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【摘 要】抄表技术是一个集电能表数据采集、传输、存储、共享等功能于一体，以达到为客户、电力企业的电费、计量等数据应用部门服务的自动化系统。本文以当前电能计量与抄表系统的发展背景为依据，提出了基于单片机的智能抄表系统的相关问题。
【关键词】单片机 智能电表 控制技术
中图分类号：G4 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2018.13.020
一、引言
电能已经成为当今世界各国经济和人民生活不可缺少的能源，现代化用电管理水平和自动智能化程度成为衡量一个国家和地区经济发展水平的一个重要标志。电能表的出现把电厂发电、供电部门供电和用户用电三个部门连成一个系统，电力生产的这种特点决定了三方之间的经济利益。因此，只有精准和完善的电能计量系统才能够实现三方利益的平衡，而完善的电能计量系统依赖于现代电子和计算机技术的进步。随着我国电力系统的改革，电能计量系统不仅要实现它的基本功能，而且要满足现代用电企业和用户大规模用电对计量系统提出的更高要求，电能计量系统必须同时拥有使用便捷、远程抄表和智能计量等功能。
二、智能电能表概述
智能电能表是由测量单元、数据处理单元、通信单元等组成，具有电能测量计量、信息存储及处理、实时监测、自动化控制、信息交互等功能的电能表。智能电能表是世界范围内主流国家及联盟打造智能电网系统工程的一个重要环节，不仅具有电能表的最基本计量功能，还有先进的数据抄读、设置功能，并具备具有实质性意义的互动功能。智能电能表不再是单纯的作为电力供应部门回收电费、提高管理效率、方便客户用电的一个工具，进而发展成供电部门与用户互动的工具。对于供电部门，智能电能表将会变得更加准确，现场电能机各种状态数据抄读将会更加快捷，电能表将会具有更好的可维护性能;对于客户，可以从智能电能表获得快捷的、多途径的相关电能信息，从而更合理的规划能源消耗。不仅可以通过支付的方式从电网测消耗能量，还可以把自己的能源储备向电网输送，从而成为能源提供方，实现真正意义上的全民参与节能减排的目的。
三、智能电能表的硬件设计
1.单片机模块。单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。其大部分功能集成在一块小芯片上，具有一个完整计算机所需要的大部分部件（CPU、内存、内部和外部总线系统），目前大部分还具有外存，同时集成诸如通信接口、定时器、实时时钟等外围设备。现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上，朝着高集成度、精简指令、高速高效、新体系结构、低功耗等方向发展。目前广泛应用在过程控制、智能仪表、智能接口等工程和技术领域。微处理器的最大特点是单片化、体积小、功耗低、性价比高，广泛应用于电子产品中，随着大规模集成电路技术和半导体技术的发展，微处理器不断产生新的变化和进步，品种更加齐全、功能更加强大、性能更加稳定。
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机提供许多较复杂系统控制应用场合。
2.外围接口电路。一是时钟电路，时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都以时钟频率为基准，单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL 1输出端引脚为XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。单片机一般选择振荡频率为6MHz或者12MHz的石英晶体。外部时钟方式是在外部使用振荡脉冲信号，外部的时钟源直接接到XTAL2端，直接输入到片内的时钟发生器上。二是复位电路。AT89C52的复位是由外部的复位电路来实现的，复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，用斯密特触发器来抑制噪声。在每个机器周期，对斯密特触发器的输出电平复位电路采样一次，得到内部复位操作所需要的信号。复位功能的主要作用是把PC初始化为OOOOH，使单片机从OOOOH开始执行程序，除系统的正常初始化功能外，当程序运行出错或者操作错误时系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态也需要按复位键重新启动。
