单相电子式预付费电能表的设计与实现

常 非 南富强 赵丽平 赵立兴

1.西南交通大学 电气工程学院 四川 成都 610031

2.燕山大学 电气工程学院 河北 秦皇岛 066004

0 引言

电子式预付费电能表综合了单片机技术、电子测量技术和智能卡技术，具有计量精度高、自身损耗低和可靠性高等特点。由于此类电能表的用电量数据己经数字化，可以很方便地与各种数据收集传送电路配合组成自动计量计费系统。该类产品的大量使用将节省供电部门大量的抄表计算工作，并能及时回收电费，具有巨大的经济效益和社会效益。

本文从硬件和软件两个方面分别对该仪表系统设计进行了较为全面的阐述。说明了系统主要元器件选择，在阐述专用芯片CS5460A的有功电能测量原理基础上给出了电量采集电路，以及单片机系统电路、继电器接口电路、电源电路等，利用C语言进行了单片机仪表系统的软件编程，给出了主要子程序的设计流程图。论文中还给出了所设计电能表的主要性能指标。

1 电能计量的基本原理

电能计量是通过对有功功率的测量实现的。当用电器工作，负载上的瞬时电功率p等于负载两端的瞬时电压 u（t）与流过负载的瞬时电流 i（t）的乘积，即 p=u（t）*i（t）。 由于 u（t）和 i（t）都是随时间变化的周期函数，所以p（t）也是随时间周期变化的。令 u（t）=Ucosωt，i（t）=Icos（ωt＋φ），则在时刻t消耗的瞬时功率为：

式中，u为交流电压瞬时值，i为交流电流瞬时值，U为交流电压有效值，I为交流电流有效值，ω为交流电的角频率，φ为电压电流的相位差。

由式（2-1）可知，瞬时功率有恒定分量UIcosφ和正弦分量两部分，正弦分量的频率是电压（或电流）频率的两倍。

一般将有功功率P定义为瞬时功率P（t）在一个周期T内的平均值。利用公式（2-1）可以得到负载上的有功功率为：

由（2-2）式可知，对有功功率P的测量可以通过直接测量瞬时功率P的直流分量得到。有功电能则是有功功率和时间的乘积。在交流电路中，电压U和电流I在某一段时间t内的电能W表达式为：

电子式电能表是采用乘法器来实现电功率测量的。被测电压和电流通过电压变换器和电流变换器转换后送至乘法器，乘法器由电压和电流瞬时值相乘，输出一个与平均功率成正比的直流电压，然后利用电压/频率转换器，电压被转换成相应的脉冲信号，脉冲频率正比于平均功率：将该频率分频，并通过一段时间内计数器的计数，得到相应的电能。

2 单相电子式预付费电能表系统结构

单相电子式预付费IC卡电能表主要以CS5460A和AT89C52双芯片为核心。此表通过分流器、分压电路分别对电流和电压信号进行采样，电流通道和电压通道的信号经放大器放大后，通过CS5460A内部的模数转换器转换为两路数字信号，然后经乘法器、低通滤波器、数字频率变换器等电路的处理后，CS5460A得到电压、电流及电能值，存放在相应寄存器中。AT89C52微控制器通过串口方式与CS5460A相连，通过读取寄存器中的数据得到相应的电能值，当用户需要查看剩余电量、累计购买电量时，将其送至LED显示。IC卡负责在电能表和管理部门之间传递信息。继电器控制部分的主要作用是当剩余电量小于预先设定值时，切断供电主回路；当剩余电量大于预先设定值时，维持供电主回路闭合状态。

系统的整体结构主要由以下几部分组成：电量采集电路、微控制器电路、电源电路、存储器电路、IC卡接口电路、继电器接口电路、显示电路等。

3 电子式预付费电能表的硬件设计

3.1 电量采集电路

3.1.1 电能计量芯片选择

CS5460A是美国Cirrus Logic公司最新推出的带有串行接口的单相双向功率/电能计量集成电路芯片，现主要应用在单相电子式电能表和三相电子式电能表中。不同于以前流行的CS5460芯片，该芯片特有的自动引脚模式功能，能使芯片独立工作，得电时自动初始化，由外部的EEPROM引导开始工作，并从中读取数据，如果用于高容量或用在家庭，为了降低成本，此模式下，该型芯片可以不用微控制器独立工作。因此本设计采用该公司的CS5460A。

