專利名稱：電子式二合一電能表的制作方法
技術領域：
電子式二合一電能表
技術領域：
本實用新型涉及同時用來計量電量和進行用電監控的二合一電能表。背景技術：
現在電力局對大用電量客戶的管理一般是用一塊多功能電表對用電情況進 行計量，然后再用一個用電現場服務終端對多功能表的運行情況進行監控，通 過無線通信網絡將監測數據發到電力局的相關系統，局方就根據這些實時數據 來判斷用電現場的用電情況是否正常、用于計量的電表工作是否正常。這樣其 實電表和用電現場服務終端功能上有一定重復，即兩個設備都帶有計量功能， 同時由于用電現場服務終端價格比較高，所以這樣的電力系統網的搭建的成本 相當的高。
并且目前的電能表雖然已有各種各樣很多類型，但普遍存在長時間運行不 夠穩定可靠、計量精度差、成本高等問題。
發明內容
本實用新型的目的就是解決現有技術中的問題，提出一種電子式二合一電 能表，能夠同時具有計量電量和用電監控功能，且成本低。
為實現上述目的，本實用新型提出了一種電子式二合一電能表，包括三相 計量芯片、帶液晶驅動的功能處理芯片，三相計量芯片連接在功能處理芯片的
輸入端，功能處理芯片上還分別連接有脈沖輸出電路、LCD顯示電路、存儲器、 紅外通訊電路、RS485電路、帶溫度補償的時鐘芯片、232通訊電路、GPRS通訊 電路。
作為優選，所述三相計量芯片采用ATT7022B芯片。 作為優選，所述存儲器采用24LC256I芯片。 作為優選，所述功能處理芯片采用STR710FZ2T6芯片。作為優選，所述功能處理芯片的輸入端還連接有按鍵輸入電路和逆相序檢 測電路。
作為優選，所述紅外通訊電路采用一根輸入線、 一根輸出38K波形的輸出 線、 一根輸出發送信號波形的三線控制電路。
作為優選，所述RS485電路采用MAX13485芯片。 作為優選，所述帶溫度補償的時鐘芯片采用DS3231芯片。 作為優選，所述GPRS通訊電路采用GR64模塊。
本實用新型的有益效果本實用新型電壓、電流經取樣電路分別取樣后， 送入三相計量芯片進行處理，并轉化為數字信號送到功能處理芯片進行計算， 功能處理芯片讀出數據，并根據帶溫度補償的時鐘芯片的實時時間和預先設定 的時段完成分時有功電能計量和最大需量計量，根據需要向存儲器存取數據， 在LCD顯示電路的LCD液晶上顯示各項數據、通過紅外通訊電路或RS485電路 進行通訊傳輸。同時利用GPRS通訊電路完成用電現場各種參數的監控，記錄存 儲各種數據。 一個產品同時具有計量及用電監控兩個功能，成本大大降低。并 采用高精度計量芯片ATT7022B，使得電壓電流采樣分辨率大為提高，且有足夠 的時間來更加精確的測量電能數據，從而使電能表的計量準確度有了顯著改善。 電路能夠長時間穩定運行，且整個電路成本低。與外部能夠進行紅外通訊和串
行通訊o
本實用新型的特征及優點將通過實施例結合附圖進行詳細說明。
圖1是本實用新型電子式二合一電能表的結構示意圖。
具體實施方式
參閱圖l，電子式二合一電能表，包括三相計量芯片l、帶液晶驅動的功能
處理芯片2，三相計量芯片1連接在功能處理芯片2的輸入端，功能處理芯片2 上還分別連接有脈沖輸出電路3、 LCD顯示電路4、存儲器5、紅外通訊電路6、 RS485電路7、帶溫度補償的時鐘芯片8、 232通訊電路14、 GPRS通訊電路15。所述三相計量芯片1采用ATT7022B芯片，存儲器5采用24LC256I芯片。所述 功能處理芯片2的輸入端還連接有按鍵輸入電路9和逆相序檢測電路10。電能 表工作時，電壓、電流經取樣電路分別取樣后，送入三相計量芯片1進行處理， 并轉化為數字信號送到功能處理芯片2進行計算。由于采用了專用的ATT7022B 芯片，使得電壓電流采樣分辨率大為提高，且有足夠的時間來更加精確的測量 電能數據，從而使電能表的計量準確度有了顯著改善。功能處理芯片2用于分 時計費和處理各種輸入輸出數據，通過串行接口將專用電能芯片的數據讀出， 并根據帶溫度補償的時鐘芯片8的實時時間和預先設定的時段完成分時有功電 能計量和最大需量計量功能，根據需要向存儲器5存取數據，在LCD顯示電路4 的LCD液晶上顯示各項數據、通過紅外通訊電路6或者RS485電路7進行通訊 傳輸，并完成運行參數的監測，記錄存儲各種數據。