一种单相电能表的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种单相电能表，包括电能计量电路、微处理器、网络通讯接口电路等，其中所述网络通讯接口电路包括：第一光电耦合器，其输出端与所述微处理器的网络输入端连接；第二光电耦合器，其输入端与所述微处理器的网络输出端连接；网络收发器，其接收器输出端连接所述第一光电耦合器的输入端，其驱动器输入端连接所述第二光电耦合器的输出端；TVS二极管，连接在所述网络收发器的同相输入输出端和反向输入输出端之间；第一热敏电阻，其一端连接所述网络收发器的同相输入输出端；第二热敏电阻，其一端连接所述网络收发器的反相输入输出端；网络通讯接口连接器，连接所述第一热敏电阻和所述第二热敏电阻的另一端。
【专利说明】一种单相电能表
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电力领域，特别涉及一种单相电能表。
【背景技术】
[0002]现有国内外的单相电子式电能表的设计方案有以下两种:
[0003]1、单芯片方案(S0C)，就是计量电路、时钟电路与MCU合在同一个芯片中。这种方案的优点是电路简单成本低，缺点是计量精度和时钟精度低，可靠性差，达不到国网智能电能表的技术要求，只能用于设计简易的数据采集仪表。
[0004]2、组合式方案，选择专用多功能电能计量芯片、外部硬件时钟芯片和单片机。由专用多功能电能计量芯片采样与电能计量有关的电压、电流、功率因数等数据，计量有功正反向电量。由单片机实现数据的计算管理、显示、通讯、存储和欠费控制，实现分时电价和梯度电价的计量要求。优点是计量和时钟精度高，可靠性高，能满足国家电网公司对智能电表的技术要求；缺点是电路略复杂，成本略高，适合设计高级计量仪表。
[0005]在电能表的通讯方式上，为适用于农村、城市、工厂等不同的应用场景，已经存在包括红外通讯、485串行通讯、电力通讯、GPRS通讯等抄表方式的电能表的技术方案存在。但上述电能表缺少防雷击和强电误接设计，在雷击和强电误接时，容易导致通讯电路损坏，影响电能计量。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的在于提供一种单相电能表，能更好地解决上述技术问题。
[0007]根据本实用新型的一个方面，提供了一种单相电能表，包括:
[0008]用来提供工作电源的电源电路；
[0009]用来对用户使用电能进行计量的电能计量电路；
[0010]微处理器，其数据输入端连接所述电能计量电路的数据输出端；
[0011]红外通讯接口电路，其连接所述微处理器的红外输入输出端；
[0012]网络通讯接口电路，其连接所述微处理器的网络输入输出端；
[0013]其中，所述网络通讯接口电路包括:
[0014]用来实现电气隔离的第一光电耦合器，其输出端与所述微处理器的网络输入端连接；
[0015]用来实现电气隔离的第二光电耦合器，其输入端与所述微处理器的网络输出端连接；
[0016]网络收发器，其接收器输出端连接所述第一光电耦合器的输入端，其驱动器输入端连接所述第二光电耦合器的输出端；
[0017]TVS 二极管，连接在所述网络收发器的同相输入输出端和反向输入输出端之间；
[0018]第一热敏电阻，其一端连接所述网络收发器的同相输入输出端；
[0019]第二热敏电阻，其一端连接所述网络收发器的反相输入输出端；
[0020]网络通讯接口连接器，连接所述第一热敏电阻和所述第二热敏电阻的另一端。
[0021 ]优选地，所述电源电路是具有两路输出的串联线性电源。
[0022]优选地，所述串联线性电源包括:
[0023]次级具有两路输出的电源变压器，其中一路向所述网络通讯接口电路提供独立电源；
[0024]与所述电源变压器初级串联的第三热敏电阻；
