【文章內(nèi)容簡介】 個字符，能夠同時顯示16x02即32個字符。（3）12864是128*64點陣液晶模塊的點陣數(shù)簡稱，具體屏幕大，易于編寫程序以及數(shù)據(jù)的顯示，但是價格相對比較貴。由于本系統(tǒng)在實際情況中只能測量到單相的電量數(shù)據(jù)，故采用LCD1602一行顯示字符串，一行采集到的數(shù)據(jù)，進行循環(huán)顯示所采集的電壓，電流，功率，電能等值。3 電參數(shù)測量模塊硬件平臺開發(fā)一個穩(wěn)定可靠的硬件環(huán)境是整個系統(tǒng)可靠運行的基礎，所以硬件設計的首要目標是穩(wěn)定可靠，在滿足可靠性要求的前提下給系統(tǒng)軟件和應用軟件的運行提供一個良好的支撐。 系統(tǒng)整體結(jié)構硬件系統(tǒng)不但在功能上要完全滿足系統(tǒng)運行的要求，而且還要考慮為以后技術的發(fā)展留有余地。硬件部分總體結(jié)構框圖如圖31所示圖31 系統(tǒng)總體結(jié)構框圖電參數(shù)測量模塊的硬件電路設計包括以下幾部分，即電參數(shù)處理部分、中央控制部分、顯示部分以及遠程通信部分?，F(xiàn)將主要部分簡要說明如下，詳細說明見本章的相應小節(jié)。中央控制部分主要通過單片機實現(xiàn)系統(tǒng)中各個部件協(xié)調(diào)控制，數(shù)據(jù)的基本處理等等重要的功能。單片機的片上外設集成得越多，則外擴設備越少，因此系統(tǒng)設計復雜度也越低，可靠性也越高。本設計選用的STC89C52是高集成度的高速8位單片機，開發(fā)環(huán)境集成度高，開發(fā)方便。電參數(shù)處理部分的設計是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分，它是電參數(shù)測量準確性的關鍵，是電能計量功能的體現(xiàn)，它包括前端采樣部分完成原始參數(shù)的精確采樣及初步的整流濾波處理，以及電參數(shù)計量部分對采樣數(shù)據(jù)進行處理和運算來獲得更多有用數(shù)據(jù)，直接得到各相電壓、電流有效值及有功、無功、視在電能值。通信部分計劃采用RS485接口作為與外界實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的中介，采用了多種抗干擾設計，使得本模塊在工業(yè)現(xiàn)場惡劣的工作環(huán)境下保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕⒖赏ㄟ^網(wǎng)絡接口轉(zhuǎn)換模塊連接到以太網(wǎng)，構成網(wǎng)絡化分布式電參數(shù)測量系統(tǒng)。但由于時間較短以及工作量太大，該部分未能完成。輸入接口如圖32所示，其中IA+，IA引腳間所示為電流互感器。本測量模塊在實際場合中可應用于單相電壓電流使用，Ua、Un通過一個220V/12V的變壓器連至負載，以保證測量的安全性。圖32 輸入接口，所以不能直接將電網(wǎng)上的交流電壓或電流直接輸入到芯片上，必須在前端接入電壓與電流互感器及信號調(diào)理電路。下面兩圖33和34是在電能計量電路中采用的模擬信號的前端采樣部分，由1個精密電流互感器提供電壓及電流信號，對于不同規(guī)格的電測模塊，可以采用不同變換比例的互感器。由1路電阻網(wǎng)絡分壓得到各相的電量信號，將電流信號和電壓信號接人電能計量芯片ADE7754。 圖33 電壓前段采樣電路 圖34 電流前端采樣電路為滿足設計指標的需求，功率因數(shù)(PF)等于1時以及功率因數(shù)較低時的精度要求，設計技術指標應該遠高于基本技術指標。，所以選擇電流互感器規(guī)格為5A/5mA。 電參數(shù)處理部分 ADE7754ADE7754 是帶有SPI串行接口和脈沖輸出的高精度多相電能測量芯片, 既可以用于三相三線也適用于三相四線,能夠準確地計量有功和視在功率,并且還可以測量電壓、電流、頻率等電參數(shù),具有非常高的測量精度。同時內(nèi)部具有可編程寄存器來實現(xiàn)在線校準,不需要改動下位機的軟、 硬件系統(tǒng),通過上位機就可以實現(xiàn)精度和測量范圍的調(diào)整。對于有效值測量和功率測量, 能夠逐相進行校準,并且輸出實時有功脈沖,在全量程測量范圍內(nèi)有功測量的誤差可以保持在1%以內(nèi)。圖35 ADE7754芯片ADE7754有24個引腳，其中AVDD與DVDD需輸入5V電壓使芯片工作，CLKIN和 CLKOUT 之間并聯(lián)一個10MHz石英晶體為 ADE7754提供時鐘信號，其他重要的引腳功能如下：（1）IAP ，IAN；IBP，IBN；ICP，ICN：電流通道的模擬輸入。