【正文】 著計算機技術(shù)的發(fā)展，供電部門迫切需要一種攜帶方便，操作簡單，計量準(zhǔn)確的單項電表檢測儀，用于用戶低壓電能表的現(xiàn)場檢驗。 研究現(xiàn)狀電能表的校驗是否準(zhǔn)確，取決于有功功率的測量是否準(zhǔn)確，有功功率的測量屬于電氣測量范疇，在電氣測量方面，國內(nèi)外已有大量的研究成果，就測量方法和采用的技術(shù)手段綜述如下。采用的技術(shù)手段上，一是采用微型計算機加數(shù)據(jù)采集卡，二是采用微處理器結(jié)合自行設(shè)計的數(shù)據(jù)采集通道。在互感器的選擇上，一是在供電電路中接入固定式的電壓互感器和電流互感器。二是電壓互感器采用固定式，接線端使用線夾，電流互感器采用鉗形互感器[6]。固定式互感器中磁路是封閉的，因而具有較好的線形和較小的相移，可以得到較高的精度。但需要停電接線，不便于現(xiàn)場檢測。電壓互感器采用固定式，接線端使用線夾，電流互感器采用鉗形互感器，現(xiàn)場不用接線。固定式互感器的優(yōu)點是顯而易見的，采用線夾后可直接加在供電線路的母線上，避免了現(xiàn)場檢測需要停電接線的麻煩。但鉗形電流互感器的接觸面存在空氣間隙，使互感器磁路的磁阻顯著增大，且隨工況不同呈現(xiàn)非線形，使互感器的線形變差，且相移較大，給功率因數(shù)的測量帶來影響，為了彌補這一缺陷，對結(jié)果采用分段線性化處理，可以提高測量精度。在有功功率的測量方面，一是采用真有效值轉(zhuǎn)換，分別測量出電壓、電流和功率因數(shù)，利用微處理器計算出功率。二是采用有功功率專用測量集成電路，直接測量出有功功率。三是利用各種數(shù)字式的電量傳感器，測量出電壓、電流、功率因數(shù)或直接測量有功功率。采用有功功率專用測量集成電路即專用電能計量芯片，直接測量出有功功率，測量方便，軟件開銷小，硬件電路簡單。 2 總體設(shè)計方案 技術(shù)要求本課題以MCU為核心，利用光電采樣器對被測電能表進(jìn)行采樣，同時采用互感器及電能計量專用芯片對電能進(jìn)行實時計量，利用單片機較強的運算功能，計算出被測電能表的誤差，以檢驗電能表計量是否準(zhǔn)確。具體要求如下：(1).電量測量范圍：電壓220VAC，電流0~40A，單相；(2).檢驗對象：單相電能表；(3).測量誤差：177。%FS；(4).測量方式：不拆線不斷電；(5).方便野外使用，強陽光下可清晰顯示；(6). 220VAC供電。 方案論證按照上述技術(shù)要求，系統(tǒng)應(yīng)由互感器、有功功率測量通道、光電采樣器、單片機、顯示器和鍵盤幾部分組成。利用互感器將供電電路的電壓、電流轉(zhuǎn)換為弱電信號，計算機通過有功功率測量通道對電參數(shù)進(jìn)行實時采集并計算出電能，通過光電采樣器對被測電能表進(jìn)行采樣，從而計算出被測電能表的相對誤差。(1) 互感器方案一：在供電電路中接入固定式的電壓互感器和電流互感器。固定式互感器中磁路是封閉的，因而具有較好的線形和較小的相移，可以得到較高的精度。但需要停電接線，不便于現(xiàn)場檢測。方案二：電壓互感器采用固定式，接線端使用線夾，電流互感器采用鉗形互感器，現(xiàn)場不用接線。固定式互感器的優(yōu)點是顯而易見的，采用線夾后可直接加在供電線路的母線上，避免了現(xiàn)場檢測需要停電接線的麻煩。但鉗形電流互感器的接觸面存在空氣間隙，使互感器磁路的磁阻顯著增大，且隨工況不同呈現(xiàn)非線形，使互感器的線形變差，且相移較大，給功率因數(shù)的測量帶來影響。根據(jù)上述分析，結(jié)合低壓電能表進(jìn)行現(xiàn)場檢驗的特點，確定采用方案二。因要測量電壓和電流，故需要一只電壓互感器和一只電流互感器。(2) 有功功率測量通道方案一：采用有功功率專用測量集成電路。專用電能計量芯片，直接測量出有功功率。測量方便，軟件開銷小，硬件電路簡單，對測量結(jié)果采用分段線性化處理，提高測量精度。方案二：采用真有效值轉(zhuǎn)換電路，分別測量出電壓、電流和功率因數(shù)，利用微處理器計算出功率。便于對鉗形互感器帶來的相移進(jìn)行修正或補償，但電路較為繁瑣，軟件開銷量較大。根據(jù)上述分析，確定采用方案一，有功功率測量通道由既是專用電能計量芯片。(3) 顯示器方案一：采用LED顯示器，即數(shù)碼管顯示。傳統(tǒng)的數(shù)碼管具有：低功耗、低損耗、低壓、壽命長、耐老化、防曬、防潮、防火、防高（低）溫，對外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)，同時其精度要求比較高，稱量快，精確可靠，操作簡單。數(shù)碼管是采用BCD編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少。方案二：使用液晶顯示屏顯示各種信息。液晶顯示屏（LCD）具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強等優(yōu)點。LCD符合本設(shè)計系統(tǒng)的要求，利用其自帶的字符庫，進(jìn)行編程還可以實現(xiàn)各信息的顯示，即節(jié)省資源又省去了大量編程任務(wù)，且在強光照射下的戶外進(jìn)行檢測時，LCD可清晰地顯示數(shù)值。根據(jù)上述分析，本設(shè)計系統(tǒng)采用方案二。 總體方案根據(jù)上述方案論證。 