三相智能電表設(shè)計(jì)

1、CS5467的三相電度表設(shè)計(jì)摘要本文以智能計(jì)量總表為研究對(duì)象，采用計(jì)量芯片 CS5461和AT89S5設(shè)計(jì)三相 電度表，介紹了計(jì)量電路原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。針對(duì) 1035kV俞配電網(wǎng)正常負(fù)荷 情況下的精確計(jì)量，提出按功率額度計(jì)量的電度表設(shè)計(jì)方案。采用電流傳感器進(jìn)行信號(hào)的檢測(cè)采樣，當(dāng)負(fù)荷電流低于額定電流的20%時(shí)，單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)功率，自動(dòng)切換到低負(fù)荷計(jì)量回路，即小電流比計(jì)量回路，最大 限度降低了電流傳感器低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)造成的信號(hào)檢測(cè)誤差，提高電能計(jì)量精度。 單片機(jī)通過(guò)對(duì)瞬時(shí)有功功率的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)量回路的實(shí)時(shí)選通切換和功率分段 計(jì)量：通過(guò)對(duì)時(shí)間參數(shù)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)存儲(chǔ)和分時(shí)段計(jì)量。根據(jù)電度表參數(shù)配

2、置進(jìn)行CS546初始化參數(shù)計(jì)算。為了評(píng)估電度表計(jì)量數(shù)據(jù) 的真實(shí)性和有效性，對(duì)模擬信號(hào)輸入電路進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)， 應(yīng)用ME300單片機(jī)開(kāi)發(fā) 系統(tǒng)進(jìn)行在線仿真調(diào)試。以功率參數(shù)為性能指標(biāo)，通過(guò)仿真試驗(yàn)，對(duì)功率參數(shù)的 理論值和電度表的顯示值兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較， 得出電度表計(jì)量數(shù)據(jù)是真實(shí)有 效的結(jié)論。采用雙變比電流傳感器進(jìn)行電度表設(shè)計(jì)， 擴(kuò)大了負(fù)荷計(jì)量范圍，提高了電能 計(jì)量精度，且計(jì)量回路切換無(wú)需進(jìn)行人工干預(yù)。該方案有望實(shí)現(xiàn)全量程的精度均 衡和精確計(jì)量，為具有實(shí)時(shí)分段計(jì)量功能的三相電度表設(shè)計(jì)提供一種可行的方 案。目前，已完成樣表的設(shè)計(jì)與測(cè)試工作。 基于精確的試驗(yàn)平臺(tái)，完成對(duì)電度表 的增益和偏差校準(zhǔn)，即可進(jìn)

3、行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)分段；精確計(jì)量;CS5467，AT89S52IAbstractThe intelligent total energy meter is studied and discussed in this paper. With CS5467 as electrical energy measurememtIC and AT89S52 as control unit, the principium of measuring circuit, and characters of system structure are introducedXs

4、to achiev ing accurate measureme nt underno rmal load for 1 3 35kV power system, this paper prese nts a new strategy of three-phase watt-hour meter with the fun cti on of real-time measuri ng in sect ion accord ing to load power C on sideri ng time-unbanlance of power-consumption, another strategy o

5、f multi. rate time-subsection measuring to regulate powerload curves is also proposedIn this paper, current sensors with double ratios are used to carry out signal detecting and sampling. When the load current is below 20%of rated value,the singlechip regulates ratios of current sensors tdower 10ad

6、measuring circuit, which reduces current sensors' detecting error under lower laod. and enhancesaccurate measuremenr By means of power parameters detecting the adjustment of measuring circuits between normal load and lower 10ad are finished. Time memory and time. subsect ion measuri ng are reali

7、zed by time parameters detectingThe initial values of CS5467 are computed according to the configurations of meter parameters In order to evaluate the authenticity and ef|ficiency for the measuri ng data this paper desig ns the an alog in put circuits and uses ME300B to do simulati on and debuggi ng

8、 on lineUsing power parametersas evaluation index. the experiment results show that the measuring data arevalid and faithful, by means of comparing power parameters that computed in theory and that displayed by three phase wat hour meter. In the design of three. . phase wat. hour meter,current senso

9、r with double ratios enlarges the load measuring range and enhances measuring precision. This scheme can be expected to realize the whole process precision balanee and accurate measurement and also provides a method for reatime subsection measuring The design process and test process have been finis

10、hedWith accurate experimen。table, gain calibration and offset calibration can be done and this scheme has a good application value:realtime subsection measuringaccurate measurement simulationand experiment, ME300B , CS5467, AT89S52摘 要錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。Abstract錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。第1章 緒論錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。1.1電度表技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。

