感應(yīng)式電能表的智能化改進(jìn)

摘要：介紹了利用AVR單片機(jī)AT90S8515的輸入捕捉功能對(duì)感應(yīng)式電能表進(jìn)行智能化改進(jìn)的方法，討論了新型防盜電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，給出了用AT90S8515單片機(jī)設(shè)計(jì)帶有防盜電功能的感應(yīng)式電能表的改進(jìn)電路組成及工作過程。

現(xiàn)在使用的電能表可分為三種形式，即感應(yīng)式電能表、脈沖電能表和電子電能表。感應(yīng)式電能表由于價(jià)格低廉、計(jì)量準(zhǔn)確而得到廣泛使用。它利用金屬鋁轉(zhuǎn)盤中的感應(yīng)電流與通有交流電流的固定線圈的磁場(chǎng)相互作用來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩以驅(qū)動(dòng)鋁盤旋轉(zhuǎn)，從而得到累計(jì)消耗的電能。但感應(yīng)式電能表由于自身無防盜電功能，隨著電力事業(yè)的發(fā)展，這一缺點(diǎn)給電力部門帶來的損失日益突現(xiàn)出來。因此，在感應(yīng)式電能表的基礎(chǔ)上加裝防盜電功能，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

１　感應(yīng)式電能表盜電現(xiàn)象分析

在感應(yīng)式電能表的使用中，常見的盜電方式有以下幾種：

（１）在電能表的內(nèi)部斷開電壓扣，使得固定線圈內(nèi)無交流電流通過而不產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而使鋁盤不能旋轉(zhuǎn)，并最終導(dǎo)致電能表不能對(duì)累計(jì)消耗的電能進(jìn)行計(jì)量。

（２）電能表的進(jìn)出線反接，使鋁盤產(chǎn)生相反的旋轉(zhuǎn)，以減小電能表計(jì)數(shù)。

（３）在電能表的外部用導(dǎo)線短接電能表，電能表的計(jì)量值僅為實(shí)際耗電的一半。

２　新型防盜電系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)

在分析了防盜電現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，筆者設(shè)計(jì)了一種帶防盜電功能的新式智能化感應(yīng)式電能表。該系統(tǒng)主要由光電轉(zhuǎn)換電路、電流檢測(cè)電路、單片機(jī)ＡＴ９０Ｓ８５１５、繼電器和報(bào)警電路等組成。其系統(tǒng)組成框圖如圖１所示。

該系統(tǒng)的工作原理是將鋁盤的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)輸入到單片機(jī)，然后由霍爾磁敏傳感器電路將電能表輸入端的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸入到單片機(jī)中。這樣，當(dāng)有人盜電時(shí)，會(huì)引起電能表的鋁盤不轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，而輸入導(dǎo)線中仍有電流，此時(shí)的單片機(jī)會(huì)檢測(cè)到這些狀態(tài)并使蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)繼電器斷開，供電停止。

３ 各電路工作原理

３．１ 光電轉(zhuǎn)換電路

光電轉(zhuǎn)換電路主要將鋁盤的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為電脈沖，以此來作為單片機(jī)的一個(gè)檢測(cè)信號(hào)。它以感應(yīng)式電能表的電磁系統(tǒng)為工作元件，并在電能表的鋁盤表面印上黑色的分度線進(jìn)行分度。為了區(qū)分鋁盤的正反轉(zhuǎn)，分度線間隔寬度應(yīng)按順時(shí)針方向逐漸增加，然后用反射式光電頭發(fā)射光束來采集分度線標(biāo)記，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路變換，最后輸出與鋁盤旋轉(zhuǎn)速度和分度線寬度成正比的電脈沖以給單片機(jī)提供一路檢測(cè)信號(hào)。其電路如圖２所示。圖２中， Ｄ１為發(fā)光管ＨＧ４１０，Ｄ２為接收管３ＤＵ３１，它們按一定的角度被固定在旋轉(zhuǎn)鋁盤的上方，當(dāng)鋁盤的黑色分度線到達(dá)光線區(qū)時(shí)，Ｄ２接收管的集電極輸出一正脈沖，并經(jīng)ＣＤ４０６９的兩個(gè)非門和Ｒ３構(gòu)成的施密特觸發(fā)器整形后加到單片機(jī)的定時(shí)／計(jì)數(shù)器Ｔ１的輸入捕捉端（ＩＣＰ），作為捕捉信號(hào)。

