丁電寬 薛鵬輝 李立新

（1.安陽師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院 河南省安陽市 455000 2.松翰科技(深圳)有限公司 廣東省深圳市 518101）

1 引言

隨著國民經(jīng)濟的飛躍發(fā)展，人們生活水平得到不斷提高，每戶人均用電量也得到大幅度的增加，已基本實現(xiàn)“一戶一表制”局面，同時針對電能計量表的需求和要求也得到進一步的增加，電能表已是我國電工儀表行業(yè)中產(chǎn)量最大的產(chǎn)品之一。傳統(tǒng)的電能計量表功能單一，準(zhǔn)確性也低，頻率使用范圍窄，這些缺點都不利于未來人的社會生活。隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展以及用電負(fù)荷特性的不同，功能多、精度高、便于自動抄表等需求的電子式電能表應(yīng)運而生。

基于此，設(shè)計了一款集測電流、電壓、功率于一體的單相電能計量表[1]，該電能表能夠準(zhǔn)確的測量用戶的用電電流、電壓、功率和電能。與傳統(tǒng)的電能計量表相比，本電能表具有功能多、精度高、便于自動抄表等特點。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

圖1：系統(tǒng)設(shè)計框圖

電能計量系統(tǒng)由前端調(diào)理電路模塊、電能計量芯片模塊、微控制器、DS1302 時鐘、顯示模塊、AT24C02 存儲器和通信模塊等部分組成。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。其中，前端調(diào)理模塊實現(xiàn)電壓、電流的轉(zhuǎn)換，電能計量芯片實現(xiàn)電能的計量，DS1302 時鐘芯片提供基準(zhǔn)時間，AT24C02 存儲芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，MAX232 通信模塊為單片機和PC 機通信提供條件，微控制器選用STC89C52 單片機，對電能計量數(shù)據(jù)進行處理和實時顯示、存儲和通信。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 電能計量芯片模塊設(shè)計

電能計量芯片CS5460A 是美國CIRRUS LOGIC 公司推出的帶有串行接口的單相雙向功率/電能計量集成電路芯片，廣泛應(yīng)用于電流、電壓、功率和電能的測量。芯片具有方便的片上AC/DC 系統(tǒng)校準(zhǔn)和“自引導(dǎo)”功能[2,3,4]，系統(tǒng)上電后能自動初始化，從外部EEPROM 中讀取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和啟動指令，大大降低了電表成本。

有功電能、瞬時功率、電壓有效值和電流有效值的測量是通過把前端調(diào)理電路變換后的電壓、電流信號以不超過250mV 的差模電壓接到CS5460A 的差模電壓、電流輸入端，即CS5460A 芯片的VIN+、VIN-、IIN+、IIN-引腳上，采樣信號經(jīng)過芯片內(nèi)部的自動處理后得到。

CS5460A 串行口接口有:CS、SDI、SDO 和SCLK。其中片選引腳CS 與單片機P1.5 口相連，SDI、SDO 和SCLK 三個引腳分別與單片機的P3.5、P1.6 和P1.7 引腳相連。電能計量芯片與單片機和前端調(diào)理電路的連接線路如圖2所示。

3.2 前端調(diào)理電路設(shè)計

在前端電壓調(diào)理部分，電壓互感器選用南京向上電子有限公司的DL-PT202D 型精密電壓互感器，互感器變比為2mA:2mA，額定輸入電流為2mA，額定輸出電流為2mA，最大輸入電流為10mA，可測量電壓范圍為0～1000V。電路如圖3所示，電壓互感器和串聯(lián)電阻并聯(lián)到用戶負(fù)載兩端。用戶供電為220V 的交流電，首先外接電阻R1=110k，得到電流2mA，再通過2mA:2mA 變比互感器，在二次側(cè)連接1 個精密電阻的R2=51Ω 將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，經(jīng)RC 濾波網(wǎng)絡(luò)，并加入防抖動電容保護芯片。經(jīng)變換后的補測信號以差模電壓形式接到CS5460A 的差模電壓輸入端VIN+和VIN-引腳。

在前端電流調(diào)理部分，電流互感器采用南京向上電子有限公司的變比1000：1 的穿心式微型DL-CT03C1.0 系列電流互感器，額定輸入電流、輸出電流分別為5A、5mA，將線路從該互感器中穿過即可得到感應(yīng)電流。如果用戶用電電流為2A，經(jīng)過電流互感器轉(zhuǎn)換出2mA 的電流信號，然后在二次側(cè)連接1 個精密電阻R3=51Ω將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，經(jīng)RC 濾波網(wǎng)絡(luò)，并加入防抖動電容保護芯片。經(jīng)變換后的補測信號以差模電壓的形式接到CS5460A的差模電流輸入端IIN+和IIN-引腳[5,6]。