11、1.2擬解決的問(wèn)題和本文的創(chuàng)新性工作 21.3電度表參數(shù)配置3第2章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與設(shè)計(jì)要求42.1結(jié)構(gòu)框圖42.2內(nèi)容顯示與設(shè)計(jì)要求5第3章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)63.1計(jì)量芯片CS546763.1.1引腳配置及功能描述 63.1.2計(jì)量電路原理63.1.3接口電路設(shè)計(jì)63.2單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)與器件選擇 83.2.1單片機(jī)及外圍電路設(shè)計(jì)83.2.2 顯示模塊 HC160293.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) AT2402 103.2.4 時(shí)鐘芯片 DS1302 103.1.2電源模塊設(shè)計(jì) 11第4章結(jié)論12參考文獻(xiàn)13附 錄錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。I1章緒論電度表技術(shù)正向著復(fù)費(fèi)率、多功能、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。電能

12、計(jì)量芯片CS5467 CS546等在電度表設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，提高了電能計(jì)量精度，簡(jiǎn)化了電度表 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。隨著電能計(jì)量芯片的推陳出新，復(fù)費(fèi)率電度表、防竊電電度表、配置 RS-485通信及紅外通信接口的電度表以及三相多功能電度表發(fā)展迅速。電度表的計(jì)量精度、功能擴(kuò)展、抄表方式等發(fā)生了深刻變化，電能的科學(xué)管理和合理利用 進(jìn)入實(shí)施和操作階段。在這種背景下，電度表的功能、性能、以及可靠性設(shè)計(jì)等 都有了顯著提高與改進(jìn)，電度表技術(shù)面臨難得的發(fā)展機(jī)遇。1.1 電度表技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)早在本世紀(jì)初，電子式電度表就已經(jīng)取代感應(yīng)式表，成為工商業(yè)用表的主流。 隨著電力系統(tǒng)在不斷擴(kuò)展三相多功能表的應(yīng)用領(lǐng)域，三相多功能表的需求

13、呈明顯 上升趨勢(shì)。功能的擴(kuò)展提升了供電部門(mén)對(duì)居民用電的現(xiàn)代化管理，為將來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模自動(dòng)抄表提供了基礎(chǔ)。其中復(fù)費(fèi)率表得到了很多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)而電力緊張的地區(qū) 供電部門(mén)的青睞，復(fù)費(fèi)率表的技術(shù)因此也得以迅速提高和發(fā)展。預(yù)付費(fèi)表技術(shù)趨于完善。一方面由于供電部門(mén)加大對(duì)欠費(fèi)用戶(hù)的管理力度，使市場(chǎng)需求升溫，另一方面由于技術(shù)改進(jìn)，特別是使用了 CP卡和非接觸式卡等 最新技術(shù)，使預(yù)付費(fèi)表的性能尤其是安全性和可靠性方面已逐步趨于完善。自動(dòng)抄表技術(shù)發(fā)展頗具前景。近幾年來(lái)，隨著通信技術(shù)的不斷進(jìn)步以及電力 市場(chǎng)應(yīng)用的需要，國(guó)內(nèi)自動(dòng)抄表技術(shù)水平取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。 低壓電力線載波技 術(shù)逐步被越來(lái)越多的電力部門(mén)所采納， 短距離紅外

14、抄表技術(shù)得到應(yīng)用和推廣。 在 無(wú)線抄表方式中，紅外方式用于短距離通信，而GPR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程長(zhǎng)距離通 信。隨著社會(huì)需求的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)線通信技術(shù)和遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)得到 了廣泛應(yīng)用。電子式電度表在可靠性、準(zhǔn)確度、功能擴(kuò)展、性?xún)r(jià)比等方面顯著優(yōu)于感應(yīng)表， 有全面取代感應(yīng)表的趨勢(shì)。防竊電要求進(jìn)一步加強(qiáng)。隨著竊電方式的更加多樣化 和隱蔽化，對(duì)電度表防竊電的要求也越來(lái)越高，電子式電度表表現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。模塊化設(shè)計(jì)成為趨勢(shì)。隨著電力市場(chǎng)改造力度加大，對(duì)電度表的技術(shù)更新速 度也提出了更高的要求。電度表的硬件和軟件可以采用模塊化設(shè)計(jì)， 將技術(shù)相對(duì) 成熟和標(biāo)準(zhǔn)的部分進(jìn)行封裝入庫(kù)，如計(jì)量模塊、電源模塊、RS

15、48濮塊、RT（模塊、 顯示模塊、繼電器控制模塊、IC卡模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等。當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)新的產(chǎn)品 時(shí)，開(kāi)發(fā)人員只需要將精力集中于產(chǎn)品的新模塊、 新功能的開(kāi)發(fā)，以及模塊的集測(cè)量電路的集成化、模塊化是計(jì)量芯片的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前，各大型器件公司 紛紛推出自己的計(jì)量芯片，并不斷的進(jìn)行產(chǎn)品更新?lián)Q代。比較典型的有CirrusLogic的CS5467美國(guó)ADI公司推出的ADE775計(jì)量芯片和北京福星曉程電子公司 推出的PL3223上述三種芯片都集成了 DS數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，支持硬件和軟件 兩種校表方式，計(jì)量精度高，且外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。CS5467有四個(gè)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、功率計(jì)算引擎、能量頻率轉(zhuǎn)換器和一個(gè)串行接

