原创【电能计量】基于AT89S51的电能计量系统

 2008-3-6 12:56  6198 6 8 分类: 模拟

摘要：介绍了单片电能计量专用芯片AD7751的工作原理和使用方法，给出了系统软硬件的设计方法，对人机接口和单片机的ISP编程作了说明，系统实现了单相电量的检测、显示、存储和查询，并具有窃电侦测功能。
关键词：单片机；电能计量专用芯片；PS2键盘；在系统可编程

1 引言

在倡导节能的今天，如何提高电能计量的准确度是一项首要任务。随着微处理技术的推广应用，使电能计量的自动化程度有了很大的提高。智能化数字电度表在进行数据传输、交换以及计算电费方面有明显的优势，目前它正在迅速取代传统的机电式电度表。本文提出了一种以AT89S51为核心的电量计量系统, 系统结构框图如图1所示。单片机通过AD7751对电网的电压和电流取样，经过内部处理后以频率的形式输出，送给单片机测量频率，计算出有功功率，对时间进行积分后便可得到电能；时钟芯片DS1302提供当前的时间信息，单片机将电量、电费和时间数据送LCD显示，也可将数据存储到AT24C02中以备查询，用户可通过外接PS2键盘对系统的工作状态进行操作，包括时间的设定、时间与电量及电费的显示、过去时刻的电量和电费查询等。

图1 系统结构框图

2 AD7751原理及应用

2.1 AD7751性能特点

AD7751是由美国ADI 公司采用CMOS工艺制成的高精度电能计量专用芯片，可对50 Hz或60 Hz单相交流电进行电能计量。该产品完全符合国际电工委员会制定的IEC1036标准，它在500:1的动态范围内测量误差小于0.3%。能将被测电功率转换成频率信号，有窃电侦测功能，一旦侦测出进出线上发生的诸如短路、开路、旁路等非正常操作，立即进行报警，报警时AD7751照样计量电能。信号处理工作均由数字电路完成，干扰性强。低功耗，采用+5V供电时功耗仅为15mW。

2.2 AD7751工作原理

AD7751采用DIP-24塑料封装或SSOP-24小型封装，其内部框图如图2所示。各引脚的功能如下：DVDD、DGND、 AVDD、COM分别为数字电源端、数字地、模拟电源端、模拟地。在电源与地之间需接l0uF电解电容和0.luF陶瓷电容并联而成的退耦电容。AC/ DC为高通滤波器(HPF)的选通端，固定接高电平时电流通道中的HPF一直被选通。U_1a、U_1b为电流通道( CH₁)的正、负模拟信号输入端，接差分模拟输入信号U₁。U_1n为电流通道差分输入电压的公共端，根据实际情况，此脚可直接与COM短接，亦可经RC退耦电路接COM。U_2p、U_2n为电压通道(CH₂)的正、负模拟信号输入端，接差分模拟输入信号U₂。/R为复位端，外接RC定时元件，能在上电或断电时将AD7751定时复位，不用时要经过上拉电阻接DVDD。U_{REF(I/ O)}为内部2.5V基准电压源的输入或输出端，该端需经0.1uF陶瓷电容接COM。SCF为校验频率选择端，配合S₁、S₀端来设定校验频率CF的最大值。CLK_i、CLK_o分别为时钟输入、时钟输出，外接3.579545 MHz石英晶体和两只33pF陶瓷电容，构成电容三点式晶振电路。FAULT为故障输出端。当U_1a与U_1b相差12.5%以上时，此端输出高电平，故障排除后，该端自动复位。REVP为正、负功率标志端，检测到负功率(即u与i之间有180⁰相位差)时为高电平，检测到正功率时恢复成低电平。

图2 AD7751原理框图

AD7751由模拟输入电路、模数转换电路ADC和信号处理电路组成。模拟输入电路由两个模拟输入通道组成，CH₁用来测量电流信号，同时检测相线和零线的电流，通过比较器以较大的那个信号进行电能计量。CH₂用来测量电压信号。每个通道均采用差动输入，通过电流互感器、电压互感器或分流器、分压器等外围电路与电网连接。为使输入信号满足AD7751的要求，电流通道采用增益可编程放大器 (PGA)。AD7751将两个输入模拟信号电压与电流相乘积并转换成与其成正比的输出频率，即直接数字化，用于功率计算极为方便。

2.3 AD7751电流及电压取样电路

电流及电压通道的取样电路如图3所示。电流通道中的I_P代表相线电流，I_N为中线电流。TA₁、TA₂为电流互感器，由于在相线与中线之间存在着高压，因此TA₁与TA₂应互相绝缘，并以COM为参考电位。调整TA₁ ,TA₂的匝数比和负载电阻R₅、R₆，可使U_{1 max}=±660 m V/ K。由R4与C3、R7与C4构成电网噪声滤波器。电压通道中由R₂、R₃构成电阻分压器来提供一个与相电压成正比的电压信号，调整R₂可改变R₃/ R₂的比值使U_{2 max}=±660 m V，图中取R₁= R₂//R₃。

