一种新型智能电度表的设计

摘 要：介绍了以AD7757电能计量芯片为核心，设计一种测量市电有效功率的智能电度表的方法。并在电度表的主控芯片89S51单片机中应用简单的嵌入式内核，对多个任务进行高效管理。

关键词：智能电度表   AD7757   交流有效功率   89S51单片机   嵌入式内核

中图分类号：TH702          文献标识码：A              文章编号：1006-7973（2006）06-0202-02

传统的民用电能计量方式是使用机械式电度表，成本较高、寿命短，不符合现代电力管理技术的要求，难以满足电力电能管理的需要。随着电子技术的不断发展，使用电子技术测量交流电功率成为必然，智能电度表也必将取代机械电度表，以满足分布式远程抄表等技术要求。这里提出一种使用专用电能计量芯片AD7757测量功率的智能电度表设计方案。

一、AD7757芯片的基本原理

AD7757是美国模拟器件公司（ADI）的一种高准确度电能测量集成电路，其技术指标超过了IEC1036国际标准。AD7757除在ADC和基准源中使用模拟电路，所有其他信号处理都使用数字电路，这使其在恶劣条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。频率输出使其容易和单片机进行接口。内部对电源引脚监控，在AVdd上升到4V之前，AD7757一直保持在复位状态。

1．AD7757的主要特性

测量信号交流输入；测量精度高，支持50Hz/60Hz IEC521/1036标准的精确度要求。在500：1动态范围内误差小于0.1%；片内集成时钟源；有功功率平均值从AD7755引脚F1和F2以频率方式输出；有功功率瞬时值从CF脚以较高频率输出；逻辑输出引脚REVP能指示负功率或错线；在环境和时间变化较大的条件下，仍能保持较高精度；片内电源监控电路；低功耗CMOS工艺。

2．基本原理

从运算功能（如图1所示）中可以看出，两个ADC对来自电流和电压互感器的电压信号进行数字化。这两个ADC都是16位二阶∑-⊿数模转换器，过采样速率达900kHz。AD7757的模拟输入动态范围宽，简化了传感器接口的设计。电流通道的可编程增益放大器进一步简化了传感器接口的设计。电流通道的HPF滤除电流的直流分量，消除因两个通道的失调引起的计算误差。

图1

电压和电流信号的乘积是瞬时功率，对瞬时功率进行低通滤波得到有功功率。对信号完全数字化的处理具有良好的温度和时间稳定性。AD7757的平均功率输出是对瞬时有功功率在2个输出脉冲之间的累计。对平均功率输出引脚在时间上累加，就能获得准确的电能值。

CF对应瞬时有功功率的输出，可用于稳定负载条件下对系统进行校验。

3．对交流功率因数的考虑

在电压和电流同相时，有功功率计算1.3所述。即使是电压电流不同相的信号，通过对瞬时功率进行低通滤波得到有功功率的方法也是有效的。图3示出了相移功率因数等于1和0.5的情况。后者电流滞后于电压60°。在电压和电流都是正弦的前提下，有功功率分量为：

（V×I/2）×cos 60°

二、硬件设计方案

1．电流电压输入通道典型连接

电流和电压通道是差动输入形式。AD7757支持交流输入。图2是ADI公司给出的典型的电流、电压输入方式。

图2  电流通道的典型连接和电压通道的典型连接

2．典型应用电路

通过MCU对AD7757的低频脉冲输出端进行计数，然后根据电压和电流的输入比例关系即可对输入信号的功率进行有效的测量和显示。AD7757的高频脉冲输出端可以进行仪表的矫正。图3是智能电度表设计方案的功率测量部分。电压和电流输入端的输入信号分别是电压互感器和电流互感器的输出信号。互感器起一定的隔离保护作用。

图3  AD7757应用电路

3．人机接口设计

人机接口设计主要体现在廉价实用，操作界面友好的需求上。智能电度表设计方案采用了LCD162字符液晶，AT89S52单片机，1380实时钟芯片和X5045EEPROM。

LCD162是常用的ASCII字符显示器之一。可以方便的显示标准的ASCII字符和一些特殊字符。以4位/8位方式和微处理器接口。通过指令对屏幕显示的内容进行操作：显示的清空，软复位，字符的闪烁，光标的显示等等。

AT89S52是一种低电压、高性能的8位CMOS微控制器。内部集成8K bytes Flash ROM，支持在系统编程ISP。该产品使用Atmel的高密度非易失存储技术制造，兼容80C51指令集和引脚。片上Flash存储器可以在系统编程也可用编程器编程。8位通用CPU和ISP的结合，使AT89S5X可构成高可扩展性和性价比的嵌入式控制系统。AT89S5X兼容Intel MCS-51 技术标准，但区别以往的 OTP ROM，EPROM，EEPROM 的程序存储方式和基于仿真器编程器的开发方式，AT89Sxx提供了方便的存储和开发方式。先进的FLSH存储工艺，可以在芯片内部电荷泵的帮助下，不需要外界高编程电压就可快速、反复的下载更新片内程序。ISP 在系统编程可以使开发人员在目标板上调试程序，免去了在仿真器上偶尔造成的时序不精确和频繁从目标板上插拔芯片的麻烦。

HT1380是串行实时时钟芯片，可以提供秒，分，时，星期，日期，月份，年的计时。自动调整月份天数和闰年天数。超低功耗设计，12/24小时模式可切换。内部有多个8位寄存器存储内部。使用32768Hz晶振精确计时。以串行3-线方式和微处理器接口，占用较少的MCU IO。数据传输可以逐字节进行，也可以突发模式（一次传输多个字节）进行。

X5045芯片组合了4种嵌入式应用场合常用的功能：上电复位控制，看门口定时器，电源电压监视，可受保护的串行非易失存储器EEPROM。这样的组合降低了系统成本，板面积，提高了系统可靠性。芯片上电后激活内部上电复位电路，使REST在上电后延迟一定时间再激活。这样可以使微处理器在电源和振荡器稳定后再运行代码。看门口定时器可以给微处理器提供独立的保护机制。低电压检测电路可以保护电路免受欠压造成的危害。可受保护的非易失性存储器可以保护数据掉电不丢失，并免受误操作的损害。

三、软件设计

系统软件设计的核心是对平均功率输出端的脉冲在单位时间内计数。在C51内部使用16位定时计数器的计数模式可以实现。单位时间的确定可以由查询或中断。查询方式占用CPU资源过多，实时性也欠佳；中断方式可以使用最少的CPU资源，及时响应定时中断。在设计中采用中断方式。

基于MCU内部振荡器的时钟，对短时内的脉冲计数容易得到当前的实时功率大小。但由于MCU振荡器频率的误差，长时间内的电能计量会有时间上的误差积累。解决办法是通过1380时钟芯片的精确计时，定时校正MCU缓存的时间，以较精确的计量电能大小。

在LCD162字符液晶显示器上可以分几层菜单显示实时钟和功率，电能，开关状态，定时报警功能等等。键处理程序的复杂度和人机接口菜单的复杂度相关。建立单独的任务监视键盘的状态，通过键盘事件（即产生键盘按下的信号）和键缓存通知键处理程序。

参考文献

[1] 马忠梅.单片机的C语言应用程序设计.[M].北京.航空航天大学出版社.1998.10.

[2] 周航慈.PHILIPS 51LPC系列单片机原理.[M].北京.航空航天大学出版社.2001.5.

[3] 李军.51系列单片机高级实例开发指南.[M].北京.航空航天大学出版社.2004.6.