低成本高精度多功能数字式单相电能表设计①

1、低成本高精度多功能数字式单相电能表设计    摘要:灵活应用单片机、传感器等电子元器件,借助巧妙的程序算法,设计一种低成本高精度多功能全电子数字式电能表。介绍了其硬件、软件设计,重点分析阐述了如何利用常用元器件实现高精度的单相电能测量以及电能表的防窃电功能、过流过压保护功能。关键词:电能表 传感器 模数转换 单片机 智能管理一、引言传统的感应式机械电能表从1890年发明以来,已经有一百多年历史,虽然经过多方面改进,但仍然存在几个突出问题:工作不稳定,精度低,内部的转动元件难免产生机械磨损,使电能表测量误差越来越大;体积庞大,价格昂贵;由于构造原理的问题,

2、很容易窃电。于是新型的数字式电能表应用而生。数字式电能表可视性强,大致可分为以下两类。第一类是在原来机械式电能表的基础上,仅在表盘上打一个很小的光电检测孔,表盘每转一圈给出一个脉冲信号,经放大和整形后,作为计数脉冲,所计的客户用电量通过数码管或LCD显示出来。这种电能表只是改变了其计数显示方式,没有脱离传统感应式机械电能表的本质,机械磨损还存在,精度低,不稳定,所以完全被淘汰。第二类是利用传感器来采样电流、电压,然后把采样到的电流、电压信号转换成数字信号或计数脉冲来计量客户所用电量,再通过数码管或LCD显示出来。常见的有以下几种,利用霍尔效应,将被测负载的瞬时有功功率P转换成与之成正比的电压U

3、,然后利用电压-频率转换器将电压信号转换成频率f与电压成正比的脉冲信号,该脉冲信号经过m分频,脉冲计数器通过对分频脉冲计数来计量所耗电量。这种方案制造调试要求高,抗干拢能力差。利用电能计量专用芯片来计量所耗电量(如美国ADI公司的ADE7758),功能多,精度高,有利于实行远程抄表,但成本高,且比较固定,不宜根据具体情况做必要的改进(如防盗),测小电流时非线性失真大。将采样到的电流、电压信号通过模数转换模块转换成数字信号,然后通过单片机运算处理。基于这一基本原理,本文介绍一种低成本高精度多功能的单相电能表。46二、硬件电路设计整机硬件电路如图1所示,由电源、电流电压采样、模数转换、微控制器、L

4、CD显示及控制保护电路六部分组成。1.电源电路3采用电容降压式电源。C1、Q1、C2、DW1、LM7805CT、LM7905CT等元件构成电源电路。220V交流电通过C1降压,Q1整流得到脉动直流电; C2为电源滤波电容,R1是一个降压限流电阻;电源先通过DW1稳压(DW1选用8.1V、耗散功率为1W的稳压管),然后通过LM7905CT得到-5V稳压,通过LM7805CT得到+5V稳压。+5V通过D2单独为单片机供电,同时给备用电源power1充电。备用电源power1采用可充电的大容量锂电池。在电网正常供电时,D2导通,电源给单片机供电的同时给锂电池充电;电网停电时D2截止,备用电池提供给单

5、片机电源,保证数据不丢失。采用电容降压式电源可避免强磁导致系统失电,通常降压电容C1的容量C与负载电流IO的关系可近似认为:C=14.51O;电源通过两次稳压可提高产品测量准确性。2.采样电路123电压取样可用电压互感器做传感器,但电压互感器存在非线性失真,容易受磁场的干拢,影响测量精度,还有是容易被强磁窃电;可采用电阻分压做传感器,然后加电压跟随器或加光耦和积分电路,为了很好地把模数转换模块与强电隔离,所以本设计中采用精度为千分之五的金属膜电阻R11、R12对单相电网电压分压后,再经光耦U6和R14、C12构成的积分电路,得到与交流电压成正比例的直流电压信号,把采样电压送至TLV2543模数

6、转换模块U7的第4脚。在电网电压150V270V范围内,光耦可完全工在线性电流采用火线与零线同时采样,取大者。小电流用在负载电路中串联0. 01的精度为千分之二的锰铜合金电阻丝(R2、R3)做传感器,R2、R3上取得的电压分别经差分运放,整流,积分,得到与供电线路中电流大小成比例的电压信号,然后再经电压跟随器送至TLV2543模数转换模块U7的1、2脚。大电流用电流互感器做传感器,取得的电压经整流,积分,得到与供电线路中电流大小成比例的电压信号,分别送至TLV2543模数转换模块U7的8、9脚。由于采取火线与零线同时采样取大者,可有效的防盗;由于采用电阻和电流互感器两种传感器采样电流,可有效的

7、提高测量精度。电流互感器还加了直流偏置来补偿非线性失真。利用电流互感器的降压隔离作用,可把高低压隔离。3.模数转换与运算电路25电压取样电路、电流取样电路取得的信号电压送入模数转换模块变成数字信号,数字信号送入单片机,由单片机完成运算来计量用电量及控制LCD的显示和过流过压保护电路的动作,具体算法见软件设计。模数转换模块选用TLV2543,单片机选用AT89S52。如果选用单片机PIC16C73,虽然其内含有模数转换模块,可以降低成本,但由于其所带模数转换模块精度为八位,将造成电能表的误差很大,小电流情况下仅由于模数转换带来的误差将达16%左右。TLV2543是有11个输入端的12位串行A/D

