基于單片機(jī)的數(shù)字功率計(jì)的設(shè)計(jì)

1、-. z.基于單片機(jī)的數(shù)字功率計(jì)的設(shè)計(jì) 魏金靈來(lái)源：科學(xué)與財(cái)富2016年第19期摘 要：第三次產(chǎn)業(yè)革命以來(lái)，科學(xué)技術(shù)迅猛開(kāi)展，伴隨著科技的開(kāi)展，人民生活水平顯著提高。從而導(dǎo)致生產(chǎn)生活中的用電量在大幅提升，能源供應(yīng)矛盾突出。所以在生活中及時(shí)準(zhǔn)確的掌握設(shè)備的用電量更加利于我們節(jié)約能源。本系統(tǒng)主要有主控電路和功率計(jì)量電路兩局部組成。主控電路的任務(wù)是完成功率計(jì)算、電量累計(jì)、按鍵監(jiān)測(cè)、顯示以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘等操作，采用宏晶科技的STC12C5A60S2芯片，功率計(jì)量電路采用的是ADE7755，是美國(guó)AD公司推出的高精度電能測(cè)量集成芯片。軟件局部，主要采用C語(yǔ)言編程，使程序模塊化，更方便系統(tǒng)管理。關(guān)鍵詞：ADE

2、7755 ；STC12C5A60S2芯片；功率一、引言在*種意義上講，能源就是人類(lèi)活動(dòng)的根本性物質(zhì)根底，觸及到人類(lèi)生產(chǎn)生活的方方面面。人類(lèi)的文明開(kāi)展史就是一部能源的變遷史。在當(dāng)今世界，我們所使用的各種能源，大局部來(lái)源于不可再生的化石能源?，F(xiàn)如今，能源與環(huán)境突出的矛盾是全世界、全人類(lèi)共同關(guān)心的問(wèn)題。我國(guó)人口眾多，資源相對(duì)擁有量低，加上最近三十年的快速開(kāi)展，能源問(wèn)題更加突出。由于現(xiàn)代電子技術(shù)逐漸趨于成熟，各種電子元器件的性能參數(shù)也越來(lái)越完善?；趩纹瑱C(jī)控制的各種電子數(shù)字化測(cè)量?jī)x器相比于傳統(tǒng)的儀器儀表表現(xiàn)出更多的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)如今，DSM功率電能測(cè)量技術(shù)也得到了深入的研究并被普遍采用，因此全面、系統(tǒng)地研究

3、DSM的原理誤差和儀器誤差就顯得非常重要。二、系統(tǒng)方案確定1、系統(tǒng)根本原理本設(shè)計(jì)的功率計(jì)通過(guò)采集用電設(shè)備的電壓和電流數(shù)值來(lái)?yè)Q算設(shè)備的功率，主要由以下6個(gè)局部組成，分別是電壓采集模塊、電流采集模塊、主控模塊、顯示模塊、人機(jī)互動(dòng)模塊、電源模塊。功率計(jì)測(cè)量的電源為交流電源，電壓的幅值是瞬間變化的，控制器對(duì)于這種瞬間變化的功率的統(tǒng)計(jì)是存在難度的，所以在功率的測(cè)量中采用電能計(jì)量芯片來(lái)完成，即簡(jiǎn)化了工作量又保證了測(cè)量的精度。由電能計(jì)量芯片完成功率的測(cè)量后再輸出給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)算法換算之后，得到功率的數(shù)值并顯示在液晶顯示器上。2、方案確立本系統(tǒng)中采用宏晶科技的STC12C5A60S2單片機(jī)作為電路的主控

