【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 脈沖的整形、計(jì)數(shù)、顯示完成電能的計(jì)量。這種方案顯示直觀，讀數(shù)容易，但它仍然具有機(jī)械式感應(yīng)電度表的缺點(diǎn)，即耗電多、笨重。 ② 方案二 模數(shù)轉(zhuǎn)換式 對(duì)電流和電壓分別采樣，再通過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后送入單片機(jī)進(jìn)行相乘運(yùn)算。并在 CPU 中設(shè)置一個(gè)定時(shí)器定時(shí)對(duì)功率進(jìn)行累加，其系統(tǒng)框圖如圖 21 所 示。 這種方案對(duì)信號(hào)的采樣速率快，但 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度要求高，而且由于電網(wǎng)的電力諧波引入前置通道，導(dǎo)致 A/D 轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。為抑制這種干擾，必須在軟件上加數(shù)字濾波器或在硬件上采用隔離放大器和高精度的運(yùn)算放大。這將增加 CPU 的負(fù)擔(dān)和硬件電路成本，其方案可行而不可取。 I / U 變 換A / D 變 換A / D 變 換C P U液 晶 顯 示 器控 制 鍵 盤I C 卡 卡 座IU 圖 21 方案二的系統(tǒng)框圖 第 2章 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表 總體方案的設(shè)計(jì) 7 ③ 方案三 電壓頻率轉(zhuǎn)換式 采用電壓頻率（ V/F）轉(zhuǎn)換器加單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流和電壓的 A/D 轉(zhuǎn)換。這樣，模擬通道中本身的干擾信號(hào)被抑制。無須專門的 A/D 轉(zhuǎn)換器，大大減少了硬件成本。 CPU 只需對(duì) V/F 轉(zhuǎn)換后的脈沖進(jìn) 行定時(shí)計(jì)數(shù)，便可測(cè)出電壓和電流的數(shù)字量。同時(shí)，電壓和電流分別經(jīng)過零檢測(cè)電路。將過零脈沖送 CPU 處理，得出電流和電壓的相位差（ cos? ），經(jīng)過查表得功率因數(shù)（ cosP UI ?? ）計(jì)算 ,便得有功功率 ,再定時(shí)累加就是電能值。系統(tǒng)框圖如圖22 所示。 I / U 變 換液 晶 顯 示 器C P U過 零 檢 測(cè)V / F 轉(zhuǎn) 換模 擬開 關(guān)I C 卡 卡 座控 制 鍵 盤過 零 檢 測(cè)IU 圖 22 方案三的系統(tǒng)框圖 這種方案的 CPU 要實(shí)現(xiàn)讀寫卡控制、求功率因數(shù)（ cos? ）、電能計(jì)算等功能，負(fù)擔(dān)較重，一般的 MCS5 MCS96 和 PIC 系列單片機(jī)難以勝任。 ④ 方案四 功率累加式 將端口電流和電壓先送入模擬乘法器相乘，得到一個(gè)與功率 P 成正比的模擬電壓（或電流），再經(jīng)過 V/F 變換（或 I/F 變換）變成頻率信號(hào) f 。單片機(jī)對(duì)頻率信號(hào) f 進(jìn)行累加，即可得出電能。系統(tǒng)框圖如圖 23 所示。 這種方案不但兼有方案三的優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì) CPU 的要求低，采用 MCS51系列單片機(jī)完全可以勝任。而且，現(xiàn)在已有集成電路（如： BL093 SM9903）燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 將模擬乘法器、低通濾波器和 V/F 變換器集成，其性能指標(biāo)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于分立元件。 I / U ? ? V /F????????????CPU? ? ? ? ?? ? ? ?IC ???IU 圖 23 方案四的系統(tǒng)框圖 基于以上分析，方案四明顯優(yōu)于其他三種方案。其中，模擬乘法器、低通濾波器和 V/F 變換器采用集成電路 SM9903。 