1 引言
随着电力的需求越来越大，不同时间段用电量不均衡的现象日趋严重。为了合理地调控电力负荷和节约能源，电力公司已开始鼓励使用多费率电能表。传统的多费率电能表一般采用机械转盘式计量方式，计量精度随机械磨损而降低，时段设置单一，人工抄表劳动强度大，且偶有窃电情况发生等诸多弊端。本文给出基于 AT89S52单片机一种新型多费率单相电能表设计，采用 AD7755电能计量芯片，电能计量准确。该电能表具有分时段计量，液晶显示，自动回抄，时段设置灵活，时间校正及时，新颖的防窃电，功耗低的特点。并对该电能表实验测试数据进行性了误差分析，指出电能计量中减小与消除误差的方法。

2硬件电路设计
2.1总体结构
基于AT89S52单片机完成多费率单相电能表的设计，AT89S52有以下功能，8k字节Flash 闪速存储器，三级加密程序存储器，256字节内部RAM，32个可编程I/O 口线，3个 16位定时/计数器，一个 6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路，两种低功耗电工作方式。是一个比较适合于以开关量信号输入检测的性价比较高的 8位单片机。电能表硬件设计主要包括六大模块，电压和电流检测电能计量电路 AD7755模块，串行存储与看门狗 X25045电路模块，HT1621液晶显示电路模块，串行时钟 S3530A电路模块，
RS485总线通讯电路模块，防窃电检测电路模块，总体结构如图 1所示。

2.2 电能计量 单相电能计量采用美国 ADI公司的 AD7755低功耗芯片实现。AD7755内部除了 ADC和滤波、相乘电路外都采用了数字电路，有效的消除了尖脉冲等干扰信号，使得它在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和稳定性。对单相回路中的电压、电流信号采样，计算出功率并积分将其转换为电能脉冲输出，CPU对来自 AD7755输出端 CF的脉冲进行计量，计算出电能表的累计用电量。电能与脉冲的关系为：Ｗ＝Ｍ／Ｃ，式中的Ｗ为电能，单位为千瓦时，Ｍ为脉冲累计个数，Ｃ为电表脉冲常数，选取Ｃ=1600，每千瓦时为 1600个脉冲。
2.3 RS485通讯MAX487芯片实现多费率电能表的 RS485通讯控制。MAX487芯片具有 RS485通信协议，可以带下位机 128个、传输距离大于1km、传输速率达250kb/s。电能表通过 RS485总线与用电管理计算机相连，每只电能表都有一个确定的唯一的八位十六进制的表号，初次安装，电工需要把用户信息与表号记录后输入用电管理计算机中，完成用户与管理计算机的连接。管理计算机采用广播式通讯方式下传时段设置与校时信息，此时不带有地址信息，而电能表中断接收；上位机采用呼叫地址的方式上传信息，即呼叫谁的地址，那只电能表便把信息及其校验码打包向上传送给用电管理计算机，实现电能回抄。MAX487的 DE为发送器使能端，DE为 1时发送器可以工作，DI为输入端，A、B为输出端。当 DE为 0时，停止发送输出端为高阻。RE为输入使能端，RE为 0时允许接收器工作，A、B为输入端，RO为输出端；RE为 1时，接收器被禁止，RO为高阻状态。因此，采用半双工通讯方式，把 DE和 RE相连然后接 AT89S52的P1.4，通过 AT89S52的 P1.4引脚来控制收发工作状态。
2.4 串行存储器 串行存储器采用美国 XICOR公司的 X25045低功耗芯片，它具备看门狗定时器WTD、电源电压监控和具有 512字节的串行 E2PROM存储器三种功能。WTD可以设置为200ms、600ms、1400ms喂狗定时间隔，软件编程写入 X25045中。在程序正常运行期间，WTD在定时间隔内收到触发信号，确保程序正常运行，一端 WTD在定时间隔内没有收到触发信号，X25045便通过 RESET引脚输出一个高电平信号，触发电能表复位来防止程序跑飞。X25045作为串行存储芯片，512字节分别用于存储电能表编码，多费率时段设置，上月和当月分时段的峰、平、谷电量和总累计电量等信息，存储次数可改写十万次，数据可保存一百年，它与 AT89S52可采用 SPI协议总线接口相连。
2.5时钟电路时钟电路采用 S3530A芯片完成，它是一种支持 I2C总线的低功耗时钟芯片，它按照 CPU经 RS485通讯接收校时的数据来设置时钟和日历，靠自身的振荡继续走时。在 S3530A的 Xin和 Xout引脚之间跨接 32.768kHz的晶体器振荡器。它通过两线式与 CPU连接，SDA脚和 SCL脚分别接 AT89S52的 P2.0和P2.1，并有两个中断报警引脚可设置为输出秒或分同步脉冲，向 AT89S52提供周期为 1秒的中断信号，单片机系统将根据该信号通过 I2C通讯接口读取当前的时间，计算出该时刻所属的时段，实现多费率电能表的分时段计量电能。该时钟电路带有备用锂电池，正常工作时有电源 Vcc供电，同时给 3.6V锂电池充电；当出现停电时，自动切换锂电池为时钟电路供电，即使停电时钟走时也准确。
2.6液晶显示

采用 HOLTEK公司 HT1621的 LCD显示驱动芯片,实现十六位 LCD数字显示。HT1621是具有 128段（32×4）内置存储器的 LCD驱动器，它片内包括控制与计时电路、显示RAM、LCD驱动及偏置、监视定时器等，采用了 48脚 SSOP封装,具有体积小和功耗低的优点,非常适合于应用电能表中，其接口电路和外围电路简单，它和 AT89S52之间采用串行接口，只需三根线。AT89S52的P2.4 、P2.5、P2.6分别接到它的 CS片选、WR写允许、DATA串行数据三个引脚上，来控制刷新显示 RAM缓冲区。另外应用中，在VDD、VLCD间接一个20kΩ可调电阻，用来调节 LCD显示对比度，调节电阻，使得VDD=5V，VLCD=4V对比度较好。
2.7 防窃电检测等
记录电能表接线端子盖被人为打开的次数而分析是否窃电。电能表被安装好后将表壳打上铅封，用户不能私自打开电能表接线的表盖破坏铅封，否则属于窃电行为。因此我们采用霍尔传感器，检测接线端子盖是否被打开。如果接线端子盖被打开，AT89S52的 P1.6引脚的电平变化，就检测到开盖一次，记录表的接线端子盖被人为打开和破环的次数，判定是否有窃电发生，当发现有窃电现象时，给出报警、断电并及时上传到上位管理计算机。实践证明该新颖的防窃电技术有效的防止窃电情况发生，效果较好。检测电路框图如图 2所示。