專利名稱：?jiǎn)蜗喾栏`電電能表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種微功耗單相電能表防竊電電能表，屬電能表制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
本申請(qǐng)人所有CN1648675A、名稱"單相防竊電電能表及防竊電計(jì)量方法"，該電能表的 電源管理模塊電源輸入端分別接交流電火線和零線、供電電流互感器、電池，電源管理模塊 輸出端接單片機(jī)MSP430FE42X的電源端，電流不平衡檢測(cè)電路的信號(hào)輸出端接單片機(jī) MSP430FE42X的接單片機(jī)中電流取樣信號(hào)的輸入端，防竊電檢測(cè)電路的信號(hào)輸出端接單片 機(jī)MSP430FE42X中電流取樣信號(hào)的輸入端，電壓檢測(cè)電路的信號(hào)輸出端接單片機(jī) MSP430FE42X中電壓取樣信號(hào)輸入端，單片機(jī)MSP430FE42X中驅(qū)動(dòng)模塊接LCD顯示器、 硬件通用異步/同步接收發(fā)送模塊接通信接口、脈沖輸出接口用于校表和計(jì)量。其美中不足的 是 一是MSP430FE42X內(nèi)置有計(jì)量芯片，其計(jì)量的方式為固定模式，造成電能表在防竊電 檢測(cè)測(cè)量的過(guò)程中，能耗高，檢測(cè)方法不盡完美，精度不理想；二是成本高。
發(fā)明內(nèi)容
設(shè)計(jì)目的避免背景技術(shù)中的不足之處，設(shè)計(jì)一種不采用計(jì)量芯片且能夠根據(jù)單片機(jī) MSP430FE42X內(nèi)在特性，通過(guò)測(cè)量計(jì)算的方法，使單片機(jī)MSP430FE42X能夠高可靠性、 高精度、超低能耗地完成防竊電測(cè)量、計(jì)算的單相防竊電電能表。
設(shè)計(jì)方案為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)目的，本實(shí)用新型在防竊電電能表的硬件選擇及方法設(shè)計(jì)上
1、 采用無(wú)內(nèi)置計(jì)量芯片的單片機(jī)作為本實(shí)用新型的主處理器，由于MSP430系列單片機(jī) 是一款超低功耗，16位RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，具有豐富的外圍模塊，靈活的時(shí)鐘源，其中數(shù) 字控制振蕩器DCO可使器件從低功耗模式迅速喚醒，16個(gè)寄存器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430系 列微控制器能達(dá)到最高的代碼效率。
MSP430F42x系列單片機(jī)配置有三個(gè)獨(dú)立的24位S-A模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是適用于測(cè)量和計(jì) 算二線或三線制的單相電能表的微控制器。
2、 MSP430的超低功耗特性
要實(shí)現(xiàn)全失壓測(cè)量，要求MCU的功耗低，功能強(qiáng)大。MSP430系列單片機(jī)是一款超低
功耗單片機(jī)，具有以下一些特性(l)工作電壓1.8V-3.6V; (2)超低功耗活動(dòng)模式200 U A (2.2V， 1MHz); (3)待機(jī)模式:l.luA; (4)關(guān)閉模式(RAM保持):0. luA; (5)5種省電模式: 從待機(jī)模式喚醒少于6微秒，MSP430F2xxx系列從待機(jī)模式喚醒少于1微秒；16位RISC結(jié) 構(gòu)，125納秒指令周期；MSP430F2xxx系列指令周期為62.5納秒；(6)具有豐富的外圍模塊 ADC12: 16位定時(shí)器Timer—B (7個(gè)捕獲/比較寄存器)；16位定時(shí)器Timer—A (3個(gè)捕獲/比 較寄存器)；兩路串行通訊接口 USARTO， USART1;硬件乘法器；集成160段LCD驅(qū)動(dòng)；內(nèi)置 模擬比較器Comparator-A(6)上電復(fù)位電路，供電電壓管理監(jiān)視模塊。
