当前位置:首页 >> 信息与通信 >>

基于IC卡的集中式电量计量系统设计


贵州大学本科毕业设计

第 I 页

目录
................................................................ .................................. 摘要 .................................................................. III ............................................................... ABSTRACT ............................................................... IV ................................................................ .................................... 前言 .................................................................... 1 ............................................. 第一章 电能计量系统方案论证 ............................................. 2 1.1 方案一 机械电子式 ................................................... 2 1.2 方案二 模数转换式 ................................................... 2 1.3 方案三 功率累加式 ................................................... 3 1.4 方案选择 ............................................................ 3 ......................................................... 第二章 硬件设计 ......................................................... 4 2.1 主控模块设计 ........................................................ 4 2.1.1 AT89S52 介绍 .................................................... 4 2.1.2 看门狗定时器 .................................................... 5 2.1.3 WDT 的使用 ...................................................... 5 2.2 功率计量原理 ........................................................ 6 2.3 电能计量 ............................................................ 7 2.3.1 AD7755 工作原理 ................................................. 7 2.3.2 AD7755 引脚介绍 ................................................. 8 2.3.3 由 AD7755 构成的原理图 .......................................... 10 2.3.4 AD7755 供电部分 ................................................ 13 2.4 开关控制部分 ....................................................... 14 2.4.1 BH3023 介绍及原理 .............................................. 14 2.5 16 户用户进行检测与控制的硬件实现 .................................. 15 2.5.1 16 户用户通断电的控制方法 ...................................... 15 2.5.2 16 户电能检测的方法与实现 ...................................... 17 2.5.3 延时电路 ....................................................... 18 2.6 读写模块 ........................................................... 19

贵州大学本科毕业设计

第 II 页

2.6.1 MFRC530 介绍 ................................................... 19 2.6.2 MFRC530 的内部结构 ............................................. 19 2.6.3 MFRC530 的管脚功能 ............................................. 20 2.6.4 读写天线的设计 ................................................. 22 2.6.5 MFRC530 与 MCU 接口电路 ......................................... 22 2.7 电能存储器 ......................................................... 23 2.7.1 24C08 介绍及硬件连接图 ......................................... 23 2.8 显示电路 ........................................................... 24 2.8.1 MAX7219 介绍及硬件连接图 ....................................... 24 2.9 MCU 电源模块 ....................................................... 26 2.10 掉电检测电路 ...................................................... 26 2.11 报警电路 .......................................................... 27 第三章 软件设计 ........................................................ 28 ........................................................ 3.1 电能计量系统主程序 ................................................. 28 3.2 电能计量程序 ....................................................... 30 3.3 电能计量存储程序 ................................................... 33 3.3.1 IC 通信原理 ................................................... 33 3.3.2 24C08 工作原理 ................................................. 34 3.4 电能计量显示程序 ................................................... 39 3.5 报警程序 ........................................................... 45 ................................................................ ................................... 结论 ................................................................... 46 ............................................................... 参考文献 ............................................................... 47 ................................................................ ................................... 致谢 ................................................................... 48 ............................................. 附录 A IC 卡检测及读写程序 ............................................. 49 ................................................. 附录 B 元器件清单列表 ................................................. 53 附录 C 基于 IC 卡的集中式电量计量系统整机电路图 ......................... 54 附录 D 基于 IC 卡的集中式电量计量系统的软件流程图 ....................... 54

