電能表論文06686

1、摘要隨著國際社會、經(jīng)濟水平的發(fā)展，電力供應(yīng)越來越緊張，國內(nèi)外對多功能電能表的需求量正在快速增長，高精度三相多功能工業(yè)電能表也因此成為目前我國電能表行業(yè)研究的新課題。該類型電能表可以廣泛應(yīng)用于電能的高精度計量和工業(yè)自動化系統(tǒng)對電量的檢測，如檢測電流、電壓、頻率、有功功率、無功功率等。但是基于多功能電能表的成本以及可靠性等方面的考慮，多功能電能表并沒有得到廣泛地應(yīng)用。因此，開發(fā)設(shè)計新型的三相多功能工業(yè)電能表對降低生產(chǎn)成本，提高計量精度都有十分重要的意義。本設(shè)計的三相多功能電能表系統(tǒng)以單片機at89s51為核心，采用專用計量芯片ade7758，集檢測、計量、控制和通信于一體，能夠廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)系

2、統(tǒng)中。設(shè)計的主要內(nèi)容如下：(1)分析了三相多功能工業(yè)電能表的電能計量原理。(2)制定了基于單片機at89s51的三相電度表的整體設(shè)計方案，并在此方案的基礎(chǔ)上進行電能計量部分和控制部分電路的設(shè)計。(3)制定了軟件的總體設(shè)計方案以及各部分的流程。 該電能表經(jīng)過校正后能達到很高的精度，能精確的測量所需的各種電能參數(shù)。關(guān)鍵詞 電能表 精確計量 at89s51 ade7758 abstractwith international social and economic development, the electricity supply and more nervous, and a table fo

3、r electricity demand is growing fast,so how to design a high-accuracy multi-function 3-phase power meter is a new subject in the relative fields in our country.this type of the instruments can be used for measuring electrical energy high accurately and monitoring electrical valume in induslrial auto

4、matic controling system,such as current,voltage,frequency,active power,reactive power,etc. but based on a cost of electricity to form and reliability considerations, the more electrical energy is not widely used. therefore , it is very necessary and meaningful to design a new type of high-accuracy m

5、ulti-function 3-phase power meter which can reduce the production costs and improve the measurement accuracy.in the design,a high-accuracy multi-function 3-phase power meter based on high-performance mcu at89s51 and high-precision power chip ade7758 are studied.the following are the main points:(1)e

6、nergy measurement principles of the high-accuracy multi-function 3-phase powermeter are analyzed.(2)the overall design of the high-accuracy multi-function 3-phase powermeter is studied.the metering part and the controlling part are designed,which is needed to enable the functions of the power meter.

7、(3)the overall program of the software and the process of each part is designed. this kind of power meter will achieve high accuracy after calibration,which can exactly measure the technical parameters needed in monitoring electromotor.key words power meter accurate measurement at89s51 ade7758目錄摘要ia

8、bstractii第1章 緒論11.1 研究背景及意義11.2 國內(nèi)外發(fā)展情況1第2章 基于單片機的三相電度表的總體設(shè)計32.1 系統(tǒng)總體框圖32.2 設(shè)計的主要技術(shù)指標42.3 電能計算的理論基礎(chǔ)52.3.1 三相交流電信號模型52.3.2 電壓、電流有效值的計算52.3.3 功率的計算62.3.4 頻率的計算8第3章 基于單片機的三相電度表的硬件設(shè)計93.1 硬件電路的總體設(shè)計93.2 電流電壓輸入模塊設(shè)計93.2.1 電流輸入通道設(shè)計93.2.2 電壓輸入通道設(shè)計123.3 計量模塊設(shè)計133.3.1 計量電路原理133.3.2 濾波器仿真163.3.3 電能芯片ade7758簡介163

9、.4 單片機及外圍電路設(shè)計183.4.1 單片機芯片簡介及與外圍電路的連接183.4.2 時鐘模塊設(shè)計223.4.3 鐵電eeprom接口電路設(shè)計243.4.4 串行通訊接口設(shè)計253.4.5 lcd顯示電路設(shè)計263.4.6 按鍵模塊設(shè)計273.4.7 復(fù)位電路設(shè)計283.4.8 電源電路設(shè)計29第4章 軟件部分設(shè)計314.1 程序總體框架314.1.1 主程序流程314.1.2 初始化模塊324.1.3 電能計量模塊334.1.4 異常情況監(jiān)測344.1.5 時鐘模塊354.1.6 鍵盤中斷模塊364.2 系統(tǒng)初始化374.2.1 mcu初始化374.2.2 外圍設(shè)備初始化394.3 系統(tǒng)

10、軟件設(shè)計414.3.1 實時電能計量程序設(shè)計414.3.2 按鍵中斷處理與時鐘初值輸入調(diào)整42結(jié)論44致謝45參考文獻46附錄48contentsabstractichapter i preface11.1 the background and meaningful11.2 domestic and international development1chapter ii the overall design of 3-phase power meter based on mcu32.1 overall system chart32.2 the design of the main indic

