1 數字式家用電度表的設計思想

近幾年數字式家用電度表在我國得到了較快的推廣應用，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；（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用；（3）可靠性要高。本文根據作者幾年來的實踐經驗，主要介紹采用PIC16C73系列單片機 實現普通家用高精度數字式電度表的基本設計思想。選取PIC16C73系列單片機的主要理由是它含有片內模數轉換（A/D）通道，從而可以省去專門的A/D芯片，并且每個輸入、輸出引腳都可以進行可編程位操作，輸出引腳驅動能力強，可以直接推動數碼顯示器。這樣包括其它IC卡數據讀取電路、E2PROM等外圍電路在內，20A（10A）數字電度表的總體批量生產成本（1000塊）可以控制在較低水平；PIC16C73單片機比較適宜于工業環境工作，與51系列等單片機相比，其抗干擾能力要強得多；PIC16C73單片機片內還設有軟件看門狗，在電度表受到強干擾或其它影響程序“走飛”時，看門狗可以及時將單片機復位并重新恢復正常工作，從而確保了電度表的高可靠性。實現時單片機A/D通道對電網電壓和用戶的用電電流進行連續采樣，經過單片機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單片機構成的數字家用電度表的組成框圖如圖1所示。

由于PIC16C73 單片機 片內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字電度表的精度的。

圖1 數字電度表組成框圖

但是，通常情況下，一般家用電負荷大部分時間都不可能達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16％左右。因此，為了確保全負荷范圍內電度表的精度均能達到指標要求，在設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，達到提高精度的目的。同時為了確保電度表精度不受使用環境（溫度、濕度等）差別的影響，電度表中還需設計自校準電路，實時修正因環境變化帶來的電路參數偏移所引起的誤差。另外用于實際生產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方面存在一定的不一致性，為了簡化生產過程中的調試工序，在電度表中還專門設有軟件在線調試電路，用軟件參數調節取代以往的硬件參數調節（如用電位器調節放大器放大量等），從而極大地提高了成品調試效率和產品合格率。采用上述措施后，成品電度表的實際全程精度優于0.5％（即誤差小于0.5％）。

圖1中過流、過壓控制保護電路的主要作用是在用戶負荷過大（即過流）或電網電壓過高（瞬時過程，如持續10秒或半分鐘等，具體由程序設定）情況下，按軟件設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）后自動供電并再進行監測，若連續2次或3次（具體次數由軟件編程決定）出現過流、過壓故障，電度表不再自動供電，并在數碼顯示器（正常工作時主要用來顯示電量數據）上顯示出過流或過壓信息。

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

2 核心電路原理

2.1 PIC16C73 單片機

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

圖2 PIC16C73（雙列直插式）引腳排列圖

各引腳的詳細功能可參見文獻［1］。

2.2 數碼管顯示器接口電路

PIC16C73 單片機 中設有專門的串行數據發送端口（引腳RC5/SDO）和相應的時鐘信號發送端口（引腳RC3/SCK）。這樣，顯示數據主要可以由這兩個端口來完成，電路如圖3所示。

圖3 數碼管顯示器接口電路

在圖3中，74LS164芯片的復位引腳（MR）與PIC16C73 單片機 的復位引腳MCLR相連，單片機的RC3/SCK引腳用于產生串行口同步時鐘信號，RC5/SDO串行數據輸出至74LS164芯片串行輸入端，經串/并變換后輸出并行碼，經限流電阻R1～R8送至數碼管顯示器，5個共陰極數碼管接成掃描方式，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RB0~RB4引腳（這些引腳具有直接推動數碼管的能力）。發光二極管D主要用作小數點（另外還可用于程序調試）。該電路的特點是充分利用了PIC16C73單片機各引腳可單獨編程的性能，效率比較高。

2.3 電網電壓取樣與處理電路

我國居民家用電網的電壓理論值為220V 50Hz，由于各種因素的影響，電網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，需要對電網電壓進行實時采樣，以計及電網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，主要出發點是提高電度表的電壓取樣的穩定性和批量生產的產品一致性，減輕調試工作量；電阻R1主要起隔離作用，電阻R2起穩定作用（也可省去）；運算放大器（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，考慮到家用電表負荷不大（通常為10A或20A等），采用串聯取樣方式，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運算放大器。

2.5 電流換檔與通道自校準電路

電流換檔與通道自校準電路是所設計的數字電度表中最關鍵的部分，其原理電路如圖6所示。

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

通常，即使電網電壓不穩定（如在150~240V），相對于電流來說，其相對變化仍較小（小于50％），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為1。

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

圖6 電流換檔與通道自校準原理電路

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，然后按程序設定的檔位進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，轉到下一檔）；正常工作時，則根據前一個周期采樣得到的有效值來確定向上或向下換檔。 單片機 根據檔位的不同，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，需要對每個通道進行實時的校準。首先產生四個相對比較穩定的基準電壓信號（即Vref和Vref1～Vref3），Vref1～Vref3分別送至兩片模擬開關芯片U1、U2，而Vref（－2.5V）則送至模擬開關U2輸出級求和放大器（放大系數為1）。其具體實現方法如下：

A/D線性檢測。 單片機 控制模擬開關U2分別選擇第4～6通道（X4～X6），經單片機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分鐘監測一次），從而實現對實際采樣值的修正。
來源；21ic