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基于AT89S52单片机一种新型多费率单相电能表设计

导读: 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

  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。

1 硬件电路设计

  1.1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,总体结构如图 1所示。

图1:系统总体结构框图

  1.2 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。

  1.3 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唯一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。

  1.4 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。

  1.5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。

  1.6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。

  1.7 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。检测电路框图如图 2所示。

图2:防窃电检测框图

  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。

 

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