3.3 數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)存儲芯片選用低功耗CMOS 存儲容量為2Kb 的串行EEPROMAT24C02。存儲芯片可編程地址輸入端A0～A2 和寫保護輸入端WP 接地，SCL、SDA 分別與單片機P1.3、P1.4 口相連，存儲芯片與單片機接線如圖4所示。

3.4 通信模塊設(shè)計

串口通信設(shè)計模塊電路如圖5所示，采用RS-232 串口通信，實際應(yīng)用中，VCC 對地加0.1uf 的去耦電容C10。C6、C7、C8、C9 電容取1.0uf/16V 的非極性瓷片電容，為提高抗干擾能力，PCB 設(shè)計時盡量靠近MAX232 芯片。T1IN、T2IN 接單片機的串行發(fā)送端TXD；R1OUT、R2OUT 接單片機的串行接收端RXD；T1OUT、T2OUT 連接PC 機的RS-232 串口的接收端RXD；R1IN、R2IN 連接PC 機的RS-232 串口的發(fā)送端TXD[7]。通過該串口，PC 機可以向單片機寫入程序，單片機也可向PC 機發(fā)送用戶用電數(shù)據(jù)。

圖2：電能計量芯片接線圖

圖3：前端調(diào)理電路

圖4：存儲芯片接線圖

圖5：串口通信設(shè)計圖

表1：測量數(shù)據(jù)表

圖6：主程序流程圖

4 軟件設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)處理與計算

首先，設(shè)電壓轉(zhuǎn)換常數(shù)為K1，電流轉(zhuǎn)換常數(shù)為K2。在剛校準(zhǔn)了CS5460A 之后，通過測量電力線上電壓和電流的轉(zhuǎn)換值，與CS5460A 內(nèi)部電壓/電流有效值寄存器內(nèi)獲得的信號讀數(shù)值相比較，確定K1、K2。

設(shè)芯片測量滿量程FulScale 為250mV，假設(shè)測量電壓為220V，經(jīng)過電壓互感器后得到100mV 的采樣電壓，則電壓轉(zhuǎn)換常數(shù)K1=220V/(100mV/fulscale)=550。則電壓有效值寄存器的值乘以K1 便為實際測量的電壓值。同理可以得到電流轉(zhuǎn)換常數(shù)K2[8,9]。

下面把能量寄存器的讀數(shù)換算成如千瓦時等標(biāo)準(zhǔn)化單位。假定從CS5460A 讀取的N（周期計數(shù)寄存器的值）個瞬時電壓和電流采樣值分別以Rvk和Rik（k=0，1，2，…，N-1）。根據(jù)公式（1）和（2）可以得到實際電壓和電流值Vk和Ik：

每個計算周期之后，時基校準(zhǔn)寄存器的值用TBC 表示，從CS5460A 能量寄存器中讀取值用Re表示，則：

有功能量E 為：

設(shè)主時鐘頻率MCLK=4.096MHz，主時鐘分頻值K=1，TBC=1，N=4000，來求出能量轉(zhuǎn)換常數(shù)K3 的值。

有功能量是時間區(qū)間上對有功功率的積分，時間區(qū)間是CS5460A 完成一個計算周期所花費的時間[10]。計算周期為：

時間區(qū)間上平均功率Pavg可以通過公式（6）獲得：

通過對在此時間區(qū)間上有功（平均）功率積分，求得所耗費的有功能量。

根據(jù)公式（4）～（7）可以得到K3 的值為：

則可以通過把能量寄存器的值乘以K3，然后除以一個計算周期的時長得到有功能量。測量到的功率將以瓦特為單位。

4.2 軟件流程圖

系統(tǒng)軟件采用模塊編程，主程序流程圖如圖6所示。系統(tǒng)上電初始化之后，單片機實時讀取時鐘芯片內(nèi)的時鐘數(shù)據(jù)，接著從單相電能計量芯片CS5460A 中讀取用戶用電數(shù)據(jù)、用電電壓和用電電流有效值，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，將用戶用電數(shù)據(jù)存儲到存儲芯片內(nèi)，最后送液晶顯示。通過串口中斷方式，送上位機進行數(shù)據(jù)監(jiān)控。

5 實驗與結(jié)論

調(diào)試時根據(jù)模塊化設(shè)計對各個模塊進行逐個調(diào)試。依次完成顯示模塊、實時時鐘模塊、電能計量模塊、數(shù)據(jù)存儲和通信模塊等功能，最后完成整機調(diào)試。表1是人工測量數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計表。

從表1中可以看出，測量數(shù)據(jù)存在儀表測量和外界突發(fā)干擾等因素引起的隨機誤差，單相電能計量表存在一定的誤差，電壓誤差和電流誤差都小于3.4%。經(jīng)過多次測試運行，系統(tǒng)操作方便，性能穩(wěn)定，能實現(xiàn)用戶電能、電壓有效值、電流有效值的測量和顯示。