《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于單片機(jī)的電量參數(shù)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)
摘要: 本系統(tǒng)包括前端處理網(wǎng)絡(luò)、繼電器斷電控制電路、電參量測(cè)量模塊、單片機(jī)鍵盤(pán)及顯示電路等模塊,,可以實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)的電壓有效值、電流有效值、有功功率,、電能、功率因數(shù)和頻率等的測(cè)量,,同時(shí)完成各電參量的LCD實(shí)時(shí)顯示,,大電流檢測(cè)報(bào)警及電能不足報(bào)警。SPCE061A單片機(jī)主要用于控制LCD顯示各電參量,,由鍵盤(pán)輸入設(shè)定值,,以及繼電器的通斷。系統(tǒng)還擴(kuò)展了語(yǔ)音播報(bào),,諧波功率分析等功能,。
Abstract:
Key words :

摘要:本系統(tǒng)包括前端處理網(wǎng)絡(luò)、繼電器斷電控制電路,、電參量測(cè)量模塊,、單片機(jī)鍵盤(pán)及顯示電路等模塊,可以實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)的電壓有效值,、電流有效值,、有功功率、電能,、功率因數(shù)和頻率等的測(cè)量,,同時(shí)完成各電參量的LCD實(shí)時(shí)顯示,大電流檢測(cè)報(bào)警及電能不足報(bào)警,。SPCE061A單片機(jī)主要用于控制LCD顯示各電參量,,由鍵盤(pán)輸入設(shè)定值,以及繼電器的通斷,。系統(tǒng)還擴(kuò)展了語(yǔ)音播報(bào),,諧波功率分析等功能。

  關(guān)鍵詞:電參數(shù),,測(cè)量?jī)x,,SPACE061A,,CS5463

  一、引言

  電能各參數(shù)的測(cè)量是電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),,包括電壓,、電流、功率,、電能等參數(shù),。本文設(shè)計(jì)了一種以凌陽(yáng)SPACE061A單片機(jī)[1]為控制核心的電參數(shù)測(cè)量?jī)x,通過(guò)對(duì)智能電量測(cè)量芯片CS5463的讀寫(xiě),,達(dá)到對(duì)電量的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和實(shí)時(shí)顯示的目的,。

  二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

  本系統(tǒng)主要由SPCE061A單片機(jī),、電源電路,、取樣網(wǎng)絡(luò)、繼電器開(kāi)關(guān)模塊,、真有效值測(cè)量電路,、鍵盤(pán)顯示和時(shí)鐘等模塊組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示,。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

  2.2有效值轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

  CS5463是一片集成功率測(cè)量芯片,,內(nèi)部集成了兩個(gè)ΔΣ模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、高速電能計(jì)算功能,、能量頻率轉(zhuǎn)換器和各種電參量計(jì)算芯片,。圖2為CS5463的結(jié)構(gòu)電路圖。

圖2CS5463內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

圖2CS5463內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

  電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)電壓分壓電路轉(zhuǎn)換成小電壓信號(hào)輸入到CS5463A的電壓通道輸入腳,,電網(wǎng)電流經(jīng)過(guò)電流互感器轉(zhuǎn)換成電流小信號(hào),,再通過(guò)電流采樣電路得到小電壓信號(hào)輸入到芯片的電流通道輸入腳。CS5463A將轉(zhuǎn)換后得到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理并計(jì)算測(cè)得電網(wǎng)電壓,、電流,、功率等數(shù)據(jù),再通過(guò)一個(gè)SPI口與計(jì)量微處理器進(jìn)行通信,,將測(cè)量到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)量微處理器進(jìn)行處理,,如計(jì)算功率因數(shù)角、頻率,;判斷有功無(wú)功功率方向,、電壓是否逆相序;進(jìn)行數(shù)制轉(zhuǎn)換等 [2],。圖3為CS5463的電路連接圖,。

圖3CS5463電路連接原理圖

圖3CS5463電路連接原理圖

  2.3電源模塊

  為滿(mǎn)足系統(tǒng)各模塊電源的要求,我們選用7805,、7905分別產(chǎn)生正負(fù)5V的電壓給CS5463和SPCE061A提供電源,,電路圖如圖4,。

圖45V電源<a class=電路原理圖" height="173" src="http://files.chinaaet.com/images/20111026/ff9c8614-8494-47a6-83a7-7b98ada1a050.jpg" width="398" />

圖45V電源電路原理圖

  2.4繼電器開(kāi)關(guān)模塊

  固態(tài)繼電器(SolidStateRelays,縮寫(xiě)SSR)是一種無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān),,由分立元器件,、膜固定電阻網(wǎng)絡(luò)和芯片,采用混合工藝組裝來(lái)實(shí)現(xiàn)控制回路(輸入電路)與負(fù)載回路(輸出電路)的電隔離及信號(hào)耦合,,由固態(tài)器件實(shí)現(xiàn)負(fù)載的通斷切換功能,,內(nèi)部無(wú)任何可動(dòng)部件[3]。

