單相電力儀表的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

作者/劉子揚(yáng) ，沈陽斯沃電子有限公司

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單相電力儀表的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

作者/劉子揚(yáng) ，沈陽斯沃電子有限公司

文章摘要：本文論述了一種含有參數(shù)采集、處理以及控制等多功能于一體的新型電力儀表。整體上采用MCU +專用電能測量芯片為架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)參數(shù)的精確測量，主要功能包括測量電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率、有功電能、無功電能、負(fù)載性質(zhì)等。硬件上采用隔離及抗干擾措施，系統(tǒng)能夠在高干擾的電力系統(tǒng)環(huán)境下準(zhǔn)確、穩(wěn)定的運(yùn)行。并配置有網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)字量輸入、模擬量輸出、繼電器輸出等功能，使得其真正具備了遙測、遙控與遙調(diào)的能力。

關(guān)鍵詞：參數(shù)采集 單片機(jī) CS5463 電力儀表

1.單片機(jī)及測量芯片的選型

PIC系列單片機(jī)是美國微芯科技公司的產(chǎn)品。其CPU采用RISC結(jié)構(gòu)，具有Harvard雙總線，運(yùn)行速度快，低功耗，輸出能力強(qiáng)，保密性好等特點(diǎn)。PIC18F46K22是其8位單片機(jī)中的高端產(chǎn)品，具有32K ROM，4K RAM，16MIPS速度，功能豐富且性價(jià)比高，所以選擇其作為控制單片機(jī)。

CS5463 是一個(gè)包含兩個(gè)ΔΣ模-數(shù)轉(zhuǎn)換器、功率計(jì)算器、電能到頻率轉(zhuǎn)換器和一個(gè)串行接口的完整的電能測量芯片。它可以精確測量瞬時(shí)電壓、電流和計(jì)算IRMS、VRMS、瞬時(shí)功率、有功功率、無功功率、電能，常用于研制開發(fā)單相電表。因此選擇其作為電能測量芯片。

2.接口電路設(shè)計(jì)

■2.1信號檢測電路的設(shè)計(jì)

（1）電壓檢測電路設(shè)計(jì)

電壓檢測采用電阻分壓的形式，通過4只620KΩ的大電阻和2個(gè)390Ω電阻串聯(lián)對交流電進(jìn)行分壓，在2個(gè)390Ω電阻的連接點(diǎn)接地，得到對稱于地電位的一對正負(fù)電壓VIN+和VIN-，幅值約0.1V，即如果VIN+ = +50mV，則VIN- = -50mV。再分別通過雙向二極管鉗位（防止過壓等損壞芯片），阻容濾波后，送至測量芯片的電壓差分輸入端VIN+和VIN-。CS5463的差分輸入端能夠識別這樣低于0V的信號，這與普通AD芯片區(qū)別是比較大的。

(2)電流檢測電路的設(shè)計(jì)

在電流檢測中使用了電流互感器，能夠隔離電網(wǎng)強(qiáng)電信號，使用采樣電阻和濾波電路實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。電流互感器將大電流5A轉(zhuǎn)換為2.5mA，在51Ω采樣電阻上得到約0.1V的電壓信號，再通過2個(gè)1KΩ電阻串聯(lián)對采樣信號進(jìn)行分壓，在2個(gè)1KΩ電阻的連接點(diǎn)接地，得到對稱于地電位的一對正負(fù)電壓I IN+和I IN-，再分別通過雙向二極管鉗位，阻容濾波后，將信號送至測量芯片的電流差分輸入端。

■2.2信號測量電路的設(shè)計(jì)

CS5463內(nèi)部集成度高，外圍電路簡潔，只需外接一個(gè)4.096MHz晶振即可工作，其余的計(jì)算等工作都由其內(nèi)部的DSP自動完成，用戶只需將相關(guān)通信引腳連接至單片機(jī)，對單片機(jī)編程即可。

芯片的VIN+和VIN-為電壓信號輸入，I IN+和I IN-為電流信號輸入，將上述引腳分別接電壓、電流檢測電路。

芯片的SCLK為時(shí)鐘信號，SDO為數(shù)據(jù)輸出，SDI為數(shù)據(jù)輸入，CS為片選，RESET為復(fù)位腳，E1為有功電能脈沖輸出，E3為無功電能脈沖輸出，將上述引腳接單片機(jī)的IO引腳即可。最后將VA+和VD+都接電源VCC。

