CN101435833A - 一种单相多参数电力仪表 - Google Patents

Abstract

一种单相多参数电力仪表，可对单相电力参数提供一个测量仪表，实现电流、电压、功率因数、有功功率、无功功率和频率等的单参数及多参数测量。包括采样电路、电力测量电路、微处理单片机电路、显示电路和电源电路，采样电路与电压信号和电流信号连接，电力测量电路与采样电路和微处理单片机电路连接，显示电路与微处理单片机电路连接，电源电路提供电源。优点：由于采用了电力测量电路、微处理单片机电路，使得测试精度高、测量参数多，采用了成熟的芯片使得功耗小而且适合批量生产。

Description

一种单相多参数电力仪表

技术领域

本发明涉及一种单相多参数电力仪表，可对单相电力参数提供一个测量仪表，实现电流、电压、功率因数、有功功率、无功功率和频率等的单参数及多参数测量。

背景技术

目前广泛使用的电力仪表大都采用电磁式仪表的结构和原理。随着数字技术的发展，数字电力仪表在近几年来也有了相应的发展，最早采用AD7107双积分3位半AD转换器或ICL7135双积分4位半AD转换器，它难于适应各种量程变换的线性度要求，尤其是在小信号时精度得不到保证，解决零漂也有一定难度，而且只能用于电流表、电压表二种类型。第二种是AD转换器、单片机、发光二极管(LED)显示器方案，要想达到预想目的，要求设计和调试人员具有较高的技术水平和丰富的实际经验，影响批量生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种测试精度高、测量参数多、功耗小、适合批量生产的一种单相多参数电力仪表。

本发明的目的是这样来实现的，一种单相多参数电力仪表，包括采样电路、电力测量电路、微处理单片机电路、显示电路和电源电路，采样电路与电压信号和电流信号连接，电力测量电路与采样电路和微处理单片机电路连接，显示电路与微处理单片机电路连接，电源电路提供电源。

本发明所述的采样电路由电压互感器TV1、电流互感器TA1、电阻R25-R34、R37、R38、电容C4-C9组成，电阻R38的一端与电压信号端子Uin^＊连接，电阻R38的另一端与电阻R37串联后与电压互感器TV1初级线圈的1端连接，电压互感器TV1初级线圈的2端与电压信号端子Uin连接，电压互感器TV1次级线圈的3端与电阻R25、R26、R28的一端连接，电压互感器TV1次级线圈的4端与电阻R25的另一端、电阻R27、R29的一端连接，电阻R28的另一端与电容C4、C8的一端和端子Vin⁺连接，电阻R29的另一端与电容C5的一端、电容C8的另一端和端子Vin^-连接，电流互感器TA1初级线圈的两端分别与电流信号端子Iin^＊和Iin连接，电流互感器TA1次级线圈的1端与电阻R30、R31、R33的一端连接，电流互感器TA1次级线圈的2端与电阻R30的另一端、电阻R32、R34的一端连接，电阻R33的另一端与电容C6、C9的一端和端子Iin⁺连接，电阻R34的另一端与电容C7的一端、电容C9的另一端和端子Iin^-连接，电阻R26、R27、R31、R32的另一端、电容C4、C5、C6、C7的另一端接地，端子Vin⁺、Vin^-、Iin⁺、Iin^-与电力测量电路连接。

本发明所述的电力测量电路由芯片U3、电阻R35、电容C10—C13和晶振Y2组成，电阻R35的一端与直流电源VCC连接，电阻R35的另一端与电容C10的一端和芯片U3的3脚连接，电容C11的一端与芯片U3的11、12脚连接，晶振Y2的一端与电容C12的一端和芯片U3的1脚连接，晶振Y2的另一端与电容C13的一端和芯片U3的24脚连接，芯片U3的14脚接直流电源VCC，芯片U3的2、5、6、19、23脚分别接端子XTAL2、SCLK、SDO???、RESET、SDI，电容C10—C13的另一端和芯片U3的4、13脚接地，芯片U3的9、10、16、15脚分别接端子Vin⁺、Vin^-、Iin⁺、Iin^-。