11、ators42.3 electricity to the theoretical foundation52.3.1 three-phase ac signal model52.3.2 voltage and current value of effective52.3.3 calculation of power62.3.4 calculation of frequency8chapter iii the hardware circuit design of 3-phase power meter based on mcu93.1 the overall design of hardware

12、circuit93.2 the design of current and voltage input socket93.2.1 the design of current input channel93.2.2 the design of voltage input channel123.3 the design of measurement module133.3.1 measurement instruments circuit design principle modules133.3.2 filter simulation163.3.3 the design of voltage i

13、nput channel163.4 the design of mcu and the external circuits183.4.1 the profile of mcu and the connection of the external circuits183.4.2 the design of the clock module223.4.3 the design of the iron and electric eeprom interface circuit243.4.4 the design of the serial communication interface253.4.5

14、 the design of lcd display circuit263.4.6 the design of the key module273.4.7 the design of the reset circuit283.4.8 the design of the power circuit29chapter iv the design of software314.1 the overall framework314.1.1 the main program flow314.1.2 initialization module324.1.3 the module of electrical

15、 energy measurement334.1.4 monitoring of unusual344.1.5 the clock module354.1.6 the module of keyboard interrupt364.2 system initialization374.2.1 mcu initialization374.2.2 peripheral devices initialization394.3 the design of system software414.3.1 the design of real-time electrical energy measureme

16、nt program414.3.2 buttons suspended dealing with the readjustment of the input42conclusions44acknowledgements45references46appendix48第1章 緒論1.1 研究背景及意義電能是最重要的能源，它的應(yīng)用在生產(chǎn)技術(shù)上曾引起劃時代的變革。在現(xiàn)代社會中電能已廣泛應(yīng)用到社會生產(chǎn)的各個領(lǐng)域和社會生活的各個方面。作為測量電能的專用儀表電能表，在電能管理用儀器儀表中占有很大的比例，其性能直接影響電能管理的效率和科學化水平，它的準確與否直接關(guān)系到國家與用戶的經(jīng)濟利益。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的

17、發(fā)展，以各種單片機為主要控制芯片的電子電能表的生產(chǎn)已形成規(guī)模。同時，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，電量消耗日益增加，這為電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來了很多不安全因素。國家加快智能電網(wǎng)建設(shè)，并采取多種形式的用電政策，以達到節(jié)能，削峰填谷，平衡用電的目的。三相多功能電度表主要針對國內(nèi)市場三相用電的工業(yè)用戶。三相多功能電能表性能優(yōu)越、工作可靠、功能多樣，擁有多參數(shù)計量、按鍵顯示、電能脈沖輸出、光電和rs-485通信等功能，并且成本低廉，具有廣闊的市場應(yīng)用前景1。隨著電力行業(yè)改革深入,工業(yè)三相用電對多功能電能表的需求大量增加。目前國內(nèi)多功能表種類少、價格較高、功能不完善,往往僅是針對某些地區(qū)的特定要求開發(fā),缺乏通用性,

18、某些產(chǎn)品未能完全達到國標的要求。因此，設(shè)計一種多功能、實時性高、精度高和成本低的電能表足電工儀表行業(yè)的研究人員一直追求的目標。1.2 國內(nèi)外發(fā)展情況我國早期普遍使用的是感應(yīng)式電能表，20世紀70年代開始應(yīng)用電子式標準電能表，首先是采用進口電能表，到80和90年代國內(nèi)已能商業(yè)化生產(chǎn)0.05級電子式標準電能表。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在我國電能表技術(shù)水平在大部分領(lǐng)域已經(jīng)達到國外同類產(chǎn)品的先進水平。在市場經(jīng)濟下，人們對電能計量準確度的要求越來越高，對電的管理要求實現(xiàn)智能化和自動化2，這些都是感應(yīng)式電能表無能為力的。20世紀中葉，微電子和信息產(chǎn)業(yè)等新技術(shù)的發(fā)展，有力的支持了電能表的革新。先是高精度電子式標

19、準電能表的出現(xiàn)滿足了校驗技術(shù)的要求，繼而70年代開始商業(yè)化應(yīng)用電子式電能表于大工業(yè)用戶電能計量。21世紀初，電力市場改革浪潮遍及全球，各國電力公司都認識到市場競爭的核心是電能表。特別是用戶選擇供應(yīng)商和實時電價，要求電能表既有靈活、可靠的雙向通信功能又要能夠穩(wěn)定運行、精確計量。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電能表正在向高精度、長壽命、微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。隨著電力工業(yè)向大電網(wǎng)、大電廠、大機組、高電壓、高參數(shù)、高度自動化方向發(fā)展以及全國電力聯(lián)網(wǎng)的推進，電力輸送規(guī)模將越來越大，高精度電能表將成為電工儀器儀表行業(yè)的發(fā)展重點。三相多功能電能表是高精度電能表中的代表產(chǎn)品。目前三相多功能電能表主要用于變

