AD7755在电表有功电能测量中的应用.docx

资源描述

AD7755在电表有功电能测量中的应用.docx

《AD7755在电表有功电能测量中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《AD7755在电表有功电能测量中的应用.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

AD7755在电表有功电能测量中的应用.docx

AD7755在电表有功电能测量中的应用

第一章绪论…………………………………………………………………………1

第二章电能测量理论基础………………………………………………………2

2.1电能测量原理…………………………………………………………………2

2.1.1模拟输入……………………………………………………………………3

2.1.2电源监控电路………………………………………………………………4

2.1.3数/频转换……………………………………………………………………4

2.1.4传输函数……………………………………………………………………5

2.2AD7755与微控制器的接口…………………………………………………5

2.2.1高通滤波和失调影响………………………………………………………5

第三章设计方案…………………………………………………………………6

3.1设计方案介绍…………………………………………………………………6

3.2方案的设定……………………………………………………………………6

第四章硬件设计…………………………………………………………………7

4.1AD7755电路图及其功能介绍…………………………………………………7

4.1.1AD7755中基电能测量分析…………………………………………………7

4.1.2输入电路的设计…………………………………………………………10

4.1.3输出电路的设计……………………………………………………………10

4.2CPU电路图…………………………………………………………………11

4.3时间和电表读数显示电路…………………………………………………12

4.4键盘部分电路图……………………………………………………………14

4.5串行接口及远程抄表电路图………………………………………………15

4.5.1对芯片RS485进行介绍……………………………………………………15

4.5.2基本控制器的设计及功能…………………………………………………18

4.5.3通讯CPU的功能主要有……………………………………………………18

4.5.4以下就是RS—485芯片的电路图…………………………………………20

4.6时钟信号芯片简介及作用…………………………………………………21

4.6.1DS12C887的作用和性能……………………………………………………21

4.6.2时钟信号芯片的内部结构和管脚图………………………………………22

4.6.3管脚功能表…………………………………………………………………23

4.6.4DS12C887应用………………………………………………………………25

4.6.5硬件电路……………………………………………………………………26

4.6.6软件设计……………………………………………………………………27

4.6.7储存功能……………………………………………………………………28

4.7.1工作原理……………………………………………………………………29

第五章软件流程图………………………………………………………………30

5.1软件流程图叙述………………………………………………………………30

5.2软件流程图……………………………………………………………………31

结论

致谢

参考文献

第一章绪论

目前，许多国家的电力工业机制都在引入竞争机制、建立电力市场的电力体制改革，目的在于更合理地配置资源，提高资源利用率，促进电力工业与社会、经济、环境的协调发展。

在我国，随着改革的深入和电力市场供求状况的变化，现行的电力体制已难以适应社会主义市场经济体制的要求。

电力工业快速发展的同时，电力体制改革也逐步深入，电力工业以“公司制改组、商业化运营、法制化管理”为改革目标的基本取向。

电力工业管理体制由计划经济向市场经济转变。

政府宏观调控、企业自主经营、行业协会提供服务，适应市场经济要求和电力生产特点的新型电力工业管理体制正在逐步建立。

电力市场的引入迫使各电力企业的经营管理，相关的政策、法规以及技术支持必须进行相关调整，以适应我国电力市场的需要。

为了促进电力销售，一些供电企业开始探索市场经济条件下供电企业的工作模式，不断转变思想，按市场经济规律的要求加强电力调度和检修工作，加快城乡电网的建设和改造，提高服务水平。

电力企业的这种促销行为，在客观上加快了其进入电力市场的步伐。

近年来，由于城乡电网改造，一户一表政策、国家西电东送等跨世纪工程的实施，巨大的经济利润促使电能表生产企业数量剧增。

一位业内人士告诉记者，电能表生产企业由两网改造之前的400多家，剧增至两网改造时的1200多家，两网改造后又回落至600多家。

目前，我国对电能表的年需求量稳定在8000万～9000万台，而生产能力已达到年产2亿台，产能严重过剩，今后市场的格局基本上是供大于求。

电子式产品的过渡自20世纪90年代即有所迹象，进入21世纪之后则近乎势不可挡。

而电子表相较于机械表的突出优点，更成为产品转型的源动力。

电子表具有的实时计费功能，多参数测量谐波电能计量，可以自动进行断电检测，可以自动读表、并通过GPRS系统、以太网等通信网络将读表结果发送到接收端，以及高精度、高稳定性、高可靠性等特点，为其替代传统的机械表打下了基础。

