一种低功耗单相智能电能表的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种低功耗单相智能电能表，其其包括：电源电路、电压采样电路、电流采样电路、计量芯片电路、存储电路、控制电路、液晶显示单元、红外通信模块、485通信模块、载波通信模块、ESAM安全模块和微处理器；在其中使用了存储芯片及磁耦隔离芯片ADUM1241。磁耦芯片最大耗电量为84mW，光耦耗电量最大200mW，能够节电60％左右。该技术的应用降低电能表自身功耗及电池供电状态下的功耗，解决电池欠压的问题。
【专利说明】一种低功耗单相智能电能表
【技术领域】
[0001]本发明属于电磁测量领域，具体涉及一种智能电能表，尤其是低功耗高稳定性电能表。
【背景技术】
[0002]智能电能表对功耗的要求越来越严格，一方面要控制正常计量时电能表自身的功耗，另一方面在停电时，电能表要保证实时时钟工作的功耗及液晶显示的功耗。目前产品在低功耗技术上还不够完善，普遍存在电池欠压的现象。
[0003]例如中国专利第200510032688号申请中公开的一种用于采集片区内分散用户电能表信息的网络式电能表，其在于I)网络式电能表是以微处理器为核心，由通信模块、显示模块、人机接口模块、数据处理模块等组成的微计算机系统；2)网络式电能表通过诸如以太网、CANBUS, PROFBUS或其它高速工业现场总线采集单用户电能量计量装置、多用户电能量集中计量装置或下级网络式电表的电能量，存贮在数据处理模块中，也可以通过有线或无线通信方式向上级集中装置转发；3)网络式电能表可以根据具体实际应用的要求，设置或不设置就地显示模块，对于人工抄表的场合可以通过网络式电表读取其下级所有单个电能表的有功电度、无功电度量，也可以查看其下级电表的工作状态信息；4)网络式电能表可以为独立的电能量查询系统，也可依附于其他的电子装置。
【发明内容】
[0004]为了解决上述技术问题，本发明提供一种低功耗单相智能电能表，其采用多种低功耗处理手段，降低电能表自身功耗及电池供电状态下的功耗，解决电池欠压的问题。
[0005]依据本发明的技术方案，提供一种低功耗单相智能电能表，其包括:电源电路、电压采样电路、电流采样电路、计量芯片电路、存储电路、控制电路、液晶显示单元、红外通信模块、485通信模块、载波通信模块、ESAM安全模块和微处理器；其中电源电路为各个模块电路供电；电压采样电路和电流采样电路输入到计量芯片的采集端口 ；计量芯片用于电能的计量并通过SPI总线与微处理器通信；存储电路通过I2C总线与微处理器通信，用于存储电量等信息；微处理器根据用电量和缴费信息输出拉合闸信号，驱动控制电路，控制用户用电；液晶显示单元显示电量、功率、电压、电流等信息；红外通信模块、485通信模块、载波通信模块均通过UART 口与微处理器通信；ESAM模块增加了电能表的安全性，只有通过身份验证才能改写电能表数据。
[0006]其中，存储电路使用存储芯片，存储芯片由微处理器I/O引脚供电，默认状态下I/O管脚输出低电平，存储芯片不工作；只有需要存取数据时，微处理器才控制I/O管脚输出高电平，为存储芯片供电，存储芯片通过I2C总线与微处理器交换数据；
[0007]进一步地，RS485、载波通信模块均经过磁耦隔离连接微处理器的UART 口。光敏电阻Rl —端接电源端、光敏电阻Rl的另一端连接电阻R2及微处理器的AD接口。电阻R2 —端接光敏电阻及微处理器的AD接口、电阻R2的另一端接地端。存储芯片Ul的A0、Al、A2和VSS均接地端、存储芯片Ul的VCC端口接微处理器的通用I/O接口 CPU_I/0端、存储芯片Ul的WP端口接地端、存储芯片Ul的SCL端口接微处理器的I2C接口 CPU_SCL端、存储芯片Ul的SDA端口接接微处理器的I2C接口 CPU_SDA端。
[0008]更进一步地，电容Cl并联在存储芯片Ul的VCC端口与WP端口之间；电阻R2并联在存储芯片Ul的VCC端口与SCL端口之间；电阻R2并联在存储芯片Ul的VCC端口与SDA端口之间。磁藕隔离芯片U2的VIA/VOA端口接通信模块的数据接收端RX、V1B端口接通信模块的数据发送端TX、GNDl端接通信模块电源地端、VOA/VIA端口接微处理器的数据发送到CPU_TX、VOB端口接微处理器的数据接收端CPU_RX、GND2端口接微处理器电源地端.
