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1、基于单相微控制器的电表摘要：本文提出一种基于单片机芯片技术的单相电能表，这个电子仪表不拥有任何旋转部分能源消耗可以从一个四位数显示器上容易读出。此外，能源消耗存储在单片机的EEPROM中，这个步骤是必要的，确保即使电气故障也能正确测量。只要供应能源，电表就能以原来的数值重启。这个电表与机械表是兼容的，公司更换时无需花费成本。已经试验出一个单相电表可以测量上限为10A的电流以及127V线电压。观察到的精度高于97%。 1. 引言 电能表制造业为了赢得大量消费者，集中研究努力于现代发展和更精确的电表。添加精度证明是必要的投资。因此，电能表在住宅运用中仍受欢迎1,2,3 然而,低成本的微控制器的出现
2、使得在住宅区运用的高成本电表也发展起来。因这种电表无选择部件，它有助于避免肆无忌惮的人进行篡改。另外，因大规模生产，成本会低于现在在生产的机电表。 本文提出一种基于微芯片技术，PIC控制器的单相电能表供住宅区使用，设计需要考虑到在断电下能正常运转，通过记录微控制器内部接口EEPROM中的能源消耗，当恢复能源供应，能量消耗能正确初始化。另外，4位数的显示器用于显示能源消耗。 一原型能实现测量10A的负载电流和127V的电压。通过简单地替换分流电阻可以获得高电流容量，通过改变变压器抽头和分压器比率，为了能在220V的供源中使用它能轻易被修改。2. 电能计算 方程（1）是时间间隔t=t2-t1内，计
3、算任意给定负载下能源消耗的基础。V（t）是供应电压，i(t)是负载电流。实际上，方程（1）的离散量被运用，适当调节后电压与电流被采样，通过8为的A/D转换器转为数字形式6，运转频率为1082khz。电压和电流采样值串行传输到单片机。 单片机处理并存储能量消费，能量与参考值比较，在校准过程中设置成1千瓦负载，计算消耗的能量，累计相当一个活动周期，以下方程显示Eref值的计算：当达到Eref值，一个计数器递增重启和比较，此计数器到达限值38961，能源消耗的数值用千瓦表示。是渐进的，以及计算重置。 能源消费是由一个四位数的显示器表示。这显示以分时操作工作，每个数字是单独打开5个程序周期，对于人类的
4、眼睛去感知太快，因此没有检测到闪烁 3. 微控制能量表简介A：总体概述 一个微控制能量表的总体概述可以从如下图一所示：显示译码微 控 制 器A/D转换放大和过滤电压传感器线电压PC联续接口A/D转换放大和过滤负载电流电流传感器 图1 微控制能量表图个别的阻碍描述将在下文提到。B：电压传感电路 首先供应电压因电压分压器（R1 和R2）减弱，下一个由二阶低通过滤器(R3、R4、C9,ClO)处理。一阶高通滤波器(R5 and Cll)是用来消除直流分量最终出现补偿信号。 选中的A / D转换器(ADC0831)需要一个输入为(0,+ 5 v)范围内电压,因而opamp水平转变(TL084)引入一个
5、在过滤后的电压信号(由于R6 / R7)2.5 V的直流偏移。因为一个非反相配置在这里用到，增益为1.212(1 +R6 / R7)也引入了。 在高通滤波器输出下，因一个V的输入电压峰值，分压器旨在产生一个峰值为2V的电压，在2.5V水平转换以及1.212增益被引入后，最后得到+5V的电压峰值，相应的电路图如图2所示：图2 电压感应电路C：电流感应 图3显示了当前的测量电路，假设最大电流10A时，考虑成本，电流信号从分流电阻获得。为了防止噪音问题，选择同相单位增益差分运放。其输出通过二阶低通滤波器并反馈到二阶放大器。第一个引入增益为14.6，然而第二个引入2.5V补偿及额外的增益1.212，类
6、似于电压感应电路。由于A的负载电流，选择输出5V的电压，反馈到ADC0831转换器的输入。图3 电流感应电路图D：单片机 所选单片机为PIC16C84来自微芯片Inc 。45，当前应用程序拥有相关特征,如成本低，EEPROM内存，即使在断电时期储存测量能源值。这是一个高绩效单片机,利用CMOS技术和有一个RISC体系结构类型。内部1024 x 14 eeprom程序内存和64 x 8个字节eeprom数据内存是标准的。利用C编译器开发的 Paralax Inc单片机环境，能用C语言编程。最大频率10MHZ是可能的，但是在这个周期，由于设计考虑，选择4.43mhz的脉冲。 目前有一个拥有8位预定
7、标记录器（高效的产生16位计数器）的8位时间计数器，也有13个双向I/O端口，其输入输出端口能处理25ma的输入电流和20ma的输出电流。有效的减少了另外连接电路的需要，例如缓冲器。E：单片机辅助电路 图4展示了一些外部电路的电路图，是电表运行所需的。图4 单片机和辅助电路图1)振荡器电路（电路1)这个电路决定PIC16C84时钟频率。电容和电阻的值是生产所需的时钟频率决定的。2) 电源电压水平传感器（电路2) ，这电路对于电能表的正常运行特别重要。如果电源电源低于4.2v（可能造成线电压的断供），这个电路改变外部中断接口RBO/INT 输出从5V到0V。这就迫使程序中断发生，激活子程序，使得
