课题背景

随着我国经济的飞速发展，各行各业对电的需求越来越大，不同时间用电量不均衡的现象也日益严重。为缓解我国日趋尖锐的电力供需矛盾，调节负荷曲线，改善用电量不均衡的现象，全面实行峰、平、谷分时电价制度，“削峰填谷”，提高全国的用电效率，合理利用电力资源，国内部分省市的电力部门已开始逐步推出了多费率电能表，对用户的用电量分时计费。1995年4月，由国家计委、国家经贸委和电力工业部联合在上海召开的全国计划用电工作会议上决定，用3～4年时间，在全国各大电网内，有计划、分步骤全面推行峰谷分时电价制度。总目标是各网转移高峰电力 10～15％，全国实现转移高峰电力 1000～2000万千瓦，推行的范围不仅是工业、商业用户，而且对非工业、农业用电也要逐步实行。在有条件的地区，即已经实行一户一表的居民用电区，也将有计划的开发低谷用电，实行峰谷电价，以提高电能利用率，提高居民的用电质量。对电力用户采用不同时段和不同计费标准。鼓励谷时段的电力消费。

1980年，河南地区首先提出了按峰、谷时间分段计量电能，以经济手段促进合理、均衡、科学用电的建议，继而开始进行了试点，通过几年实践，初步摸索了一些有参考价值的经验。随后，山西省利用简易设备先后在一部分用电单位进行了联合试点。1982～1985年，全国许多省市和地区也相继实行了电能分时计量及与此相适应的新的收费制度，并取得了非常大的成效。一些大的电网局也把它作为技术改进的重要内容和开展科学用电的重要措施之一。至此，我国己跨进了用多种电价作为辅助管理手段和控制用电负荷的国家行列。

早期主产的第一代石英钟控分时电能表。这种电能表通过导线连接石英钟各种不同时段来分别驱动峰、谷电磁计数器，分别显示出峰、谷电量及总电量，按总电量扣除峰、谷电量即为平常时段电量。由于这种分时计费电能表的可靠性较差。计时分段精度太低（最小分割为5min），易受干扰，时段调整也比较麻烦，使用功能单一，不能适应分时计费中的一些特殊要求，目前已基本淘汰停用。

第二代机电一体化结构的分时电能表。这种电能表采用1.0级感应系电能表机芯为基础，采用红外光电变换器，脉冲输出和中央处理器（CPU），单片机电路，使用附带的键盘编程或者红外无线键盘来进行各种需求量、时钟、时段、双休日的设定，可保护本月最大需求量、上月最大需求量和本月峰、平、谷最大需求量显示及存储。带有脉冲输出及RS-232串行通信口，便于数据远程传送与监控。仪表性能比较精密可靠，功能可满足我国现阶段分时计费需求，生产工艺比较成熟，价格具有竞争力，是目前国内应用最为广泛的一代产品。但是美中不足的是各生产厂家均为自行开发专用单片机，存在产品兼容性差，维修困难的缺点。这一系列产品常见的有DF68、DF93、DTF33、DF86、 DSF20、DIF－2、DF32、DTF864MRZ、DSD66等。

1.1.2  课题来源

在电力系统中，某一时刻各类用电设备消耗的电功率总和称为电力负荷。电力负荷是随时间变化，可用日（或年）负荷曲线来描述，当电力负荷大量增加时，会形成电网的负荷高峰，而当电力负荷大量减小时，又会形成电力负荷低谷，当负荷曲线上的峰值和谷值之差很大时，会使发、供电设备的容量不能充分利用，运行不经济。我国许多电网在负荷高峰时，经常拉闸限电；而在负荷低谷时则浪费严重，导致水电厂大量弃水，火电厂长时间低负荷运行。为了加强电力生产的调度管理，平抑负荷曲线，用复费率电能表实行峰谷电价就是采取经济手段调整负荷的措施之一。

1.1.3  课题研究的意义

为了改善用电不均衡的僵局，适应市场对电子式多功能复费率电能表的要求，本课题开发的电子式复费率电能表是以MICROCHIP（电力公司指定的电度表的CPU生产商）公司生产的 PIC16C67为核心控制芯片，以专用的电能计量芯片ADE7755为计量芯片的电子式多功能复费率数字电能表，它采用了优选和自行设计的大规模专用集成电路，应用先进的表面安装（SM）技术，电路简单，结构合理，可双向计量电能，独特的保密措施保证用户使用电表的高安全性，该电能表与以往的电表相比具有接口简单、结构紧凑。可靠性高、稳定性好等特点。它主要用于家庭或工厂的电能消耗的测量。它不仅能进行电能计量，还具有费率、时段设置、远程通讯和电表管理等功能，并且具有计量精度高、电磁兼容性能好、过载能力强、功耗低、防窃电等特点。