本发明所述的微处理单片机电路由芯片U2、电解电容CE1、CE2、电容C1、电阻R19—R24和拨盘开关SW-5组成，芯片U2的4、5脚分别接端子XJ1的2、3端，芯片U2的6脚与端子XTAL2和电阻R20的一端连接，电阻R20的另一端接直流电源VCC，芯片U2的8脚与拨盘开关SW-5的10端连接，芯片U2的9、10、11、17脚分别与端子SDI、RESET、SCLK、SDO连接，芯片U2的3脚与电解电容CE2的负极和电阻R19的一端连接，电解电容CE2的正极接直流电源VCC，芯片U2的28脚与电解电容CE1的正极、电容C1的一端和直流电源VCC连接，芯片U2的12脚与电阻R24的一端、拨盘开关SW-5的9端和端子XJ2的2端连接，芯片U2的13脚与电阻R23的一端、拨盘开关SW-5的8端和端子XJ2的3端连接，芯片U2的15脚与电阻R22的一端、拨盘开关SW-5的7端和端子XJ2的4端连接，芯片U2的16脚与电阻R21的一端、拨盘开关SW-5的6端和端子XJ2的5端连接，电阻R21—R24的另一端和端子XJ1的1端接直流电源VCC，拨盘开关SW-5的1、2、3、4、5端、端子XJ2的1端、端子XJ1的4端、电解电容CE1的负极、电容C1的另一端、电阻R19的另一端和芯片U2的14脚接地，端子XTAL2、SCLK、SDO、RESET、SDI分别与电力测量电路中的芯片U3的2、5、6、19、23脚连接。

本发明所述的显示电路由芯片U1、电阻R1—R8、R17、R18和发光二极管LED1、LED2组成，芯片U1的11、5、9、1、4、12、7、8脚分别与电阻R1—R8的一端连接，电阻R1—R8的另一端分别与微处理单片机电路中的芯片U2的25—18脚连接，芯片U1的2、3、6、10脚分别与芯片U2的26、27、1、2脚连接，发光二极管LED1的阳极和发光二极管LED2的阴极与芯片U2的8脚连接，发光二极管LED2的阳极与电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端接直流电源VCC，发光二极管LED1的阴极与电阻R17的一端连接，电阻R17的另一端接地。

本发明由于采用了电力测量电路、微处理单片机电路，使得测试精度高、测量参数多，采用了成熟的芯片使得功耗小而且适合批量生产。

附图说明

图1为本发明电原理框图。

图2为采样电路电原理图。

图3为电力测量电路电原理图。

图4为微处理单片机电路电原理图。

图5为显示电路电原理图。

图6为电源电路电原理图。

具体实施方式

参见图2，采样电路由电压输入电路和电流输入电路二部分组成，其中电压输入电路可适应0—100V、0—220V、0—380V；电流输入电路可适应0—5A。电压信号端子Uin*、Uin与被测电压信号连接，电压信号通过电阻R38、R37、电压互感器TV1获得初级电流，如输入电压信号为220V，电阻R38、R37为110kΩ，则初级电流为1mA，经1∶1电压互感器TV1在电阻R25(50Ω)上产生50mV的交流电压，因为R25的电阻远小于R26+R27(2kΩ)的电阻，因而精度、稳定度由电阻R37、R38、R25决定。电阻R25、R26、R27、R28和电容C4、C5、C8组成滤波移相电路，通过端子Vin⁺、Vin^-和电力测量电路相接，移相电容C4、C5各取0.033μf为宜。电流信号端子Iin*、Iin与被测电流信号连接，电流信号通过电流互感器TA1在电阻R30上产生交流电压、如输入电流为5A时，电流互感器TA1为5A/2.5mA，电阻R30为39Ω，则产生97.5mV，因为R30远小于R31+R32(2kΩ)，因而精度和稳定度由电阻R30决定。电阻R31、R32、R33、R34和电容C6、C7、C9组成滤波、移相电路，通过端子Iin⁺、Iin^-和电力网测量电路连接，移相电容C6、C7各取0.033μf为宜。在电流输入电路中也可以不用电流互感器TA1而直接用电阻R39来替代。根据后面电力测量电路中芯片U3的需求，电流输入电路的输入范围为30mV_Rms或150mV_Rms，电压输入电路的输入范围为150mV_Rms，为留有余地，电压、电流输入电路输入到芯片U3的最大值不超过120mV_Rms，依此来选择采样电阻R37、R38、R25、R30。V_Rms为电压有效值。

