电能表作为电能计量的专用外表,在电能办理仪器外表中占有很大份额,其功用直接影响着电能办理的功率和科技水平。从产品的功用、功用及经济效益等多方面来看,全电子电能表与传统的感应式电能表比较,存在着显着的优势。并且电能表作为计量办理和用电办理的终端,它所供给的各种功用是完结电力体系主动化办理必不可少的。传统的丈量都是选用A／D转化电路,但这种办法使部分电参量丈量精度欠佳,性价比不抱负,且软件编程相对杂乱,微控制器有必要对采样电路进行数据处理(如电压、电流的均匀值、有用值,有功、无功核算等)。而跟着现代电子工业的高速开展,丈量电路的集成化、模块化成为未来开展的趋势,各大器材公司也纷繁推出自己的电能计量芯片。这种集成芯片不只准确度高,并且硬件、软件规划简略,价格便宜,性价比高,极具市场潜力。本文给出了根据Microchip公司的MCP3906单相电能计量芯片,并以AVR公司的ATMega16为MCU规划开发的一款新式单相电能表完结计划。与以往电能表比较,该计划具有规划接口简略、结构紧凑、牢靠性高级特色。
1 MCP3906单相电能计量芯片
MCP3906是Microchip公司推出的单相电能计量芯片,它支撑世界电能计量规范技术规范IEC62053,可供给与均匀有功功率成份额的频率输出,以及与瞬时功率成份额的高频输出用于电表校准。MCP3906内部包含两个16位△-∑ADC,可用于各种IB和IMAX电流和小分流器(200μΩ )的电表规划。该芯片还包含一个超低温漂(15ppm／℃)参阅电压,经过特别规划的带隙温度曲线,可在整个工业级温度规模内使温度梯度到达最小。固定功用的片上DSP模块可用于核算有功功率,此外,片上还有驱动机械计数器的高输出驱动器,能够削减现场毛病和机械计数器咬合。芯片的空载门限模块可避免任何电流潜变(Creep)丈量,而上电复位(Power on Reset,POR)模块则可在低电压时约束电表丈量。因而,MCP3906是具有高现场牢靠性的精细电能计量IC,并选用业界规范的引脚装备。
1.1 MCP3906的内部结构及作业原理
MCP3906是混合模仿／数字信号的CMOS集成电路,其内部结构框图如图1所示。
MCP3906可供给与有功功率成份额的频率输出和与瞬时功率成份额的高频输出来用于校准。它的两个通道均运用16位二阶△-∑ADC,能以MCLK／4的频率对输入进行采样,一起答应对动态规模很宽的输入信号进行采样。可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifier,PGA)扩展了电流输入通道(通道0)的可用规模。其有功功率的核算以及与核算有关的滤波均可在数字域中完结,然后提高了其安稳性和温漂功用。
MCP3906的两个数字高通滤波器(HPF1和HPF2)能够滤除两个通道的体系偏移量,因而,有功功率的核算不含任何电路或体系偏移量。经过高通滤波后,电压和电流信号相乘,即可得出瞬时功率信号。此信号不含直流偏移重量,因而可有用运用求均匀法(Averaging Technique)核算出所需的有功功率输出。
瞬时功率信号包含的有功功率信息便是瞬时功率的直流重量。求均匀法可用于核算正弦和非正弦波形,以及一切功率因数。瞬时功率经过低通滤波器(LPF)就能够发生瞬时有功功率信号。
经过MCP3906的DTF转化器可对瞬时有功功率信息进行累加,以发生输出脉冲,此脉冲的频率与均匀有功功率成份额。FOUT0和FOUT1输出的低频脉冲可用于规划驱动机电式计数器和双相步进电机,以便显现实践耗费的有功功率。每个脉冲对应于一个固定的有功电量值,其功用可由F2、F1和F0的逻辑进行挑选。HFOUT输出具有较高的频率设定和较低的积分周期,可用于表征瞬时有功功率信号。因为累加时刻较短,该输出可运用户在安稳的负载条件下进行快速的校准。
1.2 MCP3906的引脚功用
