單相電力儀表的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

　　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(cè)量芯片為架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)參數(shù)的精確測(cè)量，主要功能包括測(cè)量電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率、有功電能、無(wú)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)I不境下準(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(cè)、遙控與遙調(diào)的能力。

　　1.單片機(jī)及測(cè)量芯片的選型

　　PIC系列單片機(jī)是美國(guó)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)。PlC18F46K22是其8位單片機(jī)中的高端產(chǎn)品，具有32KROM，4KRAM，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)△∑模一數(shù)轉(zhuǎn)換器、功率計(jì)算器、電…Il頻率轉(zhuǎn)換器和一個(gè)串行接口的完整的電能測(cè)量芯片。它可以精確測(cè)量瞬時(shí)電壓、電流和計(jì)算lRMS、VRMS、瞬時(shí)功率、有功功率、無(wú)功功率、電能，常用于研制開(kāi)發(fā)單相電表。因此選擇其作為電…I』量芯片。

　　2.接口電路設(shè)計(jì)

　　2.1信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

　　(1)電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

　　電壓檢測(cè)采用電阻分壓的形式，通過(guò)4只620KQ的大電阻和2個(gè)390~/電阻串聯(lián)對(duì)交流電進(jìn)行分壓，在2個(gè)3900電阻的連接點(diǎn)接地，得到對(duì)稱于地電位的一對(duì)正負(fù)電壓VlN+和VIN一，幅值約O.1V，即如果VIN+=+50mY，則VIN一1—50mY。再分別通過(guò)雙向二極管鉗位(防止過(guò)壓等損壞芯片)，阻容濾波后，送至測(cè)量芯片的電壓差分輸入端VIN+和VIN一。CS5463的差分輸入端能夠識(shí)別這樣低于OV的信號(hào)，這與普通AD芯片區(qū)別是比較大的。

　　(2)電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

　　在電流檢測(cè)中使用了電流互感器，能夠隔離電網(wǎng)強(qiáng)電信號(hào)，使用采樣電阻和濾波電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。電流互感器將大電流5A轉(zhuǎn)換為2.5mA，在5lQ采樣電阻上得到約O.1V的電壓信號(hào)，再通過(guò)2個(gè)1KQ電阻串聯(lián)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行分壓，在2個(gè)lKQ電阻的連接點(diǎn)接地，得到對(duì)稱于地電位的一對(duì)負(fù)電壓lIN+和llN一，再分別通過(guò)雙向二極管鉗位，阻容濾波后，將信號(hào)送至測(cè)量芯片的電流差分輸入端。

　　2.2信號(hào)測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

　　CS5463內(nèi)部集成度高，外圍電路簡(jiǎn)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(dòng)完成，用戶只需將相關(guān)通信引腳連接至單片機(jī)對(duì)單片機(jī)編程即可。

　　芯片的VIN+和VIN一為電壓信號(hào)輸入，IlN+和llN.為電流信號(hào)輸入，將上述引腳分別接電壓、電流檢測(cè)電路。

　　芯片的SCLK為時(shí)鐘信號(hào)，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，El為有功電能脈沖輸出，E3為無(wú)功電能脈;中輸出，將上述引腳接單片機(jī)的10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(kāi)關(guān)電源lC，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(méi)有問(wèn)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(guò)78L05穩(wěn)壓后得到+5V、AGND，用于通訊隔離。

　　2.4 485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(guò)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(guò)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。

　　2.5 4-20mA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(hào)通過(guò)光耦隔離輸出，DA芯片輸出的信號(hào)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(hào)。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TMI?21芯片，驅(qū)動(dòng)段位式液晶顯示器。數(shù)宇量Dl輸入采用光耦LTV356隔離。繼電器輸出采用三極管8050驅(qū)動(dòng)，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(lái)。能獨(dú)立應(yīng)用于高低壓開(kāi)關(guān)柜、交流盤、儀表控制盤、UPS等任何需要電量測(cè)量和顯示的場(chǎng)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?？赡苊婷婢愕降貙?duì)實(shí)際項(xiàng)目的各個(gè)方面進(jìn)行透徹地研究和分析，尚有一些工作還需要進(jìn)一步的展開(kāi)和完善。

　　7.結(jié)束語(yǔ)

　　由以上分析可知，采用步進(jìn)控制可以滿足切紙精度的要求，操作自動(dòng)化，減少了人工操作，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

　　使用注意事項(xiàng)：

　　l、適合環(huán)境溫度一25～70。C，濕度85%以下使用。

　　2、注意防止震動(dòng)和沖擊。

　　3、不要在有灰塵，對(duì)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(chǎng)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(qǐng)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(hào)線應(yīng)盡量的短，通常情況下，建議使用雙絞線或屏蔽線。