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基于瑞萨单片机的单相费控智能电能表设计
资料介绍
摘 要：本设计是一款以电能计量为目的的电子产品，其MCU采用瑞萨的R7F0C004M2DFB，
芯片内置高精度独立RTC实现产品宽工作温度范围内时钟； 计量芯片采用锐能微生产的高精度单
相计量芯片RN8209C以实现高精度计量；本电能表主要用于普通用户的电能计量、用电量查看、用
电指示、费率切换、费控功能等。
随着经济发展、科技进步与智能电网的建设[1-2]，
社会对电力能源的需求急剧增加，为了从全局把握，
提高用电效率，必须要实现电能的精准计量，因此用
户与电力公司需求一款能够实现信息化智能化的
电表，智能电表取代传统机械电能表，应运而生。智能
电能表以微控制器为核心，实现电能计量、费控等功
能，其功能与性能相比机械表有了很大的提高[3]，而
且具有十分巨大的市场前景，这个市场规模每年有50
亿左右[4]
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2
期
中 国 · 包 头
年 第
职 大 学 报
基于瑞萨单片机的ꢀ相费控智能电能表设计
杨晓燕 徐广振
ꢀ61031
（潍坊职业学院， 山东省 潍坊市
）
摘
要：本设计是一款以电能计量为目的的电子产品，其
采用瑞萨的
，
R7F0C004MꢀDFB
MCU
芯片内置高精度独立
实现产品宽工作温度范围内时钟； 计量芯片采用锐能微生产的高精度单
RTC
相计量芯片
以实现高精度计量；本电能表主要用于普通用户的电能计量、用电量查看、用
RN8ꢀ09C
电指示、费率切换、费控功能等。
关键词：单相；智能电能表；
RN8ꢀ09C
；通信
中图分类号：
TH7ꢁ5
文献标识码
文章编号： — （ ） ꢀ —
ꢂ67ꢂ ꢂ44ꢃ ꢀ017 0ꢀ 0085 04
:B
[ꢂ-ꢀ]
随着经济发展、科技进步与智能电网的建设
，
ꢄꢅꢁ负荷开关控制ꢄꢅꢁ通信接口
接口ꢁ红外接
(485
社会对电力能源的需求急剧增加，为了从全局把握，
提高用电效率，必须要实现电能的精准计量，因此用
户与电力公司需求一款能够实现信息化智能ꢀ的
电表，智能电表取代传统机械电能表，应运而生。智能
电能表以微控制器为核心，实现电能计量、费控等功
口等 ꢁ显示ꢄꢅ组成ꢀꢃ设计ꢂ功能框图如图 所示ꢀ
) ꢁ
[3]
能，其ꢁ能与性能相比机械表有了很大ꢂ提高 ，而
且具有十分巨大ꢂ市场前景，这个市场规模每年有
5ꢃ
[4]
亿左右 ꢀ
本设计是一款以电能计量为目ꢂꢂ电子产品，其
采用瑞萨ꢂ ，芯片内置高精度
R7FꢃCꢃꢃ4MꢀDFB
实现产品宽工作温度范围内时钟；计量芯片
MCU
图
单相远程费控电能表功能框图
1
独立
RTC
采用锐能微生产ꢂ高精度单相计量芯片
以
微ꢆ理器ꢇ用
ꢂ
Renesas R7FꢃCꢃꢃ4MꢀDFB 8
， 位
RN8ꢀꢃ9C
实现高精度计量；本电能表主要用于普通用户ꢂ电能
计量ꢁ用电量查看ꢁ用电指示ꢁ费率切换ꢁ费控ꢁ能等ꢀ
机，
封装， 带有乘法器ꢁ
ꢁ
1ꢀ8K FLASH 8K
LFQFP8ꢃ
ꢁ ꢈ
RAM 4 UART 8
ꢁ 通道
位
ꢂ6 TIMER ꢂ
ꢁ ꢈ看门狗定时
硬件电路设ꢁ
总体方案设计
ꢂ
器ꢁ ꢈ高精度
ꢂ
定时器ꢁ ꢈ 位间隔定时器ꢁ 通
ꢂ ꢂꢀ 4
1
RTC
道ꢂ8位或ꢂꢃ位A/D转换器，ꢀ路7816协议口，内置LCD
1.