3、單相防竊電電能表，它包括表殼，電源管理模塊電源輸入端分別接交流電火線和零線、 供電電流互感器、電池，電源管理模塊輸出端接單片機(jī)的電源端，電流不平衡檢測(cè)電路的信 號(hào)輸出端接單片機(jī)的接單片機(jī)中電流取樣信號(hào)的輸入端，防竊電檢測(cè)電路的信號(hào)輸出端接單 片機(jī)中電流取樣信號(hào)的輸入端，電壓檢測(cè)電路的信號(hào)輸出端接單片機(jī)中電壓取樣信號(hào)輸入端， 單片機(jī)中驅(qū)動(dòng)模塊接LCD顯示器、硬件通用異步/同步接收發(fā)送模塊接通信接口、脈沖輸出 接口用于校表和計(jì)量，供電電流互感器套在單相交流電線上，其電流檢測(cè)信號(hào)的輸出端接電 源管理模塊的信號(hào)輸入端，供電電流互感器從電流回路中竊電，提供電表工作電源，所述的 單片機(jī)為MSP430F42X。
本實(shí)用新型與背景技術(shù)相比，充分利用單片機(jī)MSP430FE43X的內(nèi)在特性，采用測(cè)量計(jì)算 方法，不僅能夠高效、高可靠性、高精度地達(dá)到防竊電測(cè)量計(jì)算的目的，而且所構(gòu)成的防竊 電電能表，在防竊電測(cè)量的過(guò)程中，能耗極低、精度極高。


圖l是MSP430F42X單相防竊電電能表功能框圖。
圖2是MSP430F42X系列單片機(jī)模擬前端電路圖。
圖3為電源管理的電路圖。
圖4是單相電能表防竊電的流程圖。
圖5是中斷程序流程圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l:參照附圖1 5。單相防竊電電能表，它包括表殼，電源管理模塊電源輸入端 分別接交流電火線和零線、供電電流互感器、電池，電源管理模塊輸出端接單片機(jī)的電源端， 電流不平衡檢測(cè)電路的信號(hào)輸出端接單片機(jī)的接單片機(jī)中電流取樣信號(hào)的輸入端，防竊電檢 測(cè)電路的信號(hào)輸出端接單片機(jī)中電流取樣信號(hào)的輸入端，電壓檢測(cè)電路的信號(hào)輸出端接單片 機(jī)中電壓取樣信號(hào)輸入端，單片機(jī)中驅(qū)動(dòng)模塊接LCD顯示器、硬件通用異步/同步接收發(fā)送 模塊接通信接口、脈沖輸出接口用于校表和計(jì)量，供電電流互感器套在單相交流電線上，其 電流檢測(cè)信號(hào)的輸出端接電源管理模塊的信號(hào)輸入端，供電電流互感器從電流回路中竊電， 提供電表工作電源，所述的單片機(jī)為MSP430F42X， MSP430F42x系列單片機(jī)配置有三個(gè)獨(dú) 立的24位S-A模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是適用于測(cè)量和計(jì)算二線或三線制的單相電能表的微控制器。
電流不平衡檢測(cè)電路的電流信號(hào)取樣端分別接分流電阻的兩端，分流電阻串接在交流電零線上，電流不平衡檢測(cè)電路的電流信號(hào)取樣輸出端接單片機(jī)MSP430F42X中電流取樣信號(hào) 的輸入端，防竊電檢測(cè)電路由電流互感器和取樣電路構(gòu)成，電流互感器套在單相交流電線上， 其輸出端與取樣電路的輸入端連接，取樣電路的輸出端接單片機(jī)MSP430F42X中電流取樣信 號(hào)的輸入端。
交流電電壓檢測(cè)電路的電壓檢測(cè)端分別與交流電火線和零線相接、電壓信號(hào)輸出端接單 片機(jī)MSP430F42X中電壓取樣信號(hào)輸入端。
1、 MSP430系列單片機(jī)是一款超低功耗，16位RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，具有豐富的外圍模 塊，靈活的時(shí)鐘源，其中數(shù)字控制振蕩器DCO可使器件從低功耗模式迅速喚醒，16個(gè)寄存 器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430系列微控制器能達(dá)到最高的代碼效率。它的這些特性特別適合電池 供電，可大大延長(zhǎng)電池壽命。