３．２ 電流檢測(cè)電路

電流檢測(cè)電路主要由線性霍爾磁敏傳感器ＵＧＮ３５０１Ｔ、鉗形冷軋硅鋼片和信號(hào)處理電路組成。其電路如圖３所示。

    該電路將霍爾元件置于鉗形冷軋硅鋼片的空隙中，當(dāng)有電流流過導(dǎo)線時(shí)，就會(huì)在鉗形圓環(huán)中產(chǎn)生磁場(chǎng)，其大小正比于流過導(dǎo)線的電流，這個(gè)磁場(chǎng)作用于霍爾元件上并感應(yīng)出相應(yīng)的霍爾電勢(shì)，該電勢(shì)經(jīng)過運(yùn)算放大器μＡ７４１放大后，再加到由運(yùn)算放大器μＡ７４１組成的比較器中，這樣，當(dāng)電路中有電流流過時(shí)，比較器輸出的高電平將作為單片機(jī)的一個(gè)檢測(cè)信號(hào)加到單片機(jī)的ＰＣ０端。

３．３ 單片機(jī)系統(tǒng)電路

單片機(jī)系統(tǒng)電路主要完成對(duì)光電檢測(cè)信號(hào)、電流檢測(cè)信號(hào)的比較計(jì)算，同時(shí)輸出控制報(bào)警信號(hào)。該電路由單片機(jī)ＡＴ９０Ｓ８５１５、固體繼電器，蜂鳴器報(bào)警電路等組成，電路如圖４所示。

該電路將光電信號(hào)加到單片機(jī)的輸入捕捉ＩＣＰ端的目的是利用定時(shí)／計(jì)數(shù)器Ｔ１的輸入捕捉功能來檢測(cè)光電轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖及脈沖寬度的變化情況，以確定鋁盤的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。將電流檢測(cè)電路的輸出信號(hào)加到ＰＣ０端，然后通過讀取ＰＣ０的電平值和Ｔ１對(duì)光電信號(hào)的捕捉結(jié)果，就可以判斷是否有盜電情況發(fā)生。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將ＰＣ１端接繼電器驅(qū)動(dòng)電路，ＰＣ２端接蜂鳴器報(bào)警電路。

４ 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要完成對(duì)ＩＣＰ端輸入信號(hào)的捕捉、信號(hào)脈沖寬度的記錄以及對(duì)相連３個(gè)脈沖信號(hào)的寬度進(jìn)行比較。其信號(hào)捕捉與脈沖計(jì)算程序流程框圖如圖５所示。該電能表工作時(shí)，可根據(jù)上述比較結(jié)果和ＰＣ０口電平的高低來判定是否有盜電情況發(fā)生，若檢測(cè)到ＰＣ０端為高電平，而定時(shí)／計(jì)數(shù)器Ｔ１的捕捉結(jié)果為零或脈沖寬度逐漸遞減（３個(gè)脈沖為１組），則表明有盜電情況發(fā)生，此時(shí)，單片機(jī)ＰＣ１端會(huì)輸出繼電器控制信號(hào)，以使供電線路斷開，同時(shí)ＰＣ２將輸出１ｋＨｚ的報(bào)警信號(hào)，并將其放大后驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。

５ 結(jié)束語

由于該防盜電系統(tǒng)是在現(xiàn)有感應(yīng)式電能表的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝的，因而成本低，設(shè)計(jì)簡單，避免了用電戶的重復(fù)投資，既有經(jīng)濟(jì)效益，又有一定的社會(huì)效益。只是，在改裝中，一定要注意系統(tǒng)電路與繼電器在電路中的接入順序。