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傳統的機械電能表，是通過(guò)磁力矩驅動(dòng)鋁盤(pán)，帶計量器計量電量的。這種計量方式存在著(zhù)壽命短、誤差大、需定期調試，容易竊電，現場(chǎng)抄表等諸多缺陷，操作的可靠性亦得不到保證，而且給城市電網(wǎng)的建設、規劃和分析帶來(lái)了很大困難。為了解決上述問(wèn)題，具有防竊電功能的，液晶顯示的，帶有紅外通訊、485通訊的電子電能表逐漸被應用，而且將逐漸成為市場(chǎng)的主流。 系統組成 帶軟件校表功能的單向付費率表的系統結構如圖 1 所示。實(shí)現原理為：電網(wǎng)的電流和電壓信號通過(guò)分流器，被采樣芯片采樣過(guò)來(lái)，以脈沖(CF)的方式輸出給單片機，單片機通過(guò)對電能高頻脈沖CF的采集和分析，輸出電能指示脈沖信號，供脈沖燈和校表用，吧并利用CF信號，計算出采集到的電量，送到LCD驅動(dòng)，在LCD上顯示，同時(shí)又寫(xiě)入EEPROM；EEPROM中除了保存電量信息外，還有表號等信息，這些信息可以通過(guò)紅外和485通訊抄讀和設置，也可以在LCD上顯示。 硬件設計 硬件設計如圖1所示，分為時(shí)鐘供給模塊、數據存儲模塊、脈沖采集模塊、軟件校表模塊、掉電檢測模塊、紅外輸出模塊、485通訊模塊、電池電壓檢測模塊、拉閘控制模塊。主控芯片采用NEC單片機UPD78F0485，其基本特性如下：1.8"5.5V寬電壓供電；內部集成PLL鎖相環(huán)晶振電路，溫漂極��；低功耗，副時(shí)鐘工作的時(shí)候，功耗最低1uA；內部集成上電復位電路和低電壓檢測電路，方便做掉電數據存儲；內部集成A/D，可以做電池電壓檢測；有沿觸發(fā)外部中斷，可以采集電量脈沖；內部集成了IIC電路和兩個(gè)UART電路，方便2路通訊；并集成了2個(gè)16位定時(shí)器，2個(gè)8位定時(shí)器，通用I/O口眾多。這些資源，都是UPD78F0485被用來(lái)設計電能表的重要原因。 下面就電能表中的一些主要硬件電路的設計做一個(gè)簡(jiǎn)要的分析。 1)485通訊電路設計： 在電能表系統中，抄表系統在抄表的時(shí)候只有固定的集中方式：485、載波、紅外。485作為成本低、運行可靠、抄表速度快等特點(diǎn)，現在是抄表用的最廣泛的一種方式。圖2即為485電路的基本結構。此電路通過(guò)光耦把單片機輸出的信號，隔離輸出到3085芯片，3085芯片再把此信號轉變成差分信號送給總線(xiàn)。接受的信號也要通過(guò)光耦隔離送回單片機。此電路的特點(diǎn)是3085的RE和DE兩個(gè)引腳由一根引線(xiàn)一起控制，節省了單片機的一個(gè)I/O口，這種接法是有條件的，即電能表上的通訊不是絕對的全雙工。由于485電路的差分信號傳輸距離比較遠，一般布線(xiàn)的環(huán)境也比較惡劣，所以485線(xiàn)路必須有壓敏電阻進(jìn)行高壓保護，而且還要有TVS管，防止瞬態(tài)的高壓干擾和遭受雷擊。 2)紅外通訊電結構： 紅外通訊電路在電表里使用非常廣泛，是由于目前紅外掌機抄表的方式還在很多地區使用。在這種市場(chǎng)需求的帶動(dòng)下，單片機有兩路UART口來(lái)做通訊就變得必須了。如圖3所示，在紅外發(fā)射電路中，采用兩個(gè)三極管疊加，其中TXD網(wǎng)絡(luò )用來(lái)發(fā)送數據信號，38K網(wǎng)絡(luò )用來(lái)發(fā)送載波信號，這樣由于硬件電路的邏輯與作用使得LED3發(fā)送出我們預期的數據。