【正文】 的方案。下面對(duì)這兩種電能表方案做出比較，論證。該方案使用鋁盤來(lái)對(duì)電功率進(jìn)行采樣。鋁盤的轉(zhuǎn)速與電功率P成正比，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電功率的采樣，電功率大，轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間就少，電功率小，轉(zhuǎn)一圈用的時(shí)間就多，每轉(zhuǎn)一圈代表的電能量是一樣大的，用計(jì)度器的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將鋁盤所轉(zhuǎn)圈數(shù)記錄下來(lái)，所以計(jì)度器所記錄的鋁盤轉(zhuǎn)的總?cè)?shù)正比于電能量W。對(duì)于功能要求，兩種方案都可以滿足要求，但對(duì)于其它的涉及邏輯判斷或通信的功能，方案二實(shí)現(xiàn)起來(lái)會(huì)很困難。因此選擇方案一。方案一： 采用傳統(tǒng)的計(jì)量用電壓互感器和電流互感器。然后使用分壓網(wǎng)絡(luò)或其它傳感裝置對(duì)100V和5A信號(hào)再次進(jìn)行采樣，取得更小的信號(hào)，再進(jìn)行進(jìn)一步的變換，使信號(hào)大小適合進(jìn)入到后面的芯片、設(shè)備中。但是，電壓、電流互感器的選擇、接線，以及其保護(hù)裝置，二次側(cè)導(dǎo)線截面積，長(zhǎng)度都有要求，在計(jì)算選型，安裝，運(yùn)行維護(hù)等方面都比較繁瑣，前期和后期的工作量都較大，需要投入的人力物力也較大。方案二：使用新型的電壓、電流互感器。不難想象，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)也證明，這樣的產(chǎn)品比起傳統(tǒng)的電壓、電流互感器，在選擇、安裝、調(diào)試等方面要方便和容易許多，還可以省去傳統(tǒng)互感器對(duì)電網(wǎng)信號(hào)兩次變換的繁瑣，對(duì)測(cè)量精度提高有幫助，而且省去了許多復(fù)雜的保護(hù)設(shè)備，在經(jīng)濟(jì)性上也更勝一籌。方案二又可以有兩種選擇：分開(kāi)采集信號(hào)的幅值信息和相位信息同時(shí)采集信號(hào)的幅值信息和相位信息下面來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步分析：分開(kāi)采集幅值信息和相位信息由于新型的電壓、電流互（傳）感器能輸出直流和交流兩種信號(hào)。因此使用可以輸出直流信號(hào)的傳感器來(lái)做信號(hào)的幅值檢測(cè)，其輸出直接進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。這樣做能使得信號(hào)在被測(cè)量之前經(jīng)過(guò)盡量少的環(huán)節(jié)，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，也避免了在縱向上系統(tǒng)的進(jìn)一步復(fù)雜化。同時(shí)采集幅值信息和相位信息就是在互感器輸出的信號(hào)上對(duì)相位和幅值信息一次采集完，對(duì)相位信息來(lái)說(shuō)，只能從交流信號(hào)上獲得，因此，若要同時(shí)采集，就只能用交流輸出的互感器。信號(hào)的調(diào)理可以用加法器對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行電位抬升，給其加上一個(gè)直流信號(hào)，使其輸出幅值從~+變?yōu)?~2。同樣假設(shè)使用單相互（傳）感器，這樣做的好處是可以省掉六個(gè)互（傳）感器，至多只需多添加六組電位抬升電路和放大電路，在花銷上會(huì)帶來(lái)節(jié)省。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測(cè)量精度，選用分開(kāi)采集相位和幅值信息的方案。典型應(yīng)用有電機(jī)控制，負(fù)載管理，開(kāi)關(guān)電源和過(guò)流保護(hù)。被精確控制的自校準(zhǔn)生產(chǎn)過(guò)程技術(shù)和線性霍爾傳感器的工廠程控化生產(chǎn)帶來(lái)的可靠精度保障帶來(lái)了產(chǎn)品的高精度表現(xiàn)和一致性。電源引腳和傳感器輸出引腳之間是電氣隔離的。傳感器的外形及引腳如下圖所示： 圖31 ACS750LCA075外形圖及引腳說(shuō)明不同溫度下的輸入輸出特性曲線：圖32 ACS750LCA075輸入輸出特性曲線工作電壓工作電流測(cè)量范圍工作溫度隔離電壓靜態(tài)輸出精度5V7mA100~100A40~150℃2500V（60Hz，5分鐘）Vcc/2（mV）1%表31 ACS750LCA075部分電氣參數(shù)傳感器與電網(wǎng)的硬件連接圖如下：圖33 ACS750LCA075硬件連接圖接線原理說(shuō)明：Ip+，Ip分別接電網(wǎng)的一相和中線。