MSP430F42x系列單片機(jī)配置有三個(gè)獨(dú)立的24位S-A模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是適用于測(cè)量和計(jì) 算二線或三線制的單相電能表的微控制器，配合MSP430的超低功耗性能，很容易的實(shí)現(xiàn)單 相電能表以下防竊電的測(cè)量
(1)電流不平衡時(shí)的防竊電測(cè)量電流不平衡典型為零線接地或火線短接；
(2) 電流反向時(shí)的防竊電測(cè)量電流反向典型為火線的進(jìn)出端口連接對(duì)換；
(3) 移除主電壓時(shí)的防竊電測(cè)量移除主電壓典型為拆除電表的零線或火線連接，沒(méi)有電
壓信號(hào)進(jìn)入電表。
2、 MSP430F42x單相防竊電電能表功能結(jié)構(gòu)
MSP430F42X單相防竊電電能表可實(shí)現(xiàn)較全面的防竊電測(cè)量，圖1是MSP430F42X單相 防竊電電表功能框圖，MSP430F42X單相防竊電電能表可分為以下幾個(gè)功能模塊多功能防 竊電計(jì)量、電源管理、LCD顯示、通信接口、脈沖輸出、帶溫度補(bǔ)償實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。
3、 多功能防竊電計(jì)量
多功能計(jì)量體現(xiàn)在電能表能夠?qū)崿F(xiàn)有功、無(wú)功、視在功率、功率因數(shù)，電流有效值、電 壓有效值、頻率、相位等的測(cè)量。
三種主要的防竊電測(cè)量
1)電流不平衡時(shí)的防竊電測(cè)量
電流不平衡包括任何的火線和零線的測(cè)量得到的負(fù)載電流不平衡的情況，通常電流不平 衡表現(xiàn)為零線接地或火線短接。
為了檢測(cè)電流的不平衡，除了檢測(cè)火線的電流外，還要檢測(cè)零線的電流，因此需要兩個(gè)
電流傳感器；由于隔離原因，可以在一路的電流通道上選用低成本的錳銅電阻，但是另一路 就必須使用成本相對(duì)較高的電流互感器。在這里，以火線上使用電流互感器，接在11+， II-上，零線上使用錳銅電阻，接在I2+， 12-上為例，畫出MSP430F42X單相防竊電電能表功能 框圖，如圖1所示。
在圖1MSP430F42X單相防竊電電能表功能框圖中，內(nèi)置三個(gè)獨(dú)立24位S-A ADC的單片機(jī)MSP430F42X進(jìn)行兩個(gè)電流通道(火線、零線)和一個(gè)電壓通道的采樣，并在單片機(jī) 內(nèi)部處理、比較兩個(gè)電流通道的電流大小，實(shí)現(xiàn)電流不平衡時(shí)的檢測(cè)。兩個(gè)電流通道的傳感 器分別選用了錳銅電阻和電流互感器，電壓通道采用電阻分壓實(shí)現(xiàn)。
2) 電流反向時(shí)的防竊電測(cè)量
調(diào)換進(jìn)出線是竊電者經(jīng)常釆取的竊電行為，電流反向典型為火線的進(jìn)出端口連接對(duì)換。 通過(guò)在單片機(jī)內(nèi)部判斷測(cè)量的功率的正負(fù)來(lái)檢測(cè)電流是否反向，不需要任何的輔助元器件就 能實(shí)現(xiàn)電流反向的檢測(cè)。同時(shí)，我們可以預(yù)置電流反向時(shí)的處理方式，如電流反向時(shí)取功率 或電能的絕對(duì)值為測(cè)量值等等，實(shí)現(xiàn)電流反向的防竊電測(cè)量。
3) 移除主電壓時(shí)的防竊電測(cè)量
移除主電壓表現(xiàn)為移除電能表接線(火線和零線)中的其中一路，通常竊電者移除零線， 使得電表沒(méi)有電網(wǎng)電壓的進(jìn)入，導(dǎo)致電能表沒(méi)有供電電源，不能正常計(jì)量或不能工作。