贵州大学本科毕业设计

第 III 页

基于 IC 卡的集中式电量计量系统的设计
摘要
本设计是基于 IC 卡的集中式电量计量系统,涉及电能计量、电能存储、电能显示、 射频卡读写这四大部分。对于电能计量,采用基于功率累加原理的集成芯片 AD7755, 由 AD7755 组成的电能计量部分实现对用户用电量的采样,经过一系列数字转换最终以 脉冲形式输出,该脉冲送往 MCU 对其计数,实现电能计量。采用 EPROM 对用户用电信 息进行存储,本设计采用 8 位具有 1K 容量的 24C08,采用 IC 原理与 MCU 进行通信。 考虑到 MCU 的 I/O 口有限, 对于显示部分, 采用 MAX7219 作为数码管的驱动, 因为 MAX7219 做驱动只需要三个 I/O 口,采用 SPI 方式与 MCU 进行通信,这可以省去不必要的 I/O 扩 展。 该系统是基于非接触式的一个电能管理系统, 所以这也涉及到了射频技术。 设计中, 采用 MFRC530 作为 IC 卡的接口电路。最后 MCU 选用 AT89S52。 本设计实现了利用一块单片机实现对 16 个用户用电信息的管理。在本设计中,利 用电能计量部分输出的脉冲作为计数器的计数脉冲对该脉冲计数, 让单片机对该计数值 进行累加,而不是直接对脉冲进行计数。16 个用户,每个用户均用计数器对该脉冲计 数,通过数据选择器选择 16 个用户,分时对 16 个用户用电进行计量。由于采用了计数 器对脉冲计数,所以这极大的减少了分时计量带来的误差。

关键字:电能计量,AD7755,IC 通信,射频技术,MFRC530

贵州大学本科毕业设计

第 IV 页

An integrated measuring System of Electricity —— based on IC card
Abstract
This design is an integrated measuring system of quantity of electricity, which based on IC card. The so-called integrated system is just using one MCU to control and monitor the users’ electricity information. So, the design covers four main parts—the part of accumulation of electric energy、 part of energy storage、 part of display of information the the and the R/W of IC card. For the accumulation of electric energy, this design uses the chip of AD7755,which based on the theory of power totting-up and the mainly function of the part is to achieve the sample. the information is sent out in form of pulse after a series of converter. This pulse is received and completed the accumulation of electric energy by the MCU. The information of the quantity of electricity is storaged into the EPROM which has the capacity of 1K.The storaged is based the theory of IC.For the part of display ,using the MAX7219 to driver the LED. The main reason to use this chip is just the way can save the I/O port. Because MAX7219 relys on the way of SPI to communicate with the MCU, and this way just use only three I/O ports. So, using the MAX7219 can save the expand of I/O port. Meanwhile, the power management system is based on a non-contact theory. So it is related to the RF technology. So ,MFRC530 was used in the design . The core of the design is how to use one single computer to monitor and control the information of sixteen users precisely. In the design ,the pulse is out of the part of accumulation of electric energy as the CLK for the counter. So it just use the MCU to totting-up this enumerate data. It is not only enhance the precision but also can accomplish to measuring the information. And this is the base of this system.

Keywords:electrical energy measure,AD7755,IC communications,RF technique,
MFRC530

贵州大学本科毕业设计

第 1 页

前言
20 世纪中叶,随着微电子和信息产业的发展,新技术有力的支持电能表的革新, 先是有高精度电子式标准电能表的出现满足了校验技术要求,继而 70 年代已开始商业 化应用电子式电能表于大工业用户电能计量。20 世纪 90 年代初期:以各种钥匙方式存 在的可擦除存储芯片(EEPROM)或一般存储卡,以 93C46 和 24C01 为主,主要在物业小 区使用,到 20 世纪年代中期,以存储卡和逻辑加密卡为介质,使用范围从单纯物业小 区扩展到行业管理,从后期至今,出现了以 CPU 卡和 ESAM 模块方式为加密介质的 IC 卡 电表,IC 卡电表进入成熟期。近些年,非接触式 IC 卡成功应用于我们日常生活中,它 成功地将射频识别技术和 IC 卡技术结合起来,解决了无源和免接触难题 本课题研制的基于 IC 卡的集中式电量计量系统采用了先进的电能计量芯片,是一 种先进的集中式电能计量系统,就有电能计量、多用户检测、IC 卡识别等多种功能。 电能集中管理控制系统属于新一代电能计量管理设备,它与传统的分立式电能计量设 备,如机械式电度表、IC 卡式电度表有根本的区别。机械式电度表和 IC 卡式电度表也 可以集中的形式安装,但这仅仅是形式上的集中,实际上仍然是许多块分立式电度表在 独立工作。而集中式电能计量管理系统却不是这样,该系统针对集体公寓特点研制开发 的,具有分路计量功能的一体化独立设备,适用于公寓专用的集中管理模式。 本设计能够实现对 16 户的电能进行检测和监控,当用户购电后,将 IC 卡中购电度 数被该系统读出,与系统中来剩余的电度数相加,并随时检测用户家中电的流量,当用 电满 1 度时候,系统自动将用户剩余电量减一,如果用户剩余电量低于 10 度,则报警, 提示用户购电。如果剩余电量用完,则对用户停电。用户可随时查剩余电量,并将其显 示出来,并且在查剩余电量的时候,将剩余电量写入 IC 卡。从电能管理方式上看,采 用 IC 卡电量系统可以克服以往人工管理的那种效率低,易出错,安全性查,管理不便 等一些弊端。而采用 IC 卡电子式电能表,不需要人工抄表,有利于现代化管理。充 分体现了电力的商品属性。实行先买电后用电 ,客户可以根据自己的实际需要有 计划地购电、用电,不会因欠费而发生滞纳金,增加不必要的开支。解决了收费 难的问题。能很好地解决零散居民客户、临时用电客户、经常欠费客户的收费问 题。体积小、重量轻、安装方便,便于批量生产应用于日常生后中。

