基于STM32的单相电能表设计
1984年创刊(双月刊)
ISSN 1009-3664      CN 42-1380/TN

基于STM32的单相电能表设计
作者:吕德勇 日期:2018-08-30 

基于STM32的单相电能表设计
吕德勇
(青岛大学自动化与电气工程学院,山东 青岛 266071)
摘要:电能计量装置所测得的相关电能数据,对电力部门及广大用户来说是重要的经济核算指标。随着相关电子技术的不断发展以及对电能计量装置要求的不断提高,计量装置智能化趋势日益明显【1】。文中介绍了一种基于STM32单片机及高性能电能计量芯片M90E26的单相电能表的设计,可以完成高精度电能数据的获取、传输、显示以及防止用户窃取用电等功能。
关键字:单相电能表;STM32;M90E26
0 引言
随着我国生活水平的不断提高和科技水平的不断发展,人们对电能的需求量不断增加【2】。同时广大用户特别是某些工艺、设备等对电能有特殊要求的用户,对供电连续性及电能的质量要求不断提高。因此,供电公司需不断地促进电力系统的发展以及通过相应措施提高电能质量。在用户侧与供电侧之间,电能计量装置可以将用户的用电情况及时反馈给供电部门。A/D转换器精度和高性能微处理器等电子技术的不断发展,使得电子式电能计量装置得到了不断的改进。电子式电能计量装置应用广泛,可以用于远程抄表,从而为用户的用电数据远程采集和计费等提供极大的方便。目前,电子式电能计量装置具有两种模式:一种是以电能计量芯片为主的设计模式,此模式中电能计量芯片可以根据芯片内部计量方式得出相应的电能计量数据并放置在相应的寄存器中供微处理器读取,主要应用于居民用电的单相用电计量场合;第二种计量模式是微处理器加A/D转换器组成,此模式中相关电能数据是通过转换器读取后送至微处理器由微处理器通过运算得出,往往应用于工业用电及对电能质量要求较高的场合。
本文研究的单相智能电能表采用的第一种模式,通过电压电流采集电路将相关电能数据传至电能计量芯片。
单相电能表的设计方法
1、1单相电能表的计量原理
用功率表述用户消耗电能的快慢程度,而电能表计量的是用户消耗的有功能量。由于家庭中用电设备的不断接入与退出以及用电设备在不同工作阶段消耗电能也不相同,因此用户负荷处于不断的变化中,使得采样装置无法快速准确测量得到每一周期内的电压、电流有效值以及二者相位差。针对此情况以及结合器件对电量的测量方式,可以采用将电流信号采样、电压信号采样以及数字乘法器三者结合的方法获取瞬时功率【3】。假设每次的采样间隔为∆t(应该足够短),一段时间间隔T用N×∆t表示,则采样点的瞬时功率如公式1所示:
P(t)=u(t)i(t)=u(k×∆t)i(k×∆t)  (1)  
式中,k为采样点打的采样时刻,k=1 ,2 , 3 , N。
则用户消耗的电能可以用公式2表示:
W=∑_(k=1)^N▒〖u(k×∆t)i(k×∆t)×∆t〗(2)
1、2单相电能表的总体设计框图
   本文研究的单相电能表主要由电压取样模块、电流采集模块、系统供电模块、电能信息显示模块、数据存储及传输模块等组成。系统的总体设计框图如图1所示

图1 电能表总体设计框图
该电能表设计的核心是电能计量模块以及微处理器控制模块【4】。其中电能计量单元采用ATMEL公司的M90E26芯片,它具有独立能量寄存器,并且有功/无功电能可通过脉冲输出或通过能量寄存器读取以适应不同的应用。同时,它具有高精度∑-∆转换器的数字式乘法器,将电压电流采样信号值相乘并通过相应运算得到相应电能参数存储在相应的寄存器中供微处理器读取。在5000:1的动态范围内,它的有功电能精度可以达到0.1%,无功电能精度可以达到0.2%。系统的控制模块采用意法半导体公司的STM32F103系列芯片,通过STM32对M90E26的工作模式电压、电流输入通道的增益等进行配置,并且读取存储在电能计量芯片相应寄存器中的有关电能数据。可以通过STM32编写相应的电费计量程序,将得到的数据进行处理,可将用户用电量及电费通过显示模块显示,并将一定时间内的数据存储在数据存储模块以便更好的掌握电能相关信息。与此同时,STM32可以通过数据传输模块将相关电能信息传输给电力部门。
1、3电压采集电路
用电阻分压网络来对电压进行采集,其电路如图2所示。

图2电压采集电路
M90E26的电压输入通道的范围是120μVrms〜600mVrms,因此需要通过选择合适参数的精密电阻,将220V的用电电压通过电阻分压网络转换为计量器件允许通过的电压范围【5】,并输送到M90E26的VP引脚以及VN引脚。此分压网络输入电压的计算公式如公式3所示:
V_PN=R_6/(R+R_6 )×V    (3)  
式中:V_PN表示电压取样信号有效值;
      V表示电网电压有效值
              R=R_1+R_2+R_3+R_4+R_5;

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