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傳統感應式電能表用其結構和原理上的制約，通常存在著測量范圍小，穩定性差，精度低等缺點而不能適應社會發展的需要。隨著微電子技術和單片機的發展和普及，新型智能化測控技術迅速發展。以單片機為核心的電子式電能表顯示了其明顯的優勢。本文采用單片機作為儀表的主控制器，并由Cirrus Logic公司的電能計量芯片負責采集數據，因而具有性價比高，抗干擾能力強，測量精度高等優點。 1 電路工作原理 本設計采用開關穩壓電源，將220 V交流市電整流穩壓為模擬、數字兩路+5 V電壓，為整個電表電路供電。該系統通過電流互感器檢測電流信號，而通過分壓電阻采集電壓信號，然后將其送入單相功率／電能集成芯片CS5463內，并在片內完成信號采樣、計算和誤差校正等。整個過程在單片機PLC916控制下進行。其原理框圖如圖1所示。 2 專用計量芯片CS5463 CS5463是內含兩個△∑模-數轉換器(ADC)、高速電能計算功能和一個串行接口的高集成△∑模—轉轉換器。它可以精確測量和計算有功電能、瞬時功率、無功功率、IRMS和VRMS，可用于研制開發單相2線或3線電表。CS5463可以使用低成本的分流器或電流互感器來測量電流，并使用分壓電阻或電壓互感器來測量電壓。CS5463具有與微控制器通訊的雙向串口，其芯片的脈沖輸出頻率與有功能量成正比。CS5463具有方便的片上AC／DC系統校準功能。其“自引導”的特點使得CS5463能獨自工作，并在系統上電后自動初始化。在自引導模式，CS5463可從一個外部EEP-ROM中讀取校準數據和啟動指令。使用該模式，CS5463在工作時不需要外加微控制器，因此，當電表用于大批量住宅電能測量時，可降低電表的成本。 CS5463可以提供瞬時電壓／電流／功率數據采樣及有功能量、IRMS、VRMS的周期計算結果。為適應低價測量應用，CS5463也能在給定引腳上輸出脈沖串，輸出的脈沖數與有功能量寄存器的數值成正比。CS5463專為功率測量進行了優化，適合于與分流器或電流互感器相連來測量電流，并與分壓電阻或電壓互感器相連來測量電壓。為適應不同電平的輸入電壓，CS5463的電流通道集成有一個增益可編程放大器(PGA)，它可使輸入電平滿量程選擇為±250 mVRMS或±50 mVRMS。電壓通道的PGA可適應±250 mV的輸入電壓范圍。對于VA+和VA-兩端接單+5 V電源的情況，兩個通道的差模輸入引腳間所加的共模信號電壓為-0.25"+5 V。另外，設計時，還可以在某一個通道或兩個通道實現雙端差模輸入，此時，其輸入信號的共模電壓將加在AGND上。CS5463每通道都有一個高速數字濾波器，可將兩個△∑調制器的輸出衰減10倍并積分。濾波器以(MCLK／K)／1024的字輸出速率(OWR)輸出24位數據。為了方便與外部微控制器通訊，CS5463集成有一個簡單的三線串行接口。該串口與SPITM和Micro wireTM標準兼容。串口的串行時鐘(SCLK)和RESET引腳內包含有一個施密特觸發器，故可允許使用上升速度較慢的信號。 CS5463的主要特性如下： ◇在1000：1的動態范圍內，其電能數據的線性度為±0.1％； ◇可以測量瞬時電壓、電流和功率，包括IRMS和VRMS、視在功率、有功和無功功率以及有功的基波和諧波功率、無功的基波功率、功率因數、頻率等； ◇具有電能-脈沖轉換功能； ◇具有系統校準和相位補償功能； ◇帶有溫度傳感器； ◇具有兩種無功計算方式； ◇可以從串行EEPROM智能“自引導”，而不需要微控制器； ◇可AC或DC系統校準； ◇具有機械計度器／步進電機驅動器； ◇符合IEC687／1036，JIS工業標準； ◇功耗◇帶有優化的分流器接口； ◇帶有單電源地參考信號； ◇片內帶有2.5 V參考電壓(最大溫漂為25ppm/℃)； ◇帶有簡單的三線數字串行接口； ◇內帶電源監視器。 3 電源電路設計 開關穩壓電源具有功耗低，穩壓范圍寬，體積小，重量輕，安全可靠等優點，因此，目前電子設備的變壓器穩壓電源正逐漸被開關穩壓電源所取代。本系統中的電源電路如圖2所示。由于在檢測電路部分要用到CS5463，為了避免模數間的干擾，本系統在開關穩壓電源部分需要有兩路+5 V輸出。 交流電首先經過一個由保險絲和壓敏電阻組成的保護電路，保險絲主要起過流保護作用；壓敏電阻則起過壓保護作用。在正常工作情況下，電路的壓敏電阻相當于斷路。當電網電壓波動或受外界影響(如閃電，電源突然接入等)而引起電壓瞬間激增時，壓敏電阻會自動導通，并由壓敏電阻和保險絲組成回路。由于高壓下的壓敏電阻阻值較小，所以回路電流很大，保險絲自動斷開，這樣就起到了保護內部電路的作用。該保險絲是可以自恢復的，也就是說，它可以反復使用而無需更換。 