基于單片機的數(shù)字功率計的設(shè)計

1、-. z.基于單片機的數(shù)字功率計的設(shè)計 魏金靈來源：科學(xué)與財富2016年第19期摘 要：第三次產(chǎn)業(yè)革命以來，科學(xué)技術(shù)迅猛開展，伴隨著科技的開展，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。所以在生活中及時準確的掌握設(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量電路兩局部組成。主控電路的任務(wù)是完成功率計算、電量累計、按鍵監(jiān)測、顯示以及實時時鐘等操作，采用宏晶科技的STC12C5A60S2芯片，功率計量電路采用的是ADE7755，是美國AD公司推出的高精度電能測量集成芯片。軟件局部，主要采用C語言編程，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，能源就是人類活動的根本性物質(zhì)根底，觸及到人類生產(chǎn)生活的方方面面。人類的文明開展史就是一部能源的變遷史。在當今世界，我們所使用的各種能源，大局部來源于不可再生的化石能源。現(xiàn)如今，能源與環(huán)境突出的矛盾是全世界、全人類共同關(guān)心的問題。我國人口眾多，資源相對擁有量低，加上最近三十年的快速開展，能源問題更加突出。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)也越來越完善。基于單片機控制的各種電子數(shù)字化測量儀器相比于傳統(tǒng)的儀器儀表表現(xiàn)出更多的優(yōu)勢?，F(xiàn)如今，DSM功率電能測量技術(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)計的功率計通過采集用電設(shè)備的電壓和電流數(shù)值來換算設(shè)備的功率，主要由以下6個局部組成，分別是電壓采集模塊、電流采集模塊、主控模塊、顯示模塊、人機互動模塊、電源模塊。功率計測量的電源為交流電源，電壓的幅值是瞬間變化的，控制器對于這種瞬間變化的功率的統(tǒng)計是存在難度的，所以在功率的測量中采用電能計量芯片來完成，即簡化了工作量又保證了測量的精度。由電能計量芯片完成功率的測量后再輸出給單片機，單片機通過算法換算之后，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單片機作為電路的主控

4、芯片，結(jié)合電能計量芯片ADE7755完成測量功率的功能。ADE7755電能計量芯片完成對電壓電流的實時采樣，并將得到的電壓電流值相乘得到功率，計算出有效值、有功功率、無功功率等。計算結(jié)果以脈沖的形式輸出給單片機，單片機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)計本設(shè)計中主要有以下幾個模塊組成，下面詳細介紹各局部的功能。1、單片機主控局部本設(shè)計中采用了宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機。宏晶科技是51單片機全球第一的品牌，在51單片機領(lǐng)域擁有先進的技術(shù)和領(lǐng)先的地位。這款單片機功能雖然是8位51單片機，但功能強大，由于是1T單片機運算速度是普通51單片機的12倍，含有兩

5、個定時計數(shù)器、8路10位ADC、兩路PWM、兩個外部中斷、512字節(jié)的EEPROM等資源。2、電能計量芯片局部本設(shè)計中電能計量芯片采用ADI公司生產(chǎn)的ADE7755芯片，這是一款適用于單相配電系統(tǒng)的高精度電能計量IC。通過采樣電壓和電流，它可提供瞬時有功功率和平均有功功率。為了增加計算穩(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值。芯片的輸出引腳有較大的驅(qū)動能力，驅(qū)動機電式計度器或微

6、控制器MCU接口。有功功率平均值可以通過ADE7755的引腳24和23引腳得到，有功功率瞬時值頻率較高，從引腳22輸出，用于效驗與MCU接口。ADE7755芯片內(nèi)部為了實現(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)部電路是由一個可編程的運算放大器組成。電流采樣電壓在輸入給芯片之前做一個低通濾波處理，這局部電路由R1、R2 、R3、R4和C1、C3組成 ，用來濾除電流信號中的高頻分量。2電壓取樣電路ADE7755電壓取樣電路采至負載上的工作電壓，由于電壓一

7、般是220V交流電壓，不能直接輸入給芯片。所以一般通過電阻的分壓，使采樣電壓信號處于芯片的電壓通道工作的*圍內(nèi)變化?？紤]到功率表在實際工作環(huán)境中由于多種原因可能引起的誤差，本系統(tǒng)在負載的取樣電壓的衰減網(wǎng)絡(luò)中，參加了一個反應(yīng)電路用來調(diào)整分壓的電阻，從而使取樣電壓信號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，增加了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3電能計量電路電能計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通過采樣負載上的電流和電壓信號來計算負載的功率。 芯片ADE7755計算出的有功功率經(jīng)引腳 CF端輸出，接入到單片機S

8、TC12C5A60S2的P3.2外部中斷口。單片機統(tǒng)計外部中斷口的脈沖信號，再根據(jù)芯片ADE7755的原理，計算出負載上的功率。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，操作簡單方便，提供串并行兩種操作方式。DM12864M是漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形。4、人機互動接口鍵盤接口電路是單片機系統(tǒng)設(shè)計非常重要的一環(huán)，作為人機交互界面里最常用的輸入設(shè)備。我們可以通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令來實現(xiàn)簡單的人機通信。本設(shè)計中采用三個獨立的按鍵作為人機互動電路。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等電路的供電都是采用5V電壓，所以需要一個12V轉(zhuǎn)5V的過程。四、程序設(shè)計本系統(tǒng)中主要應(yīng)用到單片機的定時器、外部中斷、EEPROM等資源。單片機外部中斷讀取來之ADE7755芯片的有功功率瞬時脈沖信號，并將脈沖信號換算成有功功率顯示在液晶顯示器上，同時讀取來至按鍵的輸入信號，并作出相應(yīng)的顯示。一上電單片機首先為電能計量做準備，如單片機的定時器初始化、單片機外部中斷初始化以及液晶顯示電路的初始化。當單片機外部中斷得到來至ADE7755芯片的脈沖后換算成功率，如果功率值超出系統(tǒng)的最大功率測量*圍，系統(tǒng)通過繼電器將整個系統(tǒng)斷電保護。如果功率值在功率計的測量*圍內(nèi)，將功率值顯示在液

10、晶顯示器上。當有按鍵輸入信號判斷按鍵操作，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的EEPROM中。當再次對功率做出計算的時候調(diào)用相應(yīng)的參數(shù)。執(zhí)行完每個步驟，最后返回到開場重新執(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解決方案1：采用霍爾的電流傳感器。解決方案2：采用更準確的分流電阻，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)測定：由于電網(wǎng)的脈沖波動，電源參數(shù)測定比擬困難。為了解決這個問題在負載的電源中并聯(lián)1 個負溫度系數(shù)的壓敏電阻。壓敏電阻的阻值隨負載的電壓變化阻值發(fā)生變化。當電網(wǎng)電壓過高時，壓敏電阻組成一個低阻抗分路，從而阻止負載兩端的電壓進一步升高。壓敏電阻的參數(shù)設(shè)計如圖11所示，先求出電網(wǎng)的開路電壓U0C 和短路電流ISC ，據(jù)此畫出電網(wǎng)負載線，兩條曲線的交點所對應(yīng)的電壓電流就是MOV 的箝位電壓和電流。參考文獻1 *亞君、陳龍.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計實驗教程.：郵電學(xué)院，2008.2 胡學(xué)海.單片機原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計.*：電子工業(yè)，2005.3 楊春玲.可編程邏輯器件應(yīng)用實踐.*：*工業(yè)大學(xué)，2008.4 *利.液晶顯示原理