同時利用GPRS通訊電路完 成用電現場各種參數的監控，記錄存儲各種數據。 一個產品同時具有計量及用 電監控兩個功能，成本大大降低。所述功能處理芯片2采用STR710FZ2T6芯片。 二合一電能表的功能非常強大，除了一般電表有的普通的有功功率和無功 功率外還需要有基波和諧波的能量和功率等的參數的測量，了解、監控電網的 電能質量。電力系統中諧波主要是冶金、化工、電氣化鐵路及其他行業的換流 設備、非用電設備產生的。它們向公用電網注入諧波電流，在公用電網中產生 諧波電壓，這些用電設備稱為諧波源。其中尤為嚴重的諧波源是硅整流、可控 硅整流的換流設備和電弧爐、電焊機等非線性設備。大量的諧波電流流入電網， 在電網阻抗下產生諧波壓降，疊加到電網基波上，引起電網電壓波形畸變。隨 著硅整流、可控硅整流的換流設備、電弧爐、電焊機等各種非線性負荷的增加， 大量的諧波電流流入電網，造成電壓正弦波形畸變，使電能質量下降，給發供 電設備、用戶用電設備、用電計量、繼電保護帶來危害，成為污染電網的公害。 諧波使電網中感性負載造成過電壓、容性負載造成過電流，影響用電計量正確 度，對安全運行帶來危害。例如，使繼電保護誤動，引起避雷器、斷路器爆炸 等；干預電子設備，使計算機誤動作，電子設備誤觸發；使通訊回路、弱電回路產生雜音，甚至造成故障。采用ATT7022B芯片專門提供基波以及諧波電能測 量功能，可以將電壓和電流中的基波成分以及諧波成分進行分離，直接提供精 確的基波功率以及基波電能的計量，也可以提供諧波功率和諧波電能的準確計 量。同時可以得到基波電壓有效值、電流有效值或諧波電壓有效值、電流有效 值等量來評估電網的電能質量。
整個電路采用線性電源11及電池電路13通過電源管理電路12供電。采用 線性變壓器降壓方式，變壓器采用全密封方式，整潔可靠，同時由于后端功耗 很大，所以變壓器的輸出功率也是比較大。由于GPRS發射時的功耗非常之大， 可以達到1A之上，普通的穩壓管根本不能輸出這樣的電流，所以選擇最大可以 輸出3A電流且輸出電壓可調的LM2576 ADJ作為穩壓器件。將二合一各部分電 路的供電進行分割，上電時工作，下電后不工作的電路和上下電時都工作的電 路分開供電，上下電時都可以工作的電路根據功耗的大小及工作頻繁程度分開 供電，并根據控制電路對各部分的供電情況進行控制，在不需要用到某部分電 路時可以對其不加以供電，做到可能的最小功耗，以保證下電時電池運行壽命 的最長；同時我們根據部分電路對表計運行及相關數據的重要程度，用不同的 電源對其供電，確保時間走時準確和數據的不丟失。下面對紅外部分的電源供 給情況進行說明由于紅外工作時功耗較大，可以達到幾十個毫安，所以我們 對電表紅外部分的供電與其他部分分開，我們采用的辦法是將LM2576 ADJ的輸 出電壓調節為5. 7V，然后將5. 7V電壓分成不同的分支，紅外部分的供電為其中 一條分支。分成不同分支的目的是為了在上電時各部分電路工作時盡量少影響 其他部分的電源波動，這里特別是對于部分短時功耗較大的電路來說的，另一 個重要的考慮是在下電后電池供電時利用分支二極管的單向導通性，可以有針 對的供某部分電路電源；由于對于二合一表來說隨時都可能抄收電表的相關數 據，不管是在外部有電還是沒電的情況下，下電后對于紅外的供電我們用兩節 3V電池串聯后降壓提供，同時考慮到紅外工作時功耗太大，電池電量有限，要 求電表在沒有外部電源的情況下長時間可靠的運行，我們設計利用控制電路對此電源進行控制，每過一定的時間開啟紅外部分電源，紅外接收管工作，紅外 控制電路的設計也非常注重功耗問題，限流電阻在可以正常控制的前提下盡量 選較大阻值。如果外部有紅外操作，接收管會接收到信號，CPU確認有紅外工作 后對紅外部分電路長時間供電，直到有一定時間紅外沒有工作后，,CPU將紅外電 源關閉，然后再進入循環電源打開，檢測紅外，電源關斷，等待的這樣一個 過程中，直到有下一次的紅外信號，以上的軟硬件設計可以最大限度的減小沒
有外部電源供電時電池供電的功耗，延長電池供電時電表運行時間。.對GPRS通
訊模塊的供電我們外加鎳氫充電電池，在有外加電源時對鎳氫電池進行充電，
