馬淵

[摘? ? 要 ]本論文主要設(shè)計(jì)研究智能化技術(shù)在電氣工程自動化控制電表中的運(yùn)用，其主要特點(diǎn)是以STC89C52單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)電能的積算、數(shù)據(jù)的顯示、控制電源的定時(shí)開啟關(guān)閉，同時(shí)具有記憶電路，完成電表信號的讀、寫處理，監(jiān)控電表工作的功能。本文深入的對智能化技術(shù)、電氣工程自動化控制的運(yùn)用深入的分析，剖析了智能電表的電路、時(shí)鐘模塊、工作原理等方面，為智能電表的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

[關(guān)鍵詞]單片機(jī);電能檢測;智能電表

[中圖分類號]TM76 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）08–000–03

Application Analysis of Intelligent Technology in Electric Engineering

Automation Control Ammeter

Ma Yuan

[Abstract]This paper mainly designs and studies the application of intelligent technology in electrical engineering automatic control ammeter. Its main feature is that it takes STC89C52 single chip microcomputer as the core to realize the energy accumulation， data display， control power timing on and off， at the same time， it has the memory circuit， completes the reading and writing processing of the meter signal， and monitors the work of the meter. This paper deeply analyzes the application of intelligent technology and electrical engineering automation control， analyzes the circuit， clock module， working principle and other aspects of intelligent meter， so as to provide reference for the design and application of intelligent meter.

[Keywords]single chip microcomputer; electric energy detection; intelligent meter

1 智能電表的概念

智能電表是科技時(shí)代的新產(chǎn)物，能夠進(jìn)行測量、數(shù)據(jù)處理，測量單元、數(shù)據(jù)處理單元是其重要組成部分。在智能電表這一系統(tǒng)中，它能通過各類型的芯片來進(jìn)行電能的測量、計(jì)算、存儲，并且具有實(shí)時(shí)監(jiān)控功能和自動控制等功能。與傳統(tǒng)的電能表相比。計(jì)量功能是智能電表的最基本的功能，而它本身就是一個電子電表，并且它能夠通過端口與外部時(shí)鐘進(jìn)行通訊。電表誕生于1880年，最早的電表是以電磁感應(yīng)為基本原理制造而成。為了滿足工業(yè)化和電源管理發(fā)展的需要，電子儀表已經(jīng)出現(xiàn)。基于感應(yīng)原始電子儀表仍然具有測量的功能，但所述盤的旋轉(zhuǎn)成為一個電脈沖;其次是基于乘數(shù)原理的電子式電能表，數(shù)字倍增器電子儀表具有擴(kuò)展功能，適用于自動化系統(tǒng)集成等特點(diǎn)，已成為當(dāng)今電表的主要發(fā)展方向。

目前，智能電表主要分為電感式、電子式和智能型等幾種類型，我國生產(chǎn)的電能表不僅可以滿足地區(qū)和國家的市場需求，而且還有價(jià)格優(yōu)勢。因此，中國的電能表在世界各個市場都具有良好的競爭水平。隨著中國電網(wǎng)的不斷智能化，我們對電表等電能計(jì)量裝置的要求也在不斷提高。中國的電網(wǎng)技術(shù)與國外的相關(guān)科技差別不大。同時(shí)，它還是低碳經(jīng)濟(jì)，可持續(xù)發(fā)展道路的重要部分，因此其發(fā)展前景相當(dāng)樂觀。與國外同類產(chǎn)品相比，中國智能電表具有完善、規(guī)范、分類單價(jià)和控制負(fù)荷的功能，均高于其他國家。它更能滿足中國現(xiàn)代智能電網(wǎng)建設(shè)的需要。

2 智能電表在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

從總體上看，智能電表和AMI的建立是智能電網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)，從功能角度來看，智能電表的系統(tǒng)建設(shè)分為5個層次。隨著高級數(shù)據(jù)的收集和需求響應(yīng)能力的提升，智能計(jì)量系統(tǒng)開始進(jìn)入到高峰時(shí)間段。智能電網(wǎng)自動運(yùn)行速度的提升、能源的節(jié)省、運(yùn)行成本的把控都依賴AMR和AMI的建設(shè)，AMI通過智能電表終端和主站的建設(shè)能夠完成雙向計(jì)量和通信。在智能電網(wǎng)中智能電網(wǎng)的功能具體表現(xiàn)在以下幾個方面：①結(jié)算和賬務(wù)。通過智能電報(bào)能夠精準(zhǔn)對電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，在賬務(wù)處理方面簡化操作流程。在電力市場環(huán)境下，調(diào)度人員能夠及時(shí)轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)零售商，從而幫助用戶獲取更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息。②配網(wǎng)狀態(tài)的運(yùn)行估計(jì)。配網(wǎng)潮流分布信息不夠準(zhǔn)確，而出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是信息呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)分布格局，需要對用戶測試點(diǎn)的測量才能夠獲取數(shù)據(jù)信息，通過大量的數(shù)據(jù)測試和整合管理能夠預(yù)估出數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)度。③實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量與供電可靠性監(jiān)測。智能電表可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電能質(zhì)量和供電狀態(tài)，及時(shí)、準(zhǔn)確地應(yīng)對客戶投訴，并提前采取措施，防止電能質(zhì)量問題的發(fā)生。