MCP3906选用24引脚SSOP封装,其引脚摆放如图2所示。各引脚的功用阐明如表1所列。
2 MCP3906在单相电能表中的运用
2.1 单相电能表的体系组成
运用MCP3906和AVR Mega16规划的单相电能表体系框图如图3所示。图中,MCP3906芯片用于对输入的电压和电流进行核算。将经过高通滤波后的电压和电流信号相乘,得出瞬时功率信号,此瞬时功率经过低通滤波器即可发生瞬时有功功率信号。此信号不含直流偏移重量,但可运用求均匀法核算出所需的有功功率输出：然后经过器材的DTF转化器对瞬时有功功率信息进行累加,以发生输出脉冲,此脉冲的频率与均匀有功功率成份额,每个脉冲对应于一个固定的有功电量值;再经过AVR单片机对该脉冲信号进行计数,即可得出有功功率的数值;最终经过LCD显现模块显现出来。体系的电能累计分为第一次上电后的接连累计和时段累计两种。时段累计需求对时刻进行判别,即假如当时的时刻处在某个时段内,则对该时段进行电能累计;不然,不进行电能累计。
2.2 体系功用模块
(1) RTC实时时钟模块
时钟是电能分时计量的根底,实时时钟分硬时钟和软时钟两种,本规划选用硬时钟。当时运用较为广泛的时钟芯片有PCF8583、DS1302等。本规划选用DS1302实时时钟芯片来为体系供给时钟,可准确到年月日时分秒。该芯片内置可编程日历时钟和31字节的RAM,作业电压规模为2.5～5.5V,且功耗低。掉电后可由电池供电,其作业寿数达10年以上。
(2) LCD显现模块
电能表的显现一般可选用段式LCD显现器,这种显现器具有功耗低、寿数长、显现方法灵敏等长处。
(3) 通讯接口模块
通讯处理模块是电能表体系与外界通讯的模块,这是根据国标规程编写的一个软件模块。该模块包含通讯接纳处理、通讯指令处理及通讯发送处理等部分。因为通讯信道有红外信道和RS485信道两个信道,故在通讯时,要由MCU来判别道底运用哪个信道。
(4) 数据存储模块
该功用模块首要由支撑I2C总线的可擦写EEP-ROM (AT25C256)和掉电维护电路组成,首要用于存储核算出来的电压、电流、有功等实时值以及每个时段的有功电能值,还有掉电时刻记载、电压电流越上下限报警记载和历史记载等等。假如模块掉电,体系中的掉电维护电路会主动切换到后备电池给外部RAM供电,以保证RAM里一切的数据不丢掉。
(5) 电源
为保证电能表安稳牢靠的运转,电源是电能表规划的一个要害。本规划选用一路9V电源和一路5V电源来分别给AVR Mega16和RS485通讯单元供电。通讯单元、计量单元和MCU之间的通讯选用光耦进行阻隔,可提高整个体系的抗搅扰才能。众所周知,电能表的搅扰源首要有电网的电压动摇、闪电冲击和变压器发生的电磁感应等。本规划选用压敏电阻来吸收瞬问高压冲击。电源进线处则运用磁环来避免高频电磁脉冲对电路的搅扰和损坏。
2.3 软件规划
整个电能表的软件程序由主程序、体系初始化、电量处理模块、数据存储、键盘中止、LCD显现模块、通讯模块等组成。经过主程序或经过中止方法能够调用子程序,以完结体系的全体功用。
其间主程序可用于完结发动和体系初始化(包含FLASH、RAM、LCD的设置、SCI及RTC等的初始化),以及断定时段,在LCD上显现电量和时刻等。主程序的流程图如图4所示。
而电量处理模块则用于读取计量芯片的有功等电量数据,并进行杂乱的处理,最终保存这些电能参量。
按键中止模块首要用来处理按键中止。LCD显现模块则用于完结LCD字段的显现,可经过LCD显现屏轮番显现有功和总电量等参数。
通讯模块首要依照通讯规约的要求,来完结与抄表体系的牢靠通讯。以便经过抄表体系来读取用户的电量数据以及设置时刻、费率和地址等电表参数。
3 结束语
经过本文根据MCP3906电能芯片和AT-Mega16单片机的单相电表可完结对单相电能的计量。该体系功用安稳、功用完善、操作简略,十分适用于单相电能的丈量。其较高的性价比也为计量组织和用户供给了更多的一种挑选。