在沒有外部電源時利用鎳氫電池對GPRS模塊進行短時間的供電，使其可以將停 掉外部電源前用電現場的各種數據傳輸到相關系統上。
ATT7022B是一顆高精度三相電能計量芯片，適用于三相三線和三相四線電 能表的應用；集成了六路二階sigma-deltaADC、參考電壓電路以及所有功率、 能量、有效值、功率因數以及頻率測量的數字信號處理等電路，能夠測量各相 及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能 測量各相電流、電壓有效值、功率因數、相角、頻率等參數，充分滿足三相復 費率和多功能表的需求；支持全數字域的增益、相位校正，即存軟件校表；有 功、無功電能脈沖輸出CF1、 CF2提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接到 標準表進行誤差校準；可以對基波有功、無功功率進行測量，提供脈沖輸出， CF3和CF4提供瞬時基波有功功率以及基波無功功率信息，可直接用于基波的校 正；提供兩類視在能量輸出，RMS視在能量以及PQS視在能量，CF3和CF4也可 被配置為視在能量脈沖輸出；提供一個SPI接口，方便與外部MCU之間進行計 量參數以及校表參數的傳遞，所有計量參數都可以通過SPI接口讀出；內部有 電壓檢測電路，可以保證加電和斷電時正常工作。
所述存儲器5采用24LC256I芯片。24LC256I是美國Microchip公司的低 功耗CMOS串行EEPR0M，它是內含32K x 8 (256K bit)存儲空間，具有工作電 壓寬(2. 5 5. 5V)、擦寫次數多(大于10000次)、寫入速度快(小于5ms)等特點。24LC256I的1、 2、 3腳是三條地址線，用于確定芯片的硬件地址，第8 腳和第4腳分別為正、負電源，第5腳SDA為串行數據輸入/輸出，數據通過這 條雙向I2C總線串行傳送，第6腳SCL為串行時鐘輸入線，SDA和SCL都需要 和正電源間各接一個10K的電阻上拉，第7腳需要接地。24LC256I中帶有片內 地址寄存器。每寫入或讀出一個數據字節后，該地址寄存器自動加l，以實現對 下一個存儲單元的讀寫。所有字節均以單一操作方式讀取。為降低總的寫入時 間， 一次操作可寫入多達8個字節的數據。
所述紅外通訊電路6采用一根輸入線、 一根輸出38K波形的輸出線、 一根 輸出發送信號波形的三線控制電路。紅外通訊電路6分為發射和接收兩部分。 發射部分的發射元件為紅外發光二極管，它發出的是紅外線而不是可見光，常 用的紅外發光二極管發出的紅外線波長為940nm左右，發射功率約100mW。接收
電路的紅外接收管是一種光敏二極管，使用時要給紅外接收二極管加反向偏壓， 它才能正常工作而獲得高的靈敏度。由于紅外發光二極管的發射功率較小，紅 外接收二極管收到的信號較弱，所以接收端就要增加高增益放大電路。然而現 在不論是業余制作或正式的產品，大都采用成品的一體化接收頭。紅外線一體 化接收頭是集紅外接收、放大、濾波和比較器輸出等的模塊，性能穩定、可靠。 紅外部分線路采用三線控制電路，即輸出(發射)用兩根線，輸入(接收)用 一根線，輸出其中一個口利用定時器一直輸出38K波，另一個口輸出發送信號 波形，可以看作是控制38K波的發送；接收由于采用集成接收頭，到功能處理 芯片2管腳的為普通電平，所以用一個中斷口連接，當接受到電平變化后進入 中斷開始接收紅外數據。
所述RS485電路7采用MAX13485芯片。RS485電路7是一種常用的串口， 具有網絡連接方便、抗干擾性能好、傳輸距離遠等優點。使用RS-485總線組網， 只需一對雙絞線就可實現多系統聯網構成分布式系統、設備簡單、價格低廉、 通信距離長。在應用系統中，RS-485半雙工異步通信總線是被各個研發機構廣 泛使用的數據通信總線，它往往應用在集中控制樞紐與分散控制單元之間。為了實現總線與功能處理芯片系統的隔離，在功能處理芯片的異步通信口與
