摘要：本系統(tǒng)包括前端處理網(wǎng)絡(luò)、繼電器斷電控制電路、電參量測量模塊、單片機鍵盤及顯示電路等模塊，可以實現(xiàn)交流信號的電壓有效值、電流有效值、有功功率、電能、功率因數(shù)和頻率等的測量，同時完成各電參量的LCD實時顯示，大電流檢測報警及電能不足報警。SPCE061A單片機主要用于控制LCD顯示各電參量，由鍵盤輸入設(shè)定值，以及繼電器的通斷。系統(tǒng)還擴展了語音播報，諧波功率分析等功能。
關(guān)鍵詞：電參數(shù)，測量儀，SPACE061A，CS5463
一、引言
電能各參數(shù)的測量是電力系統(tǒng)設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)，包括電壓、電流、功率、電能等參數(shù)。本文設(shè)計了一種以凌陽SPACE061A單片機[1]為控制核心的電參數(shù)測量儀，通過對智能電量測量芯片CS5463的讀寫，達到對電量的各個參數(shù)進行測量和實時顯示的目的。
二、系統(tǒng)設(shè)計
2.1系統(tǒng)總體設(shè)計
本系統(tǒng)主要由SPCE061A單片機、電源電路、取樣網(wǎng)絡(luò)、繼電器開關(guān)模塊、真有效值測量電路、鍵盤顯示和時鐘等模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
2.2有效值轉(zhuǎn)換設(shè)計
CS5463是一片集成功率測量芯片，內(nèi)部集成了兩個ΔΣ模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、高速電能計算功能、能量頻率轉(zhuǎn)換器和各種電參量計算芯片。圖2為CS5463的結(jié)構(gòu)電路圖。
圖2CS5463內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖
電網(wǎng)電壓經(jīng)過電壓分壓電路轉(zhuǎn)換成小電壓信號輸入到CS5463A的電壓通道輸入腳，電網(wǎng)電流經(jīng)過電流互感器轉(zhuǎn)換成電流小信號，再通過電流采樣電路得到小電壓信號輸入到芯片的電流通道輸入腳。CS5463A將轉(zhuǎn)換后得到的信號進行數(shù)字處理并計算測得電網(wǎng)電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)，再通過一個SPI口與計量微處理器進行通信，將測量到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬃课⑻幚砥鬟M行處理，如計算功率因數(shù)角、頻率；判斷有功無功功率方向、電壓是否逆相序；進行數(shù)制轉(zhuǎn)換等 [2]。圖3為CS5463的電路連接圖。
圖3CS5463電路連接原理圖
2.3電源模塊
為滿足系統(tǒng)各模塊電源的要求，我們選用7805、7905分別產(chǎn)生正負5V的電壓給CS5463和SPCE061A提供電源，電路圖如圖4。
電路原理圖" height="173" src="http://files.chinaaet.com/images/20111026/ff9c8614-8494-47a6-83a7-7b98ada1a050.jpg" width="398" />
圖45V電源電路原理圖
2.4繼電器開關(guān)模塊
固態(tài)繼電器(SolidStateRelays,縮寫SSR)是一種無觸點電子開關(guān)，由分立元器件、膜固定電阻網(wǎng)絡(luò)和芯片，采用混合工藝組裝來實現(xiàn)控制回路(輸入電路)與負載回路(輸出電路)的電隔離及信號耦合，由固態(tài)器件實現(xiàn)負載的通斷切換功能，內(nèi)部無任何可動部件[3]。
2.5時鐘電路
采用時鐘芯片DS1302完成分時記錄電能。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器[4]。圖5為DS1302的接線圖。
圖5DS1302電路原理圖
2.6按鍵模塊
按鍵采用ZLG7289B芯片。ZLG7289B是廣州周立功單片機發(fā)展有限公司自行設(shè)計的具有SPI串行接口功能的可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管或64只獨立LED的智能顯示驅(qū)動芯片。該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣單片即可完成LED顯示﹑鍵盤接口的全部功能。
ZLG7289B內(nèi)部含有譯碼器可直接接受BCD碼或16進制碼并同時具有2種譯碼方式此外還具有多種控制指令如消隱﹑閃爍﹑左移﹑右移﹑段尋址等
ZLG7289B具有片選信號可方便地實現(xiàn)多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口，常用于各種儀表的輸入，可以方便的擴展輸入功能。其典型應(yīng)用原理圖[5]如圖6.
圖6ZLG7289B典型應(yīng)用電路原理圖
2.7液晶顯示模塊
液晶采用OCMJ4X8C圖形漢字兩用液晶，體積小，地重量輕。接口電路簡單，可以直接和單片機連接，顯示內(nèi)容豐富。既節(jié)約IO口，又可以實現(xiàn)友好的人機顯示界面。此模塊通過主機進行串行數(shù)據(jù)傳輸。
2.8系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件設(shè)計主要用于完成：人機界面設(shè)置，繼電器控制報警，CS5463轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的處理及液晶顯示，打印機的輸出控制，實時時鐘芯片控制等，增強儀表的智能化。本系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示，電參數(shù)測量流程圖如圖8所示：
三、原理分析與計算
圖9 CS5463內(nèi)部數(shù)據(jù)測量流程圖
圖9為CS5463內(nèi)部數(shù)據(jù)測量流程圖。根據(jù)CS5463芯片手冊的公式[2]：
四、誤差分析及解決措施
1. 誤差分析：
（1）由于芯片內(nèi)部相對于電源的參考電源線電壓和線電流之間存在誤差，影響所測值的準確度。
（2）電網(wǎng)信號的波動比較大，且互感器的變比不精確，影響電參量
精度。
（3）電壓和電流互感器及加到電壓/電流傳感器網(wǎng)絡(luò)前端的其它傳感器/濾波器/保護器件經(jīng)常會引入相位延遲，破壞被測電壓和電流信號的相位關(guān)系，影響參數(shù)精度[6]。
2. 解決措施：
（1）在系統(tǒng)運行前，先經(jīng)過校驗，得出零點偏移，滿量程偏移和溫漂等，利用CS5463內(nèi)部的校準寄存器對測量參數(shù)進行修正。
（2）通過前端輸入濾波，減小諧波影響，同時開通集成芯片內(nèi)部的濾波通道，提高抗干擾能力。
（3）通過前期校驗，得出相位補償系數(shù)，輸入集成芯片內(nèi)部進行補償。
五、總結(jié)
本系統(tǒng)以高性能的集成功率測量芯片為核心，通過SPCE061A完成控制和友好的人機交互功能，增強了系統(tǒng)的可實用性。CS5463具有高精度的測量性能，同時集成了有效值、有功功率、頻率、功率因數(shù)等比較完整的測量功能。另外通過SPCE061A單片機擴展了語音播報功能和打印機輸出功能。
作者簡介：
付偉（1986.9-） 男，山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：計算機先進控制系統(tǒng)與圖像處理。
董敏亞（1988.6-） 男，山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：系統(tǒng)工程。
張連生（1985.12-） 男，山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：計算機先進控制系統(tǒng)。