【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 壓、電流采樣方案論證與比較 目前，電能表行業(yè)中，關(guān)于電源電壓、電流的采樣方案主要有三種：第一種是采用電流互感器、電壓互感器采樣；第二種電壓采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)采樣，電流采用錳銅電阻采樣；第三種方案以上兩種方案的交叉組成。電流取樣使用電流互感器具有過(guò)載能力強(qiáng)，精度高，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但存在成本高，體積大的缺點(diǎn)；電壓取樣采用電壓互感器同樣具有過(guò)載能力強(qiáng)，精度高，抗干擾能 力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，存在成本高，體積大，校表難度高的缺點(diǎn)；與采用互感器取樣比較電流采用錳銅電阻具有取樣方便，成本低的優(yōu)點(diǎn)，但存在過(guò)載能力弱，抗干擾能力差的缺點(diǎn)；電壓采用電阻分壓網(wǎng)山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????6 絡(luò)取樣具有取樣容易，校表方便、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但存在過(guò)載能力弱的缺點(diǎn)。 比較以上幾種方案，結(jié)合本表的計(jì)量精度要求，電流取樣采用高精度（ 級(jí)）的電流互感器，電壓取樣采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)。該方案既提高了本系統(tǒng)的抗干擾能力，又方便了電能表的校驗(yàn)。 根據(jù)上述方案論證，智能電表系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案如下： AT89S52(CPU)+ATT7030A( 電 量測(cè)量 IC)+X5045 （ Flash 存儲(chǔ)器）+MAX7219 (LED 顯示 IC)+獨(dú)立式鍵 盤 +75LBC184（ 485 通訊 IC） +紅外調(diào)制管 +MC7805(DC 穩(wěn)壓電源 IC)。 本設(shè)計(jì)的 主要工作 測(cè)量的電量可以通過(guò) RS485 總線傳送到上位機(jī)； 測(cè)量的電量可以進(jìn)行紅外線無(wú)線傳輸，我們?cè)O(shè)計(jì)了專用紅外抄表器用來(lái)抄寫(xiě)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單方便； 本設(shè)計(jì)產(chǎn)品可以通過(guò)紅外抄表器設(shè)定更改機(jī)號(hào)； 本設(shè)計(jì)產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)電量計(jì)量，而且當(dāng)預(yù)付電量將要使用完時(shí)，可以發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????7 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件 整體 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 根據(jù)方案比較與論證，三相智能電度表的整體電路主要包括：電源電路、電壓電流采樣處理單元、 CPU 中央處理單元等三部分組成。其中采樣電路又分為電壓采樣模塊、電流采樣模塊； CPU 中央處理器單元又分為 CPU中央處理器、鍵盤、顯示、外部存儲(chǔ)器、 485 接口、紅外收發(fā)、負(fù)荷控制、報(bào)警模塊。整體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖 31。 CPU 中央 處理器 鍵盤 顯示 外部存儲(chǔ)器 4 8 5 接口 紅外收發(fā) 報(bào)警 負(fù)荷控制 C PU 中央處理單元 電 壓 取 樣 電流取樣 AU BU CU AI BI CI 電 源 電 路 圖 31 系統(tǒng) 整體電路原理框圖 系統(tǒng)工作原理： 第一步接通電源電路， CPU 中央處理單元上電，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。此狀態(tài)下， CPU 取出存于外部存 儲(chǔ)器中的剩余電量數(shù)據(jù)和本電表機(jī)號(hào)并顯示于顯示模塊上。當(dāng)按下鍵盤“設(shè)置鍵 ”時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入功能設(shè)置狀態(tài)，按“確定鍵 ”則退出該狀態(tài)。 第二步采樣單元發(fā)出電量計(jì)量脈沖信號(hào)，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。