引言

隨著電力的需求越來越大，不同時間段用電量不均衡的現象日趨嚴重。為了合理地調控電力負荷和節約能源，電力公司已開始鼓勵使用多費率電能表。傳統的多費率電能表一般采用機械轉盤式計量方式，計量精度隨機械磨損而降低，時段設置單一，人工抄表勞動強度大，且偶有竊電情況發生等諸多弊端。本文給出基于 AT89S52單片機一種新型多費率單相電能表設計，采用 AD7755電能計量芯片，電能計量準確。該電能表具有分時段計量，液晶顯示，自動回抄，時段設置靈活，時間校正及時，新穎的防竊電，功耗低的特點。并對該電能表實驗測試數據進行性了誤差分析，指出電能計量中減小與消除誤差的方法。 2硬件電路設計

2.1總體結構

基于AT89S52單片機完成多費率單相電能表的設計，AT89S52有以下功能，8k字節Flash 閃速存儲器，三級加密程序存儲器，256字節內部RAM，32個可編程I/O 口線，3個 16位定時/計數器，一個 6向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路，兩種低功耗電工作方式。是一個比較適合于以開關量信號輸入檢測的性價比較高的 8位單片機。電能表硬件設計主要包括六大模塊，電壓和電流檢測電能計量電路 AD7755模塊，串行存儲與看門狗 X25045電路模塊，HT1621液晶顯示電路模塊，串行時鐘 S3530A電路模塊，

RS485總線通訊電路模塊，防竊電檢測電路模塊，總體結構如圖 1所示。

2.2 電能計量 單相電能計量采用美國 ADI公司的 AD7755低功耗芯片實現。AD7755內部除了 ADC和濾波、相乘電路外都采用了數字電路，有效的消除了尖脈沖等干擾信號，使得它在惡劣的環境條件下仍能保持極高的準確度和穩定性。對單相回路中的電壓、電流信號采樣，計算出功率并積分將其轉換為電能脈沖輸出，CPU對來自 AD7755輸出端 CF的脈沖進行計量，計算出電能表的累計用電量。電能與脈沖的關系為：Ｗ＝Ｍ／Ｃ，式中的Ｗ為電能，單位為千瓦時，Ｍ為脈沖累計個數，Ｃ為電表脈沖常數，選取Ｃ=1600，每千瓦時為 1600個脈沖。

2.3 RS485通訊MAX487芯片實現多費率電能表的 RS485通訊控制。MAX487芯片具有 RS485通信協議，可以帶下位機 128個、傳輸距離大于1km、傳輸速率達250kb/s。電能表通過 RS485總線與用電管理計算機相連，每只電能表都有一個確定的唯一的八位十六進制的表號，初次安裝，電工需要把用戶信息與表號記錄后輸入用電管理計算機中，完成用戶與管理計算機的連接。管理計算機采用廣播式通訊方式下傳時段設置與校時信息，此時不帶有地址信息，而電能表中斷接收；上位機采用呼叫地址的方式上傳信息，即呼叫誰的地址，那只電能表便把信息及其校驗碼打包向上傳送給用電管理計算機，實現電能回抄。MAX487的 DE為發送器使能端，DE為 1時發送器可以工作，DI為輸入端，A、B為輸出端。當 DE為 0時，停止發送輸出端為高阻。RE為輸入使能端，RE為 0時允許接收器工作，A、B為輸入端，RO為輸出端；RE為 1時，接收器被禁止，RO為高阻狀態。因此，采用半雙工通訊方式，把 DE和 RE相連然后接 AT89S52的P1.4，通過 AT89S52的 P1.4引腳來控制收發工作狀態。

2.4 串行存儲器 串行存儲器采用美國 XICOR公司的 X25045低功耗芯片，它具備看門狗定時器WTD、電源電壓監控和具有 512字節的串行 E2PROM存儲器三種功能。WTD可以設置為200ms、600ms、1400ms喂狗定時間隔，軟件編程寫入 X25045中。在程序正常運行期間，WTD在定時間隔內收到觸發信號，確保程序正常運行，一端 WTD在定時間隔內沒有收到觸發信號，X25045便通過 RESET引腳輸出一個高電平信號，觸發電能表復位來防止程序跑飛。X25045作為串行存儲芯片，512字節分別用于存儲電能表編碼，多費率時段設置，上月和當月分時段的峰、平、谷電量和總累計電量等信息，存儲次數可改寫十萬次，數據可保存一百年，它與 AT89S52可采用 SPI協議總線接口相連。

2.5時鐘電路時鐘電路采用 S3530A芯片完成，它是一種支持 I2C總線的低功耗時鐘芯片，它按照 CPU經 RS485通訊接收校時的數據來設置時鐘和日歷，靠自身的振蕩繼續走時。在 S3530A的 Xin和 Xout引腳之間跨接 32.768kHz的晶體器振蕩器。它通過兩線式與 CPU連接，SDA腳和 SCL腳分別接 AT89S52的 P2.0和P2.1，并有兩個中斷報警引腳可設置為輸出秒或分同步脈沖，向 AT89S52提供周期為 1秒的中斷信號，單片機系統將根據該信號通過 I2C通訊接口讀取當前的時間，計算出該時刻所屬的時段，實現多費率電能表的分時段計量電能。該時鐘電路帶有備用鋰電池，正常工作時有電源 Vcc供電，同時給 3.6V鋰電池充電；當出現停電時，自動切換鋰電池為時鐘電路供電，即使停電時鐘走時也準確。

