單片機多功能數字式電度表的製作方法
2023-10-26 06:25:52 1
專利名稱：單片機多功能數字式電度表的製作方法
技術領域：
本發明涉及電量計量裝置，特別是用單片機控制的多功能數字式電度表。
近幾年來，全國各地的電業部門為了提高電網的負荷率，合理地、經濟地進行供電，都正在採取有力的措施，準備推行電價改革，即高峰和低谷負荷時間的用電，分別實行不同的電價，這樣，就需要分時計量的電度表；另外，全國各地現在都在執行功率因數調節電價，為此必須同時具有無功電度表。目前，國內生產分時計量電度表的廠家只有兩、三家，市場供不應求，而且這些產品都是在常規的感應式電度表的基礎上增加了電子計數/計時器或電腦而構成的，例如南京產和綿陽產的分時計量電度表即屬於上述類型，它們不能同時計量無功電度，必須另外安裝無功電度表。
此外，我們有些地區的電力損失是比較嚴重的，其中一個重要原因是由於竊電現象所造成的，為此，各地區的電業部門除積極地採取開展宣傳教育活動，加強管理以及嚴厲打擊違章接線，非法竊電行為等措施以外，都正在普遍地推廣電錶上杆、集中安裝電度表以及採用總表計量等措施，以防止竊電行為。
針對上述情況，本發明設計參考了以下技術文獻1、「智能電錶的設計」《電子與自動化》1991年第三期；2、「WDB-1型微機變送器」《電力系統自動化》1988年第三期；3、「電晶體繼電保護基礎」水利電力出版社4、「二態和三態檢相器原理」《電世界》1982年第7期；
5、「用單相電度表測量功率因數」《電世界》1982年第2期；6、「三相兩元件有功電度表接線分析」《電世界》1982年第1期。
本發明的目的是提供一種單片機控制的數字式自動化電度表，它具有多種計量功能，既能分時計量峰值電度和低谷電度，又能同時計量有功電度和無功電度，並且還具有超最大允許負荷，超允許用電指標等自動控制和報警功能。
本發明的另一目的是提供一種單片機控制的數字式自動化單相電度表，它採用多路集中控制計量，用戶不能接觸到電錶，從而徹底解決各種竊電問題；增設語音報警功能，以增強用戶與電錶的溝通聯繫，並同時具有超最大負荷，超用電指標的報警和自動停電等功能。
本發明設計的單片機多功能數字式電度表，包括前向輸入接口電路、單片機及其接口、數字顯示電路和脫扣控制機構。前向輸入接口電路由電壓、電流輸入傳感元件、電壓、電流數據檢測電路、相位差檢測電路組成，電壓、電流輸入傳感元件是採用電壓變換器和電流變換器，電壓變換器的一次側接於配電裝置的電壓互感器的二次迴路中，電流變換器的一次側接於配電裝置中的電流互感器的二次迴路，電壓信號是從電壓互感器的二次迴路分支接入到電壓變換器的一次繞組，經電壓變換器將強電壓信號變換為與一次電壓成比例的弱電壓信號；電流信號是從電流互感器的二次迴路串入電流變換器的一次繞組，經電流變換器將強電流變換為與一次電流成比例的弱電流信號，並在電流變換器的二次負載電阻上取得與一次電流成比例的弱電壓信號。電壓變換器和電流變換器的一、二次繞組的匝數比及電流變換器的負載電阻值的選取是使變換器二次側的電壓輸出信號的有效值為5伏和0-5伏。
對於低壓系統的電壓信號和20安以下的電流信號，直接通過電壓變換器將低壓系統的相電壓變換為5伏電壓信號，通過電流變換器直接將20安以下的電流變換為弱電流，並在負載電阻上取得0-5伏的弱電壓信號。
電壓、電流數據檢測電路是由多路開關、檢波器、濾波器、採樣/保持器組成的數據檢測通道，多路開關的輸入端接自多路電壓、電流變換器的二次側0-5伏電壓輸出。來自電壓、電流變換器的0-5伏弱電壓信號，進一步輸入到單片機電度表內的多路開關在單片機的控制下進行巡迴採樣，經過多路開關的巡迴採樣，多路開關的輸出端接檢波器輸入端，控制端接單片機的擴展I/O口，經過檢波器檢波，將0-5伏的正弦波全波信號變為正弦波半波信號，再通過低通濾波器將高次諧波幹擾信號濾掉，而後引入共享的採樣/保持器和模/數轉換器進行數據檢測，並將每次的檢測內容送入單片機內相應的存貯單元裡，而後由數據處理進行運算。