D13，D14為箝位二極管，當(dāng)輸出電壓超過(guò)5V時(shí)，電位被鉗制在5V；當(dāng)輸出電壓小于0V時(shí)，電位被鉗制在0V。參數(shù)計(jì)算：R1=5V/7mA=，選1KΩ電阻D13，D14：穩(wěn)壓值Uz=5V線性電壓傳感器選用北京森社公司的CHV100/300。12～177。接線圖及產(chǎn)品實(shí)物圖片： 圖34 CHV100/300引腳及產(chǎn)品實(shí)物圖端子說(shuō)明：IN+(+HT)：輸入正電壓；IN－(－HT)：輸入負(fù)電壓；+：電源正：－：電源負(fù)；M：輸出端：⊥：公共地傳感器與電網(wǎng)的硬件接線圖如下：圖35 CHV100/300硬件接線圖接線原理說(shuō)明：In+，IN分別接電網(wǎng)的一相和中線。D19，D20的作用同圖33中的D13，D14。該產(chǎn)品具有線性好，精度高，線性范圍寬；耐高溫，耐腐蝕；隔離性能好，抗沖擊性強(qiáng)；體積小，安裝方便等特點(diǎn)。 產(chǎn)品的型號(hào)描述及參數(shù) ：表31產(chǎn)品的型號(hào)描述及參數(shù)表電壓互感器選用北京森社公司的CHG300VB型精密電壓互感器，其部分產(chǎn)品參數(shù)特性如下：額定電壓，30（RMS）；測(cè)量范圍，0～360V（RMS）；輸出額定電壓，5V；精度，%；線性度，%；絕緣電壓，3KV（RMS）/50Hz/1分鐘；工作溫度，40℃～85℃。因此，要測(cè)出三相電網(wǎng)每相的有功功率P=iucosφ。要計(jì)算功率因數(shù)cosφ，則先要測(cè)出電壓與電流的相位差φ。單片機(jī)很難直接測(cè)量正弦信號(hào)的相角差或過(guò)零時(shí)刻，但很容易測(cè)量脈沖信號(hào)的寬度或發(fā)生時(shí)刻。如圖311所示。異或的作用，一方面是產(chǎn)生相位脈沖，其高電平時(shí)間對(duì)應(yīng)于待測(cè)的兩個(gè)正弦信號(hào)的過(guò)零時(shí)間差?T；另一方面，可以利用連續(xù)兩個(gè)脈沖寬度的平均值去逼近?T，而這兩個(gè)脈沖是一個(gè)周期的正弦信號(hào)由正負(fù)兩個(gè)方向經(jīng)由過(guò)零比較器產(chǎn)生的，采用邏輯異或運(yùn)算保留了這種雙向特性，這種測(cè)量方法被稱為雙向過(guò)零鑒相法。圖39相位檢測(cè)電路的原理框圖 圖310 正弦信號(hào)及其經(jīng)正相輸入的過(guò)零比較器后的調(diào)理波形 對(duì)于一般的過(guò)零電壓比較器，輸入電壓在閾值附近的任何微小變化，都將引起輸出電壓的躍變，不管這種微小變化是來(lái)源于輸入信號(hào)還是外部干擾。嚴(yán)重時(shí)不能正常工作。所以，一般在對(duì)稱三相電路中，電壓、電流都可能含有高次諧波分量。這時(shí)單片機(jī)無(wú)論采用中斷計(jì)數(shù)還是采用查詢計(jì)數(shù)都將導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。其基本電路組成如下： 圖311反相輸入的滯回比較器集成運(yùn)放反相輸入端電位，同相輸入端電位 ：根據(jù)“虛短”，求出的就是閾值電壓,因此得出 當(dāng)，因而，所以=+，+，當(dāng)+，因而，所以=，，可見(jiàn), 從躍變?yōu)楹蛷能S變?yōu)榈拈撝惦妷菏遣煌摹?OP07C簡(jiǎn)介由電路組成可以看出，運(yùn)算放大器是滯回比較器的主要部件，它的性能直接影響到整個(gè)滯回比較器的性能。OP07C高精度運(yùn)算放大器具有極低的輸入失調(diào)電壓、失調(diào)電壓溫漂，非常低的輸入噪聲電壓幅度及長(zhǎng)期穩(wěn)定等特點(diǎn)。1) 低的輸入噪聲電壓幅度： ( ～ 10Hz)2) 極低的輸入失調(diào)電壓：10 μV3) 極低的輸入失調(diào)電壓溫漂： μV/℃4) 寬范圍的輸入電壓：14～+14V5) 寬的電源電壓范圍：177。18V6) 工作溫度：40℃～80℃圖312 OPO7C引腳圖系統(tǒng)的核心部分是單片機(jī)，它起到啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，測(cè)算電壓、電流相位差，計(jì)算電壓、電流幅值、功率因數(shù)、有功功率，并保存這些數(shù)據(jù)，定時(shí)上傳數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心，發(fā)出警報(bào)等功能，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)作為系統(tǒng)核心，它能否穩(wěn)定工作，直接影響整個(gè)系統(tǒng)，所以單片機(jī)必須能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。