智能电功率表的设计与制作.doc

引言 电功率表是用来测量负载功率的仪器,它和其它类的仪器仪表一样,有着相同的发展历程.按照其时间和工作原理分类,电功率表主要经历了感应式、机电式、电子式等时代.感应式电功率表是利用电磁感应原理制成的,先将交流的电场转化为交变的磁场,从而引起转盘的转动,由转盘所转圈数和速度即可得到所用电量和功率.机电式电功率表是感应式向电子式电功率表的过渡产品.电子式电功率表是利用新型数字转换芯片制成,再加上微处理器的控制可记录广泛的用电信息,还可利用这些信息产生各种控制信号,实现电功率表的智能化,结合现在的计算机网络,还可实现远程远程监测功能,通过无线网络或调制解器实现远程监控.本文就是利用Analog公司专用电能计量芯片ADE7755与MCS51单片机设计智能电功率模块,对市电负载电功率的在线测量，同时实现对市电用户的使用状态进行在线监测,包括超负荷运转监测,用户窃电监测,远程强制关断,本地电量透支关断等功能.这种电功率表在电能表中有更为广阔的发展空间.电能表产品已经历了数次更新换代,特别是近几年来为了与国际上电能表产品发展同步,无论是技术水平、生产水平,还是产品质量等方面都发生了质的飞跃,新式样、新功能的电能表产品纷纷问世:从感应式电能表到电子式电能表,从单一计费功能的电能表到多费率、多功能电能表,从依靠人工抄表到远程自动抄表,IC卡电能表、多用户电能表、模块化电能表也相继研制成功并投入生产和使用.电能表也从低附加值向高附加值过渡，技术含量大大增加.电能表不再仅作为单一仪表而存在,已由单一的计量抄表功能向模块化、智能化、多功能、系统化和多元化发展.电子式电能表的发展历程可以概括为:20世纪90年代初期的以机电一体为主的工业多费率电能表;中期的电子式电能表;中后期IC卡电能表、电力载波仪表等.目前随着电子技术的发展,主要是芯片的发展,电能计量产品百花齐放.2000年初，电力供应紧张，国家试行并加大两部制电价和分时计费的应用范围,上海市推行黑白表也使得多费率电能表得以迅速发展,促进了电子式多费率电能表的使用.2002年,国家发展改革委正式发布推荐使用分时计费的产业政策.在市场的推动下,电子式电能表发展迅猛.由于电子式电能表具有数字通信接口,促使电能计量及用电管理自动化系统得到了大量使用（负荷控制系统、远程抄表系统）,各类抄表系统的可靠性、实用性有了较大提高.近年电力需求紧张,使负荷控制得到了一定的发展.即使将来电力充足,从节能环保角度而言,负荷控制产品仍然具有实际意义.随着电力部门对用电政策的调整,国家逐步推行分时电价等政策,国内民用电能表的市场需求正在悄悄地从以感应式电能表为主体向以电子式电能表为主导转变,具体表现为从普通功能型电能表向长寿命、多费率、多功能、高科技型电能表方向过渡.从这一角度考虑,研究该课题也是有很重要的现实意义的.1 基本理论1.1 基本概念1.1.1正弦量的表示电路中按正弦规律变化的电压或电流统称为正弦量.对正弦量的数学描述,可以采用正弦函数,也可以用余弦函数.以电流为例,对于已选定的参考方向, 正弦量的一般解析式为 i(t)=Imcos(t+i) (1.1)其中Im,i称为正弦量的三要素. Im是正弦量的振幅,是正弦量瞬时值中的最大值. 随时间变化的角度(t+i)称为正弦量的相位角,简称相位. 称为角频率,反映正弦量变化的快慢,与频率f和周期T的关系为T=2, =2f, f=1/T (1.2)i称为初相,反映正弦量在计时起点的状态.1.1.2 相位差 电路中常引用”相位差”的概念描述两个同频正弦量之间的相位关系,用来表示.例如,有两个同频正弦电流i1(t)=I1mcos(t+1) (1.3)i2(t)=I2mcos(t+2) (1.4)电流i1(t)和 i2(t)之间的相位差为=(t+1)- (t+2)= 1-2 (1.5)可见同频正弦量在任意时刻的相位差等于它们的初相之差,与时间无关. 0表示i1(t) 较i2(t)超前角度;0时表示负载吸收功率, p(t)90,则有功功率P为负值,说明负载对外提供能量;若90,则有功功率P为正值,说明负载消耗外部给它提供的能量.