相位差檢測電路是由檢波器、鑑零電路、「異或」門電路組成的相位差檢測通道，電壓、電流變換器的輸出端接入檢波器，將電壓和電流的0-5伏正弦波全波信號進行檢波，變為正弦波半波信號，檢波器輸出端接入鑑零電路，經過鑑零電路將正弦波半波信號變換為方波信號，而後分別地將每個元件的電壓和電流的方波信號共同地引入到「異或」門電路，這時「異或」門電路輸出一個矩形波信號，這個矩形波信號的寬度即可反映出電壓與電流之間相位差角φ的值。與此同時將電壓的半個周期的方波信號和相位差的矩形波信號都引入到多路開關進行巡迴採樣，最後將多路開關的輸出信號分別送入單片機內進行中斷處理。輸入單片機的電壓信號、電流信號和相位差信號再通過程序計算可求出電壓有效值，電流有效值和Cosφ值，並進而求出有功功率、無功功率、有功電量、無功電量，各計算公式如下電壓有效值U=[1NK=1K=NV2(tk)]1/2]]>電流有效值I=[1NK=1K=NV2i(tk)]1/2]]>式中N＝10有功功率P＝U.I.Cosφ無功功率Q＝U.I.Sinφ有功電量計算公式為P.t無功功率計算公式為Q.t通過單片機內設定的程序可以分別計量峰值電度和低谷電度；利用單片機接口電路，增設超最大負荷、超充許用電指標的報警和控制功能。
多用戶的單片機單相電度表，是將多個用戶的用電情況共用一塊表計量，並將電度表放在電業部門設置的櫃中，使各個用戶不能接觸到電度表，避免各種竊電現象；並增設語音報警，使用戶可以了解用電情況。
與現有技術相比，本發明具有如下優點1、電度計量精度高。單片機電度表精度誤差小於0.3％，而常規電度表的精度實際都大於1％；2、功能強。有多種自動控制和報警功能；3、不需要另外增加硬體，既可以計量峰值電度和低谷電度，又可以同時計量有功電度和無功電度；4、能實現語音自動報電量和報警；5、電錶集中計量，使用戶不能接觸到電度表，從而徹底防止了違章接線等竊電行為；6、性能價格比高。單片機三相電度表的價格約為同類常規電錶的二倍，而常規的分時計量電度表再加上無功電度表，則與單片機電度表價格相當，性能卻遠遜於後者；單片機單相民用電度表，以24路的為例平均每臺可以計量20戶的用電量，等於20塊常規的電度表，而其性能要比分散的常規電度表優越得多。
7、可實現電量的先買後用自動停電的功能，徹底解決了拖欠電費的老大難的問題。
下面結合附圖和實施方式進一步說明本發明的結構和原理。
圖1為單片機三相四線式電度表的方框圖；圖2為單片機24路單相電度表方框圖；圖3為三相電度表輸入部分接線原理圖；圖4為單相電度表輸入部分接線原理圖；圖5為單片機接線圖；圖6為健控、顯示部分的接線圖；圖7為三相脫扣控制電路接線原理圖8為單相脫扣控制電路接線原理圖；圖9為語音部分電路接線圖；圖10為CD4051多路開關的邏輯結構圖；圖11為LF398採樣/保持器電路原理圖。
單片機多功能數字式三相電度表包括電壓、電流、輸入傳感元件，電壓、電流數據檢測電路、相位差檢測電路、單片機及其接口、數字顯示和脫扣控制機構。它採用結構簡單、成本低的電壓、電流變換器作為輸入信號的傳感元件。電壓和電流的輸入信號來自於配電裝置中的電壓、電流互感器的二次迴路，電壓信號從電壓互感器的二次迴路分支引入電壓變換器的一次繞組，經電壓變換器將強電壓信號變換為與一次電壓成比例的弱電壓信號，額定有效值為5伏。電流信號是將電流變換器的一次繞組串聯在電流互感器的二次迴路內，經電流變換器將強電流變換為與一次電流成比例的弱電流，並在電流變換器的二次負荷電阻上取得與一次電流成比例的弱電壓信號，有效值為0-5伏。對於低壓的和電流在20安以下的輸入信號，直接由電壓、電流變換器變換為與一次模擬量成比例的弱電壓信號，有效值為5伏。