CPU 采用 AT89C52，它內(nèi)部有 8KB 的程序存儲(chǔ)器，應(yīng)用于此系統(tǒng)綽綽有余。采用液晶顯示器可顯示漢字，使界面清晰、明了。 預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) ① 方案一 采用非加密存儲(chǔ)器卡作為銷售電能的傳輸媒質(zhì) 非加密存儲(chǔ)器卡的卡 內(nèi)嵌入芯片為通用存儲(chǔ)器芯片。 存儲(chǔ)器卡的特點(diǎn)： ? 卡內(nèi)嵌入的芯片多為通用 EEPROM。 ? 無安全控制邏輯，可對(duì)片內(nèi)信息不受限制地任意存取。 ? 卡片制造中也很少采取安全保護(hù)措施。 ? 多采用 2 線串行通信協(xié)議（ I2C 總線協(xié)議）。 非加密存儲(chǔ)器卡信息存儲(chǔ)方便、使用簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，很多場(chǎng)合可替代磁卡。但由于本身不具備信息保密功能，因此只能用于保密性要求不高的場(chǎng)合，其典型型號(hào)有： 第 2章 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表 總體方案的設(shè)計(jì) 9 ? AT24C01A/02/04/08/16/32/64 二線串行 EEPROM。 ? Microchip 24LC01A/02/04/08/16/32/65 二線串行 EEPROM。 ? SLE4418 智能型 1KB EEPROM。 ? SLE4432 智能型 256B EEPROM。 ? AT45D041 大容量（ 4KB）閃速存儲(chǔ)卡。 對(duì)于某單位或?qū)W校內(nèi)部進(jìn)行定量用電，超標(biāo)付款，則可采用此方案。 ② 方案二 加密存儲(chǔ)器卡 加密存儲(chǔ)器卡（ Security Cards 接觸型）的芯片由非易失性存儲(chǔ)器和硬件加密邏輯構(gòu)成。 加密存儲(chǔ)器卡的特點(diǎn)： ? 具有安全控制邏輯，安全性能較好。 ? 同時(shí)采用 ROM、 PROM、 EEPROM 等存儲(chǔ)技術(shù)。 ? 從芯片制造到交貨，均采用較好的安全保護(hù)措施。 ? 為提高安 全性，加密存儲(chǔ)器卡的存儲(chǔ)空間被分為多個(gè)不同的功能區(qū)。 加密存儲(chǔ)器卡內(nèi)嵌芯片在存儲(chǔ)區(qū)外增加了控制邏輯。在訪問存儲(chǔ)器前，需要核對(duì)密碼。只有密碼正確，才能存取數(shù)據(jù)。允許連續(xù)密碼核驗(yàn)的錯(cuò)誤次數(shù)很少（一般在十次以內(nèi)），可以有效防止非法試探。若在限定的次數(shù)密碼仍不對(duì)，則卡片死鎖作廢。這類器件保密性較好，應(yīng)用較廣泛。此方案保密性優(yōu)于方案一，可用于社區(qū)或以村為單位的預(yù)付費(fèi)用電系統(tǒng)。 ③ 方案三 CPU 卡 CPU 卡的硬件構(gòu)成包括 CPU、存儲(chǔ)器（含 RAM、 ROM、 EEPROM 等）、卡與讀寫終端通信的 I/O 接口及加密運(yùn)算協(xié)處理器 CAU。 其中： ? CPU 一般均為兼容于 8 位字長(zhǎng)單片機(jī)等（如 MC68HC0 Intel8051等）的微處理器。它將在 COS(Chip Operation System，片內(nèi)操作系統(tǒng)）控制下，實(shí)現(xiàn)卡與外界的信息傳輸、加密、解密和判別處理等。 ? ROM 用于存放 COS,3KB～ 16KB。 ? RAM 用于存放中間處理結(jié)果及作為卡與讀寫器間信息交換的中間緩沖器， 128B～ 1KB。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 ? EEPROM 則是真正可供用戶訪問的存儲(chǔ)區(qū)，用于保存卡的各種信息、密碼、應(yīng)用文件等， 1KB～ 16KB。 CPU 卡（ Smart Cards 接觸型）內(nèi) 嵌芯片相當(dāng)于一個(gè)特殊類型的單片機(jī)，內(nèi)部除了帶控制器、存儲(chǔ)器、時(shí)序控制邏輯外，還帶有算法單元和操作系統(tǒng)。CPU 卡有存儲(chǔ)容量大、處理能力強(qiáng)、信息存儲(chǔ)安全等特性，因此廣泛應(yīng)用于信息安全性要求特別高的場(chǎng)合。