16、口組成的單一集成電路。用于精確測(cè)量瞬時(shí)電流和瞬時(shí)電壓， 以及在咼性能功率測(cè)量應(yīng)用中計(jì)算 VrmS、I RMS 瞬時(shí)功率和平均功率。此外，CS54675具有兩個(gè)電流通道和兩個(gè)電壓通道，可同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)相位的測(cè)量，并有系統(tǒng)電平校準(zhǔn)、溫度感應(yīng)、電壓驟降、電流錯(cuò)誤監(jiān) 測(cè)以及相位補(bǔ)償?shù)忍匦浴S5467勺線性誤差小于讀數(shù)的0.1%,動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)1000: 1。目前，我國(guó)感應(yīng)式電度表仍占據(jù)相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)。 峰谷分時(shí)電價(jià)和避峰電價(jià)政策 的出臺(tái)，將推動(dòng)多費(fèi)率表市場(chǎng)需求。尤其是大工業(yè)用戶(hù)，對(duì)三相多費(fèi)率表的需求， 會(huì)較快增長(zhǎng)。此外，三相高精度多功能表也將得到重點(diǎn)發(fā)展。 該電度表目前主要 用于發(fā)電廠、變電站和各大用戶(hù)，并

17、不斷擴(kuò)大到普通三相表用戶(hù)中。 電子式電度 表有多功能、高精度、多費(fèi)率、自動(dòng)抄表等優(yōu)勢(shì)，逐步成為電度表發(fā)展的主流。1 . 2擬解決的問(wèn)題和本文的創(chuàng)新性工作課題研究主要解決按負(fù)荷功率實(shí)時(shí)分段問(wèn)題?；?CS546和單片機(jī)AT89S52 進(jìn)行電度表設(shè)計(jì)，根據(jù)負(fù)荷的功率額度實(shí)時(shí)分段計(jì)量，是本文的創(chuàng)新點(diǎn)。按功率分段計(jì)量擬解決的問(wèn)題。在進(jìn)行電量總表設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用電流傳感 器進(jìn)行電流信號(hào)的檢測(cè)。當(dāng)電流傳感器工作在一次端額定電流值附近時(shí)，電流信號(hào)的檢測(cè)誤差最小。在配電系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓一般是穩(wěn)定的，電網(wǎng)電流則根據(jù)掛 接的負(fù)荷大小發(fā)生變化。為了擴(kuò)大負(fù)荷計(jì)量范圍，減小電流傳感器的檢測(cè)誤差對(duì) 計(jì)量精度的影響，采用雙

18、變比電流傳感器進(jìn)行電流信號(hào)的檢測(cè)，根據(jù)負(fù)荷的功率額度實(shí)時(shí)進(jìn)行變比切換，使電流傳感器始終工作在檢測(cè)誤差最小狀態(tài)。 這種計(jì)量 方案有望實(shí)現(xiàn)全量程的糟度均街和精確計(jì)量。在這方面，相關(guān)的參考文獻(xiàn)及研究 成果為數(shù)不多。目前，還沒(méi)有一種電度表產(chǎn)品具有按負(fù)荷功率額度實(shí)時(shí)分段檢測(cè)計(jì)量功能。 對(duì)于高壓，尤其是1035kV輸配電網(wǎng)的高糟度計(jì)量問(wèn)題，至今還沒(méi)有涉及實(shí)時(shí)分 段計(jì)量。復(fù)費(fèi)率分時(shí)段計(jì)量以時(shí)間參數(shù)為峰谷分段依據(jù)，但這種分段不具有實(shí)時(shí)性，且無(wú)法滿(mǎn)足精確計(jì)量的要求.本文為了解決精確計(jì)量問(wèn)題，從電流傳感器的10kv35kv的輸配電網(wǎng)電力負(fù)荷計(jì)量方1. 3電度表參數(shù)配置和論文組織結(jié)構(gòu)電度表參數(shù)配置如表1-1和表1-

19、2所示。表1-1電度表參數(shù)設(shè)計(jì)電度表規(guī)格脈沖常數(shù)分流電阻/ QCT規(guī)格PT規(guī)格150 (250) A2001150/50A10000/100V表1-2 電度表參數(shù)設(shè)計(jì)ImaxVnIfullscalVfullscal250A10KV176.8A17.68KV電度表配置量程為150A(250A)。有功、無(wú)功脈沖常數(shù)設(shè)計(jì)分別為200impulsos / kW和200impulses /kVAR匹配電阻為電流傳感器二次端的串聯(lián)分流電阻，其作用是把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；Vn Imax對(duì)應(yīng)額定電壓值和負(fù)荷最大額定電 流值，Ifullscal 、Vfullcale 為CS546滿(mǎn)刻度輸入時(shí)對(duì)應(yīng)的負(fù)荷電流、