贵州大学本科毕业设计

第 2 页

第一章 电能计量系统方案论证
1.1 方案一 机械电子式
通过对转盘转动圈数的计数来测量电能。具体方案是在转盘上涂上大约 1cm 宽的 “黑条” ,在转盘的上方或下方设置一红外线发射接收对管。当红外线照射在“黑条” 处,红外线被吸收,无反射,即接收管接收不到红外线,当红外线照射在其他部分时, 被反射,接收管能接收到红外线。这样转盘没转一圈,产生一个脉冲,在通过对脉冲的 整形、计数、显示完成电能的计量。这种方案显示直观,但它仍然具有机械式感应电度 表的缺点,即耗电多、笨重。

1.2 方案二 模数转换式
对电流和电压分别采样,再通过 A/D 转换器转换成数字信号,然后送入单片机进行 相乘运算。 并在 CPU 中设置一个定时器定时对功率进行累加, 其系统框图如图 1.1 所示:

图 1.1 模数转换式系统框图

这种方案对信号的采样速率快,但 A/D 转换器的精度要求高,而且由于电网的电力 谐波的引入,导致 A/D 转换后产生错误数据。为抑制这种干扰,必须在软件上加数字滤 波器或在硬件上采用隔离放大器和高精度的运算放大器, 这将增加 CPU 的负担和硬件成 本。

贵州大学本科毕业设计

第 3 页

1.3 方案三 功率累加式
将端口电流和电压先送入模拟乘法器相乘,得到一个与功率 P 成正比的模拟电流, 再经过 V/F 变换成频率信号 f。单片机对频率信号 f 进行累加,便可得到电能。系统框 图如图 1.2 所示:

图 1.2 功率累加式系统框图

对于这种方案,现在已有集成电路(如:BL0932、AD7755)将模拟乘法器、低通滤波器和 V/F 转换器集成。

1.4 方案选择
基于以上分析,方案三明显优于其他三种方案,利用专用的电能计量芯片不仅有效 的克服干扰, CPU 的要求也降低, 对 同时所需硬件也大大减少, 降低了硬件电路的成本。 所以该设计选用专用电量计量芯片 AD7755 对用户用电量进行计量;对于主控部分选用 常用的 8 位单片机就能满足要求。本设计中考虑到要对 16 个用户的用电量进行管理, 程序量比较大,为了防止程序由于某种干扰而出现死机,设计中需要加入看门狗电路, 而 AT89S52 片内具有看门狗的功能,通过程序即可实现此功能,省去了不必要的硬件看 门狗电路,所以选用 AT89S52 作为主控模块。

贵州大学本科毕业设计

第 4 页

第二章 硬件设计
2.1 主控模块设计
2.1.1 AT89S52 介绍 AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器,具有8K 在系统可编程Flash 存 储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚 完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上, 拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案AT89S52具有以下标准功能: 8k字节Flash,256字节RAM, 32 位I/O 口线,看门狗定时器,2 个数据指针,三个16 位定时器/计数器,一个6向量 2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52 可降至0Hz 静态 逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时 器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结, 单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。其引脚图如图2.1所示:

