1 引言
隨著電力的需求越來(lái)越大，不同時(shí)間段用電量不均衡的現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。為了合理地調(diào)控電力負(fù)荷和節(jié)約能源，電力公司已開(kāi)始鼓勵(lì)使用多費(fèi)率電能表。傳統(tǒng)的多費(fèi)率電能表一般采用機(jī)械轉(zhuǎn)盤式計(jì)量方式，計(jì)量精度隨機(jī)械磨損而降低，時(shí)段設(shè)置單一，人工抄表勞動(dòng)強(qiáng)度大，且偶有竊電情況發(fā)生等諸多弊端。本文給出基于 AT89S52單片機(jī)一種新型多費(fèi)率單相電能表設(shè)計(jì)，采用 AD7755電能計(jì)量芯片，電能計(jì)量準(zhǔn)確。該電能表具有分時(shí)段計(jì)量，液晶顯示，自動(dòng)回抄，時(shí)段設(shè)置靈活，時(shí)間校正及時(shí)，新穎的防竊電，功耗低的特點(diǎn)。并對(duì)該電能表實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行性了誤差分析，指出電能計(jì)量中減小與消除誤差的方法。

2硬件電路設(shè)計(jì)
2.1總體結(jié)構(gòu)
基于AT89S52單片機(jī)完成多費(fèi)率單相電能表的設(shè)計(jì)，AT89S52有以下功能，8k字節(jié)Flash 閃速存儲(chǔ)器，三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)可編程I/O 口線，3個(gè) 16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路，兩種低功耗電工作方式。是一個(gè)比較適合于以開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入檢測(cè)的性價(jià)比較高的 8位單片機(jī)。電能表硬件設(shè)計(jì)主要包括六大模塊，電壓和電流檢測(cè)電能計(jì)量電路 AD7755模塊，串行存儲(chǔ)與看門狗 X25045電路模塊，HT1621液晶顯示電路模塊，串行時(shí)鐘 S3530A電路模塊，
RS485總線通訊電路模塊，防竊電檢測(cè)電路模塊，總體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