1.2  国内外研究的动态

目前电子式分时电能表已进入非常成熟的阶段。它是一种静止式无任何机械运动部件的固态电能表，由电压互感器、电流互感器、高精度高速A/D变换器、电能计量专用集成电路、实时时钟、数据存储器、大屏幕液晶驱动及显示器、数据通信接口、开关电源等模块构成，精度通常在1.0级至0.5级，可靠性好，易于实时记录，大部分型号均带有预付费功能可供选用。采用带有预付费功能时，电量有电钥匙、IC卡等输入，剩余电量不足时，可根据用户负荷性质选择输出音响及告警，显示电量不足，启动表内继电器跳闸等功能。具有失压断流记录、RS－232、RS－422、RS－485等标准通信接口，可远程定时抄录计量数据、本月及上月最大需求量、峰、平、谷最大需求量、脉冲输出，监控通过密码设定，方可读出与修改数据等，时段设定通常有8个。目前常用的这一系列产品有DSSD331、D66、DTSD341等。

总之，我国的分时电能表在不断引进和采用国外先进技术与工艺，随着科技的迅速发展，复费率电能表将以更加成熟的技术和先进的特色工艺呈现在用户的面前。

1.3  本文的工作

本文主要给出了电子式复费率电能表的设计方案，硬件配置和软件设计。电子式复费率电能表系统，有I2C总线模块、电量累计模块、掉电检测模块、显示模块和通讯模块等几大模块组成。以经济手段来控制电力负荷，该经济手段可以有效的缓解电力紧张的局面，达到削“峰”填“谷”，对于解决电力供求关系紧张的局面具有重要意义。

该电子式复费率电能表具有接口简单，计量准确，稳定性好，可靠性高。为了加强电力生产的调度管理，平抑负荷曲线，用复费率电能表实行峰谷电价就是采取经济手段调整负荷的措施之一。可以广泛的应用于家庭和工矿企业，具有很好的经济效益。

2  系统总体方案设计

2.1  设计目标

首先本电子式复费率数字电度表以MICROCHIP公司生产的PIC系列单片机为核心控制芯片，这款单片机执行速度快、抗干扰性好，是作为电表系统CPU的首选。电子式复费率电度表应具有红外通讯口和远程电力线载波通讯口，以满足用户上门抄表的心理要求和校表、抄表和远程管理、费率和时段设置等功能。

电量信息采用电力系统专用的LED集成模块显示，电能值整数5位。小数1位，并伴有汉字显示，提示显示的内容。而且当电表工作时，采用超亮、长寿命LED指示灯作频繁的闪烁指示。电表显示的内容包括主显示代码和辅助显示代码（或者汉字）两个方面：主显示代码显示数据，辅助显示代码和汉字指示显示的内容及数据单位。汉字显示的内容可选项包括：（时段）峰，平，谷；通信（成功）；（电能）反向；日期；时间；上月；上上月；（电量属性）总，峰，平，谷。汉字可以合用：显示“峰，平，谷，”时，表示运行的时段；显示“峰，平，谷，电量”时，表示电量。循环显示的内容可选项包括：运行时段（峰，平．谷）；日期；时间；当前总电量；当前的峰电量；当前的平电量；当前的谷电量；电表的局编号；电表自检。其中当前总电量、当前平电量、当前的谷电量总是参加循环显示，其余的可通过编程自由选择显示，循环显示所需的电量信息。电表具有自检显示功能，当电表出现故障时以故障码显示。

电能表可以准确无误的分时计量用户的电量，并具有正、反向有功电能计功能。反向有功电能除了按照正向电能累计外，还要记录反向运行总时间、电量及最后一次反向运转的起始时间，并存储其数据。电量按总、峰、平、谷分别累计并存储。

通过RS485电力线载波通信口可以对电表进行编程。编程内容包括以下7项内容：时间日期设置、费率时段设置、电表地址（局编号）设置、显示方式及内容设置。电量冻结转存日设置、电量底数设置，编程密码。通过手持抄表器可以抄读电表的编号、当前的日期与时间、当前的总电量、当前的平电量、当前的谷电量。通过RS485通信口，由自动抄表系统根据电表地址实现远方自动抄表。

2.2  系统总体方案设计

该电子式复费率电度表系统，有I2C总线模块、电量累计模块、掉电检测模块、显示模块和通讯模块等几大模块组成。它的总体原理框图如图2-l所示。其中I2C总线模块又包括日历时钟芯片PCF8563T和非易失性存储器AT24C04。PCF8563T时钟电路为时段的划分提供一个精确的时间标准，同时它还可以给出准确的时间，供显示之用。这两个芯片通过I2C总线与PIC单片机进行通讯。电量累计模块是该系统的关键部分，它以电量累计芯片ADE7755为核心，将模拟的电流，电压信号转换为数字脉冲输出。掉电检测模块采用IMP813L作为掉电检测芯片，实时检测电网是否掉电，如果掉电就以中断方式通知单片机。显示模块采用专用的LED集成显示器，轮流显示峰、平、谷、总电量和其它的一些信息。通讯模块又包括红外抄表模块和RS485电力线载波远程抄表模块。红外抄表模块有红外发射管TSAL6200和红外接收管HS0038组成，供上门抄表、校表时等用。RS485电力线载波通讯接口，可以完成远程抄表，电表管理、时段设置等遥控功能。

