【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 下式： (45)電阻分壓的原理如下圖所示：+UvUt圖 4 5分壓原理圖其中Ut是主回路電壓，Uv是二次回路電壓。比較這兩種處理電壓的方案，前者可以使二次側(cè)和主回路隔離，但是成本較高，且在PCB板上占用的面積較大；后者設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單線性度好、成本低，但是不能實(shí)現(xiàn)主回路和二次回路的隔離?？紤]到電路板的面積和成本問題，我們?cè)谡{(diào)理電壓時(shí)沒有使用電壓互感器，而是采用了分壓的原理將工頻電壓減小到符合ADE7758要求的信號(hào)。其原理如圖 4 6所示：圖 4 6電壓調(diào)理原理圖在該圖中RV1是壓敏電阻，用來防止由于電路電壓大幅度波動(dòng)對(duì)電路造成的損壞，設(shè)該電路的輸入電壓是Vi輸出電壓是Vo，足有輸入與輸出之間的關(guān)系是： (46)其中，對(duì)于工頻電壓信號(hào)來說阻抗很大可以認(rèn)為是開路，而對(duì)于頻率很高的噪音來說阻抗很小，可以認(rèn)為是短路，因此可以達(dá)到濾除高頻噪音的效果。電阻、的作用是增大后級(jí)電路的輸入阻抗以降低負(fù)載對(duì)分壓電路的影響。由于考慮到工業(yè)環(huán)境的惡劣性以及使用壽命，我們?cè)谶@里使用LED來做顯示界面，LED是采用高亮發(fā)光二極管做成的八段數(shù)碼管，亮度高、工作穩(wěn)定、成本低、壽命長，不像液晶顯示器那樣沒有那么高的亮度。如圖 4 7所示在本設(shè)計(jì)當(dāng)中采用的是四位一體的共陰數(shù)碼管，通過采用級(jí)聯(lián)方式連接74ls164，經(jīng)晶體管進(jìn)行電流放大后來驅(qū)動(dòng)采用動(dòng)數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)態(tài)顯示。采用動(dòng)態(tài)顯示可以降低電源的負(fù)擔(dān)，減少功率消耗。在本設(shè)計(jì)中數(shù)碼管用來顯示任務(wù)菜單以及該儀表所能顯示的各種電能參數(shù)，通過按鍵可以實(shí)現(xiàn)在線編程，達(dá)到實(shí)時(shí)的查詢各相電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、視在功率以及頻率等信息，同時(shí)還可以設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈屎蛢x表的通訊地址等一系列的信息。除此之外，為了達(dá)到更友好的顯示效果，在本設(shè)計(jì)中還添加了一些輔助顯示的發(fā)光二極管，用來顯示一些附加信息。圖 4 7人機(jī)界面原理圖這些輔助發(fā)光二極管的設(shè)計(jì)如圖 4 8所示，在本設(shè)計(jì)中也模仿八段數(shù)碼管的構(gòu)造方式，組合成共陰極結(jié)構(gòu)，這樣可以節(jié)省CUP的控制引腳，同時(shí)在做軟件驅(qū)動(dòng)程序的時(shí)候也能和數(shù)碼管統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)，減少了編程的工作量。公共端的驅(qū)動(dòng)采用的是市場(chǎng)上常見的74L164這樣不但可以減少使用CPU的I/O，同時(shí)還可以起緩沖的作用增強(qiáng)帶載能力。圖 4 8輔助顯示LED原理圖這些輔助二極管輔助顯示當(dāng)前顯示界面所顯示的電能信息的類型（比如電壓、電流、功率等）同時(shí)還將顯示單位。這些輔助顯示隨著用戶要觀測(cè)的電能信息的不同而自動(dòng)的切換。按鍵的設(shè)計(jì)如圖 4 9所示：圖 4 9按鍵原理圖該按鍵從左到右依次為上翻頁、下翻頁、菜單和回車。通過按下菜單鍵可以顯示出第一個(gè)菜單項(xiàng)，通過上下翻頁按鍵來切換菜單和子菜單下的對(duì)應(yīng)項(xiàng)目，當(dāng)用戶設(shè)置完想要設(shè)置的項(xiàng)目的時(shí)候，可以通過按下回車鍵來確定輸入。德州儀器的MSP430系列是一種超低功耗微控制器系列，由針對(duì)各種不同應(yīng)用模塊組合特性的多種型號(hào)組成．微控制器設(shè)計(jì)成可使用電池長時(shí)間工作．由于其 16 位的體系結(jié)構(gòu)，16 位的 CPU 集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，可使 MSP430 實(shí)現(xiàn)了最大化的代碼效率。數(shù)字控制振蕩器使所有低功率模式喚醒到運(yùn)行模式小于 6us 的喚醒時(shí)間。MSP430x13x 和 MSP430x14x 系列是有兩個(gè)內(nèi)置 16 位定時(shí)器，一個(gè)快速12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，一或兩個(gè)通用串行同步/異步通信接口(USART)和 48 個(gè) I/O引腳構(gòu)造的微控制器。典型應(yīng)用包括傳感系統(tǒng)，捕獲模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，處理并發(fā)送數(shù)據(jù)到主系統(tǒng)。