图 2.1 AT89S52 引脚图

各引脚功能和 51 功能一样,只有 P1 口的几个具有第二功能,这和 51 有所区别, 这几个口的具体功能如表 2.1 所示:

贵州大学本科毕业设计

第 5 页

表 2.1 P1 口第二功能

引脚号 P1.0 P1.1 P1.5 P1.6 P1.7

引脚功能 T2(定时器/计数器 T2 的外部计数输入),时钟输出 T2EX(定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制) MOSI(在系统编程用) MISO(在系统编程用) SCK(在系统编程用)

AT89S52 片内具有 Watchdog 功能,可以防止程序由与某种干扰而死机时,系统可 以可靠复位,保证系统正常运行,这一点也是不选择 51 的一个主要原因,因为如果选 择 51,则必须附加专门的单片机复位电路如利用 Watchdog 芯片 IMP813 等,造成 MCU 外围电路较复杂。 2.1.2 看门狗定时器 WDT是一种需要软件控制的复位方式。WDT 由13位计数器和特殊功能寄存器中的看 门狗定时器复位存储器(WDTRST)构成。WDT 在默认情况下无法工作;为了激活WDT, 户用必须往WDTRST 寄存器(地址:0A6H)中依次写入01EH 和0E1H。当WDT激活后,晶 振工作, WDT在每个机器周期都会增加。 WDT计时周期依赖于外部时钟频率。 除了复位 (硬 件复位或WDT溢出复位),没有办法停止WDT工作。当WDT溢出,它将驱动RSR引脚一个高 个电平输出。 2.1.3 WDT 的使用 为了激活WDT, 用户必须向WDTRST寄存器 (地址为0A6H的SFR) 依次写入0E1H和0E1H。 当WDT激活后,用户必须向WDTRST写入01EH和0E1H喂狗来避WDT溢出。当计数达到8191 (1FFFH)时,13 位计数器将会溢出,这将会复位器件。晶振正常工作、WDT激活后,每 一个机器周期WDT 都会增加。为了复位WDT,用户必须向WDTRST 写入01EH 和0E1H (WDTRST是只读寄存器)。WDT 计数器不能读或写。当WDT 计数器溢出时,将给RST 引 脚产生一个复位脉冲输出, 这个复位脉冲持续96个晶振周期 (TOSC) 其中TOSC=1/FOSC。 , 为了很好地使用WDT,应该在一定时间内周期性写入那部分代码,以避免WDT复位。 Mov 0A6H,#01EH

贵州大学本科毕业设计

第 6 页

Mov 0A6H,#0E1H ;在程序初始化中激活看门狗。 …… …… for: …… Mov 0A6H,#01EH ;先送 1E Mov 0A6H,#0E1H ;后送 E1 ;喂狗指令
…… Ljmp for

2.2 功率计量原理
在交流供电电路中,电压的表达式:
v(t ) = V m sin ωt

(2.2.1)

电流的表达式:
i (t ) = sin(ωt + θ )

(2.2.2)

所以在一个周期内的平均功率为:
P= 1 T 1 T 1 ∫0 P(t )dt = T ∫0 V m I m sin ωt sin(ωt + θ )dt = 2 V m I m cosθ T
t 0

(2.2.3) (2.2.4)

所以,在 t 时间内,用户所消耗的电能值为: W = ∫ p(t )dt 再根据香农采样定理,只要采样周期 T s <

1 ,其中 Ws 为信号周期。所以当供电电压 2w s

频率为 50Hz,周期为 20ms 的时候,只要采样周期小于 10ms 就能够恢复被测信号。

贵州大学本科毕业设计

第 7 页

2.3 电能计量
2.3.1 AD7755 工作原理 根据以上功率计量的原理,这里选用 AD7755,AD7755 是美国 AD 公司推出的脉冲输 出的高精度电功率测量芯片,内部集成了两个 2 阶 16 位的∑-Δ模数转换器,电压基准 和计量有功功率所需的数字信号处理电路。 AD7755 的内部功能框图如图 2.2 所示:

