智能电表之自动抄表主流方案盘点

系统供电采用LM7805整流后的+3.3V直流电源，以+4.5V电池组作为后备电源；系统采用4×4矩阵键盘进行参数设置；外扩了FM24C16以增加系统数据储能力；用户的用电量显示可精确到最新10m内的用电量，采用6只共阴极LED数码管构成的动态扫描显示电路第一位采用16进制数字表示16个用户，其后的5位数字显示相应用户的当前用电量，精度可以精确到小数点后2位数。也可以将其用电量数据经单片机处理后直接循环逐次显示当前用电费用，采用不同时刻不同费率的计算处理手段同时可以实现计费复费率功能。其具体硬件原理连接电路图如图2所示。

　　测量及其执行单元原理图电路构建

　　测量单元中数字式电能计量芯片采用ADE7755，16选1数据选择器采用74LS150。执行单元中4线—16线数据输出控制器采用74HC154，SSR采用MOC3061+IGBT。

　　ADE7755是美国著名的ADI公司设计生产的一种脉冲输出的电能计量集成芯片，在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。它内部集成了包含相位校正、乘法器、数字一频率转换器、信号处理电路组成的电能计量运算的核心电路，并能将电量以与瞬时功率成正比的脉冲输出形式提供给MCU，单片机只需通过计数器自动记录一定时间间隔内传送的脉冲数，然后与功率/频率转换参数相乘即可得出这一时间段内的用电量。单片机在不同时间采用不同的费率/功率参数即可方便的实现复功率计费。

　　ADE7755中SCF=0，S1=S0=1。CF输出选择最高频输出模式，仪表脉冲/功率输出常数为204800imp/kWhr，户用电最大电流值为20A，则PMAX=2.2kW，CFMAX=125Hz，系统设计要求CFMIN=0.5Hz，则PMIN=8.8W。即文中的多用户智能电表能够测量的最低功率为8.8W。

　　MSP430F133通过对74LS150的A、B、C、D4个引脚的不同置位实现E0-E15共16条通道的依次接通。而ADE7755将当前用电功率以脉冲频率的形式输送到MSP430F133，实现自动抄表；一旦上位集中器发送断电命令，单片机通过4线—16线数据输出控制器74HC154的置位控制相应的SSR固态继电器实现断电，原理是通过光电耦合器MOC3061驱动IGBT的关断。其具体硬件原理连接电路图如图3所示。

　　通讯单元原理图电路构建

　　CC2420只需要极少的外围元器件，它的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入／输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。其硬件原理连接电路图如图4所示。

　　CC2420内部使用1.8V工作电压，因而功耗很低，适合于电池供电的设备;外部数字I/O接口使用3.3V电压，这样对于只有3.3V电源的设备，不需要额外的电压转换电路就能正常工作。CC2420射频信号的收发采用差分方式传送，其最佳差分负载是115+j180，阻抗匹配电路应该根据这个数值进行调整。如果使用单端天线则需要使用平衡/非平衡转换电路，以达到最佳收发效果。CC2420与处理器的连接非常方便。它使用SDF、FIFO、FIFOP、和CCA四个引脚表示收发数据的状态;而处理器通过SPI接口与CC242O交换数据、发送命令等;CC2420通过4线SPI总线（SI、SO、SCLK、CSn）设置芯片的工作模式并实现读／写缓存数据、读／写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射／接收缓存器。

　　软件设计

　　电表系统的软件设计包括主程序设计和通讯程序设计，在此只讲主程序的设计，其流程图如图5所示。

系统进程首先进行初始化，成功后的进程分为并列的两部分。其一是各户用电量的上抄：单片机内轮抄计数器置01，MSP430F133对74LS150的ABCD四个控制端置0000位，此时引脚EA0对应的通道接通到MSP430F133的输入端，单片机统计其在32s内积累的脉冲数。2s后，轮抄计数器加1为02，ABCD置1000位，EA1对应通道接通，进行相应用户的计数积累脉冲的上抄，以此循环进行相应用户的抄送，当轮抄计数器的数目=16时，完成总共16户的上抄，将轮抄计数器的置01，进行下一轮循环的上抄。总体上讲，整个电表系统32s为一个循环，对用户用电量进行循环抄送，每10m将各用户累加器单元统计的累积脉冲计算转换为电量数据（用电量=脉冲数×16×仪表脉冲/功率输出常数，因统计脉冲数是真实值的1/16）并附属时间常数存储到对应的存储器单元，并且实时显示最新10m内的用电量/用电费用，每1h末进行用电数据（用电量和对应的时间常数）的定时传送，其二是电表数据的上传和断电的执行：启动CC2420连入ZigBee局域网，成功后等待上层集中器命令，一旦网络断开立即重启CC2420重新连入局域网络；上层集中器下载的命令分为数据上传和欠费断电两种，若是断电命令，MSP430F133控制相应用户的SSR断开电源