基于51的电能计量系统设计

课程设计

郑州航空工业管理学院

《单片机原理与应用》

课程设计说明书

级专业班级

题 目 基于51的电能计量系统设计

姓 名 学号

指导教师

2011年05月20日

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摘要：基于AT89S51电能计量系统的设计主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，给出了系统硬件的设计方法以及电路原理图还有系统软件的程序流程框图以及源程序清单，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。

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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。U1a、

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U1b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。U1n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。U2p、U2n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。UREF(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。CLKi、CLKo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U1a与U1b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。

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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IP代表相线电流，IN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U1 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U2 max=±660 m V，图中取R1= R2//R3。

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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、 …… 此处隐藏：2425字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……