基于計量芯片ADE7758的三相多功能電表設(shè)計(精)

1、技術(shù)與應(yīng)用基于計量芯片ADE7758的三相多功能電表設(shè)計杜欣慧王茜(太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，太原 030024)摘要利用Analog公司2005年生產(chǎn)的電能計量專用芯片 ADE7758設(shè)計一個三相 電能表，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，控制性能靈活且性價比高。本文闡述了基于ADE7758和STC89C52的電表的整體設(shè)計及工作原理，重點講述ADE7758電能計量芯片的外圍設(shè)計以及與STC89C52的通信連接。使用模塊化思想和嵌套方法分別對硬 件進(jìn)行設(shè)計、對軟件進(jìn)行編程。關(guān)鍵詞：ADE7758 ;電能表；數(shù)據(jù)采集；SPIThe Desig n of Multi-Fu nctio nal Po wer M

2、eter Based on ADE7758Du Xi nhui Wang Qia n(School if Electrical and Dyn amical Engin eeri ng of Taiyua n Un iversity ofTechn ology, Taiyuan 030024)Abstract The three-p hase watt-hour meter is desig ned based on the electric en ergy test ing chip ADE7758 which is p roduced by An alog at 2005. It has

3、some adva ntages such as data collecti on accuracy, con trol flexibility and cost-effective. This paper details the whole desig ned of po wer meter and its work ing princip le, focus ing on the perip heral circuits of ADE7758 and its serial com muni cati on with STC89C52. Block ing desig n idea and

4、n ested method had bee n con sidered in hardware desig ning and software p rogram ming.Key words： ADE7758 ； po wer meter； data collect ion； SPI隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力供應(yīng)呈現(xiàn)緊張局面，論文采用芯片ADE7758，并配合STC89C52主尤其在沿海地區(qū)，工業(yè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市尤為嚴(yán)峻，控，最終完成 了電表的硬軟件設(shè)計。對電能計量的要求也逐步升高。電子技術(shù)和計算機(jī)1電表量、里,整體方案設(shè)計及工作原理 的高速更新改變了當(dāng)前社會，也使電表的設(shè)計有了 1.1方案設(shè)

5、計 突破性的變化，目前對電表的要求已經(jīng)不再是簡單 本方案所設(shè)計的電能表由電氣參數(shù)檢測、的數(shù)值計量，而是集合了計 自動抄表于STC89C52控制、12864顯示、采集數(shù)據(jù)的存儲、信一體的高科技新技術(shù)產(chǎn)品。貼片式電子元器件及大息通信及外部電源等部分組成，框圖參考圖1所示。規(guī)模集成電路的采用，使得電表自身壽命及準(zhǔn)確度檢測部分以數(shù)字電能表芯片 ADE7758為中心，獲取均有極大提高。美國 AD公 司生產(chǎn)的電能測量集成有功電量、無功電量、電壓、電流、頻率等數(shù)據(jù)，并電路ADE7758，體積小且動態(tài)范圍可達(dá)1000:1，具通過SPI傳至MCU。控制部分以STC89C52為核心，有數(shù)字積分、數(shù)字濾波和 眾多實

6、用電能檢測、計量配以各種外圍芯片，包括實時時鐘、存儲器 AT24C02等功能。研發(fā)者僅僅只需 要將此芯片與 MCU做SPI和高品質(zhì)液晶12864等，微處理器根據(jù)當(dāng)前的電量信通信即可獲得相應(yīng)的計量數(shù) 據(jù)，并且勿需人為干預(yù)，息完成各種參量的計算，并顯示在液晶屏上。通信部大大減輕了設(shè)計人員的負(fù)擔(dān)，更有利于性能的提高，分采用RS485半雙工通信方式，用于向上位機(jī)實時成本的降低。配合現(xiàn)有的通信 技術(shù)便足以實現(xiàn)多種傳送數(shù)據(jù)、編寫程序。供電模塊出于節(jié)能理念，采用應(yīng)用功能，如自動抄表、實 時電價、分時電價、預(yù)高頻電源開關(guān)，以適應(yīng)不同電源電壓環(huán)境。付費(fèi)等。42 2012年第2期電有技術(shù)電弓技術(shù)圖1電表結(jié)構(gòu)框圖1