基于以上考慮，本設(shè)計(jì)中選擇Silicon Lab公司的C8051F040單片機(jī)?？刂破骶钟蚓W(wǎng)（）控制器，具有 32 個(gè)消息對(duì)象，每個(gè)消息對(duì)象有其自己的標(biāo)識(shí)真正 12 位、100 ksps 的 ADC，帶 PGA 和8 通道模擬多路開(kāi)關(guān) 真正 8 位 500 ksps 的 ADC，帶 PGA 和 8 通道模擬多路開(kāi)關(guān)64KB可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲(chǔ)器 可尋址 64KB 地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口 5 個(gè)通用的16位定時(shí)器 片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器 　　具有片內(nèi) VDD 監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的 C8051F04x 系列器件是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。 每個(gè) MCU 都可在工業(yè)溫度范圍（45℃到+85℃）工作，工作電壓為 ~ 。 C8051F040單片機(jī)的引腳圖如下： 圖313 C8051F040引腳圖C8051F040的優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)大：集成了CAN模塊，增益可編程的片內(nèi)A/D等部件，并且具有高速的特點(diǎn)。但缺點(diǎn)在于比起其它單片機(jī)（如PIC18F系列單片機(jī)），其價(jià)格要高出一倍，花費(fèi)較大。單片機(jī)內(nèi)集成有一個(gè)12位，一個(gè)10位，共兩個(gè)ADC。8位ADC為逐次逼近型，帶有一個(gè)8通道輸入多路選擇器和可編程增益放大器，可以被配置為單端或差分輸入。1LSB。ADC2完全由CIP51通過(guò)特殊功能寄存器控制?？删幊淘鲆娣糯笃鹘釉谀M多路選擇器之后，、2或4。轉(zhuǎn)換結(jié)束由一個(gè)狀態(tài)位指示，或者產(chǎn)生中斷（如果中斷被使能）。圖314 C8051F040的片內(nèi)ADC原理框圖本設(shè)計(jì)中用到了許多集成芯片，這些集成芯片都要用到直流電壓。10%串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1307Z：DC 5V，3V電池液晶顯示器：LCM12864ZK：DC 5V，3V電池兩輸入四異或門74LS86：DC 5V，74LS86運(yùn)算放大器OP07C：DC177。18V電流傳感器ACS750LCA075：DC +5V電壓傳感器CHV100/300：DC 177。15V因此，系統(tǒng)有DC + 、177。12V電源即可工作。5V、177。5V、177。本設(shè)計(jì)中也采用這種方案。5V電源使用國(guó)家半導(dǎo)體公司（National Semiconducter）的集成三段穩(wěn)壓器LM79L05：Vin最大為35V，一般應(yīng)在20V~，典型值為10V。 圖315 177。但這樣的信號(hào)有紋波，脈動(dòng)較大，不能適應(yīng)需要?！?，用以濾除頻率較高的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換紋波電壓分量。輸出電流100mA，最大輸出電流140mA。輸出電流100mA，最大輸出電流140mA。12V電源電路如圖316所示：接線原理說(shuō)明：原理同圖315。如常用的7805，如果輸入 12V，就有7V電壓是完全的發(fā)熱浪費(fèi)掉，當(dāng)輸入電壓大于12伏時(shí)，發(fā)熱會(huì)很厲害。開(kāi)關(guān)式的電源IC的優(yōu)點(diǎn)在于其效率高，缺點(diǎn)是其紋波系數(shù)較大，不能直接用于A/D轉(zhuǎn)換芯片作為參考電壓，還要多設(shè)計(jì)一個(gè)參考電壓源，故不予選擇。12V 電源硬件接線圖 ++，相關(guān)技術(shù)也比較成熟。它的輸出電流Iout=10mA，輸入電壓 Vin=。圖317 AS1117M1引腳圖將220V市電經(jīng)LM78L05得到的+5V電壓作為AS1117 M1的輸入。電路圖如下：接線原理說(shuō)明：AS1117為DCDC模塊，Vcc為5V直流電源，作為AS1117的輸入。 圖318 + 部分參數(shù)計(jì)算根據(jù)78XX，79XX三端穩(wěn)壓器的輸入電壓要求，~~20V之間，選177。