3 智能化技術(shù)在職能電表中的運(yùn)用分析

3.1 單片機(jī)的方案選擇

方案一：51系列單片機(jī)。51單片機(jī)是一種基于繼電器控制并整合了其他一些先進(jìn)的設(shè)備以及相關(guān)軟件系統(tǒng)所構(gòu)建的一種新型控制器。例如常用到的設(shè)備以及軟件有：微型電動機(jī)、傳輸電路、信號接收器以及相關(guān)控制軟件等。相比于傳統(tǒng)的控制器系統(tǒng)來說，新型控制器主要存在以下特點(diǎn)：反應(yīng)靈敏、安全性能高、穩(wěn)定性較強(qiáng)、適用范圍廣以及維護(hù)性較容易等。

方案二：MSP430單片機(jī)。MSP430單片機(jī)主要是集成16位功耗、精簡指令，在單片機(jī)上具有各種驅(qū)動功能，但是缺點(diǎn)也較為明顯，主要是操作時(shí)較為麻煩，不適合較為復(fù)雜操作簡單的程序。

因此，從以上方案來看，由于智能電表系統(tǒng)操作較為簡單。所以，在電氣控制系統(tǒng)當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)選擇51單片機(jī)為系統(tǒng)的單片機(jī)方案。

3.2 數(shù)字時(shí)鐘方案

數(shù)字時(shí)鐘是本設(shè)計(jì)的最重要的部分，有2種方案可以選擇。

方案一：本方案時(shí)鐘芯片DS1302。該芯片的消耗功能較低，且性能較高。能與微控制器同步通信，并能夠以突發(fā)模式傳輸多個字節(jié)的時(shí)鐘和RAM數(shù)據(jù)一時(shí)間實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以提供年、月、日、周、小時(shí)、秒，每月可自動調(diào)整不到31d，并具有閏年補(bǔ)償。工作電壓為2.5～5.5 V。它由雙電源供電（主電源和備用電源），或者可以使用備用電源進(jìn)行設(shè)置，該備用電源能夠以精細(xì)電流為備用電源充電。

方案二：通過軟件來實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)鐘。該系統(tǒng)主要是通過單片機(jī)存儲當(dāng)中的字節(jié)當(dāng)中來連接單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)，但是這種方案較為簡單，在每次進(jìn)行計(jì)時(shí)都要清零才能進(jìn)行使用，所以該定時(shí)器的精度較低。

基于本設(shè)計(jì)精度的考慮，這里采用方案一完成數(shù)字時(shí)鐘的功能。

3.3 基于單片機(jī)的智能電表的設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案

本設(shè)計(jì)選用ADE7755制作電能檢測模塊。通過選擇兩個電源方案來進(jìn)行供電，其中包括主電源和備用電源，通過設(shè)置相應(yīng)的電源備用方式來反應(yīng)該供電方式的充電能力，使其在斷電的情況下也能及時(shí)使用。同時(shí)采用LCD1602液晶顯示，通過軟件編程可以完成更多的附加功能，對單片的利用率更高，更加能滿足現(xiàn)代生活的需要。其中通過對電表的設(shè)計(jì)、開館時(shí)間的設(shè)置來進(jìn)行對智能電表系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。該智能電表主要包含7個方面的功能：電源、時(shí)鐘模塊、電能模塊、單片機(jī)、LCD顯示屏、鍵盤和繼電器電路即可滿足設(shè)計(jì)要求。如七部分電路組成：①將電源設(shè)為5 V直流電;②時(shí)鐘模塊采用DS1302;③電能檢測芯片采用ADE7755;④芯片采用單片機(jī)STC89C51;⑤顯示部分采用LCD1602顯示屏來顯示;⑥繼電器電路由三極管和繼電器組成;⑦按鍵用來調(diào)節(jié)時(shí)間和定時(shí)開關(guān)機(jī)。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)設(shè)計(jì)方案

目前在單片機(jī)系統(tǒng)中，主要選擇的是8XC5X的微型芯片控制器。在該芯片當(dāng)中主要是采用MCS51為內(nèi)核，這個內(nèi)核功能較為齊全，而且性能較為穩(wěn)定，能夠通過單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試與編程。如常用的STC89C52單片機(jī)的工作原理是通過各種功能的輸入/輸出接口來控制設(shè)備執(zhí)行各種指令，作為一種全新的技術(shù)手段，其設(shè)計(jì)的主要目的就是將復(fù)雜的操作要求和操作環(huán)境簡單化，并進(jìn)行合理處理。根據(jù)應(yīng)用范圍而言，PLC控制器在工業(yè)生產(chǎn)及眾多領(lǐng)域都得到了廣泛的運(yùn)用，功能強(qiáng)大且效率非常高。