8、转换器,转换速度快(10s),稳定性好,价格低,其引脚排列及与52系列单片机的接口见图1所示。AIN0AIN10为模拟输入端; /CS为片选端;DIN为串行数据输入端;DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端;EOC为转换结束端;CLK为I/O时钟;REF+为正基准电压端;REF-为负基准电压端;VCC为电源;GND为地。TLV2543有一个8位控制字,从DIN端串行输入,它规定了TLV2543要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度以及输出数据的格式。其中高4 bit(D7D4)决定通道号,对于0通道至10通道,该4bit为00001010H,当为10111101时,用于对TLV2543的自

9、检,分别测试(Vref+Vref-) /2、Vref+、Vref-的值,当为1110时,TLV2543进入休眠状态。低4 bit决定输出数据长度及格式,其中D3、D2决定输出数据长度, 01表示输出数据长度为8位, 11表示输出数据长度为16位,其他为12位。D1决定输出数据是高位先送出,还是低位先送出,为0表示高位先送出。D0决定输出数据是单极性(二进制)还是双极性(2的补码),若为单极性,该位为0,反之为1。TLV2543的转换过程是,上电后,片选/CS必须从高到低,才能开始一次工作周期,此时EOC为高,输入数据寄存器被置为0,输出数据寄存器的内容是随机的。开始时,片选/CS为高, I/O

10、、CLK、DIN被禁止,DOUT呈高阻状态,EOC为高。使/CS变低, I/O、CLK、DINP使能,DOUT脱离高阻状态.。12个时钟信号从CLK端依次加入,随着时钟信号的加入,控制字从DIN一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLV2543 (高位先送入),同时上一周期转换的A/D数据,即输出数据寄存器中的数据从DOUT一位一位地移出.TLV2543,收到第4个时钟信号后,通道号也已收到,此时TLV2543开始对选定通道的模拟量进行采样,并保持到第12个时钟的下降沿。在第12个时钟下降沿,EOC变低,开始对本次采样的模拟量进行A/D转换,转换时间约需10s,转换完成后EOC变高,转换的数据

11、在输出数据寄存器中,待下一个工作周期输出。此后,可以进行新的工作周期。由于单片机AT89S52没有串行外设接口(SPI),所以用软件来实现与TLV2543的SPI接口。其程序如下:SAMPLE:MOV R0,#30H;数据缓冲区首地址30HR0MOV R1,#00000000B; 0通道方式/通道数据ACALLRD_AD;第一次读取的转换结果可能不准确,丢弃MOV R1,#00010000B; 1通道方式/通道数据ACALLRD_AD;送1通道方式/通道数据并读第0通道转换结果MOVR0,R2;转换结果存放到数据缓冲区INC R0MOVR0,R3INC R0;其它通道操作方式类推MOV R1,

12、#10110000B; 11通道方式/通道数据ACALLRD_AD;送11通道方式/通道数据并读第10通道转换结果MOVR0,R2;转换结果存放到数据缓冲区INC R0MOVR0,R3INC R0RETRD_AD: CLR CLK;清I/O时钟SETB CS;设置片选为高CLR CS;设置片选为低MOV R4,#08;先读高8 bitMOV A, R1;把方式/通道控制字放到ALOOP1:MOV C,DOUT;读转换结果RLC A;A寄存器左移,移入结果数据位,移出方式/通道控制位MOV DIN,C;输出方式/通道位SETB CLK;设置I/O时钟为高CLR CLK;清I/O时钟DJNZ R4

13、,LOOP1;R4不为0,则返回LOOP1MOV R2,A;转换结果的高8 bit放到R2中MOV A,#00H;复位A寄存器MOV R4,#04;再读低4 bitLOOP2: MOV C,DOUT;读转换结果RLC A;A寄存器左移,移入结果数据位SETB CLK;设置I/O时钟为高CLR CLK;清I/O时钟DJNZ R4,LOOP2;R4不为0,则返回LOOP2MOV R3,A;转换结果的低4 bit放到R3中SETB CS;设置片选为高RET4.显示与保护控制电路23通过单片机与LCD1602接口,把用电量、电压值、当时用电功率直观的显示出来。由AT89S52的P2. 1去控制由U8、

14、K1等组成的过流过压保护电路,当电流超过极限值(20A)或电压超过255V时,或电流值不为零而电压为零时,常闭型继电器K1断开,对用电器起保护作用,隔5分钟后自动恢复供电;重复三次,若故障还没排除,将进行长时间停电,当电网电压恢复正常,用电器故障排除后,需按手动操作键S1才能恢复供电。三、软件设计2程序流程图如图2所示,中断程序流程图如图3所示。火线与零线同时取样取大者;小电流用电阻采样,大电流用电流互感器采样;由程序控制,当电流大于2.5A时,用电流互感器的采样值,否则用电阻的采样值;这样有一定的防窃电功能,既避免了非线性误差,又避免了复杂的换档电路。经TLV2543转换成比例的数字信号送入

15、单片机,由程序判断是否超出极限值,电流电压超出极限值和电压为0而电流不为0时,保护控制电路都会动作,断开负载电源。LCD上显示电网电压、瞬时用电功率,用电总量,每0.1S更新一次。在计算用电量时,是把一度电换算成36000000每0.1S,把采样电压电流相乘再乘0.1S,每0.1S累加一次即得用电总量。四、实验结果用汇编语言编写源程序,根据图1所示电路及元件参数做成PCB板,通过反复宗合调试,最终得到如下结果。本仪表成本低,有防窃电、过流过压保护功能,可靠性高,稳定性好,不受功率因素的影响,克服了非线性失真,使用时,进线与出线不能互换,加上通信模块及通信功能程序,能实现远程控制。测量精度0. 1级,测量功率范围0. 8至4400W,电流分辨率3. 9毫安,充许最高工作电压255V,能累计用电量999999