3.1.2 电量采集电路硬件设计

电量采集电路硬件设计，如图1所示。

图1 电量采集电路硬件设计图

1）电流互感器的选择

CS5460A电量通道的可编程增益放大器（PGA）的增益为10和50，分别对应于最大有效值为150mV和30mV的交流信号输入。

电流互感器的额定电压UN应与被测线路的电压UL相适应，即UN≥UL，所以UN为250V，负荷电流为5A，二次侧电阻值为6Ω

综上所述，选择CTY-2型精密电流互感器，5A交流输入，5mA输出，精度、线性度优于0.1%。

2）分压器的选择

用分压网络进行分压，如图2所示。Ui=U·R2/（R1+R2）。 考虑散热与稳定性选择，U=250V，Ui=150mV。

R1=100 Ω，R2=2 kΩ。 绕线型电阻器，因为绕线电阻具有较低的温度系数，阻值精度高，稳定性好，耐热耐腐蚀，可以用做精密大功率电阻使用。

图2 分压电路原理图

3.2 微处理器的选择

微控制器为电能表的心脏，实现寄存器信号、IC卡信号、串行EEPROM数据的采集和读写，完成显示驱动模块的控制和磁保持继电器的驱动等功能。

PIC单片机具有抗干扰性能好、双向I/0驱动电流大、功耗低等优点。51单片机的突出特点是价格低，编程资源丰富。另外PIC单片机内部集成复位电路、振荡电路等，但是51单片机外部配以少量的外围器件仍能和PIC单片机进行媲美。MSP430单片机比PIC单片机具有更多的优越性，但是价格要比PIC和51都要高。作者综合考虑各方面的因素，选用美国Atmel公司的AT89C52单片机。该CPU典型特点如下：

片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写1000次；

片内数据存储器内含256字节的RAM；

具有32根可编程I/0口线；

具有3个可编程定时器；

具有6个中断源；

低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式。

3.3 EEPROM电路

AT24C02的存储容量为2K位，可配置成256X8或128 X 16的形式，它采用IIC总线协议。AT24C02的最小数据擦写次数为1百万次，数据保持时间大于200年。

电能表中剩余电量、累计购买电量、累计用电量、表号、系统参数等信息存储在AT24C02中。AT24C02仅有8个引脚，串行通信只用3根引脚。由于IC卡电能表中所存储的数据较少，且数据存储速度要求不高，故这种小容量的串行EEPROM能够很好的满足系统的要求。

AT24C02与CPU之间的数据传输符合上述所讲的IIC总线规程，遵守双向两线制总线和数据传输协议，接线如图3所示。CPU产生控制总线收发的串行时钟SCL，并且产生数据传送的起始和终止条件。

图3 EEPROM电路设计图

在IC卡插入卡座后，经过密码核对和表卡对应性验证后，将卡上的充值电量和AT24C02内的剩余电量相加，然后将卡上的充值电量清零，并且将AT24C02中的累计用电量返写到IC卡上。这样只有在终端和上位机进行数据交换的同时才进行IC卡的读写操作，减少了对IC卡的擦写次数，减小磨损，提高其使用寿命。

AT24C02的写入次数为1百万次，如果每检测电能一次都对其读写一次，按每个用户每月使用200度电计算，存储器可以使用1.5个月，显然不能满足实际的需要。如果每计量1度电则向AT24C02写一次，则可以使用5000个月。

3.4 IC卡接口电路

IC卡座引脚如图4所示，其中引脚SW1、SW2为微动开关在无IC卡状态时，处与断开状态；有卡插入时，IC卡卡座上的微动开关闭合。因此，此开关往往是用来判断是否插IC卡的传感器件。

图4 IC卡接口电路设计图

在本设计中，对IC卡的选择主要考虑以下几个方面：存储容量、安全要求和价格因素等。

IC卡容量的选择：本设计所需的IC卡是数据传递的媒介，并且数据要在IC卡保留一段时间，所以选用的IC卡必须带有非易失性的EEPROM存储器。卡中存储关键数据的加密形式以及厂家代码、卡标识等信息，所以结合卡的价格因素，选择存储容量为2K位的IC卡。

安全性要求的选择：预付费电能表系统的IC卡中的数据必须保密，并且在消费时还要进行IC卡的认证，所以选择带CPU的IC卡或逻辑加密性存储卡。但两者相比较，CPU卡的价格要比逻辑加密卡贵许多，而逻辑加密卡也具有相对较高的保密性能。

