电参数测试仪

“ZLG杯”电子设计竞赛设计报告编号：B甲1031项目名称：单相电参数测量仪设计小组名单：任昌健叶路峰窦青青赛前辅导老师：姚福安万鹏学校：山东大学院系：控制科学与工程学院自动化专业时间： 2008年9月目录1 方案比较与论证 .......................................... 错误！未定义书签。

1.1 总体方案论证 ........................................................................................ 错误！未定义书签。

1.2 主控制器论证 (4)1.3 键盘模块论证 (4)1.4 显示方案论证 (4)2 系统硬件设计 (5)2.1 系统硬件的基本组成 (5)2.2 单元电路设计 (5)2.2.1 单片机系统板电路 (5)2.2.2 测量电路 (6)2.2.3 输入电路 (9)2.2.4 继电器控制电路 (9)2.2.5 掉电存储模块 (9)2.2.6 键盘模块 (10)2.2.7 液晶显示电路 (10)2.2.8 打印机电路 (10)3 软件设计 (10)4 系统测试 (11)4.1 测试环境 (11)4.2 测试结果 (12)4.3 误差分析 (12)5 总结 (13)参考文献： (13)单相电参数测量仪摘要：本设计以凌阳SPCE061A 16位单片机和电参数测量专用芯片CS5463为核心。

工频电压、电流信号分别通过电压互感器、电流互感器再经阻容网络滤波后进入芯片CS5463。

CS5463是多功能、高精度集成芯片，用于测量电压、电流、有功功率、功率因数、频率等电参量。

电量通过凌阳单片机的时基中断累加有功功率得到。

该系统以液晶显示和键盘作为人机交互界面，用按键实现显示切换等功能，同时还具有打印功能、大负载断电报警功能、预购置电能功能、分时计量电量功能、语音功能，具有很好的人机交互性能。

关键词：凌阳SPCE061A 16位单片机、CS5463、电压互感器、电流互感器、LCD 液晶显示Abstract:This design takes Ling Yang the SPCE061A monolithic integrated circuit and chip CS5463 as a core. The power frequency voltage, the electric current signal through the voltage transformer, the current transformer, after passing through the RC set filter, enter CS5463 separately. CS5463 measures voltage, electric current, active power, power factor, frequency and so on. In the interrupt routine, the monolithic integrated circuit accumulates the active power to obtain the electric quantity. This system takes the man-machine interaction contact surface by the liquid crystal display and the keyboard, realizes functions and so on demonstration cut with the pressed key, meanwhile has the printing function, the high loading power failure warning function, the pre-purchase electrical energy function, the time sharing measurement electric quantity function, the pronunciation function and so on.Keywords:SPCE061A、CS5463、Potential transformers、Current transformers、LCD display一、方案比较与论证1.1 总体方案论证方案一：系统对电压、电流信号分别测量，测量功率时则将电压、电流信号取出，送到功率测量模块进行测量，原理框图如图1。

整个系统是采用模拟控制方式，硬件电路实现复杂，功率因数测量难以实现，系统不能实现复杂的控制和运算，控制方案的改善也比较麻烦。

图 1方案二：基于单片机的测量系统，用真有效值转换芯片AD637做有效值转换, 分别对U，I进行过零比较，将相位差对应的脉冲宽度及对应的工频周期提取出来，输入单片机进行各参数的计算。

原理框图如图2。

但是该系统测量精度不能达到题目要求，且AD637价格较高。

图2方案三：基于单片机的测量系统，单片机系统具有成本低、效益高的优点并且在灵活性和程序可移植性方面明显优于方案一。

利用多功能功率/电能测量芯片CS5463测量电压、电流、有功功率、功率因数和电量，芯片精确度高，低功耗，集成度高，使得电路简化，成本较低。

经过比较我们采用方案三。

1.2 主控制器论证方案一：采用51单片机AT89S52为主控制器，AT89S52单片机算术运算功能强，但是其为8位微处理器，在数据处理方面显然逊色于16位机，基于整个系统的速度要求，51单片机也不能满足要求。

其内部的RAM和ROM都比较小，需要进行外扩，实现比较麻烦。

方案二：采用凌阳16位单片机SPCE061A为控制核心。

其内置2K字的SRAM和32K字的内存FLASH，能满足本系统数据处理及LCD显示所需数据的存储要求。

SPCE061A单片机在 2.4V-3.6V工作电压范围内的CPU时钟频率范围为0.32-49.152MHZ，同时增加了累计运算功能，提高了数据处理能力。

单片机软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。

比较上述方案，采用凌阳16位单片机SPCE061A为核心处理。

1.3 键盘模块论证方案一：ZLG7289B数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片，可直接驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）同时还可以扫描管理64只按键，ZLG7289B内部含有显示译码器，可直接接受BCD码或16进制码，并同时具有2种译码方式。

