单相电力仪表的设计及应用
日期: 2018-10-121．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32K ROM，4K RAM，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△Σ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l RMS、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VI N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VI N+和VI N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正负电压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4．096M Hz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，I lN+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、G N D，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TM I?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。
(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VI N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VI N+和VI N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正负电压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4．096M Hz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，I lN+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、G N D，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TM I?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。
使用注意事项：
1、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。
使用注意事项：
1、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。
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