20、電站、電廠及作為大用戶的關(guān)口表。作為推動電力系統(tǒng)自動化的關(guān)鍵設(shè)備之一，三相多功能表有著廣闊的市場前景。同時隨著電能表產(chǎn)品需求結(jié)構(gòu)的改變，三相多功能電能表必將從只有重要的關(guān)鍵大電大戶使用，發(fā)展到一般用電大戶甚至普通三相表中、小用戶中使用，市場容量將進一步增大。面對新的形勢，全面提高三相電能表，尤其是技術(shù)含量高的產(chǎn)品的市場競爭力，重點突破多功能表的現(xiàn)狀，使電能表從數(shù)量優(yōu)勢向技術(shù)優(yōu)勢轉(zhuǎn)變是電能表產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。三相電能表是今后一段時間內(nèi)的發(fā)展主流，技術(shù)含量高的產(chǎn)品發(fā)展空間大，經(jīng)濟效益也好，更應(yīng)該作為今后發(fā)展重點。第2章 基于單片機的三相電度表的總體設(shè)計本設(shè)計中的電能表主要由檢測、計量、控制、存儲、顯

21、示、鍵盤、通信接口和電源等部分組成。電能計量系統(tǒng)最重要的功能是精確測量各種電能參數(shù)，如電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率、功率因數(shù)，欠壓和斷相檢測、諧波分析等。目前測量方式主要有兩種。一種是采用專用測量芯片，將其檢測到的數(shù)據(jù)加以處理，得到想要測量的參數(shù)；另一種是直接對電流、電壓進行采樣，并通過計算得到電能參數(shù)。比較這兩種測量方法，前一種從測量精度、可靠性、維護的難易程度等方面均優(yōu)于后一種。因此本系統(tǒng)采用專用計量芯片來檢測電信號，配以單片機(mcu)編程實現(xiàn)多種功能。檢測部分由精密電流互感器、電壓互感器和外圍處理電路組成，從而得到電流、電壓、頻率、相位等實時數(shù)據(jù)，并輸入到計量芯片中。計量芯片通

22、過對各個輸入信號計量之后，將計量得到各種電能參數(shù)輸入到控制部分即mcu中，由mcu中的程序決定它將那些參數(shù)經(jīng)過處理后送到存儲器中儲存，并送到顯示部分進行顯示。顯示部分采用高品質(zhì)液晶顯示模塊，可顯示4行，每行20個字符。通信接口采用rs-485通信模塊，來和上位機進行通信，本系統(tǒng)中用的是max487芯片，它為單一電源+5v供電，8個引腳使用簡單、方便。如果通信接口接到上位機的命令，則將命令傳輸?shù)絤cu中，根據(jù)命令可將電能參數(shù)傳送到上位機，這樣就可以實現(xiàn)各種參數(shù)的測量。2.1 系統(tǒng)總體框圖三相電度表的主要構(gòu)成模塊有：計量模塊（信號采集及調(diào)理模塊）、電源模塊、管理模塊（微控制器模塊）、通信模塊、存儲

23、模塊、按鍵模塊和顯示模塊。三相電度表的計量模塊包括電壓電流采樣電路和計量單元。采樣電路將被測三相電壓、三相電流轉(zhuǎn)換到 a/d 轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍內(nèi)， a/d 轉(zhuǎn)換器將電壓電流模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并傳輸給計量單元。計量單元可采用模擬乘法器、數(shù)字乘法器、專用電能計量芯片或數(shù)字信號處理器等器件，通過電壓電流采樣信號計算出電網(wǎng)電壓電流有效值、功率和電量等信息；電源模塊為電能表提供工作電源；管理模塊讀取計量模塊輸出的測量參數(shù)和電量數(shù)據(jù)；通信模塊、存儲模塊和顯示模塊配合完成電能表的各種功能。 基于單片機技術(shù)的三相多功能電度表的設(shè)計總體框圖如圖2-1所示。圖2-1 基于單片機的三相電度表的設(shè)計的結(jié)構(gòu)框圖本

24、設(shè)計采用ade7758計量芯片和at89s51設(shè)計三相電度表，單片機的t0、t1對ade7758的apcf、varcf端子發(fā)出的脈沖計數(shù)，實現(xiàn)有功、無功等多個電量參數(shù)的計量。單片機通過按鍵進行電量參數(shù)的查詢，通過液晶lmb204進行電量參數(shù)的顯示，通過rs-485總線進行電量參數(shù)的遠程數(shù)據(jù)傳送，采用fm24c64芯片進行電量參數(shù)的存儲?？紤]到存儲芯片擦寫次數(shù)的有限性，電量參數(shù)的計量累加在單片機內(nèi)部完成。dsl302為分時段計量和定時存儲提供時間參數(shù)；通過三個功能鍵實現(xiàn)dsl302芯片時鐘的初值輸入調(diào)整。后備電源lir2466為可充電的3.6v鋰電池。單片機復(fù)位采用max706芯片。單片機的rx

