1 數(shù)字式家用電度表的設(shè)計思想

近幾年數(shù)字式家用電度表在我國得到了較快的推廣應(yīng)用，并且有著很大的市場前景。從家用電度表的要求來看，主要包括以下幾個方面：（1）精度要高于原模擬電度表2％的指標(biāo)；（2）成本不能太高，家用電度表作為普通民用電器，其成本將直接影響到它的推廣應(yīng)用；（3）可靠性要高。本文根據(jù)作者幾年來的實踐經(jīng)驗，主要介紹采用PIC16C73系列單片機(jī) 實現(xiàn)普通家用高精度數(shù)字式電度表的基本設(shè)計思想。選取PIC16C73系列單片機(jī)的主要理由是它含有片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）通道，從而可以省去專門的A/D芯片，并且每個輸入、輸出引腳都可以進(jìn)行可編程位操作，輸出引腳驅(qū)動能力強(qiáng)，可以直接推動數(shù)碼顯示器。這樣包括其它IC卡數(shù)據(jù)讀取電路、E2PROM等外圍電路在內(nèi)，20A（10A）數(shù)字電度表的總體批量生產(chǎn)成本（1000塊）可以控制在較低水平；PIC16C73單片機(jī)比較適宜于工業(yè)環(huán)境工作，與51系列等單片機(jī)相比，其抗干擾能力要強(qiáng)得多；PIC16C73單片機(jī)片內(nèi)還設(shè)有軟件看門狗，在電度表受到強(qiáng)干擾或其它影響程序“走飛”時，看門狗可以及時將單片機(jī)復(fù)位并重新恢復(fù)正常工作，從而確保了電度表的高可靠性。實現(xiàn)時單片機(jī)A/D通道對電網(wǎng)電壓和用戶的用電電流進(jìn)行連續(xù)采樣，經(jīng)過單片機(jī)CPU 的實時計算、累加，最后求得用戶耗電量，并從用戶已購買的電量（記錄在E2PROM芯片中）中扣除掉。采用PIC16C73單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)字家用電度表的組成框圖如圖1所示。

由于PIC16C73 單片機(jī) 片內(nèi)A/D通道的精度為八位，其采樣誤差理論值約為1/（28－1），即其滿刻度時的精度約為0.4％，電度表滿量程（指電流）工作時是可以保證數(shù)字電度表的精度的。

圖1 數(shù)字電度表組成框圖

但是，通常情況下，一般家用電負(fù)荷大部分時間都不可能達(dá)到電度表所允許的最大值，如果不采取專門措施，電度表的誤差將明顯增大。例如對于20A的電度表，其滿負(fù)荷值為4.4kW，此時電度表的誤差大約為0.4％左右，可以滿足普通電度表2％的要求；若用戶用電負(fù)荷為100W（此時工作電流為0.5A 左右），此時電度表僅由A/D采樣誤差引起的誤差就將達(dá)16％左右。因此，為了確保全負(fù)荷范圍內(nèi)電度表的精度均能達(dá)到指標(biāo)要求，在設(shè)計電路時需采取按用戶用電電流分段管理或其它類似方法，來減小A/D 采樣誤差，達(dá)到提高精度的目的。同時為了確保電度表精度不受使用環(huán)境（溫度、濕度等）差別的影響，電度表中還需設(shè)計自校準(zhǔn)電路，實時修正因環(huán)境變化帶來的電路參數(shù)偏移所引起的誤差。另外用于實際生產(chǎn)組裝電度表的各種元器件都存在離散性，會造成按原理電路裝配的成品電度表在精度等指標(biāo)方面存在一定的不一致性，為了簡化生產(chǎn)過程中的調(diào)試工序，在電度表中還專門設(shè)有軟件在線調(diào)試電路，用軟件參數(shù)調(diào)節(jié)取代以往的硬件參數(shù)調(diào)節(jié)（如用電位器調(diào)節(jié)放大器放大量等），從而極大地提高了成品調(diào)試效率和產(chǎn)品合格率。采用上述措施后，成品電度表的實際全程精度優(yōu)于0.5％（即誤差小于0.5％）。