MAX13485之間采用光耦隔離。由于應用系統中，主機與分機相隔較遠，通信線 路的總長度往往超過400米，而分機系統上電或復位又常常不在同一個時刻完 成。如果在此時MAX13485的DE端電位為"1 "，那么它的485總線輸出將會 處于發送狀態，也就是占用了通信總線，這樣其它的分機就無法與主機進行通 信。這種情況尤其表現在某個分機出現異常情況下(死機)，會使整個系統通信 崩漬。因此在電路設計時，應保證系統上電復位時MAX13485的DE端電位為 "0"。由于功能處理芯片在復位期間，1/0口輸出高電平，故電路的接法有效 地解決復位期間分機"咬"總線的問題。輸出電路的設計要充分考慮到線路上 的各種干擾及線路特性阻抗的匹配。由于工程環境比較復雜，現場常有各種形 式的干擾源，所以485總線的傳輸端一定要加有保護措施。在電路設計中可以 選用能夠抗浪涌的TVS瞬態雜波抑制器件，考慮到線路的特殊情況(如某一塊 表的485芯片被擊穿短路)，為防止總線中其它分機的通信受到影響，在MAX13485 的485信號輸出端串聯兩個熱敏電阻。這樣本機的硬件故障就不會使整個總線 的通信受到影響。
GPRS通訊電路15采用移動通信網絡，與電力終端系統進行通訊；每一個 電表通過一張入電力系統的SIM卡確定自己的身份，可以通過此號碼接入電力 終端系統通訊，相當于一個手機終端，只是加入了不同的網絡。采用性能穩定 可靠的sonyericsson GR64模塊作為通訊模塊。GR64是帶有GSM/GPRS全套語音 和數據功能的先進無線模塊。其體積超小(僅50 x 33 x 7.2 mm)，所有功能都 集中在一塊集成的芯片內；內嵌TCP/IP協議棧，使用戶可以最大程度的縮短GPRS 產品的研發周期。GR64模塊是可以配置的，使得外部輸入、輸出接口提供的外 部控制應用更有效，從而令GR64產品更適合M2M解決方案。
上述實施例是對本實用新型的說明，不是對本實用新型的限定，任何對本 實用新型簡單變換后的結構均屬于本實用新型的保護范圍。
權利要求1. 電子式二合一電能表，其特征在于包括三相計量芯片(1)、帶液晶驅動的功能處理芯片(2)，三相計量芯片(1)連接在功能處理芯片(2)的輸入端，功能處理芯片(2)上還分別連接有脈沖輸出電路(3)、LCD顯示電路(4)、存儲器(5)、紅外通訊電路(6)、RS485電路(7)、帶溫度補償的時鐘芯片(8)、232通訊電路(14)、GPRS通訊電路(15)。
2. 如權利要求1所述的電子式二合一電能表，其特征在于所述三相計量芯片(1) 采用ATT7022B芯片。
3. 如權利要求l所述的電子式二合一電能表，其特征在于所述存儲器(5)采 用24LC256I芯片。
4. 如權利要求1所述的電子式二合一電能表，其特征在于所述功能處理芯片(2) 采用STR710FZ2T6芯片。
5. 如權利要求1所述的電子式二合一電能表，其特征在于所述功能處理芯片(2)的輸入端還連接有按鍵輸入電路(9)和逆相序檢測電路(10)。
6. 如權利要求1所述的電子式二合一電能表，其特征在于所述紅外通訊電路(6)采用一根輸入線、 一根輸出38K波形的輸出線、 一根輸出發送信號波形 的三線控制電路。
7. 如權利要求1所述的電子式二合一電能表，其特征在于所述RS485電路(7) 采用MAX13485芯片。
8. 如權利要求1所述的電子式二合一電能表，其特征在于所述帶溫度補償的 時鐘芯片(8)采用DS3231芯片。
9. 如權利要求1至8中任何一項所述的電子式二合一電能表，其特征在于所 述GPRS通訊電路(15)采用GR64模塊。
專利摘要本實用新型公開了一種電子式二合一電能表，包括三相計量芯片、帶液晶驅動的功能處理芯片，三相計量芯片連接在功能處理芯片的輸入端，功能處理芯片上還分別連接有脈沖輸出電路、LCD顯示電路、存儲器、紅外通訊電路、RS485電路、帶溫度補償的時鐘芯片、232通訊電路、GPRS通訊電路。本實用新型電壓、電流經取樣電路分別取樣后，經三相計量芯片進行處理并轉化為數字信號送到功能處理芯片進行計算，功能處理芯片根據帶溫度補償的時鐘芯片的實時時間和預先設定的時段完成分時有功電能計量和最大需量計量；同時利用GPRS通訊電路完成用電現場各種參數的監控。一個產品同時具有計量及用電監控兩個功能，成本大大降低。
文檔編號G01R11/00GK201247268SQ200820162999
公開日2009年5月27日 申請日期2008年8月25日 優先權日2008年8月25日
發明者顧海松 申請人:浙江恒業電子有限公司