基于LPC916、CS5463的新型多功能電能表電路設(shè)計
傳統(tǒng)感應(yīng)式電能表用其結(jié)構(gòu)和原理上的制約,通常存在著測量范圍小,穩(wěn)定性差,精度低等缺點而不能適應(yīng)社會發(fā)展的需要。隨著微電子技術(shù)和單片機(jī)的發(fā)展和普及,新型智能化測控技術(shù)迅速發(fā)展。以單片機(jī)為核心的電子式電能表顯示了其明顯的優(yōu)勢。本文采用單片機(jī)作為儀表的主控制器,并由Cirrus Logic公司的電能計量芯片負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù),因而具有性價比高,抗干擾能力強(qiáng),測量精度高等優(yōu)點。
1 電路工作原理
本設(shè)計采用開關(guān)穩(wěn)壓電源,將220 V交流市電整流穩(wěn)壓為模擬、數(shù)字兩路+5 V電壓,為整個電表電路供電。該系統(tǒng)通過電流互感器檢測電流信號,而通過分壓電阻采集電壓信號,然后將其送入單相功率/電能集成芯片CS5463內(nèi),并在片內(nèi)完成信號采樣、計算和誤差校正等。整個過程在單片機(jī)PLC916控制下進(jìn)行。其原理框圖如圖1所示。
2 專用計量芯片CS5463
CS5463是內(nèi)含兩個△∑模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、高速電能計算功能和一個串行接口的高集成△∑?!D(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器。它可以精確測量和計算有功電能、瞬時功率、無功功率、IRMS和VRMS,可用于研制開發(fā)單相2線或3線電表。CS5463可以使用低成本的分流器或電流互感器來測量電流,并使用分壓電阻或電壓互感器來測量電壓。CS5463具有與微控制器通訊的雙向串口,其芯片的脈沖輸出頻率與有功能量成正比。CS5463具有方便的片上AC/DC系統(tǒng)校準(zhǔn)功能。其“自引導(dǎo)”的特點使得CS5463能獨自工作,并在系統(tǒng)上電后自動初始化。在自引導(dǎo)模式,CS5463可從一個外部EEP-ROM中讀取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和啟動指令。使用該模式,CS5463在工作時不需要外加微控制器,因此,當(dāng)電表用于大批量住宅電能測量時,可降低電表的成本。
CS5463可以提供瞬時電壓/電流/功率數(shù)據(jù)采樣及有功能量、IRMS、VRMS的周期計算結(jié)果。為適應(yīng)低價測量應(yīng)用,CS5463也能在給定引腳上輸出脈沖串,輸出的脈沖數(shù)與有功能量寄存器的數(shù)值成正比。CS5463專為功率測量進(jìn)行了優(yōu)化,適合于與分流器或電流互感器相連來測量電流,并與分壓電阻或電壓互感器相連來測量電壓。為適應(yīng)不同電平的輸入電壓,CS5463的電流通道集成有一個增益可編程放大器(PGA),它可使輸入電平滿量程選擇為±250 mVRMS或±50 mVRMS。電壓通道的PGA可適應(yīng)±250 mV的輸入電壓范圍。對于VA+和VA-兩端接單+5 V電源的情況,兩個通道的差模輸入引腳間所加的共模信號電壓為-0.25~+5 V。另外,設(shè)計時,還可以在某一個通道或兩個通道實現(xiàn)雙端差模輸入,此時,其輸入信號的共模電壓將加在AGND上。CS5463每通道都有一個高速數(shù)字濾波器,可將兩個△∑調(diào)制器的輸出衰減10倍并積分。濾波器以(MCLK/K)/1024的字輸出速率(OWR)輸出24位數(shù)據(jù)。為了方便與外部微控制器通訊,CS5463集成有一個簡單的三線串行接口。該串口與SPITM和Micro wireTM標(biāo)準(zhǔn)兼容。串口的串行時鐘(SCLK)和RESET引腳內(nèi)包含有一個施密特觸發(fā)器,故可允許使用上升速度較慢的信號。
CS5463的主要特性如下:
◇在1000:1的動態(tài)范圍內(nèi),其電能數(shù)據(jù)的線性度為±0.1%;
◇可以測量瞬時電壓、電流和功率,包括IRMS和VRMS、視在功率、有功和無功功率以及有功的基波和諧波功率、無功的基波功率、功率因數(shù)、頻率等;
◇具有電能-脈沖轉(zhuǎn)換功能;