25、d、txd串口預(yù)留作為rs-485通信接口，采用max487芯片進行rs-485總線與單片機的接口電路設(shè)計3。2.2 設(shè)計的主要技術(shù)指標本設(shè)計的技術(shù)指標為：（1）額定電壓380v；額定電流5a；信號頻率50hz10%。（2）儀表電源220v10%；工作環(huán)境溫度-2550，相對濕度85%。（3）精度：有功1.0級，無功1.0級。（4）串口通信rs-485。2.3 電能計算的理論基礎(chǔ)隨著市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各種耗能性企業(yè)遍布全國各地。能源問題成為中國發(fā)展進步的重大問題。供電部門、各大生產(chǎn)企業(yè)日益重視電能的科學管理，加強電力負荷監(jiān)控以實現(xiàn)計劃用電和合理配電，提高電網(wǎng)負荷率。這就要求電能表不僅能精確的

26、計量用戶有功電能的消耗，還應(yīng)能夠記錄顯示電網(wǎng)運行質(zhì)量的參數(shù)，這些參數(shù)包括電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、工作頻率等。2.3.1 三相交流電信號模型對于理想的三相交流電,a、b、c三相電壓信號可以表示為下列函數(shù)4：= (2-1)= (2-2)= (2-3)2.3.2 電壓、電流有效值的計算信號的有效值也叫均方根值(rms)，是表示信號發(fā)送功率的能力，不管什么樣的波形，具有相同均方根值的信號發(fā)送到阻性負載上的功率是相同的。在三相電路中，電壓、電流的測量一般均為有效值的測量。根據(jù)電壓有效值、電流有效值的定義4：= (2-4)= (2-5)由于a/d轉(zhuǎn)換器是對電信號離散采樣的，假

27、設(shè)對電壓u(t)、i(t)分別進行n次采樣，u(k)、i(k)相應(yīng)為第k個采樣點，總采樣點數(shù)為n，則= (2-6)= (2-7)在三相電路中，a、b、c相的電壓有效值分別為：= (2-8)= (2-9)= (2-10)a、b、c相的電流有效值分別為：= (2-11)= (2-12)= (2-13)2.3.3 功率的計算功率是電流做功的速率，通常用字母p表示。在交流電路中，由于儲能元件的存在，交流電路的功率分為有功功率、無功功率和視在功率。(1)有功功率的計算有功功率又叫平均功率，即瞬時功率在一個周期內(nèi)的平均值。它是指電路中耗能元件所消耗的功率5。在正弦交流電路中，設(shè)瞬間電壓為u(t)，瞬間電流

28、為i(t)，則瞬間功率p(t)=u(t)i(t)。p(t)是個隨時間變化的函數(shù)，它在某個周期內(nèi)的平均值應(yīng)等于該函數(shù)對時間積分后，除以時間間隔，所以平均功率應(yīng)為：= (2-14)當用計算機處理時，需要將連續(xù)量離散化，用和式代替積分。若以的時間間隔對電壓和電流進行采樣，用n表示每周期采樣的次數(shù)(即t=n)，則有功功率公式可以表示為： (2-15)式中，u(k)、i(k)分別代表電壓、電流的第k次采樣值，n為采樣總點數(shù)，芯片就可按公式(2-15)計算出有功功率。取得越小，離散采樣的波形就越接近實際值，則計算結(jié)果越準確。在三相交流電中，a、b、c三相的有功功率分別為： (2-16) (2-17) (2

29、-18)(2)視在功率的計算在具有復(fù)阻抗的交流電路中，電壓有效值與電流有效值的乘積值稱為視在功率，它反映的是額定功率的大小，即= (2-19)視在功率也可定義為電壓絕對值與電流絕對值的乘積，即= (2-20)通常，為了電路設(shè)計的方便性，芯片內(nèi)部使用公式(2-21)的方法實現(xiàn)視在功率的計算。即先計算出電壓有效值和電流有效值，然后相乘得到視在功率。(3)無功功率的計算無功功率是視在功率中不消耗電能的部分，它的產(chǎn)生與儲能元件有關(guān)6。在實際的電路中，一般采用先計算有功功率、視在功率，然后通過三者的關(guān)系式來計算無功功率。視在功率、無功功率、有功功率滿足下面的關(guān)系： (2-21)所以，無功功率的計算方法如

30、下： (2-22)(4)功率因數(shù)的計算在交流電路中，電壓與電流之間的相位差()的余弦叫做功率因數(shù)，用符號表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即= (2-23)由上式可以看出，功率因數(shù)的最高值為1。功率因數(shù)的大小與電路的負荷性質(zhì)有關(guān)，具有電感或電容性負載的電路功率因數(shù)都小于1。功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個重要的技術(shù)數(shù)據(jù)，也是衡量電氣設(shè)備效率的一個系數(shù)。功率因數(shù)低，說明電路用于交變磁場轉(zhuǎn)換的無功功率大，從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損失7。2.3.4 頻率的計算頻率的測量一般采用過零檢測法，設(shè)電壓信號每個過零點的時刻，由此可得到周期t滿足： (2-24)由周期與頻率之間的關(guān)系得

31、到頻率的計算公式： (2-25)第3章 基于單片機的三相電度表的硬件設(shè)計3.1 硬件電路的總體設(shè)計按照功能區(qū)分，硬件電路的設(shè)計可以分為兩部分：一部分完成計量功能，主要功能是精確測量各種電能參數(shù)，如電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率、功率因數(shù)、欠壓和斷相檢測、諧波分析等。這部分由高檔電能芯片ade7758完成；另一部分完成控制功能，實現(xiàn)lcd顯示、串口通訊等功能，這部分由單片機at89s51、max487、fm24c64、lcd液晶顯示lmb204組成。設(shè)計采用ade7758和at89s51為主要芯片，配合各種通用芯片來實現(xiàn)各個功能。電流電壓信號處理的流程：從互感器出來的三相電流信號與三相電壓

