专利名称：电子式二合一电能表的制作方法
技术领域：
电子式二合一电能表
技术领域：
本实用新型涉及同时用来计量电量和进行用电监控的二合一电能表。背景技术：
现在电力局对大用电量客户的管理一般是用一块多功能电表对用电情况进 行计量，然后再用一个用电现场服务终端对多功能表的运行情况进行监控，通 过无线通信网络将监测数据发到电力局的相关系统，局方就根据这些实时数据 来判断用电现场的用电情况是否正常、用于计量的电表工作是否正常。这样其 实电表和用电现场服务终端功能上有一定重复，即两个设备都带有计量功能， 同时由于用电现场服务终端价格比较高，所以这样的电力系统网的搭建的成本 相当的高。
并且目前的电能表虽然已有各种各样很多类型，但普遍存在长时间运行不 够稳定可靠、计量精度差、成本高等问题。
发明内容
本实用新型的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种电子式二合一电 能表，能够同时具有计量电量和用电监控功能，且成本低。
为实现上述目的，本实用新型提出了一种电子式二合一电能表，包括三相 计量芯片、带液晶驱动的功能处理芯片，三相计量芯片连接在功能处理芯片的
输入端，功能处理芯片上还分别连接有脉冲输出电路、LCD显示电路、存储器、 红外通讯电路、RS485电路、带温度补偿的时钟芯片、232通讯电路、GPRS通讯 电路。
作为优�。鋈嗉屏啃酒捎肁TT7022B芯片。 作为优�。龃娲⑵鞑捎�24LC256I芯片。 作为优选，所述功能处理芯片采用STR710FZ2T6芯片。作为优�。龉δ艽硇酒氖淙攵嘶沽佑邪醇淙氲缏泛湍嫦嘈蚣� 测电路。
作为优选，所述红外通讯电路采用一根输入线、 一根输出38K波形的输出 线、 一根输出发送信号波形的三线控制电路。
作为优�。鯮S485电路采用MAX13485芯片。 作为优�。龃露炔钩サ氖敝有酒捎肈S3231芯片。 作为优选，所述GPRS通讯电路采用GR64模块。
本实用新型的有益效果本实用新型电压、电流经取样电路分别取样后， 送入三相计量芯片进行处理，并转化为数字信号送到功能处理芯片进行计算， 功能处理芯片读出数据，并根据带温度补偿的时钟芯片的实时时间和预先设定 的时段完成分时有功电能计量和最大需量计量，根据需要向存储器存取数据， 在LCD显示电路的LCD液晶上显示各项数据、通过红外通讯电路或RS485电路 进行通讯传输。同时利用GPRS通讯电路完成用电现场各种参数的监控，记录存 储各种数据。 一个产品同时具有计量及用电监控两个功能，成本大大降低。并 采用高精度计量芯片ATT7022B，使得电压电流采样分辨率大为提高，且有足够 的时间来更加精确的测量电能数据，从而使电能表的计量准确度有了显著改善。 电路能够长时间稳定运行，且整个电路成本低。与外部能够进行红外通讯和串
行通讯o
本实用新型的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
图1是本实用新型电子式二合一电能表的结构示意图。
具体实施方式
参阅图l，电子式二合一电能表，包括三相计量芯片l、带液晶驱动的功能
处理芯片2，三相计量芯片1连接在功能处理芯片2的输入端，功能处理芯片2 上还分别连接有脉冲输出电路3、 LCD显示电路4、存储器5、红外通讯电路6、 RS485电路7、带温度补偿的时钟芯片8、 232通讯电路14、 GPRS通讯电路15。所述三相计量芯片1采用ATT7022B芯片，存储器5采用24LC256I芯片。所述 功能处理芯片2的输入端还连接有按键输入电路9和逆相序检测电路10。电能 表工作时，电压、电流经取样电路分别取样后，送入三相计量芯片1进行处理， 并转化为数字信号送到功能处理芯片2进行计算。由于采用了专用的ATT7022B 芯片，使得电压电流采样分辨率大为提高，且有足够的时间来更加精确的测量 电能数据，从而使电能表的计量准确度有了显著改善。功能处理芯片2用于分 时计费和处理各种输入输出数据，通过串行接口将专用电能芯片的数据读出， 并根据带温度补偿的时钟芯片8的实时时间和预先设定的时段完成分时有功电 能计量和最大需量计量功能，根据需要向存储器5存取数据，在LCD显示电路4 的LCD液晶上显示各项数据、通过红外通讯电路6或者RS485电路7进行通讯 传输，并完成运行参数的监测，记录存储各种数据。