◇具有系統(tǒng)校準(zhǔn)和相位補(bǔ)償功能;
◇帶有溫度傳感器;
◇具有兩種無功計算方式;
◇可以從串行EEPROM智能“自引導(dǎo)”,而不需要微控制器;
◇可AC或DC系統(tǒng)校準(zhǔn);
◇具有機(jī)械計度器/步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器;
◇符合IEC687/1036,JIS工業(yè)標(biāo)準(zhǔn);
◇功耗<12mW;
◇帶有優(yōu)化的分流器接口;
◇帶有單電源地參考信號;
◇片內(nèi)帶有2.5 V參考電壓(最大溫漂為25ppm/℃);
◇帶有簡單的三線數(shù)字串行接口;
◇內(nèi)帶電源監(jiān)視器。
3 電源電路設(shè)計
開關(guān)穩(wěn)壓電源具有功耗低,穩(wěn)壓范圍寬,體積小,重量輕,安全可靠等優(yōu)點,因此,目前電子設(shè)備的變壓器穩(wěn)壓電源正逐漸被開關(guān)穩(wěn)壓電源所取代。本系統(tǒng)中的電源電路如圖2所示。由于在檢測電路部分要用到CS5463,為了避免模數(shù)間的干擾,本系統(tǒng)在開關(guān)穩(wěn)壓電源部分需要有兩路+5 V輸出。
交流電首先經(jīng)過一個由保險絲和壓敏電阻組成的保護(hù)電路,保險絲主要起過流保護(hù)作用;壓敏電阻則起過壓保護(hù)作用。在正常工作情況下,電路的壓敏電阻相當(dāng)于斷路。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或受外界影響(如閃電,電源突然接入等)而引起電壓瞬間激增時,壓敏電阻會自動導(dǎo)通,并由壓敏電阻和保險絲組成回路。由于高壓下的壓敏電阻阻值較小,所以回路電流很大,保險絲自動斷開,這樣就起到了保護(hù)內(nèi)部電路的作用。該保險絲是可以自恢復(fù)的,也就是說,它可以反復(fù)使用而無需更換。
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L1和C1可消除信號中的尖峰波并抑制干擾。經(jīng)L1、C1濾波后的信號接入到整流橋,再將從整流橋中輸出的高壓直流信號經(jīng)過C2進(jìn)行濾波后,即可得到電壓Vi。在圖2中,T1為高頻變壓器,它能夠快速存儲和釋放能量,經(jīng)高頻整流濾波后即可獲得直流連續(xù)輸出。高頻變壓器T1的1腳和3腳為輸入初始繞組,4、5兩腳為反饋繞組,次級繞組分別為6,9腳和7,10腳(其中1,4,6,7為各繞組的同名端)。并且6,9繞組是主繞組,用它經(jīng)進(jìn)一步變換產(chǎn)生的+5 V直流穩(wěn)壓電源可作為主電壓源,即數(shù)字電壓源(Vo1);7,10繞組為輔繞組,用它經(jīng)電容C8~C11濾波和78L05穩(wěn)壓產(chǎn)生的+5 V直流穩(wěn)壓電源為輔電壓源,即模擬電壓源(Vo2)。鑒于在TOP221Y內(nèi)的功率MOSFET關(guān)斷瞬間,高頻變壓器的漏感會產(chǎn)生尖峰電壓,另外,在1,3初始繞組上還會產(chǎn)生感應(yīng)電壓(即反向電動勢),而且二者又會疊加在Vi上,使電壓嚴(yán)重增大,因而要求功率MOSFET能夠承受高壓。同時,還必須在漏極增加鉗位電路,以吸收尖峰電壓,保護(hù)TOP221Y內(nèi)的功率MOSFET不受損害。本設(shè)計利用R1,C3,ZD1,D1組成鉗位電路。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時,T1的初始繞組的電壓極性為(3端)為正,1端為負(fù),此時D1截止,鉗位電路不起作用;而在MOSFET截止的瞬間,初始繞組變?yōu)?端為正,3端為負(fù),此時D2導(dǎo)通,尖峰電壓就被R1和C3吸收掉。
4 計量電路的設(shè)計
電量檢測電路是該電表設(shè)計的核心。選用PHILIPS公司的P89LPC916是一款低成本的16腳單片封裝的微控制器。該芯片適合于許多要求高集成度低成本的場合,可以滿足多方面的性能要求。P89LPC916采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu),指令執(zhí)行時間只需2~4個時鐘周期,其速度6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件。由于P89LPC916集成了許多系統(tǒng)級功能,故可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積,提高電路可靠性,并降低系統(tǒng)的成本。
