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基于芯片ADE7755单相电能计量电路的设计


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基于芯片 ADE7755 单相电能计量电路的设计
时志娜 1,董爱华 1,孙士栋 2,周世华 2
(1.河南理工大学电气与自动化学院,河南 焦作 454000;2.开封供电公司,河南 开封 475000)

摘要 本文主要是针对家庭用户设计了一单相电能计量电路。此电路采用一款高精度单相电 能计量芯片ADE7755来采集用户所使用的电量, 并使用高性能的单片机AT89C51来作为整个电 能采集电路的控制中心。 文中给出了整个电能计量电路的组成框图、 单相电能测量电路图以 及软件流程图, 最后介绍了试验情况并对试验结果进行了分析比较, 通过实验表明该电能计 量电路具有较高的测量精度。 关键词:电能计量;ADE7755芯片;高精度;单片机 中图分类号:TM933.4 文献标志码:A

The Design of Single-Phase Energy Metering Circuit Based on chip ADE7755
SHI zhi-na1,DONG ai-hua1,SUN shi-dong2,ZHOU shi-hua2
(1.School of Electrical engineering & Automation, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000,China; 2.Electric Power of Kai Feng ,Kaifeng 475000,China)

Abstract :This paper designs a single-phase power measurement circuit for home users. The circuit adopts a
high-precision single-phase energy metering chip ADE7755 for the acquisition of the electrical energy, and uses the high-performance SCM AT89C51 as the control center of the circuit. This paper also introduces the working principle schematic, and the diagram of the components of the energy metering circuit as well as the software flow chart. At last, this paper introduces the test and analyzes and compares the testing results, which shows that the energy metering circuit with high precision. Keywords: electrical energy acquisition, ADE7755 chip, high-precision

1 引言
由于电力系统的改革以及对电能合理利用的探索, 出现了各种电子式的电度表, 打破了 以往感应式电度表一统天下的局面。电子式电度表具有功耗小、准确度高、工作效率高等优 点。但是,现阶段的电子式电度表从技术上来说还没有完全成熟,存在线路复杂、系统不够 稳定、适用场合有限等弊端。 鉴于上述状况, 本文针对家庭用户设计了一款简单实用的单相电子式电能计量电路。 此 电路采用了美国ADI公司生产的一款高精度单相电能计量芯片ADE7755来采集用户所使用的 电量, 并使用了高性能的单片机AT89C51来作为整个电能采集电路的控制中心。 在采集电流、 电压值时,本文采用了精度高、稳定性能好的电流、电压霍尔传感器来取代常用的电流、电 压互感器。此外,本文还介绍了单相电能计量电路的组成以及软件流程图。

2 电能计量电路的基本组成
本文所设计的电能计量电路如图1所示,主要由检测电路、电能计量芯片ADE7755、单片 机AT89C51、LCD显示电路、存储器、远程通讯接口以及电源部分组成。本电路的特点是在电

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能的采集部分加入了检测环节, 可以提高整个电路的精度与稳定性。 在本文的电能计量电路 中采用了单片机AT89C51作为中央控制电路来控制电能的采集、计量以及向上位机的传输、 电能显示等工作。

图 1

电能计量电路的原理框图

Fig.1 Energy measurement circuit diagram of the principle

3 电能测量电路
R3 10uF 100nF R1 1k 33nF C1 C6 C5 1 2 ADE7755 DVDD AC/DC AVDD NC V1P V1N V2N V2P RESET REF AGND SCF F1 F2 CF DGND REVP NC CLKO CLKI G0 G1 S0 S1 24 23 22 21 20 C10 19 18 17 16 15 VCC 14 13 C12 10nF C13 10nF R8 10k 33pF Y1 3.58MHz C11 33pF VCC

220V

电流传 感器
R2 33nF R4 R5 33nF 1k C2

3 4 5 6 7 C3 8 VCC 9 C4 R6 1k R7 10k VCC 33nF 10uF C8 10 100nF C7 11 12 C9 10nF

接入AT89C51

电压传 感器

1Mk

图 2 电能测量电路
Fig.2 Energy metering circuit

电能测量电路如图2所示,主要是由电压检测电路、电流检测电路和电能计量芯片 ADE7755及其外围电路组成。首先,负载电流经过电流传感器再通过滤波电路后转换成合适

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的电压信号送入到电能计量芯片ADE7755的电流通道,即V1P和V1N端;而220V相电压则通过 电压传感器降压后, 再通过滤波电路送入电能计量芯片ADE7755的电压通道, 即V2P和V2N端。 二者经过ADE7755转换成有功功率以高频脉冲形式从CF端输出然后接入到单片机AT89C51的 外部中断信号输入端,即单片机控制电路从ADE7755的CF端采集脉冲经过处理后得到的数据 送到LCD显示电路进行显示,并通过远程通讯电路把数据传送到上位机。 本文中电压传感器和电流传感器均采用了霍尔传感器, 霍尔传感器是利用半导体霍尔元 件的霍尔效应实现磁电转换的一种传感器,具有灵敏度高、线性度好、稳定性好、体积小和 耐高温等特性,现在已经得到非常广泛的应用。 本文中整个电能计量电路的控制系统是由单片机AT89C51来完成的, AT89C51控制着整个 电能计量电路的正常运行:监控ADE7755的工作状态,从ADE7755寄存器中读取有功、无功、 视在功率和电流、电压值,输出到数码管显示电路,保存数据到存储器中以防止停电时数据 的丢失,实现对键盘操作的响应,以及处理与远程计算机的数据通讯等。

