基于HT46F49E的低成本智能电表设计

摘要：针对国家电网出台的新的电能标准，介绍一种低成本智能电表设计的基本原理及方案，设计了一种基于HT46F49E单片机和电能计量芯片ADE7755的低成本智能电表，同时采用了配合本方案的红外数据采集系统。系统经验证能够正常工作，该设计不仅成本低廉、方法简单，抗干扰能力强，具有较强的实用性和创新性。
关键词：HT46F49E；ADE7755；低成本电能表；红外数据采集

随着能源价格的上涨，对电能计量的标准越来越高。传统的感应式电能表存在计量精度差，功能单一，过载能力小，抗电磁干扰能力差的缺点，而且在2009年国家电网出台了新的电能表标准，其中对新电能表各项标准有明确的规定。感应式电能表显然已不能满足市场要求，面临被淘汰的局面，而早新存在于市场的电子式电能表也没有统一标准，很多不符合国家电网新标准也将会被淘汰。这必然会导致大量新的满足国家电网家电新标准的电子式电能表出现，笔者在此背景下设计了一种低成本单相电子式电能表方案，该方案经过实践证明是可行的。

1 方案的选择
当前电能表的核心作用就是计量电能并将其显示，因此本文只讨论目前存在的计量和显示的几种典型方案。
1．1 计量方案
1)MCU+ADC：用ADC芯片采样电压和电流大小，然后相乘即为有功功率。此法对ADC芯片要求比较高，而且MCU(单片机)需要进行大量计算，MCU还要对电网中的谐波处理，对MCU的要求也很高，且成本较高，难以实现较高的精度。
2)MCU+电能计量芯片：市场上有很多的电能计量芯片，如ADE7755，CS5463，这类芯片内部集成了高精度模数转换，谐波处理电路，乘法器电流等，可以将电能转化为脉冲或是其他数字量，大为简化了电能表的设计，而且计量精度较高，成本可接受。采用该方法对MCU没有特殊要求，故本文采用该方案进行系统设计。
1．2 显示方案
1)计数圈：电能计量芯片输出的脉冲驱动步进电机，然后带动计数圈计数。此法简单，而且跟传统感应电表显示方法相同，但显示内容过于简单，容易出现卡死的情况，不能满足新型电能表的要求。
2)数码管：是最简单方便的显示方法，而且可以自发光，但是数码管工作电流太大，采用电池供电时无法长时间工作，而且国家电网对电能表的功耗有比较严格的要求，显然不满足要求。
3)段式LCD：段式LCD常用在计算器等电池供电设备上，显示内容比较丰富，功耗只有uA级，可大为降低系统功耗，但工作时需要外加驱动芯片如HT1621等。显然段式LCD是比较理想的选择。

2 系统介绍
2．1系统方案
系统分为两部分：电能计量部分和红外数据采集部分，分别在两块电路板上实现，以下分为两部分介绍：
1)电能计量部分：系统方框图如图1所示。

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ADE7755芯片采样电压和电流，相乘得到有功功率，并将其转换为相应频率脉冲，单片机计数器对脉冲计数即为用户电量，单片机再控制LCD将电能显示出来。框图1中红外收发部分是为配合红外抄表用的，而实时时钟是配合备份电池充电提供时间基准，也是为了方便开发复费率电表用。系统采用双电源，正常情况下市电经降压、线性电源滤波后给系统供电，单片机检测电池电量，若电量过低，还要给备用电池充电，停电时系统由电池供电，保障了停电状态下红外抄表的正常进行。停电状态下，数据保存在单片机自带的EEPROM中，保证了数据的安全性。

2)红外数据采集部分：系统方框图如图2。AD键盘向系统输入指令，红外收发部分完成红外抄表或是向电表发送其他指令，由24C64保存采集到的数据，每个用户数据占用8个字节，共可保存约1 000多个用户数据。实时时钟为每个用户数据插入时间数据用。串口是用来和电脑通信用，将采集到的数据发送到电脑上，进一步的进行处理，生成电费单。
2．2 硬件设计
1)电能计量部分：主要硬件电路如图3所示。

ADE7755为美国ADI公司生产的一款宽量程，高精度的功率测量或电能计量的专用集成电路芯片，其输入引脚可直接与不同量程的传感器相连接，简化了与传感器的接口。芯片输出为脉冲信号，方便与微控制器进行数据处理，该芯片将瞬时有功功率转化为脉冲信号由CF端输出。ADE7755芯片内部除了A／D转换电路和参考电路外，信号全部采用数字方式处理，从而保证了在极其恶劣环境条件和长期工作状态下的高度稳定性和准确度，这一点为功率变送器的设计提供了一种低成本高精度的解决方案。
HT46F49E是台湾Hohek公司生产的经济型FLASH单片机，内置EEPROM，用来保存电表数据；自带9位AD，两路PWM输出，用来管理电池充电和产生38 KHz红外载波；2．2～5．5 V的宽电压供电，主电源为5 V，备份电池为3．6 V；两种低功耗模式，在低功耗模式下只有数μA的电流，延长了电池工作时间。
2)红外数据采集部分：主要硬件电路如图4。由于采集数据时涉及到密码和用户码的设置，需要用到较多的按键，方案中用单片机的4路AD扩展了19个按键，巧妙的解决该单片机I／O口较少的不足。单片机还要和电脑通信，而该单片机没有串口，因此需要用软件模拟UART口，选用4．9152 M的晶振，正好是9 600的整数倍，模拟UART波特率刚好可以做到9 600 bit／s，而且用该晶振时PWM的频率为38．4 kHz，正好可以驱动红外发射管。

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电能计量(左)和红外数据采集(右)的实物图如图5所示。

2．3 软件设计
系统软件主要由两部分组成：电能计量部分和红外数据采集部分。电能计量部分通过ADE7755是通过电压、电流采样的信号送到芯片内的硬件乘法器进行处理，经处理后输出与所计量的电能量成正比的脉冲信号，然后将采样信号直接驱动计数器或送去单片机，让单片机处理记录用户所用的电量。红外数据采集是以传统红外通信的原理制作的，利用波长为900～1 000 nm的红外波作为信息的载体，发射装置把二进制信号经过38．4 kHz高频调制后发送出去，接收装置把接收的红外高频信号进行解调为原来信息的一种通信传输方式。电能计量和红外数据采集部分程序框图分别如图6、7所示。

3 结束语
国家电网实现智能化，智能电表占有重要部分，第一期电网改造预计会有数千万台智能电表进入市场。本文介绍了一种低成本智能电表方案，比较巧妙地用到了HT46F49E单片机和各种特性，比如用AD来扩展键盘等，系统方案灵活，经实验验证：系统达到预期设计目标，具有较强的实用性和参考价值。