4、芯片，結(jié)合電能計(jì)量芯片ADE7755完成測(cè)量功率的功能。ADE7755電能計(jì)量芯片完成對(duì)電壓電流的實(shí)時(shí)采樣，并將得到的電壓電流值相乘得到功率，計(jì)算出有效值、有功功率、無(wú)功功率等。計(jì)算結(jié)果以脈沖的形式輸出給單片機(jī)，單片機(jī)完成功率的換算和顯示。電路的整體框圖如下列圖所示：三、硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中主要有以下幾個(gè)模塊組成，下面詳細(xì)介紹各局部的功能。1、單片機(jī)主控局部本設(shè)計(jì)中采用了宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)。宏晶科技是51單片機(jī)全球第一的品牌，在51單片機(jī)領(lǐng)域擁有先進(jìn)的技術(shù)和領(lǐng)先的地位。這款單片機(jī)功能雖然是8位51單片機(jī)，但功能強(qiáng)大，由于是1T單片機(jī)運(yùn)算速度是普通51單片機(jī)的12倍，含有兩

5、個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器、8路10位ADC、兩路PWM、兩個(gè)外部中斷、512字節(jié)的EEPROM等資源。2、電能計(jì)量芯片局部本設(shè)計(jì)中電能計(jì)量芯片采用ADI公司生產(chǎn)的ADE7755芯片，這是一款適用于單相配電系統(tǒng)的高精度電能計(jì)量IC。通過(guò)采樣電壓和電流，它可提供瞬時(shí)有功功率和平均有功功率。為了增加計(jì)算穩(wěn)定性和精度，ADE7755芯片中除了采樣中需要用到的模數(shù)轉(zhuǎn)化和參考電壓電路，所有其它信號(hào)處理例如乘法和濾波都是在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)的。這種信號(hào)處理方法大大提高了穩(wěn)定性和精度，增加了抗外界干擾的能力。ADE7755芯片既可以輸出有功功率平均值，又可以輸出有功功率瞬時(shí)值。芯片的輸出引腳有較大的驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)度器或微

6、控制器MCU接口。有功功率平均值可以通過(guò)ADE7755的引腳24和23引腳得到，有功功率瞬時(shí)值頻率較高，從引腳22輸出，用于效驗(yàn)與MCU接口。ADE7755芯片內(nèi)部為了實(shí)現(xiàn)電壓和電流的相位始終是匹配的參加了相位匹配電路。1電流取樣電路ADE7755電流取樣電路采樣設(shè)備的電流，并通過(guò)微小的錳銅絲電阻變成變化的電壓輸送給芯片的電流通道電路中。芯片的電流通道內(nèi)部電路是由一個(gè)可編程的運(yùn)算放大器組成。電流采樣電壓在輸入給芯片之前做一個(gè)低通濾波處理，這局部電路由R1、R2 、R3、R4和C1、C3組成 ，用來(lái)濾除電流信號(hào)中的高頻分量。2電壓取樣電路ADE7755電壓取樣電路采至負(fù)載上的工作電壓，由于電壓一

7、般是220V交流電壓，不能直接輸入給芯片。所以一般通過(guò)電阻的分壓，使采樣電壓信號(hào)處于芯片的電壓通道工作的*圍內(nèi)變化?？紤]到功率表在實(shí)際工作環(huán)境中由于多種原因可能引起的誤差，本系統(tǒng)在負(fù)載的取樣電壓的衰減網(wǎng)絡(luò)中，參加了一個(gè)反應(yīng)電路用來(lái)調(diào)整分壓的電阻，從而使取樣電壓信號(hào)處于芯片電壓通道的最正確工作區(qū)間。本局部電路的調(diào)整增加了電壓采樣的精度和穩(wěn)定度，增加了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3電能計(jì)量電路電能計(jì)量電路由電壓采樣電路、電流采樣電路和芯片 ADE7755 及其外圍電路組成。芯片ADE7755通過(guò)采樣負(fù)載上的電流和電壓信號(hào)來(lái)計(jì)算負(fù)載的功率。 芯片ADE7755計(jì)算出的有功功率經(jīng)引腳 CF端輸出，接入到單片機(jī)S