定時(shí)器令 MCU 配置適合于數(shù)字電機(jī)控制，EE 儀表，手持儀表等的工業(yè)控制應(yīng)用。硬件乘法器增強(qiáng)了性能，并提供一個(gè)代碼與硬件廣泛兼容的系列解決方案。1) MSP430單片機(jī)的特點(diǎn)：l 低電壓，超低功耗MSP430系列單片機(jī)，~，1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行，耗電電流因不同的工作模式而不同；具有16個(gè)中斷源，并且可以任意嵌套，使用靈活方便；用中斷請(qǐng)求將CPU喚醒只要6us,可編制出實(shí)時(shí)性特別高的源代碼；可將CPU置于省點(diǎn)模式，以用中斷方式喚醒程序。l 強(qiáng)大的處理能力MSP430系列單片機(jī)，為16位RISC結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式，簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可以參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理方法；有效的處理速度，在8MHz晶體驅(qū)動(dòng)下，指令周期為125us。這些特點(diǎn)保證了可編程出高效的源程序。l 系統(tǒng)工作穩(wěn)定上點(diǎn)復(fù)位后，首先有DCOCLK啟動(dòng)CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振穩(wěn)定時(shí)間。然后可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU時(shí)鐘MCLK時(shí)發(fā)生故障，DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位。l 豐富的片內(nèi)外設(shè)MSP430系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。l 方便高效的開發(fā)環(huán)境目前MSP430系列有4種類型器件：OTP型，F(xiàn)LASH型，EPROM型和ROM型。這些器件的開發(fā)手段不同。對(duì)于OTP型和ROM型的器件是用相對(duì)應(yīng)的EPROM型器件作為開發(fā)片，或使用仿真器開發(fā)成功之后在燒寫或掩膜芯片；而對(duì)于FLASH型則有十分方便的開發(fā)環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有JTAG調(diào)試接口，還有可點(diǎn)擦寫的FLASH存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到FLASH內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行，由JTAG接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開發(fā)。這種方式只需要一臺(tái)PC機(jī)和一個(gè)JTAG調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和C語言。l 工業(yè)級(jí)的產(chǎn)品MSP430系列器件均為工業(yè)級(jí)的，運(yùn)行環(huán)境溫度為40—+80度。2) MSP430F149單片機(jī)的介紹：低電源電壓范圍：~；超低功耗： @4kHz ； 160uA @1MHz ；待機(jī)模式：；關(guān)閉模式(RAM 保持)：；活動(dòng)模式：280uA at 1MHz，； 5 種省電模式；6us 內(nèi)從待機(jī)模式喚醒；16 位 RISC 結(jié)構(gòu)，125ns 指令周期；帶內(nèi)部參考，采樣保持和自動(dòng)掃描特性的 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器；有 7 個(gè)捕獲/比較寄存器的 16 位定時(shí)器 Timer_B； 有 3 個(gè)捕獲/比較寄存器的 16 位定時(shí)器 Timer_A ；片內(nèi)集成比較器；串行在線編程，無需外部編程電壓，安全熔絲可編程代碼保護(hù).；MSP430F149：60KB+256B 閃速存儲(chǔ)器，2KB 的 RAM；可用封裝：64 腳方形扁平封裝(QFP)如圖 4 10所示。3) MSP430F149單片機(jī)的引腳：MSP430單片機(jī)有豐富的端口資源，各產(chǎn)品型號(hào)不同，所含端口資源不同，各端口都有豐富的功能以及大量的控制寄存器供用戶操作。MSP430系統(tǒng)中沒有專門的輸入/輸出指令，輸入/輸出操作都是通過傳送指令完成的，端口P0~P6都是可以為尋址的，也就是說端口的每一位都可以單獨(dú)配置。其中，P0、P1和P2口具有中斷能力；TP0具有三態(tài)輸出能力；S和COM是為液晶的驅(qū)動(dòng)而專門設(shè)置的端口。目前MSP430所有系列單片機(jī)的總線都不對(duì)外開放，所以端口就成為用戶可以利用的重要資源。MSP430的端口可以直接用于輸入/輸出，以實(shí)現(xiàn)多功能復(fù)用，還可以為MSP430系統(tǒng)擴(kuò)展設(shè)備提供必要的邏輯控制信號(hào)。常見的鍵盤接口電路可以直接用端口進(jìn)行模擬，用查詢或中斷方式控制。