[0025]与所述电源变压器初级并联的第一压敏电阻。
[0026]优选地，所述电能计量电路包括:
[0027]对输入电流进行采样的电流采样电路；
[0028]对输入电压进行采样的电压采样电路；
[0029]连接所述电流采样电路和电压采样电路的信号输出端的电能计量芯片。
[0030]优选地，所述电能计量芯片采用专用芯片ATT7053。
[0031]优选地，所述微处理器采用芯片PIC18F86J90。
[0032]优选地，所述单相电能表还包括:
[0033]电力线载波通讯电路，其连接所述微处理器的电力线载波输入输出端。
[0034]优选地，所述电力线载波通讯电路包含载波通信芯片PLCi38_III。
[0035]优选地，所述单相电能表还包括:
[0036]与所述微处理器的控制输出端连接的断送电控制电路。
[0037]优选地，所述的断送电控制电路包括:
[0038]与所述微处理器的控制输出端连接的用来接收断送电控制信号的继电器驱动电路；
[0039]与所述继电器驱动电路的输出端连接的用来接通或断开输入电源的磁保持继电器；
[0040]与所述磁保持继电器连接的用来将所述磁保持继电器的状态反馈至所述微处理器的状态反馈电路。
[0041]与现有技术相比较，本实用新型的有益效果在于:
[0042]1、本实用新型的网络通讯接口电路采用TVS 二极管、第一热敏电阻和第二热敏电阻，能够防止雷击或强电误接时对电路的损害。
[0043]2、本实用新型的网络通讯接口电路采用独立电源供电，其与微控制器之间的信号连接采用第一光电耦合器和第二光电耦合器实现电气隔离，有效避免网络通讯接口损坏对整个电能表的电量计量工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0044]图1是本实用新型实施例提供的单相电能表系统结构示意图；
[0045]图2是本实用新型实施例提供的单相电能表结构示意图；
[0046]图3是本实用新型实施例提供的网络通讯接口电路图；
[0047]图4a是本实用新型实施例提供的红外接收电路图；
[0048]图4b是本实用新型实施例提供的红外发射电路图；
[0049]图5a是本实用新型实施例提供的电力线载波信号接收、发射电路图；
[0050]图5b是本实用新型实施例提供的载波芯片部分电路图；
[0051]图6是本实用新型实施例提供的电源电路图；
[0052]图7a是本实用新型实施例提供的电压采样电路图；
[0053]图7b是本实用新型实施例提供的第一电流采样电路图；
[0054]图7c是本实用新型实施例提供的第二电流采样电路图；
[0055]图7d是本实用新型实施例提供的电能计量芯片电路图；
[0056]图8是本实用新型实施例提供的微处理器电路图；
[0057]图9是本实用新型实施例提供的继电器驱动电路图。
【具体实施方式】
[0058]以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0059]图1是本实用新型实施例提供的单相电能表系统结构示意图，如图1所示，包括电源电路、电能计量电路、MCU微处理器及外围电路、液晶显示电路、外部硬件时钟电路、数据存储电路、脉冲/[目号输出电路、通讯电路等。
[0060]其中，电能计量电路通过改进电能信号的采样方式，实现宽频域的单相电压和电流信号采样，保证电量和电参数的测量精度。
[0061]其中，电能计量电路采用专用多功能电能计量芯片，由专用多功能电能计量芯片采样与电能计量有关的电压、电流、功率因数等数据，计量有功正反向电量，以供MCU微处理器处理。