(2)无功功率是用来表明该电路能量交换的最大量值的,用Q表示.利用三角公式,式1.9可写作p(t)=UIcos+ cos(2t+)=UIcos+ coscos2t-sinsin2t =UIcos(1+cos2t)- UIsinsin2t (1.11)以上所示的两个分量绘出如图1.1所示.第一个分量为非负的,其平均值即为有功功率UIcos,这一分量是负载所消耗的功率.第二个分量则以角频率2在横轴上下波动,其平均值为0,振幅为UIsin,这一分量表明负载与外部电路间存在着能量往返的情况,因此它的振幅即定义为无功功率Q,即Q=1/2UmImsin=UIsin (1.12) 由此可见,无功功率的大小反映了负载与外部电路进行能量交换的程度.(3)视在功率就是电压和电流的乘积的一半,用S表示.S=1/2UmIm=UI (1.13) 所以有,S=P+Q (1.14) 有功功率一般是小于视在功率的,也就是说要在视在功率上大一个折扣才能等于有功功率.这折扣就是cos, 称为功率因数.也就是说有功功率与视在功率的比值即为功率因数,用表示. =P/S=cos (1.15) p UIcos P tO 2 (a) p 能量流入负载 UIsinO 2 能量流出负载(b) 图1.1瞬时功率的两个分量1.2 全数字运算方案实现功率计算的实现理论A/D转换器电 流传感器 负载由上所述可知,有功功率UIcos,就是负载所消耗的功率,而有功功率UIsin,则是负载与外部电路进行能量交换的功率,负载并没有消耗它.因此,从能量的角度考虑,衡量用户用电多少的标准应是有功功率.它应是本设计-智能电功率表测试的主要参数. i(t)相乘u(t)i(t)低 通滤波器有功功率UIcos电 压传感器A/D转换器u(t)p(t)=u(t)i(t)UIcos UIcos t t图1.2 实现功率计算的全数字运算方案由式1.10可知,有功功率不仅与电压和电流的有效值有关,而且与它们之间的相位差(即功率因数)有关.电流和电压的有效值只要通过电流表和电压表测量就可以得到.但功率因数却没那么容易知道,只能间接获得.从式1.9可以看出,瞬时功率有两个频率分量: 直流分量UIcos和2频率分量UIcos(2t+). 直流分量UIcos恰好是有功功率.因此,瞬时功率p(t)通过低通滤波器后,就可以滤除2频率分量,只通过直流分量UIcos,从而得到负载的有功功率.从这一思路出发,就可以得到实现功率计算的全数字运算方案如图1.2.由图1.2可知,首先将负载两端的电压和电流通过传感器和A/D转换器得到数字化的瞬时值,再将两者相乘得到瞬时功率p(t)=u(t)i(t),然后通过数字低通滤波器就可以滤除2频率分量,只通过直流分量UIcos,从而得到负载的有功功率.这一过程都是采用全数字运算得到的,可以发挥数字电路准确度高和长期稳定性的优势.1.2.1纯正弦电压和电流根据以上推导可知,这种计算方法对于电压和电流信号同相和不同相的情况都是有效的.图1.3示出了相移功率因数(PF)等于1和0.5两种情况,后者也就是电流信号滞后于电压信号60.图1.3 用瞬时功率信号的直流分量表示有功功率信息PF11.2.2非正弦电压和电流在实际应用中,所有电压和电流波形都会含有一定的谐波成分,瞬时电压和电流可用傅立叶变换表达成它们谐波成分之和: v(t)=V0+Vh*sin(ht+h) (1.16) h0 式中:v(t)瞬时电压V0电压平均值Vhh次电压谐波最大值hh次电压谐波的相位角i(t)=I0+Ih*sin(ht+h) (1.17) h0 式中:i(t) 瞬时电流I0电流平均值Ihh次电流谐波最大值hh次电流谐波的相位角利用式1和2,有功功率P可以用它们的基波有功功率P1和谐波有功功率PH之和表达. P=P1+PH其中:P1=V1*I1cos11=1-1 (1.18) PH = Vh*Ih*cosh h0 h=h-h (1.19)从式1.19可以看出,由电压和电流波形提供的各次谐波都产生谐波有功功率分量.从前面已看出,在纯正弦波情况下功率因数的计算是精确的,而谐波是由一系列纯正弦波组成的,它们通过低通滤波器后,二倍频分量均无法通过,都只有直流分量通过.