這種電路只是紅外發(fā)送電路的一種連接方式，也可以，采用一個(gè)三極管，在程序里面做TXD和38K的與運算。 3)計量電路： 圖4：計量電路的結構 計量電路有ADE7755作為采樣芯片，通過(guò)分流器也就是圖上的錳痛片采集電壓電流，內部計算成有功功率，然后以脈沖(CF)的方式輸出。單片機采集這個(gè)脈沖，計算電量。圖下方的很多電阻構成了電表的精度調節電路。 軟件設計 電表運行狀態(tài)分為常狀態(tài)和低功耗狀態(tài)。程序中設置了一個(gè)空閑標志，掉電的時(shí)候空閑標志位被置為1，在主程序中不斷的檢測這個(gè)標志，當此標志置1的時(shí)候，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以減少功耗。 軟件功能的實(shí)現由各個(gè)子程序來(lái)完成，主要由紅外通訊子程序、485通訊子程序、軟件校表子程序、電量計算子程序、掉電處理子程序等構成。主程序流程圖5所示。 圖5：主程序軟件流程圖 此系統中，主要的程序集中在初始化、UART通訊和軟件校表幾個(gè)地方，這里予以簡(jiǎn)介。 1)初始化程序： NEC單片機UPD78F0485本身具有豐富的內部資源，可以大大的減少外圍器件的數量，也就減少了故障發(fā)生的幾率。需要初始化的地方主要有：內部RAM，選項字節，中斷控制寄存器，串口控制寄存器，定時(shí)器控制寄存器，LVI電路控制寄存器，看門(mén)狗控制寄存器，IIC電路控制寄存器，液晶驅動(dòng)控制寄存器等。 2)UART收發(fā)程序： UART的收發(fā)是由單片機內部自帶的串口模塊來(lái)完成的，程序里我們只需要查詢(xún)收發(fā)完成標志位，連續收發(fā)，檢測出錯標志位和糾錯處理。大大的簡(jiǎn)化了程序的運行過(guò)程，也降低了程序時(shí)序的壓力。 3)軟件校表的程序： 軟件校表的過(guò)程如下：我們對脈沖的采集，采集ADE7755輸出的高頻脈沖，1度電的高頻脈沖輸出個(gè)數為低頻脈沖的整數倍，軟件校表的過(guò)程就是通過(guò)串口通訊來(lái)調節1度電所對應的高頻脈沖的個(gè)數，已達到計量準確的目的。 通訊協(xié)議的設計 規約格式： 圖6：字節格式 圖7：幀格式 ·字節傳輸格式：0(1位起始位)XXXXXXXX(8位數據位)1(1位結束位)，數據傳輸過(guò)程中允許每一個(gè)字節的空閑間隙為·通訊波特率：1200波特。 ·3到5個(gè)FEH作為同步頭，一個(gè)16H結束字。 ·詳細命令格式技術(shù)局返回格式請參照645規約(DL/T 645—1997)。 ·幀格式，如圖7所示。 通訊時(shí)，如果在限時(shí)內沒(méi)有受到應答幀，則認為傳輸出錯，重發(fā)先前的命令幀。重發(fā)最多3次，3次重發(fā)仍然無(wú)法受到應答幀時(shí)，則發(fā)出相應的故障提示信息。 結束語(yǔ) 有上述可以看出，基于NEC單片機UPD78F0485設計的付費率電表完全符合國家關(guān)于多費率電能表的標準GN/T15284-2002和多功能電能表的通訊規約DL/T645-1997的要求，并且具有功能合理，故障率低，外圍器件少，計量精度高等特點(diǎn)，并且大大節省了硬件成本，增強了市場(chǎng)推廣的可行性，另外，支持C語(yǔ)言的編譯環(huán)境又為此款電表的實(shí)際開(kāi)發(fā)縮短了開(kāi)發(fā)周期。 |