[0062]其中，通讯电路采用模块化设计，可以将红外通讯和RS485通讯作为基本通讯功能，将电力载波通讯功能、W1-FI无线通讯功能、或其他通讯方式(如ZIGBEE无线通讯功能、光纤通讯、GPRS通讯)设计为具有通用接口的独立模块，由用户选择使用。例如，设计三路独立的通讯接口电路，用于现场抄表的一路红外通讯接口电路，用于远程抄表和控制的一路网络通讯接口电路(例如RS-485和WiFi)和一路电力线载波通讯接口电路。
[0063]其中，本实用新型的电能表可以将数据传给集中器，集中器再通过GPRS或CDMA或PSTN(电话线)等方式将数据远传到Internet上，上位机工作站从Internet网获取数据和发布指令。
[0064]图2是本实用新型实施例提供的单相电能表结构示意图，如图2所示，包括:用来提供工作电源的电源电路，用来对用户使用电能进行计量的电能计量电路，数据输入端连接所述电能计量电路的数据输出端的微处理器，连接所述微处理器的红外输入输出端的红外通讯接口电路，连接所述微处理器的网络输入输出端的网络通讯接口电路。
[0065]其中，所述网络通讯接口电路包括:用来实现电气隔离的第一光电耦合器、用来实现电气隔离的第二光电耦合器、网络收发器、TVS 二极管、第一热敏电阻、第二热敏电阻和网络通讯接口连接器。进一步地，所述第一光电耦合器的输出端与所述微处理器的网络输入端连接，所述第二光电耦合器的输入端与所述微处理器的网络输出端连接；所述网络收发器的接收器输出端连接所述第一光电耦合器的输入端，驱动器输入端连接所述第二光电耦合器的输出端；所述TVS 二极管连接在所述网络收发器的同相输入输出端和反向输入输出端之间；所述第一热敏电阻的一端连接所述网络收发器的同相输入输出端；所述第二热敏电阻的一端连接所述网络收发器的反相输入输出端；所述网络通讯接口连接器连接所述第一热敏电阻和所述第二热敏电阻的另一端。
[0066]本实用新型的单相电能表可以设计有三个或以上独立通道的双向通讯接口，通讯规约可以符合DL/T645-2007通信规约的要求，并兼容DL/T645-1997。下面以网络通讯、红夕卜、电力线载波三个双向通讯接口为例，结合图3-图5进一步说明。
[0067]图3是本实用新型实施例提供的网络通讯接口(以RS485为例)电路原理图，如图3所示，RS-485通讯接口具有防雷击和防强电误接电路设计，其包括:
[0068]光电稱合器TP3,输出连接微处理器；
[0069]光电稱合器TP4,输入连接微处理器；
[0070]收发器HM3085EESA，其接收器输出弓丨脚1连接TP3的输入，其接收器输出使能弓|脚2和驱动器输出使能引脚3连接TP4的输出；
[0071 ] TVS 二极管D1，其连接在HM3085EESA的同相输入输出弓丨脚6和反相输入输出弓丨脚7之间；
[0072]热敏电阻RVT1，其一端连接HM3085EESA的反相输入输出引脚7 ；
[0073]热敏电阻RVT2，其一端连接HM3085EESA的同相输入输出引脚6 ；
[0074]连接器485AB-C0N，其连接所述RVT1和RVT2的另一端。
[0075]本实用新型是能够防雷击和误接强电设计的网络通讯接口，其采用独立电源供电，与主电路之间的信号连接采用TP3和TP4实现电气隔离，避免因通讯接口的损坏影响整体电路的计量工作。对于网络通讯接口电路，雷击能量由D1吸收，RVT1和RVT2在线路电流增大的瞬间进行断路保护，从而防止雷击和强电误接对电路的损害。
[0076]图4a和图4b分别是本实用新型实施例提供的红外接收和发射电路原理图，其用来现场抄表，如图4a和图4b所示，其中:
[0077]红外接收电路包括:
[0078]红外接收器FM-9038LM，其输出引脚连接微处理器。
[0079]红外发射电路包括:
[0080]三极管T8，其基极通过电阻R58连接微处理器；
[0081]红外发射管L2，其阴极连接T8的发射极，阳极连接3.3V电压；
[0082]三极管T9，其基极通过电阻R67连接微处理器，发射集接地，集电极通过电阻R59连接所述T8的集电极。