32、信號先經(jīng)信號調(diào)理，之后由電能芯片ade7758進行數(shù)據(jù)處理，從而得到電能表顯示所需要的電壓、電流、功率和電能的值，這些數(shù)值經(jīng)spi串行通訊接口傳輸?shù)絘t89s51中，并在cpu的控制下送lcd液晶顯示。3.2 電流電壓輸入模塊設(shè)計3.2.1 電流輸入通道設(shè)計a相、b相、c相電流信號正負模擬輸入引腳分別為iap/ian、ibp/ibn、icp/icn，電流信號經(jīng)過rc濾波電路進行信號調(diào)理后，進入到cd4053信號選通模塊，cd4053與ade7758相連接，所以此時電流信號從輸入引腳iap/ian、ibp/ibn、icp/icn進入到ade7758中。以a相為例，它的電流信號的流向為：電流信號經(jīng)

33、過電流互感器ctl后處理為電壓小于 0.5v的信號，即適合輸入到iap、ian的電壓幅度，然后通過電阻、電容構(gòu)成的rc濾波器濾波8，再經(jīng)過兩對倒置開關(guān)二極管組成的電壓保護電路，最后才成為輸入電流。電流輸入通道設(shè)計如圖3-1所示。圖3-1 a相電流輸入通道在本設(shè)計中，電流輸入信號由雙變比電流互感器引出，以實現(xiàn)根據(jù)負載實時功率的大小，即實時負荷的大小，進行電流輸入通道的切換。電流互感器的變比是指一次、二次端額定電流之比。采用雙變比電流互感器，主要是考慮到負荷問題會影響到所測的電能精度。電流互感器有兩個變比輸出,高變比和低變比。當測量得到的負荷發(fā)生變化時進行變比切換，采用不同的變比來減小誤差，提高測

34、量精度。雙變比電流互感器如圖3-2所示。圖3-2 電流互感器示意圖切換功能由模擬開關(guān)來實現(xiàn)。開關(guān)在電路中起接通信號或斷開信號的作用。最常見的可控開關(guān)是繼電器，當給驅(qū)動繼電器的驅(qū)動電路加高電平或低電平時，繼電器就吸合或釋放，其觸點接通或斷開電路。cmos模擬開關(guān)是一種可控開關(guān)，它不像繼電器那樣可以用在大電流、高電壓場合，只適于處理幅度不超過其工作電壓、電流較小的模擬或數(shù)字信號。在本設(shè)計中將電流輸入分為兩種情況。一種情況是當前負荷大于或等于額定負荷的20時的情況，稱之為峰時，另一種情況是當前負荷低于額定負荷的20時的情況，稱之為谷時。峰時電流互感器切換為高變比，反之采用低變比。這個切換功能由模擬開

35、關(guān)cd4053來實現(xiàn)。cd4053為三組二路模擬開關(guān)，其內(nèi)部含有三組單刀雙擲開關(guān)，三組開關(guān)具體接通哪一通道，由輸入地址碼abc來決定。cd4053的真值表見表3-1。峰時的三路電流分別接cd4053的ax、bx、cx，當a、b、c同時為0時接通；而谷時的a相、b相、c相三路電流分別接cd4053的ay、by、cy，當a、b、c同時為l時接通。將cd4053的輸出a、b、c分別接在ade7758的iap、ibp、icp。由于系統(tǒng)只需要ax、bx、cx同時接通或關(guān)閉，ay、by、cy同時接通或關(guān)閉的情況，因此將a、b、c連接在一起與單片機的i/o口p1.0，通過編程設(shè)置p1.0輸出為0還是l來選擇

36、接通ax、bx、cx還是ay、by、cy進行高、低變比互感器的切換，以實現(xiàn)控制。cd4053外圍電路設(shè)計如圖3-3所示。r28為限流電阻，發(fā)光二極管led1指示功率分段和變比切換情況，當p1.0為高電平時，cd4053的ay端子與a選通，ade7758的電流通道小變比檢測信號選通，對應(yīng)小負荷計量模式，此時led1不導(dǎo)通；p1.0為低電平時，ax端子與a選通，電流通道高變比檢測信號選通，對應(yīng)正常負荷計量模式，led1導(dǎo)通發(fā)光。表3-1 cd4053真值表輸入狀態(tài)接收通道inhcba0000cxbxax0001cxbxay0010cxbyax0011cxbyay0100cybxax0101cybx