参见图3，电力测量电路，U3采用Cirrus Logic公司的CS5463芯片，它是一个包含两个△∑模数转换器(24位ADC)、功率计算、电能到频率转换器和一个串行接口的完整的功率测量芯片。它可以精确测量瞬时电压、电流和计算电流有效值I_Rms、电压有效值V_Rms、有功功率P_Active、无功功率Q、功率因数PF、视在功率S和频率。

本例中芯片U3的9、10脚分别接到采样电路的输出端子Vin⁺、Vin^-，芯片U3的16、15脚分别接到采样电路的输出端子Iin⁺、Iin^-。芯片U3具有与单片机通信的双向接口，即SCLK、SDO、SDI、INT、RESET、CS六个信号，SDO、SDI分别为串行数据输出、输入信号，在串行同步时钟SCLK的控制下，将读出参数送入单片机或单片机命令给芯片U3。CS为选片信号暂不用，INT为中断信号暂不用。RESET为复位信号，由单片机提供。端子SCLK、SDO、SDI、RESET分别连接到单片机U2的11、17、9、10脚。此外芯片U3还有方便的片上系统校正功能及相位补偿、温度补偿功能。在电压输入电路和电流输入电路中都去除了电流/电压信号中的直流分量。各种参数的计算公式如下：

$I_{\mathrm{Rms}}=\sqrt{\frac{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n^2}{N}}$          $V_{\mathrm{Rms}}=\sqrt{\frac{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_n^2}{N}}$         $p_{\mathrm{Active}}=\sqrt{\frac{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_n\·I_n}{N}}$

S＝V_Rms×I_Rms     $\mathrm{PF}=\frac{P_{\mathrm{Active}}}{S}$           $Q=\sqrt{S^2-P_{\mathrm{Active}}^2}$

芯片U3的电压有效值V_Rms、电流有效值I_Rms测量精度在规定的范围内和有功功率P_Active测量(芯片U3校准后)精确度保证在±0.1％内。

以电流测量为例，采用交流采样原理，每个波形周期采80个点，即n＝80，然后平方、相加、除n再开方，得到电流有效值，经数据处理后与被测电流相符然后显示输出。其它参数测量类同。

晶振Y2、电容C12、C13为芯片U3的振荡电路，提供芯片U3的工作时钟，此外，时钟输出XTAL2(芯片U3的2脚)连接到芯片U2的6脚，作为芯片U2的工作时钟。

电阻R35、电容C10为芯片U3数字电源VD的滤波电路，电容C11为芯片U3参考电压的滤波电容。

参见图4，微处理单片机电路，单片机U2采用宏晶科技公司的STC12C5202PWM芯片。

芯片U2的25—18脚(端口P1.7—P1.0)用于显示器芯片U1八段编码，分别连接到显示电路的电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8输入端。芯片U2的26、27、1、2脚(端口P2.0—P2.3)用于显示器芯片U1位扫描，分别连接到显示电路芯片U1的2、3、9、10脚，直接带显示器共阴极端，每一位最大电流不超过20mA。

芯片U2的4、5脚(端口P3.0、P3.1)用于编程通讯接口，通过端子XJ1由电脑端的STC-ISP软件控制下载“用户程序”，“校正程序”，“调试程序”等到芯片U2的用户板上。

芯片U2的12、13、15、16、8脚(端口P2.4、P2.5、P2.6、P2.7、P3.2)为五路开入信号与拨盘开关SW-5、电阻R21—R24配合控制输入23种之一的变比信号。拨盘开关合为0、拨盘开关断为1。对应的变比关系如下：