[0009]优选地，电容C2和电阻R4均串联在通信模块电源端VCCM与磁藕隔离芯片U2的VDDl端口。电容C3和电阻R5均串联在微处理器电源端VCC与磁藕隔离芯片U2的VDD2端
□ O
[0010]本发明的优势:1.电能表整体功耗低。2.用磁耦隔离芯片代替传统的光耦隔离芯片，设计了磁耦隔离电路。3.避免光线良好状态下点亮液晶背光，设计了光敏电阻检测电路。4.减少了 EEPROM芯片待机功耗。5.硬件设计模块化、软件设计标准化，嵌入式程序通用性增加便于产品升级和维护。本发明安全可靠，功耗低，经济及社会效益好。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是低功耗单相智能电能表的结构框图；
[0012]图2是低功耗单相智能电能表的电路结构示意图；
[0013]图3是低功耗单相智能电能表的存储芯片电路原理图；
[0014]图4是低功耗单相智能电能表的磁耦隔离电路原理图；
[0015]图5是低功耗单相智能电能表的程序流程图；
【具体实施方式】
[0016]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。
[0017]在本发明的电能表中使用了磁耦，磁耦是一种数字隔离器，可替代光耦，并在速度、功耗、使用性能等各方面都优于光耦。与光耦不同，磁耦是基于芯片级的变压器隔离技术，没有经光耦的光电转换过程，并且体积远远小于传统的光电耦合器件，而且在低功耗方案中的优势更加明显
[0018]以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。
[0019]参考附图1，具体给出了低功耗单相智能电能表的结构框图，低功耗单相智能电能表包括:电源电路、电压采样电路、电流采样电路、计量芯片电路、存储电路、控制电路、液晶显示单元、红外通信模块、485通信模块、载波通信模块、ESAM安全模块和微处理器。电源电路为各个模块电路供电；电压采样电路和电流采样电路输入到计量芯片的采集端口 ；计量芯片用于电能的计量并通过SPI总线与微处理器通信；存储电路通过I2C总线与微处理器通信，用于存储电量等信息；微处理器根据用电量和缴费信息输出拉合闸信号，驱动控制电路，控制用户用电；液晶显示单元显示电量、功率、电压、电流等信息；红外通信模块、485通信模块、载波通信模块均通过UART 口与微处理器通信；ESAM模块增加了电能表的安全性，只有通过身份验证才能改写电能表数据。
[0020]参考附图2，进一步给出低功耗单相智能电能表的电路结构示意图，存储芯片由微处理器I/O引脚供电，默认状态下，I/O管脚输出低电平，存储芯片不工作、不耗电，只有需要存取数据时，微处理器才控制I/o管脚输出高电平，为存储芯片供电，存储芯片通过I2C总线与微处理器交换数据；RS485、载波等通信模块均经过磁耦隔离连接微处理器的UART口 ；光敏电阻Rl —端接电源端、光敏电阻Rl的另一端连接电阻R2及微处理器的AD接口 ；电阻R2 —端接光敏电阻及微处理器的AD接口、电阻R2的另一端接地端。
[0021]参考附图3，进一步给出低功耗单相智能电能表的存储芯片电路原理图，存储芯片Ul的A0、A1、A2和VSS均接地端、存储芯片Ul的VCC端口接微处理器的通用I/O接口 CPU_I/O端、存储芯片Ul的WP端口接地端、存储芯片Ul的SCL端口接微处理器的I2C接口 CPU_SCL端、存储芯片Ul的SDA端口接接微处理器的I2C接口 CPU_SDA端；电容Cl并联在存储芯片Ul的VCC端口与WP端口之间；电阻R2并联在存储芯片Ul的VCC端口与SCL端口之间；电阻R2并联在存储芯片Ul的VCC端口与SDA端口之间。
[0022]参考附图4，进一步给出低功耗单相智能电能表的磁耦隔离电路原理图，磁藕隔离芯片U2的VIA/VOA端口接通信模块的数据接收端RX、VlB端口接通信模块的数据发送端TX、GNDl端接通信模块电源地端、VOA/VIA端口接微处理器的数据发送到CPU_TX、VOB端口接微处理器的数据接收端CPU_RX、GND2端口接微处理器电源地端；电容C2和电阻R4均串联在通信模块电源端VCCM与磁藕隔离芯片U2的VDDl端口；电容C3和电阻R5均串联在微处理器电源端VCC与磁藕隔离芯片U2的VDD2端口。
[0023]参考附图5，进一步给出低功耗单相智能电能表的工作流程图。
[0024]使用光敏电阻监测光亮情况，在光线暗的情况下，按下循显按键可以点亮背光，在光照好的情况下，无论用户是否按下按键，液晶背光均不亮，以达到节电效果。
[0025]步骤描述:
[0026]第一步，电能表加220V电压上电后开始工作，完成参数初始化工作(上电初始化)。
[0027]第二步，判断电能表是否掉电，电能表掉电后由电池供电，进入掉电数据处理子步骤，保存实时数据后进入低功耗工作模式。如果电能表未掉电，继续计量电能。
[0028]第三步，判断电能表是否需要存取数据，需要存取数据时，首先CPU控制I/O引脚输出高电平，为EEPROM上电，然后完成存取数据、记录事件操作。
