2008年题 单相电参数测量仪

B甲 单相电参数测量仪 中国石油大学 王振中 公衍海 袁风宾 专家点评:该作品在进行充分的方案论证基础上，确定了以高精度电表集成电路CS5463为电信号计量采集器件、以C8051F005为控制、处理核心的整体方案。并辅以必要的外围电路，可以精确地测量电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数、电量等各种单相电参数。系统主要包括采集模块、信号调理模块、计量模块、控制模块、语音模块、通信模块等，实现了预购置电量设置、分时段计量、超限保护、语音报警、打印以及与上位机通信功能。通过实际测量可以知道，基本要求及发挥部分功能均得以实现，实验数据准确，精度达到题目要求。部分插图、表格及其标注欠规范。 济南大学 黄明健教授 2008/9/24摘要本系统以高精度电表集成电路CS5463为计量核心、以C8051F005单片机为控制核心，并辅以必要的外围电路，可以精确地测量电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数、电量等各种单相电参数。系统主要包括采集模块、信号调理模块、计量模块、控制模块、语音模块、通信模块等。同时还可以实现预购置电量设置、分时段计量、超限保护、语音报警、打印以及与上位机通信功能。Abstract The system is designed to construct a Meter for Electrical Parameters of Single-phase Power , with a C8051F005 single chip computer for control ,a CS5463 for measurement ,and other parts for signal conditioning .this meter can measure the IRMS, VRMS ,Frequency, Active Power, Apparent Power, Power Factor, Electrical Energy and many other parameters accurately . It is mainly made up with models for sampling , signal-conditioning , measurement ,control, communication and voice. Besides the mainly function for measurement ,this system can be used to set prepaid Electrical Energy ,to measure energy Time-sharing, to protect the system when dangerous ,to alarm, to print and communicate with PC.一、方案比较与论证1、总体方案的选择方案一： 利用单片机采样信号并且计算得出相应参数（1）简要框图：图1 方案一系统框图（2）原理概述 单相电电压、电流经调理电路调整为ADC可以采样的电压，然后用两个AD在一个信号的周期内采样固定的点，采样时钟由锁相倍频电路提供。将采样的得到的数据进运算，得出相应的电能参数。 相关公式有：电压有效值 ，电流有效值 ， 有功功率 ，视在功率 功率因数 频率测量采用测周法，调理信号经过零比较给FPGA或单片机中断，计算单位时间内脉冲次数，从而得到频率。这种方案是通常的信号分析与处理的方法，可以方便地得出题目所要求的电流、电压、有功、无功等参数。但是采用这种方案要求MCU进行大量的数学运算，且单片机的截断误差影响较大，使得最终的结果不会很精确。此外，数学运算会占用大量的MCU时间，使得我们很难去完成其他的附加功能。而且该方案使用了较多的硬件模块，不仅不便于调试，而且成本较高。方案二 采用集成的电参数测试芯片CS5463（1）芯片介绍CS5463是Cirrus Logic公司推出的高精度电表集成电路，可用于单相或多相多功能电能表的计量处理。CS5463内部集合两通道模-数转换器、功率计算、电能到频率的转换和一个串行口等， 可以精确测量瞬时电压、电流和计算IRMS、VRMS、瞬时功率、有功功率和无功功率等，还具有温度传感器、电压下降检测、相位补偿功能，而且很方便微控制器用双向串行接口控制。另外，CS5463可以增益调整，自带温度传感器、数字滤波器分别消除温漂误差和滤出高次谐波，CS5463还可已自动增益校准、偏移校准和相移校准。图2 CS5463内部原理图如上为CS5463的内部原理图，从上图易知：CS5463的测量原理其实是对方案一的一种集成。从信号的采集到存储、滤波调理、运算，全部由芯片自动完成，单片机只需要通过串行接口对CS5463进行合理的初始化即可。（2）简要框图图3 方案二系统框图如图，电流、电压信号经调理电路后直接输入CS5463集成芯片中。MCU通过对CS5463进行操作，即可方便地完成要求参数的测量。这样大大地减轻了单片机的负担，从而可以节省出指令周期来完成一些其他的更加实用的功能。而且外部的调理可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。与方案一相比，大大的降低了信号调理的难度和复杂度。从稳定性方面考虑，集成芯片的性能往往更为可靠。