图 2.2 AD7755 内部结构

其工作原理如下: 它由模拟电路(模数转换电路、基准电路与电源电压监测电路)和数字信号处理电 路两部分组成。被测电压、电流转换为数字量后,接下来的信号处理都在数字域实现。 其内部内有两个以 900kHz 过采样速率采样的 16 位 2 阶Σ-Δ 模数转换器(ADC) 。被 测电流经可编程增益放大器(PGA) 放大后接电流通道的 ADC ,并由此 ADC 转换为对应的 数字信号,再经相位校正和高通滤波,进入乘法器。乘法器的另一路输入是由电压通道 ADC 转换而来的。与被测电压对应的数字信号相乘后产生瞬时功率信号。此信号经低通 滤波器滤除其中的交流分量,提取出负载消耗的瞬时有功功率即直流分量。图 2.3 示出 了从瞬时功率信号如何得到瞬时有功功率信号。AD7755 对这个瞬时有功功率信号进行 一段时间的累计、平均,求得平均有功功率,从管脚 F1 、F2 输出,驱动芯片外接的机电 式计度器或双相步进电机,记录电能。与此同时,以较短时间对瞬时有功功率进行累计, 求得与瞬时有功功率成正比的高频频率并经 CF 输出,用于校准或送微控制器累加计数, 实现对电能的计量。

贵州大学本科毕业设计

第 8 页

图 2.3 信号处理图

从其内部结构及其工作原理可以看出,其理论依据即为功率计量的原理,但是其 上功率计量原理只涉及到了标准的正弦波信号,但在实际应用中,所有电压和电流波形 均含有一定的谐波成分。瞬时电压和电流表示成为基波和谐波分量之和:
v(t ) = V 0 + 2 ∑ V n sin(nωt + α n )
n =0 ∞

(2.3.1)

i (t ) = I 0 + 2 ∑ I n sin(nωt + β n )
n =0



(2.3.2)

该瞬时电压和电流相乘后所得的有功功率 P 可用基波分量 P1 和谐波分量 P n 之和表示:
P = P1 + P n ;

其中:

; P1 = V 1I 1 cos θ 1 , ( θ 1 = α 1 β 1 ) ( ; P n = ∑ V n I n cos θ n , θ n = α n β n )
n =0

(2.3.3) (2.3.4)



由上可见,瞬时电压和电流相乘后包含有功功率信息,经低通滤波器滤波后,能 得到该有功功率。但由于此低通滤波器不是理想的,所以其输出信号仍含有衰减的基波 和谐波成分,即 cos(ωnt),其中(n=1、2、3……) 。主谐波 cos(ωnt)由瞬时有功功 率产生,而这个信号通过数字-频率转换器随时间被累加,这种累加起到平均作用,将 抑制瞬时有功功率中的非直流成分, 使其平均值等于零。 因此对于带有谐波的功率信号, 经 AD7755 后,产生的频率仍与平均功率成正比。即对非正弦电流和电压波形也能精确 测量器其功率。 2.3.2 AD7755 引脚介绍 利用 AD7755 可以使电表硬件部分大为简化,可以很方便地实现智能控制。其引脚

贵州大学本科毕业设计

第 9 页

图如图 2.4 所示:

图 2.4 AD7755 引脚图

其各引脚功能如表 2.2 所示:
表 2.2 各引脚功能

引脚号 DVdd

引脚功能 数字电源引脚。 该引脚提供 AD7755 数字电路的电源, 正常工作电 源电压应保持在 5V ± 5%,该引脚应使用 10μF 电容并联 100nF 瓷介电 容进行去耦。

AC/ DC

高通滤波器 HPF 选择引脚。当该引脚输入高电平时,通道 1(电 流通道) 内的 HPF 被选通, 该滤波器所设计的相位响应在 45Hz 至 1KHz 范围内在片内已得到补偿。在电能计量的应用中,应使 HPF 选通。

AVdd

模拟电源引脚。 该引脚提供 AD7755 模拟电路的电源, 正常工作电 源电压应保持在 5V ± 5%,为使电源的纹波和噪声减少到最低程度,该 引脚应使用 10μF 电容并联 100nF 瓷介电容进行去耦。

