电参数测试仪

2021年1月21日发(作者：高雨)

“
ZLG
杯”
电子设计竞
赛设计报告





编
号
：







B
甲
1
0
3
1

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
............................. .................................................. ..................................................
1
2

4.3
误差分析
............. .................................................. .................................................. ................
1
2
5

总结
.................................................. ..................
13
参考文献
：
...... .................................................. .........
13




1
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
。
CS 5463
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、< br>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、
CS54 63
、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








2
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。

电流信号

信号放大

电流测量

功率

测量

切
换
开
关

信号放大

电压测量

数
码
显
示

电压信号

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。

比较器

电
流
信
号

射极跟随器


电
压
信
号

射极跟随器

模
拟< br>开
关
放
大
环
节
真
有
效
值< br>转
换

AD637
单
片
机



比较器

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。



3
1.2
主控制器论证

方案一：
采用
51
单片机
AT89 S52
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
1 6
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< br>LCD
显示所需数据的存储要求。
SPCE061A
单
片
机< br>在
2.4V-3.6V
工
作
电
压
范
围
内
的
CPU
时
钟
频
率
范
围
为< br>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。< br>
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< br>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< br>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
A SC
Ⅱ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



4
继电器

电
压
互
感
器电
流
互
感
器


CS5463


打印机



SPCE061A

键盘

LCD
显示

AT24C02
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
。


5

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
。
CS54 63
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
Δ
Σ
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
Δ
Σ

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
6