17V。這樣，變壓器二次側(cè)電壓為19V，滿足78XX的要求。10%的波動(dòng)，最高反向電壓=，選30V。電容值：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選取。CAN總線屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇,它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，主要用于各種過(guò)程檢測(cè)及控制。其典型的應(yīng)用協(xié)議有：SAE J1939/ISO1178CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。 CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)可以分為不同的優(yōu)先級(jí)，滿足不同的實(shí)時(shí)需要。 CAN可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通訊距離最遠(yuǎn)10 km(5 kb/ s)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目可達(dá)110個(gè)。CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，不會(huì)影響總線上其它節(jié)點(diǎn)操作。 CAN總線控制器接口芯片PCA82C250PCA82C250是控制器與物理總線間的接口，器件的作用是提供對(duì)總線的差分發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差分接受能力。CAN總線通過(guò)CAN控制器接口芯片PCA82C250的兩個(gè)輸出端CANH和CANL與物理總線相連。最小值典型值最大值單位電源電壓V電源電流顯性位；V1＝1V70mA隱性位；V1＝4V；RS=47KΩ14mA隱性位；V1=4V；V8=1V18mA待機(jī)方式；TA90℃170μA工作大氣溫度（TA）－40＋25＋125℃表32 PCA82C250部分電氣參數(shù) 引腳圖、管腳名稱及作用： 1 TXD 發(fā)送數(shù)據(jù)輸入端 2 GND 地 3 Vcc 電源電壓 4 RXD 接受數(shù)據(jù)輸出端 5 Vref 基準(zhǔn)電壓輸出端 6 CANL 低電平CAN電壓輸入/輸出段 7 CANL 高電平CAN電壓輸入/輸出段 8 Rs 斜率電阻輸入端 芯片與單片機(jī)的連接圖如下：圖320 PCA82C250硬件接線圖在CSMA/CD這樣的網(wǎng)絡(luò)中,如Ethernet,系統(tǒng)往往由于過(guò)載而崩潰, 位仲裁的方法可以解決當(dāng)兩個(gè)站同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的碰撞問(wèn)題，所以這種情況在CAN中不會(huì)發(fā)生。另外,與其它現(xiàn)場(chǎng)總線比較而言,CAN總線是具有通信速率高、容易實(shí)現(xiàn)、且性價(jià)比高等諸多特點(diǎn)。要讀取電度表的實(shí)時(shí)計(jì)量值，一方面要求計(jì)量電能表具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，另一方面需要監(jiān)測(cè)儀能和計(jì)量電能表之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，及能夠?qū)崿F(xiàn)通信。 RS232簡(jiǎn)介RS232C接口（又稱 EIA RS232C）是目前最常用的一種串行通訊接口。 MAX232芯片簡(jiǎn)介Max232產(chǎn)品是由美信（MAXIM）集成產(chǎn)品公司推出的一款兼容RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片。該器件符合TIA/EIA232F標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)接收器將TIA/EIA232F電平轉(zhuǎn)換成5V TTL/CMOS電平。直接從單片機(jī)輸出的是TTL電平，要使用RS232接口進(jìn)行通信，就需要將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232接口規(guī)定的電平。從單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)，經(jīng)Max232被轉(zhuǎn)換成RS232電平在通信線路上傳輸，在進(jìn)入數(shù)據(jù)接收設(shè)備之前又經(jīng)Max232被轉(zhuǎn)換成TTL電平，從而達(dá)到可靠通信的目的。因此