【文章內(nèi)容簡介】 ，電源電路為了提高系統(tǒng)的抗干擾性、可靠性，分為三個獨(dú)立的電源，使計(jì)量電路， RS485 通訊和 MCU 的電源相互隔離，達(dá)到互不影響的目的，但是它們屬于同一個變壓器，所以選擇變壓器的時(shí)候要注意。 在計(jì)量部分， ADE7755 芯片是一個數(shù)?；旌系碾娐?，因此設(shè)計(jì)比較困難，要想達(dá)到良好的計(jì)量效果，要采取一定的抗干擾措施，如數(shù)字地和模擬地在 PCB板上單點(diǎn)連接，特別是在對電流、電壓采樣的電路直接接在外部線路上，干擾比較嚴(yán)重。 I2C 總線在整個系統(tǒng)中占有重要的作用，它關(guān)系到 LCD 顯示、電量數(shù)據(jù)存儲、時(shí)間和日期的讀取等等，它是 MCU 與外部設(shè)備的接口，是 MCU 獲取信息的 窗口。 在通訊電路中，在通訊發(fā)生時(shí) MCU要接受通訊幀，判斷是否正確，并執(zhí)行通訊命令。 從上面簡單的分析可以看出， MCU是系統(tǒng)的控制器，起著決定性的作用。 電源電路部分 單相電子式電能表的電源電路為三個部分：電量計(jì)量電源電路、 RS485 通訊電源電路、 MCU 及其相關(guān)部分電源電路。 電源是保證電能表正常運(yùn)行的先決條件，因此在進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)時(shí)要考慮多方面因素，如設(shè)計(jì)原理的正確性、電源容量的冗余量，要選擇合適的元件參數(shù)。不能以馬馬虎虎的態(tài)度去解決。 下面為各部分電路的電源電路設(shè)計(jì)圖： 電量計(jì)量電源電路和 RS485 通訊電源電路都通過將壓、整流、穩(wěn)壓和濾波四個環(huán)節(jié)，得到 5V 的直流電壓。整個電源電路是以 78L05 這個穩(wěn)壓芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)的，是一種串聯(lián)的穩(wěn)壓電路。 多功能單相電子式電能表 13 上圖 ： 電量計(jì)量電源電路 下圖 ： RS485 通訊電源電路 多功能單相電子式電能表 14 MCU 及相關(guān)部分電源電路 通過電網(wǎng)輸入 220V 的交流電源，通過變壓器 TR1 降壓，在 6端產(chǎn)生 12V的交流電壓，通過 AB1 全波整流及 C TR C E1 濾波，其中 C TR C2構(gòu)成濾波網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生一個帶有一 定脈動分量的直流電。然后通過并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路 LM317，同時(shí)調(diào)整 R R2 的比值，以得到所需的電壓值 — 。 在上電的時(shí)候，如果上電緩慢，單片機(jī)會出現(xiàn)復(fù)位錯誤，從而導(dǎo)致程序不 能正確運(yùn)行。為了解決這個問題，必須采用快速上電的方法，我采用 MAX809 電源監(jiān)控芯片，當(dāng)上電電源達(dá)到電壓門檻時(shí)， T1三極管導(dǎo)通，開通電源通道，達(dá)到 MCU 快速上電的目的， VCC的電壓為 =。 多功能單相電子式電能表 15 3． 3 計(jì)量電路部分 本次設(shè)計(jì)的單相電子式電能表的計(jì)量部分主要是針對 ADE7755 計(jì)量芯片的電路設(shè)計(jì)，它是有美國 ADI 公司 2020 年研制生產(chǎn)的有功電能單相測量芯片。它是為單相兩線制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，用來生產(chǎn)低成本、高精度單相電能表。 ADE7755 內(nèi)部包括兩路數(shù)模轉(zhuǎn)換器（對來自電壓、電流傳感器的電壓信 號進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，在電流通道中還設(shè)計(jì)了 PGA 電路，同時(shí)還在電流通道中設(shè)置了HPF 電路濾掉直流分量），一個基準(zhǔn)電壓源（其標(biāo)稱值為 ，一般無需外接基準(zhǔn)）和用來計(jì)算有功功率的信號處理電路。 瞬時(shí)功率是通過電壓、電流信號的直接相乘得到的，此瞬時(shí)功率信號經(jīng)過低通濾波器得到有功功率，再經(jīng)過數(shù)字 — 頻率轉(zhuǎn)換器累計(jì)脈沖得到有功電能量。ADE7755 的功率脈沖輸出是通過對上述有功功率信息的累計(jì)產(chǎn)生。 P(t)=u(t)*i(t) W(t)=∫ p(t)= ∫ u(t)*i(t) 這個部分主要包括電壓拾取 電路設(shè)計(jì)、電流拾取電路設(shè)計(jì)以及其他部分電路的設(shè)計(jì)。 電壓拾取電路實(shí)際上是一個分壓電路，將火線和零線（負(fù)荷電壓）分壓：R23/（ R9+R10+R11+R12） ，輸入到測量芯片輸入端 8 腳。通過電阻分壓確保ADE7755 電壓通道中信號電壓在其工作范圍內(nèi)。