此方案保密程度高，適用于大范圍（如全國(guó)性的）預(yù)付費(fèi)售電系統(tǒng)。 所以在對(duì)以上三種方案的比較后，我在本設(shè)計(jì)中，選用第一種方案，以非加密存儲(chǔ)器卡作為售電的傳輸媒質(zhì)，具體型號(hào)是 AT24C01。 本章小結(jié) 本章給出了 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表總體方案的設(shè)計(jì)，包括 電能計(jì)量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)方案設(shè)的設(shè)計(jì)。根據(jù)以 上各種方案的比較與選用，再根據(jù)具體設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，計(jì)量模塊使用電能計(jì)量芯片 SM9903 對(duì)用戶的電能進(jìn)行計(jì)量，通過光耦連接到單片機(jī)。采用非加密存儲(chǔ)器卡作為售電的傳輸媒質(zhì)，具體型號(hào)是 AT24C01。 第 3章 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表硬件電路的實(shí)現(xiàn) 11 第 3 章 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表硬件電路的實(shí)現(xiàn) 有功電能測(cè)量的基本原理 本設(shè)計(jì)采用有功電能測(cè)量集成電路 SM9903，芯片內(nèi)部包含了四象限模擬乘法器、積分器、電壓／頻率轉(zhuǎn)換器 VFC，它能將正弦電壓和電流相乘后，轉(zhuǎn)換為頻率輸出。只需對(duì)輸出脈沖累計(jì)計(jì)數(shù)，就可計(jì)量出電能。 SM9903 內(nèi)部電路模型如圖 31 所示 圖 31 SM9903 內(nèi)部電路模型示意圖 在正弦穩(wěn)態(tài)情況下，設(shè)正弦電壓和電流分別為： 2 cosu U t?? 2 cos( )i I t???? 式中， u 為交流電壓瞬時(shí)值， i 為交流電流瞬時(shí)值， U 為交流電壓有效值， I為交流電流有效值， ? 為交流電的角頻率， ui? ? ???為電壓電流的相位差。 經(jīng)四象限模擬乘法器相乘后的瞬時(shí)功率為： 2 c o s 2 c o s( )p u i U t I t? ? ?? ? ? ? ? ?)2c o s (c o s ??? ??? tUI 可見，瞬時(shí)功率有恒定分量 cosUI ? 和正弦分量?jī)刹糠?，正弦分量的頻積分器 V/F 轉(zhuǎn)換 器 四象限模擬乘法器 u i p P 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 率是電壓（或電流）頻率的兩倍。 瞬時(shí)功 率 p 經(jīng)積分器后，得有功功率 P ，即 ? ?0011 c o s c o s ( 2 )TTP p d t U I t d tTT ? ? ?? ? ? ??? ?? UIUI ?? cos 一段時(shí)間 T 內(nèi)的電能 W 為 00 c o sTTW P d t U I d t????? cosT U I T U I???? 以上分析表明，有功功率 P 為恒定分量，將正比于 P 的電壓經(jīng) V/F 變換后，輸出的是頻率隨 P 變化的脈沖，只需將脈沖累計(jì)計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)值 N 即為電能。 電能計(jì)量電路的實(shí)現(xiàn) 單相電子式付費(fèi)電度表的硬件電路可分為電能計(jì)量電路、復(fù)位晶振電路、顯示電路、 IC 卡接口、電能存儲(chǔ)器、掉電檢測(cè)幾大模塊。下面對(duì)各部分電路的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行介紹。 SM9903 芯片介紹 電能計(jì)量電路采用電子電度表專用集成電路 SM9903。首先有必要介紹一下 SM9903 的相關(guān)特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)。 SM9903 采用 3um 硅柵 BICMOS 工藝制成。