4 软件设计
电能计量电路的软件流程图如图3所示。首先,进行电能计量电路的初始化,如单片机 的初始化、 电能计量芯片ADE7755的初始化以及显示电路和远程通讯的初始化, 再进行电能 脉冲复位以及系统各参数的初始化, 然后单片机AT89C51的中断系统进行是否有抄表命令的 判断: 有抄表命令就开始读取各项电能数据并计算出各项功率, 然后把电能数据送出并进行 LCD显示处理;没有抄表命令就等待直至命令的到来再向下执行。执行完每个步骤,最后返 回到开始重新执行命令。 这是本单相电能计量电路的主流程图。 关于电能的计量主要是靠单 片机的中断系统来完成的,限于篇幅,不做详细介绍。

图 3 软件流程图 Fig. 3 Software flow chart

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5 试验情况及结论
为验证该单相电能计量电路的性能, 我们搭建了一个试验平台进行了试验, 并以常用的 电风扇作为测量对象。该试验平台主要由稳压电源、电压表、电流表和功率因数表等组成, 具体电能计量试验平台如图4所示。

图4 电能计量试验原理图 Fig. 4 Test schematic of energy measurement 其中稳压电源是为了保证试验电路的电压稳定在220V,电压表、电流表及功率因数表 用来测量电风扇的实际功率, 根据测量时间就可计算出电风扇在该时间段内的消耗电能, 以 此计算值与电能计量电路的测量值进行比较。试验、计算数据如表1所示。 表1.试验、计算数据表 Tab. 1. Test & calculations table 电压(V) 电流(A) 功率因数 测量时间(h) 电能计量(kW gh) 计算值 220 220 220 220 0.51 0.51 0.51 0.51 0.4 0.4 0.4 0.4 0.5 1 1.5 2 0.225 0.45 0.675 0.9 测量值 0.227 0.455 0.68 0.904

从表1可看出计算值与电能测量值之间虽然有一些误差,但误差比较小,均不超过1%。 另外考虑到电压表、 电流表和功率因数表自身的消耗, 电能测量值略大于计算值也是合理的, 由此可以看出该电能计量电路的测量精度是比较高的。 以专用计量芯片ADE7755为核心, 并结合AT89C51单片机技术设计出的电子式单相电能计 量电路,具有线路简单、功耗低、精确度高、抗干扰能力强、稳定性好等一系列特点,且电 路体积小,成本低,易于家庭用户使用,因此该电能计量电路具有较好的应用前景。 参考文献
[1] ADE7755的中文资料.Http://www.tai-yan.com [2] 李海应. 基于ZigBee的无线抄表技术[J]. 网络通讯及安全,2008,2 [3] 许建平.ADE7755在电能测量中的应用[J].九江职业技术学院学报,2007,1 [4] 余发山.单片机原理及应用技术[M].中国矿业大学出版社,2003 [5] 谷延军.基于ATT78026A的高精度智能电表设计[J].电网技术,2007,12 [6] 蔡泽彬.基于ADE7758三相多功能电表的设计[J].空军雷达学院学报,2007 [7] 王翠青.基于Atmegal128L和ADE7758的电子式多功能电能表的设计实现[J].沈阳化工学院学 报,2008,3 [8] 王岩,张国山.基于ZigBee协议的无线传感器网络设计[J].微计算机信息,2008,4-1:158-160. [9] 何道清.传感器与传感器技术[M].科学出版社,2003.

创新点:本文的单相电能计量电路采用了芯片 ADE7755,并且在采集电能环节,采用了 霍尔电压、电流传感器,这比传统的采用电压、电流互感器的采集电路在精度以及稳定性 方面都得到了较大提高。

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作者简介:时志娜(1983-) ,女(汉族),河南焦作市人,河南理工大学在读研究生,从事 检测与过程控制方面的研究。 Biography:Shi Zhi na(1983-),woman(Han),Jiao zuo of He Nan, Henan Polytechnic University, researching in detecting and process control. 导师简介:董爱华(1955-) ,男(汉族) ,河南鹿邑县人,工学硕士学位,教授职称,主要 从事检测与过程控制方面的研究。 Biography:Dong Ai Hua (1955-),man(Han),Luyi of He Nan, Professor, Henan Polytechnic University, researching in detecting and process control.


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