次狀態(tài)下， CPU 對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)及計(jì)算電量，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)算后得到這段時(shí)間中用戶消耗的電量。用戶上次預(yù)購(gòu)電量減去剩余電量，得到用戶新的預(yù)購(gòu)山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????8 電量剩余值。如果該值小于某一值時(shí)，通過(guò)報(bào)警模塊通知用戶及時(shí)購(gòu)電。 有兩種事件是隨機(jī)發(fā)生的： 485 通信和紅外通信事件。當(dāng)上位機(jī)向電表發(fā)出通信請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入 485 通信狀態(tài)，通信結(jié)束退出該狀態(tài)。當(dāng)紅外抄表器向電表發(fā)出通信請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入紅外通信狀態(tài)，通信結(jié)束退出該狀態(tài)。 系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖見(jiàn)圖 32。 圖 32 系統(tǒng) 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 電源電路設(shè)計(jì) 三相電壓、電流采集處理電路與 CPU 中央處理單元均需要 5V 直流電源供電，為提高系統(tǒng)工作可靠性及適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)電壓波動(dòng)范圍大的情況，本系統(tǒng)采用三相電源變壓 整流 濾波 穩(wěn)壓方式。具體設(shè)計(jì)電路見(jiàn)圖 33。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????9 圖 33 系統(tǒng)電源電路 工作原理 如圖 321所示，系統(tǒng)直流電源 AVCC 直接由三相交流電源轉(zhuǎn)換而來(lái)。以 A 相位例， A 相 220V 交流電經(jīng)變壓器變壓得到交流 電 V1， V1 經(jīng)過(guò)整流橋整流得到含有較大紋波系數(shù)的直流電 V2， V2 經(jīng) C1 C14 濾除紋波后進(jìn)入三端穩(wěn)壓器件 LM7805 穩(wěn)壓處理得到 V3， V3 經(jīng) C1 C16 濾波得到系統(tǒng)需要的直流電源 AVCC。 B相、 C相原理于 A 相相同。 由 Multisim 軟件仿真得到 V V V3 波形如圖 34 所示 圖 34 系統(tǒng)電源部分電壓波形圖 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????10 變壓模塊 由 220V 交流電得到 5V 直流電第一步需要選用變壓器進(jìn)行降壓處理，變壓器兩端的匝數(shù)比決定著降壓系數(shù)。三端穩(wěn)壓電源 LM7805 最大輸入電壓為 30V，正常范圍為 5～ 18V，所以變壓器副邊輸出電壓 V1可以選擇 15V。根據(jù)變壓器兩側(cè)電壓比，可計(jì)算出變壓器的原副邊匝數(shù)比： N1:N2=VA:V1=220:15 式（ ） 整流模塊 整流是交流電轉(zhuǎn)換為直流電的必要步驟，常見(jiàn)的二極管整流方式有半波整流、全波整流、橋式整流等，橋式整流以其較高的利用率而廣泛應(yīng)用。整流橋后有 C1 C14 組成的濾波單元，不考慮整流二極管正向壓降時(shí)輸出電壓： V2= 2 V1=（ V） 式 （ ） 由圖 322 可見(jiàn)，在 V1 負(fù)峰值時(shí)，整流二極管承受最大反向電壓： MAXV =V2 2 V1=()=（ V） 式 （ ） 考慮冗余設(shè)計(jì)，整流二極管最大反向工作電壓應(yīng)選擇 VR= 2 MAXV =60（ V） 式 （ ） 濾波模塊 電容濾波原理是電容針對(duì)不同頻率的信號(hào)產(chǎn)生的阻抗不同，從而使信號(hào)因不同頻率而產(chǎn)生的不同衰減度。要計(jì)算電容在某信號(hào)下的阻抗就必須考慮電容的等效模型，圖 35 是一般電容的等效模型，由一 個(gè) 等效電容 C和一 個(gè) 等效電感 CL 組 成。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11 圖 35 電容等效模型 設(shè)某信號(hào)頻率為 ?， 則電容在該頻率 下產(chǎn)生的阻抗計(jì)算如下： （ 1）當(dāng)電容為電容值較小的陶瓷電容時(shí)，其等效電感量很小，可忽略不記，電容產(chǎn)生阻抗為： 1Z C?? 式（ ） （ 2）當(dāng)電容為電容值較大的電解電容時(shí)，其等效電感不能忽略，電容產(chǎn)生阻抗值為： 1 +ZLC ??? 