基于GPRS智能型电子式电能表硬件电路的设计与实现

李春峰，于 洋

(1.长春大学 机械与车辆工程学院，长春130022；2.长春信息技术职业学院 汽车工程系， 长春 130103)

随着社会的不断发展进步、人们生活水平的不断提高，电力需求越来越大，传统的人工抄表、RS485总线、红外等电能表抄表方式已不能满足电力行业管理的要求。同时，为了加强对城镇、乡村及边远山区的企业民用电能量的数据采集，有必要设计一款先进的抄表设备来完成对电表的远程抄表。无线远程自动抄表已成为电表抄表发展的必然趋势。GPRS远程抄表系统是在移动通信公司GPRS业务平台上构建的电力远程抄表系统，并能利用现有网络实现电能表数据的无线数据传输。具有缩短建设周期、降低建设成本的优点。本文将针对基于GPRS智能型电子式电能表硬件电路进行设计与实现。

图1 系统结构图

1 GPRS远程抄表系统概述

GPRS远程抄表系统结构图如图1所示。将GPRS模块内置于电子式电能表中，并利用GPRS移动网络系统中提供的TCP/IP协议实现电表数据的无线数据传输，具有采集数据及时、能够远程控制与管理、实时报警断电数据保护等功能。该系统有别于传统的抄表系统，由主站、基表、无线通信模块、数据处理模块及电能计量模块等组成。

2 总体设计方案

2.1 电子式电能表总体设计方案

基于GPRS智能型电子式电能表硬件电路的设计与实现总体设计方案如图2所示。该设计方案以AT89C51单片机为核心微处理器，设计了GPRS通信模块、电能计量芯片、红外通信单元、电源电路部分、显示单元及电压、电流采样电路等。核心单片机采用传统的性能指标高、功率消耗低的AT89C51单片机作为主控制器，通过AT89C55单片机内设的串行接口与电子式电能表内置的GPRS进行连接，实现数据的远程传输。通信模块采用目前比较常用的Sony公司生产的且能够实现GPRS功能的通信模块GR47，电能计量芯片采用CS5463专用电能计量芯片，使电能在计量中保持准确。红外通信单元采用RS485与外界进行通信，电源电路部分电流互感器、电压互感器设置是为把工业或照明用电380V或220V电压变换成本设计中电能计量芯片能够承受的输入电压范围之内，电流采样电路采用差分输入方式进行采样，保证对电流采样的准确性。

图2 总体设计方案

2.2 手持抄录器设计方案

本文在GPRS智能型电子式电能表硬件电路总体设计方案基础上，设计了用于在偏远山区移动数据信号不强或没有的情况下采用手持抄录器，其硬件结构原理图如图3所示。为了与总设计方案核心单片机一致，并减少开发时间且不影响手持抄录器的性能，手持抄录器的核心单片机及其抄录器的外围电路与电能表总体设计方案所用到的核心单片机及其外围电路一致。红外接发送电路结构及性能与总体设计方案所使用的电路一致。

图3 手持抄录器设计方案

3 硬件电路设计

3.1 AT89C51单片机

单片机作为本文设计的核心，主要用于从电能计量芯片中读取数据并进行修正，能够根据修正后的数据计算出电能表电压、电流、功率等，然后进行存储、显示、输出处理结果。同时，微处理器对电源电压进行检测，当电压低于门槛时，对数据进行自动存储。由于现代社会对电能表功能要求增多，功能的增多意味着数据处理的增多，故本文采用以AT89C51单片机为核心处理器，AT89C51单片机是一种带4K字节的FLASH存储器。是一种低电压、运行速度快、性能高的8位微处理器，同时带有4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路等，大大提高对数据处理的速度。

3.2 GPRS通信模块

本设计采用的GPRS通信模块主要是Sony公司生产的且能够实现GPRS功能的通信模块GR47。GR47带有GSM/GPRS全套语音和数据功能，内嵌TCP/IP协议栈，GPRS 有4+1个通道和P通道，对外有3个串口，串口1主要用于指令通道，串口2主要用于调试程序，串口3主要用于通信232接口。GR47的典型应用是将单片机AT89C51与其结合，并通过UART向其发送AT指令。当电能表的电压、电流、功率等数据被检测到以后，经数据传输发送给GPRS 模块，GPRS模块将数据发送到GPRS网络中，并最终传送到主站控制中心，实现数据的传输。

3.3 电能计量芯片

CS5463是美国公司Cirrus Logic生产的高精度、多功能的电能计量芯片，其采用24脚封装，内部集成了高通数字滤波器、模数转换器、数字信号处理单元等。可对有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、电流瞬时值、电压瞬时值、功率瞬时值、电压/电流有效值等进行测量，同时具有有功/无功补偿等功能。当电压、电流采样信号经内部模数转换器转换为数字信号后，送给电能计量芯片CS5463，通过其内部的电能计算单元计算出电压/电流有效值等测量值，并存入相应寄存器，同时从E1和E2输出引脚输出相应频率的脉冲，驱动电能表进行计数。

3.4 电压/电流采样电路

电压采样电路如图4所示。主要把来自电网的交流电压信号通过一系列的电阻将其进行分压处理，将原强电压信号按一定比例转换成弱电压信号，提供给电能计量芯片CS5463，使电能计量芯片得到电压信号。多采用电阻串联进行多级分压方式进行，使其提高分压网络性能。

图4 电压采样电路

电流采样电路如图5所示。将交流电网中的电流经变换转换为与电流成正比的小电流信号，提供给计量芯片采样使用；同时为保证采集到的电压和电流的相位一致，应使电压和电流通道的参考电势点应保持一致。

图5 电流采样电路

3.5 红外发送/红外接收单元

红外发送电路、红外接收电路如图6所示。电能表和手持抄录器的红外发射电路由NE555定时器时基电路组成，输出脚输出的载波信号驱动红外发光管发光，因一个红外发光管发射红外光脉冲功率较小，在设计中采用两个并联的红外发光管，增加红外发射频率。

图6 红外发送电路、红外接收电路图

4 结语

本文通过对基于GPRS智能型电子式电能表硬件电路的设计与实现，介绍了AT89C51单片机、GPRS通信模块GR47、电能计量芯片CS5463，同时设计了、电压/电流采样电路及红外发送/红外接收单元主要硬件电路，为以后从事相关研究的人员提供理论帮助。