电能表自诞生至今已有100多年的历史.doc

电能表的发展历程电能表自诞生至今已有100多年的历史。因为1kwh的电能量被定义为1度点，所以按计量单位，电能表又俗称电度表。电能表的发展分感应式电能表和电子式电能表两个阶段。 地台感应式电能表是1889年由德国人布拉热提出，由匈牙利的甘茨电度表表公司首先按布拉热的专利进行制造，其重量高达36.5公斤。这是感应式电能的雏形，经过一百多年的不断改进和完善，才逐步形成今天这样的成熟产品。感应式电度表是利用电压线圈和电流线圈在铝盘上产生的我流与狡辩刺痛相互产生磁力矩，推动铝质圆盘转动，同时引入制动力矩，使铝盘转速与负载功率成正比，铝盘的轴（蜗杆）带动齿轮驱动计数器的鼓轮转动，有计数器计算出转盘专属而测定出电能。（其外形见图1）随着电子技术的发展，人们开始在电能表中使用电子电路实现一些功能。早期的电子式电能表仍然采用感应式电能表的测量机构，由光电传感器完成电能一脉冲转换，然后由电子电路对脉冲进行计数处理，从而实现对电能的测量。由于这种表是感应式测量机构配以脉冲发生配置，因此被称为感应式脉冲电能表，也称电脉冲式电能表。这种表是感应式电能表向电子式电能表发展过程中得过渡产品。为了替代电磁感应式测量机构，从20世纪79年代起，人们开始研究炳实验采用电子电路的方案。其电子电路的共同特点是使用乘法器实现电功率的测量。目前常见的各类电子式电能表的测量机构均采用这种电路模式，按所使用的乘法器是模拟的还是数字的分为模拟乘法器型电子式电能表和数字乘法器型电子式电能表。（图2）就是一种常见的采用乘法器的电子式电能表。本文就是用这种电能表进行DIY。近年来，微电子技术和计算机技术的高速发展，使电子式电能表的技术也迅速进步，逐步使电能管理实现自动化与智能化。新型的电子式电能表能对用户的用电参数进行分析计算，然后实施控制处理，通常把具有这些功能的电子式电能表称为智能电表。常见的智能表有IC预付费电能表（图3）、多费率电能表（图4）、具有远程抄表和控制功能的电能表（图5）等。最近在往事看到厦门部分居民小区俺赚了一种具备智能用电功能的智能电表，捡来如果实现信息采集系统与智能电网的互动，市民出门在外时，可通过智能电表远程控制家用电表可为用户做出最优化的用电方案、节约用电。市场上还有一种智能插座（图6），把智能电表的有些方面有所扩展，插座上的LCD可以显示当前的用电量、功率、电压、电流、累计时间、频率、二氧化碳排放量等。 电子式电能表的工作原理电子式电能表的工作原理为：由分压器完成电压取样，由取样电阻完成电流取样，取样后的电压、电流信号由乘法器转换为功率信号，经V/F变换后，输出的脉冲信号推动计数器工作，如果是智能电表，则将脉冲信号输入单片机系统进行处理。要完成上述功能，就要采用专用的电功率测量芯片，其中最常用的AD7755就是一种高精度的电功率测量芯片，其内部的乘法器是数字型乘法器。AD7755的功能框图见图7 ，引脚见图8。它输出的脉冲信号可以直接驱动计数器的步进电机。AD7755的性能测试电路见图9。其中V1P、V1N为电流传感器的模拟输入端，V2P、V2N为电压传感器的模拟输入端。按图中SCF、S1、S0的接法、CF的输出频率是F1和F2的16倍。AD7755的信号处理框图见10两个ADC分别对来自CH1（交流电流取样）和CH2（交流电压取样）的电压信号进行数字化，这两个ADC都是16位的数模转换器。电流通道内的高通滤波器（HPF）滤掉电流信号中的直流分量，从而消除了由于电流或电压失调所造成的有功功率计算上的误差。瞬时功率由电压信号和电流信号直接相乘得到，通过低通滤波器（LPF）的得到有功功率。再经电压-频率转换，引脚F1和F2以较低频率形式输出有功功率平均值，此脉冲推动计数器计数。引脚CF以较高频率形式输出有功功率瞬时值，用于仪表校验，由于其输出频率较高，便于进行处理，一次本文利用CF输出的脉冲信号作为测量信号。 硬件电路把电子电能表机械计数改为电子数码计数器的电路见图11，我所使用的电子电能表的电路芯片是CES7755，只有16只引脚，他是AD7755的简化版本，用在这里的功能和AD7755一样。计数脉冲的输出端没有直接用CF，而是选了受CF控制的用于测试的光电耦合器的输出端。电路中的单片机选用AVR单片机ATmega8L，它在这里起到三个作用：1.