí)行速度和效率。還有一些電能表使用了單獨(dú)的電能計(jì)量芯 片，雖然克服了上述一些問題，卻造成了硬件集成度不高，外圍電路復(fù)雜，能耗 大，同時(shí)也增加了生產(chǎn)的成本。 發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有電能表存在的缺陷，本實(shí)用新型提供一種外圍電路少，硬件集成度 高、能耗低、功能多、成本低、使用方便的電能表。
解決上述技術(shù)問題所采取的具體技術(shù)措施是 一種多功能電能表，其特征
在于由Microchip dsPIC30F6014A單片機(jī)、電源電路、外部時(shí)鐘電路、LCD 漢字顯示器及鍵盤、測(cè)量回路、通訊接口構(gòu)成電源電路交流電源聯(lián)接電源模塊，得到12V的直流電壓， 一組輸出端聯(lián)
接液晶顯示器電源輸入端，另一組輸出端聯(lián)接MC7805， MC7805輸出端聯(lián)接單 片機(jī)電源輸入端；
時(shí)鐘電路:MCU的I2C模塊以數(shù)據(jù)SDA和時(shí)鐘SCL兩線方式與PCF8563 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，PCF8563的振蕩器接口連接32.768K晶振，法拉電容和系統(tǒng)電 源連接時(shí)鐘芯片；
顯示及鍵盤電路漢字顯示器與單片機(jī)相連接，鍵盤設(shè)置"返回"、"修 改"、"確認(rèn)"、"査詢"鍵；
測(cè)量回路電網(wǎng)中的交流電壓、電流連接互感器信號(hào)輸入端，互感器信號(hào)輸 出端連接TLC2264四路運(yùn)算放大器的其中兩路輸入端，放大電路輸出端連接單 片機(jī)的2路AD輸入接口 AN3,AN4， AGND直接聯(lián)結(jié)AN2;放大器的方波信號(hào) 輸出端連接單片機(jī)的RD8引腳；
通訊接口單片機(jī)上具有兩路UART模塊，紅外線模塊輸入聯(lián)接MCU的 U1TX1，輸出接U1RX1; RS485接口輸入聯(lián)接MCU的U2TX,輸出接U2RX。
MCU的工作流程為，初始化MicrochipdsPIC30F6014A，包括對(duì)所用到的按 鍵外部中斷、定時(shí)器中斷、輸入捕捉中斷、串口中斷、ADC中斷等常用中斷和I2C、 UART等所用模塊的初始化。讀出MCU中保存的電能表測(cè)量參數(shù)、通訊參數(shù)、電 能脈沖參數(shù)、費(fèi)率設(shè)置參數(shù)、電能、需量和事件的記錄等。設(shè)置好看門狗定時(shí)器， 以防止程序跑飛或電能表死機(jī)。進(jìn)入程序循環(huán)后，根據(jù)設(shè)置的各個(gè)顯示頁面的內(nèi) 容，通過外部中斷按鍵進(jìn)行調(diào)用，使得點(diǎn)陣液晶屏上顯示所有所需的字符和漢字。 中斷掃描通訊接口，當(dāng)接受到正確的數(shù)據(jù)幀后，返回電量數(shù)值或修改電能表參數(shù)。 按所得采樣周期采樣并完成AD轉(zhuǎn)換，經(jīng)64點(diǎn)快速傅立葉變換，再經(jīng)軟件濾波得 到電壓、電流和頻率，并以此計(jì)算功率、功率因數(shù)和有功、無功電能，電能每隔 1秒保存到MCU的EEPROM中。根據(jù)所測(cè)有功、無功功率得到每單位時(shí)間的有 功、無功電能脈沖數(shù)，通過MCU的定時(shí)器和脈沖管腳輸出電能脈沖。循環(huán)通過I2C 模塊讀取外部時(shí)鐘得到當(dāng)前時(shí)間，與所設(shè)的時(shí)間段進(jìn)行比較，用程序分析得到當(dāng) 前費(fèi)率和當(dāng)前月份，把電能準(zhǔn)確合理的歸入各時(shí)段、各月份電能的記錄中。然后 根據(jù)所設(shè)需量周期和滑差判斷電能最大需量并保存，同時(shí)對(duì)停電、來電、清空電能、修改電能表參數(shù)等事件進(jìn)行記錄，將相關(guān)的時(shí)間、電能、次數(shù)等參數(shù)保存到
MCU的非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中。定時(shí)監(jiān)測(cè)所設(shè)的起始日是否到達(dá)，如果到達(dá)將 清空本月數(shù)據(jù)，修改其它月份的數(shù)據(jù)。另外程序提供了良好的人機(jī)鍵盤參數(shù)編程 頁面。當(dāng)通過按鍵密碼檢驗(yàn)后，電能表進(jìn)入?yún)?shù)編程設(shè)置界面，可以對(duì)電能表的 地址、通訊方式、顯示模式、測(cè)量參數(shù)、當(dāng)前時(shí)間、分費(fèi)率時(shí)間段及其費(fèi)率、電 量結(jié)算日、需量參數(shù)、電能起始數(shù)值等參數(shù)分別進(jìn)行編輯，退出時(shí)可以把修改的 參數(shù)保存到MCU中。另外此電能表還可以通過密碼進(jìn)入設(shè)置起始電能、校準(zhǔn)電 表、清空電能及需量等界面。編程功能方便且強(qiáng)大。