7、.2電表工作原理美國Analog Devices公司2005年推出的專門用于計量三相電量多功能的 ADE7758芯片是一種具有高精確度的三相電能測量IC,脈沖輸出有兩路，串行口一個。ADE7758集成了數(shù)字積分、溫度敏感元件、基準(zhǔn)參考電壓源等，并包含 各種必需的信號處理電路，如有功功率、復(fù)功率、視在功率、有效值的測量以及 數(shù)字方式校正系統(tǒng)誤差（增益、相位和失調(diào)等）。ADE7758電流采樣通過電流互感器實現(xiàn)，電壓采樣通過分壓電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。采樣 信號經(jīng)信號放大PGA1，PGA2和模數(shù)變換ADC轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字信號，之后， 電流信號經(jīng)電流通道內(nèi)的高通濾波器 HPF濾除DC分量并且數(shù)字積分后，與經(jīng)相L

8、PF2 后DFC后轉(zhuǎn)位校正的電壓信號相乘，產(chǎn)生瞬時功率。瞬時功率信號經(jīng)過低通濾波 分離出平均功率，平均功率在能量累加器中不斷累加，再經(jīng)數(shù)頻轉(zhuǎn)換 換為脈沖輸出。STC89C52通過對脈沖計數(shù)實現(xiàn)能量的計算。2硬件設(shè)計及相應(yīng)注意問題2所示。電流ICN。通過3個2.1采集電路的設(shè)計方法ADE7758有六路模擬信號輸入，可分為電流通路和電壓通道，如圖 通道有3對差分電壓輸入，分別是IAP , IAN ； IBP, IBN ； ICP,電流通道的最大信號電壓為 ).5V。ADE7758具有的單端電壓輸入通道為三路, 分別是VAP、VBP和VCP 1/kiS +1 1T22 45業(yè)工12UULTSCIK

9、IN tsrxisn I AU)AMJU lAP (m ALNI g RHHkLt W2121/t775XvJBS3Uf,計算各相的電壓增益，公式為：Un=Uf(1+VRMSGAIN/4096)，將結(jié)果分別置寄存器。入各相的VRMSGAIN442012年第2期電弓技術(shù)圖5分時段電能計算比如，Un =220V，A 相電壓 Uar=242.6V，則AVRMSGAIN=(Un/Uar-1)x 4096=(220/242.6-1) 4096=-381=oxFE83將VRMSGAIN置入0xFE83，即完成A相電壓增益的校準(zhǔn)。5電表功能系統(tǒng)配置3個按鍵，占用單片機(jī)P2.2- P2.4 口，如圖6所示經(jīng)與

10、門邏輯與采用中 斷方式工作。圖6單片機(jī)按鍵連接電路圖里,可以實現(xiàn)如下功能：查看系統(tǒng)一段時間內(nèi)總的有功功率、無功功率；可采集 瞬時分相電壓、電流、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)并顯示；通過對時間的檢測，可實現(xiàn)電 量參數(shù)的定時存儲，對有功電量分時段計量，達(dá)到多費(fèi)率的功能；按鍵可對時 鐘初值進(jìn)行調(diào)整；對異常事件進(jìn)行中斷記錄。6結(jié)論本文對三相電能測量表進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計，上述的五項功能已在實驗室中實現(xiàn)， 但因山西省目前未實行分時電價，功能三暫時不能應(yīng)用于實際，其余的4項功能均可用于實際。使用ADE7758芯片使電力測量模塊的設(shè)計難度有所簡化，提高 了精度、（下轉(zhuǎn)第48頁）技術(shù)與應(yīng)用示）、手動操作控制畫面、自動參數(shù)設(shè)定畫

11、面、歷史趨勢記錄畫面、報警匯總記 錄畫面等五個部分組成。各畫面間通過按鈕可自由切換。遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件采用組態(tài)軟件 組態(tài)王”開發(fā)。組態(tài)王”是北京亞控公司生產(chǎn)的一款 全中文組態(tài)軟件，編程簡單，使用方便，功能強(qiáng)大，具有較高的性價比。組態(tài)王 把那些需要與之交換數(shù)據(jù)的設(shè)備或程序都作為外部設(shè)備（即下位機(jī)）。外部設(shè)備 包括：PLC、儀表、板卡等，它們一般通過串行口和上位機(jī)交流數(shù)據(jù)。只有在定 義了外部設(shè)備之后，組態(tài)王才能通過I/O變量和它們交換數(shù)據(jù)4。選用計算機(jī)的 COM1經(jīng)MPI電纜與下層進(jìn)行通信，該電纜帶有 RS232/485轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)RS232與RS485標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換。通信速率為 19.2kbit/s，數(shù)