因此谐波功率因数和有功功率的计算也是正确的.2 设计方案2.1 方案选择由图1.2可以看出,实现功率计算的全数字运算方案主要包括A/D转换,数字相乘和数字滤波三部分.因此,智能电功率表的设计可大体分为三类方案.2.1.1方案一-A/D转换器和MCS-51单片机大家都知道,MCS-51单片机内部有中央处理器(运算器、控制器和寄存器)和存储器,因此可进行数字相乘和滤波运算,但由于其内部没有A/D转换器,所以需要和专门的A/D转换器配套使用.其原理框图如图2.1所示.用MCS-51单片机实现数字相乘,滤波和系统控制A/D转换器电压电流传感器 电压 电流 图2.1 用A/D转换器和MCS-51单片机实现电功率表方案 负载的电压和电流传感器产生的可识别电压信号先经过A/D转换器,转换为全数字信号,然后用MCS-51单片机编程实现数字相乘和滤波,从而得到数字化功率信息,并产生系统所需控制信号,完成整个系统的功能.但由于MCS-51单片机的运算速度有限,这一方案的实现难度较大.2.1.2方案二-专用电能计量芯片和单片机随着电子电表的快速发展,目前市场上出现了很多种专用电能计量芯片,众多国际芯片厂商均推出了自己的产品.如, Cirrus Logic公司推出的CS546系列, ADI公司生产的ADE77系列, 上海贝岭公司的BL65系列和BL09系列, 珠海炬力集成电路设计有限公司的ATT702系列等.它们的基本原理和基本功能是一样的,都含有A/D转换,数字相乘和滤波部分,且均有数字-频率转换部分,将计算得到的数字功率信号转化为频率,输出相应频率的脉冲信号.只是它们在具体功能上有所不同,比如, ADE7751 可实现单相有功计量，防窃电，脉冲输出; ADE7752 是防窃电三相电能计量IC;ADE7753 带串行接口和脉冲输出高精度有功和视在能量;ADE7754 是数字校准多功能三相电能计量IC; ADE7755 可实现单相有功计量，脉冲输出;ADE7756 带串行接口单相有功计量;ADE7757 集成晶振以及马达驱动电路的电能计量芯片;ADE7758 含有谐波分量时无功功率的计量; ADE7759 高精度全电子式电能表的电能计量;ADE7761是数字校准多功能三相电能计量IC.又如,单相计量产品BL6503、单相防窃电计量产品BL6501、三相计量产品BL0952及带各项输出指示的三相产品BL0962等.它们之中有些只提供有功功率,有些则还提供无功功率,视在功率,电流和电压有效值等更多电能参数.利用这类专用电能计量芯片和MCS-51单片机配合使用,可以很方便地开发出一些应用系统.图2.2便是这类方案的原理框图.用MCS-51单片机实现系统控制电压电流传感器专用电能计量芯片电压 电流图2.2 用专用电能计量芯片和MCS-51单片机实现电功率表方案 由图2.2可知,负载的电压和电流传感器产生的可识别电压信号直接经过专用电能计量芯片产生频率与负载功率成正比的脉冲信号,然后用MCS-51单片机对此脉冲进行计量,从而得到负载功率,并产生系统所需控制信号,完成整个系统的功能.目前市场上也大多采用这类方案.2.1.3方案三-MSP430FE42x系列 微控制器(MCU)-MSP430FE42x系列是TI公司生产的用于电子式电能表的片上系统，它具有完全可编程的通信功能，完全能满足从事开发诸如测量值自动读取(AMR)、智能卡预付和多费率计费等具有复杂功能的电子式电能表制造的需要。它具有高性能的16-位RISC结构指令的CPU,可实现实时信号处理和多任务计算处理;其内部集成有SCAN IF模块,可以检测信号,并实现A/D转换,最终实现低功率测量.因此,可以对其编程,使它实现从A/D转换到数字相乘和滤波的全部数字处理过程,从而产生数字化的功率信息, 在此基础上产生系统所需控制信号,完成整个系统的功能.于是得出图2.3的原理框图.