【文章內(nèi)容簡介】 在功率。 三相交流電的總視在功率為各相視在功率之和： ()無功功率的計算無功功率是視在功率中不消耗電能的部分，它的產(chǎn)生與儲能元件有關(guān)。在實際的電路中，一般采用先計算有功功率、視在功率，然后通過三者的關(guān)系式來計算無功功率。視在功率、無功功率、有功功率滿足下面的關(guān)系： ()所以，無功功率的計算方法如下： ()功率因數(shù)的計算在交流電路中，電壓與電流之間的相位差()的余弦叫做功率因數(shù)，用符號 cos表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即 ()由上式可以看出，功率因數(shù)的最高值為1。功率因數(shù)的大小與電路的負(fù)荷性 質(zhì)有關(guān)，具有電感或電容性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1。功率因數(shù)是電力系統(tǒng) 的一個重要的技術(shù)數(shù)據(jù)，也是衡量電氣設(shè)備效率的一個系數(shù)。功率因數(shù)低，說明 電路用于交變磁場轉(zhuǎn)換的無功功率大，從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供 電損失。電能是消耗的能量的累積，是時變函數(shù)——功率對時間的累積，到時刻T時的電能為： ()將公式216帶入上式得： ()所以三相電流所消耗的總有功電能為： ()三相總視在電能為： ()三相總無功電能為： () 頻率的計算頻率的測量一般采用過零檢測法，設(shè)電壓信號每個過零點的時刻ti，由此可得到周期T滿足： ()由周期與頻率之間的關(guān)系得到頻率的計算公式： ()第3章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與設(shè)計要求 結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖是系統(tǒng)硬件電路設(shè)計的基礎(chǔ)，它包含了系統(tǒng)的硬件選擇及軟件開發(fā)，是在對系統(tǒng)功能、技術(shù)指標(biāo)、性價比、元器件的可購性等因素進(jìn)行可行性分析的基礎(chǔ)上，對多個方案比較權(quán)衡后確定。單 片 機(jī) AT89S52實時時鐘DS1302數(shù)據(jù)存儲AT24C02按鍵掃描及復(fù)位液晶顯示HC1602計 量 芯 片 ADE7878電流信號變換(CT)電壓信號變換(PT)SPICF1CF2IRQINT0I2CSPICF3RS485接口SCI看門狗MAX813L復(fù)位電力線信號衰減采樣電流通道電壓通道后備電源LIR2032N C B A 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由以下幾個模塊組成：計量模塊、主控模塊、RS485通信模塊、顯示模塊、存儲模塊、看門狗復(fù)位模塊、時鐘模塊、主/從電源供電模塊等。采用ADE7878計量芯片和AT89S52設(shè)計三相電度表，單片機(jī)的TO、TT2端子對ADE7878的CFCFCF3端子發(fā)出的脈沖計數(shù)，實現(xiàn)有功、無功等電量參數(shù)的計量。單片機(jī)通過12C總線并采用AT24C02芯片進(jìn)行電量參數(shù)的定時存儲，通過按鍵進(jìn)行電量參數(shù)的查詢，通過液晶HCl602進(jìn)行電量參數(shù)的顯示，通過RS485總線進(jìn)行電量參數(shù)的遠(yuǎn)程傳送。DSl302為實時計量和定時存儲提供時間參數(shù)，通過三個功能鍵實現(xiàn)DSl302芯片時鐘的初值輸入調(diào)整。后備電源LIR2032為可充電的3．6V鋰電池。單片機(jī)復(fù)位采用MAX813L芯片。單片機(jī)的SPI接口復(fù)用，所以AT89S52要對ADE7878和DS1302進(jìn)行片選。 電表顯示內(nèi)容及其設(shè)計要求課題內(nèi)容圍繞三相電度表多個電量參數(shù)的計量、存儲、顯示、按鍵查詢展開。顯示分兩行顯示，每行16個字符。在參數(shù)顯示的同時進(jìn)行代碼的顯示。若系統(tǒng)無中斷發(fā)生,液晶顯示當(dāng)前總的有功電量和無功電量，有功電量和無功電量代碼已為E0、R0，數(shù)據(jù)顯示格式如下：EO：RO：由8個整數(shù)位和1個小數(shù)位組成，顯示范圍O99999999．9。系統(tǒng)配置三個功能按鍵，記為KKK3．. 