2.3  系统总体框图

整个电表的硬件结构原理如图2—l所示：以PIC16C67为核心的控制单元完成所有信息的处理，包括正常情况下对整个电表的管理、电量累积，以及抄表、校验时的通信等。以ADE7755为核心的电量测量电路，负责对用户电路中的电压、电流信号进行采样，计算出瞬时功率并将其转换为数字脉冲输出，CPU根据来自ADE7755的数字脉冲通过中断引脚进行电量的累积。系统中有一个实时时钟，用于为分时段计费提供准确的时间标准。非易失性存储器用于存储费率信息、每月的电量累积值、电表地址和其他工作参数。通信接口包括红外线接口和RS485串行接口，用于实现红外线抄表和远程管理。显示模块为专用的LED模块。除此以外，系统留有一些测试端口，供生产测试和校表之用。

3  系统硬件设计

3.1  PIC系列单片机简介

本课题设计的电子式复费率电能表的核心控制芯片选择的是由美国Microchip公司推出的PIC系列单片机，那是因为它有其它单片机无法比拟的优点。它的CPU首先采用了RISC（精简指令集）结构的嵌入式微控制器，其运行速度快、工作电压低、低功耗、较大的输入输出直接驱动能力，它的I/O口的拉灌电流可以达到25mA，可以直接驱动LED和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。PIC系列8位单片机具有指令少（仅有三十几条指令）、执行速度快等优点，其主要原因是PIC系列单片机采用了Harvard双总线结构。该系列单片机引入了原用于小型计算机的双总线和两级指令流水结构。

3.1.1  PIC16C67单片机

PIC16C67是高性能RISC结构的CPU，内含8k×14位宽的EPROM，以及368个字节的RAM。它有33个可编程的I/O口，且每个I/O口都有较大的拉灌电流，可达25mA，较多的I/O口是非常有益于本项目的。由于I/O口有较大的驱动能力和较多的数量，可以直接驱动LED显示器，这样就可以省去LED驱动电路和解码电路。它具有多级硬件中断，11个外部中断源和8级硬件堆栈。具有直接、间接和相对三种寻址方式。芯片自带的同步串行通信接口 SPI/I2C，可用于和外部时钟、E2PROM通讯。它的另一个同步通讯口USART可用于单片机与RS485和红外通讯。只有35条易学易用而高效的RISC指令，可以缩短开发时间和周期，提高编码效率。在同档次的微控制器芯片中具有最高执行速度，指令周期最快可达200ns。PIC16C67内置三个定时器/计数器：TMR0、TMR1和WDT。每个定时器都可以产生中断。TMR是一个8位的简单增量溢出计数器，时钟源可以是内部系统时钟（OSC/4），也可以是外部时钟[1]。当对内部系统时钟的标准脉冲序列进行计数时即为定时器。当对外部脉冲进行计数时就作为计数器使用。当作为计数器使用时，可以选择用脉冲的上升沿或者下降沿来增量。为了扩大定时或计数的范围，配合TMR0使用还有一个可编程预定标器，实际上就是一个可编程分频器，可以用于TMR0，也可以用于WDT。TMR1是一个 16位的定时器/计数器，有两个8位可读写的寄存器TMR1H和TMR1L组成。同样TMR1也有定时和计数两种工作方式。当TMR1作为计数器使用时，可以选择与芯片同步工作或异步工作。在异步工作方式下，TMR1可以在CPU休眠状态下工作。这个特性对于要节省功耗，同时还要求有实时时钟的那些场合是十分有用的。WDT是一个8位定时器，需要是可以和8位的预分频器组合使用，来延长定时时间。

此外，芯片内置上电复位电路（POR），上电定时器和振荡定时器以保证工作电压稳定和振荡稳定，断电复位锁定功能以保证电源电压变化恢复正常后，芯片恢复工作。内置程序保密位，可防止程序代码的非法拷贝。内置自振式RC振荡看门狗定时器，在外部时钟要求不是太精确对体积有严格限制的场合，用内部RC振荡器可以节省成本和空间(2)。有省电的休眠（SLEEP）工作方式。四种可选振荡方式（RC、XT、HS、LP），支持高达20MHz的时钟频率，且因为该处理器是采用高速低功耗的CMOS工艺全静态设计，在不工作时可以降低时钟频率，符合节能的要求。低功耗设计5v工作时（4MHz）电流小于2mA，在睡眠方式时工作电流小于1μA的。