用微控制器(MCU)-MSP430FE42x实现A/D转换,数字相乘和滤波及系统控制电压电流传感器电压 电流图2.3 用微控制器(MCU)-MSP430FE42x实现电功率表方案 出于成本和难度考虑,本设计采用方案二,并选择使用专用电能计量芯片ADE7755实现.2.2 专用电能计量芯片ADE7755介绍专用电能计量芯片ADE7755是一种高准确度电能测量集成电路,其技术指标超过了IEC1036规定的准确度要求.ADE7755只在ADC和基准源中使用模拟电路,所有其它信号处理都使用数字电路,这是ADE7755在恶劣环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性.图2.4 ADE7755的功能框图ADE7755引脚F1和F2一较低频率形式输出有功功率平均值,能直接驱动机电式计度器或与微控制器(MCU)接口.引脚CF以较高频率形式输出有功功率的瞬时值,用于校验或与MCU接口.ADE7755内部包含一个对AVDD电源引脚的监控电路.在AVDD上升到4V之前,AD7755一直保持在复位状态.当AVDD降至4V以下,ADE7755也被复位,此时F1,F2和CF都没有输出.内部相位匹配电路使电压和电流通道的相位始终是匹配的,无论通道1内的高通滤波器(HPL)是接通的还是断开的.内部的空载阀值特性保证ADE7755在空载时没有潜动.ADE7755有24脚DIP和SSOP两种封装.图2.4是ADE7755的功能框图.2.2.1工作原理两个ADC对来自电流和电压传感器的电压信号进行数字化,这两个ADC都是16位二阶模数转换器,过采样速率达900KHZ.ADE7755的模拟输入结构具有宽动态范围,大大简化了传感器接口(可以与传感器直接连接),也简化了抗混叠滤波器的设计.电流通道中的PGA进一步简化了传感器接口.电流通道中的HPF滤掉电流信号中的直流分量,从而消除了由于电压或电流失调所造成的有功功率计算上的误差. 由式1.9可知,只要对瞬时功率信号进行低通滤波就可以得到有功功率信号(即瞬时功率信号的直流分量).图2.5示出了瞬时有功功率信号如何通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获取有功功率,这个设计方案也能正确计算非正弦电流和电压波形在不同功率因数情况下的有功功率.所有信号处理都是由数字电路完成的,因此具有优良的温度和时间稳定性.ADE7755的低频输出是通过对上述有功功率信息的累计产生,即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加,因此输出频率正比于平均有功功率.当这个平均有功功率信息进一步被累加,就能获得电能计量信息.CF输出的频率较高,这对于在稳定负载条件下进行系统校验是很有用的.图2.5 信号处理框图2.2.3高通滤波和失调影响图2.6示出了失调对有功功率计算的影响,由图可见,通道1和通道2的失调信号相乘后将产生一个直流分量.由于这个直流分量要通过低通滤波器(LPF)产生有功功率,因此失调将对有功功率产生一个固定的误差.为避免这问题,只要把通道1中的HPF设置成选通(即引脚AC/DC置高电平)就行了.至少一个通道的失调消除后,相乘就不会产生直流误差分量.对于含有cos(t)的误差项通过LPF和数字频率转换器消除.图2.6 通道失调对有功功率计算的影响 Vcos(t)+VOS*Icos(t)+IOS =(V*I)/2+ VOS* IOS+ VOS*Icos(t)+ IOS*Vcos(t)+(V*I)/2*cos(2t)通道1的HPF与相位响应相关联,但它在片内已得到补偿.当HPF设置为选通时,相位补偿自动起作用;当HPF无效时,相位补偿也无效.图2.7和图2.8示出了相位补偿网络有效时的两个通道之间的相位误差.从图上可见,ADE7755的相位补偿可达1KHZ,这就保证了在低功率因数下对谐波功率计算的正确.图2.7 通道间的相位误差(01KHZ) 图2.8 通道间的相位误差(4070HZ)2.2.4数字-频率转换如前所述,相乘后低通滤波器的数字输出包含有功功率信息,而这个LPF不是理想滤波器,因此输出信号仍含有经衰减的线路基波和谐波频率成分,即cos(ht),其中h=1,2,3,.该滤波器的幅频响应特性为|H(f)|=1/(1+f/8.9HZ) (2.1)在线路频率为50HZ情况下,对2(100HZ)成分的衰减大约为-22dB,这是两倍于线路频率的主谐波,即cos(2t),这是由瞬时有功功率引起的.