對(duì)付這種竊電行為，可用一個(gè)低成本的電流互感器CT (圖1中的供電CT)從剩下的連 接電表的導(dǎo)線中流經(jīng)的電流上獲取很小的電能，經(jīng)過(guò)電源管理模塊的處理，給電能表供電， 使電能表實(shí)現(xiàn)防竊電測(cè)量。由于電能表成本、電能表表殼的尺寸以及電子元器件能夠承受的 最大電流的影響，選擇從電流上取電的CT是受限制的，因此能從電流上獲取的給電能表供 電的電能也受限制的，特別當(dāng)負(fù)載電流很小時(shí)，能從電流上竊取的電能將不能勝任電能表供 電電源。供電部門通常希望當(dāng)負(fù)載電流大于1A時(shí)就能實(shí)現(xiàn)電能表的防竊電測(cè)量，當(dāng)然對(duì)于 供電部門來(lái)說(shuō)，這個(gè)能實(shí)現(xiàn)防竊電測(cè)量的負(fù)載最小電流極限值越小越好?；谝陨系囊?， 需要選擇一個(gè)在移除主電壓防竊電測(cè)量時(shí)功耗很小的方案以保證能順利完成防竊電的測(cè)量。 所以配合MSP430F42X系列單片機(jī)的超低功耗特性和豐富的模擬前端可以較為容易的實(shí)現(xiàn) 移除主電壓時(shí)的防竊電測(cè)量。模擬前端的具體電路如圖2所示。
4、電源管理
圖1MSP430F42X單相防竊電電表功能框圖中，除電池外，電能表的電源供給有兩步分 組成， 一是火線和零線的主電壓提供電源，另一部分是供電CT從電流上竊取提供電源，所 以當(dāng)移除主電壓時(shí)，供電CT從電流上竊取的電源仍能保存電能表工作，進(jìn)行防竊電測(cè)量。 圖3為電源管理的電路圖。
供電CT需要在小電流時(shí)也能夠驅(qū)動(dòng)電能表工作。通常當(dāng)負(fù)載電流為1A時(shí)， 一個(gè)小的 CT提供等效于lmA/3V，這對(duì)于具有豐富模擬前端的超低功耗的MSP430F42X單片機(jī)來(lái)說(shuō) 已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)防竊電測(cè)量。當(dāng)然如果選用更大的CT能降低移除主電壓防竊電測(cè)量的負(fù)載最 小電流極限值，但是這一方面將增加供電CT的成本，另一方面，當(dāng)負(fù)載電流很大時(shí)，電源 管理相關(guān)的元器件將承受很大的壓力，并有可能損壞，所以以選用大CT的方法來(lái)降低移除 主電壓防竊電測(cè)量的負(fù)載電流極限值是不可取的。
5、 LCD顯示
MSP430F42x內(nèi)部具有LCD驅(qū)動(dòng)器，最多可取動(dòng)顯示128段碼，能很好的完成LCD顯 示功能，無(wú)需再擴(kuò)展LCD驅(qū)動(dòng)器，只要直接將液晶的各個(gè)腳與MSP430F42x對(duì)應(yīng)的LCD驅(qū) 動(dòng)輸出的腳相連即可。
6、 通信接口
MSP430F42x具有一個(gè)硬件通用異步/同步接收發(fā)送(USARTO)外圍模塊，用于串行數(shù) 據(jù)通信。MSP430F427x單相防竊電電能表可選擇光學(xué)通信接口、 RS-232/RS-485接口或者兩者兼有。
7、 脈沖輸出
脈沖輸出是用來(lái)校表、計(jì)量的，脈沖輸出電路由普通I/O加光耦隔離實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)潔。
8、 帶溫度補(bǔ)償實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC:
實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC可由MSP430單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)。內(nèi)置的溫度傳感器可方便的實(shí)現(xiàn) 溫度的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC的溫度補(bǔ)償。
需要理解到的是上述實(shí)施例雖然對(duì)本實(shí)用新型作了比較詳細(xì)的說(shuō)明，但是這些說(shuō)明只 是說(shuō)明性的，而不是對(duì)本實(shí)用新型的限制，任何不超出本實(shí)用新型實(shí)質(zhì)精神內(nèi)的發(fā)明創(chuàng)造， 均落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)；其次，本申請(qǐng)重點(diǎn)敘述了基于MSP430FE42X的低功耗性能和豐富的模擬前端等特性的防竊電電能表的防竊電功能，其所說(shuō)的單相防竊電電能表是在 正常的單相多功能、多費(fèi)率電能表上加上防竊電功能，所以MSP430FE42X單相防竊電電能表可以是單相多功能表的形式，也可以是單相多費(fèi)率的形式以及其他的電能表形式。