2.6液晶顯示

采用 HOLTEK公司 HT1621的 LCD顯示驅動芯片,實現十六位 LCD數字顯示。HT1621是具有 128段（32×4）內置存儲器的 LCD驅動器，它片內包括控制與計時電路、顯示RAM、LCD驅動及偏置、監視定時器等，采用了 48腳 SSOP封裝,具有體積小和功耗低的優點,非常適合于應用電能表中，其接口電路和外圍電路簡單，它和 AT89S52之間采用串行接口，只需三根線。AT89S52的P2.4 、P2.5、P2.6分別接到它的 CS片選、WR寫允許、DATA串行數據三個引腳上，來控制刷新顯示 RAM緩沖區。另外應用中，在VDD、VLCD間接一個20kΩ可調電阻，用來調節 LCD顯示對比度，調節電阻，使得VDD=5V，VLCD=4V對比度較好。

2.7 防竊電檢測等

記錄電能表接線端子蓋被人為打開的次數而分析是否竊電。電能表被安裝好后將表殼打上鉛封，用戶不能私自打開電能表接線的表蓋破壞鉛封，否則屬于竊電行為。因此我們采用霍爾傳感器，檢測接線端子蓋是否被打開。如果接線端子蓋被打開，AT89S52的 P1.6引腳的電平變化，就檢測到開蓋一次，記錄表的接線端子蓋被人為打開和破環的次數，判定是否有竊電發生，當發現有竊電現象時，給出報警、斷電并及時上傳到上位管理計算機。實踐證明該新穎的防竊電技術有效的防止竊電情況發生，效果較好。檢測電路框圖如圖 2所示。

掉電保護電路，用 AT89S52的 P1.7輸入引腳檢測掉電信號，當系統正常工作是 P1.7位高電平，當突然發生斷電時，P1.7變成低電平，采用查詢方式檢測到 P1.7的變為低電平后，將進入掉電保護程序。電源電路中有個大濾波電容1000uf/25v，當掉電后能維持系統十多秒的工作時間，確保電能表存儲好重要數據。光電隔離電路，在系統中 AD775的脈沖輸出端，繼電器控制端，RS485通訊端分別使用了 4N35光電隔離器。通過光的耦合作用傳遞電信號，把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，提高系統抗干擾的能力。

軟件程序設計

3.1 軟件程序資源分配 多費率單相電能表軟件程序共包括初始化及主程序，X25045讀寫程序，RS485串行通訊處理程序，中斷處理程序，定時器處理程序，HT1621顯示控制程序，電能分時段計量與掉電處理程序，系統自檢與軟件抗干擾處理八大程序模塊。系統的中斷資源分配為 INT0中斷用于 AD7755脈沖檢測，INT1用于秒同步檢測，定時器 T0用于定時100ms，T1未使用，T2用于串行通訊程序波特率發生器，串行口中斷設置為 RS485異步通訊接收中斷。

3.2 程序模塊的設計

電能表的工作過程主程序模塊如圖 3所示，每次上電要進行初始化，初始化包括對AT89S52單片機定時器、串行口、中斷等工作方式的設定，寫入串行存儲芯片 X25045的控制字，串行時鐘芯片 S3530A控制字，串行液晶驅動芯片 HT1621控制字。新電能表的初次工作要對 X25045初始值設定，包括電能表表號的設置，時段的設置，時鐘的設置，存儲地址的分配等。本系統設置了三個時段，單片機每秒從時鐘芯片 S3530A中讀取時鐘值，然后根據串行存儲芯片 X25045中預先設置好的時段，分析該時刻屬于哪個時段，根據相應的時段把電能存儲 AT89S52的 RAM存儲器中，然后電能每累計夠 1度便寫入到 X25045相應的地址中。16位液晶顯示器輪流顯示時段與電能信息。若有通訊請求將采用中斷方式與上位機進行數據通訊。若停電，將執行掉電保護程序。其它程序模塊流程圖略。

測試結果

該電能表在淄博貝林電子有限公司進行了誤差測試和運行試驗，上位計算機完成用電管理時段設置，設置三個費率時段，第一時段 00點 00分點到 06點 30分，為谷電量時段，第二時段 06點 30點到 22點 30分，為峰電量時段，第三時段 22點 30點到 24點 00分，為平電量時段。費率時段設置由電力供電公司根據國家政策規定設定到計算機管理系統中，通過RS485串行通訊傳送到電能表中，并存儲于 X25045中。每月峰、平、谷、累計電量存入電能表中，并打包傳送到上位計算機管理系統，通訊波特率設為9600 bit/s。用 0.1級標準電子式電能表校驗臺作為標準表，該多費率電能表為被測表，貝林電子有限公司針對不同負荷的情況下進行測試，限于篇幅僅列出負荷為 5KW時的實測數據如表1 所示。測試結果表明該復費率電能表誤差小于1%，屬于 1.0級標準。經實驗得知減小電能計量誤差方法，一是通過調節 AD7755的匹配電阻調整到精確值；二是該匹配電阻阻值要求隨溫度變化阻值變化較小；三是在電能計量過程中，在時間段的切換時，計量電能的尾數部分不足 0.01度的電能計入下一個時間段中，避免了不足 0.01度的電能丟失而造成累計電量有誤差。

表 1 標準表與被測表測量值，負荷 5KW

結束語

多費率電能表根據不同的時段設置，實現電能分時計量，采用 RS485串行通訊，實現電量自動回抄，實時校時。該電能表經淄博貝林電子有限公司生產表明，設計技術新穎，計量準確，走時精確，時段設置靈活，防竊電設計新穎，各項技術指標均達到國家多費率電能表的技術標準，具有廣闊的應用前景。

采用 AD7755電能計量芯片計量準確；串行 X25045存儲靈活可靠，串行時鐘 S3530A走時精確，RS485總線傳輸可靠性高，防竊電新穎設計。采用 I2C總線結構多費率單相電能表設計更加合理，具有性價比高的特點。