ZLG7289B采用SPI串行总线与微控制接口，占用少数几根I/O口线。

本题目所需按键数目较少，采用此方案多数按键被闲置。

方案二：自制1×5键盘，利用凌阳单片机最小系统I/O口，编写简单的键盘扫描程序，同时所得键值也通过单片机I/O口送入单片机芯片处理。

该系统完全利用LCD的人机交互界面功能，可最大程度节省按键数目，操作也不烦琐。

经过以上分析，我们采用方案二。

1.4 显示方案论证方案一：采用LED数码管显示，采用74LS74驱动数码管实现动态显示，控制比较简单，但是占用系统I/O口太多，不能实现资源的有效利用，而且只能显示一些简单的ASCⅡ字符，显示的信息量非常有限。

方案二：采用LCD液晶显示，LCD微功耗、尺寸小，超薄轻巧、显示信息量大、字迹清晰。

由于显示的信息较多，经过比较我们采用方案二，采用LCD液晶显示屏来显示友好的人机交互界面。

二、系统硬件设计2.1 系统硬件的基本组成概述N L图 3 系统总体框图本系统以凌阳16位单片机SPCE061A为控制核心，配合专用芯片CS5463，完成电流电压有效值，有功功率，功率因数以及电量、频率的计算，并辅以各个功能模块完成题目的设计要求。

系统总体框图如图所示，系统主要由凌阳单片机控制组、测量电路、输入电路（电压、电流互感器）、继电器控制电路、掉电存储模块、键盘模块、LCD液晶显示模块、打印模块等构成。

2.2单元电路设计2.2.1 单片机系统板电路SPCE061A单片机为基本系统。

61单片机内置有32K Flash存储和2K的RAM、8通道的A/D、10位D/A。

SPCE061A图4 凌阳单片机系统图2.2.2 测量电路测量电路的核心是芯片CS5463。

CS5463是美国Cirrus Logic公司于2005年推出的多功能、高精度功率测量集成芯片。

该芯片具有很多优良特性。

CS5463的精确度符合IEC,ANSI,JIS标准；低功耗(小于12 mW)；具有简单3线数字串行接口，便于与微处理器进行通信。

CS5463 是一个包含两个ΔΣ模-数转换器（ADC）、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的ΔΣ模-数转换器。

它可以精确测量和计算瞬时电压、电流和视在、有功和无功功率，有功基波和谐波功率，无功基波功、功率因数和频率。

CS5463可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。

CS5463具有与微控制器通讯的双向串口，芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比。

CS5463 具有方便的片上AC/DC 系统校准功能。

此外，CS5463片内还带有温度传感器，有助于设计者调整温度漂移误差，提高测量精度。

（1）内部结构CS5463的内部结构框图如图5示，它由2个可编程增益放大器、2个△-∑调制器、配套的高速滤波器、功率计算引擎、偏置和增益校正、功率监测、串行接口及相应功能寄存器等组成。

2个可编程放大器采集电压和电流数据，△-∑调制器对模拟量采样处理，高速数字低通或可选的高通滤波器滤取可用电压电流数字信号，功率计算引擎计算各类型的功率，电压、电流，并将计算的功率值通过串行接口对外输出，既可以接EEPROM，也可以接微控制器。

该电路还有能量脉冲信号输出模块，可以直接外接计数器或步进电机。

（2）工作原理① 输入滤波电压和电流通道的输入模拟信号送入可编程PGA 进行增益放大，放大后由△-∑调制器以一定的采样速度采样，采样的结果再进行高速数字滤波，得到符合要求的数字信号。

电压输入通道采用二阶△-∑调制器，高速滤波器由一个固定的Sinc2滤波器实现；电流通道采用四阶△-∑调制器，并用一个Sinc4滤波器实现，与电压通道的范围相比，可以在输入跨度更大的情况下实现电流通道的精确测量。

2个通道的数据接着通过2个FIR 补偿滤波器来补偿通过低通滤波器后产生的幅值损耗。

另外，2个通道都提供了一个可选的高通滤波器(HPF)，它可以在有效值、电能计算之前除去电压和电流信号中的直流成分。

②参数计算图5 CS5463的内部结构框图图 6 数据流程图电压有效值、电流有效值、有功功率、功率因数等电参数均可以从CS5463的内部寄存器中直接读出。