本儀表由P89LPC916控制CS5463的檢測過程和數(shù)值顯示。電路上電以后,通過撥碼開關(guān)可對電路進(jìn)行初始化。通過撥碼開關(guān)輸入單片機(jī)要初始化的電量代碼后,再由單片機(jī)根據(jù)設(shè)定好的編碼規(guī)則向CS5463發(fā)出相應(yīng)的指令,CS5463根據(jù)單片機(jī)發(fā)來的指令將相應(yīng)的要初始化的電量的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)值傳給單片機(jī),單片機(jī)再將此數(shù)據(jù)傳給X5045并存儲在其中,以供CS5463復(fù)位時再次獲得校準(zhǔn)值,并供單片機(jī)用于隨時校準(zhǔn)檢測值,從而提高精度。也就是說,在LPC916的控制下,由CS5463檢測電信號并輸出測量值給單片機(jī),其中X5045可存放標(biāo)準(zhǔn)校正值。該計量電路中的控制模塊如圖3所示。
該電壓采樣電路由電阻網(wǎng)絡(luò)、過壓保護(hù)及去抖動電容組成。為保證采樣精度,電阻應(yīng)全部采用高穩(wěn)定度的精密電阻。
本系統(tǒng)中的電流采樣電路由電流互感器、過壓保護(hù)、電阻網(wǎng)絡(luò)和去抖動電容組成。采用電流互感器的主要優(yōu)點在于可實現(xiàn)高壓與低壓的隔離。由于CS5463的電流檢測實際上是將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柡蟮碾妷簷z測,所以,在電路中,先由采樣電阻將互感電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?,再通過限流電阻和電容濾波后輸人到CS5463的電流檢測管腳(16、15腳)。另外,在兩路輸入中,還分別用二極管進(jìn)行電壓嵌位,以避免電壓過高損壞CS5463。CS5463的3、14腳分別為模擬、數(shù)字+5V電源。同時,為了濾除電壓波動,增加電源的穩(wěn)定性,在兩路電源輸入時,分別加了濾波電容。由于此為電流檢測,所以電壓檢測的兩輸入腳9和10也應(yīng)接模擬地以避免干擾。另外,13腳VA要接模擬地,4腳DGND接數(shù)字地,模擬地和數(shù)字地之間用電感連接。1、24(XOUT,XIN)兩腳接4.096 NHz的晶振。并用程序控制CS5463自動完成輸入信號的檢測,同時通過6腳SDO輸出數(shù)據(jù);而分別由5腳SCLK、7腳、19腳RES、20腳INT、23腳SDI輸出單片機(jī)的時鐘脈沖、片選信號、復(fù)位信號、中斷信號以及單片機(jī)對CS5463的控制信號。由于CS5463要完成對模擬信號的檢測并以數(shù)字信號輸出檢測值,即一個芯片同時有模擬、數(shù)字兩種信號,因而需要模擬和數(shù)字兩路電源;同時,其需要接地的管腳一定要正確接相應(yīng)的地,不然將會引入很大的干擾。
5 顯示電路
本儀表系統(tǒng)采用七段LED顯示。移位寄存器74HC164的時鐘信號由單片機(jī)提供。從單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)信號時,先輸出低位,后輸出高位。數(shù)據(jù)首先傳輸?shù)綄?yīng)顯示高位數(shù)碼管的74HC164,每當(dāng)?shù)絹硪粋€時鐘脈沖時,數(shù)據(jù)便移位一次,經(jīng)過一個周期后,數(shù)據(jù)將全部傳輸?shù)狡鋵?yīng)各位的74HC164并由數(shù)碼管顯示出來。
6 結(jié)束語
本文給出了一種多功能電能表的設(shè)計方法,詳細(xì)說明了電能表的工作原理和設(shè)計思路,重點介紹了電源設(shè)計和電能計量模塊的原理、實現(xiàn)及注意事項。經(jīng)使用證明,該電能表具有運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、精度高、成本低等優(yōu)點,而且實用性強(qiáng)。此外,還可針對不同的需求來改進(jìn)功能,如增加通訊模塊等。