同时利用GPRS通讯电路完 成用电现场各种参数的监控，记录存储各种数据。 一个产品同时具有计量及用 电监控两个功能，成本大大降低。所述功能处理芯片2采用STR710FZ2T6芯片。 二合一电能表的功能非常强大，除了一般电表有的普通的有功功率和无功 功率外还需要有基波和谐波的能量和功率等的参数的测量，了解、监控电网的 电能质量。电力系统中谐波主要是冶金、化工、电气化铁路及其他行业的换流 设备、非用电设备产生的。它们向公用电网注入谐波电流，在公用电网中产生 谐波电压，这些用电设备称为谐波源。其中尤为严重的谐波源是硅整流、可控 硅整流的换流设备和电弧炉、电焊机等非线性设备。大量的谐波电流流入电网， 在电网阻抗下产生谐波压降，叠加到电网基波上，引起电网电压波形畸变。随 着硅整流、可控硅整流的换流设备、电弧炉、电焊机等各种非线性负荷的增加， 大量的谐波电流流入电网，造成电压正弦波形畸变，使电能质量下降，给发供 电设备、用户用电设备、用电计量、继电保护带来�：Γ晌廴镜缤墓�。 谐波使电网中感性负载造成过电压、容性负载造成过电流，影响用电计量正确 度，对安全运行带来�：�。例如，使继电保护误动，引起避雷器、断路器爆炸 等；干预电子设备，使计算机误动作，电子设备误触发；使通讯回路、弱电回路产生杂音，甚至造成故障。采用ATT7022B芯片专门提供基波以及谐波电能测 量功能，可以将电压和电流中的基波成分以及谐波成分进行分离，直接提供精 确的基波功率以及基波电能的计量，也可以提供谐波功率和谐波电能的准确计 量。同时可以得到基波电压有效值、电流有效值或谐波电压有效值、电流有效 值等量来评估电网的电能质量。
整个电路采用线性电源11及电池电路13通过电源管理电路12供电。采用 线性变压器降压方式，变压器采用全密封方式，整洁可靠，同时由于后端功耗 很大，所以变压器的输出功率也是比较大。由于GPRS发射时的功耗非常之大， 可以达到1A之上，普通的稳压管根本不能输出这样的电流，所以选择最大可以 输出3A电流且输出电压可调的LM2576 ADJ作为稳压器件。将二合一各部分电 路的供电进行分割，上电时工作，下电后不工作的电路和上下电时都工作的电 路分开供电，上下电时都可以工作的电路根据功耗的大小及工作频繁程度分开 供电，并根据控制电路对各部分的供电情况进行控制，在不需要用到某部分电 路时可以对其不加以供电，做到可能的最小功耗，以保证下电时电池运行寿命 的最长；同时我们根据部分电路对表计运行及相关数据的重要程度，用不同的 电源对其供电，确保时间走时准确和数据的不丢失。下面对红外部分的电源供 给情况进行说明由于红外工作时功耗较大，可以达到几十个毫安，所以我们 对电表红外部分的供电与其他部分分开，我们采用的办法是将LM2576 ADJ的输 出电压调节为5. 7V，然后将5. 7V电压分成不同的分支，红外部分的供电为其中 一条分支。分成不同分支的目的是为了在上电时各部分电路工作时尽量少影响 其他部分的电源波动，这里特别是对于部分短时功耗较大的电路来说的，另一 个重要的考虑是在下电后电池供电时利用分支二极管的单向导通性，可以有针 对的供某部分电路电源；由于对于二合一表来说随时都可能抄收电表的相关数 据，不管是在外部有电还是没电的情况下，下电后对于红外的供电我们用两节 3V电池串联后降压提供，同时考虑到红外工作时功耗太大，电池电量有限，要 求电表在没有外部电源的情况下长时间可靠的运行，我们设计利用控制电路对此电源进行控制，每过一定的时间开启红外部分电源，红外接收管工作，红外 控制电路的设计也非常注重功耗问题，限流电阻在可以正�？刂频那疤嵯戮×� 选较大阻值。如果外部有红外操作，接收管会接收到信号，CPU确认有红外工作 后对红外部分电路长时间供电，直到有一定时间红外没有工作后，,CPU将红外电 源关闭，然后再进入循环电源打开，检测红外，电源关断，等待的这样一个 过程中，直到有下一次的红外信号，以上的软硬件设计可以最大限度的减小没
有外部电源供电时电池供电的功耗，延长电池供电时电表运行时间。.对GPRS通
讯�？榈墓┑缥颐峭饧幽獬涞绲绯兀谟型饧拥缭词倍阅獾绯亟谐涞纾�
在没有外部电源时利用镍氢电池对GPRS�？榻卸淌奔涞墓┑纾蛊淇梢越� 掉外部电源前用电现场的各种数据传输到相关系统上。