  2.5時(shí)鐘電路

  采用時(shí)鐘芯片DS1302完成分時(shí)記錄電能,。DS1302是美國(guó)DALLAS公司推出的一種高性能,、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路,,它可以對(duì)年,、月、日,、周日,、時(shí)、分,、秒進(jìn)行計(jì)時(shí),,具有閏年補(bǔ)償功能,工作電壓為2.5V~5.5V,。采用三線(xiàn)接口與CPU進(jìn)行同步通信,,并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器[4],。圖5為DS1302的接線(xiàn)圖,。

圖5DS1302電路原理圖

圖5DS1302電路原理圖

  2.6按鍵模塊

  按鍵采用ZLG7289B芯片。ZLG7289B是廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司自行設(shè)計(jì)的具有SPI串行接口功能的可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管或64只獨(dú)立LED的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片,。該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤(pán)矩陣單片即可完成LED顯示﹑鍵盤(pán)接口的全部功能,。

  ZLG7289B內(nèi)部含有譯碼器可直接接受BCD碼或16進(jìn)制碼并同時(shí)具有2種譯碼方式此外還具有多種控制指令如消隱﹑閃爍﹑左移﹑右移﹑段尋址等

  ZLG7289B具有片選信號(hào)可方便地實(shí)現(xiàn)多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤(pán)接口,常用于各種儀表的輸入,,可以方便的擴(kuò)展輸入功能,。其典型應(yīng)用原理圖[5]如圖6.

圖6ZLG7289B典型應(yīng)用電路原理圖

圖6ZLG7289B典型應(yīng)用電路原理圖

  2.7液晶顯示模塊

  液晶采用OCMJ4X8C圖形漢字兩用液晶,體積小,,地重量輕,。接口電路簡(jiǎn)單,可以直接和單片機(jī)連接,,顯示內(nèi)容豐富,。既節(jié)約IO口,又可以實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)顯示界面,。此模塊通過(guò)主機(jī)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸,。

  2.8系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

  軟件設(shè)計(jì)主要用于完成:人機(jī)界面設(shè)置,,繼電器控制報(bào)警,CS5463轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的處理及液晶顯示,,打印機(jī)的輸出控制,,實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片控制等,增強(qiáng)儀表的智能化,。本系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示,,電參數(shù)測(cè)量流程圖如圖8所示:

本系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示

電參數(shù)測(cè)量流程圖如圖8所示 

三、原理分析與計(jì)算 

圖9 CS5463內(nèi)部數(shù)據(jù)測(cè)量流程圖 

圖9 CS5463內(nèi)部數(shù)據(jù)測(cè)量流程圖

      圖9為CS5463內(nèi)部數(shù)據(jù)測(cè)量流程圖,。根據(jù)CS5463芯片手冊(cè)的公式[2]

CS5463芯片手冊(cè)的公式

           

     

四,、誤差分析及解決措施 

1. 誤差分析:

      (1)由于芯片內(nèi)部相對(duì)于電源的參考電源線(xiàn)電壓和線(xiàn)電流之間存在誤差,影響所測(cè)值的準(zhǔn)確度,。

      (2)電網(wǎng)信號(hào)的波動(dòng)比較大,,且互感器的變比不精確,影響電參量

精度,。

      (3)電壓和電流互感器及加到電壓/電流傳感器網(wǎng)絡(luò)前端的其它傳感器/濾波器/保護(hù)器件經(jīng)常會(huì)引入相位延遲,,破壞被測(cè)電壓和電流信號(hào)的相位關(guān)系,影響參數(shù)精度[6],。

2. 解決措施:

      (1)在系統(tǒng)運(yùn)行前,,先經(jīng)過(guò)校驗(yàn),得出零點(diǎn)偏移,,滿(mǎn)量程偏移和溫漂等,,利用CS5463內(nèi)部的校準(zhǔn)寄存器對(duì)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行修正。

      (2)通過(guò)前端輸入濾波,,減小諧波影響,,同時(shí)開(kāi)通集成芯片內(nèi)部的濾波通道,提高抗干擾能力,。

      (3)通過(guò)前期校驗(yàn),,得出相位補(bǔ)償系數(shù),輸入集成芯片內(nèi)部進(jìn)行補(bǔ)償,。

五,、總結(jié)

      本系統(tǒng)以高性能的集成功率測(cè)量芯片為核心,通過(guò)SPCE061A完成控制和友好的人機(jī)交互功能,,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可實(shí)用性,。CS5463具有高精度的測(cè)量性能,同時(shí)集成了有效值,、有功功率,、頻率、功率因數(shù)等比較完整的測(cè)量功能,。另外通過(guò)SPCE061A單片機(jī)擴(kuò)展了語(yǔ)音播報(bào)功能和打印機(jī)輸出功能,。  

作者簡(jiǎn)介:

付偉(1986.9-) 男,,山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院在讀碩士研究生,研究方向:計(jì)算機(jī)先進(jìn)控制系統(tǒng)與圖像處理,。

董敏亞(1988.6-) 男,,山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院在讀碩士研究生,研究方向:系統(tǒng)工程,。

張連生(1985.12-) 男,,山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院在讀碩士研究生,,研究方向:計(jì)算機(jī)先進(jìn)控制系統(tǒng),。

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