宽频单相智能电能表的设计

王丽娟

（郑州华信学院 河南 郑州 451100）

随着高新技术尤其是电子信息技术的快速发展，电子式、多功能、高精度、多费率、自动抄表等产品的优势突显，已经成为电能表发展的主流。在电能表改造或研制方面，出现了磁卡式电表、电卡式电表、IC卡电表、全电子电表、带有通信接口的电度表等多种类型的表计。在抄表方式上，使用远程自动抄表系统，解决了传统手工抄表方法存在的速度慢、可靠性差、自动化程度低等问题。

随着电子式电能表技术的不断进步，有更多的用户关注电表的量程、轻载准确度、低功率因数准确度、起动灵敏度、防潜动可靠性，以及谐波下计量的准确性等特性。

国内现有的射频卡预付费智能电表主要有以下功能：

1）预付费功能：预收电费，剩余电量为零时自动拉闸断电；

2）合闸拉闸方式：内附开关和外附控电开关两种规格；

3）记忆功能：断电情况下表内数据可保存10年；

4）显示功能：双显示，计度器显示累计用电量，LED显示器显示剩余电量及其它信息。

而中国网新标准为单相电表设计所提出的设计要求主要包括以下几点：

1）基本计量功能增强，需要计量正反向有功电量，并测量线路电压、相线电流、零线电流、有功功率，甚至功率因数等；

2）费控功能复杂，需要支持IC卡本地费控或载波远程费控，支持时段电价或阶梯电价，并需增加ESAM芯片以保证费控部分的数据安全性；

3）需要支持多种抄表通讯模式，如红外、RS-485和电力线载波；

4）外壳模具统一，液晶屏、LED指示灯、按键、红外抄表和嵌入式载波通讯模块安装位置均完全固定，极大限制了电子线路布局布线的灵活性；

5）功能庞杂，除电量计量外还增加了大量的管理功能。

显然现有的射频卡预付费智能电表功能无法满足新标准技术规范要求，本文旨在原有的射频卡预付费智能电表的基础上，针对要求增加的新功能，通过利用ATMEGA16单片机、罗氏线圈、RS485通讯、LCD显示器等部件，对智能电表在硬件上进行研究和改进。

1 单片机接口设计

ATmega16单片机的接口设计，如图1所示。

图1 ATMEGA16单片机接口设计图Fig. 1 The ATMEGA16 single-chip microcomputer interface design

ATmega16单片机中含有32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，3个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C)，片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装) 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式[1]。

其中VCC接5 V电源，GND接地，RESET为复位输入引脚。

端口PA(PA7..PA0) 端口A 做为A/D 转换器的模拟输入端，接LCD显示器。端口A 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A 处于高阻状态。

端口B(PB7..PB0) 端口B 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B 处于高阻状态。

端口C(PC7..PC0) 端口C 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C 处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。

端口D(PD7..PD0) 端口D 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D 处于高阻状态。

XTAL1为反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。

XTAL2为反向振荡放大器的输出端。

2 时钟电路的设计

PCF8563P多用于I2C总线接口的多功能时钟/日历电路，具有多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功能。内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路1.0 V 以及两线制I2C 总线通讯方式，不但使外围电路极其简洁，而且也增加了芯片的可靠性[2]。

3 复位电路的设计

简单复位电路的好处在于不受工作电压范围的限制，而专用复位集成电路，必须注意复位电压和工作电压是否匹配。这类专用的复位集成芯片除集成复位电路外，还有些集成看门狗、EEPROM存储器等其他功能模块。复位电路可采用简单的电阻、电容及按键开关构成上电自动复位和手动复位，也可选择专用的复位集成芯片[3]。复位电路连接示意图如图2所示。

图2 单片机复位电路Fig. 2 Reset circuit of single-chip microcomputer

4 电源电路的设计

一个系统稳定性很大程度上取决于稳定的电源模块是否能够提供稳定的电压和电流。各种整流器的输出电压不仅受市电电压变化的影响，还受负载变化的影响。为了满足精密电子设备的要求，应在电源的输入端加入线性稳压器，以保证电源电压恒定和实现有源噪声滤波。