图2.9示出了LPF输出的瞬时有功功率信号还包含了相当大的瞬时功率信息,即cos(2t).这个信号通过数字-频率转换器,随时间被积分(累加),进而产生输出频率.这种累加起到平均作用,将抑制了瞬时有功功率信号中的非直流成分,正弦信号的平均值等于零.因此,ADE7755产生的频率与平均有功功率成正比.在稳定负载(即恒定电压和电流)条件下的数字-频率转换如图2.9所示. 图2.9 有功功率到频率的转换从图2.9可见,即使在稳定负载条件下CF输出频率仍随时间变化,这种频率的变化主要是由瞬时有功功率信号中的cos(2t)成分引起的。CF能以较高的频率输出,是因为在对瞬时有功功率进行累加完成频率转换的过程中,采用了较短的累加时间. 较短的累加时间意味着减弱了对cos(2t)的平均作用,于是部分瞬时有功功率信号成分通过了数字-频率转换器,但这在实际应用中不成为问题.当CF用于校验时,CF输出频率还应该用频率计度器进一步平均,以消除纹波.如果CF用于带微处理器的电能计量场合,CF也应该进行平均后在计算功率.F1和F2以很低的频率输出，对瞬时有功功率已有足够的平均作用,因此大大衰减了正弦成分,获得几乎无纹波的输出.2.2.5传递函数ADE7755通过计算通道1和通道2两个输入电压的乘积,然后对乘积进行低通滤波,获得有功功率信息.再将这个有功功率信息进一步转换成频率,以低电平有效的脉冲信号从引脚F1和F2输出.这个脉冲信号的频率是相当低的.这意味着,这个输出频率与平均有功功率成正比,有功功率的平均过程是隐含在数字-频率转换中完成的.输出频率与输入电压大小有关,由式2.2确定:F=(8.06*V1*V2*G*F1-4)/VREF (2.2)式中:F引脚F1,F2输出的脉冲频率(HZ)V1通道1差动输入电压有效值(V)V2通道2差动输入电压有效值(V)G1,2,8,16,取决于PGA的增益,由G0和G1的逻辑输入确定VREF基准电压(2.5V8%)(V)F1-4由主时钟CLKIN分频获得,分频系数由S0和S1确定,见表2.1表2.1 F1-4的频率选择(CLKIN=3.579MHZ) 2.3 设计原理及框图根据专用电能计量芯片ADE7755的引脚CF输出脉冲的频率与瞬时有功功率成正比的原理,将AD7755的引脚CF输出的脉冲送入51单片机(MCU)中进行计算处理,就可以算出负载功率,再利用51单片机将该数据显示,还可以分析该数据,发出相应的控制信号.例如,可以判断该功率是否大于某一固定值,若是,则切断负载,这样就可以实现对用户的过载监控.又如,利用AD7755的引脚REVP,在一定程度上可防止用户窃电.保留RS232接口可以实现与计算机通信,完成更加强大的远程功能.由此可见,计算负载功率是最基本最首要的功能模块,其在线测量,在线监测等功能均是在此基础上利用51单片机扩展得到的.由此,我们可以得出本设计的原理框图,如图2.7所示.本设计利用电阻分压网络将负载两端的电压以适当比例接入ADE7755的电压通道,利用分流器将负载两端的电流转换为电压信号送入ADE7755的电流通道.ADEE7755将得到的电压、电流信号进行相乘滤波处理后,得到频率与负载瞬时有功功率成正比的脉冲信号,将其送至引脚CF.51单片机对该脉冲信号计量,计算出负载瞬时功率送至LED显示,也可根据具体情况发出信号控制负载的通断.在51单片机上保留RS232接口,可实现与计算机通信,从而组成网络控制系统,执行计算机发出的各种远程控制.AD7755分流器分压电 路电源控制LED显示RS232接口MCU脉冲负载+5V+5V零线火线图2.7 原理框图 3 详细设计根据原理框图2.7,本设计可分为6个模块:功率计量模块、显示模块、控制模块、串口模块、负载控制模块和电源模块.下面依次介绍各个模块的详细设计.3.1 功率计量模块这一模块主要以专用电能计量芯片ADE7755为核心部件,再配以电流互感器,电阻分压网络对所测电压和电流进行采样,转换为ADE7755所需的电平,同时也将负载与ADE7755芯片实现电气隔离,从而避免了市用强电对ADE7755芯片的损坏和干扰,保证ADE7755的正常工作.3.1.1电流通道线路电流传感器的输出电压接到ADE7755的通道V1,该通道采用完全差动输入,V1P为正输入端,V1N为负输入端.