多功能单相电子式电能表-毕业设计

多功能单相电子式电能表-毕业设计内容摘要：

，电源电路为了提高系统的抗干扰性、可靠性，分为三个独立的电源，使计量电路， RS485 通讯和 MCU 的电源相互隔离，达到互不影响的目的，但是它们属于同一个变压器，所以选择变压器的时候要注意。 在计量部分， ADE7755 芯片是一个数模混合的电路，因此设计比较困难，要想达到良好的计量效果，要采取一定的抗干扰措施，如数字地和模拟地在 PCB板上单点连接，特别是在对电流、电压采样的电路直接接在外部线路上，干扰比较严重。 I2C 总线在整个系统中占有重要的作用，它关系到 LCD 显示、电量数据存储、时间和日期的读取等等，它是 MCU 与外部设备的接口，是 MCU 获取信息的 窗口。 在通讯电路中，在通讯发生时 MCU要接受通讯帧，判断是否正确，并执行通讯命令。 从上面简单的分析可以看出， MCU是系统的控制器，起着决定性的作用。 电源电路部分 单相电子式电能表的电源电路为三个部分：电量计量电源电路、 RS485 通讯电源电路、 MCU 及其相关部分电源电路。 电源是保证电能表正常运行的先决条件，因此在进行电源电路设计时要考虑多方面因素，如设计原理的正确性、电源容量的冗余量，要选择合适的元件参数。 不能以马马虎虎的态度去解决。 下面为各部分电路的电源电路设计图： 电量计量电源电路和 RS485 通讯电源电路都通过将压、整流、稳压和滤波四个环节，得到 5V 的直流电压。 整个电源电路是以 78L05 这个稳压芯片进行设计的，是一种串联的稳压电路。 多功能单相电子式电能表 13 上图 ： 电量计量电源电路 下图 ： RS485 通讯电源电路 多功能单相电子式电能表 14 MCU 及相关部分电源电路 通过电网输入 220V 的交流电源，通过变压器 TR1 降压，在 6端产生 12V的交流电压，通过 AB1 全波整流及 C TR C E1 滤波，其中 C TR C2构成滤波网络，产生一个带有一 定脉动分量的直流电。 然后通过并联稳压集成电路 LM317，同时调整 R R2 的比值，以得到所需的电压值 —。 在上电的时候，如果上电缓慢，单片机会出现复位错误，从而导致程序不 能正确运行。 为了解决这个问题，必须采用快速上电的方法，我采用 MAX809 电源监控芯片，当上电电源达到电压门槛时， T1三极管导通，开通电源通道，达到 MCU 快速上电的目的， VCC的电压为 =。 多功能单相电子式电能表 15 3． 3 计量电路部分 本次设计的单相电子式电能表的计量部分主要是针对 ADE7755 计量芯片的电路设计，它是有美国 ADI 公司 2020 年研制生产的有功电能单相测量芯片。 它是为单相两线制系统设计的，用来生产低成本、高精度单相电能表。 ADE7755 内部包括两路数模转换器（对来自电压、电流传感器的电压信 号进行数字化转换，在电流通道中还设计了 PGA 电路，同时还在电流通道中设置了HPF 电路滤掉直流分量），一个基准电压源（其标称值为 ，一般无需外接基准）和用来计算有功功率的信号处理电路。 瞬时功率是通过电压、电流信号的直接相乘得到的，此瞬时功率信号经过低通滤波器得到有功功率，再经过数字 — 频率转换器累计脉冲得到有功电能量。 ADE7755 的功率脉冲输出是通过对上述有功功率信息的累计产生。 P(t)=u(t)*i(t) W(t)=∫ p(t)= ∫ u(t)*i(t) 这个部分主要包括电压拾取 电路设计、电流拾取电路设计以及其他部分电路的设计。 电压拾取电路实际上是一个分压电路，将火线和零线（负荷电压）分压：R23/（ R9+R10+R11+R12） ，输入到测量芯片输入端 8 脚。 通过电阻分压确保ADE7755 电压通道中信号电压在其工作范围内。 上面带有开关的电阻是一个电阻调整网络，可在一定范围内调整信号电压的大小。 