其引腳如圖 4 10所示：圖 4 10MSP430單片機(jī)引腳圖最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖 4 11最小系統(tǒng)原理圖復(fù)位電路采用的是上電復(fù)位方式，如上圖所示。在圖中左上角的芯片是一個(gè)硬件看門狗還附帶有欠壓檢測(cè)功能當(dāng)電壓降到一定得值時(shí)1腳就會(huì)輸出復(fù)位信號(hào)是CPU復(fù)位，右上角的是一個(gè)低功耗、低壓降的三端集成穩(wěn)壓芯片ASM1117，該單片機(jī)的晶振有兩個(gè)輸入源，上面那個(gè)是低速晶振給片上外設(shè)提供時(shí)鐘，下面那個(gè)是告訴晶振，主要是給CPU內(nèi)核提供時(shí)鐘。目前市場(chǎng)上主要的三相計(jì)量芯片有ADE7758，ATT7026A，PL3223，三者都用于三相多功能電能計(jì)量，均適用于三相三線制和三相四線制具有50Hz或60Hz標(biāo)準(zhǔn)頻率的電網(wǎng)。在電能計(jì)量上的差別主要有：ADE7758提供各分相參數(shù)；支持過壓、過流、線電壓跌落、獲得電流/電壓采樣值、在指定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到/未檢測(cè)到過零點(diǎn)、相序錯(cuò)位、有功/無功功率符號(hào)變化、有功/無功/視在電能累加寄存器半滿、電網(wǎng)周期累加模式下最后一個(gè)過零點(diǎn)檢測(cè)完畢等中斷。但不提供功率因數(shù)、相角及各項(xiàng)電能參數(shù)。ATT7026A提供各分相、合相參數(shù)，但不具有中斷功能。PL3223提供若干間接參數(shù)。依次計(jì)算出電壓有效值、電流有效值、線電壓頻率等參量，智能提供過壓、欠壓中斷?？紤]到本設(shè)計(jì)需要提供的電能參數(shù)的多樣性，因此選擇了可以提供多種中斷源的ADE7758芯片。ADE7758是一款高精度的三相電能計(jì)量芯片，帶有兩路脈沖輸出功能和一個(gè)串行接口，集成了6路16位二階模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)字積分器，高性能DSP，基準(zhǔn)電路及溫度傳感器等電路，以及所有進(jìn)行有功、無功和視在電能計(jì)量以及有效值計(jì)量所需要的信號(hào)處理單元，在1000:%，提供有功、無功、及視在電能、電壓、電流有效值及波形采樣等數(shù)據(jù)；三相三線/三相四線兼容。ADE7758為各相提供系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，包括有效值偏移校準(zhǔn)、相位校準(zhǔn)、功率校準(zhǔn)，DSP內(nèi)部對(duì)功率電能進(jìn)行了補(bǔ)償；提供獨(dú)立的有功電能及無功電能脈沖輸出。這些功能特點(diǎn)大大減少了MCU的軟件開發(fā)工作量，簡(jiǎn)化了電能測(cè)量新應(yīng)用模塊的設(shè)計(jì)難度，可做到全電子或真正固體化、靜止化，以有利于提高性能，降低成本，是電能計(jì)量具有高精度、高可靠性、免維護(hù)和雙向通訊功能。ADE7758中具有波形采樣寄存器，它可以對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行訪問。該器件集成了一個(gè)用于短時(shí)低電平和高電平變化的檢測(cè)電路，變化的閥值電壓和持續(xù)時(shí)間（即半周期數(shù)）有用戶編程決定。三相中的任何一相的線電壓過零檢測(cè)與電壓過零點(diǎn)是同步的，過零檢測(cè)的結(jié)果可用于測(cè)量三個(gè)電壓輸入中任意一個(gè)周期，也可用于內(nèi)部芯片的線循環(huán)電能累加模式。該模式使電能累加與半周期的整數(shù)倍同步，以此實(shí)現(xiàn)更快更準(zhǔn)確的校準(zhǔn)。在本設(shè)計(jì)中，ADE7758將電流信號(hào)和電壓信號(hào)先進(jìn)行采樣、A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)化和相位校準(zhǔn)，將初始采樣值送入波形采樣寄存器以供諧波分析使用，再將電流和電壓進(jìn)行計(jì)算，得到各相的有功、無功和視在3種電能，并將3種電能累加到ADE7758對(duì)應(yīng)得寄存器中，同時(shí)由單片機(jī)通過ADE7758的LINECYC模式計(jì)算出有功、無功、視在功率，波形采樣寄存器的值定時(shí)傳入上位機(jī)。數(shù)據(jù)通過ADE7758的SPI串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信。中斷請(qǐng)求輸出（IRQ）為開漏極，低電平有效。在ADE7758中出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)中斷事件時(shí)，IRQ輸出變?yōu)榈碗娖?。通過狀態(tài)寄存器顯示中斷事件的性質(zhì)。電路設(shè)計(jì)及各引腳具體設(shè)計(jì)方式如圖 4 12所示：圖 4 12電能芯片設(shè)計(jì)原理圖如圖 4 12所示，在本設(shè)計(jì)中ADE7758各主要引腳功能及本設(shè)計(jì)中的具體使用方式詳細(xì)介紹如下：1) APCF：有功功率校正頻率邏輯輸出引腳。該引腳的輸出主要用于校準(zhǔn)和操作的目的。滿