基于单片机的电量参数测量仪设计

摘要：本系统包括前端处理网络、继电器断电控制电路、电参量测量模块、单片机键盘及显示电路等模块，可以实现交流信号的电压有效值、电流有效值、有功功率、电能、功率因数和频率等的测量，同时完成各电参量的LCD实时显示，大电流检测报警及电能不足报警。SPCE061A单片机主要用于控制LCD显示各电参量，由键盘输入设定值，以及继电器的通断。系统还扩展了语音播报，谐波功率分析等功能。

　　关键词：电参数，测量仪，SPACE061A，CS5463

　　一、引言

　　电能各参数的测量是电力系统设计中的一个重要环节，包括电压、电流、功率、电能等参数。本文设计了一种以凌阳SPACE061A单片机[1]为控制核心的电参数测量仪，通过对智能电量测量芯片CS5463的读写，达到对电量的各个参数进行测量和实时显示的目的。

　　二、系统设计

　　2.1系统总体设计

　　本系统主要由SPCE061A单片机、电源电路、取样网络、继电器开关模块、真有效值测量电路、键盘显示和时钟等模块组成，系统框图如图1所示。

图1系统结构框图

　　2.2有效值转换设计

　　CS5463是一片集成功率测量芯片，内部集成了两个ΔΣ模-数转换器（ADC）、高速电能计算功能、能量频率转换器和各种电参量计算芯片。图2为CS5463的结构电路图。

图2CS5463内部结构原理图

　　电网电压经过电压分压电路转换成小电压信号输入到CS5463A的电压通道输入脚，电网电流经过电流互感器转换成电流小信号，再通过电流采样电路得到小电压信号输入到芯片的电流通道输入脚。CS5463A将转换后得到的信号进行数字处理并计算测得电网电压、电流、功率等数据，再通过一个SPI口与计量微处理器进行通信，将测量到的数据传输到计量微处理器进行处理，如计算功率因数角、频率；判断有功无功功率方向、电压是否逆相序；进行数制转换等 [2]。图3为CS5463的电路连接图。

图3CS5463电路连接原理图

　　2.3电源模块

　　为满足系统各模块电源的要求，我们选用7805、7905分别产生正负5V的电压给CS5463和SPCE061A提供电源，电路图如图4。

图45V电源电路原理图

　　2.4继电器开关模块

　　固态继电器(SolidStateRelays,缩写SSR)是一种无触点电子开关，由分立元器件、膜固定电阻网络和芯片，采用混合工艺组装来实现控制回路(输入电路)与负载回路(输出电路)的电隔离及信号耦合，由固态器件实现负载的通断切换功能，内部无任何可动部件[3]。

　　2.5时钟电路

　　采用时钟芯片DS1302完成分时记录电能。DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器[4]。图5为DS1302的接线图。

图5DS1302电路原理图

　　2.6按键模块

　　按键采用ZLG7289B芯片。ZLG7289B是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的具有SPI串行接口功能的可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片。该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵单片即可完成LED显示﹑键盘接口的全部功能。

　　ZLG7289B内部含有译码器可直接接受BCD码或16进制码并同时具有2种译码方式此外还具有多种控制指令如消隐﹑闪烁﹑左移﹑右移﹑段寻址等

　　ZLG7289B具有片选信号可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口，常用于各种仪表的输入，可以方便的扩展输入功能。其典型应用原理图[5]如图6.

图6ZLG7289B典型应用电路原理图

　　2.7液晶显示模块

　　液晶采用OCMJ4X8C图形汉字两用液晶，体积小，地重量轻。接口电路简单，可以直接和单片机连接，显示内容丰富。既节约IO口，又可以实现友好的人机显示界面。此模块通过主机进行串行数据传输。

　　2.8系统软件设计

　　软件设计主要用于完成：人机界面设置，继电器控制报警，CS5463转换数据的处理及液晶显示，打印机的输出控制，实时时钟芯片控制等，增强仪表的智能化。本系统软件流程图如图7所示，电参数测量流程图如图8所示：

三、原理分析与计算 

图9 CS5463内部数据测量流程图

      图9为CS5463内部数据测量流程图。根据CS5463芯片手册的公式^[2]：

四、误差分析及解决措施 

1. 误差分析：

      （1）由于芯片内部相对于电源的参考电源线电压和线电流之间存在误差，影响所测值的准确度。

      （2）电网信号的波动比较大，且互感器的变比不精确，影响电参量

精度。

      （3）电压和电流互感器及加到电压/电流传感器网络前端的其它传感器/滤波器/保护器件经常会引入相位延迟，破坏被测电压和电流信号的相位关系，影响参数精度^[6]。

2. 解决措施：

      （1）在系统运行前，先经过校验，得出零点偏移，满量程偏移和温漂等，利用CS5463内部的校准寄存器对测量参数进行修正。

      （2）通过前端输入滤波，减小谐波影响，同时开通集成芯片内部的滤波通道，提高抗干扰能力。

      （3）通过前期校验，得出相位补偿系数，输入集成芯片内部进行补偿。

五、总结

      本系统以高性能的集成功率测量芯片为核心，通过SPCE061A完成控制和友好的人机交互功能，增强了系统的可实用性。CS5463具有高精度的测量性能，同时集成了有效值、有功功率、频率、功率因数等比较完整的测量功能。另外通过SPCE061A单片机扩展了语音播报功能和打印机输出功能。  

作者简介：

付伟（1986.9-） 男，山东大学控制科学与工程学院在读硕士研究生，研究方向：计算机先进控制系统与图像处理。

董敏亚（1988.6-） 男，山东大学控制科学与工程学院在读硕士研究生，研究方向：系统工程。

张连生（1985.12-） 男，山东大学控制科学与工程学院在读硕士研究生，研究方向：计算机先进控制系统。