[0083]图5a是本实用新型实施例提供的电力线载波信号接收、发射电路图，如5b是本实用新型实施例提供的载波芯片部分电路图，如图5a和图5b所示，本实用新型的电力线载波通讯接口电路连接微处理器的电力线载波输入输出端，其具有内置式的电力线载波通讯模块，可单独更换，与数据集中器间实现电力线载波双向通信功能。其中，所述电力线载波通讯模块采用载波通信芯片PLCi38-1II，如图5b所示。PLCi38-1II是专门为电力线介质作为通信信道而设计的扩频通信芯片，该芯片具有通信可靠性高、帧中继转发策略、完善的网络数据通信协议集等特点，并且具有低成本、低功耗、外围器件少等特点。
[0084]图5a所示电路包括发送电路和接收电路，所述发送电路由扩频调制信号输入、谐振功率放大器和信号耦合电路三部分组成，其主要任务是高效率地输出信号功率，并将载波信号有效地注入电力线。所述接收电路由信号耦合电路、带通滤波器BPF和模拟前端AFE三部分组成，其主要功能是对来自电力线上的扩频通信信号进行有效的接收和模拟解调。所述接收电路的设计目标是提高频带内的信号接收功率(信号耦合电路设计的一部分，需要同发送部分统一设计)，并最大限度地抑制来自电力线上的噪声干扰，且使无源滤波网络的插入损耗最小。由于发送部分和接收部分的电路结构和元器件的选择使得发送部分和接收部分的相互影响较小。
[0085]其中，所述信号耦合电路是将载波通信电路与电力线连接的关键单元，其主要功能包括:滤除220VAC/50HZ (或110VAC/60Hz)的交流信号、抑制瞬时电压冲击(如:雷击造成的过电压、电网电压的浪涌和尖峰电压、及静电放电电压等)、能够高效率地将发射信号注入电力线，保证在电力线上的有效信号功率、对来自电力线上的有用信号实现最小的衰减和最佳接收、最大限度地抑制来自电力线上的噪声干扰、具有良好的带通滤波功能，满足相关标准对输出信号电平和谐波电平的要求。
[0086]进一步地，电容C2滤除交流50Hz信号，采用隔离变压器T1使电力线回路和通信单元安全隔离，并由电容C2和隔离变压器T1的次级线圈电感L构成高通滤波器的功能。
[0087]进一步地，瞬时电压冲击，例如雷击造成的过电压冲击、电网电压的浪涌和尖峰电压、某些用电设备所产生的尖峰干扰脉冲、工业火花，及静电放电电压等，会对电路系统起到破坏和干扰作用，因此，采用氧化锌压敏电阻器件对瞬时电压冲击进行抑制。
[0088]进一步地，利用双向瞬态电压抑制器TVS管F2对通频带内的冲击电压进行抑制。
[0089]进一步地，TS1是一颗20V的肖特基稳压管，本实施例主要利用其正向导通电压低的特点，保护P沟道的M0S管，考虑到产品的可靠性，可选用稳压二极管选用1N5817或SS12，或具有更低正向导通电压的二极管。
[0090]进一步地，电阻R7用来保护载波芯片。由于载波芯片采用的是M0SFET工艺，而放大电路的输入是容性的，因此串联一个0.22k的电阻来保护载波芯片。
[0091]进一步地，所述载波通信接口电路采用变压器供电。US6M2内部具有一颗P沟道的M0S管和一颗N沟道的M0S管，P沟道的耐流为1A，N沟道的耐流为1.5A，这就使整个载波电路的耐流为1A，所以供给这个放大电路的电源的功率不能太大，假如电源提供的功率非常大，当外界的阻抗很小时，就会有大电流流过US6M2，当超过它的额定值时，有可能会把US6M2烧掉，因此，为保护US6M2，载波通信电路采用变压器供电。
[0092]目前通讯方式很多，也可以采用如GPRS、CDMA、小灵通通讯、光纤通讯、蓝牙通讯、MBUS通讯、电话线M0DEN通讯、CAM、USB通讯等多种方式。
[0093]图6是本实用新型实施例提供的电源电路图，本实用新型所述电源电路是具有两路输出的可靠性高电磁干扰小功耗低的串联线性电源，包括次级具有两路输出的电源变压器F1、与所述F1初级串联的热敏电阻RVT3、与所述F1初级并联的压敏电阻M0V1、整流桥、三端稳压电路、滤波电路。
