單相電力儀表的設計及應用

　　單相電力儀表的設計及應用

　　一種含有參數采集、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(zhuān)用電能測量芯片為架構，可以實(shí)現對電力系統參數的精確測量，主要功能包括測量電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功電能、無(wú)功電能、負載性質(zhì)等。硬件上采用隔離及抗干擾措施，系統能夠在高干擾的電力系統I不境下準確、穩定的運行。并配置有網(wǎng)絡(luò )通訊、數字量輸入、模擬量輸出、繼電器輸出等功能，使得其真正具備了遙測、遙控與遙調的能力。

　　1.單片機及測量芯片的選型

　　PIC系列單片機是美國微芯科技公司的產(chǎn)品。其CPU采用RISC結構，具有Harvard雙總線(xiàn)，運行速度快，低功耗，輸出能力強，保密性好等特點(diǎn)。PlC18F46K22是其8位單片機中的高端產(chǎn)品，具有32KROM，4KRAM，16MIPS速度，功能豐富且性?xún)r(jià)比高，所以選擇其作為控制單片機。

　　CS5463是一個(gè)包含兩個(gè)△∑模一數轉換器、功率計算器、電…Il頻率轉換器和一個(gè)串行接口的完整的電能測量芯片。它可以精確測量瞬時(shí)電壓、電流和計算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.接口電路設計

　　2.1信號檢測電路的設計

　　(1)電壓檢測電路設計

　　電壓檢測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，得到對稱(chēng)于地電位的一對正負電壓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別這樣低于OV的信號，這與普通AD芯片區別是比較大的。

　　(2)電流檢測電路的設計

　　在電流檢測中使用了電流互感器，能夠隔離電網(wǎng)強電信號，使用采樣電阻和濾波電路實(shí)現信號轉換。電流互感器將大電流5A轉換為2.5mA，在5lQ采樣電阻上得到約O.1V的電壓信號，再通過(guò)2個(gè)1KQ電阻串聯(lián)對采樣信號進(jìn)行分壓，在2個(gè)lKQ電阻的連接點(diǎn)接地，得到對稱(chēng)于地電位的一對負電壓lIN+和llN一，再分別通過(guò)雙向二極管鉗位，阻容濾波后，將信號送至測量芯片的電流差分輸入端。

　　2.2信號測量電路的設計

　　CS5463內部集成度高，外圍電路簡(jiǎn)潔，只需外接一個(gè)4.096MHz晶振即可工作，其余的計算等工作都由其內部的DSP自動(dòng)完成，用戶(hù)只需將相關(guān)通信引腳連接至單片機對單片機編程即可。

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

　　芯片的SCLK為時(shí)鐘信號，SDO為數據輸出，SDI為數據輸入，CS為片選，RESET為復位腳，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的10引腳即可。最后將VA+和VD+都接電源VCC。

　　2.3電源電路設計.

　　本系統提供兩路+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)應用線(xiàn)性光耦PC817和可調精密并聯(lián)穩壓器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)獨立繞組，但由于其是完全獨立隔離的，所以其電壓穩定性是不好的，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穩壓后得到+5V、AGND，用于通訊隔離。

　　2.4 485通信電路設計

　　通訊部分采用MAX485芯片、高速光耦HCPL0601等組成。由于采用雙絞線(xiàn)作為通信線(xiàn)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)送數據TX、接收數據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)通訊系統與單片機系統是電氣隔離的，具有較高的抗干擾能力。

　　2.5 4-20mA模擬量輸出電路設計

　　采用DA芯片MCP4725，運放LM258，光耦LTV356，電源模塊B0515等組成。單片機引腳模擬出DA芯片所需的SCL和SDA信號通過(guò)光耦隔離輸出，DA芯片輸出的信號連接至由運放和三極管組成的恒流源電路，輸出4—20mA模擬量信號。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系統供電，這樣使得整個(gè)4—20mA模擬量輸出電路也是與單片機系統電氣隔離的，提高了抗干擾性能。

　　2.6其他電路設計

　　顯示部分采用TMI?21芯片，驅動(dòng)段位式液晶顯示器。數宇量Dl輸入采用光耦LTV356隔離。繼電器輸出采用三極管8050驅動(dòng)，5A繼電器輸出。

　　3.單相電力儀表的應用

　　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)。能獨立應用于高低壓開(kāi)關(guān)柜、交流盤(pán)、儀表控制盤(pán)、UPS等任何需要電量測量和顯示的場(chǎng)合。目前已廣泛應用于工業(yè)、建筑、民用供電系統和變電站中，幫助用戶(hù)節省投資和使用空間?？赡苊婷婢愕降貙?shí)際項目的各個(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.結束語(yǔ)

　　由以上分析可知，采用步進(jìn)控制可以滿(mǎn)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：

　　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)，在外部請使用電源濾波器或非線(xiàn)性電阻等干擾吸收電路。

　　5、輸入信號線(xiàn)應盡量的短，通常情況下，建議使用雙絞線(xiàn)或屏蔽線(xiàn)。