按鍵的功能描述按鍵類型顯示界面示例功能描述K1E1:顯示時段1內(nèi)計量的有功、無功電量R1:K2E2:顯示時段2內(nèi)計量的有功、無功電量R2:K3P:顯示瞬時有功功率P、無功功率VV:KK2組合1206/01/00:00:00進(jìn)入時鐘初值調(diào)整，光標(biāo)指示調(diào)整對象KK3組合H1:0002異常事件記錄查詢1206/01/00:00:00KK3組合E0:退出時鐘初值調(diào)整并返回主顯示R0:電能計量結(jié)果通過三個功能按鍵進(jìn)行查詢顯示，具體設(shè)計要求如下。①通過按鏈查詢實現(xiàn)總的有功、無功等電能的計量與顯示。 ②通過對時間參數(shù)的檢測，實現(xiàn)電量參數(shù)的定時存儲。③通過按鍵進(jìn)行時鐘初值輸入調(diào)整。④實現(xiàn)異常事件的中斷記錄，其中異常事件包括斷相、過流、過壓等三種情況。⑤可采集瞬時分相電壓、電流、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示[6]。第4章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)本章節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路設(shè)計、功能模塊劃分和元器件選型。圍繞ADE7878外圍電路設(shè)計，闡述了電能計量原理，并進(jìn)行了有關(guān)電路參數(shù)的計算；圍繞AT89S52外圍電路設(shè)計，闡述了各功能模塊與單片機(jī)的接口電路設(shè)計；最后介紹了電源模塊設(shè)計及其特點。 計量芯片ADE7878ADE7878是美國ADI公司推出的三相高精度多功能電能計量芯片。ADE7878的電壓和電流通道為24bit Σ△型ADC，電壓和電流有效值在動態(tài)范圍為1000：%，電能在動態(tài)1000：%，在動態(tài)3000：%。ADE7878提供I2C，SPI，HSDC多種數(shù)據(jù)接口和3個靈活的脈沖輸出，ADE7878可以同時提供基波有功和無功功率，總（基波+諧波）有功和無功功率，視在電能計量，基波有功和無功電能計量和均方根值（RMS）計算[7]。ADE7878適合測量各種三相配置下有功，無功和視在電能，如三相三線（角接）、三相四線（星形）以及其他的計量方式，同時也支持電流互感器（CT）和微分線圈電流傳感器，支持所有通道的波形數(shù)據(jù)輸出。該ADE7878支持多種校表方式，每一相階段，也就是有效值偏移校正，相位校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)。該CF1 ， CF2和CF3邏輯輸出提供了多種可供選擇：總/基波有功/無功功率，總視在功率，或總當(dāng)前有效值。ADE7878包含一個內(nèi)部的信號處理器（DSP）用來計算所有功率和有效值。 ADE7878引腳配置及功能描述： ADE7878引腳配置 ADE7878引腳功能表引腳標(biāo)號描述1,10,11,20,21,30,31,40NC空腳2PM0運行模式控制腳0，此引腳配合PM1控制ADE7878的運行模式3PM1運行模式控制腳0，此引腳配合PM1控制ADE7878的運行模式4RESET復(fù)位輸入腳，低電平有效5DVDD該引腳連接到對片內(nèi)數(shù)字部分供電的LDO ，此引腳對地接一個10uF和100nF的電容6DGNDADE7878的數(shù)字參考地7,8IAP,IAN電流通道的模擬輸入。該通道與電流轉(zhuǎn)換器一起使用，在本文中稱之為電流通道。這些輸入引腳是全差分電壓輸入，最大差分輸入信號為177。，帶兩個PGA：一個用于IA,IB,IC，一個用于IN通道。9,12IBP,IBN13,14ICP,ICN15,16INP,INN17REFINOUT該引腳提供對片上基準(zhǔn)電壓的訪問，177。%,典型溫度系數(shù)為10ppm/℃。177。%也可以與該腳相連。如論是否連接外部電壓端，該引腳都應(yīng)該用一個10uF的瓷片電容跟AGND端連接去耦。18,19VN,VCP電壓通道的模擬輸入。這些通道與電壓轉(zhuǎn)換器一起使用，在本文中稱之為電壓通道。這些輸入是單端電壓輸入，標(biāo)準(zhǔn)運行時最大信號電壓為177。（相對于VN端）這些通道內(nèi)部也有三個同步調(diào)整的PGA22,23VBP,VAP24AVDD該引腳連接到對片內(nèi)模擬部分供電的LDO ，此引腳對地接一個10uF和100nF的陶瓷電容25AGND該引腳提供ADE7878中模擬電路部分的接地參考點，即數(shù)模轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、基準(zhǔn)電壓源、電壓電流傳感器、抗混疊濾波器。