2.2 電能計(jì)量 單相電能計(jì)量采用美國(guó) ADI公司的 AD7755低功耗芯片實(shí)現(xiàn)。AD7755內(nèi)部除了 ADC和濾波、相乘電路外都采用了數(shù)字電路，有效的消除了尖脈沖等干擾信號(hào)，使得它在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。對(duì)單相回路中的電壓、電流信號(hào)采樣，計(jì)算出功率并積分將其轉(zhuǎn)換為電能脈沖輸出，CPU對(duì)來(lái)自 AD7755輸出端 CF的脈沖進(jìn)行計(jì)量，計(jì)算出電能表的累計(jì)用電量。電能與脈沖的關(guān)系為：Ｗ＝Ｍ／Ｃ，式中的Ｗ為電能，單位為千瓦時(shí)，Ｍ為脈沖累計(jì)個(gè)數(shù)，Ｃ為電表脈沖常數(shù)，選?。?1600，每千瓦時(shí)為 1600個(gè)脈沖。
2.3 RS485通訊MAX487芯片實(shí)現(xiàn)多費(fèi)率電能表的 RS485通訊控制。MAX487芯片具有 RS485通信協(xié)議，可以帶下位機(jī) 128個(gè)、傳輸距離大于1km、傳輸速率達(dá)250kb/s。電能表通過(guò) RS485總線與用電管理計(jì)算機(jī)相連，每只電能表都有一個(gè)確定的唯一的八位十六進(jìn)制的表號(hào)，初次安裝，電工需要把用戶信息與表號(hào)記錄后輸入用電管理計(jì)算機(jī)中，完成用戶與管理計(jì)算機(jī)的連接。管理計(jì)算機(jī)采用廣播式通訊方式下傳時(shí)段設(shè)置與校時(shí)信息，此時(shí)不帶有地址信息，而電能表中斷接收；上位機(jī)采用呼叫地址的方式上傳信息，即呼叫誰(shuí)的地址，那只電能表便把信息及其校驗(yàn)碼打包向上傳送給用電管理計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)電能回抄。MAX487的 DE為發(fā)送器使能端，DE為 1時(shí)發(fā)送器可以工作，DI為輸入端，A、B為輸出端。當(dāng) DE為 0時(shí)，停止發(fā)送輸出端為高阻。RE為輸入使能端，RE為 0時(shí)允許接收器工作，A、B為輸入端，RO為輸出端；RE為 1時(shí)，接收器被禁止，RO為高阻狀態(tài)。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(guò) AT89S52的 P1.4引腳來(lái)控制收發(fā)工作狀態(tài)。
2.4 串行存儲(chǔ)器 串行存儲(chǔ)器采用美國(guó) XICOR公司的 X25045低功耗芯片，它具備看門狗定時(shí)器WTD、電源電壓監(jiān)控和具有 512字節(jié)的串行 E2PROM存儲(chǔ)器三種功能。WTD可以設(shè)置為200ms、600ms、1400ms喂狗定時(shí)間隔，軟件編程寫入 X25045中。在程序正常運(yùn)行期間，WTD在定時(shí)間隔內(nèi)收到觸發(fā)信號(hào)，確保程序正常運(yùn)行，一端 WTD在定時(shí)間隔內(nèi)沒(méi)有收到觸發(fā)信號(hào)，X25045便通過(guò) RESET引腳輸出一個(gè)高電平信號(hào)，觸發(fā)電能表復(fù)位來(lái)防止程序跑飛。X25045作為串行存儲(chǔ)芯片，512字節(jié)分別用于存儲(chǔ)電能表編碼，多費(fèi)率時(shí)段設(shè)置，上月和當(dāng)月分時(shí)段的峰、平、谷電量和總累計(jì)電量等信息，存儲(chǔ)次數(shù)可改寫十萬(wàn)次，數(shù)據(jù)可保存一百年，它與 AT89S52可采用 SPI協(xié)議總線接口相連。
2.5時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路采用 S3530A芯片完成，它是一種支持 I2C總線的低功耗時(shí)鐘芯片，它按照 CPU經(jīng) RS485通訊接收校時(shí)的數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)置時(shí)鐘和日歷，靠自身的振蕩繼續(xù)走時(shí)。在 S3530A的 Xin和 Xout引腳之間跨接 32.768kHz的晶體器振蕩器。它通過(guò)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(gè)中斷報(bào)警引腳可設(shè)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(hào)，單片機(jī)系統(tǒng)將根據(jù)該信號(hào)通過(guò) I2C通訊接口讀取當(dāng)前的時(shí)間，計(jì)算出該時(shí)刻所屬的時(shí)段，實(shí)現(xiàn)多費(fèi)率電能表的分時(shí)段計(jì)量電能。該時(shí)鐘電路帶有備用鋰電池，正常工作時(shí)有電源 Vcc供電，同時(shí)給 3.6V鋰電池充電；當(dāng)出現(xiàn)停電時(shí)，自動(dòng)切換鋰電池為時(shí)鐘電路供電，即使停電時(shí)鐘走時(shí)也準(zhǔn)確。
2.6液晶顯示

采用 HOLTEK公司 HT1621的 LCD顯示驅(qū)動(dòng)芯片,實(shí)現(xiàn)十六位 LCD數(shù)字顯示。HT1621是具有 128段（32×4）內(nèi)置存儲(chǔ)器的 LCD驅(qū)動(dòng)器，它片內(nèi)包括控制與計(jì)時(shí)電路、顯示RAM、LCD驅(qū)動(dòng)及偏置、監(jiān)視定時(shí)器等，采用了 48腳 SSOP封裝,具有體積小和功耗低的優(yōu)點(diǎn),非常適合于應(yīng)用電能表中，其接口電路和外圍電路簡(jiǎn)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(shù)據(jù)三個(gè)引腳上，來(lái)控制刷新顯示 RAM緩沖區(qū)。另外應(yīng)用中，在VDD、VLCD間接一個(gè)20kΩ可調(diào)電阻，用來(lái)調(diào)節(jié) LCD顯示對(duì)比度，調(diào)節(jié)電阻，使得VDD=5V，VLCD=4V對(duì)比度較好。
2.7 防竊電檢測(cè)等
記錄電能表接線端子蓋被人為打開(kāi)的次數(shù)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(kāi)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(cè)接線端子蓋是否被打開(kāi)。如果接線端子蓋被打開(kāi)，AT89S52的 P1.6引腳的電平變化，就檢測(cè)到開(kāi)蓋一次，記錄表的接線端子蓋被人為打開(kāi)和破環(huán)的次數(shù)，判定是否有竊電發(fā)生，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有竊電現(xiàn)象時(shí)，給出報(bào)警、斷電并及時(shí)上傳到上位管理計(jì)算機(jī)。實(shí)踐證明該新穎的防竊電技術(shù)有效的防止竊電情況發(fā)生，效果較好。檢測(cè)電路框圖如圖 2所示。