对INTO输入的脉冲信号根据需要进行处理；2.采用动态扫描的方式驱动数码管显示用电量；3.用ATmenga8L内部的EEPROM储存用电量，保证掉电后数据不丢失。因为后面几个制作对单片机时钟频率精度要求比较高，所以电路中选择使用外部晶体振荡器的工作模式，时钟频率选8MHz。单片机采用外部复位电路。数码管的驱动电阻R4R11取值比较大是为减小电路的功耗，经试验数码管亮度也能满足要求。C1C4、VD1VD3、R1等组成电容降压式5V稳压电源，通过电容C1的电流约为46mA，由于采用了半波整流电路（VD22整流，VD1为C1提供反响充放电路），因此电源能提供的最大工作电流为23mA。电路的功耗约0.24W。注意采用电容降压，电容本身是不消耗功率的，有些人用通过电容的电流乘以220V交流电压计算功率是错误的。原电能表电路模块也采用电容降压式5V稳压电源，经用功率表测量两个电路的功耗总计为0.79W，远小于感应式电表的功耗。 程序设计对电子式电能表电路芯片CF端输出的脉冲进行计数即可对用电量进行计量，电能表每用1kWh电能所输出的脉冲数称为电能表常数，在表面上有标注，比如我选用的2220V2.5（10）A的电能表对应参数6400imp/kWh（电表的电容越大，这个参数就越小，比如220V5（20）A的电表对应参数3200imp/kWh），即每用1kWh电量CF端输出6400个脉冲，如单片机计数满640个脉冲就表明用了0.1kWh的用电量，本文把0.1kWh作为计量单位，数码管只显示整数部分，储存的数据精确到小数点后一位。程序由主程序、显示子程序、定时器/计数器0中断服务子程序、外部中断0服务子程序等部分组成。程序使用C语言编写，采用ICC AVR编译。主程序主要用来上电时读取EEPROM储存的用电量对端口、定时器/计数器0等进行初始化。定时器/计数器0（T/C0）中断服务子程序主要用来产生数码管动态扫描的定时驱动信号。T/C0使用8位寄存器TCNT0，这里通过预分频器将单片机的时钟频率分频后得到时钟源，分频系数选择64，计数寄存器TNT0的初始值为083，这样定时时间为1ms，即每过1ms扫描以为数码管，4位数码管的刷新周期为4ms。外部中断0（INT0）服务子程序对电能表输出的电量计数脉冲计数变量imp和总用电量变量total，total的单位0.1kWh，计数范围为19999.9kWh，数码管取整数显示。中断由输入脉冲的下降沿触发，每中断一次imp加1，当imp计满640时total加1，同时imp清零重新开始计数。为了防止断电造成电量数据丢失，使用ATmega8L自带的EEPROM对用电量进行储存，通常采用的方式。为简化电路，提高可靠性，本文采用每用0.1kWh储存一次的方式。也可以使用点一种工作模式，但电路中要增加断电检测电路，相应的程序中增加断电处理程序，在断电时依靠滤波电容上的电能把电量数据写入EEPROM。 电路制作1、元器件选择本文选用如前面图2所示电能表进行DAY，其市场售价为1315元。新加电路板所用的元器件清单见表1.装备先见目标文件写入ATmega8L，写入有关熔丝位的配置见表2.2、装配电路使用万用板装配，元器件的安装位置见图12，安装时不要随意改变元器件位置，空的地方在以后要安装其他元器件。数码管装在电路板反面，因原来引脚对应位置的焊接电被数码管盖住了，所以其引脚要向外弯折，如图13所示，这样接在数码管外围的焊接点上，才方便焊接。数码管的引脚见图14，连线时要特别小心仔细，如果接错线会产生乱码，查起来比较麻烦。为了避免反面接线太多，可将数码位驱动线接在元器件面，其余连线接在反面。原电能表的内部见图15，将机械计数器拆除装上新加的电路板，安装电路板时元器件面朝下，数码管朝上，安装好的内部见图16.电路板和电能表有四个连接线，先连接两根电源线（火线L和零线N），注意火线和零线不要搞错。然后找到电能表电路的光电耦合器，它是一块4根引脚的集成电路，再按图11中脉冲信号输入线的接线法接好两根脉冲信号输入线。原电能表玻璃下面的塑料面板应根据数码管的外形尺码将其观察窗口尺寸改大，以便让数码管正常显示，把塑料面板四周的卡子拨开就可以取出，重新开好孔的面板见图17.3、调试安装完毕，进仔细检查接线没有问题后通电进行调试，调试特别注意：由于电路板和220V交流电直接相连，因此调试时不要直接用手接触电路板。