单片机电路工作电源电压为+5 V，平时用到的电源为220 V交流电压，因此，需要设计电源电路。该电源电路中使用了7805稳压芯片，从而保证+5 V电压值的输出。图中二极管D2为了防止反接，C12用以抵消输入端较长接线感应，防止产生自激震荡。C10为了瞬时增减负载电流时不致引起输出端有较大的波动，C10、C12一般可以选0.1～1 uF之间。电源电路模块图如图3所示。

5 系统的设计

图3 电源电路Fig. 3 Power circuit

在通讯工程中，在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线，RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200 mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制[4]。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器[5]。

6 罗氏线圈的设计

Rogowski线圈（洛氏线圈 )又叫电流测量线圈、微分电流传感器，是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈。输出信号是电流对时间的微分。通过一个对输出的电压信号进行积分的电路，就可以真实还原输入电流[6]。

它不含铁磁性材料，无磁滞效应，几乎为零的相位误差；无磁饱和象，因而测量范围可从数安培到数百千安的电流；结构简单，并且和被测电流之间没有直接的电路联系；响应频带宽0.1 Hz-1 MHz。与带铁芯的传统互感器相比，洛氏线圈具有测量范围宽，精度高，稳定可靠，响应频带宽，同时具有测量和继电保护功能，体积小、重量轻、安全且符合环保要求。

基于洛氏线圈的具有电流可实时测量、响应速度快、不会饱和、几乎没有相位误差的特点，故其可应用于继电保护，可控硅整流，变频调速，电阻焊等信号严重畸变的场合。

本文采用Rogowski线圈对用户所使用的电能进行宽频测量。将Rogowski线圈与电阻电容串联，两条引脚分别接于ADE7763芯片的V1P和VIN口，用于对电流数据的采集。

7 PCB板的设计

当电路的各个部分都设计完成后，在PROTEL软件中将他们有序的组合在一起构成电路的原理图，为PCB板[7-8]设计打下基础。在设计PCB板之前，需要先收集原理图中所用到的元件的技术资料并确定封装形式等。当在软件所提供的库中找不到所需要的元件封装时，就要自己根据资料中的封装手动绘制PCB封装。绘制PCB时，首先确定PCB 板的轮廓，确定工艺要求（使用几层板等）。然后将原理图传输到 PCB板中来，在网络表、设计规则和原理图的引导下布局和布线，使用设计规则检查工具查错等。PCB的设计是电路设计中的另一个关键环节，它将决定该产品的实用性能，需要考虑的因素很多，不同的电路有不同要求。

当PCB绘制完成后，关于硬件电路的设计部分就已经完成，接下来就可以根据原理图进行软件部分的设计了。

8 结束语

以上通过利用ATMEGA16单片机、罗氏线圈、RS485通讯、LCD显示器等部件，能够设计出一个基于单片机的宽频单相智能电能表的硬件部分。以ATMEGA16单片机为核心，通过串口通信利用远程控制电能表，同时采用数码管将数据显示出来，可以实时监测电能的消耗情况，也就达到了智能化的一个设计目的。

[1]余锡华，曹国华. 单片机原理及接口技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006.

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[3]李广弟，朱月秀，王秀山.单片机基础[M]. 北京:北京航天航空大学出版社, 2000.

[4]周慈航.单片机应用程序设计技术[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2005.

[5]汉才.单片机原理及系统设计[M]. 北京:清华大学出版社,2002.

[6]梁洁婷.单片机原理与应用[M].北京:高等教育出版社,2002.

[7]周泽湘.Excel在Protel DXP PCB设计中定位查错研究与实现[J].现代电子技术，2013(16):65-67.

ZHOU Ze-xiang.Study and realization on positioning errorchecking of Excel in design of Protel DXP PCB[J].Modern Electronics Technique，2013（16）：65-67.

[8]王永军，王俊鸣.高速多层PCB板中过孔的建模、仿真及分析[J].电子科技，2013(9):41-43.

WANG Yong-jun;WANG Jun-ming.Modeling, simulation and analysis of via in high-speed multilayer PCB[J]. Electronic Science and Technology, 2013(9):41-43.