【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 源引腳。5,6IAP,IAN電流通道模擬輸入。7,8IBP,IBN電流通道模擬信號(hào)差動(dòng)輸入，本方案選擇輸入信號(hào)最大為177。9,10ICP,ICN電流通道模擬輸入。12REFIN/OUTAD采樣參考電壓。13,14VN,VCP電壓通道模擬信號(hào)單端輸入。本方案選擇輸入信號(hào)最大為177。15,16VBP,VAP18IRQ中斷輸出引腳，外接10KΩ上拉電阻，低電平有效，與單片機(jī)INT1端口相接。19,20CLKIN10KHz輸入、輸出引腳。CLKOUT21,22CS,DIN4線SPI串行接口，實(shí)現(xiàn)片內(nèi)寄存器的寫入及電量參數(shù)、中斷數(shù)據(jù)的讀出，CS低電平選通，DIN端口時(shí)鐘下降沿?cái)?shù)據(jù)輸入，DOUT端子時(shí)鐘上升沿?cái)?shù)據(jù)輸出。23,24SCLK,DOUT 計(jì)量電路原理計(jì)量電路采用ADE7758專用電能計(jì)量芯片，由信號(hào)衰減網(wǎng)絡(luò)和濾波網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。衰減網(wǎng)絡(luò)用來實(shí)現(xiàn)負(fù)荷電流、電壓信號(hào)的衰減，由電流傳感器、電壓互感器組成；濾波網(wǎng)絡(luò)用來實(shí)現(xiàn)抗混疊濾波，由電阻、電容元器件組成[5]。頻率混疊是A／D信號(hào)采樣處理中的特有現(xiàn)象，混疊會(huì)產(chǎn)生假頻率假信號(hào)，影響測(cè)量結(jié)果。在進(jìn)行電流、電壓信號(hào)衰減后，要進(jìn)行抗混疊濾波設(shè)計(jì)。電流回路由電流傳感器進(jìn)行信號(hào)取樣，電壓回路由電壓互感器進(jìn)行信號(hào)取樣。計(jì)量芯片ADE7758對(duì)取樣信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出瞬時(shí)有功、無功功率。平均有功、無功功率通過瞬時(shí)功率的直流分量獲得。在電量累加寄存器中對(duì)平均功率進(jìn)行累加得到分相電量，分相電量可以通過SPI端口讀出，也可以轉(zhuǎn)換為計(jì)量脈沖輸出。ADE7758有兩路脈沖輸出，對(duì)應(yīng)端子為APCF和VARCF。脈沖輸出頻率與能量寄存器中累加的能量成正比，通過對(duì)脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)電量參數(shù)的累加。計(jì)量電路原理參考圖3所示（見附錄）。以ADE7758的A相電流、電壓通道為例分析，參考圖3所示。電流通道采用差動(dòng)方式輸入。IAP為差動(dòng)信號(hào)的正極性輸入端子，IAN為負(fù)極性輸入端子，各端子的抗混疊濾波網(wǎng)絡(luò)由lkΩ的電阻和10nF的電容組成。電壓通道采用單端方式輸入。發(fā)光二極管LEDl指示功率分段和變比切換情況。，CD4053的ay端子與a選通，A相小變比電流檢測(cè)信號(hào)選通，對(duì)應(yīng)低負(fù)荷計(jì)量模式：，aX端子與a選通，高變比電流檢測(cè)信號(hào)選通，對(duì)應(yīng)正常負(fù)荷計(jì)量模式，此時(shí)LEDl導(dǎo)通發(fā)光。電流傳感器在工作時(shí)二次端不允許斷路，在設(shè)計(jì)時(shí)采用Rbl、Rb2，RbRb4作為二次端高低變比計(jì)量回路的分流電阻。在進(jìn)行電流信號(hào)檢測(cè)時(shí)，兩組計(jì)量回路彼此獨(dú)立，通過CD4053芯片進(jìn)行選通。對(duì)于B、C兩相電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)與A相同。分流電阻選取要考慮阻值大小和額定功率兩個(gè)因素，阻值選取與負(fù)荷額定最大電流Imax、傳感器變比CTRN有關(guān)。設(shè)計(jì)額定最大電流輸入時(shí)ADE7758電流通道為 Vf=。根據(jù)電度表參數(shù)配置，高變比時(shí)Imax=250A，CTRN=30。分流電阻Rb的計(jì)算如公式3所示：Rb== (3)高變比最大額定電流輸入時(shí)，分流電阻Rb消耗功率Pb的計(jì)算如公式4所示：Pb=178。Rb= (4)根據(jù)上述計(jì)算參數(shù)進(jìn)行分流電阻的選擇。上述參數(shù)確定之后，以小變比計(jì)量為例，說明ADE7758前端模擬電路的電流、電壓信號(hào)衰減問題。如圖3所示，在小變比額定電流輸入I=30A時(shí)，計(jì)算如公式5所示：Vf== (5) 其中6為電流傳感器低變比系數(shù)。電流信號(hào)在進(jìn)入ADE7758計(jì)量芯片前，其衰減倍率記為f=30／=10kV的電壓信號(hào)在經(jīng)過電壓互感器后轉(zhuǎn)換為100V，再由500MΩ和lKΩ的電阻網(wǎng)絡(luò)分壓后，其衰減倍率記為fv=100500。 接口電路設(shè)計(jì)接口電路用來實(shí)現(xiàn)ADE7758與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信，一方面可以通過SPI口進(jìn)行計(jì)量芯片ADE7758的初始化，另一方面ADE7758把數(shù)據(jù)處理的結(jié)果以脈沖形式或SPI口送出，供單片機(jī)進(jìn)行計(jì)量處理。ADE7758與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)如圖4所示。