[0029]第四步，判断电能表周围光线是否明亮，光线明亮则关闭背光；光线昏暗则继续判断是否循显，循显则点亮背光，否则关闭背光。
[0030]第四步，判断是否需要通信，需要通信时，CPU依据远程485、红外或载波方式，分别选择不同UART 口进行通信。
[0031]第五步，电能表完成其他程序，包括液晶显示、驱动继电器、ESAM安全认证、事件检测与报警等。
[0032]第六步，结束。
[0033]本发明核心设计思想是:(I)存储芯片由微处理器I/O管脚供电，默认状态下，I/O管脚输出低电平，存储芯片不工作、不耗电，只有需要存取数据时，微处理器才控制I/O管脚输出高电平，为存储芯片供电，并通过I2C总线存取数据。这样就能节省存储芯片等待期间消耗的电能。(2)将光耦隔离芯片LTV816S替换为磁耦隔离芯片ADUM1241。光耦隔离就是采用光耦合器进行隔离，光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏管封装在一起，发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出。磁隔离是基于芯片级变压器的隔离技术，磁隔离具有功耗低、长寿命、高性能、高可靠性等优点。磁耦芯片最大耗电量为84mW，光耦耗电量最大200mW，能够节电60%左右。(3)将光敏电阻采样信号输入到微处理器A/D端口，监测电能表使用环境的光照情况。在光照好的情况下，无论用户是否按下按键，液晶背光均不亮，以达到节电效果。
[0034]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。
【权利要求】
1.一种低功耗单相智能电能表，其包括:电源电路、电压采样电路、电流采样电路、计量芯片电路、存储电路、控制电路、液晶显示单元、红外通信模块、485通信模块、载波通信模块、ESAM安全模块和微处理器； 其特征在于，电源电路为各个模块电路供电；电压采样电路和电流采样电路输入到计量芯片的采集端口 ；计量芯片用于电能的计量并通过SPI总线与微处理器通信；存储电路通过I2C总线与微处理器通信，用于存储电量等信息；微处理器根据用电量和缴费信息输出拉合闸信号，驱动控制电路，控制用户用电；液晶显示单元显示电量、功率、电压、电流等信息；红外通信模块、485通信模块、载波通信模块均通过UART 口与微处理器通信；ESAM模块增加了电能表的安全性，只有通过身份验证才能改写电能表数据。
2.依据权利要求1所述的低功耗单相智能电能表，其特征在于，存储电路使用存储芯片，存储芯片由微处理器I/O引脚供电，默认状态下I/O管脚输出低电平，存储芯片不工作；只有需要存取数据时，微处理器才控制I/O管脚输出高电平，为存储芯片供电，存储芯片通过I2C总线与微处理器交换数据。
3.依据权利要求2所述的低功耗单相智能电能表，其特征在于，RS485、载波通信模块均经过磁耦隔离连接微处理器的UART 口。
4.依据权利要求2所述的低功耗单相智能电能表，其特征在于，光敏电阻Rl—端接电源端、光敏电阻Rl的另一端连接电阻R2及微处理器的AD接口。
5.依据权利要求2所述的低功耗单相智能电能表，其特征在于，电阻R2—端接光敏电阻及微处理器的AD接口、电阻R2的另一端接地端。
6.依据权利要求1所述的低功耗单相智能电能表，其特征在于，存储芯片Ul的A0、A1、A2和VSS均接地端、存储芯片Ul的VCC端口接微处理器的通用I/O接口 CPU_I/0端、存储芯片Ul的WP端口接地端、存储芯片Ul的SCL端口接微处理器的I2C接口 CPU_SCL端、存储芯片Ul的SDA端口接接微处理器的I2C接口 CPU_SDA端。
7.依据权利要求6所述的低功耗单相智能电能表，其特征在于，电容Cl并联在存储芯片Ul的VCC端口与WP端口之间；电阻R2并联在存储芯片Ul的VCC端口与SCL端口之间；电阻R2并联在存储芯片Ul的VCC端口与SDA端口之间。
8.依据权利要求1所述的低功耗单相智能电能表，其特征在于，磁藕隔离芯片U2的VIA/VOA端口接通信模块的数据接收端RX、VlB端口接通信模块的数据发送端TX、GNDl端接通信模块电源地端、VOA/VIA端口接微处理器的数据发送到CPU_TX、VOB端口接微处理器的数据接收端CPU_RX、GND2端口接微处理器电源地端。
9.依据权利要求8所述的低功耗单相智能电能表，其特征在于，电容C2和电阻R4均串联在通信模块电源端VCCM与磁藕隔离芯片U2的VDDl端口。
10.依据权利要求8所述的低功耗单相智能电能表，其特征在于，电容C3和电阻R5均串联在微处理器电源端VCC与磁藕隔离芯片U2的VDD2端口。
【文档编号】G01R11/00GK104502649SQ201410848752
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月29日 优先权日:2014年12月29日
【发明者】李银龙, 马华, 李双, 李宝英 申请人:李银龙