12、據(jù)格式為8n 1。3.3多主 站通信程序設(shè)計如圖2所示，供水自動控制系統(tǒng)采用 RS-485總線構(gòu)建了兩層的分布式控制系 統(tǒng)，中央控制計算機(jī)是整個系統(tǒng)上層的控制中心。下層控制核心為CPU 226除了要與中央控制計算機(jī)實時通信完成數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程控制等功能外，還需要與3臺冷水機(jī)組中的PLC進(jìn)行通信，采集各機(jī)組工作狀態(tài)參數(shù)并對它們進(jìn)行控制。S7系列的PLC提供的網(wǎng)絡(luò)讀寫指令幫助解決了這個難題。網(wǎng)絡(luò)讀指令NETR（Network Read）的作用為初始化通信操作，通過通信端口接收遠(yuǎn)程設(shè)備的數(shù)據(jù) 并保存在表（TBL ）中。網(wǎng)絡(luò)寫指令NETW的作用為初始化通信操作，通過指定 的端口向遠(yuǎn)程設(shè)備寫入表（TBL

13、）中的數(shù)據(jù)。STEP7編程軟件提供了網(wǎng)絡(luò)讀寫指令向?qū)韼椭脩羯删W(wǎng)絡(luò)讀寫程序。在本系 統(tǒng)中，系統(tǒng)綜合控制柜PLC需要與3臺冷水機(jī)組分別通信讀取每臺機(jī)組壓縮機(jī)能 調(diào)閥狀態(tài)，壓縮機(jī)油位開關(guān)、高壓開關(guān)、低壓開關(guān)故障，排氣壓力傳感器、出水 溫度傳感器、吸氣（上接第44頁）壓力傳感器，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等14個開關(guān)量的狀態(tài)，三通閥的開度，起動倒計時 等兩個參數(shù)的數(shù)值；并需要對每臺機(jī)組開、停機(jī)溫度，能調(diào)、出水溫度，吸氣、 排氣壓力，系統(tǒng)及旁通閥開度等10個參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，遠(yuǎn)程本地選擇，開機(jī)及復(fù) 位按鈕等3個開關(guān)進(jìn)行控制。4結(jié)論為了提高供水質(zhì)量，保證充足的水量供應(yīng)和穩(wěn)定的水壓，采用多臺水泵構(gòu)成恒壓供 水控制系統(tǒng)應(yīng)

14、用場合越來越多。因此開發(fā)可靠性高、控制性能好的恒壓供水自動 控制系統(tǒng)具有現(xiàn)實應(yīng)用價值。本文所設(shè)計的供水自動控制系統(tǒng)雖為專門的客戶開 發(fā)，但具有一定的推廣價值。該系統(tǒng)自2007年投入使用以來，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，自動化程度高，使用方便，易于維護(hù)，用戶反響較好。參考文獻(xiàn)1 張萬忠.可編程控制器入門與應(yīng)用實例M.北京:中國電力出版社，2004:1-5.2 倪旻.工業(yè)控制組態(tài)軟件的產(chǎn)品對比及發(fā)展趨勢J.測控技術(shù),2000,19(9):38-40.3 李東濱，王鵬,張開玉.基于組態(tài)王的供水自動控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件設(shè)計J.PLC & FA, 2009(10):77-79. 4任勝杰,周俊華.組態(tài)王在供 水監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用J.電氣時代,2003(9):64-65. 廖常初.PLC編程及應(yīng)用M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:141-143.作者簡介王鵬(1979-)，男，哈爾濱理工大學(xué)教師，講師，碩士，主要從事工業(yè)自動化、EDA等方面的教學(xué)及科研工作。保證了穩(wěn)定性、縮小體積并且降低了成本，順應(yīng)國際市場的需求，極具有推廣價值。參考文獻(xiàn)I 王春光，曾國紅.AD71056基于LPC921的電能表設(shè)計J.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2007(10):54-56. 2儀表技術(shù)編輯部