编号       变比       编码                编号       变比     编码

00         5/5        00000               12        600/5    01100

01         25/5       00001               13        700/5    01101

02         50/5       00010               14        800/5    01110

03         75/5       00011               15        1000/5   01111

04         100/5      00100               16        1250/5   10000

05         150/5      00101               17        1600/5   10001

06         200/5      00110               18        2000/5   10010

07         250/5      00111               19        2500/5   10011

08         300/5      01000               20        3150/5   10100

09         350/5      01001               21        4000/5   10101

10         400/5      01010               22        5000/5   10110

11         500/5      01011

通过端子SCLK、SDO、SDI、RESET与芯片U3进行双向通讯，便于将芯片U3所得的参数送入芯片U2进行数据处理，或对芯片U3写入初始化参数。

芯片U2的8脚(端口P3.2)控制的2个发光二极管LED1、LED2指示灯用于功率因数的超前、滞后指示，或作为其它参数的正、负号指示。芯片U2的8脚连接到显示电路。

电解电容CE2、电阻R19为复位电路，连接到芯片U2的3脚复位端。电解电容CE1、电容C10为5V电源(VCC)的滤波电容。电阻R20为时钟的上拉电阻。

参见图5，显示电路，显示器U1采用CSR芯片。

R1—R8为限流电阻，电阻R1—R8的输入连接到芯片U2端口的P1.7—P1.0。芯片U1的2、3、9、10脚连接到芯片U2端口的P2.0—P2.3。

发光二极管LED1，LED2为指示灯，由芯片U2的8脚控制，R17、R18为限流电阻。

参见图6，电源电路由变压器T1、二极管VD1—VD4、电阻R36、电解电容CE3、CE4、电容C14、三端稳压器U4组成，变压器T1的初级线圈两端1、2分别与相线L、零线N连接，变压器T1铁心4接地，变压器T1次级线圈5端与二极管VD1的阳极、二极管VD2的阴极连接，变压器T1次级线圈的3端与二极管VD4的阳极、二极管VD3的阴极连接，二极管VD1、VD4的阴极与电阻R36的一端连接，电阻R36的另一端与电解电容CE4的正极和三端稳压器U4的1脚连接，三端稳压器U4的3脚与电容C4的一端和电解电容CE3的正极连接并输出直流电源VCC，二极管VD2、VD3的阳极、电容C14的另一端、电解电容CE3、CE4的负极和三端稳压器U4的2脚接地。三端稳压器U4采用7805，二极管VD1、VD2、VD3、VD4为全波整流桥，R36为限流电阻，U4为三端稳压器，输出5V，CE4、CE3、C14为滤波电容。也可采用开关电源方案和电容降压电源达到同样的目的。

Claims (5)

1、一种单相多参数电力仪表，其特征在于包括采样电路、电力测量电路、微处理单片机电路、显示电路和电源电路，采样电路与电压信号和电流信号连接，电力测量电路与采样电路和微处理单片机电路连接，显示电路与微处理单片机电路连接，电源电路提供电源。

2、根据权利要求1所述的一种单相多参数电力仪表，其特征在于所述的采样电路由电压互感器(TV1)、电流互感器(TA1)、电阻(R25-R34、R37、R38)、电容(C4-C9)组成，电阻(R38)的一端与电压信号端子Uin＊连接，电阻(R38)的另一端与电阻(R37)串联后与电压互感器(TV1)初级线圈的1端连接，电压互感器(TV1)初级线圈的2端与电压信号端子Uin连接，电压互感器(TV1)次级线圈的3端与电阻(R25、R26、R28)的一端连接，电压互感器(TV1)次级线圈的4端与电阻(R25)的另一端、电阻(R27、R29)的一端连接，电阻(R28)的另一端与电容(C4、C8)的一端和端子Vin⁺连接，电阻(R29)的另一端与电容(C5)的一端、电容(C8)的另一端和端子Vin^-连接，电流互感器(TA1)初级线圈的两端分别与电流信号端子Iin^＊和Iin连接，电流互感器(TA1)次级线圈的1端与电阻(R30、R31、R33)的一端连接，电流互感器(TA1)次级线圈的2端与电阻(R30)的另一端、电阻(R32、R34)的一端连接，电阻(R33)的另一端与电容(C6、C9)的一端和端子Iin⁺连接，电阻(R34)的另一端与电容(C7)的一端、电容(C9)的另一端和端子Iin^-连接，电阻(R26、R27、R31、R32)的另一端、电容(C4、C5、C6、C7)的另一端接地，端子Vin⁺、Vin^-、Iin⁺、Iin^-与电力测量电路连接。

