基于单片机的数字功率计的设计.doc

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基于单片机的数字功率计的设计 魏金灵来源：?科学与财富?2016年第19期
        摘 要：第三次产业革命以来，科学技术迅猛开展，伴随着科技的开展，人民生活水平显著提高。从而导致生产生活中的用电量在大幅提升，能源供应矛盾突出。所以在生活中及时准确的掌握设备的用电量更加利于我们节约能源。
        本系统主要有主控电路和功率计量电路两局部组成。主控电路的任务是完成功率计算、电量累计、按键监测、显示以及实时时钟等操作，采用宏晶科技的STC12C5A60S2芯片，功率计量电路采用的是ADE7755，是美国AD公司推出的高精度电能测量集成芯片。软件局部，主要采用C语言编程，使程序模块化，更方便系统管理。
        关键词：ADE7755 ；STC12C5A60S2芯片；功率
        一、引言
        在某种意义上讲，能源就是人类活动的根本性物质根底，触及到人类生产生活的方方面面。人类的文明开展史就是一部能源的变迁史。在当今世界，我们所使用的各种能源，大局部来源于不可再生的化石能源。现如今，能源与环境突出的矛盾是全世界、全人类共同关心的问题。我国人口众多，资源相对拥有量低，加上最近三十年的快速开展，能源问题更加突出。
        由于现代电子技术逐渐趋于成熟，各种电子元器件的性能参数也越来越完善。基于单片机控制的各种电子数字化测量仪器相比于传统的仪器仪表表现出更多的优势。现如今，DSM功率电能测量技术也得到了深入的研究并被普遍采用，因此全面、系统地研究DSM的原理误差和仪器误差就显得非常重要。
        二、系统方案确定
        1、系统根本原理
        本设计的功率计通过采集用电设备的电压和电流数值来换算设备的功率，主要由以下6个局部组成，分别是电压采集模块、电流采集模块、主控模块、显示模块、人机互动模块、电源模块。功率计测量的电源为交流电源，电压的幅值是瞬间变化的，控制器对于这种瞬间变化的功率的统计是存在难度的，所以在功率的测量中采用电能计量芯片来完成，即简化了工作量又保证了测量的精度。由电能计量芯片完成功率的测量后再输出给单片机，单片机通过算法换算之后，得到功率的数值并显示在液晶显示器上。
        2、方案确立
        本系统中采用宏晶科技的STC12C5A60S2单片机作为电路的主控芯片，结合电能计量芯片ADE7755完成测量功率的功能。ADE7755电能计量芯片完成对电压电流的实时采样，并将得到的电压电流值相乘得到功率，计算出有效值、有功功率、无功功率等。计算结果以脉冲的形式输出给单片机，单片机完成功率的换算和显示。电路的整体框图如下列图所示：
        三、硬件设计
        本设计中主要有以下几个模块组成，下面详细介绍各局部的功能。
        1、单片机主控局部
        本设计中采用了宏晶科技生产的STC12C5A60S2单片机。宏晶科技是51单片机全球第一的品牌，在51单片机领域拥有先进的技术和领先的地位。这款单片机功能虽然是8位51单片机，但功能强大，由于是1T单片机运算速度是普通51单片机的12倍，含有两个定时计数器、8路10位ADC、两路PWM、两个外部中断、512字节的EEPROM等资源。
        2、电能计量芯片局部
        本设计中电能计量芯片采用ADI公司生产的ADE7755芯片，这是一款适用于单相配电系统的高精度电能计量IC。通过采样电压和电流，它可提供瞬时有功功率和平均有功功率。为了增加计算稳定性和精度，ADE7755芯片中除了采样中需要用到的模数转化和参考电压电路，所有其它信号处理〔例如乘法和滤波〕都是在数字域实现的。这种信号处理方法大大提高了稳定性和精度，增加了抗外界干扰的能力。
        ADE7755芯片既可以输出有功功率平均值，又可以输出有功功率瞬时值。芯片的输出引脚有较大的驱动能力，驱动机电式计度器或微控制器〔MCU〕接口。有功功率平均值可以通过ADE7755的引脚24和23引脚得到，有功功率瞬时值频率较高，从引脚22输出，用于效验与MCU接口。ADE7755芯片内部为了实现电压和电流的相位始终是匹配的参加了相位匹配电路。
        〔1〕电流取样电路
        ADE7755电流取样电路采样设备的电流，并通过微小的锰铜丝电阻变成变化的电压输送给芯片的电流通道电路中。芯片的电流通道内部电路是由一个可编程的运算放大器组成。电流采样电压在输入给芯片之前做一个低通滤波处理，这局部电路由R1、R2 、R3、R4和C1、C3组成 ，用来滤除电流信号中的高频分量。