3.计量模块。计量模块是智能电表的重要组成部分，是终端传感器，用于获取电流、电压及相关设备工况等各种实时信息，向CPU提供基础数据。因而要求计量模块计量精度高，运算速度快，终端计量部分由专门的计量芯片组成。三相多功能电能计量芯片71M6513是一种高精度的模拟前端（Analog Front End）电能计量IC，能够为四象限三相计量提供测量值。该芯片包含了一个21位的Sigma-Delta A/D转换器和一个6路输入的模拟多路器、一个经过温度补偿的高精度基准电压源以及一个计算引擎，具有精度高、动态范围宽等特点。该模块由互感器、采样电路、高精度计量芯片等高精密器件组成。计量芯片根据采样得到的数字信号进行相关运算，从而精确的获得各种电能数据，如电流值、电压值、功率、电能量等。
4.通信模块。RS-485电缆采用普通双绞线，在要求比较高的环境，可以采用带屏蔽层的同轴电缆。在使用RS-485接口时，对于特定的传输线路，最大电缆长度与信号传输的波特率成反比，最大长度数据主要是受信号失真及噪声等影响。理论上，RS-485的最长传输距离能达到1200m，但在实际应用中传输的距离要比1200m短，具体能传输多远视周围环境而定。在传输过程中可以采用增加中继的方法对信号进行放大，最多可以加八个中继，也就是说，理论上RS-485的最大传输距离可以达到9.6km。长距离传输时，可以采用光纤为传输介质，收发两端各加一个光电转换器，多模光纤的传输距离是5～10千米，而采用单模光纤可达50km。
四、结束语
随着电力网络的扩大和发展，对电力行业的自动化程度要求越来越高，智能电表等电子式计量装置以及远程集中抄表技术等应运而生，它为未来的智能电网发展和电力市场的形成奠定了有力的基础。本课题在论述基本电量计量原理和计量技术后，主要进行了用于电能采集的智能式电能表的设计和用于通信的网络设计;智能电能表功能设计包括电量计量、电压监测、远程费率、谐波监测、停电统计等软件设计流程图，智能式电能表的模块化设计是本课题的设计重点。
参考文献
[1]谢志林.智能电网互动终端系统设计与实现[D].合肥：中国科技大学，2011.
[2]吴雷.电能集中自动计量系统的设计[J].自动化儀表，2002，23（1）：64-68.
【关键词】单片机 智能电表 控制技术
中图分类号：G4 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2018.13.020
一、引言
电能已经成为当今世界各国经济和人民生活不可缺少的能源，现代化用电管理水平和自动智能化程度成为衡量一个国家和地区经济发展水平的一个重要标志。电能表的出现把电厂发电、供电部门供电和用户用电三个部门连成一个系统，电力生产的这种特点决定了三方之间的经济利益。因此，只有精准和完善的电能计量系统才能够实现三方利益的平衡，而完善的电能计量系统依赖于现代电子和计算机技术的进步。随着我国电力系统的改革，电能计量系统不仅要实现它的基本功能，而且要满足现代用电企业和用户大规模用电对计量系统提出的更高要求，电能计量系统必须同时拥有使用便捷、远程抄表和智能计量等功能。
二、智能电能表概述
智能电能表是由测量单元、数据处理单元、通信单元等组成，具有电能测量计量、信息存储及处理、实时监测、自动化控制、信息交互等功能的电能表。智能电能表是世界范围内主流国家及联盟打造智能电网系统工程的一个重要环节，不仅具有电能表的最基本计量功能，还有先进的数据抄读、设置功能，并具备具有实质性意义的互动功能。智能电能表不再是单纯的作为电力供应部门回收电费、提高管理效率、方便客户用电的一个工具，进而发展成供电部门与用户互动的工具。对于供电部门，智能电能表将会变得更加准确，现场电能机各种状态数据抄读将会更加快捷，电能表将会具有更好的可维护性能;对于客户，可以从智能电能表获得快捷的、多途径的相关电能信息，从而更合理的规划能源消耗。不仅可以通过支付的方式从电网测消耗能量，还可以把自己的能源储备向电网输送，从而成为能源提供方，实现真正意义上的全民参与节能减排的目的。
三、智能电能表的硬件设计
