摘要：本系統(tǒng)包括前端處理網(wǎng)絡(luò)、繼電器斷電控制電路、電參量測量模塊、單片機(jī)鍵盤及顯示電路等模塊，可以實現(xiàn)交流信號的電壓有效值、電流有效值、有功功率、電能、功率因數(shù)和頻率等的測量，同時完成各電參量的LCD實時顯示，大電流檢測報警及電能不足報警。SPCE061A單片機(jī)主要用于控制LCD顯示各電參量，由鍵盤輸入設(shè)定值，以及繼電器的通斷。系統(tǒng)還擴(kuò)展了語音播報，諧波功率分析等功能。

　　關(guān)鍵詞：電參數(shù)，測量儀，SPACE061A，CS5463

　　一、引言

　　電能各參數(shù)的測量是電力系統(tǒng)設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)，包括電壓、電流、功率、電能等參數(shù)。本文設(shè)計了一種以凌陽SPACE061A單片機(jī)[1]為控制核心的電參數(shù)測量儀，通過對智能電量測量芯片CS5463的讀寫，達(dá)到對電量的各個參數(shù)進(jìn)行測量和實時顯示的目的。

　　二、系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1系統(tǒng)總體設(shè)計

　　本系統(tǒng)主要由SPCE061A單片機(jī)、電源電路、取樣網(wǎng)絡(luò)、繼電器開關(guān)模塊、真有效值測量電路、鍵盤顯示和時鐘等模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2.2有效值轉(zhuǎn)換設(shè)計

　　CS5463是一片集成功率測量芯片，內(nèi)部集成了兩個ΔΣ模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、高速電能計算功能、能量頻率轉(zhuǎn)換器和各種電參量計算芯片。圖2為CS5463的結(jié)構(gòu)電路圖。

圖2CS5463內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

　　電網(wǎng)電壓經(jīng)過電壓分壓電路轉(zhuǎn)換成小電壓信號輸入到CS5463A的電壓通道輸入腳，電網(wǎng)電流經(jīng)過電流互感器轉(zhuǎn)換成電流小信號，再通過電流采樣電路得到小電壓信號輸入到芯片的電流通道輸入腳。CS5463A將轉(zhuǎn)換后得到的信號進(jìn)行數(shù)字處理并計算測得電網(wǎng)電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)，再通過一個SPI口與計量微處理器進(jìn)行通信，將測量到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬃课⑻幚砥鬟M(jìn)行處理，如計算功率因數(shù)角、頻率；判斷有功無功功率方向、電壓是否逆相序；進(jìn)行數(shù)制轉(zhuǎn)換等[2]。圖3為CS5463的電路連接圖。

圖3CS5463電路連接原理圖

　　2.3電源模塊

　　為滿足系統(tǒng)各模塊電源的要求，我們選用7805、7905分別產(chǎn)生正負(fù)5V的電壓給CS5463和SPCE061A提供電源，電路圖如圖4。

圖45V電源電路原理圖

　　2.4繼電器開關(guān)模塊

　　固態(tài)繼電器(SolidStateRelays,縮寫SSR)是一種無觸點(diǎn)電子開關(guān)，由分立元器件、膜固定電阻網(wǎng)絡(luò)和芯片，采用混合工藝組裝來實現(xiàn)控制回路(輸入電路)與負(fù)載回路(輸出電路)的電隔離及信號耦合，由固態(tài)器件實現(xiàn)負(fù)載的通斷切換功能，內(nèi)部無任何可動部件[3]。

　　2.5時鐘電路

　　采用時鐘芯片DS1302完成分時記錄電能。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進(jìn)行計時，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器[4]。圖5為DS1302的接線圖。

圖5DS1302電路原理圖

　　2.6按鍵模塊

　　按鍵采用ZLG7289B芯片。ZLG7289B是廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司自行設(shè)計的具有SPI串行接口功能的可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管或64只獨(dú)立LED的智能顯示驅(qū)動芯片。該芯片同時還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣單片即可完成LED顯示﹑鍵盤接口的全部功能。

　　ZLG7289B內(nèi)部含有譯碼器可直接接受BCD碼或16進(jìn)制碼并同時具有2種譯碼方式此外還具有多種控制指令如消隱﹑閃爍﹑左移﹑右移﹑段尋址等

　　ZLG7289B具有片選信號可方便地實現(xiàn)多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口，常用于各種儀表的輸入，可以方便的擴(kuò)展輸入功能。其典型應(yīng)用原理圖[5]如圖6.

圖6ZLG7289B典型應(yīng)用電路原理圖

　　2.7液晶顯示模塊

　　液晶采用OCMJ4X8C圖形漢字兩用液晶，體積小，地重量輕。接口電路簡單，可以直接和單片機(jī)連接，顯示內(nèi)容豐富。既節(jié)約IO口，又可以實現(xiàn)友好的人機(jī)顯示界面。此模塊通過主機(jī)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸。

　　2.8系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計主要用于完成：人機(jī)界面設(shè)置，繼電器控制報警，CS5463轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的處理及液晶顯示，打印機(jī)的輸出控制，實時時鐘芯片控制等，增強(qiáng)儀表的智能化。本系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示，電參數(shù)測量流程圖如圖8所示：

三、原理分析與計算 

圖9 CS5463內(nèi)部數(shù)據(jù)測量流程圖

      圖9為CS5463內(nèi)部數(shù)據(jù)測量流程圖。根據(jù)CS5463芯片手冊的公式^[2]：

四、誤差分析及解決措施 

1. 誤差分析：

      （1）由于芯片內(nèi)部相對于電源的參考電源線電壓和線電流之間存在誤差，影響所測值的準(zhǔn)確度。

      （2）電網(wǎng)信號的波動比較大，且互感器的變比不精確，影響電參量

精度。

      （3）電壓和電流互感器及加到電壓/電流傳感器網(wǎng)絡(luò)前端的其它傳感器/濾波器/保護(hù)器件經(jīng)常會引入相位延遲，破壞被測電壓和電流信號的相位關(guān)系，影響參數(shù)精度^[6]。

2. 解決措施：

      （1）在系統(tǒng)運(yùn)行前，先經(jīng)過校驗，得出零點(diǎn)偏移，滿量程偏移和溫漂等，利用CS5463內(nèi)部的校準(zhǔn)寄存器對測量參數(shù)進(jìn)行修正。

      （2）通過前端輸入濾波，減小諧波影響，同時開通集成芯片內(nèi)部的濾波通道，提高抗干擾能力。

      （3）通過前期校驗，得出相位補(bǔ)償系數(shù)，輸入集成芯片內(nèi)部進(jìn)行補(bǔ)償。

五、總結(jié)

      本系統(tǒng)以高性能的集成功率測量芯片為核心，通過SPCE061A完成控制和友好的人機(jī)交互功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可實用性。CS5463具有高精度的測量性能，同時集成了有效值、有功功率、頻率、功率因數(shù)等比較完整的測量功能。另外通過SPCE061A單片機(jī)擴(kuò)展了語音播報功能和打印機(jī)輸出功能。  

作者簡介：

付偉（1986.9-） 男，山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：計算機(jī)先進(jìn)控制系統(tǒng)與圖像處理。

董敏亞（1988.6-） 男，山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：系統(tǒng)工程。

張連生（1985.12-） 男，山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：計算機(jī)先進(jìn)控制系統(tǒng)。

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