8、TC12C5A60S2的P3.2外部中斷口。單片機(jī)統(tǒng)計(jì)外部中斷口的脈沖信號(hào)，再根據(jù)芯片ADE7755的原理，計(jì)算出負(fù)載上的功率。3、LCD12864液晶顯示電路模塊液晶顯示模塊的優(yōu)點(diǎn)從多，本系統(tǒng)中的顯示模塊就是采用12864這款液晶顯示器。這款液晶顯示器內(nèi)部自帶字庫(kù)，操作簡(jiǎn)單方便，提供串并行兩種操作方式。DM12864M是漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形。4、人機(jī)互動(dòng)接口鍵盤(pán)接口電路是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要的一環(huán)，作為人機(jī)交互界面里最常用的輸入設(shè)備。我們可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)或命令來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)通信。本設(shè)計(jì)中采用三個(gè)獨(dú)立的按鍵作為人機(jī)互動(dòng)電路。5、電源模塊本系統(tǒng)采用直流12V電源供電

9、，在電路中由于單片機(jī)等電路的供電都是采用5V電壓，所以需要一個(gè)12V轉(zhuǎn)5V的過(guò)程。四、程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中主要應(yīng)用到單片機(jī)的定時(shí)器、外部中斷、EEPROM等資源。單片機(jī)外部中斷讀取來(lái)之ADE7755芯片的有功功率瞬時(shí)脈沖信號(hào)，并將脈沖信號(hào)換算成有功功率顯示在液晶顯示器上，同時(shí)讀取來(lái)至按鍵的輸入信號(hào)，并作出相應(yīng)的顯示。一上電單片機(jī)首先為電能計(jì)量做準(zhǔn)備，如單片機(jī)的定時(shí)器初始化、單片機(jī)外部中斷初始化以及液晶顯示電路的初始化。當(dāng)單片機(jī)外部中斷得到來(lái)至ADE7755芯片的脈沖后換算成功率，如果功率值超出系統(tǒng)的最大功率測(cè)量*圍，系統(tǒng)通過(guò)繼電器將整個(gè)系統(tǒng)斷電保護(hù)。如果功率值在功率計(jì)的測(cè)量*圍內(nèi)，將功率值顯示在液

10、晶顯示器上。當(dāng)有按鍵輸入信號(hào)判斷按鍵操作，并在液晶上做出相應(yīng)的顯示指示，判斷不同的修改操作，并將修改值保存在單片機(jī)的EEPROM中。當(dāng)再次對(duì)功率做出計(jì)算的時(shí)候調(diào)用相應(yīng)的參數(shù)。執(zhí)行完每個(gè)步驟，最后返回到開(kāi)場(chǎng)重新執(zhí)行命令。相應(yīng)的程序流程圖如下列圖所示。五、電路調(diào)試1.電流取樣電路不能成功的取出采樣信號(hào)解決方案1：采用霍爾的電流傳感器。解決方案2：采用更準(zhǔn)確的分流電阻，分流電阻采用錳銅合金組成，據(jù)公式：可得500微歐電阻.2.電源參數(shù)測(cè)定：由于電網(wǎng)的脈沖波動(dòng)，電源參數(shù)測(cè)定比擬困難。為了解決這個(gè)問(wèn)題在負(fù)載的電源中并聯(lián)1 個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的壓敏電阻。壓敏電阻的阻值隨負(fù)載的電壓變化阻值發(fā)生變化。當(dāng)電網(wǎng)電壓過(guò)高時(shí)，壓敏電阻組成一個(gè)低阻抗分路，從而阻止負(fù)載兩端的電壓進(jìn)一步升高。壓敏電阻的參數(shù)設(shè)計(jì)如圖11所示，先求出電網(wǎng)的開(kāi)路電壓U0C 和短路電流ISC ，據(jù)此畫(huà)出電網(wǎng)負(fù)載線，兩條曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓電流就是MOV 的箝位電壓和電流。參考文獻(xiàn)1 *亞君、陳龍.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教程.：郵電學(xué)院，2008.2 胡學(xué)海.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).*：電子工業(yè)，2005.3 楊春玲.可編程邏輯器件應(yīng)用實(shí)踐.*：*工業(yè)大學(xué)，2008.4 *利.液晶顯示原理