37、ay0110cybyax0111cybyay1/均不接通圖3-3 cd4053引腳配置及外圍電路設(shè)計3.2.2 電壓輸入通道設(shè)計a相、b相、c相電壓信號正負模擬輸入引腳分別為vap、vbp、vcp，電壓信號經(jīng)過信號調(diào)理后從這些引腳進入到ade7758中。以a相為例，如圖3-4所示，電壓信號經(jīng)過電壓互感器ptl后處理為電壓小于0.5v的信號，即適合輸入到vap引腳的電壓幅度，然后通過電阻、電容構(gòu)成的rc濾波器濾波，再經(jīng)過兩對倒置開關(guān)二極管組成的電壓保護電路，最后才進入到vap中。圖3-4 a相電壓輸入通道3.3 計量模塊設(shè)計3.3.1 計量電路原理計量電路原理即為：電流回路由電流傳感器進行信號取

38、樣，電壓回路由電壓互感器進行信號取樣，之后進行信號調(diào)理，再由計量芯片ade7758對取樣信號進行處理，計算出瞬時有功、無功功率。平均有功、無功功率通過瞬時功率的直流分量獲得在電量累加寄存器中對平均功率進行累加得到分相電量；分相電量可以通過spi端口讀出，也可以轉(zhuǎn)換為計量脈沖輸出。ade7758有兩路脈沖輸出，對應(yīng)端子為apcf和varcf。脈沖輸出頻率與能量寄存器中累加的能量成正比，通過對脈沖計數(shù)實現(xiàn)電量參數(shù)的累加。本設(shè)計的計量電路采用ade7758專用電能計量芯片，由信號衰減網(wǎng)絡(luò)和濾波網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。衰減網(wǎng)絡(luò)用來實現(xiàn)負荷電流、電壓信號的衰減，由電流傳感器、電壓互感器組成；濾波網(wǎng)絡(luò)用來實現(xiàn)抗混

39、疊濾波電路9。頻率混疊是a/d信號采樣處理中的特有現(xiàn)象，混疊會產(chǎn)生假頻率假信號，影響測量結(jié)果10。在進行電流、電壓信號衰減后，要進行抗混疊濾波設(shè)計。在本設(shè)計中，濾波網(wǎng)絡(luò)采用rc無源低通濾波器電路，因為在這一領(lǐng)域中，信號頻率相對來說不高，而且rc濾波器電路簡單，抗干擾性強，有較好的低頻性能，并且選用標準的阻容元件易得。低通濾波器的串臂接電阻r，并臂接電容c，由于電容器的容抗隨頻率升高而減小，所以信號的高頻成分不能通過濾波器。rc低通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性如下：設(shè)濾波器的輸入電壓為ex輸出電壓為ey，電路的微分方程為： (3-1)這是一個典型的一階系統(tǒng)。令=rc，稱為時間常數(shù)，對上式取拉氏

40、變換，有： (3-2)或 (3-3)其幅頻、相頻特性公式為： (3-4) (3-5)分析可知，當f很小時，a(f)=1，信號不受衰減的通過；當f很大時，a(f)=0，信號完全被阻擋，不能通過。因為設(shè)計的主要技術(shù)指標中規(guī)定信號頻率50hz10%，因此本設(shè)計濾波電路中取f=55hz,電阻取標值1k，根據(jù)公式 (3-6)可得， 則 rc濾波電路具體設(shè)計如圖3-1,3-4所示。3.3.2 濾波器仿真本設(shè)計通過ni multisim軟件對濾波器電路部分進行仿真。ni multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設(shè)計和驗證。憑借ni multisim，可以立即創(chuàng)建

41、具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標準spice模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級spice分析和虛擬儀器，能在設(shè)計流程中提早對電路設(shè)計進行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與ni labview和signalexpress軟件的集成，完善了具有強大技術(shù)的設(shè)計流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實現(xiàn)建模測量。一階低通濾波器電路的仿真圖如圖3-5所示。圖3-5 一階無源低通濾波電路的仿真圖如圖3-5所示，通過仿真，驗證了濾波器電路設(shè)計的正確性。3.3.3 電能芯片ade7758簡介ade7758是一種高精確度三相電能測量ic，帶有一個串行口，兩路脈沖輸出。ade7758集成了數(shù)字積分、參考基準電壓源、溫

42、度敏感元件等，有可用于有功功率、復(fù)功率、視在功率、有效值的測量以及以數(shù)字方式校正系統(tǒng)誤差(增益、相位和失調(diào)等)所必須的信號處理電路。該芯片適用于各種三相電路(不論三線制或者四線制)中測量有功功率、無功功率、視在功率11。在電能芯片ade7758內(nèi)部，來自電流傳感器和電壓傳感器的電信號經(jīng)信號放大(pgal、pga2)和模數(shù)變換(adc)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字信號，然后，電流信號經(jīng)電流通道內(nèi)的高通濾波器(hpf)濾除dc分量并數(shù)字積分后，與經(jīng)相位校正()的電壓信號相乘，產(chǎn)生瞬時功率：此信號經(jīng)低通濾波lpf2產(chǎn)生瞬時有功功率信號：各相功率相加得到總的三相瞬時有功功率，經(jīng)dout引腳輸出。視在功率和無功功率

