一、 電能是社會(huì)生產(chǎn)、人民生活所必須的最重要的能源之一。改革開放之后，我國的電力工業(yè)得到了長足的發(fā)展。目前我國的發(fā)電設(shè)備裝機(jī)容量、年發(fā)電量均居世界第二位。但是，電能作為一種特殊的商品，存在著供應(yīng)和消費(fèi)在時(shí)間和地區(qū)上的不平衡。隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人民生活水平的極大提高，這種矛盾日益加劇。電力的供求矛盾固然可以通過新建電廠，增加裝機(jī)容量來解決，但這種方法投資大，周期長，還會(huì)帶來一定的環(huán)境和生態(tài)問題。而利用科學(xué)的方法進(jìn)行負(fù)荷管理，指導(dǎo)合理用電，是投入小、見效快的首選方法，也是提高電能利用率，開發(fā)電力潛能，解決電力供需矛盾的一項(xiàng)重要手段。實(shí)施分時(shí)電價(jià)政策就是這項(xiàng)管理中很重要的一項(xiàng)舉措。據(jù)有關(guān)專家論證：全國在不新增裝機(jī)容量的情況下，只要采取分時(shí)計(jì)費(fèi)的方法加強(qiáng)用電管理，合理用電，就能開發(fā)出60％的電力潛能。
1985年國務(wù)院批轉(zhuǎn)的《鼓勵(lì)集資辦電和實(shí)行多種電價(jià)的暫行規(guī)定》中，要求全國推廣峰谷分時(shí)電價(jià)。但由于種種原因，分時(shí)電價(jià)沒有得到普遍推廣，實(shí)行范圍很小。直至1992年東北三省和四川省對100kv 以上用戶全面推行分時(shí)電價(jià)和1995年全國計(jì)劃用電工作會(huì)議后，峰谷分時(shí)電價(jià)才在全國得到切實(shí)、有效、全面地推行。
推行峰谷分時(shí)電價(jià)的前提是使用新型的復(fù)費(fèi)率的電能表。借助智能芯片的資源，復(fù)費(fèi)率的分時(shí)電能表可方便地構(gòu)成多功能的電能表，實(shí)現(xiàn)電力多參數(shù)的測量。為適應(yīng)我國現(xiàn)階段的需要，迫切開發(fā)高質(zhì)量、高可靠性、功能齊全、價(jià)格低廉、適應(yīng)現(xiàn)代電力市場需要的多功能電能表。
二、三相多功能電能表的硬件設(shè)計(jì)
　　電能測量單元采用美國ATMEL公司的產(chǎn)品，即以Σ－Δ A/D轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)的電能測量專用集成芯片AT73C500和 AT73C501,其中AT73C500為A/D變換芯片，AT73C501為專用的DSP芯片。該產(chǎn)品的特點(diǎn)是：滿足IEC1036 1及精度要求、高精度集成（有集成的A/D轉(zhuǎn)換器，電壓比較，功率計(jì)算等模塊），精度高（各種測量的參數(shù)小于0 .3％），易于接口，可以縮短開發(fā)新產(chǎn)品的開發(fā)周期。目前此種原理電能測量芯片所生產(chǎn)的電子式電能表占有國內(nèi)電子式電能表大部分市場份額。兩芯片配合使用可以測量三相正、反向電能和感性、容性無功電能，同時(shí)還能測量三相電的每一相的有功功率、無功功率、視在功率、電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)和檢測電網(wǎng)頻率。外擴(kuò)存儲芯片，可存儲相關(guān)的數(shù)據(jù)，以備查詢。其中有功測量可達(dá)1級，無功測量可達(dá)2級。使用外接參考電源時(shí)的有功精度可以提高到0.5級，無功提高到1級精度。
數(shù)據(jù)處理單元的單片機(jī)主要側(cè)重于多項(xiàng)功能的開發(fā)，選擇時(shí)主要從以下幾個(gè)方面考慮：功能、抗干擾、功耗、速度等。本表采用NEC單片機(jī)uPD753116作為數(shù)據(jù)處理單元。該單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：具有集成的LCD控制器驅(qū)動(dòng)模塊，高速工作與低速功耗兼顧的指令周期切換功能，5個(gè)定時(shí)器通道，可以完成實(shí)時(shí)時(shí)鐘和載波發(fā)生的功能，以及內(nèi)置同步串行通訊口等功能。用uPD753116開發(fā)電能表在實(shí)現(xiàn)各種功能的時(shí)候可簡化電路結(jié)構(gòu)。
　　其中，測量單元以AT73C500和 AT73C501為核心，完成功率、電能等參數(shù)的采集和測量，測量結(jié)果通過總線輸出。數(shù)據(jù)處理單元以NEC單片機(jī)uPD753116為核心，用來實(shí)現(xiàn)三相多功能電能表的各種功能，包括數(shù)據(jù)查詢，顯示，通訊、校準(zhǔn)電表等。uPD753116從串行總線讀入瞬時(shí)量，從測量單元的脈沖讀入電能值，之后對讀入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。三相多功能電能表采用液晶顯示，使用紅外接口來實(shí)現(xiàn)本地抄表或遠(yuǎn)程抄表。串行EEPROM用于存儲程序和數(shù)據(jù)。鍵盤用于查詢和設(shè)置功能。
本三相多功能電能表設(shè)計(jì)過程中注重了精度、可靠性、功耗等指標(biāo)，并充分考慮了產(chǎn)品化要求。具有以下特點(diǎn)：
1、 時(shí)鐘功能