圖1中過流、過壓控制保護(hù)電路的主要作用是在用戶負(fù)荷過大（即過流）或電網(wǎng)電壓過高（瞬時過程，如持續(xù)10秒或半分鐘等，具體由程序設(shè)定）情況下，按軟件設(shè)計要求控制繼電器切斷用戶的供電電路，等待一定時間（如5分鐘）后自動供電并再進(jìn)行監(jiān)測，若連續(xù)2次或3次（具體次數(shù)由軟件編程決定）出現(xiàn)過流、過壓故障，電度表不再自動供電，并在數(shù)碼顯示器（正常工作時主要用來顯示電量數(shù)據(jù)）上顯示出過流或過壓信息。

電度表顯示器共有5位數(shù)碼管，按程序設(shè)定（如－2度、－10度）可允許用戶適當(dāng)借電使用，此時，數(shù)碼管顯示出特殊的符號和數(shù)值，警告用戶及時購電。顯示器顯示精度為0.1度，電度表內(nèi)部累計計算精度選為10－4度，從而將因電網(wǎng)停電帶來的影響降到完全可以忽略的程度（由E2PROM來實現(xiàn)）。

2 核心電路原理

2.1 PIC16C73 單片機(jī)

PIC16C73是低功耗、高性能、CMOS、全靜態(tài)、8位EPROM型 單片機(jī) ，尋址空間為4K×14，采用先進(jìn)的RISC指令結(jié)構(gòu)，8級堆棧，多個內(nèi)部及外部中斷源。內(nèi)部設(shè)有192個字節(jié)的RAM和22個I/O口，3個定時/計數(shù)器，2個串行口，5通道8位A/D。同步串行口可設(shè)定為3線SPI或2線I2C方式，串行通信口（SCI）可設(shè)置為同步或異步方式。PIC16C7′ 系列單片機(jī)主要有兩種類型，一種是低成本的一次性用戶可編程型器件（OTP），適用于批量產(chǎn)品；另一種是紫外線可擦除雙列直插式芯片，可用于產(chǎn)品開發(fā)或小批量的生產(chǎn)應(yīng)用，其引腳排列如圖2所示。

圖2 PIC16C73（雙列直插式）引腳排列圖

各引腳的詳細(xì)功能可參見文獻(xiàn)［1］。

2.2 數(shù)碼管顯示器接口電路

PIC16C73 單片機(jī) 中設(shè)有專門的串行數(shù)據(jù)發(fā)送端口（引腳RC5/SDO）和相應(yīng)的時鐘信號發(fā)送端口（引腳RC3/SCK）。這樣，顯示數(shù)據(jù)主要可以由這兩個端口來完成，電路如圖3所示。

圖3 數(shù)碼管顯示器接口電路

在圖3中，74LS164芯片的復(fù)位引腳（MR）與PIC16C73 單片機(jī) 的復(fù)位引腳MCLR相連，單片機(jī)的RC3/SCK引腳用于產(chǎn)生串行口同步時鐘信號，RC5/SDO串行數(shù)據(jù)輸出至74LS164芯片串行輸入端，經(jīng)串/并變換后輸出并行碼，經(jīng)限流電阻R1～R8送至數(shù)碼管顯示器，5個共陰極數(shù)碼管接成掃描方式，掃描時間間隔與A/D采樣周期相同，為2ms。其陰極L1～L5分別接至單片機(jī)RB0~RB4引腳（這些引腳具有直接推動數(shù)碼管的能力）。發(fā)光二極管D主要用作小數(shù)點（另外還可用于程序調(diào)試）。該電路的特點是充分利用了PIC16C73單片機(jī)各引腳可單獨編程的性能，效率比較高。

2.3 電網(wǎng)電壓取樣與處理電路

我國居民家用電網(wǎng)的電壓理論值為220V 50Hz，由于各種因素的影響，電網(wǎng)供電電壓的波動范圍較大（用電高峰期有時會低于150V）。這樣，為了提高電度表的精度，需要對電網(wǎng)電壓進(jìn)行實時采樣，以計及電網(wǎng)電壓變化對用戶耗電功率和電量的影響，其信號取樣與處理電路如圖4所示。