20、電壓值。 根據(jù)電度表參數(shù)設(shè)置和CS5467+量芯片特點(diǎn)，計(jì)算公式如下：Ifullscal=0.5V*500/1Q*1.414=176.8A式中O 5V為CS5467電流通道滿(mǎn)刻度輸入信號(hào)，500為電流傳感器變比，1Q 為電流傳感器二次端分流電阻大小，電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考計(jì)量原理圖32。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15283-94和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC521 1988，電度表標(biāo)有兩個(gè)電流值，如 150(250)A。這里30A為基本電流(basic current)，符號(hào)Ib，是確定儀表有關(guān)特性的電流值，也稱(chēng)此電流值為標(biāo)定電流。括號(hào)內(nèi)所標(biāo)250A為額定最大電流(rated maximuncurre nt)，符號(hào)Im

21、ax，為滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的準(zhǔn)確度的最大電流值。設(shè)計(jì)時(shí) 在外加額定 電壓Vn=10kV時(shí)，CS5467電壓通道信 號(hào)輸入為0.5V。在負(fù)荷電流 lmax=250A寸，CS546電流通道信號(hào)輸入為0.5V。本設(shè)計(jì)分為4個(gè)章節(jié)進(jìn)行論述。第1章闡述了電度表技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，提出本文擬解決的問(wèn)題及創(chuàng)新點(diǎn)，說(shuō)明了電度表參數(shù)配置；第2章介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，提出具體的設(shè)計(jì)要求；第3章分析了硬件電路結(jié)構(gòu)，介紹了芯片具體應(yīng)用 特點(diǎn)，闡述了以CS546為核心的計(jì)量電路設(shè)計(jì)和以單片機(jī) AT89S5為核心的外圍 電路設(shè)計(jì)；第4章進(jìn)行論文總結(jié)工作，闡述了設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)及其解決。2章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與設(shè)計(jì)要求2.1 結(jié)構(gòu)框圖

22、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖是系統(tǒng)產(chǎn)品化的基礎(chǔ)，它包含了系統(tǒng)的硬件選擇及軟件開(kāi)發(fā)， 是在對(duì)系統(tǒng)功能、技術(shù)指標(biāo)、性?xún)r(jià)比、元器件的可購(gòu)性等因素進(jìn)行可行性分析的 基礎(chǔ)上，對(duì)多個(gè)方案比較權(quán)衡后確定。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖參考圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)應(yīng)用Protel99SE軟件進(jìn)行系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)，參考附錄所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖有 以下幾個(gè)模塊組成，計(jì)量模塊、主控模塊、顯示模塊、存儲(chǔ)模塊、看門(mén)狗復(fù)位模 塊、時(shí)鐘模塊、后備電源和主電源切換電路等。采用CS546計(jì)量芯片和AT89S5設(shè)計(jì)三相電度表，單片機(jī)的 TO T1對(duì)CS5467 的/E1、/E2端子發(fā)出的脈沖計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功等多個(gè)電量參數(shù)的計(jì)量。 單片 機(jī)通過(guò)12C

23、總線進(jìn)行電量參數(shù)的定時(shí)存儲(chǔ)，通過(guò)按鍵進(jìn)行電量參數(shù)的查詢(xún)，通過(guò) 液晶HCI602進(jìn)行電量參數(shù)的顯示，采用AT24C0芯片進(jìn)行電量參數(shù)的存儲(chǔ)?？紤] 到存儲(chǔ)芯片擦寫(xiě)次數(shù)的有限性，電量參數(shù)的計(jì)量累加在單片機(jī)內(nèi)部完成。DSl302 為分時(shí)段計(jì)量和定時(shí)存儲(chǔ)提供時(shí)間參數(shù)；通過(guò)三個(gè)功能鍵實(shí)現(xiàn)DSl302芯片時(shí)鐘的 初值輸入調(diào)整。后備電源LIR2032為可充電的3. 6V鋰電池，充電時(shí)電流最大不超 過(guò)20mA單片機(jī)復(fù)位采用MAX813芯片。內(nèi)容顯示與設(shè)計(jì)要求課題內(nèi)容圍繞三相電度表多個(gè)電量參數(shù)的計(jì)量、存儲(chǔ)、顯示、按鍵查詢(xún)展開(kāi)。顯示分兩行顯示，每行16個(gè)字符。在參數(shù)顯示的同時(shí)進(jìn)行代碼的顯示。若系統(tǒng)無(wú)中斷發(fā)生，液晶顯