三相四線式三元件電度表共有六路輸入信號，包括三路相電壓信號VA、VB、VC和三路相電流信號IA、IB、IC。三相三線式兩元件電度表共有四路輸入信號，包括兩路線電壓信號VAB和VBC，兩路線電流信號IA、IC。
來自電壓、電流變換器的0-5伏弱電壓信號，進一步地輸入到單片機電度表內的多路開關進行巡迴採樣。在單片機控制下，每一路的採樣周期均為20ms。選用的多路開關為CD4051八選一多路開關。CD4051由邏輯電平轉換電路、地址解碼電路、開關通道三部分組成，地址控制信號由單片機擴展的I/O接口8155的C口提供，共需三根地址控制線(A0-A2)，三位二進位數可確定八種狀態，三相四線式三元件電度表的八選一多路開關利用六選一，三相三線式兩元件電度表利用四選一。對於多用戶的單相單元件電度表，輸入信號的路數隨用戶的多少而定，最多可達32路，即一路相電壓信號和31路相電流信號。以24路為例，輸入信號共24路，其中有一路相電壓輸入信號V相和23路相電流輸入信號I相(1-23)。選用三片CD4051組成的24路選1多路開關，24路需佔用6根地址線A5-A0；最高位地址線A5、A4、A3分別作為三片CD4051的片選控制。經過多路開關的巡迴採樣，多路開關的輸出信號再經二極體檢波器檢波，將0-5伏的正弦波全波信號變為正弦波半波信號，再通過低通濾波器將高次諧波幹擾信號濾掉，而後引入共享的採樣/保持器和模/數轉換器進行數據檢測。在單片機的控制下，模/數轉換的周期均為1ms，因此，每一路信號的半波信號(半個周期)，只能檢測到10次瞬時數字量V(tk)或Vi(tk)，並且分別送入單片機內相應的存貯單元裡，而後由數據處理進行運算。
採樣/保持器在輸入通道中的作用主要體現在兩個方面，一是保證A/D轉換器在轉換過程中被轉換的模擬量保持不變，以提高轉換精度；二是將多個相關的檢測點在同一時刻的狀態量保持下來，供分時轉換和處理之用，以確保各檢測量在時間上的一致性。也就是說，採樣/保持器是在輸入邏輯電平控制下，處於「採樣」或「保持」兩種狀態的電路。在採樣狀態下，電路的輸出跟蹤輸入模擬電壓；轉為保持狀態時，電路輸出保持前一次採樣結束瞬時的模擬信號電平，直至進入下一次採樣狀態為止。
對於快速變化的輸入信號，A/D轉換器是對信號的某一瞬時狀態實現轉換的。A/D轉換有一定的孔徑時間。當信號頻率f較高時，由於孔徑時間tA存在，必然會造成過大的轉換誤差，要減少此誤差，只能減少孔徑時間。採用採樣/保持器使A/D採樣瞬間將輸入信號瞬間狀態「凍結」，這樣能大大地減少由孔徑時間造成的誤差。因此，對於快速轉換的信號，當最大孔徑誤差超過允許值時，必須在A/D轉換之前加採樣/保持器。
目前，採樣/保持器電路大都做成集成電路晶片，本實施方式選用LF398，它是一種反饋型採樣/保持器。
圖11中A1和A2的輸入阻抗高，電路的轉換速率高。當邏輯控制信號為高電平時，處於跟隨狀態，控制信號為低電平時，處於保持狀態。
本實施方式的數據檢測採用AD574模/數轉換器。AD574的結構由兩部分組成，一部分是模擬晶片，另一部分是數字晶片。其中模擬晶片是由高性能的AD565 D/A12位轉換器和參考電壓組成，數字晶片由控制邏輯電路，逐次逼近型寄存器和三態輸出緩衝器組成，它是一種快速12位逐次比較式的模/數轉換器。
三相四線式電度表共有六路輸入信號，每個循環的採樣和數據檢測的時間為20ms×6＝120ms，再加上數據處理所需的時間，共需250ms。對於三相三線式兩元件電度表共有4路輸入信號，每個循環的採樣和數據檢測所需的時間為20ms×4＝80ms，再加上數據處理所需的時間，每個循環共需180ms的時間。對於單相多路電度表，以24路為例，採樣和數據檢測所需的時間為20ms×24＝480ms，再加上數據處理的時間，每個循環共需1秒的時間。