圖4 ADE7758與單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)與接口電路有關(guān)的全局變量說明如下：長(zhǎng)整型變量RO、EO、EEEEP、V，字符型變量HHH3。去耦電容CC6的作用是濾除芯片電源輸入中的尖峰脈沖成分，旁路電容C29的作用是使ADE7758電源電壓輸入保持基本穩(wěn)定。RR9為限流電阻，對(duì)單片機(jī)的I／O口起到限流保護(hù)作用。ADE7758每產(chǎn)生一個(gè)有功或無功脈沖，對(duì)應(yīng)的LED3或LED2會(huì)閃亮一次。IRQ為ADE7758中斷輸出端子，低電平有效，漏極開路，外接10kΩ的上拉電阻。當(dāng)ADE7758檢測(cè)到中斷發(fā)生時(shí)，IRQ向低電平跳變，發(fā)出INT1中斷申請(qǐng)。單片機(jī)通過讀取ADE7758狀態(tài)復(fù)位寄存器內(nèi)容，判斷中斷事件的類型。 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)與器件選擇 單片機(jī)及外圍電路設(shè)計(jì)AT89S52是一款單片封裝的微控制器，具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，8K Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256 Bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。復(fù)位采用MAX813L看門狗芯片。為了避免因外界干擾而導(dǎo)致應(yīng)用程序“跑飛”或出現(xiàn)死循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX813L內(nèi)部時(shí)鐘寄存器清零，防止因“看門狗溢出而導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位[7]。KKK4為三個(gè)功能按鍵，按鍵掃描采用中斷方式進(jìn)行。功能按鍵有兩個(gè)作用，一是電量參數(shù)及事件記錄的查詢，二是時(shí)鐘參數(shù)的初值輸入調(diào)整[8]。圖中“與”門邏輯采用74LS08芯片實(shí)現(xiàn)。主電源與后備電源之間的電路切換通過兩個(gè)二極管D1和D2實(shí)現(xiàn)。主電源上電后，二極管Dl導(dǎo)通，D2截止，主電源通過10KΩ的電阻對(duì)后備電源充電。主電源掉電后，二極管Dl截止，D2通，后備電源開始對(duì)單片機(jī)進(jìn)行供電，使單片機(jī)的RAM中累加的電量參數(shù)不丟失。掉電后LIR2032只對(duì)單片機(jī)和DSl302時(shí)鐘芯片供電，以減小能量消耗，這是通過二極管D1的單相導(dǎo)通作用實(shí)現(xiàn)[9]。單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)如圖5所示。圖5 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) 顯示模塊HCl602顯示采用162字符型液晶HC1602，與單片機(jī)的接口電路如圖6所示。圖6 單片機(jī)與HCl602的接口電路設(shè)計(jì)圖中CC5為單片機(jī)和液晶模塊HCl602的去耦電容。DBO～DB7為HCl602的數(shù)據(jù)線，～。R15為阻值可調(diào)的電位器，用來調(diào)整液晶顯示的對(duì)比度，當(dāng)VO端子對(duì)地電壓為0V時(shí)液晶顯示最為清晰。A、K為HCl602背光燈的電源端子和接地端子，其中電源端子A通過跳線JP2與主電源相接[10]。正常情況下，JP2斷開以減小電度表能耗，在電量查詢時(shí)閉合JP2，接通背光燈電源。顯示與按鍵相結(jié)合，用來實(shí)現(xiàn)電量參數(shù)的查詢顯示、異常事件記錄查詢顯示以及時(shí)鐘參數(shù)初值輸入調(diào)整結(jié)果顯示。當(dāng)沒有中斷發(fā)生時(shí)，進(jìn)行總的有功、無功電量顯示，字符顯示是通過P0口讀入該字符的ASCII碼實(shí)現(xiàn)。舉例如下：字符‘1’的ASCII為“Ox31”。在完成LCD初始化設(shè)置后，把該字符對(duì)應(yīng)的ASCII碼“0x03”通過P0口寫入LCD的內(nèi)部寄存器DDRAM中。通過控制端子Rs、R／W的狀態(tài)組合實(shí)現(xiàn)指令的寫入以及數(shù)據(jù)的讀、寫操作，HC1602操作說明如表5所示。表5 HC1602操作說明RSR/W操作說明00把指令寫入寄存器，初始化LCD01讀LCD“忙”狀態(tài)標(biāo)志10把數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器，顯示 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)AT24C02存儲(chǔ)芯片采用AT24C02芯片，該芯片是一個(gè)1K/2K/4K/8K/16K位串行CMOS E2PROM，內(nèi)部含有128/256/512/1024/2048個(gè)8位字節(jié)，CATALYST公司的先進(jìn)CMOS技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的損耗。CAT24WC01有一個(gè)8字節(jié)寫緩沖器，24C02有一個(gè)16字節(jié)頁(yè)寫緩沖器。該器件通過I178。C總線接口進(jìn)行操作有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能