电能的智能计量采集设计实现

肖建明 严素清

摘 要 传统的电能收集方式采用手工抄表，该方式工作量大，对人力物力造成极大浪费。本文采用STC12LE5A60S2设计实现了一种电能智能计量与采集，使用分流器及AED7755实现电能电量检测，通过无线通信实现电能上传。本设计具有低功耗、低成本、安全、高效率、较高的性价比和应用前景，推动了电能自动计量及采集。

关键词 核心处理器;电量计量;无线通信;显示

引言

長期以来，我国所使用的交流电能表主要为感应式的机械电表，电费采用人工抄读电表方式，不但工作量大，周期长，而且容易出现错误，存在着劳动强度大、效率低、抄表不到位、错抄、漏抄、估抄、错算等严重问题[1-3]。于是智能电表应运而生，而且具有高精确度、高可靠性和容易调校等优点。电子式电表的广泛应用，为电能计量的网络化管理以及智能抄表奠定了基础[4-6]。

1电能计量采集方案

设计利用核心处理器与电能测量芯片实现电能的实时测量，同时能将测量结果通过无线传输到手持式终端。具有显示、存储和日期显示等功能，设计方案如图1所示。

本方案采用STC12LE5A60S2为核心处理器，控制系统工作。利用ADE7755计算电能，通过存储芯片对数据进行存储，实现掉电后数据不丢失，最后把电量通过无线发送至手持式终端进行显示及存储，实现对电能计量与采集。

2设计实现

2.1 主控电路

采用STC12LE5A60S为核心处理器，对各个模块及电路进行统一协调和控制。STC12LE5A60S2单片机是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051，指令代码与传统8051完全兼容[7]。主控电路包括复位电路、晶振电路以及电源电路等。主控电路控制和协调整个系统。晶振电路为单片机提供时钟，保证单片机的正常工作，是最小系统中不可缺少的部分。

2.2 电能检测

采用ADE7755计量电能，精度高，在500∶1的动态范围内误差小于0.1%，且芯片外围电路简单，便于系统的开发[8-9]。

2.3 无线传输

无线传输采用NRF24L01进行数据传输，功耗低，外围电路简单，只需要少量的外围元件就可以实现无线通信;兼容多种电压I/O口，操作简单方便，只需要配置几个寄存器就可实现收发数据，控制器采用SPI通信方式;NRF24L01采用数字调制解调技术，速率高且稳定。

2.4 时钟模块电路

时钟电路采用的是DS1302。通信方式采用串行方式进行数据传输，备用电源在掉电提供可编程的充电功能，并且可以根据自己设置开关闭充电功能。采用普通32.768kHz晶振。

2.5 软件设计

软件设计主要包括电能电量采集处理和手持式终端两部分。

系统进入工作时先读取存储器里的电量数据，当用户用电时，电量发生变化，立即将最新的数据存入存储器中，实现电量数据的存储，且掉电后数据不会丢失。如收到手持式终端发送数据请求，则把电量信息发送给终端，否则继续检测电量变化。

当手持式终端读取存储器数据，进入菜单界面。用户操作菜单可实现数据读取并显示。若需获取当前电量，按下操作菜单，将发送请求给电能表，电能表把电量信息发送回来，再存入存储器中。

2.6 无线通信程序设计

无线通信包括数据接收与发送两个过程。发送数据和接收数据都是通过配置内部寄存器，使无线NRF24L01工作在不同的模式。首先进行NRF24L01初始化，当需要接收数据时，设置本机地址和接收数据，设置完成后接收数据。程序如下：

void NRFSetRXMode （ ）

{

CE=0;

NRFWriteTxDate （W_REGISTER+RX_ADDR_P0， TxAddr， TX_ADDR_WITDH）;

NRFWriteReg（W_REGISTER+EN_AA，0x01）;

NRFWriteReg（W_REGISTER+EN_RXADDR，0x01）;

NRFWriteReg（W_REGISTER+RF_CH，0x40）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+RX_PW_P0， TX_DATA_WITDH）;

NRFWriteReg（W_REGISTER+RF_SETUP，0x07）;

NRFWriteReg（W_REGISTER+CONFIG，0x0f）;

CE = 1;

Delay （ 10 ） ;   //保持 10 u s秒以上

}

发送数据时首先写入接收机地址，把所需要发送数据写入寄存器，如果发送数据没有收到应答信号，则再次重发数据。发送完成后由IRQ产生中断。程序如下：

void NRFSetTxMode （unsigned char *TxDate）

{

CE = 0;

NRFWriteTxDate （W_REGISTER+TX_ADDR， TxAddr， TX_ADDR_WITDH）;

NRFWriteTxDate （W_REGISTER+RX_ADDR_P0， TxAddr， TX_ADDR_WITDH）;

NRFWriteTxDate （W_TX_PAYLOAD， TxDate， TX_DATA_WITDH）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+EN_AA， 0x01）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+EN_RXADDR， 0x01）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+SETUP_RETR， 0x0a）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+RF_CH， 0x40）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+RF_SETUP， 0x07）;

NRFWriteReg （W_REGISTER+CONFIG， 0x0e）;

CE = 1;

Delay （ 10 ） ;//保持10us秒以上

}

3电能测试

本实验中采用1000W左右用电器作为负载，电流在4～5A左右。接入单相电220V。测试工具为电笔、万用表等。由于整个测量过程中电压、电流并非恒定不变，采用平均电量进行估算。测试电能如表1所示。

从表1中测试数据分析显示本设计方案计算显示电能与直接人工测试电流、电压所得电能平均误差仅为1.15%。该误差满足用户要求。

4结束语

本文结合单相配电计量设计实现基于STC12LE5A60S2电能智能计量采集，实现了电量的计量、无线通信、数据存储、电量显示、时间等功能，系统性能良好，为方便功能扩展提供了备用接口，提升了系统灵活性，有效节约资源，降低人力物力成本，具有很好的应用市场与前景。

参考文献

[1] 郭栋，孙明珠.基于无线技术的智能电能表设计[J].辽宁工业大学学报（自然科学版）， 2014， 34（4）：220-221.

[2] 朱金伟.智能电表及远程集中抄表的现状和发展趋势[J].科技信息，2011（24）：208.

[3] 刘理云.低成本高精度多功能数字式单相电能表设计[J].北京电子科技学院学，2010：83-90.

[4] 贺静丹.单相多功能电能表设计[J].电子测量与仪器学报，2011， 1：11-13.

[5] 邵光，侯加林，吴文峰.基于ZigBee自动抄表的无磁热量表的设计与实现[J].电子测量与仪器学报，2009，23（8）：95-98.

[6] 王晓兰.基于CAN/RE-485双层网络远程系统抄表设计[J].微计算机信息，2006（17）：6.

[7] 王賢勇.单片机原理与接口技术应用教程[M].清华大学出版社，2010，3.

[8] 蔡艳军.基于AT89S52的单相数字电能表设计实现[J].主机光盘软件与应用，2010，7：104-106.

[9] 张瑞占.基于ATT7022B三相精确计量智能电能表设计[J].电子测量技术，2008：31.

作者简介

肖建明（1973-），男，江西萍乡人;职称：讲师;现就职单位：广西师范大学漓江学院，研究方向：信号处理;计算机应用。