24、示當(dāng)前總的有功電量和無(wú)功電量，有功電量和無(wú)功電量代碼已 為EO、R0,數(shù)據(jù)顯示格式如圖2-2，由8個(gè)整數(shù)位和1個(gè)小數(shù)位組成，顯示范圍 0-99999999. 9。E0 00000000.1RO 00000000.1圖2-2計(jì)量數(shù)據(jù)顯示格式系統(tǒng)配置三個(gè)功能按鍵，記為K2、K3 K4.功能描述參考表2-1所示.表2-1按鍵功冃匕描述與參數(shù)顯示按鍵類(lèi)型顯示界面示例功能描述S4E1:00000000.0顯示分時(shí)段計(jì)量的有功電量E2:00000000.0S5E3:00000000.0顯示實(shí)時(shí)段計(jì)量的有功電量E4:00000000.0S6P:00000000.0顯示瞬時(shí)有功功率P、無(wú)功功率VV:00000

25、000.0S4 S5組合1101/06/00:00:00進(jìn)入時(shí)鐘初值調(diào)整，光標(biāo)指示調(diào)整對(duì)象S4 S6組合H1:0002異常事件記錄查詢(xún)1101/06/00:00:00S5 S6組合E0:00000000.1退出時(shí)鐘初值調(diào)整并返回主顯示R0:00000000.1其中R0 E0、E1、E2、E3 E4 P、V、H1、H2、H3參考符號(hào)約定部分說(shuō)明 顯示碼在進(jìn)行LCtM示時(shí)表示顯示參數(shù)的物理意義，在源程序設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)應(yīng)全局 變量名。電能計(jì)量結(jié)果通過(guò)三個(gè)功能按鍵進(jìn)行查詢(xún)顯示， 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)要求如下 實(shí)現(xiàn)總的有功、無(wú)功等電能計(jì)量與顯示 z通過(guò)按鏈查詢(xún)顯示分時(shí)段電量、功率分段電量和瞬時(shí)有功、無(wú)功功率。 通過(guò)

26、對(duì)負(fù)荷瞬時(shí)功率的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)功率分段和有功電量的實(shí)時(shí)分段計(jì)量. 通過(guò)對(duì)時(shí)問(wèn)參數(shù)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)電量參數(shù)的定時(shí)存儲(chǔ)和有功電量的分時(shí)段計(jì)量。固通過(guò)按鍵進(jìn)行時(shí)鐘初值輸入調(diào)整。 實(shí)現(xiàn)異常事件的中斷記錄，其中異常事件包括斷相、過(guò)流、過(guò)壓等三種情況。I3章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本章節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、功能模塊劃分和元器件選型。圍繞CS5467外圍電路設(shè)計(jì)，闡述了電能計(jì)量原理并進(jìn)行有關(guān)電路參數(shù)計(jì)算；圍繞AT89S52外圍電路設(shè)計(jì)，闞述了各功能模塊與單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)；最后介紹了電源模塊設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)。3.1 計(jì)量芯片CS54673.1.1 引腳配置及功能描述計(jì)量芯片CS5467引腳配置如圖3 1所示。CS54

27、67有四個(gè)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、 功率計(jì)算引擎、能量頻率轉(zhuǎn)換器和一個(gè)串行接口組成的單一集成電路。用于精確測(cè)量瞬時(shí)電流和瞬時(shí)電壓，以及在高性能功率測(cè)量應(yīng)用中計(jì)算 Vrms、Irms瞬時(shí)功 率和平均功率。此外，CS546還具有兩個(gè)電流通道和兩個(gè)電壓通道，可同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)相位的測(cè)量，并有系統(tǒng)電平校準(zhǔn)、溫度感應(yīng)、電壓驟降、電流錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)以及 相位補(bǔ)償?shù)忍匦?。CS5467勺線性誤差小于讀數(shù)的0.1%,動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)1000: 1。XOUT匚1 “ 7 28nXINCPUCLK匚2273SDIVD*C3263UDGNDC4253E1SCLK匚5弗INTSDOC6233RESET西r722二 1E3MODEr821P

28、FMONVIN1tc920nIINUV1N1-E103IIN1-VREFOUT匚111B1VA+VREFINc1217JAGNDVIH2+c133IIN2+VIN2-匚14157IIN2-圖3-1 CS5467引腳配置3.1.2 計(jì)量電路原理計(jì)量電路采用CS5467專(zhuān)用電能計(jì)量芯片，由信號(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷電流、 電壓信號(hào)的衰減，由電流傳感器、電壓互感 器組成；濾波網(wǎng)絡(luò)用來(lái)實(shí)現(xiàn)抗混疊濾波，由電阻、電容元器件組成。頻率混疊是i5信號(hào)采樣處理中的特有現(xiàn)象，混疊會(huì)產(chǎn)生假頻率假信號(hào)，影響測(cè)量結(jié)果。在進(jìn)行電流、電壓信號(hào)衰減后，要進(jìn)行抗混疊濾波設(shè)計(jì)。計(jì)量電路原理參考圖3

