多用户电能表的应用设计_课程设计报告(编辑修改稿)

多用户电能表的应用设计_课程设计报告(编辑修改稿)内容摘要：

号。 图 是一种典型反相应用电路 , 当输入端有电流流过时 , 发光二极管发光 ,使光电三极管导通 , 其集电极就有电流 I C 流过。 光电耦合器其主要特点为 : 1) 输入、 输出之间在电气上相互 绝缘。 2) 信号传输是单方向的 , 输出端的噪声不影响输入端。 3) 体积小、 寿命长、 无触点 ,功耗低。 4) 光电耦合器的传输特性具有非线性和随温度变化性。 图 光电隔离电路 AD7755 电路设计 图 AD7755 内部功能图 AD7755 电路只在 ADC 和基准电源中使用模拟电路，所有其它信号处理（如相乘和滤波）都是用数字电路，这使 AD7755 在恶劣环境环境条件下仍能保持极高的准确度和长期的稳定性。 山东科技大学课程设计 7 设计参数： 基准电压： 220V177。 10% 基准电 流： Ib=5A 最大电流： Imax=4Ib=20A 计量精度： 1% 最小电流： Imin=2%Ib= 脉冲数： 3200/ 参数计算： 以 AD7755 设计的电能表的相关参数计算 ： 配合 C8051F360 芯片的 16 进制算法与课程设计的参数要求，参考基本电流与脉冲的建议数，选定基准电流 Ib=5A，每 计度需要的脉冲数为 3200，即CF 的输出为 3200imp/。 线路电压 220V,基本电流 Ib 为 5A,动态范围 400(规定准确度的电流范围为2%Ib~Imax,即 100mA~40A)。 计度器的电表常数 C 为 3200imp/ ,即 AD7755 发3200 个脉冲 ,单片机记录 1 电。 为满足电流通道的动态范围且留有充分的余量 ,选用 350μΩ的分流器。 以其将负载电流转换为电压 ,接 V1P 和 V1N。 线路电压经电压分压器分压 ,也降到允许的最大电压范围之内 ,接 V2P 和 V2N。 负载电流为基本电流 (5A)时 ,线路的功耗为 P=220 5= kw。 选择 f14=,SCF=0,S1=0,=S0=1,此时 CF 频率为 f1 的 32 倍，所要求的频率恰为 f1， f2 段的脉冲计数 标准为 100imp/。 乘以此常数得 Ib 情况下的输出频率 : fF1=P C= 3200/3600= 查 AD7755 数据表 ,所选择 f14=，满足最大电流为 40A 和再留有足够余量的要求。 fF1= U1 U2 G f14U2REF U1=5 350=1750μ V= 并以最大电流产生的压降和表 1,选择 G=16 U2=fF1 U1 G f14= 16 = 原理图中 R C1,R C2,R C3,R4∥ (R5~R16)、 C4 为抗混叠滤波器。 因为 AD7755 以 900kHz 过采样速率采样 ,故大大简化了抗混叠滤波器的设计。 不过 ,两个通道之间的相位匹配非常重要。 例如 ,当 cosφ = 时 ,176。 的外部相位误差将产生 %的测量误差。 为使两个通道的相位匹配 ,电阻、电容的取值分别为R1=R2=R3=R4=1kΩ (精度为 1%)。 C1=C2=C3=C4=33nF。 R5= 300kΩ ,R6= 150kΩ ,R7= 75kΩ ,R8=39kΩ ,R9=18kΩ ,R10= ,R11= ,R12= ,R13=Ω ,R14=560Ω ,R15=R16=330kΩ。 考虑到选用的分流器和基准源都存在允差 ,原理图中设置了校准网络 ,通过短接或断开 J1~J10,可在177。 30%范围内进行调节。 因为R15+R16=660kΩ ,大于大于 R4(1kΩ ),因此 ,即使 R5~R14 全部短接 ,这条支路的3dB 频率仍由 R4 和 C4 的值决定。 据厂家介绍 ,从 J1~J10 全部接通变化到 J1~J10全部断开 ,50Hz 处产生的相移仅为 176。 考虑到分流器存在寄生电感 ,较大时需要 进行补偿。 当分滤器阻值很小时 ,如 ,小于 200μΩ ,特别要注意此问题。 