本實(shí)用新型的有益效果:本實(shí)用新型提供了一種用Microchip dspic30F6014A 芯片以及少量外圍電路，即可實(shí)現(xiàn)電量測(cè)量、電能記錄、需量統(tǒng)計(jì)、費(fèi)率設(shè)置、 事件管理、鍵盤操作和LCD漢字顯示的新型多功能復(fù)費(fèi)率單相電能表。且由于 設(shè)計(jì)采用了點(diǎn)陣漢字液晶顯示器，使得操作人員能夠更簡(jiǎn)單、更直觀的實(shí)現(xiàn)人機(jī) 對(duì)話，避免了由于設(shè)置操作失誤所造成的不必要的損失。
本實(shí)用新型具有電路簡(jiǎn)單、功能全面、操作直觀、計(jì)量精確、成本低廉等 特點(diǎn)。采用Microchip dsPIC30F6014A的電能表大大節(jié)省了功耗，并提高了程 序的執(zhí)行效率。傳統(tǒng)的電能表只具備一些基本的計(jì)量功能，而現(xiàn)在使用了該款芯 片，使得電能表的功能非常全面，必然更加有利于電力部門合理高效地實(shí)現(xiàn)電力 能源的合理分析與配置。


圖l是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。 圖2是圖1中電源電路圖。 圖3是圖1中電壓、電流采樣電路圖。
具體實(shí)施方式

一種單芯片多功能電能表是由Microchip dsPIC30F6014A單片機(jī)、電源電 路、外部時(shí)鐘電路、LCD漢字顯示器及鍵盤、測(cè)量回路、通訊接口、脈沖輸出 接口構(gòu)成，如圖1所示。
MicrochipdsPIC30F CPU模塊采用高性能的16位(數(shù)據(jù))改良的哈佛架 構(gòu)，并帶有增強(qiáng)型指令集包含對(duì)DSP的有力支持。CPU擁有24位指令字，指令字帶有長(zhǎng)度可變的操作碼字段。程序計(jì)數(shù)器(PC)為24位寬，可以尋址高 達(dá)4MX24位的用戶程序存儲(chǔ)器空間。DSP引擎具備一個(gè)高速17位X17位乘 法器、 一個(gè)40^ALU、兩個(gè)40位飽和累加器和一個(gè)40位雙向桶形移位寄存器。 MicrochipdsPIC30F系列單片機(jī)集成了采樣、按鍵、LCD驅(qū)動(dòng)、雙通訊、非易失 性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等模塊，高達(dá)30MIP的工作速度，靈活的看門狗定時(shí)器，超大容量的 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，使得基于此芯片研發(fā)的電能表可以方便的完成電量測(cè)量、需量記 錄、費(fèi)率設(shè)置、事件管理等項(xiàng)工作，且含有兩路通訊接口，可支持多種通訊方式。 電源電路如圖2,將交流回路電壓引入電源模塊，得到12V的直流電壓， 經(jīng)過MC7805變換后得到供MCU工作的5伏電壓。同時(shí)12V電壓也為液晶顯 示器供電。
時(shí)鐘電路為分時(shí)計(jì)費(fèi)、事件記錄提供時(shí)鐘源，包括PCF8563和它所用 法拉電容及32.768K晶振組成，具有日歷、計(jì)時(shí)和閏年自動(dòng)切換等功能。
MCU的I2C模塊以數(shù)據(jù)SDA和時(shí)鐘SCL兩線方式與PCF8563進(jìn)行數(shù)據(jù) 交換。法拉電容和系統(tǒng)電源分別在電能表上電和無電時(shí)為時(shí)鐘芯片供電。 PCF8563的振蕩器接口連接32.768K晶振，形成振蕩源，提供分頻信號(hào)。
顯示及鍵盤電路兩者配合顯示電量、調(diào)整參數(shù)。四個(gè)按鍵分別代表"返 回"、"修改"、"確認(rèn)"、"査詢"功能。通過按鍵切換顯示內(nèi)容，可以顯示 實(shí)時(shí)電量、電能及需量記錄、輸入密碼設(shè)置參數(shù)、清空電能等。顯示器采用128 X64點(diǎn)陣顯示屏，突破了傳統(tǒng)段碼LCD只能顯示若干固定符號(hào)的限制，使電能 表更直觀更具操作性。