NC V1P、V1N

不连接。 通道 1(电流通道)的正负模拟输入引脚。完全差动输入方式, 正常工作最大信号电平为 ± 470mV。两个引脚内部都有 ESD 保护电路, 这两个引脚能承受 ± 6V 的过电压,而不造成永久性损坏。

V2N、V2P

通道 2(电压通道)的负正模拟输入引脚。完全差动输入方式, 正常工作最大输入电压为 ± 660mV,两个引脚能承受 ± 6V 的过电压,而 不造成永久性损坏。

贵州大学本科毕业设计

第 10 页

表 2.2(续)各引脚功能

引脚号

引脚功能 复位引脚

RESET
REF IN / OUT

基准电压的输入,输出引脚。片内基准电压为 2.5V ± 8%。外部基 准源可以直接连接到该引脚上。无论用内部还是外部基准源,该引脚 AGND 都应使用 10μF 钽电容和 100nF 瓷介电容对 AGND 进行去耦。 模拟电路(即 ADC 和基准源)的接地参考点。 SCF 校验频率选择,该引脚的逻辑输入电平确定 CF 引脚的输出频率。 S1、SO G1、G0 这两个引脚的逻辑输入用来选择数字/频率转换系数,为电表的设 计提供了很大的灵活性。 这两个引脚的逻辑输入用来选择通道 1 的增益。 CLKIN、CLKOUT 为 AD7755 提供时钟源,规定时钟频率为 3.579545MHz。 REVP 当检测到负功率时,即电压和电流信号的相位差大于 90°时,该 引脚输出逻辑高电平。该输出没有被所存,当再次检测到正功率时, DGND 该引脚输出复位。该输出的逻辑状态岁 CF 输出脉冲同时变化。 数字地。 CF F2、F1 频率校验输出引脚。其输出频率反映瞬时有功功率的大小,常用 于仪表校验。 低频逻辑输出引脚,其输出频率反映平均有功功率的大小。这两 个逻辑输出可以直接驱动机电式计度器或两相步进电机。 2.3.3 由 AD7755 构成的原理图 由其构成的电能计量电路如图 2.5 所示:

贵州大学本科毕业设计

第 11 页

Z2 R4 1K
R3 C2 33nF

+5

350

Z3 R5 1K

R34 5.1K C3 33nF

D1
R6 50 CF 22 CLKOUT 18 3.5795MHZ C7 33pF Y3

U3

MCU

AD7755 5 V1P

825MR2C
C6 33pF

6N138

Z1
R16 10K C1 33nF

6 V1N

7 V2N CLKIN 17 AD7755 8 V2P REF 10

R17
1K

R18
1K
C4 33nF

9 RESET 1 DVDD AC/DC

DGND

21

C5 C18 100nF 10F

AGND 11 AVDD 3

R19
50
R33 300k Z4 C8 1F D4 1 1N34 C9 1N964B 0.1F 3

2

LM7805CT
Vin GND

U11
+5V 2

R11
10
C10 C11 100nF 10F C13 C19 100nF 10F

火火

清火

图 2.5 电能计量电路图

图中线路电压 220V ,基本电流 I b 为 5A ,动态范围 400 (规定准确度的电流范围为
2% I b ~ I max ,即 100mA~40A) ;计度器为 100imp/kWh,电表常数 C 选为 3200imp/ kWh ,

即 AD7755 发 3200 个脉冲,计度器记录 1kWh 电。 电路中各元件的参数计算如下: 对于通道 1,选用适当的分流器;以其将负载电流转换为电压,接 V1P 和 V1N。由表 2.3 知:
表 2.3 通道一的增益选择表

G1 0 0 1 1

G0 0 1 0 1

增益 1 2 8 16

最大差动输入 ±470Mv ±235mV ±60mV ±30mV

贵州大学本科毕业设计

第 12 页

不同增益下通道1的各个最大差动输入电压不同,本设计中选取增益G=16,从而最大差 动输入为正负30mV,而在实际中,电网电压存在波动和负载电流可能超载,所以设计电能 表时,模拟通道的输入电压一般都留有足够的超量程余地。比如,取允许的最大值的一 半。在这里取通道1的差动输入电压为15mv.因为其动态范围为100mA~40A,