AD7755 的供电电压由电容分压器分压、二极管整流、 RC 滤波和 7805 IC 稳压产生。 7805 的输出以 C13(10μ F)和 C12(100nF)退耦 ,接 AD7755 的 DVDD。 VDD再经 R22(10Ω )、 C10(100nF)和 C11 (220μ F)滤波 ,接 AD7755 的模拟电路电源管山东科技大学课程设计 8 脚 AVDD。 AD7755 的 CLKIN 和 CLKOUT 管脚接 晶体和 2 只 22pF陶瓷电容。 考虑抗电磁干扰 ,除原有的滤波电路外 ,原理图电流输入通道中 增加了Z Z4 铁氧体 ,电源电路部分增加了由 Z1 铁氧体、 C16 电容和 MOV1 金属氧化物压敏电阻组成的滤波网络等。 C8051F360 单片机部分管脚及参数 由原理图知： ~ 分配给八个用户，作为脉冲输入端口。 和 分配给 LED 显示部分作为时钟信号和数据输入。 和 分配给 24C16 作为 SCL 和 SDA 信号脚。 此外， C8051F360 功能强大，结构复杂，其余端口与本设计无关，故其分配情况不再详述。 晶振采用 11..0592MHz，电源使用。 电源 参数 220V~5V 的共两套，一套给 AD7755，另一套给显示模块和 5V~ 电源。 5V~ 电源供给 C8051F360 和 24C16。 220V~5V 转换电路中，相关参数如下： C1=330uf，为滤波电容； C2=，用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激震荡； C3=1uf，用于消除输出电压中的高频噪声。 图 AD7755 性能测试电路 器件选择： AD7755 电能脉冲发生器的选择： AD7755 是美国 AD 公司生产的专用于功率 /电能测量的 低成本集成电路。 它的技术指标满足 GB/T172151998 标准规定的准确度等要求。 AD7755 有 24 条引脚 ,以 DIP 和 SSOP 形式封装。 AD7755 在电子电能表中的连接如图 1 所示。 管脚功能如下 : 山东科技大学课程设计 9 P1 DVDD,数字电路电源 ,5(177。 5%)V； P2AC/DC,高通滤波选择脚 ,逻辑高 ,高通滤滤器使能； P3 AVDD,模拟电路电源 ,5(177。 5%)V； P P19 NC,未接； P5P6 V1PV1N,通道 1(电流通道 )模拟输入 ,最大差动输入电压为177。 470mV； P7P8 V2NV2P,通道 2(电压通道 )模拟 输入 ,最大差动输入电压为177。 660mV； P9 RESET,复位引脚 ,逻辑低使 ADC 和数字电路保持复位状态 ,清内部寄存器； P10 REFIN/OUT,电压基准脚 ,片上基准为 5(177。 8%)V,可接外部基准源； P11 AGND,模拟电路参考地。 P12 SCF,校准频率选择脚； P1 P14 S S0,数 频转换频率选择脚；P1 P16 G G0,通道 1 增益选择脚； P17 P18 CLKIN CLKOUT,外接时钟 ,钟频 ； P20 REVP,负功率指示脚 ,电压信号和电流信号之间的相位差 90176。 时变为逻辑高。 P21DGND,数字电路参考地； P22 CF,校准频率输出； P2P24 F F1,低频输出。 它由模拟电路 (模数转换电路、基准电路与电源电压监测电路 )和数字信号处理电路两部分组成。 被测电压、电流转换为数字量后 ,接下来的信号处理都在数字域实现。 AD7755 内部的相位校正电路、高通滤波器、乘法器、低通滤波器、数字 频率转换器等都为数字电路。 AD7755 内有两个以 900kHz 过采样速率采样的16 位 2 阶Σ Δ模数转换器 (ADC)。 被测电流经可编程增益放大器 (PGA)放大后接电流通道的 ADC,并由此 ADC 转换为对应的数字信号。 再经相位校正和高通滤波 ,进入乘法器。 乘法器的另一路输入是由电压通道 ADC 转换而来的、与被测电压对应的数字信号。 相乘后产生瞬时功率信号。 此信号经低通滤波器滤除其中的交流分量 ,提取出负载消耗的瞬时有功功率。 