而且，对于大规模制造工厂等工业用户而言，只有电子式电能表才能帮助他们进一步降低成本、改进电能监控功能。

不仅工业、商业用表以多功能等电子表为主，在国内民用电能表的市场，电子表的市场占有率也已从5年前的10％上升到40％，从普通功能型向多费率、多功能等科技型电能表方向过渡。

由此可见本次设计是具有一定的社会价值。

第二章电能测量理论基础

2．1电能测量原理

AD7755是把从电流通道和电压通道中进来的模拟信号，各自送到一个16位的∑—△模/数转换器中进行模/数转换，转换后的数字信号经过处理后直接相乘得到瞬时功率信号。

瞬时功率是由瞬时有功功率和瞬时无功功率组成，为了得到有功功率分量（即直流分量）要对瞬时功率信号进行低通滤波。

AD7755不但能正确计算正弦电压和正弦电流的有功功率，而且还能计算非正弦电压和非电流的功率的有功功率。

数学上已证明：

当电压和电流波形是非正弦时，可以通过傅立叶分解，而得到电压和电流的正弦谐波成分：

（1）

（2）

式

（1）中

是瞬时电压，

是电压平均值，

是h次电压谐波的有效值，ak是h次电压谐波的相位角。

式

（2）中

是瞬时电流，

是电流平均值，Ih是h次电流谐波的有效值，

h是h次电流谐波的相位角。

根据理论分析，有功功率P可以用电压和电流的基波有功功率P1和谐波有功功率PH之和表示：

P=P1+PH。

（3）

（4）

其中

是电压和电流的相位差。

由式（4）可以看出，电压和电流的各次谐波都产生谐波有功功率。

又因为AD7755对纯正弦波的功率因数和有功率的计算是精确的，而谐波是由一系列纯正弦波组成，所以，AD7755，从测量的机理上已经充分考虑了电网谐波的存在和影响因素。