43、的計算與此類似。ade7758有六路模擬量輸入，分成電流和電壓兩個通道。電流通道由三對差分電壓輸入，分別是iap，ian；ibp，ibn；icp，icn。這三個電流通道最火的信號電壓變化范圍為0.5v。電流通道有一個可編程增益放大器(pgal)，放大器增益為1，2或4。除了pga功能外，用于a/d轉(zhuǎn)換時，通道1還具有輸入信號滿刻度選擇的功能。前面提到了，最大輸入電壓變化范圍為0.5v，利用增益寄存器的3和4位，adc的輸入電壓可以設(shè)置為0.5v，0.25v，0.125v。這是利用adc的基準參考端來實現(xiàn)的。電壓通道具有三路單端電壓輸入通道，分別為vap，vbp和vcp。這些單電壓輸入端的最大輸

44、入電壓變化范圍為0.5v。相對于vn來說，電流和電壓通道都有一個pga(可編程放大器)，增益為l，2或4，由用戶編程來決定，所有的輸入通道的增益相同。ade7758提供系統(tǒng)的校正功能如：有效值偏移的校正、相位和功率的校正等等。引腳apcf的邏輯輸出給出了有功功率的信息，引腳varcf的輸出提供了瞬時無功功率和視在功率的信息。ade7758具有一個波形取樣寄存器，其值來自于adc的輸出。波形采樣部分集成有一個用于短時持續(xù)低電平或高電平的監(jiān)測電路，門檻電平和持續(xù)時間是由用戶編程來決定的。三相中的任一相過零監(jiān)測是同步進行的，過零監(jiān)測的結(jié)果可用于測量三路電壓輸入中任一路的周期。ade7758的所有功能

45、都是通過讀、寫片上寄存器來實現(xiàn)的，即ade7758的各種設(shè)定和操作主要是對其眾多寄存器的讀和寫。每個寄存器在讀、寫時，首先要執(zhí)行一個寫通信寄存器的操作，然后開始傳輸數(shù)據(jù)。 電能表的測控命令和測量信息可以多種方式與mcu通訊。mcu輸入的命令字控制著ade7758的工作模式、測量模式、波形采樣模式、有效值偏差補償量和中斷模式等。例如：每相的電流通道在信號通路中都有一個乘法器。電流波形可以改變50，這主要是由寫入12位有符號電流波形增益寄存器(aigain，bigain，cigain)中的2進制數(shù)決定的：如果7ffh寫入這三個寄存器，則adc的輸出標定值將增加50；如果800h被寫入，則輸出減小5

46、0。ade7758引腳分布及與單片機的連接電路如圖3-6所示。圖3-6 ade7758引腳分布及與單片機的連接電路圖3-6電路用來實現(xiàn)ade7758與單片機的數(shù)據(jù)通信，一方面可以通過spi口進行計量芯片ade7758的初始化，另一方面ade7758把數(shù)據(jù)處理的結(jié)果以脈沖形式或spi口送出，供單片機進行計量處理。r47、r48為限流電阻，對單片機的i/o口起到限流保護作用。ade7758每產(chǎn)生一個有功或無功脈沖，對應(yīng)的led2或led3會閃亮一次。旁路電容c25的作用是使ade7758電源電壓輸入保持基本穩(wěn)定,去耦電容c26的作用是濾除芯片電源輸入中的尖峰脈沖成分。12腳為ad采樣參考電壓引腳，

47、c27、c28并連接地去耦。18腳irq為ade7758中斷輸出端子，低電平有效，漏極開路，與單片機at89s51的p3.3口相連。當ade7758檢測到中斷發(fā)生時，irq向低電平跳變，發(fā)出intl中斷申請；單片機通過讀取ade7758狀態(tài)復(fù)位寄存器內(nèi)容，判斷中斷事件的類型。19腳clkin、20腳clkout為10mhz晶振輸入、輸出引腳，由于晶振在高頻工作時有寄生電感，所以設(shè)計中加入22pf的小電容c30、c31作為負載電容，起到平衡電感，以及諧振的作用。ade7758的dout、sclk、din、cs為4線spi串行接口(dout端子時鐘上升沿數(shù)據(jù)輸出，sclk串行時鐘信號輸入端, di

48、n端口時鐘下降沿數(shù)據(jù)輸入, cs低電平選通)，分別與單片機at89s51的p1.4p1.7口相連，實現(xiàn)片內(nèi)寄存器的寫入及電量參數(shù)、中斷數(shù)據(jù)的讀出。3.4 單片機及外圍電路設(shè)計3.4.1 單片機芯片簡介及與外圍電路的連接at89s51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(fperomfalshprogrammableanderasablereadonlymemory)的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89s5

49、1是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案12。at89s51的引腳分布及與外圍電路的連接如圖3-7所示。引腳功能介紹：p0口有三個功能： 1、外部擴展存儲器時，當做數(shù)據(jù)總線（如圖3-7中的d0d7為數(shù)據(jù)總線接口）。2、外部擴展存儲器時，當作地址總線（如圖3-7中的a0a7為地址總線接口）。3、不擴展時，可做一般的i/o使用，但內(nèi)部無上拉電阻，作為輸入或輸出應(yīng)在外部接上拉電阻。 p1口只做i/o口使用，其內(nèi)部有上拉電阻。 p2口有兩個功能： 1、擴展外部存儲器時，當作地址總線使用。2、做一般i/o口使用，其內(nèi)部有上拉電阻。p3口有兩個功能：除了作為i/o使用外（其