ATT7022B是一颗高精度三相电能计量芯片，适用于三相三线和三相四线电 能表的应用；集成了六路二阶sigma-deltaADC、参考电压电路以及所有功率、 能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路，能够测量各相 及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能 测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足三相复 费率和多功能表的需求；支持全数字域的增益、相位校正，即存软件校表；有 功、无功电能脉冲输出CF1、 CF2提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到 标准表进行误差校准；可以对基波有功、无功功率进行测量，提供脉冲输出， CF3和CF4提供瞬时基波有功功率以及基波无功功率信息，可直接用于基波的校 正；提供两类视在能量输出，RMS视在能量以及PQS视在能量，CF3和CF4也可 被配置为视在能量脉冲输出；提供一个SPI接口，方便与外部MCU之间进行计 量参数以及校表参数的传递，所有计量参数都可以通过SPI接口读出；内部有 电压检测电路，可以保证加电和断电时正常工作。
所述存储器5采用24LC256I芯片。24LC256I是美国Microchip公司的低 功耗CMOS串行EEPR0M，它是内含32K x 8 (256K bit)存储空间，具有工作电 压宽(2. 5 5. 5V)、擦写次数多(大于10000次)、写入速度快(小于5ms)等特点。24LC256I的1、 2、 3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址，第8 脚和第4脚分别为正、负电源，第5脚SDA为串行数据输入/输出，数据通过这 条双向I2C总线串行传送，第6脚SCL为串行时钟输入线，SDA和SCL都需要 和正电源间各接一个10K的电阻上拉，第7脚需要接地。24LC256I中带有片内 地址寄存器。每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加l，以实现对 下一个存储单元的读写。所有字节均以单一操作方式读取。为降低总的写入时 间， 一次操作可写入多达8个字节的数据。
所述红外通讯电路6采用一根输入线、 一根输出38K波形的输出线、 一根 输出发送信号波形的三线控制电路。红外通讯电路6分为发射和接收两部分。 发射部分的发射元件为红外发光二极管，它发出的是红外线而不是可见光，常 用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右，发射功率约100mW。接收
电路的红外接收管是一种光敏二极管，使用时要给红外接收二极管加反向偏压， 它才能正常工作而获得高的灵敏度。由于红外发光二极管的发射功率较�。� 外接收二极管收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益放大电路。然而现 在不论是业余制作或正式的产品，大都采用成品的一体化接收头。红外线一体 化接收头是集红外接收、放大、滤波和比较器输出等的�？椋阅芪榷�、可靠。 红外部分线路采用三线控制电路，即输出(发射)用两根线，输入(接收)用 一根线，输出其中一个口利用定时器一直输出38K波，另一个口输出发送信号 波形，可以看作是控制38K波的发送；接收由于采用集成接收头，到功能处理 芯片2管脚的为普通电平，所以用一个中断口连接，当接受到电平变化后进入 中断开始接收红外数据。
所述RS485电路7采用MAX13485芯片。RS485电路7是一种常用的串口， 具有网络连接方便、抗干扰性能好、传输距离远等优点。使用RS-485总线组网， 只需一对双绞线就可实现多系统联网构成分布式系统、设备简单、价格低廉、 通信距离长。在应用系统中，RS-485半双工异步通信总线是被各个研发机构广 泛使用的数据通信总线，它往往应用在集中控制枢纽与分散控制单元之间。为了实现总线与功能处理芯片系统的隔离，在功能处理芯片的异步通信口与