图3电流及电压取样电路

2.4 AD7751数字频率转换器

数字/频率转换器的功能是将数字信号变成频率信号。F₂、F₁为频率相同(都是f)而相位不同的两个低频负脉冲,该频率值代表平均有功功率，CF为频率较高的正脉冲，其频率值与电流通道、电压通道的信号乘积成正比，以f的16或32倍频输出，用于与单片机相连。f的计算公式是为

式中，U₁ , U₂分别为电流通道、电压通道的差分有效值(取绝对值，单位是V)，K为PGA的电压增益（G₁、G₀分别置00、01、10、11时，K依次为1、4、8、16倍），U_REF为参考电压2.5V，f_1-4的单位是Hz，是由S₁、S₀端设定的4个频率之一，它是对时钟频率分频后而得到的。

3 系统硬件电路

3.1 AD7751与AT89S51接口电路

AD7751和89S51单片机的接口电路如图4所示。+5V电源与地之间需接退耦电容。/R端经上拉电阻R₉接DVDD使复位端失效。由3.579545 MHz的石英晶体与电容器C₅ ,C₆构成晶振电路，向AD7751提供时钟。C₇为U_{REF(I/ O)}端的消噪电容。89S51中P1口的P1.5、P1.6和P1.7按键盘输入值分别用来设定G₁ 、G₀ 和SCF端的逻辑电平，S₁、S₀直接置低电平即f_1-4=0.43Hz。由AD7751输出的CF信号，送给89S51的T0定时器测量频率，再通过程序计算出有功功率和在一定时间内所消耗的电能。单片机将当前的时间、电量和电费数据送LCD显示并存储起来以备查询。AD7751一旦检测到窃电或漏电，即当相线电流I_P增大而中线电流I_N基本不变时，连续比较两个电流的大小当I_P与I_N相差12.5%以上时，FAULT端会输出高电平，可驱动声光报警，图中是经过限流电阻R₈驱动高亮度发光二极管LED发光。

3.2 其它外围接口电路

外围硬件电路如图5所示。单片机的P3.0、P3.1分别与实时时钟芯片DS1302的SCLK、数据I/O相连，P1.3连接其复位/片选端/RST，操作如下：首先将P1.3置高初始化DS1302，将8位地址和命令信息装入移位寄存器，P3.1在输入写命令8个SCLK周期后，在接下来的8个SCLK周期中的每个脉冲的上升沿输入数据，P3.1在输入读命令8个SCLK周期后，在接下来的8个SCLK周期中的每个脉冲的下降沿输出数据，数据低位在前。单片机的P1.0、P1.1、P1.4分别与I²C总线接口E²PROM芯片AT24C02的SDA、SCL、WP相连，AT24C02的A0、A1、A2接地，则其器件地址为1010000X，单片机对AT24C02数据的访问必须遵循I²C总线通信协议由软件模拟实现。单片机的P1.2，P3.2(INT0)分别与PS2接口DATA，CLK相连，接受用户按键指令，由于P1、P3口内部带上拉电阻，故可与数据、时钟线直接相连。液晶显示模块的数据线与单片机P0口连接，指令/数据选择端RS、读/写选择端R/W、使能端E分别与P2.7、P2.6、P2.5相连。图中电源、地的连接没有给出。

图4 AD7751和89S51的接口电路

图5 外围硬件电路

4 软件设计

软件设计由初始化、PS2键盘处理、信号显示及数据存储几部分构成。初始化完成对单片机中断的设置和DS1302控制寄存器的初始化配置；键盘处理是按预定键值对AD7751的相关引脚进行配置，设置系统的工作状态，完成时间的校正、对过去时间电量和电费的查询及显示等功能；数据存储是单片机将时间和计算得到的电量和电费送入AT24C02保存，以备查询；信号的显示则是单片机控制LCD实时显示时间、电量和电费数据。

5 键盘显示及单片机ISP编程

键盘显示以PS2键盘配合LCM1602液晶显示模块代替了传统的矩阵按键和数码管显示，无需键盘显示驱动芯片而与单片机直接连接，接口简单方便。PS2键盘接口为mini-DIN6引脚连接器，通过DATA，CLK与单片机通信。这里只涉及PS2键盘向单片机送数据的单向通信，单片机作为主机对总线有控制权。PS2键盘在时钟作用下向单片机发送键值数据，单片机在时钟下降沿接收数据，时钟信号由PS2键盘内部产生。发送时序及数据格式如下：

现在使用的PS2键盘都默认采用第二套扫描码集。扫描码分为通码和断码两种类型，当一个键被按下时，键盘将该键的通码发送给单片机，而该键被释放时键盘会将其断码发送给单片机。单片机通过INT0中断串行读取键值的通码与断码来确定按键，从而选择系统的工作状态。第二套扫描码集可参考文献[4]。

AT89S51单片机兼容MCS51微控制器，但对比早期的AT89C51作了改进，内带看门狗定时器，无须外加监控芯片，通过软件设置就可保证系统可靠的工作，并且支持在系统可编程，不需要从电路板上取下器件就可对空白器件进行编程。其ISP有串口和并口两种方式，这里采用了并行下载接口方式，其与单片机的接口电路如图6所示，该电路下载速度快，工作稳定。采用Easy 51Pro v2.0软件即可完成在线编程，该软件在相关电子网站上都有下载。