測(cè)量回路如圖3，電網(wǎng)中的交流電壓、電流信號(hào)分別經(jīng)過電壓互感器和 電流互感器得到模擬采樣信號(hào)，經(jīng)過TLC2264運(yùn)算放大器的輸入引腳，放大后 輸出的信號(hào)經(jīng)過100歐電阻降壓，形成標(biāo)準(zhǔn)寬范圍的正弦波進(jìn)入MCU的AD轉(zhuǎn) 換模塊，電壓信號(hào)連接信道AN3，電流信號(hào)連接信道AN4，基準(zhǔn)地信號(hào)連接信 道AN2。同時(shí)采樣得到的電壓模擬信號(hào)經(jīng)運(yùn)放積分后形成方波信號(hào)，進(jìn)入MCU 的輸入捕捉通道RD8，得到電網(wǎng)頻率和MCU采樣中斷周期，并以此判斷正弦波 的周期。所采樣信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后，通過64點(diǎn)快速傅立葉變化和軟件濾波結(jié) 合DSP模塊功能得到交流電壓、電流的實(shí)際值，進(jìn)而得到功率和電能。
通訊接口 Microchip dsPIC30F6014A具有兩路UART模塊，可選擇紅外
6線、RS232、 RS485等接口與上位機(jī)通訊。
脈沖輸出接口為校表或計(jì)量檢測(cè)所設(shè)置。Microchip dsPIC30F6014A產(chǎn) 生的有功、無功電能脈沖采用兩路高速光耦NEC2701隔離輸出實(shí)現(xiàn)，既簡(jiǎn)單又 安全可靠。
以上各部分電路通過與Microchip dsPIC30F6014A的完整連接實(shí)現(xiàn)了多功 能復(fù)費(fèi)率電能表的所有功能。
權(quán)利要求1、一種多功能電能表，其特征在于是由Microchip dsPIC30F6014A單片機(jī)、電源電路、外部時(shí)鐘電路、LCD漢字顯示器及鍵盤、測(cè)量回路、通訊接口構(gòu)成電源電路交流電源聯(lián)接電源模塊，得到12V的直流電壓，一組輸出端聯(lián)接液晶顯示器電源輸入端，另一組輸出端聯(lián)接MC7805，MC7805輸出端聯(lián)接單片機(jī)電源輸入端；時(shí)鐘電路MCU的I2C模塊以數(shù)據(jù)SDA和時(shí)鐘SCL兩線方式與PCF8563進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，PCF8563的振蕩器接口連接32.768K晶振，法拉電容和系統(tǒng)電源連接時(shí)鐘芯片；顯示及鍵盤電路顯示器與單片機(jī)相聯(lián)接，鍵盤設(shè)置“返回”、“修改”、“確認(rèn)”、“查詢”鍵；測(cè)量回路電網(wǎng)中的交流電壓、電流聯(lián)接互感器信號(hào)輸入端，互感器信號(hào)輸出端聯(lián)接TLC2264四路運(yùn)算放大器的其中兩路輸入端，放大電路輸出端聯(lián)接單片機(jī)2路AD輸入接口AN3、AN4，AGND直接聯(lián)結(jié)AN2；放大器的方波信號(hào)輸出端連接單片機(jī)的RD8引腳；通訊接口單片機(jī)上具有兩路UART模塊；紅外線模塊輸入聯(lián)接MCU的U1TX1，輸出接U1RX1；RS485接口輸入聯(lián)接MCU的U2TX，輸出接U2RX。
專利摘要本實(shí)用新型涉及到一種以Microchip dsPIC30F6014A單片機(jī)為核心構(gòu)成的單相多功能電子式復(fù)費(fèi)率電能表。該電能表包括了電源電路、采樣電路、漢字LCD顯示器、電能脈沖接口和通訊接口。采樣交流電壓、電流經(jīng)過互感器和運(yùn)算放大器TLC2264進(jìn)入到MCU中的AD模塊，同時(shí)電壓信號(hào)進(jìn)入MCU的輸入捕捉模塊獲得采樣頻率，再經(jīng)64點(diǎn)快速傅立葉變換得到精確的電量數(shù)值，因此款MCU所特有的DSP模塊，使電能表具有更高的測(cè)量精度和運(yùn)算速度。同時(shí)依靠實(shí)時(shí)時(shí)鐘有效地將電能根據(jù)設(shè)置的時(shí)段和每月結(jié)算日期，產(chǎn)生分時(shí)段電能以及各月各費(fèi)率的電能記錄。多功能電能表可記錄并保存電能的最大需量、停電來電、清空電能、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)等事件的發(fā)生情況，以利于電力部門進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和調(diào)整供電方案，實(shí)現(xiàn)能源的合理配置。
文檔編號(hào)G01R11/57GK201289503SQ200820218929
公開日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2008年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月6日
發(fā)明者吳東波, 瑩 張, 杰 沈 申請(qǐng)人:丹東華通測(cè)控有限公司