感应式电能表的智能化改进

摘要：介绍了利用AVR单片机AT90S8515的输入捕捉功能对感应式电能表进行智能化改进的方法，讨论了新型防盗电系统的结构原理，给出了用AT90S8515单片机设计带有防盗电功能的感应式电能表的改进电路组成及工作过程。

现在使用的电能表可分为三种形式，即感应式电能表、脉冲电能表和电子电能表。感应式电能表由于价格低廉、计量准确而得到广泛使用。它利用金属铝转盘中的感应电流与通有交流电流的固定线圈的磁场相互作用来产生驱动力矩以驱动铝盘旋转，从而得到累计消耗的电能。但感应式电能表由于自身无防盗电功能，随着电力事业的发展，这一缺点给电力部门带来的损失日益突现出来。因此，在感应式电能表的基础上加装防盗电功能，具有一定的现实意义。

１　感应式电能表盗电现象分析

在感应式电能表的使用中，常见的盗电方式有以下几种：

（１）在电能表的内部断开电压扣，使得固定线圈内无交流电流通过而不产生磁场，从而使铝盘不能旋转，并最终导致电能表不能对累计消耗的电能进行计量。

（２）电能表的进出线反接，使铝盘产生相反的旋转，以减小电能表计数。

（３）在电能表的外部用导线短接电能表，电能表的计量值仅为实际耗电的一半。

２　新型防盗电系统的原理结构

在分析了防盗电现象的基础上，笔者设计了一种带防盗电功能的新式智能化感应式电能表。该系统主要由光电转换电路、电流检测电路、单片机ＡＴ９０Ｓ８５１５、继电器和报警电路等组成。其系统组成框图如图１所示。

该系统的工作原理是将铝盘的转动经光电转换电路转换为电脉冲信号输入到单片机，然后由霍尔磁敏传感器电路将电能表输入端的电流转换为电压信号输入到单片机中。这样，当有人盗电时，会引起电能表的铝盘不转或反转，而输入导线中仍有电流，此时的单片机会检测到这些状态并使蜂鸣器发出报警声，同时继电器断开，供电停止。

３ 各电路工作原理

３．１ 光电转换电路

光电转换电路主要将铝盘的旋转转换为电脉冲，以此来作为单片机的一个检测信号。它以感应式电能表的电磁系统为工作元件，并在电能表的铝盘表面印上黑色的分度线进行分度。为了区分铝盘的正反转，分度线间隔宽度应按顺时针方向逐渐增加，然后用反射式光电头发射光束来采集分度线标记，再经光电转换电路变换，最后输出与铝盘旋转速度和分度线宽度成正比的电脉冲以给单片机提供一路检测信号。其电路如图２所示。图２中， Ｄ１为发光管ＨＧ４１０，Ｄ２为接收管３ＤＵ３１，它们按一定的角度被固定在旋转铝盘的上方，当铝盘的黑色分度线到达光线区时，Ｄ２接收管的集电极输出一正脉冲，并经ＣＤ４０６９的两个非门和Ｒ３构成的施密特触发器整形后加到单片机的定时／计数器Ｔ１的输入捕捉端（ＩＣＰ），作为捕捉信号。

３．２ 电流检测电路

电流检测电路主要由线性霍尔磁敏传感器ＵＧＮ３５０１Ｔ、钳形冷轧硅钢片和信号处理电路组成。其电路如图３所示。

    该电路将霍尔元件置于钳形冷轧硅钢片的空隙中，当有电流流过导线时，就会在钳形圆环中产生磁场，其大小正比于流过导线的电流，这个磁场作用于霍尔元件上并感应出相应的霍尔电势，该电势经过运算放大器μＡ７４１放大后，再加到由运算放大器μＡ７４１组成的比较器中，这样，当电路中有电流流过时，比较器输出的高电平将作为单片机的一个检测信号加到单片机的ＰＣ０端。

３．３ 单片机系统电路

单片机系统电路主要完成对光电检测信号、电流检测信号的比较计算，同时输出控制报警信号。该电路由单片机ＡＴ９０Ｓ８５１５、固体继电器，蜂鸣器报警电路等组成，电路如图４所示。

该电路将光电信号加到单片机的输入捕捉ＩＣＰ端的目的是利用定时／计数器Ｔ１的输入捕捉功能来检测光电转换电路输出的脉冲及脉冲宽度的变化情况，以确定铝盘的旋转状态。将电流检测电路的输出信号加到ＰＣ０端，然后通过读取ＰＣ０的电平值和Ｔ１对光电信号的捕捉结果，就可以判断是否有盗电情况发生。设计时应将ＰＣ１端接继电器驱动电路，ＰＣ２端接蜂鸣器报警电路。

４ 系统的软件设计

该系统的软件设计主要完成对ＩＣＰ端输入信号的捕捉、信号脉冲宽度的记录以及对相连３个脉冲信号的宽度进行比较。其信号捕捉与脉冲计算程序流程框图如图５所示。该电能表工作时，可根据上述比较结果和ＰＣ０口电平的高低来判定是否有盗电情况发生，若检测到ＰＣ０端为高电平，而定时／计数器Ｔ１的捕捉结果为零或脉冲宽度逐渐递减（３个脉冲为１组），则表明有盗电情况发生，此时，单片机ＰＣ１端会输出继电器控制信号，以使供电线路断开，同时ＰＣ２将输出１ｋＨｚ的报警信号，并将其放大后驱动蜂鸣器发出报警声。

５ 结束语

由于该防盗电系统是在现有感应式电能表的基础上进行改装的，因而成本低，设计简单，避免了用电户的重复投资，既有经济效益，又有一定的社会效益。只是，在改装中，一定要注意系统电路与继电器在电路中的接入顺序。