单相电力仪表的设计及应用

　　单相电力仪表的设计及应用

　　一种含有参数采集、处理以及控制等多功能于一体的新型电力仪表。整体上采用MCU+专用电能测量芯片为架构，可以实现对电力系统参数的精确测量，主要功能包括测量电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功电能、无功电能、负载性质等。硬件上采用隔离及抗干扰措施，系统能够在高干扰的电力系统I不境下准确、稳定的运行。并配置有网络通讯、数字量输入、模拟量输出、继电器输出等功能，使得其真正具备了遥测、遥控与遥调的能力。

　　1.单片机及测量芯片的选型

　　PIC系列单片机是美国微芯科技公司的产品。其CPU采用RISC结构，具有Harvard双总线，运行速度快，低功耗，输出能力强，保密性好等特点。PlC18F46K22是其8位单片机中的高端产品，具有32KROM，4KRAM，16MIPS速度，功能丰富且性价比高，所以选择其作为控制单片机。

　　CS5463是一个包含两个△∑模一数转换器、功率计算器、电…Il频率转换器和一个串行接口的完整的电能测量芯片。它可以精确测量瞬时电压、电流和计算lRMS、VRMS、瞬时功率、有功功率、无功功率、电能，常用于研制开发单相电表。因此选择其作为电…I』量芯片。

　　2.接口电路设计

　　2.1信号检测电路的设计

　　(1)电压检测电路设计

　　电压检测采用电阻分压的形式，通过4只620KQ的大电阻和2个390~/电阻串联对交流电进行分压，在2个3900电阻的连接点接地，得到对称于地电位的一对正负电压VlN+和VIN一，幅值约O.1V，即如果VIN+=+50mY，则VIN一1—50mY。再分别通过双向二极管钳位(防止过压等损坏芯片)，阻容滤波后，送至测量芯片的电压差分输入端VIN+和VIN一。CS5463的差分输入端能够识别这样低于OV的信号，这与普通AD芯片区别是比较大的。

　　(2)电流检测电路的设计

　　在电流检测中使用了电流互感器，能够隔离电网强电信号，使用采样电阻和滤波电路实现信号转换。电流互感器将大电流5A转换为2.5mA，在5lQ采样电阻上得到约O.1V的电压信号，再通过2个1KQ电阻串联对采样信号进行分压，在2个lKQ电阻的连接点接地，得到对称于地电位的一对负电压lIN+和llN一，再分别通过双向二极管钳位，阻容滤波后，将信号送至测量芯片的电流差分输入端。

　　2.2信号测量电路的设计

　　CS5463内部集成度高，外围电路简洁，只需外接一个4.096MHz晶振即可工作，其余的计算等工作都由其内部的DSP自动完成，用户只需将相关通信引脚连接至单片机对单片机编程即可。

　　芯片的VIN+和VIN一为电压信号输入，IlN+和llN.为电流信号输入，将上述引脚分别接电压、电流检测电路。

　　芯片的SCLK为时钟信号，SDO为数据输出，SDI为数据输入，CS为片选，RESET为复位脚，El为有功电能脉冲输出，E3为无功电能脉;中输出，将上述引脚接单片机的10引脚即可。最后将VA+和VD+都接电源VCC。

　　2.3电源电路设计.

　　本系统提供两路+5V电源输出，即VCC、GND和+5V、AGND。

　　电源芯片采用TNY266P，是一款10W高效小功率隔离式开关电源lC，同时应用线性光耦PC817和可调精密并联稳压器TL431，组成典型的单端反激式电源电路。输出的第一组VCC、GND(主电源)受并联的TL431和PC817控制，电压稳定性是没有问题的，但由于还需要另一组隔离的电源用于通讯(小功率)，于是在变压器上另增加一个独立绕组，但由于其是完全独立隔离的，所以其电压稳定性是不好的，于是提高其输出电压，使其正常情况下输出为18V左右，通过78L05稳压后得到+5V、AGND，用于通讯隔离。

　　2.4 485通信电路设计

　　通讯部分采用MAX485芯片、高速光耦HCPL0601等组成。由于采用双绞线作为通信线路，所以通讯方式为半双工，即不能同时发送和接收。所以将485芯片的发送控制端DE和接收控制端接到一起，通过光耦隔离，高电平时发送，低电平时接收。同时发送数据TX、接收数据RX也都通过光　耦隔离。再加上电源取自+5V、AGND，从而使整个通讯系统与单片机系统是电气隔离的，具有较高的抗干扰能力。

　　2.5 4-20mA模拟量输出电路设计

　　采用DA芯片MCP4725，运放LM258，光耦LTV356，电源模块B0515等组成。单片机引脚模拟出DA芯片所需的SCL和SDA信号通过光耦隔离输出，DA芯片输出的信号连接至由运放和三极管组成的恒流源电路，输出4—20mA模拟量信号。电源模块的输入为VCC、GND，输出为+15V、SGND，光耦的输出及后面的电路电源全部由+15V、SGND系统供电，这样使得整个4—20mA模拟量输出电路也是与单片机系统电气隔离的，提高了抗干扰性能。

　　2.6其他电路设计

　　显示部分采用TMI?21芯片，驱动段位式液晶显示器。数宇量Dl输入采用光耦LTV356隔离。继电器输出采用三极管8050驱动，5A继电器输出。

　　3.单相电力仪表的应用

　　多功能单相电力仪表是从模拟指针式仪表和电量变送器演变而来。能独立应用于高低压开关柜、交流盘、仪表控制盘、UPS等任何需要电量测量和显示的场合。目前已广泛应用于工业、建筑、民用供电系统和变电站中，帮助用户节省投资和使用空间。可能面面俱到地对实际项目的各个方面进行透彻地研究和分析，尚有一些工作还需要进一步的展开和完善。

　　7.结束语

　　由以上分析可知，采用步进控制可以满足切纸精度的要求，操作自动化，减少了人工操作，提高了生产效率，降低了生产成本。

　　使用注意事项：

　　l、适合环境温度一25～70。C，湿度85%以下使用。

　　2、注意防止震动和冲击。

　　3、不要在有灰尘，对电器产品有害的化学药品，煤气等地方使用。

　　4、在因磁场或高频仪器，高压火花，闪电等原因引起电压异常时，在外部请使用电源滤波器或非线性电阻等干扰吸收电路。

　　5、输入信号线应尽量的短，通常情况下，建议使用双绞线或屏蔽线。