综上所述，我们决定采用方案二。2、单片机的选择方案一 采用传统的8位89c51单片机作为控制核心传统的51单片机具有价格低廉，使用简单等特点，但其运算速度低，功能单一，RAM、ROM空间小等缺点。若采用89c51需要做RAM、ROM扩展，以适应内存需要，其硬件工作量必然大大增多。方案二 采用SiLab公司的高性能8位单片机C8051F005C8051FOO5系列单片机是Cygnal公司出品的集成模拟、数字信号为一体的混台信号系统级高速单片机。它采用表面贴片封装、体积小、运算速度高。 具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核，采用流水线指令结构，70的指令的执行时间为个或两个系统时钟周期；速度可达25MIPS(时钟频率为25MHz时)除此而外，C8051F005单片机具有丰富的I/O端口资源，而且中断源也十分丰富，共有22个中断源、两个中断优先级，可以实现两级中断嵌套。且有丰富的模拟和数字外设，包括看门狗、定时器、UART、SPI、ADC等。此外，该单片机具有多达32K的ROM和2K的RAM，无须片外扩展。并且具有JTAG接口，可以方便地对其进行非侵入式在线调试。非常适合于各种工业控制及各种检测仪表应用。综上所述，我们决定选用C8051F005单片机作为整个系统的核心控制模块，这样就可以充分利用C8051F005单片机丰富的I/O口和中断资源，从而提高整个系统的实时性且可以实现较为复杂的扩展功能。3、用户接口模块（1）显示方案方案一：使用数码管显示 该方案控制简单且成本低，但是只能显示非常有限的符号和数字，对于设计中复杂的文字显示功能等显然不能胜任。 而且由于题目要求显示较多的参数，所以需要很多的数码管，使得设计比较复杂，故仅仅用来做一些简单的状态指示。方案二：使用点阵液晶显示 点阵液晶不仅可以显示多种字符，还可以显示各种图形，并且带有强大的中文字库，因此拥有友好的人机交互界面及强大的显示功能，特别适用于智能仪表的可编程人性化显示。 由于基本功能加上扩展功能较为复杂，我们要开发一套菜单系统，以较好的实现人机交互，为此必须使用液晶作为输出，所以我们选择方案二。（2）键盘方案本系统采用的是周立功公司生产的ZLG7289集成按键处理芯片。ZLG7289是一种具有串行接口，可同时联接64个按键并同时驱动8位共阴式数码管的智能驱动芯片，内含去抖电路和扫描电路，并具有按键触发中断功能，从而提高了程序的执行效率。（3）语音方案为了增强系统的可交互性，除键盘和液晶外，还特别设计了语音发声电路，可以实时的报出当前仪表所在的状态及参数的大小。语音方案采用的是集成语音芯片ISD4004，单片可以录音216分钟，远远可以满足我们的要求。二、详细方案设计1、总体框图设计图四 系统详细方框图为将电流测量范围扩展到020A，如果单纯采用电流互感器的话会导致在信号较小的时候带来较大的测量误差。因此电流采用分档测量，当电流在01A的时候，自动切换档位至小信号档。而电压信号则未采取分档，主要是由于电压信号一般较大，而且电压互感器的特性相对较好。电流、电压信号经调理电路后直接输入CS5463的输入端，CS5463根据初始化的设置自行对信号进行处理，计算出电流、电压、功率等参数，计算完成后产生一个中断。继而单片机响应中断，在中断服务程序中读出结果，并在液晶上显示出来。为了使系统具有良好的人机接口，故设计了多种人性化的用户接口模块，这些模块全部挂接在单片机上，由单片机进行统一的操作和调度。键盘用于显示的切换和功能设置；液晶主要用于测量参数及菜单的显示；语音是为了提供更好的人机交互；通信接口可用于驱动微型打印机，实时打印测量结果，也可以设置为上位机通信模式，通过RS232接口将测量结果传送至上位机，以进行更加灵活的处理。三、硬件设计： 1、信号调理部分信号调理分为电流调理和电压信号调理两部分，原理图如图5。 测量仪同个两个电流式互感器将单相电中的电压、电流信号转为小的电流信号，OP07和一个电阻I/V转换，得到可供CS5463测量的抵押信号。选用的OP07是一种低噪声高精度运放， 3V 22V宽电压供电而且失调电压小。图5 前端信号调理及关断继电器示意图（1）电压调理电路，大电压信号通过2mA/2mA的互感器SPT204B转为小电压，经实验该互感器在10KHz以下无明显衰减，不会对电信号50次内谐波成分有影响。互感器原边跨接2个150K的电阻，副边上通过OP07负输入和输出端之间的电阻R1将电流信号转化为电压信号。考虑到CS5463差模输入电压为150mv，R1取100，便可实现0450v宽范围测量，互感器原、副边电流为1.5mA。 增加C1是为了对互感器产生的相位变化进行补偿，另外CS5463也可进行小角度校验。R3和C2可滤除15KHz以上的信号。低通滤波截止频率 = =15.9K （2）电流调理电路，为扩展020A的测量范围，经输入电流按01A、120A分为两档。CS5463测电流一路内带10、50两档，因此外部硬件不必再分档就可实现宽范围精确测量。系统设计中，020A电流经20A/20mA互感器SCT220B缩小，R2进行I/V转化，R2取7.5，CS5463电流测量差模输入电压为0150mV，01A时采用50。两档用继电器T3和中间继电器T2切换，小电流一路接LM311组成的过压比较器，当电流超过小档位上限时，单片机中断迅速切换档位。电路中C4、C3、R5作用与电压调理电路部分的相同。 