使电能表精度提高。 多功能单相电子式电能表 16 上图： 电压拾取电路 下图 ： 电流拾取电路 在电流拾取电路中， R2 C15 和 R2 C16 组成两个一阶低通滤波器，滤除电流通道中的高频分量。 C17 是通过 K10的合开来选择是否作用于系统的，它是补偿电流信号本身不平衡造成 ADE7755 计量电能出现比较大的误差，因此通过人为造成不平衡，使得系统达到平衡的目的。 多功能单相电子式电能表 17 上图为 ADE7755 其他电路部分 ，包括脉冲计数和电能方向指示。 电能脉冲输出为 CF（脚 22），经过光耦输出： PULSE 电能脉冲，将引入单片机的输入端，进行电能脉 冲累计。 REVP 输出（脚 20）指示电能方向，电能通过光耦输出。 光耦器件是用来隔离 MCU电路的。 是 ADE7755 推荐的主时钟频率。 AVDD 和 DVDD 两路电源为模拟和逻辑直流正 5V。 电路中 DVDD 和 AVDD 通过 C1 C1 R28 组成的滤波电路连接在一起滤除干扰。 选择内部基准电源，在基准电源输出端加上一个滤波电容 C20，防止外界干扰。 通讯部分 本次设计的单相电子式电能表采用 RS— 485 通讯信道， RS— 485通讯信道是用来和其他电能表组成 RS— 485 通讯网络，实现远 程网络抄表。 RS— 485通讯接口距离远、抗干扰能力强、半双工通信以及可以实现总线方式传送数据，非常简单实用，在电能表通信中得到了广泛的使用。 半双工通信是指可以双向通信，数据传送方向可以从 A 到 B，也可以从 B到A，但同一时刻只能是一个方向。 多功能单相电子式电能表 18 发送器 接收器 数据 RS— 485通讯电路是通过 3个光耦器件对单片机电路和 RS485总线电路进行隔离的，提高系统的抗干扰能力，电路中的 TVS1 管并联在 RS485A 总线和 RS485B总线的两端，对电路瞬态 起保护作用。 R39 和 R40是偏置电阻，进行网络失效保护。 JP2 接口是要进行瞬变脉冲和静电干扰的。 MCU 及其它相关部分 MCU 是选用 89LPC931 这种单片机，这部分电路有 LCD 显示电路、实时时钟电路、存储器及掉电保护等组成。 实时时钟选用的是日本 EPSON 公司于 2020 推出的 8025 时钟芯片，内置高精度频率可调整的 32768HZ 的水晶振子，无须外接晶体，使用简便、精度高。 它是一个 I2C 总线接口的芯片，最高时钟频率为 400HZ，通信速率 较高，它的 I2C地址是 60H。 具有定时功能和闹钟功能。 MCU 通过 I2C 总线读写 8025 芯片的寄存器，设置芯片的工作状态，校正当A B 多功能单相电子式电能表 19 前时间和日期， 8025 时钟芯片是一种低功耗、宽电压范围工作的芯片，在工作电源为 3V 时，工作电流为 ，在 正常工作，同时能够检测晶振的情况和微调晶振的频率。 8025 芯片应设置输出 1S 中的时钟脉冲信号，为了保证时间和工作的连续性，应保证电源不断电。 8025 引脚说明： NC空引脚； SCLI2C 数据串行传输同步时钟输入；FOUT32768HZ 时钟频率输出； TEST测试用，正常使用时接到 VDD； VDD工作电源输入； FOE控制 FOUT 的输出：当为高时，输出 32768HZ 时钟信号；当为低时，不输出时钟信号； /INTA定时输出 A 脚，输出闹钟中断（ ALARMW）或定时到信号地； SDAI2C 数据串行传输数据引脚（输入 /输出） 多功能单相电子式电能表 20 存储器选用的是支持 I2C 总线的可檫写 E2PROM，型号是 24WC08，可以随时读写，而且在掉电后数据仍然保存不变。 这种存储器的数据写入是通过提高电压来完成的，其存储器内部有电压泵起着泵高电压的作用。 这种存储器非常适合电能表作数据。