AD7755 对这个瞬时有功功率信号进行一段时间的累计、平均 ,求得平均有功功率 ,以较短时间对瞬时有功功率进行累计 ,求得与瞬时有功功率成正比的高频频率并经 CF 输出 ,用于校准或送微控制器累加计数 ,实现对电能的计量。 电流通道的 PGA 的增益受管脚 G G0 控制。 高通滤波器 是否接入受管脚 AC/DC 控制。 逻辑高 ,HPF 使能。 用来去除电流通道的直流偏移和由此引起的误差。 高通滤波器接入或断开造成的相移 ,由相位校正电路校正 ,使电压通道和电流通道的相位匹配。 如前所述 ,管脚 F F2 输出与平均有功功率成正上的电压有效值具有下列关系 : fF1=fF2= U1 U2 G f14U2REF(1) 式中 ,U U2 分别为电流通道和电压通道输入端的 rms 差动电压 (V),G 为电流通道的增益 ,选择方法见表 1； UREF 为基准电压值 (V)； f14 为以 S S0 逻辑输入选择的频率 (Hz),选择方 法见表 2。 表 f14 等选择表 山东科技大学课程设计 10 表 第 7 列是与两个通道都输入最大电压所对应的最高输出频率(Hz)。 考虑到实际电网电压存在波动和负载电流可能超载 ,设计电能表时 ,两个模拟通道的输入电压一般都留有足够的超量程余地。 比如 ,取允许的最大值的一半。 表 2 第 5 列是用管脚 SCF、 S S0 逻辑输入选择的转换系数 ,CF 脚输出的频率为 fCF=KfF1(2)由表 2 知 ,CF 端输出的频率能高达 fF1 的 2048 倍。 设计参数 如下 基准电压 ： 220V177。 20% 基准电流： Ib=A 最大电流： Imax=4Ib=20A 计量精度： 最小电流： Imin= 脉冲数： 1000/ 图 AD7755 电能脉冲发生器 山东科技大学课程设计 11 键盘设计电路 图 键盘设计电路 键值 1 2 3 4 键码 F7H EFH DFH FDH 键值 5 6 7 8 键码 FBH BFH 7FH FEH 表 键值键码对应表 3． 8 采样电路 R2C1C2AGNDV 1 PV 1 NF1R1I123F1AGND 图 电流采样电路 使用分流器的电流采样电路如图 所示，其中 F1 为分流器， R R2 为采样电阻， C C2 为采样电容，他们为电流采样通道提 供采样电压信号，采样电压信号的大小由分流器的阻值和流过其上的电流决定。 4 软件电路设计 主程序流程图设计 山东科技大学课程设计 12 图 主程序流程图设计 显示用户及相应电能子程序框图 单片机初始化 读取 E2PROM 24C16 存储值 利用定时器 T0 设置中断 读取 P2 口状态 开始 调用显示用户及相应电能子程序 向 E2PROM中写脉冲数 循环 结束 山东科技大学课程设计 13 图 显示用户及相应电能子程序框图 读 24C16 子程序框图 开始 结束 调用查询键盘程序 处理脉冲数据 调用显示程序显示，并延时一秒 八户是否显示完 否 是 山东科技大学课程设计 14 图 读 24C16 子程序框图 开始 发送起始地址 送写控制字 向 24C16 送入一个字节串行数据 发送字节地址 结束 写失败 否 是 将字节地址送入 24C16 重新发起始条件 将 24C16 里的数据读出 发控制字 应答则传送 读最后一个数据前发非应答信号 发终止条件 山东科技大学课程设计 15 写 24C16 子程序流程图 写 24C16 子程序流程图 查询键盘流程图 开始 发送起始地址 送写控制字 向 24C16 送入一个字节串行数据 发送字节地址 结束 写失败 否 是 将字节地址送到 24C16 写数据到 24C16 并发应答信号 发数据 否 是 8 个字节发送完 否 数据接收错误 是 山东科技大学课程设计 16 图 查询键盘流程图 中断子程序流程图 将键盘状态存入 74HC165 读出一个键盘状态 键盘是否按下 对相应用户进行清零 键盘状态是否已全部移出 结束 是 是 否 开始 山东科技大学课程设计 17 中断子程序流程图 5 结束语 开始 将新的脉冲状态存入。