3、根据权利要求1所述的一种单相多参数电力仪表，其特征在于所述的电力测量电路由芯片(U3)、电阻(R35)、电容(C10—C13)和晶振(Y2)组成，电阻(R35)的一端与直流电源(VCC)连接，电阻(R35)的另一端与电容(C10)的一端和芯片(U3)的3脚连接，电容(C11)的一端与芯片(U3)的11、12脚连接，晶振(Y2)的一端与电容(C12)的一端和芯片(U3)的1脚连接，晶振(Y2)的另一端与电容(C13)的一端和芯片(U3)的24脚连接，芯片(U3)的14脚接直流电源(VCC)，芯片(U3)的2、5、6、19、23脚分别接端子XTAL2、SCLK、SDO、RESET、SDI，电容(C10—C13)的另一端和芯片(U3)的13脚接地，芯片(U3)的9、10、16、15脚分别接端子Vin⁺、Vin^-、Iin⁺、Iin^-。

4、根据权利要求1所述的一种单相多参数电力仪表，其特征在于所述的微处理单片机电路由芯片(U2)、电解电容(CE1、CE2)、电容(C1)、电阻(R19—R24)和拨盘开关(SW-5)组成，芯片(U2)的4、5脚分别接端子XJ1的2、3端，芯片(U2)的6脚与端子XTAL2和电阻(R20)的一端连接，电阻(R20)的另一端接直流电源(VCC)，芯片(U2)的8脚与拨盘开关(SW-5)的10端连接，芯片(U2)的9、10、11、17脚分别与端子SDI、RESET、SCLK、SDO连接，芯片(U2)的3脚与电解电容(CE2)的负极和电阻(R19)的一端连接，电解电容(CE2)的正极接直流电源(VCC)，芯片(U2)的28脚与电解电容(CE1)的正极、电容(C1)的一端和直流电源(VCC)连接，芯片(U2)的12脚与电阻(R24)的一端、拨盘开关(SW-5)的9端和端子XJ2的2端连接，芯片(U2)的13脚与电阻(R23)的一端、拨盘开关(SW-5)的8端和端子XJ2的3端连接，芯片(U2)的15脚与电阻(R22)的一端、拨盘开关(SW-5)的7端和端子XJ2的4端连接，芯片(U2)的16脚与电阻(R21)的一端、拨盘开关(SW-5)的6端和端子XJ2的5端连接，电阻(R21—R24)的另一端和端子XJ1的1端接直流电源(VCC)，拨盘开关(SW-5)的1、2、3、4、5端、端子XJ2的1端、端子XJ1的4端、电解电容(CE1)的负极、电容(C1)的另一端、电阻(R19)的另一端和芯片(U2)的14脚接地，端子XTAL2、SCLK、SDO、RESET、SD分别与电力测量电路中的芯片(U3)的2、5、6、19、23脚连接。

5、根据权利要求1所述的一种单相多参数电力仪表，其特征在于所述的显示电路由芯片(U1)、电阻(R1—R8、R17、R18)和发光二极管(LED1、LED2)组成，芯片(U1)的11、5、9、1、4、12、7、8脚分别与电阻(R1—R8)的一端连接，电阻(R1—R8)的另一端分别与微处理单片机电路中的芯片(U2)的25—18脚连接，芯片(U1)的2、3、6、10脚分别与芯片(U2)的26、27、1、2脚连接，发光二极管(LED1)的阳极和发光二极管(LED2)的阴极与芯片(U2)的8脚连接，发光二极管(LED2)的阳极与电阻(R18)的一端连接，电阻(R18)的另一端接直流电源(VCC)，发光二极管(LED1)的阴极与电阻(R17)的一端连接，电阻(R17)的另一端接地。

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