        〔2〕电压取样电路
        ADE7755电压取样电路采至负载上的工作电压，由于电压一般是220V交流电压，不能直接输入给芯片。所以一般通过电阻的分压，使采样电压信号处于芯片的电压通道工作的X围内变化。考虑到功率表在实际工作环境中由于多种原因可能引起的误差，本系统在负载的取样电压的衰减网络中，参加了一个反应电路用来调整分压的电阻，从而使取样电压信号处于芯片电压通道的最正确工作区间。本局部电路的调整增加了电压采样的精度和稳定度，增加了整个系统的稳定性。
        〔3〕电能计量电路
        电能计量电路由电压采样电路、电流采样电路和芯片 ADE7755 及其外围电路组成。芯片ADE7755通过采样负载上的电流和电压信号来计算负载的功率。 芯片ADE7755计算出的有功功率经引脚 CF端输出，接入到单片机STC12C5A60S2的P3.2外部中断口。单片机统计外部中断口的脉冲信号，再根据芯片ADE7755的原理，计算出负载上的功率。
        3、LCD12864液晶显示电路模块
        液晶显示模块的优点从多，本系统中的显示模块就是采用12864这款液晶显示器。这款液晶显示器内部自带字库，操作简单方便，提供串并行两种操作方式。DM12864M是汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形。
        4、人机互动接口
        键盘接口电路是单片机系统设计非常重要的一环，作为人机交互界面里最常用的输入设备。我们可以通过键盘输入数据或命令来实现简单的人机通信。本设计中采用三个独立的按键作为人机互动电路。
        5、电源模块
        本系统采用直流12V电源供电，在电路中由于单片机等电路的供电都是采用5V电压，所以需要一个12V转5V的过程。
        四、程序设计
        本系统中主要应用到单片机的定时器、外部中断、EEPROM等资源。单片机外部中断读取来之ADE7755芯片的有功功率瞬时脉冲信号，并将脉冲信号换算成有功功率显示在液晶显示器上，同时读取来至按键的输入信号，并作出相应的显示。
        一上电单片机首先为电能计量做准备，如单片机的定时器初始化、单片机外部中断初始化以及液晶显示电路的初始化。当单片机外部中断得到来至ADE7755芯片的脉冲后换算成功率，如果功率值超出系统的最大功率测量X围，系统通过继电器将整个系统断电保护。如果功率值在功率计的测量X围内，将功率值显示在液晶显示器上。
        当有按键输入信号判断按键操作，并在液晶上做出相应的显示指示，判断不同的修改操作，并将修改值保存在单片机的EEPROM中。当再次对功率做出计算的时候调用相应的参数。执行完每个步骤，最后返回到开场重新执行命令。相应的程序流程图如下列图所示。
        五、电路调试
        1.电流取样电路不能成功的取出采样信号
        解决方案1：采用霍尔的电流传感器。
        解决方案2：采用更准确的分流电阻，分流电阻采用锰铜合金组成，据公式：
        可得500微欧电阻.
        2.电源参数测定：
        由于电网的脉冲波动，电源参数测定比拟困难。为了解决这个问题在负载的电源中并联1 个负温度系数的压敏电阻。压敏电阻的阻值随负载的电压变化阻值发生变化。当电网电压过高时，压敏电阻组成一个低阻抗分路，从而阻止负载两端的电压进一步升高。压敏电阻的参数设计如图11所示，先求出电网的开路电压U0C 和短路电流ISC ，据此画出电网负载线，两条曲线的交点所对应的电压电流就是MOV 的箝位电压和电流。
        参考文献
        [1] X亚君、陈龙.数字电路与逻辑设计实验教程.：邮电学院，2008.
        [2] 胡学海.单片机原理及应用系统设计.XX：电子工业，2005.
        [3] 杨春玲.可编程逻辑器件应用实践.XX：XX工业大学，2008.
        [4] X利.液晶显示原理.XX：电子工业，2002.
        [5] 李宏X家田.液晶显示器件应用技术.：机械工业，2004.
        [6] 朱大奇等.单片机原理串口及应用.XX：XX大学，2003.
        [7] X瑞新、赵全利等.单片机原理及应用教程.：机械工业，2003.
        [8] 林明权.VHDL数字控制系统设计X例.：电子工业，2003.
        [9] 夏路易等.电路原理图与电路板设计教程.：希望电子，2003.

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