電壓與電流之間相位差角φ的檢測部分接線如圖2、圖3。各種單片機電度表的檢測元件組成如下三相四線式三元件是，VA與IA、VB與IB、VC與IC；三相三線式兩元件是VAB與IA，VBC與IC；24路的單相單元件是，V相與I相(1-23)。
三相四線式三無件電度表和三相三線式兩元件電度表的相位差檢測電路，是將電壓、電流變換器的輸出端接到檢波器的輸入端，首先將電壓和電流的0-5伏正弦波全波信號進行檢波，變為正弦波半波信號，再把檢波器的輸出端接入鑑零電路輸入端，將正弦波信號變為方波信號，而後分別將每一元件的鑑零電路輸出端接入「異或」門電路，即分別將每個元件的電壓和電流的方波信號共同地引入到「異或」門電路，這時「異或」門電路輸出一個矩形波信號，這個矩形波信號的寬度即可反映出電壓與流之間相位差角φ的值。再把鑑零電路的輸出端和「異或」門電路的輸出端都接到多路開關輸入端，將電壓的半個周期的方波信號和相位差的矩形波信號都引入多路開關進行巡迴採樣，每一路輸入信號的採樣周期均為20ms(與數據檢測的巡迴採樣是同步的)，最後將多路開關的輸出端接入單片機，將多路開關的輸出信號分別送入單片機內進行中斷處理，即可求取半個周期時間T/2和相位差時間t，並分別存貯到每個元件相應的存貯單元裡，由數據處理求取φ值，計算公式是 8031單片機利用本身所帶的16位計數器，分別記錄各元件的半周期方波信號的寬度T/2和相位差矩形波信號寬度t。
對於多路單相單元件電度表的相位差檢測電路，是將電壓、電流變換器的輸出端接到檢波器的輸入端，將單元件的相電壓、相電流的0-5伏正弦波全波信號變為正弦波半波信號，把檢波器的輸出端接入鑑零電路的輸入端，將電壓、電流的半波信號變換為方波信號，而後將通過電壓信號的鑑零電路的輸出端接入「異或」門電路的輸入端；而將通過電流信號的鑑零電路的輸出端與地址控制信號共同接入一個與門，並將與門的輸出端接入「異或」門電路的另一個輸入端，最後將「異或」門電路的輸出端接入單片機。即當多路開關第一路閉合、對電壓信號進行檢測的時候，相位差檢測電路的與門電路沒有輸出信號，這時「異或」門電路檢測的是電壓半個周期方波信號的時間T/2；當多路開關第2路到最後一路分別閉合的時候，檢測的是各路的電流信號與電壓信號之間的相位差，在這個期間，相位差檢測電路中「與門」電路輸出的是各路電流的方波信號，為此，這個期間「異或」門分別檢測的是相電壓與各相電流之間的相位差寬度值。關於相位差角採集的原理與三相電度表是完全相同的。
圖5所示為本發明實施方式採用的8031單片機、擴展的存儲器和I/O接口晶片的接線原理圖。
圖6為各項用電數據顯示部分接線原理圖。本實施方式採用6位LED數碼管，由8279晶片構成的標準鍵盤、顯示控制電路。三相電度表的顯示項目有用戶的代碼、已購電量、峰值有功電量、低谷有功電量、有功電量合計、無功電量和剩餘電量。單相電度表的顯示項目除無功電量外，其它與三相電度表相同，報警的項目有剩餘電量為0，超最大用電負荷、超允許用電指標。
脫扣控制機構及其與單片機I/O接口的接線如圖7、圖8所示，三相電度表和單相電度表分別採用不同的繼電控制方式。
多路單相電度表的語音報警系統，實施方式採用T6668-1型功能板。普通T6668-1型功能板是一路輸出，本設計將其擴展為多路輸出，將T6668-1語音晶片的11腳輸出電位器的滑動端接入多路開關的一路輸入端，再將多路開關的多路輸出端分別通過功率放大器接入各用戶家中的揚聲器。並在用戶家裡設置一個按鍵開關，各按鍵開關的接線採用行列式組成的鍵盤控制電路。
