單相電力儀表的設計及應用

作者/劉子揚 ，沈陽斯沃電子有限公司

?

單相電力儀表的設計及應用

作者/劉子揚 ，沈陽斯沃電子有限公司

文章摘要：本文論述了一種含有參數采集、處理以及控制等多功能于一體的新型電力儀表。整體上采用MCU +專用電能測量芯片為架構，可以實現對電力系統參數的精確測量，主要功能包括測量電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功電能、無功電能、負載性質等。硬件上采用隔離及抗干擾措施，系統能夠在高干擾的電力系統環境下準確、穩定的運行。并配置有網絡通訊、數字量輸入、模擬量輸出、繼電器輸出等功能，使得其真正具備了遙測、遙控與遙調的能力。

關鍵詞：參數采集 單片機 CS5463 電力儀表

1.單片機及測量芯片的選型

PIC系列單片機是美國微芯科技公司的產品。其CPU采用RISC結構，具有Harvard雙總線，運行速度快，低功耗，輸出能力強，保密性好等特點。PIC18F46K22是其8位單片機中的高端產品，具有32K ROM，4K RAM，16MIPS速度，功能豐富且性價比高，所以選擇其作為控制單片機。

CS5463 是一個包含兩個ΔΣ模-數轉換器、功率計算器、電能到頻率轉換器和一個串行接口的完整的電能測量芯片。它可以精確測量瞬時電壓、電流和計算IRMS、VRMS、瞬時功率、有功功率、無功功率、電能，常用于研制開發單相電表。因此選擇其作為電能測量芯片。

2.接口電路設計

■2.1信號檢測電路的設計

（1）電壓檢測電路設計

電壓檢測采用電阻分壓的形式，通過4只620KΩ的大電阻和2個390Ω電阻串聯對交流電進行分壓，在2個390Ω電阻的連接點接地，得到對稱于地電位的一對正負電壓VIN+和VIN-，幅值約0.1V，即如果VIN+ = +50mV，則VIN- = -50mV。再分別通過雙向二極管鉗位（防止過壓等損壞芯片），阻容濾波后，送至測量芯片的電壓差分輸入端VIN+和VIN-。CS5463的差分輸入端能夠識別這樣低于0V的信號，這與普通AD芯片區別是比較大的。

(2)電流檢測電路的設計

在電流檢測中使用了電流互感器，能夠隔離電網強電信號，使用采樣電阻和濾波電路實現信號轉換。電流互感器將大電流5A轉換為2.5mA，在51Ω采樣電阻上得到約0.1V的電壓信號，再通過2個1KΩ電阻串聯對采樣信號進行分壓，在2個1KΩ電阻的連接點接地，得到對稱于地電位的一對正負電壓I IN+和I IN-，再分別通過雙向二極管鉗位，阻容濾波后，將信號送至測量芯片的電流差分輸入端。

■2.2信號測量電路的設計

CS5463內部集成度高，外圍電路簡潔，只需外接一個4.096MHz晶振即可工作，其余的計算等工作都由其內部的DSP自動完成，用戶只需將相關通信引腳連接至單片機，對單片機編程即可。

芯片的VIN+和VIN-為電壓信號輸入，I IN+和I IN-為電流信號輸入，將上述引腳分別接電壓、電流檢測電路。

芯片的SCLK為時鐘信號，SDO為數據輸出，SDI為數據輸入，CS為片選，RESET為復位腳，E1為有功電能脈沖輸出，E3為無功電能脈沖輸出，將上述引腳接單片機的IO引腳即可。最后將VA+和VD+都接電源VCC。

■2.3電源電路設計

本系統提供兩路+5V電源輸出，即VCC、GND和+5V、AGND。

電源芯片采用TNY266P，是一款10W高效小功率隔離式開關電源IC，同時應用線性光耦PC817和可調精密并聯穩壓器TL431，組成典型的單端反激式電源電路。輸出的第一組VCC、GND（主電源）受并聯的TL431和PC817控制，電壓穩定性是沒有問題的，但由于還需要另一組隔離的電源用于通訊（小功率），于是在變壓器上另增加一個獨立繞組，但由于其是完全獨立隔離的，所以其電壓穩定性是不好的，于是提高其輸出電壓，使其正常情況下輸出為18V左右，通過78L05穩壓后得到+5V、AGND，用于通訊隔離。

■2.4485通信電路設計

通訊部分采用MAX485芯片、高速光耦HCPL0601等組成。由于采用雙絞線作為通信線路，所以通訊方式為半雙工，即不能同時發送和接收。所以將485芯片的發送控制端DE和接收控制端 接到一起，通過光耦隔離，高電平時發送，低電平時接收。同時發送數據TX、接收數據RX也都通過光耦隔離。再加上電源取自+5V、AGND，從而使整個通訊系統與單片機系統是電氣隔離的，具有較高的抗干擾能力。

■2.54-20mA模擬量輸出電路設計

采用DA芯片MCP4725，運放LM258，光耦LTV356，電源模塊B0515等組成。單片機引腳模擬出DA芯片所需的SCL和SDA信號通過光耦隔離輸出，DA芯片輸出的信號連接至由運放和三極管組成的恒流源電路，輸出4-20mA模擬量信號。電源模塊的輸入為VCC、GND，輸出為+15V、SGND，光耦的輸出及后面的電路電源全部由+15V、SGND

系統供電，這樣使得整個4-20mA模擬量輸出電路也是與單片機系統電氣隔離的，提高了抗干擾性能。

■2.6其他電路設計

顯示部分采用TM1721芯片，驅動段位式液晶顯示器。數字量DI輸入采用光耦LTV356隔離。繼電器輸出采用三極管8050驅動，5A繼電器輸出。

3.單相電力儀表的應用

多功能單相電力儀表是從模擬指針式儀表和電量變送器演變而來。能獨立應用于高低壓開關柜、交流盤、儀表控制盤、UPS等任何需要電量測量和顯示的場合。目前已廣泛應用于工業、建筑、民用供電系統和變電站中，幫助用戶節省投資和使用空間。

使用注意事項：

1、適合環境溫度-25～70℃，濕度85%以下使用。

2、注意防止震動和沖擊。

3、不要在有灰塵，對電器產品有害的化學藥品，煤氣等地方使用。

4、在因磁場或高頻儀器，高壓火花，閃電等原因引起電壓異常時，在外部請使用電源濾波器或非線性電阻等干擾吸收電路。

5、輸入信號線應盡量的短，通常情況下，建議使用雙絞線或屏蔽線。

【參考文獻】

＊[1] 陳志忠,徐月華.計量芯片ADE7758在三相多功能網絡電能表中的應用[J].自動化與信息工程.2010(01)

＊[2] 韓豐,尹明,李雋,張義斌,孫強.我國智能電網發展相關問題探討(英文)[J].電網技術.2009(15)