综合考虑以上因素，结合当前市场上流行的IC卡的使用，考虑到预付费电能表推广所受到的价格方面的影响，本设计采用美国（Atmel）公司设计的逻辑加密型存储卡AT24C01卡。

3.5 显示电路

显示电路由5位超高亮度LED数码管组成，如图5所示。图5中，A、B、C是三根位选线控制数码管，主要显示剩余电量及有关操作。

图5 数码管显示电路设计图

3.6 继电器接口电路

继电器在本设计中的作用是当剩余电量小于断电限度值时，继电器断开供电回路，停止供电。本设计采用上海贝斯特公司的BST-902型磁保持继电器。BST-902型大功率双稳态磁保持继电器的触点的开、合状态平时由永久磁钢速产生的磁力所保持，当继电器的触点需要开与合的状态转换时（即接通或切断负载），只需用正（反）直流脉冲电压激励线圈，则继电器在瞬间就完成了开与合的状态转换。之后，线圈不需继续通电，仅依靠永久磁钢的磁力就能维持继电器的状态不变。继电器驱动电路设计如图6所示。

图6 继电器驱动电路设计图

3.7 电源电路

本设计采用对市电220 V电压进行变压、整流、滤波、稳压的方法获得系统所需的电源。+5 V电源分又为两路，一路为IC卡供电，另一路为电能计量电路和微控制器电路供电，如图7所示。

电能计量单元采用单电源供电，VA+=+5 V，VD+=+3 V至+5 V。

图7 电源电路设计图

输入电路的电阻R1（或R1、R2）要采用品质较好的金属膜电阻或水泥电阻，功率2～5W，阻值100～820Ω；降压电容C2采用高质量的高压金属化聚丙烯电容，一般0.22～0.47μF，耐压不低于交流250V，电容的容量过大会引起视在功率超标。D1和D2为IN4007型二极管。D3为稳压二极管，选用5.1 V稳压二极管。

4 电子式预付费电能表的软件设计

4.1 主程序设计

系统上电后，首先要进行初始化，初始包括单片机特殊功能寄存器的设置，定时器参数的设置和CS5460A芯片的初始化。

读取EEPROM的数据，判断剩余电量，如果大于零，保持供电；如果为零，切断用户电源，同时等待IC卡插入。

4.1.1 CS5460A的初始化

在启动CS5460A之前，必须先对它复位，只要对它的复位脚发复位脉冲，脉宽不少于10 ms即可。对CS5460A写OXE8控制命令，即开始进行AD转换，并输出计算结果，这个命令一般在复位操作完成后输入，使其进入正常工作状态。在校准前，必须使CS5460A处于活动状态，同时准备接收有效命令，并清除状态寄存器的DRDY位。有时串口与SCK会不同步，这时可向串口发初始化序列，包括至少3个时钟周期的SYNC1命令字0XFF，以及紧跟着一个时钟周期的SYNCO命令字0XFE，这样才能使得CS5460A能够正确的解释输入的命令字。

4.1.2 主程序流程图

主程序流程图，如图8所示。

图8 主程序流程图

4.2 电能检测中断子程序设计

电能检测中断子程序流程图，如图9所示。

图9 电能检测中断子程序流程图

AT89C52通过SPI串口方式与电能计量芯片通信。首先发送读寄存器命令，然后准备接收数据。取其前16位即可满足精度要求，然后将数据转化为十进制，用于保存和显示。

4.3 显示中断子程序

电能表运行过程中，对用户的用电量进行不断累加，通过五位LED数码管显示。精确到0.1度，当累加大于1度时，保存数据到EEPROM。

使用T0选择定时器工作模式，工作于方式1系统时钟频率为12 MHz。

初值的计算：

设：需要装入的 T0 初值为 X，则（216-X）×1×10-6=4×10-3

4.4 插卡中断子程序设计

当单片机系统检测到用户插入的卡是用户卡，单片机进入用户卡子程序。单片机分别从EEPROM和IC卡中读出电能表的表号，两者加以比较来判断是否为本电能表所对应的卡。比较通过后，然后进行密码校验。如果密码正确，将IC卡中存放的购电量的密文解密后和AT24C02中的剩余电量相加后存放到AT24C02中，并将IC卡中的购电量清零。

5 系统的性能指标

本课题所设计的单相电子式预付费电能表的性能指标如下：

正常工作电压：176 V～250 V

额定电压：220 V

额定电流：5A

额定频率：50 Hz

仪表量程：0.1～9000度

工作温度范围：-40℃～70℃

IC卡型号：SIEMENS的SLE4442卡。

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