通道1的最大差动峰值电压应少于470mV(纯正弦电压有效值330mV).应当注意,通道1有一个PGA,其增益可由用户选择为1,2,8或16(见表3.1),这使传感器接口的设计大为简单.表3.1 通道1的增益选择 图3.1示出了V1P和V1N引脚上的最大信号电平,最大差动电压是470mV(由增益选择而定).在这两引脚上的差动信号必须以一个共模端作为参考点,如AGND.最大共模信号为100mV,如图3.1所示.本设计采用G0=G1=1,即增益为16,允许的最大差动输入峰值电压为30mV. 图3.1 通道1的最大信号电平(G=1)本设计的电流通道采用电流互感器CT,如图3.2所示.当相线中有电流流过时,电流互感器就会输出与输入电流成一定比例的电流,该电流与电阻Rb形成回路,并在Rb上生成电压.这样,负载的电流信号就转换成ADE7755电流通道的输入电压.本设计采用的电流互感器变换比例是100:2,为了保证既满足任务书中给定的计量电流范围015A的要求,又可使芯片安全工作, 电流互感器的输入电流最大应不超过20A,那么输出电流就小于400mA(这是有效值,最大值即为565.6 mA), 而ADE7755电流通道允许输入的最大电压为470 mV,所以可得式3.1,Rb 470 mV/565.6 mA=0.831 (3.1) 因此,本设计选用0.5的电阻.图3.2 电流通道的接线图3.1.2电压通道图3.3 通道2的最大信号电平线路电压传感器的输出电压接到ADE7755的通道V2,该通道的最大差动峰值电压为660mV,图3.3示出了允许连接到ADE7755通道2的最大信号电平.加在通道2上的差动电压信号必须以一个共模端作为参考点(通常是AGND),最大共模电压为(100mV).当共模电压为0V时能获得最好的测量结果.本设计的电压通道采用简单的电阻分压网络,如图3.4所示.这种方法是以电网的中线(零线)为基准,用一个电阻分压器提供与线路电压成正比的电压信号,调整Ra,Rb和VR的比值能很方便地完成仪表的增益校验.图3.4 电阻分压网络现在我们来计算一下Ra,Rb和VR的值,有效值为220V的市电电压,经过串联电阻Ra,Rb和VR后在VR上的分压最大为660mV(有效值为466.8mV),因此有 VR/(Ra+Rb+VR)=0.4668/2200.0021 (3.2)这里VR取1K,所以由式3.2可得,Ra+Rb=VR/0.0021-VR=475.2 K 但为了保证安全起见,这里取Ra为1M,Rb为1K,VR是1K的可调电阻. 3.1.3选择频率参数表3.2 半满度交流输入时F1和F2的输出频率S1S0F1-4(HZ)F1和F2输出频率(HZ)001.70.085013.40.17106.80.341113.60.68表3.3 CF的最高输出频率(交流信号)SCFS1S0F1-4(HZ)CF的最高输出频率(HZ)1001.7128*F1,F2=43.520001.764*F1,F2=21.761013.464*F1,F2=43.520013.432*F1,F2=21.761106.832*F1,F2=43.520106.816*F1,F2=21.7611113.616*F1,F2=43.5201113.62048*F1,F2=5570任务书中已明确给出,数字功率表测量范围是:220V/50Hz市电.计量电流范围为:015A。这里我们选定F1和F2的仪表常数为100imp/kWhr,因此,在最大负载电流的情况下:负载最大功率是:220*15=3300W=3.3kW (3.3)F1,F2的最高输出频率是:3.3kW*1h*100/3600s=0.0917HZ (3.4)在设计功率表时,通道2的标称电压应设在半满刻度值,以便对仪表常数进行校验.电流通道在最大负载时也不应超过半满度值,这样考虑能允许对过电流信号和高峰值因数信号进行累计.