4.2 時(shí)鐘日歷芯片設(shè)計(jì)

DALLAS公司DS1302是一款高性能，低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷芯片，具有31字節(jié)靜態(tài)RAM、三線接口、與CPU同步通信，以及突發(fā)模式下的多字節(jié)時(shí)鐘信號和數(shù)據(jù)RAM。實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供秒、分、小時(shí)、天、周、月份和年份，每月不到31d可自動調(diào)整，并具有閏年補(bǔ)償。2.5～5.5 V寬工作電壓。雙電源（主電源和備用電源）提供備用電源充電模式，并提供備份充電電流的功能。有雙主用和備用電源引腳，由大電容備用電源（>1F）代替。需要強(qiáng)調(diào)的是DS1302需要使用32.768 KHz晶振。DS1302芯片引腳圖參照圖1。

4.3 電能檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電量計(jì)量電路，作用是檢測IC卡智能電表的用電量。這里測量用電量的傳感器選用ADE7755單相電能計(jì)量模塊，它可以將用電量用模塊輸出多少個脈沖數(shù)來表示，如2.5～10 A脈沖數(shù)是6400，也就是指示燈閃6400下就一度電。當(dāng)電流是2.5 A，電壓是220 V，用電1h的脈沖數(shù)計(jì)量如下：電量是220×2.5A×1h=0.55kW·h電，脈沖數(shù)為：0.55×6400=3520個脈沖數(shù)。

5 智能電表使用帶來的收益

①能源用戶的收益。智能電表能夠?yàn)橛脩籼峁└鼮榫珳?zhǔn)的賬務(wù)處理信息，并借助精準(zhǔn)的用電信息來使得用戶能夠更好地參與到電力市場中，通過調(diào)節(jié)彈性需求來獲取更多收益。②電力公司的收益。打造在智能電表上的智能化計(jì)量系統(tǒng)能夠?yàn)殡娏τ?jì)量、結(jié)算、用戶服務(wù)、故障管理、電能質(zhì)量評估提供精準(zhǔn)的方案支持。在智能電表的作用下能夠更好地監(jiān)督電力系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)展，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)的運(yùn)行問題，提高電力系統(tǒng)停電管理和用戶服務(wù)管理效率，減少因?yàn)榕R時(shí)性負(fù)債或者停電造成的低壓配電變化。③電力市場效益。通過使用可操作、可調(diào)控的分布式電源能夠提升電網(wǎng)運(yùn)行的信息響應(yīng)速度超，從而強(qiáng)化電力市場競爭的可靠性。由于提高了對價(jià)格峰值的反應(yīng)能力和反應(yīng)價(jià)格，也會減少電力供應(yīng)商運(yùn)行過程中可能面臨的市場風(fēng)險(xiǎn)?；谥悄苡?jì)量數(shù)據(jù)和用戶挖掘數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)還能夠幫助電力零售商更好的了解客戶用電需求，根據(jù)用戶的用電需求來生產(chǎn)出有針對的產(chǎn)品。④社會效益和環(huán)境效益。智能計(jì)量系統(tǒng)在提升資源、能源利用率方面也起到了十分重要的作用，能夠及時(shí)地反映出電力系統(tǒng)的能源消耗情況，促使用戶網(wǎng)絡(luò)、家庭自動化系統(tǒng)、供應(yīng)商系統(tǒng)及時(shí)做出反應(yīng)，在這個過程中不僅能夠節(jié)省資源、能源的消耗。⑤水、汽、熱等方面的收益。在智能電表的作用下還能夠?yàn)樗?、汽、熱等?jì)量表的計(jì)算提供更為完善的電力供應(yīng)支持，實(shí)現(xiàn)對各類資源和能源的高效率匯總應(yīng)用，最終有效提升資源和能源的利用率。

6 總結(jié)

由于設(shè)計(jì)的LCD智能電表的重點(diǎn)在于軟件程序的設(shè)計(jì)，本文通過利用電路設(shè)計(jì)原理圖來對程序進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在研究中通過選擇51單片機(jī)、時(shí)鐘芯片、顯示器來對該系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在經(jīng)過對系統(tǒng)的仔細(xì)分析、軟件調(diào)試、檢查核對后發(fā)現(xiàn)，在智能表系統(tǒng)當(dāng)中有部分?jǐn)?shù)值設(shè)計(jì)不太合理，為了解決這些問題，必須要改善設(shè)計(jì)過程，通過改善后，只能電表系統(tǒng)通過測控制系統(tǒng)，并為控制系統(tǒng)設(shè)定了顯示功能，各項(xiàng)性能穩(wěn)定，基本達(dá)到了預(yù)期的要求。相信在以后的研究中，隨著專業(yè)知識的拓展和相關(guān)研究的加深，這些問題都會得到解決，基于單片機(jī)控制的理論研究會越來越完善，單片機(jī)控制的智能電梯系統(tǒng)一定會造福人類。

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