26VDD該引腳為ADE7878提供電源，在PSM0（正常運行模式）177。10%的工作電壓。在PSM1（降低功耗模式），PSM2（低功耗模式）和PSM3（睡眠模式），ADE7878的供電可以來自電池，此引腳應(yīng)該對DGND接10uF的電容和100nF的陶瓷電容。27CLKINADE7878時鐘輸入端28CLKOUT可按照上述方式在該引腳上連接一個晶體，為ADE7878提供一個時鐘源，當(dāng)CLKIN提供有外部時鐘或者連接了一個晶體時，該引腳能驅(qū)動一個CMOS負(fù)載。29,32IRQ0,IRQ1ADE7878中斷輸出口，低電平有效33,34,35CF1，CF2，CF3/HSCLK校準(zhǔn)脈沖輸出口36SCLK/SCLSPI/I2C的時鐘輸入端口37MISO/HSDSPI的數(shù)據(jù)輸出口/I高速SPORT接口的數(shù)據(jù)端口38MOSI/SDASPI的數(shù)據(jù)輸入口/I2C接口的數(shù)據(jù)端口。39SS/HASSPI/高速SPORT接口使能端ADE7878計量芯片的功能描述：ADE7878是一種高精確度的，支持EN504701，EN504703的標(biāo)準(zhǔn)，兼容三相三線，三相四線以及其他接線的多功能測量IC，帶有二路獨立的中斷申請輸出口，三路獨立的脈沖輸出口，更多的通訊接口（I2C， SPI， HSDC）。ADE7878集成了數(shù)字積分、參考基準(zhǔn)電壓源、溫度敏感元件等，內(nèi)置成熟的專用電能計量功能數(shù)字信號處理器，有可用于電流/電壓有效值測量，基波有功功率和無功功率、總(基波+諧波) 有功和無功功率，視在功率計量，同時提供有功和無功(基波+諧波)總能量，和基波有功和無功能量，諧波能量可通過簡單減法運算獲得。提供電池供電模式下的電流監(jiān)測，通過檢測中性電流與三相電流代數(shù)和是否匹配，進(jìn)行防竊電檢測。ADE7878大部分內(nèi)部電路工作在 電源上(芯片內(nèi)置的 LDO)， 。ADE7878有七路模擬量輸入，分成電流和電壓兩個通道。電流通道由四對差分電壓輸入，分別是IAP，IAN；IBP，IBN；ICP，ICN，INP，INN。INP，INN可提供零線電流的有效值及瞬時值測量[8]。這四個電流通道最大的信號電壓變化范圍為177。電流通道有一個可編程增益放大器（PGA1），放大器增益為1，2，4，8或16。除了PGA功能外，用于A/D轉(zhuǎn)換時，通道1還具有輸入信號滿刻度選擇的功能。電壓通道具有三路單端電壓輸入通道，分別為VAP，VBP和VCP。這些單電壓輸入端的最大輸入電壓變化范圍為177。相對于VN來說，電壓通道有一個可編程放大器PGA3，放大器增益為1，2，4，8或16。由用戶編程來決定，所有的輸入通道的增益相同。ADE7878提供系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，每一相階段，也就是有效值偏移校正，相位校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)， 提供了三路可配置脈沖輸出CF1 ， CF2和CF3，他們的邏輯輸出提供了多種可供選擇：總/基波有功/無功功率，總視在功率，或總的當(dāng)前有效值，在IRQ0中有三個獨立的中斷標(biāo)志位對應(yīng)3路脈沖，當(dāng)CF脈沖發(fā)生時，能量寄存器中的內(nèi)容可以被鎖存，從而確保多個相關(guān)的能量寄存器的內(nèi)容和CF發(fā)生時刻同步。ADE7878提供四種不同的電源模式，引腳PM0和PM1可以控制ADE7878進(jìn)入不同的功耗模式，： ADE7878的功耗模式電源模式PM1PM0電流消耗備注PSM0正常模式0117mA max復(fù)位RESET引腳只有在PSM0模式下有效PSM1省電模式003mA max測量三相電流絕對值的平均值PSM2低功耗模式10200uA max提供三相電流采樣值和設(shè)定門限值進(jìn)行比較，可以在掉電模式下進(jìn)行電流檢測，實現(xiàn)防竊電PSM3睡眠模式111uA max電路休眠，配置寄存器保持不變。ADE7878提供了防竊電功能，可以在全失壓情況下提供電流信息，其零線可以提供瞬時值和有效值電流檢測，可計算各相電流瞬時值總和并與零線電流比較是否匹配。所有角度測量使用電壓和電流從負(fù)到正時的過零點，同時提供3個角度寄存器，可通過不同配置方式以