ꢃ设计由电能计量部分ꢁ微处理器部分ꢁ电源
驱动ꢀꢉ作范围 ꢀ微ꢆ理器主要完成信号采
1.6V-5.5V
集ꢁ通讯ꢁ控制ꢁ液晶显示驱动等功能ꢀꢃ系统显示采
部分ꢁ回路检测电路部分ꢁ 安全芯片部分ꢁ存储
ESAM
—1ꢀ—15
收稿日期：２０１6
杨晓燕（1985—），女，山东潍坊人，潍坊职业学院教师，研究方向：单片机应用开发。
徐广振（1983—），男，山东临沂人，潍坊职业学院讲师，研究方向：智能控制工程。
作者简介：
85
万方数据
用
8-COM
液晶显示屏。
，该芯片提供 路
3
，完ꢉ满足单相
∑ꢂ△ADC
RN8209C
安全认证芯片采用南瑞集团生产的电
电压、 路电流测量的要求；芯片有功电ꢄ误差在
8000:
， 满足电ꢄ表ꢂ计精度要求；芯
ESAM
2
能表专用芯ꢀ
，该芯ꢀ硬件集成有国密
动态范围内
SGC1118B
ꢁ
＜0ꢀꢁ%
算法
单元、硬件随机数发生器、电压和频率检
片提供一路电压和两路电流有效值测量，在
动
SM1
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。
电源部分设计
1ꢃꢃꢃ:ꢁ
态范围内有效值误差
，满足电ꢄ表ꢇ值误差要
＜ꢃ.ꢁ%
求；芯片潜动阈值ꢁ调，满足电ꢄ表长时间潜动要求；
芯片提供反向功率指ꢇ、电压通道频率测量、电压通
道过零检测等。
1. 2
电源是电能表工作的动力，只有稳定ꢁ靠的电
源，才能保障电能表不间断正常工作，所以电源ꢂ
计ꢃ电ꢄ表ꢂ计的关键部件。本ꢂ计电源部分直接
引自被测量的电网，经过流过压保护电路后，由线
性变压ꢅ得到不同电压的交流电，再经一系列整
流、滤波、稳压后供给各个模块使用。为了保证电ꢄ
表各个功ꢄ模块之间相互独立性，电ꢄ表工作电源
设计成三个独立电源模块，分别对控制部分、计量
考虑成本及复杂性等原因，在满足电ꢄ表采样
精度的前提下，电压采样采用电阻分压的 方式在
端口得到一对差分方式的模拟
的
和
RN82ꢃ9C V3P V3N
信号；火线电流采样采用锰铜分流ꢅ将电流信号转换
为电压信号，接到 端口得到一
的
和
RN82ꢃ9C VꢁP VꢁN
对差分ꢀ式的模拟信号。ꢁ线电流采样ꢅ件选用电流
互感ꢅ接入ꢀ式，如图 ꢆꢇ。
3
部分、
485
通信部分进行供电。系统电源功ꢄ模块框
的脉冲输出部分有 、
PF QF
两种， 为用
QF
RN82ꢃ9C
图如图 ꢆꢇ。
2
户自定义校验脉冲输出， 为有功电ꢄ校验脉冲输
PF
为确保电ꢄ表在交流电掉电后，电ꢄ表的控制
出，两种都为高电平输出。本设计选择 口输出作为
PF
部分ꢄ维持
正常工作、唤醒ꢈꢇ、
MCU
读写某
电ꢄ表的电ꢄ累加和校表之用。 脉冲经一个光耦隔
PF
RTC
些数据等功ꢄ，为控制部分设计了后备电源，采用
离输入单片机并点亮指ꢇ灯，经另一个光耦隔离后输
出到电ꢄ表有功脉冲校验端子，如图 ꢆꢇ。
4
锂亚硫酰氯电池供电。电ꢄ表掉电检测
电
3.6V
VDD
压低于程序设定的阈值（
3ꢀ93V
）时产生中断，单片
与电ꢄ表
通信使用
接口，
UART
RN82ꢃ9C
MCU
机进行掉电处理后进入
模式。
通讯速率为
48ꢃꢃbps
，电路原理图如图 ꢆꢇ
5
Wait
T
图
电源功能模块框图
2
计量部分设计
计量是电ꢄ表的基本功ꢄ，本设计采用主控
加专用计量芯片的模式。ꢁ以分时计量正反向
ꢁꢀ 3
图
计量原理图
3
MCU
有功总电ꢄ及 费率电ꢄ，并ꢄ计算组合有功电ꢄ。
4
在各种负载与电源质量较差时，计量部分ꢄ精确计
量电量。
计量芯ꢀ选用深圳市锐ꢄ微科技有限公司的
图
脉冲原理图
4
86
万方数据
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