上面帶有開關(guān)的電阻是一個電阻調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，可在一定范圍內(nèi)調(diào)整信號電壓的大小。使電能表精度提高。 多功能單相電子式電能表 16 上圖： 電壓拾取電路 下圖 ： 電流拾取電路 在電流拾取電路中， R2 C15 和 R2 C16 組成兩個一階低通濾波器，濾除電流通道中的高頻分量。 C17 是通過 K10的合開來選擇是否作用于系統(tǒng)的，它是補(bǔ)償電流信號本身不平衡造成 ADE7755 計(jì)量電能出現(xiàn)比較大的誤差，因此通過人為造成不平衡，使得系統(tǒng)達(dá)到平衡的目的。 多功能單相電子式電能表 17 上圖為 ADE7755 其他電路部分 ，包括脈沖計(jì)數(shù)和電能方向指示。電能脈沖輸出為 CF（腳 22），經(jīng)過光耦輸出： PULSE 電能脈沖，將引入單片機(jī)的輸入端，進(jìn)行電能脈 沖累計(jì)。 REVP 輸出（腳 20）指示電能方向，電能通過光耦輸出。光耦器件是用來隔離 MCU電路的。 是 ADE7755 推薦的主時(shí)鐘頻率。 AVDD 和 DVDD 兩路電源為模擬和邏輯直流正 5V。 電路中 DVDD 和 AVDD 通過 C1 C1 R28 組成的濾波電路連接在一起濾除干擾。選擇內(nèi)部基準(zhǔn)電源，在基準(zhǔn)電源輸出端加上一個濾波電容 C20，防止外界干擾。 通訊部分 本次設(shè)計(jì)的單相電子式電能表采用 RS— 485 通訊信道， RS— 485通訊信道是用來和其他電能表組成 RS— 485 通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn) 程網(wǎng)絡(luò)抄表。 RS— 485通訊接口距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、半雙工通信以及可以實(shí)現(xiàn)總線方式傳送數(shù)據(jù)，非常簡單實(shí)用，在電能表通信中得到了廣泛的使用。 半雙工通信是指可以雙向通信，數(shù)據(jù)傳送方向可以從 A 到 B，也可以從 B到A，但同一時(shí)刻只能是一個方向。 多功能單相電子式電能表 18 發(fā)送器 接收器 數(shù)據(jù) RS— 485通訊電路是通過 3個光耦器件對單片機(jī)電路和 RS485總線電路進(jìn)行隔離的，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，電路中的 TVS1 管并聯(lián)在 RS485A 總線和 RS485B總線的兩端，對電路瞬態(tài) 起保護(hù)作用。 R39 和 R40是偏置電阻，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù)。 JP2 接口是要進(jìn)行瞬變脈沖和靜電干擾的。 MCU 及其它相關(guān)部分 MCU 是選用 89LPC931 這種單片機(jī)，這部分電路有 LCD 顯示電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、存儲器及掉電保護(hù)等組成。 實(shí)時(shí)時(shí)鐘選用的是日本 EPSON 公司于 2020 推出的 8025 時(shí)鐘芯片，內(nèi)置高精度頻率可調(diào)整的 32768HZ 的水晶振子，無須外接晶體，使用簡便、精度高。它是一個 I2C 總線接口的芯片，最高時(shí)鐘頻率為 400HZ，通信速率 較高，它的 I2C地址是 60H。具有定時(shí)功能和鬧鐘功能。 MCU 通過 I2C 總線讀寫 8025 芯片的寄存器，設(shè)置芯片的工作狀態(tài)，校正當(dāng)A B 多功能單相電子式電能表 19 前時(shí)間和日期， 8025 時(shí)鐘芯片是一種低功耗、寬電壓范圍工作的芯片，在工作電源為 3V 時(shí)，工作電流為 ，在 正常工作，同時(shí)能夠檢測晶振的情況和微調(diào)晶振的頻率。 8025 芯片應(yīng)設(shè)置輸出 1S 中的時(shí)鐘脈沖信號，為了保證時(shí)間和工作的連續(xù)性，應(yīng)保證電源不斷電。 8025 引腳說明： NC空引腳； SCLI2C 數(shù)據(jù)串行傳輸同步時(shí)鐘輸入；FOUT32768HZ 時(shí)鐘頻率輸出； TEST測試用，正常使用時(shí)接到 VDD； VDD工作電源輸入； FOE控制 FOUT 的輸出：當(dāng)為高時(shí)，輸出 32768HZ 時(shí)鐘信號；當(dāng)為低時(shí)，不輸出時(shí)鐘信號； /INTA定時(shí)輸出 A 腳，輸出鬧鐘中斷（ ALARMW）或定時(shí)到信號地； SDAI2C 數(shù)據(jù)串行傳輸數(shù)據(jù)引腳（輸入 /輸出） 多功能單相電子式電能表 20 存儲器選用的是支持 I2C 總線的可檫寫 E2PROM，型號是 24WC08，可以隨時(shí)讀寫，而且在掉電后數(shù)據(jù)仍然保存不變。這種存儲器的數(shù)據(jù)寫入是通過提高電壓來完成的，其存儲器內(nèi)部有電壓泵起著泵高電壓的作用。這種存儲器非常適合電能表作數(shù)據(jù)