單片機多功能數字式電度表與供電部門的主機之間的通訊採用電力線路進行數據傳輸。
權利要求
1.一種單片機多功能數字式電度表，包括前向輸入接口電路、單片機及其接口、數字顯示電路和脫扣控制機構，其特徵在於前向輸入接口電路由電壓、電流輸入傳感元件、電壓、電流數據檢測電路、相位差檢測電路組成，電壓、電流傳感元件採用電壓變換器和電流變換器，電壓變換器和電流變換器的一次側分別接於配電裝置的電壓互感器和電流互感器的二次迴路，二次側接數據檢測電路的輸入端和相位差檢測電路的輸入端，電流變換器的二次側有負載電阻，電壓變換器和電流變換器的匝數比及電流變換器的負載電阻值的選取是使其二次側的電壓輸出信號的有效值為5伏和0-5伏；電壓電流數據檢測電路是由多路開關、檢波器、濾波器、採樣/保持器組成的數據檢測通道，多路開關的輸入端接自多路電壓、電流變換器的二次側0-5伏電壓輸出，其輸出端接檢波器輸入端，控制端接單片機的擴展I/O口，檢波器的輸出端接濾波器的輸入端，濾波器的輸出端通過採樣/保持器、模/數轉換器接入單片機；相位差檢測電路是由檢波器、鑑零電路、「異或」門電路組成的相位差檢測通道，電壓、電流變換器的輸出端接入檢波器，檢器輸出端經過鑑零電路接入「異或」門電路，「異或」門電路的輸出端接入單片機。
2.如權利要求1所述的單片機多功能數字式電度表，其特徵在於它是三相四線式三元件電度表，即輸入信號共有六路，VA、VB、VC三路相電壓輸入信號和IA、IB、IC三路相電流輸入信號。
3.如權利要求1所述的單片機多功能數字式電度表，其特徵在於它是三相三線式兩元件電度表，即輸入信號共有四路，VAB、VBC兩路線電壓輸入信號和IA、IC兩路線電流輸入信號。
4.如權利要求1所述的單片機多功能數字式電度表，其特徵在於它是單相單元件電度表，輸入信號的路數隨用戶的多少而定，最多為32路。
5.如權利要求4所述的單片機多功能數字式電度表，其特徵在於輸入信號的路數為24路。
6.如權利要求1所述的單片機多功能數字式電度表，其特徵在於所述的採樣/保持器為LF398反饋型採樣/保持器。
7.如權利要求2或3所述的單片機多功能數字式電度表，其特徵在於相位差檢測電路是將電壓、電流變換器的輸出端接到檢波器的輸入端，檢波器的輸出端接入鑑零電路入端，分別將每一元件的鑑零電路輸出端接入「異或」門電路，再把鑑零電路輸出端和「異或」門電路的輸出端都接到多路開關輸入端，最後將多路開關的輸出端接入單片機。
8.如權利要求4或5所述的單片機多功能數字式電度表，其特徵在於相位差檢測電路是將電壓、電流變換器的輸出端接到檢波器的輸入端，檢波器的輸出端接入鑑零電路輸入端，再將檢測電壓信號的鑑零電路的輸出端接入「異或」門電路的輸入端，將檢測電流信號的鑑零電路的輸出端與地址控制信號共同接入一個與門，並將與門電路的輸出端接入「異或」門電路的另一個輸入端，最後將「異或」門電路的輸出端接入單片機。
9.如權利要求4或5所述的單片機多功能數字式電度表，其特徵在於增設一個語音報警電路，是採用T6668-1型功能板，將T6668語音晶片的11腳輸出電位器的滑動端接入多路開關的一路輸入端，多路開關的多路輸出端分別通過功率放大器接入用戶家中的揚聲器。
全文摘要
本發明公開了一種用單片機控制的多功能數字式電度表，包括電壓、電流輸入傳感元件，電壓、電流檢測電路，相位差檢測電路，單片機及其接口，數字顯示電路和脫扣控制機構。它既能分時計量峰值電度和低谷電度，又能同時計量有功電度和無功電度，並可設超負荷、超指標等控制和報警，具有功能強、自動化程度高的特點。
文檔編號G01F23/30GK1120168SQ9511002
公開日1996年4月10日 申請日期1995年1月26日 優先權日1995年1月26日
發明者程鍾禹 申請人:程鍾禹