因此，利用它制作的系统的测量精度和抗干扰能力将大大提高。

2．1.1模拟输入：

通道V1（电流通道）

线路电流传感器的输出电压接到AD7755的通道V1，该通道采用完全差动输入，VIP为正输入端，VIN为负输入端。

通道1的最大差动峰值电压应小于470mV。

应当注意，通道1有一个PGA，其增益可由用户选择1，2，8或16。

VIP和VIN引脚的最大信号电平，最大差动电压470mV，由增益选择而定。

在这两引脚上的差动信号必须以一个共模端作为参考点，最大共模信号为100mV。

其典型接线电路如下图所示：

通道V2（电压通道）

线路电压传感器的输出接到AD7755的通道V2，该通道的最大差动峰值电压为±660mV。

加在通道2上的差动电压信号必须以一个共模端作为参考点（通常是AGND），最大共模电压为（100mV）。

然而，当共模电压为0V时能获得最好的测量结果。

其典型接线电路如下图所示：

2．1.2电源监控电路

AD7755片包含一个电源监控电路，连续对模拟电源（AVDD）进行监控。

当电源电压低于4V±5%时，AD7755将被复位。

这对于确保上电和掉电时芯片的正确启动和正常工作有用。

电源监控电路被安排在延时和滤波环节中，这在最大程度上防止了由电源噪声引发的错误。

如下图所示，电源监控电路的正常触发电平为4V，触发电平的允许误差为±5%。

为保证芯片的正常工作应对电源去耦，使AVDD的波动不超过5V±5%。

2．1.3数／频转换

如前所述，低通滤波器（LPF）的数字输出中包括有功功率信息。

然而由于LPF不是理想的滤波器，因此输出信号还包括有削弱了的线频率及其谐波成分COS（h（ot），其中h：

1，2，3……。

由于瞬时功率计算的原因，主要谐波成分为线频率的两倍，即lu。

实际上，LPF输出的瞬时有功功率信号仍包括了大量的瞬时功率信息，例如COS（2ωt）。

此信号被送人数字频率转换器并经过积累，即可得到输出频率。

信号的积累可以减少瞬时有功功率信号中的任何非直流成分。

另外，由于正弦信号的平均值为0，因此AD7755产生的频率与平均有功功率成比例。

频率输出CF随着时间而变化的原因主要是瞬时有功功率信号中的COS（20t）成分所致。

CF输出的频率可以达到n和F2输出频率的2048倍，这个高频输出是在数字转换为频率时积累了很短的时间而产生的。

积累时间很短意味着只包括很少的COS（2ωt）成分，这就使得一些瞬时有功功率信号通过了数字频率转换器。

这在实际应用中不成问题，因为当CF用作校准时，频率将会通过频率计数器来平均，由此去掉波纹。

由于n和F2的输出频率很低，因此引入了很多的瞬时有功功率信号的平均值，所以输出的是大大削弱了正弦成分的频率。

2．1.4传输函数

P1和F2的频率输出

如前所述，P1和F2的频率输出是对有功功率信号较长时间的积累，它与平均有功功率成比例。

输出频率与输入电压和电流信号的关系如下：

Freq=（515.84V1msV2msF1-4）/V2ref

其中，Freq为F1和F2的输出频率，单位为Hz，V1ms和V2rms是通道V1和V2的差分电压信号输入（V），y对为参考电压（2.5V±8％），F1-4是表2中由逻辑输入S0和S1选择的四种可能的频率之一。

CF的频率输出

CF最大输出频率与F1、F2之间的关系。

当逻辑输入SCF为0，而S1和S0为1时，其最大值为2．867kHz。

2．2AD7755与微控制器的接口

AD7755与微控制器最简易的连接方式可利用CP的高频输出来完成。

连接时，可将CF设置为最大输出频率（如图所示），并将CF连接至MCU计数器或接口，然后在MCU内部定时器规定的时间内计数脉冲，并取平均功率等于平均频率，同时，该值也等于计数所得值与计数时间的比值。

这样，此计数时间内所消耗的能量为平均功率与时间的乘积，也就是说计数值／时间与时间乘积的计数值。

2．2.1高通滤波和失调影响

由上可知通道1和通道2的失调信号相乘后将产生一个直流分量。

由于这个直流分量要通过低通滤波器（LPF）产生有功功率，因此失调将对有功功率产生一个固定的误差。

为避免这个问题，只要把通道1中的HPF设置成选通（即引脚AC/DC置高电平）就行了。

至少一个通道的失调被消除后，相乘就不会产生直流误差分量。

对于含有cos（wt）的误差项通过LPF和数字频率转换器消除。

通道1的HPF与相位响应相关联，但它在片内已得到补偿。

当HPF设置为选通时，相位补偿自动起作用，当HPF无效时，相位补偿也无效。

第三章设计方案

3．1设计方案介绍

本次设计的题目是AD7755在电表有功电能测量中的应用。

能实现该项设计方案有很多，其中包括以下几种方法：

（1）8031+AD7755+485+LED8（采用单片机作为cpu控制芯片，用模数转换器AD7755进行转换，用数码管进行显示）；

（2）8031+AD7755+485+液晶（显示部分是液晶）；（3）8031+AD+485+LED8（用AD作为乘法器）；（4）8031+AD+485+液晶。

就设计方案来说可以通过上面讲述的四种方法来实现AD7755在电表有功电能测量中的应用。

各种设计方案的不同一个在与显示部分的不同，还有就是在进行电能和脉冲交换的方法不同，在其他cpu控制处理方面，还有串行通路及远程控制方面都是一样的。

本次设计本人所才用的方法是8031+AD7755+485+LED8，下面就简要的介绍此种设计的特点和优点。

3．2方案的设定

本次设计通过AD7755进行电能与脉冲的转换，用中心控制器进行：

码管显示的控制；对时钟信号进行控制；对外部存储器进行控制；对远程控制系统进行控制。

从而完成本次设计的，框图的设计和构思是设计的初衷，为以后的设计定下了一个模式，以后的设计就是围绕整体框图来实现设计的。

AD7755是用于功率测量或电能计量的专用集成电路，是目前电子式电度表的核心芯片通过采样电阻（锰铜合金制成）获取的电流采样信号和电压采样信号在芯片内部实现能量计量累加，并在内部实现A/D转换，以脉冲方式输出给机械计度器及单片机数据处理使用，本系统采用CF输出为3200imp/kwh供单片机进行计量处理，电量采样板上另一部分电路是磁保持继电器控制，磁保持继电器用于过断负载控制，采用正负脉冲信号进行开关驱动。

驱动电路可用晶体管电路，也可用专用集成芯片实现。

单片机数据采集处理板采用卡式结果插在母板上，巡回采集处理采样板的用电量数据，并可实现对房间电源的通断控制。

芯片采用89S52单片机，内置看门狗电路，利用P0口进行地址编码，P1口进行显示，数据存储，采样板的地址译码与继电器驱动等，为保证掉电后数据不丢失，设置一个外部存储器，存储器采用总线结构芯片，可节省单片机口线，简化电路结构及节约成本，利用75LBC184芯片实现485通信接口。