29、2所示。電流回路由電流傳感器進(jìn)行信號(hào)取樣，電壓回路由電壓互感器進(jìn)行信號(hào)取樣。計(jì)量芯片CS5467寸取樣信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出 瞬時(shí)有功、無(wú)功功率。平均有功、無(wú)功功率通過(guò)瞬時(shí)功率的直流分量獲得。 在電 量累加寄存器中對(duì)平均功率進(jìn)行累加得到分相電量；分相電量可以通過(guò)SPI端口讀出，也可以轉(zhuǎn)換為計(jì)量脈沖輸出。3CS546有兩路脈沖輸出，對(duì)應(yīng)端子為/E1和 /E2。脈沖輸出頻率與能量寄存器中累加的能量成正比，通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)電 量參數(shù)的累加。5555V 122 0vA卄2u F50 0A0.1u123豐470uFIF0.1u FA T1B TRANS1 -XljvvdifR v-B T2TR A NS

30、 1TR A NS 1XOU TX INCPU CL KSDIVD+/E2DGN D/E1SC LK/INTSDO/RE SET/CS/E3MO DEPFMONVIN 1 +IIN 1-VIN 1-IIN 1-V RE FO UT V A+VRE FINAGNDVIN 2+IIN2-VIN 2-IIN2-4P1 .558171 21 31 4CS54 67P1 .4P1 .77910iDiJ1 4.09 6MH z2827 P1 .626 P3 .5T5P3 .424 /IN TF01918171615C vvdifR v-0.1u FRi-CAP55TR ANS 1Ri+Ri-C2CAPRi

31、+圖3-2 計(jì)量電路原理參考圖32所示，設(shè)計(jì)最大負(fù)荷電流時(shí)，電流通道輸入端為O. 5V。VIN1+、 VIN2+信號(hào)的正極性輸入端子，VIN1-、VIN2-為負(fù)極性輸入端子：各端子的抗混 疊濾波網(wǎng)絡(luò)由Ik O的電阻和10nF的電容組成。電壓通道采用單端方式輸入，設(shè)計(jì) 額定電壓輸入時(shí)為0. 5V。I2345RBurd回路的分流電阻，阻值大小為1Q。分流電阻選取要考慮阻值大小和額定功率兩 個(gè)因素，阻值選取與負(fù)荷額定最大電流Imax、傳感器變比CTR有關(guān)。設(shè)計(jì)額定最 大電流輸入時(shí)CS5467電流通道為Vf=0.5V。根據(jù)電度表參數(shù)配置，高變比時(shí)Imax=250A CTRN=500分流電阻肋計(jì)算如下：

32、RsuRDE=CTRN*Vf/lmax=1 Q最大額定電流輸入時(shí)，分流電阻消耗功率 P計(jì)算為:P=(lmax/CTRNf*RBURDE=0.25W3.1.3 接口電路設(shè)計(jì)接口電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)CS5467與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信，一方面可以通過(guò) SPI口進(jìn)行 計(jì)量芯片CS5467勺初始化，另一方面CS546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(jī)進(jìn)行計(jì)量處理。 CS546與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)如圖3 3所示。10K+5 9 1-912XOUTXINCPUCLKSDIVD+/E2DGND/E1SCLK/INTSDO/RESE'CS/E3MODEPFMONVIN1 +IIN1-VIN1-I

33、IN1-VREFOUT VA+VREFIN AGNDVIN2+IIN2-VIN2-IIN2-15CS5467161721201978222423255 石7813148272612 3 4FU0-1一T0.1uFP1.0VCCP1.1P0.CP1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3P1.5P0.4P1.6P0.5P1.7P0.6RSTP0.7P3.0/EA/VPPP3.1ALE/PROEP3.2/PSENP3.3P2.7P3.4P2.6P3.5P2.5P3.6P2.4P3.7P2.3XTAL2P2.2XTAL1P2.1GNDP2.0AT89S5210K0.1uF3.6VLIR2032I

34、I圖3-3 CS5467與單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)I單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)與器件選擇321單片機(jī)及外圍電路設(shè)計(jì)AT89252是一款單片封裝的微控制器，具有8k的程序存儲(chǔ)和256個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)，可以滿(mǎn)足中小規(guī)模軟件編程需要。復(fù)位采用 MAX813看門(mén)狗芯片。4為了避 免因外界干擾而導(dǎo)致應(yīng)用程序 “跑飛”或出現(xiàn)死循環(huán)，MAX813的WD電平在1.6s 內(nèi)應(yīng)跳變一次，實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX813內(nèi)部時(shí)鐘寄存器清零，防止因“看門(mén)狗"溢出而導(dǎo) 致單片機(jī)復(fù)位。單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)參考圖 34所示。卜0.1uFJ2pF 衛(wèi)pF0.1uFHlO3.6V0.1uFGND CEDS1302P3.0P3.3MR/WDOP