MAX13485之间采用光耦隔离。由于应用系统中，主机与分机相隔较远，通信线 路的总长度往往超过400米，而分机系统上电或复位又常常不在同一个时刻完 成。如果在此时MAX13485的DE端电位为"1 "，那么它的485总线输出将会 处于发送状态，也就是占用了通信总线，这样其它的分机就无法与主机进行通 信。这种情况尤其表现在某个分机出现异常情况下(死机)，会使整个系统通信 崩渍。因此在电路设计时，应保证系统上电复位时MAX13485的DE端电位为 "0"。由于功能处理芯片在复位期间，1/0口输出高电平，故电路的接法有效 地解决复位期间分机"咬"总线的问题。输出电路的设计要充分考虑到线路上 的各种干扰及线路特性阻抗的匹配。由于工程环境比较复杂，现场常有各种形 式的干扰源，所以485总线的传输端一定要加有保护措施。在电路设计中可以 选用能够抗浪涌的TVS瞬态杂波抑制器件，考虑到线路的特殊情况(如某一块 表的485芯片被击穿短路)，为防止总线中其它分机的通信受到影响，在MAX13485 的485信号输出端串联两个热敏电阻。这样本机的硬件故障就不会使整个总线 的通信受到影响。
GPRS通讯电路15采用移动通信网络，与电力终端系统进行通讯；每一个 电表通过一张入电力系统的SIM卡确定自己的身份，可以通过此号码接入电力 终端系统通讯，相当于一个手机终端，只是加入了不同的网络。采用性能稳定 可靠的sonyericsson GR64模块作为通讯�？�。GR64是带有GSM/GPRS全套语音 和数据功能的先进无线�？椤Ｆ涮寤�(仅50 x 33 x 7.2 mm)，所有功能都 集中在一块集成的芯片内；内嵌TCP/IP协议栈，使用户可以最大程度的縮短GPRS 产品的研发周期。GR64�？槭强梢耘渲玫模沟猛獠渴淙�、输出接口提供的外 部控制应用更有效，从而令GR64产品更适合M2M解决方案。
上述实施例是对本实用新型的说明，不是对本实用新型的限定，任何对本 实用新型简单变换后的结构均属于本实用新型的保护范围。
权利要求1. 电子式二合一电能表，其特征在于包括三相计量芯片(1)、带液晶驱动的功能处理芯片(2)，三相计量芯片(1)连接在功能处理芯片(2)的输入端，功能处理芯片(2)上还分别连接有脉冲输出电路(3)、LCD显示电路(4)、存储器(5)、红外通讯电路(6)、RS485电路(7)、带温度补偿的时钟芯片(8)、232通讯电路(14)、GPRS通讯电路(15)。
2. 如权利要求1所述的电子式二合一电能表，其特征在于所述三相计量芯片(1) 采用ATT7022B芯片。
3. 如权利要求l所述的电子式二合一电能表，其特征在于所述存储器(5)采 用24LC256I芯片。
4. 如权利要求1所述的电子式二合一电能表，其特征在于所述功能处理芯片(2) 采用STR710FZ2T6芯片。
5. 如权利要求1所述的电子式二合一电能表，其特征在于所述功能处理芯片(2)的输入端还连接有按键输入电路(9)和逆相序检测电路(10)。
6. 如权利要求1所述的电子式二合一电能表，其特征在于所述红外通讯电路(6)采用一根输入线、 一根输出38K波形的输出线、 一根输出发送信号波形 的三线控制电路。
7. 如权利要求1所述的电子式二合一电能表，其特征在于所述RS485电路(7) 采用MAX13485芯片。
8. 如权利要求1所述的电子式二合一电能表，其特征在于所述带温度补偿的 时钟芯片(8)采用DS3231芯片。
9. 如权利要求1至8中任何一项所述的电子式二合一电能表，其特征在于所 述GPRS通讯电路(15)采用GR64�？�。
专利摘要本实用新型公开了一种电子式二合一电能表，包括三相计量芯片、带液晶驱动的功能处理芯片，三相计量芯片连接在功能处理芯片的输入端，功能处理芯片上还分别连接有脉冲输出电路、LCD显示电路、存储器、红外通讯电路、RS485电路、带温度补偿的时钟芯片、232通讯电路、GPRS通讯电路。本实用新型电压、电流经取样电路分别取样后，经三相计量芯片进行处理并转化为数字信号送到功能处理芯片进行计算，功能处理芯片根据带温度补偿的时钟芯片的实时时间和预先设定的时段完成分时有功电能计量和最大需量计量；同时利用GPRS通讯电路完成用电现场各种参数的监控。一个产品同时具有计量及用电监控两个功能，成本大大降低。
文档编号G01R11/00GK201247268SQ200820162999
公开日2009年5月27日 申请日期2008年8月25日 优先权日2008年8月25日
发明者顾海松 申请人:浙江恒业电子有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