表3.2给出了两个模拟输入均为半满度值时F1和F2的输出频率.在表中找到大于0.0917HZ的最小频率对应的F1-4就是最好的选择,因此可得出S1=0,S0=1,F1-4=3.4.同时为了尽可能提高CF的频率,从而提高计算精度,对照表3.3,选定SCF=1,这样CF引脚输出的仪表常数就是6400imp/kWhr.这样,所有参数就选定了.另外要注意,对电源部分应该用10F电容并联100nF瓷介电容进行去耦滤波,并采用3.58MHZ的晶振为AD7755提供时钟频率.由此,可得功率计量模块的详细原理图,如图3.5所示.图3.5 功率计量模块3.1.4软件设计该部分是整个软件设计的核心，智能电功率表的最基本的功能主要是通过该部分来实现的。参照图3.5可知，专用电能计量芯片ADE7755的CF引脚接至MCS51单片机的T0引脚，因此，这里的软件设计思路就是：使定时/计数器T0工作在方式3下，即将T0分为两个八位定时/计数器TH0和TL0使用（定时/计数器T1用于异步串行通信时设置波特率）。TH0计时间，TL0计来自ADE7755的CF引脚的外部脉冲数,当TL0计满16个脉冲时，查看TH0计量的时间，记为t(s),由此便可计算功率值。由于本设计CF引脚的仪表常数是6400imp/kwh，16个脉冲即相当于16/6400=0.0025 kwh的电量或0.0025*3600000=9000J的电量。时间t由两部分num0和num1记录，将TH0初值设置为56，则每（256-56）*1s=200s产生一次中断（晶振为12MHZ，时钟周期为（1/12）s，机器周期为1s），这时num自加1，当计满16个脉冲后，将num的值赋给num0，num1则为计满16个脉冲的那一刻，TH0的值。因此有时间t=（num0*200+（num1-56）s。所以，功率P=电量/时间=9000*1000000/（num0*200+（num1-56）W (3.5)其流程图如图3.6所示. TL0中断 TH0中断保护现场保护现场读取TH0和num1的值num1自加1重新置入TH0和num1初值并启动计数恢复现场 恢复现场 返回 返回 (a)TL0中断 (b)TH0中断图3.6 功率计量流程图3.2 控制模块3.2.1硬件电路该模块是以MCS51单片机为核心部件,控制协调其它各个模块正常工作.MCS51单片机P1口的P1.0P1.3接4个按键,软件部分采用程序查询方式,以备扩展功能之用.为了尽量简化硬件设计,AD7755的CF引脚输出的脉冲信号直接接到MCS51单片机的T0引脚,以便其采用计数方式对脉冲计量. AD7755的REVP直接接到MCS51单片机的INT0引脚上,当AD7755检测到负功率时,就可以立即进入中断处理,执行实时控制.由于本设计只用4位数码管显示,所以只需要4条位选线即可. MCS51单片机的P0.0P0.3就担当此任,但由MCS51单片机的P0口是开漏输出型电路,内部没有上拉电阻,必须外接10K的上拉电阻.MCS51单片机的P0口接数码管的段选线.而MCS51单片机的RXD,TXD引脚接RS232接口电路.复位电路是由一个按键,一个10F的电容和10K的电阻组成的上电复位和手动复位电路.单片机必须在时钟的驱动下才能进行工作.MCS-51系列单片机内部有一个时钟振荡电路,只需外接振荡源,就能产生一定频率的时钟信号送到单片机内部的各个单元,决定单片机的工作速度.本设计选用12MHZ晶振和两个33PF的电容.此电路在加电后延迟大约10MS振荡器起振,在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号,其振荡频率主要由石英晶振的频率确定.电路中两个电容C1,C2的作用有两个:一是帮助振荡器起振(C1,C2值大,起振速度慢; C1,C2值小,起振速度快);二是对振荡器的频率起微调作用(C1,C2值大,频率略有降低; C1,C2值小,频率略有提高).由此可得原理图,如图3.7所示.图3.7 控制模块3.2.2键盘程序设计根据图3.7所示的电路图,该模块采用程序查询方式.