35、FI/PFOMAX813LAT89S52VCC/RESE GND WDIXTAL2XTAL1GNDP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RSTP3.1P3.2P3.4P3.5P3.6P3.7Vcc2 VccX1 SCLKX2 I/OD1 MP0.3P0.4P0.5P0.6PO.7-/EA/VPPALE/PFOE/PSENP2.P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0"D20.1uFVCCP0.0-P0.1 po.2+51A VCC1E41Y42A42E32Y3GND3匚Y74LSCBBYB A0.1lSW-PBSW-FBAT24C02NC S

36、C VSSSD.NC VCCNC WP10K10KII圖3 4單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)K2、K3、K4為三個(gè)功能按鍵，按鍵掃描采用中斷方式進(jìn)行。 功能按鍵有兩個(gè) 作用，一是電量參數(shù)及事件記錄的查詢(xún)，二是時(shí)鐘參數(shù)的初值輸入調(diào)整。圖中“與 "門(mén)邏輯采用74LS08芯片實(shí)現(xiàn)。主電源與后備電源之間的電路切換通過(guò)兩個(gè)二極管實(shí)現(xiàn)。后備電源采用可充電的3. 6V鋰電池LIR2032。主電源上電后，二極管Dl 導(dǎo)通，D2截止；主電源通過(guò)10kQ的電阻對(duì)后備電源充電。主電源掉電后，二極管Dl截止，D2導(dǎo)通；后備電源開(kāi)始對(duì)單片機(jī)進(jìn)行供電，使單片機(jī)的 RA中累加的電量參數(shù)不丟失。掉電后LIR2032只對(duì)單片機(jī)和

37、TDSI302時(shí)鐘芯片供電，以減小能量消耗。這通過(guò)二極管D1的單相導(dǎo)通作用實(shí)現(xiàn)SizeNumberRevisionISheet ofDraw n Ey:A4Date:6-Ja n-201File:D:MyDesig n99SE.(dbI顯示模塊HCI602顯示采用16x2字符型液晶HC1602與單片機(jī)的接口電路如圖35所示2 0 3 2R 7C 1 40V CC12P0P001>11>1討 D5odeV CC2D 40 KD IO+5TTIR-9C 2 3PO T2V SSV DDR /WD B0D B1111>1>1R ST33333P0P0P0P0P0P0/EA /

38、V PPLE/PR OEPSE NP2P2P2P2D B2D B3D B4-4-D B5D B6D B7KS PSTH C1 6 02IP2P2P2P2>3X TA L2X TA L1G NDA T8 9 S5 2圖3-5 單片機(jī)與HCI602的接口電路設(shè)計(jì)圖中C13 C23為單片機(jī)和液晶模塊HCI602的去耦電容。DBO-DB為HCI602的數(shù) 據(jù)線，與單片機(jī)的P0.0-P0.7端子相接。R9為阻值可調(diào)的電位器，用來(lái)調(diào)整液 晶顯示的對(duì)比度；當(dāng)VO端子對(duì)地電壓為OV寸液晶顯示最為清晰。A、K為HCI602 背光燈的電源端子和接地端子，其中電源端子 K!過(guò)跳線S3與主電源相接。正常情況下J

39、P2斷開(kāi)以減小電度表能耗；在電量查詢(xún)時(shí)閉合 JP2,接通背光燈電源顯示與按鍵相結(jié)合，用來(lái)實(shí)現(xiàn)電量參數(shù)的查詢(xún)顯示、異常事件記錄查詢(xún)顯示Si zeN u m b er以及時(shí)鐘參數(shù)初值輸入調(diào)整結(jié)果顯示。當(dāng)沒(méi)有中斷發(fā)生時(shí)，A 4進(jìn)行總的有功、無(wú)功電量顯示。字符顯示是通過(guò)D ate:P0口讀入該字符的ASCII碼實(shí)現(xiàn)。36-J an -2 0 1 1D MyDesign99 SE . d d bSh eet o fD raw n B y :43.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)AT24C02存儲(chǔ)芯片采用AT24C02該芯片具有|2C總線接口，具有掉電后數(shù)據(jù)不丟失特 點(diǎn)。與單片機(jī)的接口電路參考圖34所示。存儲(chǔ)主要包括電量