該通道與電流轉(zhuǎn)換器一起使用，為電流通道。這些輸入引腳是全差分電壓輸入，最大的差分輸入信號為177。，177。，177。 。根據(jù)內(nèi)部放大器的增益選擇，來設定輸入電壓的最大值，增益選擇放大器的增益由 PGA 寄存器來設定。所有輸入引腳具有內(nèi)置靜電放電(ESD)保護電路。除此之外，所有的輸入引腳均能承受177。6V 的過電壓而不會造成永久損壞。（2）REFIN/OUT ：該引腳提供對對片上基準電壓的訪問。片上基準電壓額定標稱值為 177。8%。外部參考端也可以與該腳相連。無論是否連接外部參考電壓端，該引腳都應該用一個 1μF 的瓷片電容跟 AGND 端連接去耦。（3）VN，VCP，CBP，VAP：電壓通道的模擬輸入。這些通道與電壓轉(zhuǎn)換器一起使用，為電壓通道。這些輸入是單端電壓輸入，標準運行時最大信號電壓為177。（相對于 VN 端）?？梢酝ㄟ^內(nèi)部寄存器 PGA 選擇輸入信號的最大值為177。，177。 或者177。所有的輸入引腳均能承受177。6V 的過電壓而不會造成永久損壞，并具有靜電放電（ESD）保護電路。（4）IRQ：中斷請求輸出。低電平有效的開漏極邏輯輸出端?？善帘蔚闹袛喟ǎ河泄﹄娔芗拇嫫骱鸵曉陔娔芗拇嫫靼霛M和速率達到 26kSPS 的波形采樣。（5）CS：片選信號，為四線串行接口之一。此低電平有效邏輯輸入控制，允許 ADE7754 與其它幾個裝置分享串行總線。 （6）DIN ：串行接口的數(shù)據(jù)輸入端。在串行口的時鐘信號 SCLK 的下降沿從該引腳輸入數(shù)據(jù)。 （7）SCLK：同步串行接口的串行時鐘信號輸入端。所有串行數(shù)據(jù)與該時鐘同步。SCLK 引腳具有施密特觸發(fā)輸入，以適應速度較慢的邊沿變化時間。 （8）DOUT：串行口的數(shù)據(jù)輸出端。數(shù)據(jù)在 SCLK 信號的上升沿從該引腳傳輸出去。在串行數(shù)據(jù)總線上沒有數(shù)據(jù)流動的時候該邏輯輸出端為高阻抗狀態(tài)。2. ADE7754 的內(nèi)部寄存器ADE7754 內(nèi)部有多達 64 個內(nèi)部寄存器,地址范圍是00H 3FH, 有4 個寄存器為保留寄存器, 其中寄存器3Dh 必須設置為01F7h, 這樣可以提高電流測量的精度。（1）OPMODE( 0Ah) : 在芯片復位后, 它的缺省值為4h。這個寄存器是設置芯片的操作模式的,在本系統(tǒng)中需要輸出有功脈沖,因此將OPMODE 設為0h。（2） GAIN( 18h) : 可以決定電壓通道和電流通道可編程增益的差分放大器的增益值,各有3 檔,分別是X X X4。在本系統(tǒng)中電壓通道放大器增益設為X1,而電流通道放大器增益設為X2, 因此將 GAIN設為2h。（3） MASK( 0Fh) : ADE7754 提供 15 種中斷, 每種中斷是否被屏蔽就是由該寄存器對應的位是否為1來決定,本系統(tǒng)利用了它的LENERGY、 SAGA、 SAGB、SAGC 的中斷類型, 需要在程序中根據(jù)需要設定相應的值。在沒有屏蔽的中斷產(chǎn)生之后, ADE7754 將IRQ 管腳拉低, 直到CPU 讀取 STATUS。缺省值為0h。（4）STATUS ( 10h)/RSTATUS ( 11h) : 這兩個是只讀寄存器,相當于中斷標志寄存器, 用來記錄發(fā)生了哪種中斷,而RSTATUS 和STATUS 的不同之處僅在于讀完了RSTATUS 的值之后它將復位清零。（5） MMODE( 0Bh) : 用來選擇累加過零次數(shù)的相電壓,同時也選擇對某一相或某幾相進行周期測量、 缺相檢測、 過零檢測等等。缺省值為70h,即A、 B、 C 三相都被選擇。ADE7754集成了Σ△模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字積分器、參考電壓源、溫度傳感器以及狀態(tài)寄存器，狀態(tài)寄存器配置電量參數(shù)的計算過程。三相電壓和電流的模擬信號經(jīng)可變增益放大器PGA和A/D變換，輸出離散數(shù)字信號，從而進一步計算電能的有效值、功率、電量等參量。（1）電流的測量。如圖36所示，B相、C相的電流測量通道與圖6相同。這些輸入是全差動電壓輸入，，(相對于UN端)，根據(jù)內(nèi)部放大器的增益選擇來設定輸入電壓的最大值。前端采樣電路的放大器增益由PGA寄存器來設定。