由于键的按下与释放是通过机械触点的闭合与断开来实现的,因机械触点的弹性作用,在闭合与断开的瞬间均有一个抖动过程,抖动时间一般在510ms.这个抖动对判断键是否按下或释放有较大影响,因此必须消除键的抖动,只有这样才能可靠地判断键的状态.在单片机应用系统中,消除抖动有硬件和软件两种方法,硬件去抖动方法主要有利用R-S触发器和滤波电路.软件去抖动通常是程序检测到键被按下时,延时10 ms后再检测键是否仍然闭合,若是则确认是一次真正的闭合,否则就忽略此次按键.这里采用了软件去抖动方法.在硬件设计中,由于只用到4个按键,这里采用独立键盘的结构.每一个按键的电路是独立的,占用一条数据线,当其中任意一按键按下时,它所对应的数据线的电平就变成低电平,读入单片机就是逻辑0,表示键闭合,若无键闭合,则所有的数据线的电平都是高电平.该部分程序流程图如图3.8所示:主程序查询P1口低四位判断是否全为1 是 否延时10MS继续查询P1口低四位判断是否全为1 是 否0001执行按键4的相应程序执行按键3的相应程序执行按键2的相应程序执行按键1的相应程序 0010 0100 1000 图3.8 键盘扫描流程图 本设计中,按键1的功能是切换显示功率和电量,即按一下可显示功率,再按一下就可显示电量,依此类推.按键2的功能是切换常显和间歇显示状态,常显即数码管一直有显示值,中间不曾间断.间歇显示就是每隔一段时间显示一次值.按键3的功能是控制负载的通断, 按一下切断负载,再按一下使其导通,依此类推.按键4保留,以备扩展之用.3.2.3附加控制当出现负功率或接错线时,ADE7755的引脚REVP出现高电平,利用该高电平,当MCU检测到高电平则在引脚P1.7上输出高电平,自动切断负载.当负载过载时,即MCU计算出的功率大于3300W(15A*220V=3300W)时,引脚P1.7上也输出高电平,自动切断负载.也可查询主机上本地用户的电量,若小于某值,便可向该用户发出远程强制关断的命令,通知该用户及时充电. 这样就可以实现超负荷运转监测,用户窃电监测和本地电量透支关断等功能.3.3 显示模块3.3.1电路图为了进一步简化电路,本模块采用4位一体的共阳极数码管,用PNP管9015去驱动数码管的段选线,如图3.9所示.9015的发射极均接+5V电源, MCS51单片机的P0.0P0.3接9015的基极,控制9015的导通与截止,从而控制四位一体共阳极数码管的位选引脚.而9015的集电极接四位一体共阳极数码管的公共段选线.由P2口输出要显示的码,送到四位一体共阳极数码管的公共段选线上,需要注意的是,这里需串接8个470的电阻,用来限流,保护数码管. 图3.9 显示模块由图3.9可知该模块的工作原理是:当单片机的P0口输出高电平时,PNP管9015的发射极到基极无压降,因此4个9015均处于截止状态,此时4个数码管均不能被点亮.只有当单片机的P0.0P0.3中有一位为低电平时, 9015的发射极到基极有压降, 9015才能导通.这样,对应位的数码管就被选中,可以被点亮了.这时,在段选线上发出低电平,ah中相应的发光二极管就被点亮,即可呈现出所需的显示码.3.3.2软件设计由图3.9可知,四位一体共阳极数码管将所有位的段选线并联起来,由单片机的P2口控制,由P0口进行显示位的控制.但是,由于段选线是共用的,要让各位数码管显示不同的字符,就必须采用扫描方式,即动态扫描显示方法.首先从段选线上送出字段码,再控制位选线,字符就显示在指定位置上,持续15ms时间,然后关闭所有显示;接下来又送出新的字段码,按照上述过程又显示在新的位置上,直到每一位数码管都扫描完为止,即为一个扫描周期.由于人的视觉停留效应,因此当扫描周期小到一定程度时,人就感觉不出字符的移动或闪烁,觉得每位数码管都一直在显示,达到一种稳定的视觉效果.动态扫描显示的扫描方式有程序控制扫描和定时中断扫描两种.为了节省硬件资源,该模块采用程序控制扫描方式.程序如下:#include reg51.h#include intrins.hchar code dispdata10=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,