[0094]电源电路针对过电压的保护设计是在F1的初级先串联RVT3，再并联M0V1。M0V1的电阻随电压增加而减小，在过压瞬间M0V1形成一个低阻的分流器，这时热敏电阻因为过流而快速升温阻值变大最终形成开路，保护变压器两端电压不会进一步上升，保护后续电路。F1次级有两路输出，一路供给主电源使用，另一路专供给网络通讯接口电路(以RS485接口电路为例)使用，这样设计能够保证在RS485接口受强电攻击时不会造成整个电源的崩溃，计量电路还能够正常工作。
[0095]本实用新型采用上述串联电源具有成本低、寿命长、抗高频干扰的优点。
[0096]本实施例的电能计量电路包括:
[0097]对输入电压进行采样的电压采样电路，如图7a所示的电压采样电路图；
[0098]对输入电流进行采样的第一电流采样电路，如图7b所示的第一电流采样电路图；
[0099]对输入电流进行采样的第二电流采样电路，如图7c所示的第一电流采样电路图；
[0100]连接所述电压采样电路、第一和第二电流采样电路的信号输出端的电能计量芯片，如图7d所示的电能计量芯片电路图，其中，电能计量电路选用高精度电能计量专用芯片ATT7053，其能够在复杂的环境条件下保证计量精度和线性度。
[0101]图8是本实用新型实施例提供的微处理器电路图，如图8所示，所述微处理器采用芯片PIC18F86J90。所述PIC18F86J90通过SPI总线与电能计量芯片进行数字通讯，读取计量芯片上的电量数据和电网模拟参数，并对其进行分析、处理、存储、通讯、显示以实现电表的智能化。
[0102]具体地说，其引脚37(485_R1)和引脚38(485_T1)与网络通讯接口电路(例如RS485通讯)、电力线载波通讯电路连接，其引脚6 (ΤΧΗ)和引脚7(RXH)连接红外通讯接口电路，引脚 39 (DI)、引脚 40 (D0)、引脚 41 (CS)、引脚 42 (CL)、引脚 46 (C0N_3.3)与 ATT7053AU连接。
[0103]进一步地，所述单相电能表还包括:与所述微处理器的控制输出端连接的断送电控制电路，其包括:
[0104]与所述微处理器的控制输出端连接的用来接收断送电控制信号的继电器驱动电路；
[0105]与所述继电器驱动电路的输出端连接的用来接通或断开输入电源的磁保持继电器；
[0106]与所述磁保持继电器连接的用来将所述磁保持继电器的状态反馈至所述微处理器的状态反馈电路。
[0107]图9是本实用新型实施例提供的继电器驱动电路图，如图9所示，继电器驱动电路的断送电控制“开”传输口(即电阻R63的一端CTR_0N)连接微处理器的引脚36，继电器驱动电路的断送电控制“关”传输口(即电阻R66的一端CTR_0FF)连接微处理器的引脚35。
[0108]所述磁保持继电器的优点是节能，只在改变通断状态时动作一次，状态的维持由机械结构完成，不再耗能。MCU发出脉冲信号，由继电器驱动电路驱动继电器动作，反馈电路将继电器的状态反馈给MCU。如果状态不正确MCU将发出第二次驱动脉冲，若状态依旧不正确MCU将向主站发报警信号。
[0109]除上述电路外，本实用新型还包括时钟电路、液晶显示电路、数据存储电路等常见电路。
[0110]进一步地，本实用新型还包括具有通讯协议转换功能的W1-FI无线通讯模块，其在不修改电能表程序的情况下，仍然能够实现与不同规约的集中器(采集系统)的互联互通，只要更换通讯模块，就可兼容国外的通讯方式。具体地说，所述W1-FI无线通讯模块包括天线、无线接收和发射电路、W1-FI控制芯片、单片机、UART串行通讯接口电路和电源电路。该模块通过天线、无线接收和发射电路接收集中器发来的无线电信号，W1-FI控制芯片将信号解析后传输给单片机、单片机将通讯协议转换后经UART接口与电能表通讯，实现电能表与远传数据集中器的数据通讯。同样地，单片机经UART接口接收电能表数据，并将通讯协议转换后发送给W1-FI控制芯片，最后经由无线接收和发射电路、天线发送给集中器。