50、內(nèi)部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設(shè)置。編程脈沖：30腳（ale/prog）, 有內(nèi)部eprom的單片機芯片（例如8751），為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號是由該引腳提供的。編程電壓（25v）：31腳（ea/vpp）。ale/prog地址鎖存控制信號：在系統(tǒng)擴展時，ale用于控制把p0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。ale有可能是高電平也有可能是低電平，當ale是高電平時，允許地址鎖存信號，當訪問外部存儲器時，ale信號負跳變（即由正變負）將p0口上低8位地址信號送入鎖存器。當ale是低電平時，p0口上的內(nèi)容和鎖存器輸出一致。

51、在沒有訪問外部存儲器期間，ale以1/6振蕩周期頻率輸出（即6分頻），當訪問外部存儲器以1/12振蕩周期輸出（12分頻）。從這里我們可以看到，當系統(tǒng)沒有進行擴展時ale會以1/6振蕩周期的固定頻率輸出，因此可以做為外部時鐘，或者外部定時脈沖使用。 porg為編程脈沖的輸入端。psen外部程序存儲器讀選通信號：在讀外部rom時psen低電平有效，以實現(xiàn)外部rom單元的讀操作。 1、內(nèi)部rom讀取時，psen不動作； 2、外部rom讀取時，在每個機器周期會動作兩次； 3、外部ram讀取時，兩個psen脈沖被跳過不會輸出； 4、外接rom時，與rom的oe腳相接。 ea/vpp訪問和序存儲器控制信號

52、： 1、接高電平時： cpu讀取內(nèi)部程序存儲器（rom） 擴展外部rom：當讀取內(nèi)部程序存儲器超過0fffh（8051）1fffh（8052）時自動讀取外部rom。 2、接低電平時：cpu讀取外部程序存儲器（rom）。rst復(fù)位信號：當輸入的信號連續(xù)2個機器周期以上高電平時即為有效，用以完成單片機的復(fù)位初始化操作，當復(fù)位后程序計數(shù)器pc=0000h，即復(fù)位后將從程序存儲器的0000h單元讀取第一條指令碼。 xtal1和xtal2：外接晶振引腳。當使用芯片內(nèi)部時鐘時，此二引腳用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。 vcc：電源+5v輸入。vss：gnd接地。圖3-

53、7 at89s51的引腳分布及與外圍電路的連接如圖3-7所示，在本設(shè)計中at89s51引腳與外圍電路的具體連接情況如下（按引腳標號順序進行描述）。單片機的i/o口p1.0與cd4053的a、b、c連接在一起，通過編程設(shè)置p1.0輸出為0還是l來選擇接通ax、bx、cx還是ay、by、cy進行高、低變比互感器的切換，以實現(xiàn)控制。p1.1口與max706 的看門狗定時器輸入 wdi相連，由 wdi檢測 p1.1的脈沖變化,當單片機受到干擾或運行有故障時，p1.1會在1.6s內(nèi)無上升沿或下降沿變化，則看門狗超時溢出并將看門狗輸出端變?yōu)榈碗娖剑瑥?fù)位輸出也變?yōu)榈碗娖?，?jīng)反相后變?yōu)楦唠娖?，使at89s51

54、單片機產(chǎn)生復(fù)位。p1.2口與max-487的de口相連，當de為高電平時，單片機向rs-485總線發(fā)送數(shù)據(jù)；de為低電平時單片機從rs-485總線接收數(shù)據(jù)。p1.3與ds1302的復(fù)位/片選線rst相連，通過把rst輸入驅(qū)動置離電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送，rst為l允許通信，rst為0禁止通信。p1.4p1.7分別與ade7758的dout、sclk、din、cs相連，用來實現(xiàn)ade7758與單片機的數(shù)據(jù)通信，一方面可以通過spi口進行計量芯片ade7758的初始化，另一方面ade7758把數(shù)據(jù)處理的結(jié)果以脈沖形式或spi口送出，供單片機進行計量處理。并且p1.5、 p1.6口又分別與ds130

55、2的串行數(shù)據(jù)輸入輸出端i/o，串行時鐘輸入sclk相連，以實現(xiàn)時鐘數(shù)據(jù)的傳輸。9腳rst與max706的復(fù)位輸出相接。rxd、txd分別與max-487的ro、di相連。p3.3、p3.4、p3.5分別與ade7758的irq、apcf、varcf相連，irq為ade7758中斷輸出端子，低電平有效，漏極開路。當ade7758檢測到中斷發(fā)生時，irq向低電平跳變，發(fā)出intl中斷申請；單片機通過讀取ade7758狀態(tài)復(fù)位寄存器內(nèi)容，判斷中斷事件的類型。 p2.0、p2.1分別于存儲芯片fm24c64的scl、sda相連，用以輸出時鐘信號，以及接收發(fā)來的串行數(shù)據(jù)。p2.2p2.4分別與按鍵k1、k2、k3