本系统采用8位LED显示器通过联线安置于控制面板上，本系统采用三片74HC595A芯片实现8位串行输入，并行输出。

使用时在串行时钟的控制下，可将显示位控码逐位串行输入至三个芯片中，然后利用锁存信号实现并行输入，完成8位数码管显示更新。

利用此显示方式仅占用单片机三根口线，极大节约单片机口线资源。

采用串行数据输入，显示速度相对比较慢，实现使用时显示效果稳定可靠。

采用此种设计的优点是比其他的设计电路更简单，在编写软件更容易实现，成本更低，更适合市场适用与家庭用户。

第四章硬件设计

4．1AD7755电路图及其功能介绍

4．1.1AD7755中基电能测量分析：

（1）概述

AD7755是美国AD公司推出的高精度电能测量集成芯片。

与原有的同系列的芯片相比，其芯片引脚较少，且内置了一个精确的振荡器电路来给芯片提供时钟。

这就使得使用AD7755的仪表省掉了外部晶体或者共振器，因此可以降低总体成本。

AD7757可在低频输出引脚F1、F2上输出平均有功功率，并可直接驱动一个机电计数器或与MCU的接口。

而高频CF逻辑则可输出用于校准的瞬时有功功率，用于校验或与MCU接口。

AD7755内部包含一个对AVDD电源引脚的监控电路。

在AVDD上升到4V之前，AD7755一直保持在复位状态。

当AVDD降到4V以下，AD7755也被复位，此时F1，CF都没有输出。

内部相位匹配电路使电压和电流通道的相位始终是匹配的，无论通道1内的高通滤波器是接通还是断开。

内部的空载阀值特性保证AD7755在空载时没有潜动。

AD7757的基本特性和参数如下：

●带有片内振荡器，可作为时钟源；

●精度高，且与501-Iz／60Hz的IEC521／1036标准兼容；

●逻辑输出引脚REVP可用来指示可能的接线错误或负功率；

●带有片内电源监视器；

●采用单5V电源，功耗较低；

●采用交流输入。

图4—1AD7755内部结构图

以下是AD7755各参数技术指标表

（2）技术指标

（AVDD=DVDD=5V±5%，AGND=DGND=0V，使用片内基准源，CLKIN=3。

58MHz，高温范围=—40～+85℃）

参数

尾标A

尾标B

单位

测试条件及注释

通道1的测量误差1

G=1（G为PGA的增益）

G=2

G=8

G=16

两个通道间的相位误差1

V1超前37度（PF=0。

8容性）

V1滞后60度（PF=0。

5感性）

交流电源抑制

输出频率变化（CF）

直流电源抑制

输出频率变换（CF）

0．1

0.1

±0.1

0.2

±0.3

0.1

±0.1

0.2

±0.3

%读数typ

度（°）max

%读数typ

通道2为满度输入（±660mV），+25

动态范围500：

线路频率45～65Hz

AC/DC补=0和AC/DC补=1

AC/DC补=1，So=S1=1，Go=G1=0

V1=V2=100mVrms，50Hz

AVDD加有200mVrms，100Hz纹波

AC/DC补=1，So=S1=1，Go=G1=0

V1=V2=100mVrms

模拟输入

最大信号电平

直流输入阻抗

—3dB带宽

ADC失调误差

增益误差

增益匹配误差

±1

390

±16

±4

±0.2

±1

390

±16

±4

±0.2

Vmax

K欧

kHz

见输入部分

VIP，VIN，Y2N和对AGND的电压

CLKIN=3.58MHz

CLKIN/256，CLKIN=3.58MHz

见术语解释

外基准源2.5V，G=1

V1=470mVdc，V2=660mVdc

外基准源2.5

基准输入

REFIN/OUT输入电压范围

输入阻抗

输入电容

2.7

2.3

3.2

2.7

2.3

3.2

Vmax

Vmin

kmin

pFmax

2.5V+8%

2.5V—8%

片内基准源

基准电压误差

温度系数

±200

mVmax

pp/℃typ

pp/℃max

标称值2.5V

时钟输入

时钟输入频率

MHz

注意：

所有指标CLKIN均为3.58MHz

逻辑输入

SCF，S0，S1，AC/DC补，

RESET补，GO和G1

