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多功能电能表的研究与设计(四)
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毕业论文范文题目:
多功能电能表的研究与设计(四)
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多功能电能表的研究与设计(四)
多功能电能表的研究与设计(四)毕业论文范文介绍开始:
3.3.1电流计量电路
为防止用户的窃电行为,电流采样分火线电流采样和零线电流采样,实际计量时以火线的采样值为准。火线电流采样选用锰铜片,阻值根据智能电表电流规格进行选择,通过测其两端的电压值从而获得电流值。由于测得的信号较小,将通道1的增益配置为24,测得的差分电压输入RN8209D的V1P和V1N引脚。
图5 锰铜片电流采样
零线电流采样选用申科公司电能表专用的微型电流互感器来实现,由于测得的信号为几十毫伏,将通道2的增益配置为1,测得的差分电压输入RN8209D的V2P和V2N引脚。
图6 互感器电流采样
3.3.2电压计量电路
电压采样使用5个1206封装的200K贴片电阻串联分压,通道3的増益配置成1倍,将测得的采样电流差分电压输入RN8209D的V3P和V3N引脚。
图7 电压采样
3.4通信模块
3.4.1载波模块
载波模块选擇采用青岛鼎信TCC082C载波芯片。TCC082C载波芯片是由青岛鼎信有限公司自主研发的低压电为线载波通信芯片,实现了电子终端设备之间基于电力线通信网络的可靠的数据交换,应用主要集中在自动读表领域,为电力行业或其它公共事业部n提供了一种优秀的自动抄表系统解决方案。TCC082C载波芯片进行行业通信协议标准DL/T645-1997/2007协议和鼎信规约的电力载波信号的串口信号之间的转换;串口可以连接电能表节点和电量显示模块,完成物理层、网络层、数据链路层、传输层四层网络功能[12]。
图8 智能电表载波预留接口
3.4.2RS485模块
RS485通讯协议遵循DL/T645-2007多功能电能表通讯规约,串口通讯协议为异步协议。异步通讯协议传输数据式分1位起始位,加上7位数据位,加上+1位奇耦校验位和1位停止位,一共9位数据为一帧。MAX3085芯片通过光耦隔离再和单片机FM3308连接。当接收到低电平时,MAX3085芯片第一引脚输出低电平,光耦D14导通,RX485检测的信号为低;当接收到高电平时,MAX3085芯片第一引脚输出高电平,光耦截止,RX485处检测的信号为高。当要发送高电平时,TX485为高电平,光耦D21截止,MAX3085芯片第2、3引脚为低,MAX3085芯片处于接收状态,这时A为+5V,B为-5V,总线上为逻辑高。当要发送低电平时,TX485为低电平,光耦D21导通,MAX3085芯片的第2、3引脚为高,芯片处于发送状态,芯片的第4引脚为低电平,所以通过芯片A、B输出到总线上的信号为逻辑低。本方案设计通讯波特率为600Bit-9600Bit可设置。
图9 RS485通信
3.5存储与安全模块
3.5.1存储模块
数据存储管理功能是电能表软件平台提供的重要基本功能,国网单相表设计所需的数据大约32K 字节,所以选用非易失性AT24C512存储器,通讯方式为串行通讯 I2C 通讯。A0,A1,A2 直接接地为低电平,该芯片地址为000,WP为该芯片的写保护,通过电阻接地存储时由软件确保数据的正确。SDA为数据线,SCL为时钟线。SDA和SCL都通过上拉电阻与电源连接,确保在不通讯的状态时,该管脚都为高电平。该芯片工作电源为5V,在靠近芯片处并联0.1μF 电容,滤除高次谐波对芯片的影响。
图10 EEPROM原理图
3.5.2安全模块
智能电能表安全模块,简称电能表ESAM(Embedded Secure Access Module嵌入式安全拉制模块)采用南瑞的ESAM,硬件集成有国密算法SMI单元、硬件随机数发生器、电压和频率检测等多种安全性保护机制,可有效保证传输数据的机密性和完整性。通过处理器的使能端ESAMEN为ESAM提供5V的电压和100mA以上的驱动电流。ESAM第六引脚为时钟信号输入,直接连接单片机,由单片机输出。第7引脚为复位信号输入,ESAM 只有在接收到正确的复位信号后,才可能正常工作,该引脚直接与单片机连接,有单片机复位 ESAM。第 8 引脚为电源输入引脚,有单片机控制该芯片是否通电。当需要 ESAM 工作时,单片机输出低电平,三极管 V5 导通,给 ESAM 供 5V 电压。这样做的目的是 ESAM 在待机时,有一定的功耗,为降低功耗才加上电源控制,需要其工作时,给芯片供电,不工作时断电。第三引脚为数据输入或输出,该引脚与单片机连接时,通过 10K 上拉电阻 R3,目的是在不通讯时,该引脚被电源拉为高电平,既可以降低干扰,也利于开始传输数据的检测[13]。
图11 ESAM安全模块
3.6继电器控制模块
当电能表出现异常情况上报或者欠费时,需要远程断开电能表,因此需要内置继电器远程控制智能电表的通断电。原理图中的QA和QB分别继电器线圈的两个引脚。继电器驱动为步进式驱动,当有电流通过线圈时,通过线圈产生的磁场吸合触点,当无电流时,靠机械特性维持吸合状态。当线圈通过反向电流时,产生向反的磁场断开触点,当电流消失无磁场时,靠机械特性维持断开状态。当RelayOn拉高且RelayOff拉低时,三极管V2导通,继而三极管V4导通,V_DC经过三极管V4、继电器线圈QA和QB到达地,磁保持继电器合闸。同样可以分析RelayOff拉高且RelayOn拉低时磁保持继电器线圈电流的方向。
图12 继电器驱动模块
3.7电源模块
本模块将220V/50Hz的电网电压变换成电子电路所需的各种直流低电压,同时为了电网停电的情况下电表的数据不丢失,提供了后备电池能保证电能表在电网停电时能进入睡眠状态,支持人工唤醒等操作。本款产品MCU电路与RS485通信电路均采用+5V电压供电,但考虑到系统的抗干扰能力,MCU电路与RS485通信电路分别采用独立电源供电。加上载波模块的供电电路,共需要三路电源。
第一路:电网电压经过线性变压器降压后经过单相桥式整流器MB6S整流后通过三端稳压器7805输出5V电压分别给单片机FM3308和计量芯片RN8209D供电。
第二路:由于通信电路对于数据的稳定性和抗干扰性要求较高,因此对于RS485通信电路电源通过变压器的另外一组次级单独供电,从电源层面加强抗干扰设计。
第三路:初级侧引入的电源通过二极管整流,LM7805芯片稳压,给载波模块提供+12V电源。电池采用长寿命环保铅电池,电池容量为两安时,在电能表寿命周期内无需更换,断电后可维持内部时钟正确工作时间累计达5年以上。电池电压不足时,电能表能自动提示、报警。
图13 电源模块原理图
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