[0111]综上所述，本实用新型具有以下技术效果:
[0112]本实用新型能够满足中国国家电网要求的多功能、网络化、智能化的要求，是全新一代单相智能电能表，实现精确计量、自动抄表(数据可组网双向传输)，从而实现智能费率控制，满足分时电价和梯度电价的计费要求。
[0113]尽管上文对本实用新型进行了详细说明，但是本实用新型不限于此，本【技术领域】技术人员可以根据本实用新型的原理进行各种修改。因此，凡按照本实用新型原理所作的修改，都应当理解为落入本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种单相电能表，包括: 用来提供工作电源的电源电路； 用来对用户使用电能进行计量的电能计量电路； 微处理器，其数据输入端连接所述电能计量电路的数据输出端； 红外通讯接口电路，其连接所述微处理器的红外输入输出端； 网络通讯接口电路，其连接所述微处理器的网络输入输出端； 其特征在于，所述网络通讯接口电路包括: 用来实现电气隔离的第一光电耦合器，其输出端与所述微处理器的网络输入端连接；用来实现电气隔离的第二光电耦合器，其输入端与所述微处理器的网络输出端连接；网络收发器，其接收器输出端连接所述第一光电耦合器的输入端，其驱动器输入端连接所述第二光电耦合器的输出端； 丁％ 二极管，连接在所述网络收发器的同相输入输出端和反向输入输出端之间； 第一热敏电阻，其一端连接所述网络收发器的同相输入输出端； 第二热敏电阻，其一端连接所述网络收发器的反相输入输出端； 网络通讯接口连接器，连接所述第一热敏电阻和所述第二热敏电阻的另一端。
2.根据权利要求1所述的单相电能表，其特征在于，所述电源电路是具有两路输出的串联线性电源。
3.根据权利要求2所述的单相电能表，其特征在于，所述串联线性电源包括: 次级具有两路输出的电源变压器，其中一路向所述网络通讯接口电路提供独立电源； 与所述电源变压器初级串联的第三热敏电阻； 与所述电源变压器初级并联的第一压敏电阻。
4.根据权利要求1所述的单相电能表，其特征在于，所述电能计量电路包括: 对输入电流进行采样的电流采样电路； 对输入电压进行米样的电压米样电路； 连接所述电流采样电路和电压采样电路的信号输出端的电能计量芯片。
5.根据权利要求4所述的单相电能表，其特征在于，所述电能计量芯片采用专用芯片八丁丁7053。
6.根据权利要求1所述的单相电能表，其特征在于，所述微处理器采用芯片？1?:18？86了90。
7.根据权利要求1所述的单相电能表，其特征在于，所述单相电能表还包括: 电力线载波通讯电路，其连接所述微处理器的电力线载波输入输出端。
8.根据权利要求1所述的单相电能表，其特征在于，所述电力线载波通讯电路包含载波通信芯片
9.根据权利要求1-8任意一项所述的单相电能表，其特征在于，所述单相电能表还包括: 与所述微处理器的控制输出端连接的断送电控制电路。
10.根据权利要求9所述的单相电能表，其特征在于，所述的断送电控制电路包括: 与所述微处理器的控制输出端连接的用来接收断送电控制信号的继电器驱动电路； 与所述继电器驱动电路的输出端连接的用来接通或断开输入电源的磁保持继电器； 与所述磁保持继电器连接的用来将所述磁保持继电器的状态反馈至所述微处理器的状态反馈电路。
【文档编号】G01R1/36GK204142835SQ201420438079
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】谢晓晖 申请人:福建省农业机械化研究所