8、存储能量消耗值进入单片机EEPROM，接下来使得程序进入后台循环直到线电压恢复正常。这是公认的，在外部中断端口电压大于4.8 V ，使得程序离开循环，再开始正常处理。如果单片机电源电压变得小于3.9 V，禁用电路被激活，这是接下来要解释的。3) 禁用电路（电路3)）这个电路在PIC 16C84指南中被说明，命名为布朗保护。在电源电压不到一个预定义的水平(在这种情况下,3.9 V)时，它通过快速禁用PIC而工作。这种电路防止PIC在低电压水平时运行，接近最低允许值。4） 微机电能表串行接口电路为了执行校准子程序、键盘和视觉接口是必需的。这是通过使用RS232与微机串行通信运行Windows终端程
9、序，这个程序是负责控制计算机的串行端口。 仪表校准是一个两步的过程：第一步需要转换器，对应于一个零输入条件的样本电压和电流。这一值接下来被用于消除来自实际电压的补偿。第2个校准是当1KW的标准功率因数负载被用来获得正确的比例因子。 F：能量消耗显示电路 该电路利用标准7-segments数字显示器。这个配置中,除了成本低外，还使它易读到当前的能源消耗。这个电路运用了4/7位译码器 ，定义的数字将在特定的显示器中显示。除了这一个，另一个2/4位译码器也是必需的,为了使分时显示，在5个活动周期内每个显示是清晰的。由于PIC中受限的接口数，之后的解码器是需要的。显示电路的电路图如图5：图5 电能消耗
10、显示电路图4. 电能测量程序电能测量项目是在来自Parallax Inc7的一个专用的C语言编译器上发展起来的。汇编语言5也用于至关重要例程。电能测量程序流程图显示在图6。5. 实验结果 为了使得电表生效，进行了一些实验。单相原型用1kw功率因数的标准负载被初校准。一些实验结果由验证计精度获得，如表所示。 在空载下进行电表校准，但模仿1千瓦负荷,因为它是一种更快的方式来验证测量存储在单片机程序。电表应该增加总能量消耗1kw/s。6. 结论 本文说明了基于单片机的电表测量电能消耗的可行性，作为一种替换传统机械电表的选择。图6 电能测量流程图这个微控制表无旋转部件，有助于防止钢化的假冒品。本身是一
11、个有吸引力特性的工具。而且，据估计这个新电表成本比机电表低。估计大规模生产时，成本在15美元左右。 这个新表精度高于97%。这个数值与市场上的机电表兼容。此外，通过4位数字显示器读取的能量消耗过程比模拟表更简单。校准过程是通过使用一个来自运行Windows终端程序的微机PS23接口实现的。这种沟通形式简单，因为利用了微机中可用的基本配置。 值得说的是，为了增加仪表电流容量。它只需要在传感电路中减少分流电阻值，然而为了在220V线电压中使用，足以改变电压分配器电路。当然，这里运用的基本规则能容易的扩展到三相电表的情况。 致谢 作者感谢中科电气和电子工程的部门(IEE)和UFES电力电子与驱动器的
12、实验室(LEPAC),以及巴西的国家研究委员会(CNWREFERENCES）提供的支持。参考文献l M. M. Saied, “On the Accuracy of Watt-Hour Meters inNonsinusoidal Enviroment”, IEEE - 30th IAS Annual Meeting Conf.Records, 1995, pp. 2219-2225.2S. Goldberg and W.F. Horton, “Induction Watthour Meter Accuracywith Non-Sinusoidal Currents”, IEEE trans.
13、 On Power Delivery, vol.PWRD-2, NO. 3, July 1987, pp.683-690.J.3E. Markran, C. Wright and A. Girgis, “A Harmonic Analysis of theInduction Watthour Meters Registration Error”, IEEE Trans. OnPower Delivery, vol. 7, No. 3, July 1992, pp. 1080-1088.4 Microchip Data Book, Second Edition, October 1992. MIC 92 a.5 Microchip Embedded Control Handbook, October 1992 MIC 92 b.6 “ADC0831A A/D Peripherals With Serial Control”, TexasInstruments, August 1985, Revised June 1986.7 PCB and PCM Reference Manual “Compiler Reference Manual”,Culton Computer Services, Milwaukee, October 1994 Parallax Inc.