電路設(shè)計(jì)先進(jìn)，內(nèi)部集成有低通濾波器、乘法器、 V/F 型 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路。 ① 特點(diǎn) ? 精確測(cè)量正負(fù)兩個(gè)方向的有功功率，且以同一個(gè)方向計(jì)算電能。 ? 線性度高，動(dòng)態(tài)工作范圍寬。 ? MCU 數(shù)據(jù)接口。 ? 直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。 ? 適用于單相、三相電度表。 第 3章 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表硬件電路的實(shí)現(xiàn) 13 ? 低功耗。 ? 20 年使用壽命。 ② 功能 SM9903 是將取自電阻網(wǎng)絡(luò)的交流電壓和交流電流信號(hào)進(jìn)行放大。應(yīng)用乘法器將功率轉(zhuǎn)換成電壓，再通過 V/F（電壓／頻率轉(zhuǎn)換）型 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成可供 MCU 讀取和直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字信號(hào)。SM9903 同時(shí)具有測(cè)量負(fù)向有功功率的功能 ， 測(cè)量負(fù)向有功功率以正向有功功率計(jì)算，并通過 IND（ 9 腳）輸出負(fù)電平以指示測(cè)量負(fù)向有功功率。 ③管腳圖及定義 SM9903 管腳如圖 33 所示，其管腳定義如表 31 所示。 C 22 0C O M1 91 8C 11 7V D DV I 1V I 2G N D AV v1234O S C O U T1 6O S C I N1 51 4D M O 21 3D M O 1N CV R 1V R 2P O U T5678G N D D1 2I N D9V S S1 1T C1 0 圖 33 管腳圖 表 31 管腳定義 管腳號(hào) 符號(hào) 說明 1 VI1 電流 取樣信號(hào)輸入 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 續(xù)表 31 管腳定義 管腳號(hào) 符號(hào) 說明 2 VI2 電流取樣信號(hào)輸入 3 GNDA 模擬地端 4 VV 電壓取樣信號(hào)輸入 5 NC 與 4 腳內(nèi)部互相聯(lián)結(jié) 6 VR1 參考電壓 1 外調(diào)整端 7 VR2 參考電壓 2 外調(diào)整端 8 POUT 有功功率計(jì)算輸出脈沖 9 IND 負(fù)向有功功率指示 10 TC 測(cè)試控制端 11 VSS 負(fù)電源 (5V) 12 GNDD 數(shù)字地端 13 DMO1 脈沖電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出 1 14 DMO2 脈沖電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出 2 15 OSCIN 晶振輸入 16 OSCOUT 晶振輸出 17 VDD 正電源 (+5V) 18 C1 積分電容 1 19 COM 積分電容公共端 20 C2 積分電容 2 計(jì)量電路的設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中，用 SM9903 構(gòu)成的電能計(jì)量電路如圖 34 所示。在圖 34第 3章 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表硬件電路的實(shí)現(xiàn) 15 中，采用 340?? 的錳銅片作為電流采樣電阻，用精密金屬膜作為電壓采樣電阻。所以該電能表的常數(shù)為 1600 個(gè) /kWh，它表示對(duì)應(yīng)于 1 kWh 電能的輸出脈沖數(shù)（ pulse）為 1600 個(gè)?；玖砍虨?5A，最大量程可達(dá) 20A。 220V交流電經(jīng)過 340 的錳銅片電阻獲得電流采樣信號(hào)，再通過精密金屬膜電阻網(wǎng)絡(luò)得到電壓取樣信號(hào)。 C R1 VD VD C C VZ VZ2 為電容降壓式電源，為 SM9903 提供 177。5V 的工作電壓。其中 VZ VZ2 分別為+5V 電源、－ 5V電源中的穩(wěn)壓管。 32768Hz 石英晶體為表用晶體振