输入高电平，VINH

输入低电平，VINL

输入电流，IIN

输入电容，CIN

2.4

0.8

±3

2.4

0.8

±3

Vmin

Vmax

uAmax

pFmax

DVDD=5V±5%

典型值10uAV=0V至DVDD

逻辑输出

F1和F2

输出高电平，VOH

输出低电平，VOL

CF和REVP

输出高电平，VOH

输出低电平，VOL

4.5

0.5

4.5

0.5

Vmin

Vmax

Vmin

Vmax

ISOURCE=10mADVDD=5V

ISINK=10mADVDD=5V

ISOURCE=10mADVDD=5V

ISINK=5mADVDD=5V

电源

AVDD

DVDD

AIDD

DIDD

4.75

5.25

4.75

5.25

2.5

4.75

5.25

4.75

5.25

2.5

Vmin

Vmav

Vmin

Vmav

mAmax

为达到规定指标对电源的要求

5V—5%

5V+5%

5V—5%

5V+5%

典型值2mA

典型值1.5mA

表4—1

4．1.2输入电路的设计：

AD7755差动输入的通道分别是电流通道和电压通道，其中电流通道内设置了一个可编程增益放大器（PGA），由对G0和G1编程实现。

每个通道的最大输入电压是有限的，电压通道对应的是±660mV根据系统制作的实践来看，考虑到电网波动可能引起电网电压变高，进而引起输入电压过高，高出芯片的承受限度，就有可能对芯片造成危害。

所以，输入电压要留有裕量。

电压的取样可以采用纯电阻分压网络，也可以采用隔离式变压器降压的办法。

为了完全隔离强电和芯片的直接电联系，也为了安全，本设计采用了隔离变压器。

变压器的选择要注意精确度和变压比的数值，以确保采样的精度。

电路的采样可以采用小组值分流器和电流互感器。

由于AD7755的输入电路和内部基准源是模拟的，所以要注意共地问题，要将所有的模拟地接到一块，再和数字地共地，这样可以减少干扰。

4．1.3输出电路的设计

CF输出的频率正比与瞬时有功功率，通过设置SCF=0，S0=S1=1，就可以把CF设置为高频输出方式。

当模拟输入端加上满度交流信号时，CF输出频率达到5.5kHz左右，这个数值方便计数器计数。

在测量系统中采用一个定时器进行定时，定时时间内对CF输出的脉冲进行计数。

在一个积分周期内消耗的电能等于脉冲个数。

4．2CPU电路图：

图4—4

上图是中心控制器的电路图，本次设计所用的中心控制器是单片机的芯片，主要功能是把通过AD7755的电信号和脉冲信号转换后通过中心处理控制器，对时钟信号进行控制，使其能够准确的显示在数码管上，同时也要控制数码管的显示。

在停电时对外部存储器进行控制，使的电表在停电时也能保持原来得状态，让电表起到一个停电保护的作用。

中心处理控制器是本系统的核心部分是本系统的大脑，控制这整个系统的正常运行。

下图是单片机的示意图：

图4—5

4．3时间和电表读数显示电路：

本电路主要是才用数码管来显示时间和电表读数，主要是是方便电力部门核对住户所用的电量和所用的时间。

虽然显示分为液晶显示和数码管显示两中，从方便读表这一方面来说液晶更好更能把时间和电量读的更清楚，但是从设计的容易程度以及成本方面来说数码管有明显的优势。

就适合家庭住户这一点来说数码管更贴近生活更能让家庭接受，所以本次设计采用数码管更适合。

在单片机系统中，显示器显示的主要方式的静态显示方式，动态显示方式。

当系统要驱动N位显示器时需要进行段选和位选，段选由字型确定，位选由COM引脚确定。

静态显示方式是指每位显示器同时进行的方式，此时位选为全选，即所有N个显示器的COM接地，段选采用N个8位I/O口进行驱动。

动态显示方式是族位轮流显示的方式，其特点：

对位选，让当前被选位COM端接地，用I/O线提供，需占用的I/O口位数为显示器的个数；对段选，使各位断码线并联，用一个8位I/O口来控制，动态显示优点就是节省了I/O口，简化了电路。

此电路中，芯片用于驱动LED的8位段码，8位LED相应的"a"-"g"段连在一起，它们的公共端分别连至由芯片（点击芯片型号可浏览其详细的技术手册）译码选通后经芯片反相驱动的输出端

展开阅读全文