摘要：介紹了利用AVR單片機AT90S8515的輸入捕捉功能對感應式電能表進行智能化改進的方法，討論了新型防盜電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，給出了用AT90S8515單片機設計帶有防盜電功能的感應式電能表的改進電路組成及工作過程。

現(xiàn)在使用的電能表可分為三種形式，即感應式電能表、脈沖電能表和電子電能表。感應式電能表由于價格低廉、計量準確而得到廣泛使用。它利用金屬鋁轉(zhuǎn)盤中的感應電流與通有交流電流的固定線圈的磁場相互作用來產(chǎn)生驅(qū)動力矩以驅(qū)動鋁盤旋轉(zhuǎn)，從而得到累計消耗的電能。但感應式電能表由于自身無防盜電功能，隨著電力事業(yè)的發(fā)展，這一缺點給電力部門帶來的損失日益突現(xiàn)出來。因此，在感應式電能表的基礎(chǔ)上加裝防盜電功能，具有一定的現(xiàn)實意義。

１　感應式電能表盜電現(xiàn)象分析

在感應式電能表的使用中，常見的盜電方式有以下幾種：

（１）在電能表的內(nèi)部斷開電壓扣，使得固定線圈內(nèi)無交流電流通過而不產(chǎn)生磁場，從而使鋁盤不能旋轉(zhuǎn)，并最終導致電能表不能對累計消耗的電能進行計量。

（２）電能表的進出線反接，使鋁盤產(chǎn)生相反的旋轉(zhuǎn)，以減小電能表計數(shù)。

（３）在電能表的外部用導線短接電能表，電能表的計量值僅為實際耗電的一半。

２　新型防盜電系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)

在分析了防盜電現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，筆者設計了一種帶防盜電功能的新式智能化感應式電能表。該系統(tǒng)主要由光電轉(zhuǎn)換電路、電流檢測電路、單片機ＡＴ９０Ｓ８５１５、繼電器和報警電路等組成。其系統(tǒng)組成框圖如圖１所示。

該系統(tǒng)的工作原理是將鋁盤的轉(zhuǎn)動經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電脈沖信號輸入到單片機，然后由霍爾磁敏傳感器電路將電能表輸入端的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入到單片機中。這樣，當有人盜電時，會引起電能表的鋁盤不轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，而輸入導線中仍有電流，此時的單片機會檢測到這些狀態(tài)并使蜂鳴器發(fā)出報警聲，同時繼電器斷開，供電停止。

３ 各電路工作原理

３．１ 光電轉(zhuǎn)換電路

光電轉(zhuǎn)換電路主要將鋁盤的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為電脈沖，以此來作為單片機的一個檢測信號。它以感應式電能表的電磁系統(tǒng)為工作元件，并在電能表的鋁盤表面印上黑色的分度線進行分度。為了區(qū)分鋁盤的正反轉(zhuǎn)，分度線間隔寬度應按順時針方向逐漸增加，然后用反射式光電頭發(fā)射光束來采集分度線標記，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路變換，最后輸出與鋁盤旋轉(zhuǎn)速度和分度線寬度成正比的電脈沖以給單片機提供一路檢測信號。其電路如圖２所示。圖２中， Ｄ１為發(fā)光管ＨＧ４１０，Ｄ２為接收管３ＤＵ３１，它們按一定的角度被固定在旋轉(zhuǎn)鋁盤的上方，當鋁盤的黑色分度線到達光線區(qū)時，Ｄ２接收管的集電極輸出一正脈沖，并經(jīng)ＣＤ４０６９的兩個非門和Ｒ３構(gòu)成的施密特觸發(fā)器整形后加到單片機的定時／計數(shù)器Ｔ１的輸入捕捉端（ＩＣＰ），作為捕捉信號。

３．２ 電流檢測電路

電流檢測電路主要由線性霍爾磁敏傳感器ＵＧＮ３５０１Ｔ、鉗形冷軋硅鋼片和信號處理電路組成。其電路如圖３所示。

    該電路將霍爾元件置于鉗形冷軋硅鋼片的空隙中，當有電流流過導線時，就會在鉗形圓環(huán)中產(chǎn)生磁場，其大小正比于流過導線的電流，這個磁場作用于霍爾元件上并感應出相應的霍爾電勢，該電勢經(jīng)過運算放大器μＡ７４１放大后，再加到由運算放大器μＡ７４１組成的比較器中，這樣，當電路中有電流流過時，比較器輸出的高電平將作為單片機的一個檢測信號加到單片機的ＰＣ０端。

３．３ 單片機系統(tǒng)電路

單片機系統(tǒng)電路主要完成對光電檢測信號、電流檢測信號的比較計算，同時輸出控制報警信號。該電路由單片機ＡＴ９０Ｓ８５１５、固體繼電器，蜂鳴器報警電路等組成，電路如圖４所示。

該電路將光電信號加到單片機的輸入捕捉ＩＣＰ端的目的是利用定時／計數(shù)器Ｔ１的輸入捕捉功能來檢測光電轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖及脈沖寬度的變化情況，以確定鋁盤的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。將電流檢測電路的輸出信號加到ＰＣ０端，然后通過讀取ＰＣ０的電平值和Ｔ１對光電信號的捕捉結(jié)果，就可以判斷是否有盜電情況發(fā)生。設計時應將ＰＣ１端接繼電器驅(qū)動電路，ＰＣ２端接蜂鳴器報警電路。

４ 系統(tǒng)的軟件設計

該系統(tǒng)的軟件設計主要完成對ＩＣＰ端輸入信號的捕捉、信號脈沖寬度的記錄以及對相連３個脈沖信號的寬度進行比較。其信號捕捉與脈沖計算程序流程框圖如圖５所示。該電能表工作時，可根據(jù)上述比較結(jié)果和ＰＣ０口電平的高低來判定是否有盜電情況發(fā)生，若檢測到ＰＣ０端為高電平，而定時／計數(shù)器Ｔ１的捕捉結(jié)果為零或脈沖寬度逐漸遞減（３個脈沖為１組），則表明有盜電情況發(fā)生，此時，單片機ＰＣ１端會輸出繼電器控制信號，以使供電線路斷開，同時ＰＣ２將輸出１ｋＨｚ的報警信號，并將其放大后驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出報警聲。

５ 結(jié)束語

由于該防盜電系統(tǒng)是在現(xiàn)有感應式電能表的基礎(chǔ)上進行改裝的，因而成本低，設計簡單，避免了用電戶的重復投資，既有經(jīng)濟效益，又有一定的社會效益。只是，在改裝中，一定要注意系統(tǒng)電路與繼電器在電路中的接入順序。