權(quán)利要求1、一種單相防竊電電能表，它包括表殼，電源管理模塊電源輸入端分別接交流電火線和零線、供電電流互感器、電池，電源管理模塊輸出端接單片機(jī)的電源端，電流不平衡檢測(cè)電路的信號(hào)輸出端接單片機(jī)的接單片機(jī)中電流取樣信號(hào)的輸入端，防竊電檢測(cè)電路的信號(hào)輸出端接單片機(jī)中電流取樣信號(hào)的輸入端，電壓檢測(cè)電路的信號(hào)輸出端接單片機(jī)中電壓取樣信號(hào)輸入端，單片機(jī)中驅(qū)動(dòng)模塊接LCD顯示器、硬件通用異步/同步接收發(fā)送模塊接通信接口、脈沖輸出接口用于校表和計(jì)量，供電電流互感器套在單相交流電線上，其電流檢測(cè)信號(hào)的輸出端接電源管理模塊的信號(hào)輸入端，供電電流互感器從電流回路中竊電，提供電表工作電源，其特征是所述的單片機(jī)為MSP430F42X。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的單相防竊電電能表，其特征是MSP430F42x系列單片機(jī)配置有三 個(gè)獨(dú)立的24位S-A模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是適用于測(cè)量和計(jì)算二線或三線制的單相電能表的微控制 器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的單相防竊電電能表，其特征是電流不平衡檢測(cè)電路的電流信號(hào)取 樣端分別接分流電阻的兩端，分流電阻串接在交流電零線上，電流不平衡檢測(cè)電路的電流信 號(hào)取樣輸出端接單片機(jī)MSP430F42X中電流取樣信號(hào)的輸入端，防竊電檢測(cè)電路由電流互感 器和取樣電路構(gòu)成，電流互感器套在單相交流電線上，其輸出端與取樣電路的輸入端連接， 取樣電路的輸出端接單片機(jī)MSP430F42X中電流取樣信號(hào)的輸入端。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的單相防竊電電能表，其特征是交流電電壓檢測(cè)電路的電壓檢測(cè)端 分別與交流電火線和零線相接、電壓信號(hào)輸出端接單片機(jī)MSP430F42X中電壓取樣信號(hào)輸入 端°
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種微功耗單相電能表防竊電電能表，電源管理模塊電源輸入端分別接交流電火線和零線、供電電流互感器、電池，電源管理模塊輸出端接單片機(jī)的電源端，電流不平衡檢測(cè)電路的信號(hào)輸出端接單片機(jī)的接單片機(jī)中電流取樣信號(hào)的輸入端，防竊電檢測(cè)電路的信號(hào)輸出端接單片機(jī)中電流取樣信號(hào)的輸入端，電壓檢測(cè)電路的信號(hào)輸出端接單片機(jī)中電壓取樣信號(hào)輸入端，單片機(jī)中驅(qū)動(dòng)模塊接LCD顯示器、硬件通用異步/同步接收發(fā)送模塊接通信接口、脈沖輸出接口用于校表和計(jì)量，供電電流互感器套在單相交流電線上，其電流檢測(cè)信號(hào)的輸出端接電源管理模塊的信號(hào)輸入端，供電電流互感器從電流回路中竊電，提供電表工作電源，單片機(jī)為MSP430F42X。
文檔編號(hào)G01R21/133GK201181315SQ20072011446
公開(kāi)日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2007年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月8日
發(fā)明者周震宇, 源 梁, 趙振東, 鄭經(jīng)歐, 陳賢興 申請(qǐng)人:杭州利爾達(dá)科技有限公司