每相的電流通道在信號通路中都有一個乘法器，電流波形可以改變士 50%，這主要是由寫入12位有符號電流波形增益寄存器(AIGA則， BIGA取，CIGA取)中的2進制數(shù)決定的。所有的輸入引腳均能承受士6V的過電壓而不會造成永久損壞，并具有靜電釋放保護電路。圖36 電流測量通道可見，電流通道信號經(jīng)信號放大PGA和模數(shù)變換ADC轉(zhuǎn)換為對應的數(shù)字信號，然后經(jīng)電流通道內(nèi)的高通濾波器HPF濾除DC分量并數(shù)字積分，處理后的結(jié)果輸出至三個方向:電流有效值計算、波形采樣寄存器、有功及無功電能計算。由于輸入時可能有噪聲干擾會造成電流相位偏移，可通過寫入AIRMsos，BIRMsos，CIRMsos寄存器進行補償。（2）電壓的測量。如圖37所示，B、C相電壓通道與圖7相同，具有3路單端電壓輸入通道，分別為VAP，VBP和VCP。，信號處理流程與電流通道類似，電壓通道的相位偏移可通過寫入AVRMSOS，BVRMSOS，CVRMSOS寄存器進行補償，在此不再贅述。圖37 電壓測量通道ADE7754內(nèi)部結(jié)構設計采取的是交流采樣法，內(nèi)置高精度的ADC以及專用的數(shù)字處理電路，大大簡化了設計過程，提高精度和可靠性。（3）周期的測量。PEIROD( 07h)記錄了MMODE所選定的電壓周期,當CLKIN= 10MHz時, 周期等于PERIOD**。（4）有功功率，無功功率，視在功率的測量。由于ADE7754中沒有單獨的功率寄存器，求功率時則無法像電壓等其它參數(shù)那樣通過訪問對應寄存器直接得到。因此，通常的求功率方式是采用記脈沖的方法，由單片機處理ADE7754的脈沖輸出引腳如CF的值進行計算，但是所有電子式計量芯片在進行停電實驗時都會發(fā)生丟失n個脈沖的情況，這是采用電子技術不可避免的原理性缺陷，對于實際應用來說，丟脈沖的現(xiàn)象長期積累會造成可觀的電能浪費，這對于追求成本控制的用戶來說是不可忍受的。因此，本設計中采用了軟件方法，提高測量精度。由于功率就是單位時間內(nèi)的能量，如果己知對應時間內(nèi)的能量值，便能夠求出功率。而ADE7754提供了電能寄存器，因此使這種方式通過軟件方法實現(xiàn)成為可能。軟件測量的一種方法是主控單片機定時在t1和t2讀取ADE7754的能量寄存器，將兩次能量值相減再除以時間差，如公式(31)。 P=（E1E2）/（t1t2） (31)理論分析如此，但實際操作時，這種方式既要考慮ADE7754能量寄存器的溢出問題和單片機定時器的溢出問題，還要考慮tlt2的時間長度，過長則使瞬時功率平均化，過短則增加單片機軟件的復雜程度，降低了可靠性。除了上述問題，關鍵是難以做到t1，t2和能量El，EZ同步的問題?？紤]ADE7754內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換過程，能量寄存器的值并非實時值，而是以一定的時間間隔更新，那么在公式(31)中t1，t2無法準確對應于ADE7754實際采樣El，E2的時刻，這樣就存在著不同步現(xiàn)象，必然會影響功率精度。因此在本設計中采用了另一種方法，ADE7754 提供了兩個周期累加電能寄存器 LAENERGY( 3h) 和 LVAENERGY ( 6h) , 在LINCYC 減到0之后就更新寄存器的值,如圖38所示。圖38 累加功率寄存器當WAVMODE 的第5 位為0時, LAENERGY 累加有功電能, 而LVAENERGY 累加視在電能,這時它們累加的值都是非常準確的。 當WAVMODE 的第 5位為1時, LAENERGY 累加無功電能,但這個值是不太準確,只供判斷無功的方向即感容性。因此無功不能夠直接從ADE7754 中讀出,必須通過計算才能夠得到。這兩個寄存器需要分時復用才能夠依次測得各相的功率, 因此只要通過控制 WATMODE( 0Dh)和VAMODE( 0Eh)就可以分別由公式（32）準確得出每一相的有功功率P和視在功率S。P=E/T （32）這樣就不必考慮采樣起始時刻fl和結(jié)束時刻t2，做到了采樣時間和能量同步，每隔周期T刷新一次，還減輕了軟件編寫的難度。根據(jù)ADE7754芯片引腳的功能與輸入值，設計了ADE7754的外圍電路。此時VN和REF引腳輸入為0V，時鐘頻率為10MHz。 圖39 ADE7754外圍電路 STC89C52單片機 STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。，其芯片引腳圖如圖310所示。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復位電路，三個16 位