= 15mV = 375 R max = 15mV = 0.15 R 40 A 100mA ∴ min , ,所以,所取电阻 R 3 的阻值
不能大于 375 ,在此取 R 3 = 350 ,经计算得 U 1max = 14mV 。所以取 R 3 = 350 的精 密电阻做分流器能满足电流通道的动态范围且能够留有充分的余量。 对于通道2,线路电压经电压分压器分压,也降到允许的最大电压范围之内,接V2P 和V2N。当负载电流为基本电流(5A) 时,线路的功耗: P =220 ×5 = 1. 1kW。 乘以电表常数得 I b 情况下的输出频率:
f F 1 = P × 100imp / kWh = 1.1× 100

3600

= 0.03055 Hz

(2.3.5) (2.3.6)

又∵

f F1 =

8.06 × u1 × u 2 × G × f 1 4 u REF
2



其中 u1 、u 2 分别为电流通道和电压通道输入端的差动电压, G 为电流通道的增益,u REF 为基准电压值为 2.5V; f1-4 为以 S1、S0 逻辑输入选择的频率,选择方法见表 2.4:
表 2.4 f1-4 等选择表

SCF 1 0 1 0 1 0 1 0

S1 0 0 0 0 1 1 1 1

S0 0 0 1 1 0 0 1 1

f1-4(Hz) 1.7 1.7 3.4 3.4 6.8 6.8 13.6 13.6

K 128 64 64 32 32 16 16 2048

分频系数 3.579MHz/221 3.579MHz/221 3.579MHz/220 3.579MHz/220 3.579MHz/219 3.579MHz/219 3.579MHz/218 3.579MHz/218

AC 输入最高频率(Hz) 0.34 0.34 0.68 0.68 1.36 1.36 2.72 2.72

贵州大学本科毕业设计

第 13 页

∵ u1 = 350 × 5 A = 1.75mV ,G = 16,从最大电流为 40A 和再留有足够余量出发,查表 2,选择 f 1 4 =3.4Hz ∴

u2 =

f F1 × u 2 REF = 248.9mV 8.06 × u1 × f 1 4 × G

即在线路电压 220V ,基本电流 I b 为 5A 的条件下,引脚 V2P 的输入电压为 248.9mV,调 节可变电阻器将 220V 线路电压降到 248.9mV。另外由其工作原理可知,通道之间的相 位匹配非常重要。为使两个通道的相位匹配,电阻、电容的取值分别为 R4=R5=R17=R18= 1kΩ(精度为 1 %);C1 = C2 = C3 = C4= 33nF 2.3.4 AD7755 供电部分 AD7755 的供电电压由电容分压、 二极管整流、 LM7805 稳压产生。 和 如图 2.6 所示:
R33 300K 1F C8 D4 3 1N34 C9 0.1F LM7805CT Vin GND +5V 1

+5V

火线 零线

图 2.6 AD7755 供电电源

该电源电路的主要思想是利用电容 C8 对 220V 交流电进行分压为降压电容,选用 luF 电容其输出电流可达 3OmA,R33 为 C8 的放电电阻。利用稳压管 1N964B 输出一定值 电压,该电压作为 LM7805 的输入电压。这里,电容 C8 必须选用耐压值高于 220V 的电 容。由于 LM7805 的工作电压在+4V 到+35V,所以经稳压管的输出电压应该在这个范围 中,1N964B 的输出电压为 12V,满足要求。 LM7805 的输出以 C10 (100nF) 和 C11 (10μF) 退耦,接 AD7755 的 DVDD 。VDD 再 经 R11( 10Ω) 、 C163( 100nF)和 C19(10μF)滤波接 AD7755 的模拟电路电源管脚 AVDD 。 AD7755 的 CLKIN 和 CLKOUT 管脚接 3. 579545MHz 晶体和 2 只 33pF 陶瓷电容。考虑抗 电磁干扰,除原有的滤波电路外,电路图中电流输入通道中增加了 Z2、