1.单片机模块。单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。其大部分功能集成在一块小芯片上，具有一个完整计算机所需要的大部分部件（CPU、内存、内部和外部总线系统），目前大部分还具有外存，同时集成诸如通信接口、定时器、实时时钟等外围设备。现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上，朝着高集成度、精简指令、高速高效、新体系结构、低功耗等方向发展。目前广泛应用在过程控制、智能仪表、智能接口等工程和技术领域。微处理器的最大特点是单片化、体积小、功耗低、性价比高，广泛应用于电子产品中，随着大规模集成电路技术和半导体技术的发展，微处理器不断产生新的变化和进步，品种更加齐全、功能更加强大、性能更加稳定。
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机提供许多较复杂系统控制应用场合。
2.外围接口电路。一是时钟电路，时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都以时钟频率为基准，单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL 1输出端引脚为XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。单片机一般选择振荡频率为6MHz或者12MHz的石英晶体。外部时钟方式是在外部使用振荡脉冲信号，外部的时钟源直接接到XTAL2端，直接输入到片内的时钟发生器上。二是复位电路。AT89C52的复位是由外部的复位电路来实现的，复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，用斯密特触发器来抑制噪声。在每个机器周期，对斯密特触发器的输出电平复位电路采样一次，得到内部复位操作所需要的信号。复位功能的主要作用是把PC初始化为OOOOH，使单片机从OOOOH开始执行程序，除系统的正常初始化功能外，当程序运行出错或者操作错误时系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态也需要按复位键重新启动。
3.计量模块。计量模块是智能电表的重要组成部分，是终端传感器，用于获取电流、电压及相关设备工况等各种实时信息，向CPU提供基础数据。因而要求计量模块计量精度高，运算速度快，终端计量部分由专门的计量芯片组成。三相多功能电能计量芯片71M6513是一种高精度的模拟前端（Analog Front End）电能计量IC，能够为四象限三相计量提供测量值。该芯片包含了一个21位的Sigma-Delta A/D转换器和一个6路输入的模拟多路器、一个经过温度补偿的高精度基准电压源以及一个计算引擎，具有精度高、动态范围宽等特点。该模块由互感器、采样电路、高精度计量芯片等高精密器件组成。计量芯片根据采样得到的数字信号进行相关运算，从而精确的获得各种电能数据，如电流值、电压值、功率、电能量等。
4.通信模块。RS-485电缆采用普通双绞线，在要求比较高的环境，可以采用带屏蔽层的同轴电缆。在使用RS-485接口时，对于特定的传输线路，最大电缆长度与信号传输的波特率成反比，最大长度数据主要是受信号失真及噪声等影响。理论上，RS-485的最长传输距离能达到1200m，但在实际应用中传输的距离要比1200m短，具体能传输多远视周围环境而定。在传输过程中可以采用增加中继的方法对信号进行放大，最多可以加八个中继，也就是说，理论上RS-485的最大传输距离可以达到9.6km。长距离传输时，可以采用光纤为传输介质，收发两端各加一个光电转换器，多模光纤的传输距离是5～10千米，而采用单模光纤可达50km。
四、结束语
随着电力网络的扩大和发展，对电力行业的自动化程度要求越来越高，智能电表等电子式计量装置以及远程集中抄表技术等应运而生，它为未来的智能电网发展和电力市场的形成奠定了有力的基础。本课题在论述基本电量计量原理和计量技术后，主要进行了用于电能采集的智能式电能表的设计和用于通信的网络设计;智能电能表功能设计包括电量计量、电压监测、远程费率、谐波监测、停电统计等软件设计流程图，智能式电能表的模块化设计是本课题的设计重点。
参考文献
[1]谢志林.智能电网互动终端系统设计与实现[D].合肥：中国科技大学，2011.
[2]吴雷.电能集中自动计量系统的设计[J].自动化儀表，2002，23（1）：64-68.