■2.3電源電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)提供兩路+5V電源輸出，即VCC、GND和+5V、AGND。

電源芯片采用TNY266P，是一款10W高效小功率隔離式開關(guān)電源IC，同時(shí)應(yīng)用線性光耦PC817和可調(diào)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431，組成典型的單端反激式電源電路。輸出的第一組VCC、GND（主電源）受并聯(lián)的TL431和PC817控制，電壓穩(wěn)定性是沒有問題的，但由于還需要另一組隔離的電源用于通訊（小功率），于是在變壓器上另增加一個(gè)獨(dú)立繞組，但由于其是完全獨(dú)立隔離的，所以其電壓穩(wěn)定性是不好的，于是提高其輸出電壓，使其正常情況下輸出為18V左右，通過78L05穩(wěn)壓后得到+5V、AGND，用于通訊隔離。

■2.4485通信電路設(shè)計(jì)

通訊部分采用MAX485芯片、高速光耦HCPL0601等組成。由于采用雙絞線作為通信線路，所以通訊方式為半雙工，即不能同時(shí)發(fā)送和接收。所以將485芯片的發(fā)送控制端DE和接收控制端 接到一起，通過光耦隔離，高電平時(shí)發(fā)送，低電平時(shí)接收。同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)TX、接收數(shù)據(jù)RX也都通過光耦隔離。再加上電源取自+5V、AGND，從而使整個(gè)通訊系統(tǒng)與單片機(jī)系統(tǒng)是電氣隔離的，具有較高的抗干擾能力。

■2.54-20mA模擬量輸出電路設(shè)計(jì)

采用DA芯片MCP4725，運(yùn)放LM258，光耦LTV356，電源模塊B0515等組成。單片機(jī)引腳模擬出DA芯片所需的SCL和SDA信號通過光耦隔離輸出，DA芯片輸出的信號連接至由運(yùn)放和三極管組成的恒流源電路，輸出4-20mA模擬量信號。電源模塊的輸入為VCC、GND，輸出為+15V、SGND，光耦的輸出及后面的電路電源全部由+15V、SGND

系統(tǒng)供電，這樣使得整個(gè)4-20mA模擬量輸出電路也是與單片機(jī)系統(tǒng)電氣隔離的，提高了抗干擾性能。

■2.6其他電路設(shè)計(jì)

顯示部分采用TM1721芯片，驅(qū)動段位式液晶顯示器。數(shù)字量DI輸入采用光耦LTV356隔離。繼電器輸出采用三極管8050驅(qū)動，5A繼電器輸出。

3.單相電力儀表的應(yīng)用

多功能單相電力儀表是從模擬指針式儀表和電量變送器演變而來。能獨(dú)立應(yīng)用于高低壓開關(guān)柜、交流盤、儀表控制盤、UPS等任何需要電量測量和顯示的場合。目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、建筑、民用供電系統(tǒng)和變電站中，幫助用戶節(jié)省投資和使用空間。

使用注意事項(xiàng)：

1、適合環(huán)境溫度-25～70℃，濕度85%以下使用。

2、注意防止震動和沖擊。

3、不要在有灰塵，對電器產(chǎn)品有害的化學(xué)藥品，煤氣等地方使用。

4、在因磁場或高頻儀器，高壓火花，閃電等原因引起電壓異常時(shí)，在外部請使用電源濾波器或非線性電阻等干擾吸收電路。

5、輸入信號線應(yīng)盡量的短，通常情況下，建議使用雙絞線或屏蔽線。

【參考文獻(xiàn)】

＊[1] 陳志忠,徐月華.計(jì)量芯片ADE7758在三相多功能網(wǎng)絡(luò)電能表中的應(yīng)用[J].自動化與信息工程.2010(01)

＊[2] 韓豐,尹明,李雋,張義斌,孫強(qiáng).我國智能電網(wǎng)發(fā)展相關(guān)問題探討(英文)[J].電網(wǎng)技術(shù).2009(15)