總體方案方框圖被測電能表通過光電采樣器進(jìn)行檢測。光電采樣器是由光發(fā)射管、光敏接受管及整形電路組成。低壓電能表的轉(zhuǎn)盤均有一小部分為涂黑的區(qū)域，這部分區(qū)域?qū)獾姆瓷淠芰^弱，而未被涂黑的區(qū)域則對光的反射能力很強。當(dāng)光發(fā)射管發(fā)射的光經(jīng)聚焦后照射到轉(zhuǎn)盤上，在未被涂黑的區(qū)域，反射到光敏接受管，經(jīng)整形后輸出低電平；在涂黑的區(qū)域沒有反射光，光電采樣器輸出高電平。這樣電能表的轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)就輸出一個正脈沖，從第一個脈沖開始到第N+1個脈沖止，電能表的轉(zhuǎn)盤共轉(zhuǎn)過了N轉(zhuǎn)，已知電能表的轉(zhuǎn)盤數(shù)B及配用電流互感器的互感比H，則電能表在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過N轉(zhuǎn)后所計量的電能如公式（21）所示。W1 = N H/B （21），從而得到實際的有功功率。其過程如下：首先對電壓和電流進(jìn)行測量，然后把測量值送入CS5460芯片，每次采樣后，利用單片機較強的運算功能，計算出本次采樣周期內(nèi)消耗的電能△W2i，則被測電能表的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過N轉(zhuǎn)后的實際電流，如公式（22）。W2 = ∑△W2i （22）顯示部分主要用于顯示電能表的相對誤差，從誤差的精度判斷電能表是否正常工作。顯示部分的選擇有一定的要求，要考慮其顯示的位數(shù)是否滿足要求，是否便于攜帶，在強光照射下是否可以清楚讀數(shù)。鍵盤部分具有手動測量功能和自動測量功能。手動測量在被測表的轉(zhuǎn)盤不光潔或涂黑區(qū)域脫漆時使用。當(dāng)手動鍵按下時，清零定時器T1及△ti計時單元，開始W2的累加，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過N轉(zhuǎn)時再次按下該鍵，則通過單片機計算出的r值送到LCD顯示。自動測量鍵在任何時刻按下后，當(dāng)?shù)谝粋€脈沖到來時，清除定時器T1及△ti計時單元，開始W2的累加，當(dāng)?shù)贜+1個脈沖到來時，計算r值并顯示。3 硬件電路設(shè)計 單片機的選擇及外圍電路設(shè)計(1) 單片機的選擇PIC系列單片機是Microchip公司生產(chǎn)的16位單片機，集成了CCP捕捉，PWM脈寬調(diào)制等功能，但是它單價較貴，又是精簡指令集，給編程帶來不便。ATEML公司的AT89C51單片機算術(shù)運算功能強大，變成靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點，使其在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛?；谝陨戏治霰驹O(shè)計系統(tǒng)采用ATEML公司的AT89C51實現(xiàn)設(shè)計要求。1）AT89C51的簡介AT89C51是低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8K字節(jié)的可反復(fù)擦寫的制度程序存儲器（PEROM）和256字節(jié)的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理（CPU）和Flash 存儲單元，3個16位定時/計數(shù)器。2）主要性能參數(shù)：ａ. 與MCS51系列產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容ｂ. 4K字節(jié)可重復(fù)擦寫Flash閃速存儲器ｃ. 1000次擦寫周期ｄ. 全靜態(tài)操作：0Hz24Hzｅ. 三級加密程序存儲器ｆ. 128 X 8字節(jié)內(nèi)部RAMｇ. 32個可編程I/O口線ｈ. 2個16位定時/計數(shù)器ｉ. 6個中斷源ｊ. 可編程串行UART通道ｋ. 低功耗空閑和掉電模式3）功能特性概述：AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4 K字節(jié)Flash閃速存儲器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32根I/O口線，兩三個16位定時/計數(shù)器，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許定時/計數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。(2) 單片機外圍電路設(shè)計AT89C51系列單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器，但要形成時鐘，外部還需要附加電路。本設(shè)計選擇AT89C51的內(nèi)部時鐘方式。其內(nèi)部時鐘方式利用芯片內(nèi)部的振蕩器，然后在引腳XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體或陶瓷諧振器，就夠了穩(wěn)定的自激