在圖4中，選用精度為千分之五的金屬膜電阻RJ1、RJ2為取樣電阻，主要出發(fā)點是提高電度表的電壓取樣的穩(wěn)定性和批量生產(chǎn)的產(chǎn)品一致性，減輕調(diào)試工作量；電阻R1主要起隔離作用，電阻R2起穩(wěn)定作用（也可省去）；運(yùn)算放大器（1/2MC1458S）用作跟隨器。

圖4 電壓信號取樣與處理電路

2.4 電流取樣與處理電路

居民用電負(fù)荷反映在電流的大小上，因而用戶用電電流的變化范圍比起電網(wǎng)電壓波動來說要大得多，其范圍一般從0到滿刻度，對用戶電流信號進(jìn)行實時取樣與處理的電路如圖5所示。

圖5 電流信號取樣與處理電路

圖5中電流取樣電阻RJ3選用精度為千分之二的錳銅合金電阻絲，阻值為0.01Ω，考慮到家用電表負(fù)荷不大（通常為10A或20A等），采用串聯(lián)取樣方式，電路簡單有效。跟隨器與圖4中的電壓取樣電路合用一片MC1458S運(yùn)算放大器。

2.5 電流換檔與通道自校準(zhǔn)電路

電流換檔與通道自校準(zhǔn)電路是所設(shè)計的數(shù)字電度表中最關(guān)鍵的部分，其原理電路如圖6所示。

整個電路設(shè)計較巧妙，效率高，非常經(jīng)濟(jì)，一共只用了3個芯片，一片LM324和兩片模擬開關(guān)CD4051。LM324中含有4個運(yùn)算放大器，采用±5V供電。U1CD4051的3個通道控制線為KZ1～KZ3，與 單片機(jī) 的引腳RB4～RB7相連；U2CD4051的3個通道控制線為KZ4～KZ6，分別與單片機(jī)的引腳RC0～RC2相連。

通常，即使電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定（如在150~240V），相對于電流來說，其相對變化仍較?。ㄐ∮?0％），因而在電路中不需要對電壓取樣信號換檔放大處理，電路對電壓取樣信號的總放大系數(shù)為1。

由于電流取樣信號變化范圍較大，所以需要進(jìn)行換檔放大處理。圖6中共設(shè)計了三個放大系數(shù)為6的級聯(lián)放大器A1~A3。如以10A電度表為例，A1放大輸出對應(yīng)的電流范圍是2～10A，A2放大輸出對應(yīng)的電流范圍是0.5～2A，而A3放大輸出對應(yīng)

圖6 電流換檔與通道自校準(zhǔn)原理電路

的電流范圍是0～0.5A。電路中電流、電壓信號的采樣間隔為2ms，即每個50Hz正弦周期采樣10次。剛上電時，電流信號通道選擇為最大檔位，根據(jù)一個正弦周期的采樣值（共10個）計算出其采樣的有效值，然后按程序設(shè)定的檔位進(jìn)行比較確定是否換檔（如果采樣有效值較小，則需增大放大量，轉(zhuǎn)到下一檔）；正常工作時，則根據(jù)前一個周期采樣得到的有效值來確定向上或向下?lián)Q檔。 單片機(jī) 根據(jù)檔位的不同，以不同計算方法來計算用電量。

考慮到電路中采用的芯片和其它元器件都是相對比較便宜的普通器件，工作中難免有一定的離散性，所以從保證電度表的精度出發(fā)，需要對每個通道進(jìn)行實時的校準(zhǔn)。首先產(chǎn)生四個相對比較穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓信號（即Vref和Vref1～Vref3），Vref1～Vref3分別送至兩片模擬開關(guān)芯片U1、U2，而Vref（－2.5V）則送至模擬開關(guān)U2輸出級求和放大器（放大系數(shù)為1）。其具體實現(xiàn)方法如下：

A/D線性檢測。 單片機(jī) 控制模擬開關(guān)U2分別選擇第4～6通道（X4～X6），經(jīng)單片機(jī)A/D采樣后，便可以實時地掌握A/D通道（含輸出級放大器，即A4）的線性情況（如1分鐘監(jiān)測一次），從而實現(xiàn)對實際采樣值的修正。
來源；21ic