为安全起见，可先不接电路板的两根220V电源线，用外接5V直流电源进行测试。将电能表按其接线方式接入交流电源，同时在电能表输出端接入一台灯做负载，用万用表测量INT0输入端的对地的电压，当电能表电路模块上的脉冲发光二级管发光时该电压应瞬间下降，如果电压没有变化说明脉冲输入信号接反，应调一下两根线的顺序。调试好后将电能表外壳装好，接上电源和负载电能表就可以用了。使用一段时间待数码管读数增加后断一下输入电源再重新接上，看掉电后读数有没有丢失，没有丢失的话电能表的工作就完全正常了。正常使用中的电能表见图18由于对电能表原计量电路板没有任何改动，因此改装后的电能表精度不会有改变。 功率表 电能表电路芯片CSE7758的CF端输出的脉冲信号周期跟用电功率有关，用电功率越大，周期越小，因此通过测量此输出脉冲的周期即可知道所接负载的功率，根据这一原理我们可以给电能表增加功率测量的功能。 硬件电路电路见图1。因为数码管既要显示电量又要用它显示功率，所以在前面的电路上增加R12和发光二极管VD4点亮时数码管显示的是功率，反之显示的是电量。 程序设计有两处修改一是增加了功率的计算，二是增加了功率显示。在INTO外部中断处理子程序中增加一条语句“P=5625000/time；”用来作功率计算，其中变量P是功率，单位是0.1W（数码管只显示P的整数部分）。变量time是CSE77758CF端输出信号的脉冲周期，单位是毫秒（ms）。下面说一下这个公式的推导过程，以便换用其他规格的电能表时自己修改程序。我们使用的电能表的电能表常数为6400imp/KWh，用电功率为1W时CF每小时输出的脉冲数为6.4个，其周期为3600/6.4=562.5(s)=562500(ms)，因为负载功率跟CF输出的脉冲信号周期成反比，所以当脉冲周期为time是测量功率为562500/time（W），因为P的单位为0.1W，所以P=（562500/time）10=5625000/time。如果使用的电能表常数为3200imp/kWh，不难算出P=11250000/time。 制作与使用在原电路基础上增加元器件见表1。安装前先将目标文件zndb2_1.hex写入ATmega8L。由于功率表只显示测量功率的整数部分，因此能测量的最小功率为1W，功率较小时测量时间较长，如功率为10W时要过六秒后才能读到稳定测量结果，功率越大所需的时间越短，由于这里用的电能表的最大工作电流为10A，因此理论上能测量的最大功率为2200W。使用时要注意：接上负载后待CF端控制脉冲发光二级管闪烁两次后得到的才是稳定的测量读数。图3所示的时46英寸液晶电视机用功率的测量结果。电能表空载后将保持最后一次测量结果数分钟后才自动清零，在此之前重新接上负载则会很快刷新测量结果。 限电器为了防止学校单位集体属蛇住宿人员自行使用大功率电器，消除安全隐患，避免浪费电能，市场上出现了名为限电器的产品。常用的限电器有俩种类型：一种是限制总的用电功率，用电超负荷则自动断电，直至负载小于额定使用功率时才能恢复供电，另一种是智能限电器，根据负载的类型进行限电。对允许使用的如日光灯、风扇、电脑、电视机等电器不予限制，但对达到一定功率以上的电炉、热得快、电暖气、电吹风等电器进行限制。其工作原理是根据负载类型进行判别，日光灯、风扇、电脑、电视机式电感性负载，而电炉、热得快、电暖气、电吹风等电器是纯电阻性负载，当限电器发现纯电阻性负载功率大于设定值时即自动断电。对于上面第二种限电器，市场上已经出现了破解的专用插座，插座里装了一些电子元器件，使接上去的纯电阻负载用电器改变负载特性，从而逃避断电。所以认为还是第一种类型的限电器可靠性高，不存在破解的可能。下面介绍的在电能表上增加的限电器功能就属于这种类型，他和上述限电器相比还有以下两个优点：1.具有电能表、功率表限电器三种功能；2.能对用电总功率进行监控，当你发现负载功率接近限定功率时，可停工部分电器，避免超负荷被断电。 硬件电路电路见图4，在上面功率表电路的基础上又增加了由R13、VT、K等组合式会使电路工作电流增加，所以继电器吸合时会使电路工作电流增加，所以C1也增加了电容量，使最大工作电流增加到34mA。正常情况下ATmega8L的PC5端输出高电率，继电器K吸合，常开触点闭合，对负载正常供