L1和C1可消除信號中的尖峰波并抑制干擾。經L1、C1濾波后的信號接入到整流橋，再將從整流橋中輸出的高壓直流信號經過C2進行濾波后，即可得到電壓Vi。在圖2中，T1為高頻變壓器，它能夠快速存儲和釋放能量，經高頻整流濾波后即可獲得直流連續輸出。高頻變壓器T1的1腳和3腳為輸入初始繞組，4、5兩腳為反饋繞組，次級繞組分別為6，9腳和7，10腳(其中1，4，6，7為各繞組的同名端)。并且6，9繞組是主繞組，用它經進一步變換產生的+5 V直流穩壓電源可作為主電壓源，即數字電壓源(Vo1)；7，10繞組為輔繞組，用它經電容C8～C11濾波和78L05穩壓產生的+5 V直流穩壓電源為輔電壓源，即模擬電壓源(Vo2)。鑒于在TOP221Y內的功率MOSFET關斷瞬間，高頻變壓器的漏感會產生尖峰電壓，另外，在1，3初始繞組上還會產生感應電壓(即反向電動勢)，而且二者又會疊加在Vi上，使電壓嚴重增大，因而要求功率MOSFET能夠承受高壓。同時，還必須在漏極增加鉗位電路，以吸收尖峰電壓，保護TOP221Y內的功率MOSFET不受損害。本設計利用R1，C3，ZD1，D1組成鉗位電路。當MOSFET導通時，T1的初始繞組的電壓極性為(3端)為正，1端為負，此時D1截止，鉗位電路不起作用；而在MOSFET截止的瞬間，初始繞組變為1端為正，3端為負，此時D2導通，尖峰電壓就被R1和C3吸收掉。 4 計量電路的設計 電量檢測電路是該電表設計的核心。選用PHILIPS公司的P89LPC916是一款低成本的16腳單片封裝的微控制器。該芯片適合于許多要求高集成度低成本的場合，可以滿足多方面的性能要求。P89LPC916采用了高性能的處理器結構，指令執行時間只需2～4個時鐘周期，其速度6倍于標準80C51器件。由于P89LPC916集成了許多系統級功能，故可大大減少元件的數目和電路板面積，提高電路可靠性，并降低系統的成本。 本儀表由P89LPC916控制CS5463的檢測過程和數值顯示。電路上電以后，通過撥碼開關可對電路進行初始化。通過撥碼開關輸入單片機要初始化的電量代碼后，再由單片機根據設定好的編碼規則向CS5463發出相應的指令，CS5463根據單片機發來的指令將相應的要初始化的電量的標準校準值傳給單片機，單片機再將此數據傳給X5045并存儲在其中，以供CS5463復位時再次獲得校準值，并供單片機用于隨時校準檢測值，從而提高精度。也就是說，在LPC916的控制下，由CS5463檢測電信號并輸出測量值給單片機，其中X5045可存放標準校正值。該計量電路中的控制模塊如圖3所示。 該電壓采樣電路由電阻網絡、過壓保護及去抖動電容組成。為保證采樣精度，電阻應全部采用高穩定度的精密電阻。 本系統中的電流采樣電路由電流互感器、過壓保護、電阻網絡和去抖動電容組成。采用電流互感器的主要優點在于可實現高壓與低壓的隔離。由于CS5463的電流檢測實際上是將電流信號轉變為電壓信號后的電壓檢測，所以，在電路中，先由采樣電阻將互感電流轉變為電壓信號，再通過限流電阻和電容濾波后輸人到CS5463的電流檢測管腳(16、15腳)。另外，在兩路輸入中，還分別用二極管進行電壓嵌位，以避免電壓過高損壞CS5463。CS5463的3、14腳分別為模擬、數字+5V電源。同時，為了濾除電壓波動，增加電源的穩定性，在兩路電源輸入時，分別加了濾波電容。由于此為電流檢測，所以電壓檢測的兩輸入腳9和10也應接模擬地以避免干擾。另外，13腳VA要接模擬地，4腳DGND接數字地，模擬地和數字地之間用電感連接。1、24(XOUT，XIN)兩腳接4.096 NHz的晶振。并用程序控制CS5463自動完成輸入信號的檢測，同時通過6腳SDO輸出數據；而分別由5腳SCLK、7腳、19腳RES、20腳INT、23腳SDI輸出單片機的時鐘脈沖、片選信號、復位信號、中斷信號以及單片機對CS5463的控制信號。由于CS5463要完成對模擬信號的檢測并以數字信號輸出檢測值，即一個芯片同時有模擬、數字兩種信號，因而需要模擬和數字兩路電源；同時，其需要接地的管腳一定要正確接相應的地，不然將會引入很大的干擾。 5 顯示電路 本儀表系統采用七段LED顯示。移位寄存器74HC164的時鐘信號由單片機提供。從單片機輸出數據信號時，先輸出低位，后輸出高位。數據首先傳輸到對應顯示高位數碼管的74HC164，每當到來一個時鐘脈沖時，數據便移位一次，經過一個周期后，數據將全部傳輸到其對應各位的74HC164并由數碼管顯示出來。 6 結束語 本文給出了一種多功能電能表的設計方法，詳細說明了電能表的工作原理和設計思路，重點介紹了電源設計和電能計量模塊的原理、實現及注意事項。經使用證明，該電能表具有運行穩定、可靠性高、精度高、成本低等優點，而且實用性強。此外，還可針對不同的需求來改進功能，如增加通訊模塊等。 |