式（ ） 由上述 兩式 可見(jiàn)，濾除低頻信號(hào)用大電容，濾除高頻信號(hào)用小電容。所以這里我們選擇大小兩顆電容，大電容 C1 選擇 370uF 濾除低頻噪聲，小電容 C2 選擇 濾除高頻噪聲。此外大電容也起到緩沖穩(wěn)定電壓作用。 C13 兩端電壓為 V1 的峰值電壓，所以 V2= 2 V1=，故 C1 C14的耐壓值可選擇 50V。 穩(wěn)壓模塊 穩(wěn)壓電源分為線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源兩類，其中：線性穩(wěn)壓電壓優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性高、波紋小、電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是體積大、效率低、驅(qū)動(dòng)電流小；開(kāi)關(guān)電源 優(yōu)點(diǎn)是體積小、效率高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)；缺點(diǎn)是波紋系數(shù)大，山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????12 穩(wěn)定性不如線性穩(wěn)壓電源好。本系統(tǒng)電源直接供給 IC，對(duì)驅(qū)動(dòng)電流要求不大，且 ATT7030A 對(duì)電源穩(wěn)定性要求較高，所以這里我們選擇線性穩(wěn)壓電源。 三端穩(wěn)壓集成電路 LM7805 所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格便宜 ，所以被廣泛應(yīng)用。 LM7805 如圖 36所示， 1 腳為輸入端， 2腳為輸出端， 3腳為接地端。 圖 36 LM7805 引腳圖 LM7805 主要電參數(shù)： 輸入電壓范圍： 5～ 18V，最大值 30V 輸 出電壓： ～ ，典型值 線性調(diào)整度： 負(fù)載調(diào)整率： 輸出噪聲電壓： 42uV 輸入輸出壓差： 2V 輸出阻抗 :15mΩ， 12KHz時(shí)。 峰值電流： 靜態(tài)電流： 短路電流： 230mA 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????13 紋波抑制比： 73dB V2 經(jīng)過(guò)電容濾波進(jìn)入 LM7805，輸出電壓 V3 穩(wěn)定為 5V， LM7805 后仍需接大小兩個(gè)電容輸出電壓才能真正穩(wěn)定。其中，大電容的作用是增強(qiáng)負(fù)載特性（輸出阻抗隨頻率增加基本保持不變）和瞬變響應(yīng)（利用電容電壓不能瞬間改變特性），小電容的作用則是 濾除高頻干擾，兩者耐壓值選擇 15V。 電壓電流采樣處理單元 本系統(tǒng)電壓電流采樣處理單元采用 ATT7030A 作為核心處理芯片，外圍輔以電源、電壓電流模擬輸入、脈沖輸出等電路。 ATT7030A 簡(jiǎn)介 ATT7030A 是一款對(duì)三相有功電能進(jìn)行高精度測(cè)量的芯片，其特點(diǎn)如下： 高精度，在 1000 到 1 的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差小于 %； 電能測(cè)量符合 1S、 級(jí)，支持 IEC 687/1036 標(biāo)準(zhǔn)， GB/T 172151988； 提供有功電能測(cè)量 當(dāng)任意一相功率反向時(shí)，提供 功率反向指示信號(hào) REVP； 當(dāng)三相合功率為負(fù)時(shí)提供反相指示信號(hào) NEGP，可以用于止逆場(chǎng)合； 提供缺相指示 PA/PB/PC； 提供有功電能校準(zhǔn)輸出脈沖： CF1； 提供輸出脈沖 F1/F2，用于驅(qū)動(dòng)電量計(jì)度器和步進(jìn)電機(jī)； 三相合電能計(jì)算模式是可選擇的； 提供校準(zhǔn)電阻網(wǎng)絡(luò)； +5V 單電源供電 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????14 ATT7030A 引腳定義 ATT7030 采用 QFP44 封裝形式，引腳圖見(jiàn)圖 37，各引腳定義見(jiàn)表 31. 圖 37 ATT7030A 引腳圖 表 31 ATT7030A 引腳定義表 管腳 名稱 I/O 描述 1 RESET I ATT7030 復(fù)位，低電平有效，內(nèi)部上啦 47K 電阻 2 SIG O 正常工作時(shí) SIG 腳為低電平 3, 4 V1P/V1N I A 相模擬電流輸入通道。最大輸入信號(hào)電平177。所輸入端內(nèi)部都有靜電保護(hù)電路，這些輸入腳還有177。 6V 過(guò)電壓保護(hù)，防止器件被損毀。 5 REFCAP O 內(nèi)部基準(zhǔn)電壓， ，可以連接到外部基準(zhǔn)電壓。該腳通過(guò) 10uF 和 電容接地去耦。 6, 7 V3P/V3N I B 相模擬電流輸入通道。 最大輸入信號(hào)電平177。