40、參數(shù)的存儲(chǔ)和異常 事件的記錄存儲(chǔ)?？紤]到AT24C0芯片擦寫(xiě)次數(shù)的有限性。能量的累加在單片機(jī) 的RA存儲(chǔ)空間中完成，采用定時(shí)方式進(jìn)行電量參數(shù)的存儲(chǔ)。單片機(jī)不斷檢測(cè)時(shí) 間參數(shù)，當(dāng)存儲(chǔ)時(shí)間到，貝加動(dòng)I2C總線把電量參數(shù)存儲(chǔ)到AT24C0中分配的地址 單元。異常事件采用中斷方式進(jìn)行存儲(chǔ)。 當(dāng)CS546檢測(cè)到過(guò)流、過(guò)壓、斷相等事 件時(shí)，向單片機(jī)發(fā)出中斷申請(qǐng)。單片機(jī)執(zhí)行中斷服務(wù)程序，把處理的結(jié)果，包括 事件的代碼、發(fā)生次數(shù)以及發(fā)生的時(shí)間，存儲(chǔ)到 AT24C0中分配的地址單元。的可靠性,在軟件設(shè)計(jì)上要有充分的冗余和糾錯(cuò)。比 如考慮到這種情況，在進(jìn)行電量存儲(chǔ)時(shí)突然發(fā)生掉電事故，新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)尚未完 成，而原有

41、數(shù)據(jù)已經(jīng)被覆蓋，造成數(shù)據(jù)的丟失。為了避免這種情況，對(duì)每一個(gè)電 量參數(shù)分配兩組存儲(chǔ)單元。即使一組數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)時(shí)被損壞，另一組數(shù)據(jù)則不受影 響。324時(shí)鐘芯片DSI302時(shí)鐘芯片采用DSI302。該芯片具有SPI總線接口，與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)參 考圖3-4所示時(shí)鐘芯片有兩個(gè)作用一是為定時(shí)存儲(chǔ)提供時(shí)間參數(shù)；二是為斷 相、過(guò)流、過(guò)壓等異常事件記錄提供時(shí)同參數(shù)。DS130采用雙電源供電模式，Vccl為主電源輸入.Vcc2為備份電源輸入。當(dāng) Vcc2<Vccl時(shí)，由 Vccl 向 DSI302供電；Vcc2>Vccl+0. 2V寸，由Vcc2向DSI302供電， 工作電壓范圍2.55.5V。DS

42、l302寄存器數(shù)據(jù)以BCD?格式存放。秒寄存器的CH 位控制時(shí)鐘的運(yùn)行和停止.當(dāng)CH=時(shí)，時(shí)鐘停止；CH=0寸.時(shí)鐘運(yùn)行。小時(shí)寄存 器的位7用于定義DSl302的時(shí)鐘運(yùn)行模式，為0時(shí)采用24小時(shí)時(shí)鐘模式。在對(duì) DSl302寫(xiě)操作時(shí)，W位首先應(yīng)設(shè)置為0,寫(xiě)操作允許使能。3.2.5 電源模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)電源模塊由主電源和后備電源兩部分組成。 主電源模塊由變壓器、整流 電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成，其中整流電路采用 DBI07集成模塊，穩(wěn) 壓電路采用7805集成電路模塊；后備電源采用可充電的LIP2032鋰電池，主電源 和后備電源的電路切換參考圖34單片機(jī)外圍電路。電源模塊設(shè)計(jì)如圖3-6所示。78

43、05的+5V俞出通過(guò)S7跳線與系統(tǒng)的+5V網(wǎng)絡(luò)連接。當(dāng)S7閉合時(shí)，系統(tǒng)處于上 電工作狀態(tài)，此時(shí)二極管LED導(dǎo)通發(fā)光。CON為兩路9v正弦交流信號(hào)輸入接口， 中間為接地端子。C20 C27為有極性的旁路電容.作用是使7805的輸入、輸出電 壓保持基本穩(wěn)定；C26 C28為0.1卩F的去耦電容，作用是濾除7805輸入、輸出信 號(hào)中的尖峰脈沖成分。IU17805S7 +5220V50Hz圖3-6 主電源模塊電路I論文針對(duì)IOkV35kV俞配電網(wǎng)的精確計(jì)量問(wèn)題，提出按功率額度實(shí)時(shí)分段計(jì) 量的電度表設(shè)計(jì)方案，選題具有良好的實(shí)用價(jià)值。采用Cirrus Logic公司電能計(jì)量芯片CS546和單片機(jī)AT89S5為核心器件， 設(shè)計(jì)了電度表的總體方案，詳細(xì)介紹了硬件電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。 圍繞CS546外圍 電路設(shè)計(jì)，介紹了計(jì)量電路原理以及接口電路設(shè)計(jì)；然后介紹了單片機(jī)外圍顯示、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、時(shí)鐘等電路的設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)采用電流傳感器進(jìn)行電流信號(hào)的檢測(cè)采樣，根據(jù)負(fù)荷功率額度實(shí)時(shí) 進(jìn)行計(jì)算，以減小電流傳感器的檢測(cè)