原理图中T1为关断电路供电的继电器，由P2.6端口控制，实现预购电量不足或过压、过流时切断电路。T1为中间继电器驱动大继电器模式，原理图中只为示意。2、CS5463部分CS5463模拟电源输入端口VA+接5V,为与C8051F005电平匹配，数字电源输入端口VD+接3.3V。电压差模输入负端VIN- 接地，正端接调理后电压信号；图6 CS5463接线图电流差分输入负端与地相连，正端接调理后电流信号。CS5463控制引脚以及串口引脚、能量脉冲数出引脚(E1、E2、E3)与单片机相应端口相连。3、语音模块系统增加语音功能，用以报警和语音提示。模块采用ISD4004芯片，无须A/D 转换和压缩就可以直接储存，没有A/D 转换误差，在一个记录位（BIT）可存储250级声音信号，相当于通常的A/D 记录的8 倍。片内集成了晶体振荡器、麦克前置放大器、自动增益控制等，只要很少的外围器件，就可以构成个完整声音录放系统。芯片接线如下：图7 ISD4004接线图 ISD4004采用3.3V供电，13 管脚是模拟语音信号的输出端，输出的语音信号通过LM386功率放大器放大。 SPI串口与单片机相应引脚相连。4、充电时钟保持模块 系统要求分时计量以及延时报警，就需要时钟保持芯片，模块采用DS1302。图8 DS1302接线图DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含一个实时时钟/日历和31 字节静态RAM，使用主电源和备份电源双电源供电，且工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW。DS1302采用同步串行的方式进行通信，接线方式如图8所示。5、串口转换模块 系统增加与上位机通信功能，实现参数显示、日志保存等功能。单片机与PC的RS232相连需转换电路。MAX3232芯片可采用3.35V供电，功耗低、转换速度快，外部只需使用4个0.1uF电容。其接线方法如下:图9 MAX3232接线图MAX3232的11脚与单片机P0.1相连，12脚与P0.0相连；14脚与RS232的2脚相连，13脚与3相连。6、自制电源模块图10 电源模块原理图系统需要+5V、-5V、3.3V三种电源，220V交流电经过变压、整流、滤波等基本操作后接7805、7905三端稳压管后得到电源；5V电源经转换芯片得到3.3V电源。四、软件部分设计：软件总体分为两部分，一部分是C8051F005单片机中的程序，一部分是扩展通信功能后所需的上位机程序。在上位机中可以实现电参数的实时显示、日志保存、部分参数设置等，具体程序略，操作界面可见附录。1、C8051F0005部分， 程序框图如下：图11 程序框图 单片机基本部分是对CS5463操作，读取电压电流有效值、功率、功率因数、频率，通过累计CS5463的E1、E2、E3端输出的脉冲得到各种电量，并用LCD显示。在此基础上单片机操作相应模块实现分时段计量、超限保护、语音报警、打印以及与上位机通信。通过键盘可以设置预购置电量、分段时间、以及各功能之间的切换。人性化的菜单设计和丰富的键盘功能是本系统的一大特色，菜单整体的功能框图如下： 图12 菜单框图五、系统测试：1、测试仪器万用表：FLUKE 45,VAC 15mV750V 准确度0.2%+10 AAC 15uA10A, 准确度0.05%+10可调电压源：调压器TDGC-5 额定电流 20A ，电压0250V变频器： FRENIC 5000 2、测量数据（1）电压测量真实值（V）010203040506070测量值010.02420.03130.06239.97749.89560.09270.059真实值（V）8090100110120130140150测量值80.1490.165100.241110.256120.315129.737140.517150.386真实值（V）160170180190200210220230测量值160.762170.59179.434189.657200.781210.513220.864230.637真实值（V）240250260测量值239.287250.887260.962（2）电阻固定，测电流真实值（A）00.511.522.533.5测量值00.50211.00341.50072.00212.50143.00743.4925真实值（A）44.555.566.577.5测量值4.00814.50135.00915.51216.02346.51377.02147.5037真实值（A）88.599.510测量值8.05338.50279.07299.523310.0274（3）接入400电阻测功率电压020.03139.97760.09280.14100.241120.315电流00.0500780.099940.150230.200350.2506030.300788真实值（W）01.014.01916.0225.136.15测量值（W）0.00121.0031023.99549.02762116.0560525.1206536.18925电压160.762179.434200.781220.864140.517电流0.401910.4485850.501950.552160.351293真实值（W）64.680.35100.53121.6249.29测量值（W）64.611180.4914100.783121.952349.36257（4）功率因数测量 测量功率