　　三相多功能電能表具有時(shí)鐘功能是實(shí)現(xiàn)復(fù)費(fèi)率的前提條件。將每天分成若干個(gè)時(shí)段，在收費(fèi)等級上分成尖、峰、平、谷四種費(fèi)率。計(jì)費(fèi)時(shí)段的具體劃分依照地區(qū)不同而有所差異，也因白天、夜間、節(jié)假日等有所調(diào)整。目前多功能電能表一般都采用專用的時(shí)鐘芯片來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘功能。本多功能電能表的uPD75116內(nèi)置一路鐘表定時(shí)器，通過軟件可實(shí)現(xiàn)日歷時(shí)鐘的功能。時(shí)鐘由抄表微機(jī)通過紅外接口進(jìn)行校準(zhǔn)。
2、 液晶顯示
　　復(fù)費(fèi)率電能表的顯示一般采用LCD液晶顯示器，uPD75116具有集成的LCD控制器驅(qū)動(dòng)模塊，從而節(jié)省了外掛的液晶驅(qū)動(dòng)芯片。本電能表采用多路尋址動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)LCD,減少了外部引線，節(jié)省了空間和成本，提高了可靠性。用于顯示多功能表當(dāng)前的狀態(tài)、內(nèi)部參數(shù)及當(dāng)前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。
3、 紅外接口
　　本地自動(dòng)抄表主要采用抄表微機(jī)來完成抄表、編程工作，大大提高了抄表的準(zhǔn)確性。本地抄表首選的方法為紅外抄表。由于uPD75316不具有通用的串行接口，為了實(shí)現(xiàn)與抄表器和自動(dòng)抄表系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，在通訊接口部分設(shè)計(jì)了軟件實(shí)現(xiàn)的紅外通訊接口。通過手持電腦完成抄表和編程，防止誤抄、漏抄，提高了抄表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
4、 抗干擾設(shè)計(jì)
　　電能表受外部環(huán)境干擾影響較大，如何提高整機(jī)的抗干擾性是產(chǎn)品能否在現(xiàn)場應(yīng)用，能否推向市場的關(guān)鍵。本表采取如下措施：
　　1）在電源變壓器前裝高電感共軛濾波器，配以吸收電容，有效抑制傳導(dǎo)干擾。
　　2）采取有效的屏蔽、隔離措施和適當(dāng)?shù)男盘栞斎敕椒�，以減少內(nèi)外干擾的影響。
　　3）計(jì)算機(jī)及外圍電路與測量電路備自獨(dú)立供電，并采用光電轉(zhuǎn)換隔離措施，使測量電路地與儀表地互不關(guān)聯(lián)，可以顯著提高儀表的抗現(xiàn)場干擾的能力。
　　4）設(shè)計(jì)電路板時(shí)注意線的走向以及整機(jī)的緊湊，在電路和工藝設(shè)計(jì)上還可采用各種
　　成熟的實(shí)用抗干擾措施，例如合理布局、正確選擇接地點(diǎn)、弱信號傳輸線屏蔽層單端接地、 單元電路的封閉式屏蔽環(huán)等，以降低干擾水平。
5、 可靠性設(shè)計(jì)
　　電能表是長期在線連續(xù)運(yùn)行的計(jì)量儀表，故對其可靠性和長期穩(wěn)定性有較高的要求，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予重點(diǎn)考慮。
本表采用集成芯片作為電路的核心部分大大，減少了外擴(kuò)電路的接線和使用的元器件的數(shù)目，使整機(jī)趨于微型化，也提高了整機(jī)的可靠性。
　　為提高時(shí)鐘的可靠性，將時(shí)間信息進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，不定期將二者進(jìn)行校對，如使用數(shù)據(jù)和備份數(shù)據(jù)不相同，就要通過抄表微機(jī)重新校正之后才能工作。
　　使用數(shù)據(jù)存儲容量大的EEPROM來備份RAM數(shù)據(jù)。 避免由于干擾造成的數(shù)據(jù)出錯(cuò)。EEPROM的數(shù)據(jù)可以保持10年以上，數(shù)據(jù)保持不需后備電源。軟件寫入EEPROM采取必要的校驗(yàn)方式，保證數(shù)據(jù)的安全性。
uPD753116具有極強(qiáng)的抗電磁干擾的能力，使數(shù)據(jù)的安全性得到進(jìn)一步提高。
6、功能多樣化 除了分時(shí)計(jì)價(jià)的基本功能外，有增加了最大需量、，脈沖輸出、紅外線抄表、漢字顯示等功能，同時(shí)還可以計(jì)量有功電能、無功電能、還可以記錄失壓、檢測負(fù)荷等。預(yù)留資源，可方便擴(kuò)大功能。
三、軟件設(shè)計(jì) 軟件部分主要設(shè)計(jì)了主控程序，數(shù)據(jù)通訊程序，時(shí)鐘校正程序，按鍵識別程序，校準(zhǔn)程序等，限于篇幅，在此不作贅述。
四、結(jié)束語：本文對一種三相多功能電能表的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了論述，系統(tǒng)中采用了功能強(qiáng)大的電能專用測量芯片和單片機(jī)、數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，計(jì)量電能的同時(shí)，還具有長時(shí)間存儲電能數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)方傳輸數(shù)據(jù)等功能�？紤]產(chǎn)品化的要求，進(jìn)行了可靠性，抗干擾、低功耗等方面的設(shè)計(jì)。其意義在于適應(yīng)電力市場的計(jì)量要求，推動(dòng)電力系統(tǒng)用電商業(yè)化的發(fā)展。