基于計(jì)量芯片的電能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者 / 郭健鵬 胡明 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院（江蘇 徐州 221008），段學(xué)敏 上海東軟載波微電子有限公司（上海 200235）

       “節(jié)能減排”出自于我國(guó)“十一五”規(guī)劃綱要。這是貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)的重大舉措;是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的必然選擇;是推進(jìn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整，轉(zhuǎn)變?cè)鲩L(zhǎng)方式的必由之路;是維護(hù)中華民族長(zhǎng)遠(yuǎn)利益的必然要求。而教育行業(yè)作為用電能耗的一只大軍，采取措施降低能耗是至關(guān)重要的[1]。建立控制系統(tǒng)使用于高校校園建設(shè)，通過(guò)對(duì)于辦公場(chǎng)所和教學(xué)樓安裝分類和分享能耗計(jì)量裝置，及時(shí)采集電能數(shù)據(jù)，搭建硬件和軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高耗能建筑能源的在線監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)分析和遠(yuǎn)程傳輸，并逐步推進(jìn)高能耗建筑的節(jié)能改造。

　　1 電能計(jì)量基本原理

　　在電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)用電電能的采集可以利用電能采集傳感器實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)電能計(jì)量芯片完成電能采集。

　　本文采用上海東軟載波微電子有限公司生產(chǎn)的HG7221集成芯片作為電能采集主要芯片。其內(nèi)部集成24位AD轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)高精度電能參數(shù)測(cè)量。其轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入集成芯片URMS寄存器中，通過(guò)公式可以計(jì)算出電壓為:

　　其中，k為電壓通道分壓比 k>1，Gu為電壓通道增益，通過(guò)公式得到電壓的有效值。

　　電流參數(shù)與電壓參數(shù)測(cè)量類似，也是通過(guò)24位AD轉(zhuǎn)換器將電流參數(shù)轉(zhuǎn)存成數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在寄存器IARMS和IBRMS中，其中，IARMS為A線電流寄存器數(shù)據(jù)，IBRMS為B線電流數(shù)據(jù)。通過(guò)公式可以計(jì)算出A線與B線電流的有效值為：

　　其中Gi為A線電流增益，B線電流計(jì)算同理。

　　A線的有功平均功率存儲(chǔ)在一個(gè)32位數(shù)據(jù)寄存器中，從PA寄存器中讀取。則計(jì)算方式為：

　　其中R為錳銅分流器的阻值，k為電壓通道分壓比 k>1，Gi、Gu分別為電流和電壓的通道增益。

　　2 檢測(cè)系統(tǒng)主要硬件組成

　　電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括電能計(jì)量模塊、STC15F2K60S2 主控芯片及外圍電路、電源、藍(lán)牙模塊、迪文觸摸屏、Labview 上位機(jī)遠(yuǎn)程終端、手機(jī)APP。

　　圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

　　本系統(tǒng)主要包括以STC15F2K60S2為核心的主控板和以HG7221采集芯片為核心的電能計(jì)量板，兩塊電路板物理分開，供電之間相互隔離，使用連接插座相連。主控板主要由MCU處理器、電源、12864液晶顯示、按鍵、LED燈、藍(lán)牙等模塊組成。電能計(jì)量部分包括計(jì)量芯片外圍電路、RC電源、光耦隔離電路等。

　　2.1HG7221電能計(jì)量電路設(shè)計(jì)

　　電能計(jì)量部分硬件包含阻容降壓電路設(shè)計(jì)、計(jì)量電路設(shè)計(jì)、光耦隔離通信電路等。

　　電源供電主要阻容降壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用采集電壓通過(guò)阻容結(jié)構(gòu)電路，然后經(jīng)過(guò)半橋整流，最后經(jīng)過(guò)5.1V穩(wěn)壓管，輸出直流5V左右的電壓為系統(tǒng)供電。設(shè)計(jì)電路如圖所示。

　　圖2 電源供電電路設(shè)計(jì)

　　HG7221電能計(jì)量電路設(shè)計(jì)是將火線連接的電流采樣通道接到芯片的IAP、IAN兩個(gè)引腳上;零線所連接的電流采樣通道接到芯片的IBP、IBN腳兩個(gè)引腳上;電壓采樣通道接到芯片的VP、VN兩個(gè)引腳。把1、2腳設(shè)計(jì)作為HG7221芯片的通信方式的選擇接口，為后期的通信設(shè)計(jì)提供多種選擇，當(dāng)引腳為高電平時(shí)，采用SPI方式，低電平則選擇為UART方式。在設(shè)計(jì)計(jì)量檢測(cè)電路時(shí)，電阻采用的是高精度低溫漂型，一定程度上有利于提高電路的計(jì)量精度，設(shè)計(jì)的2路電流通道和1路電壓通道的差分輸入信號(hào)都比較弱，這樣很容易受到干擾，因此，在電路元器件的選擇上則大部分采用貼片型器件，這種器件孔少降低干擾，在硬件電路布線上則使線路盡量保證最短。電路中的電容C1、C2、C3、C4、C5、C6均為濾波電容，通過(guò)檢測(cè)電阻后再通過(guò)濾波電容，另外晶振兩端的接地電容C16、C22應(yīng)與晶振相匹配構(gòu)成晶振電路。電流、電壓通道未開啟增益時(shí)差分信號(hào)范圍為峰值±600 mV，其中A線電流采樣使用了2毫歐的錳銅電阻，再通過(guò)額定最大電流(16 A)時(shí)兩端的電壓為 ，經(jīng)過(guò)可編程增益放大器(PGA)放大 倍后， ，在保證精度的情況下也滿足了設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)電路圖如圖所示。

　　圖3 計(jì)量芯片電路

　　為提高本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性、安全性以及整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有助于設(shè)備的維護(hù)，將主控板和電能計(jì)量板分別采用了不同的供電系統(tǒng)，因此計(jì)量芯片與主控板之間的通信線路設(shè)計(jì)了光耦隔離電路，包括CF脈沖端口、計(jì)量芯片中斷/過(guò)零輸出引腳、計(jì)量芯片復(fù)位引腳及SPI/UART通信線路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的隔離，起到很好的電絕緣和提高抗干擾的能力，設(shè)計(jì)如圖4所示。

　　圖4 光耦隔離電路

　　3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)分為主控芯片的軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。主控板軟件設(shè)計(jì)包含STC15F2K60S2單片機(jī)初始化設(shè)計(jì)、計(jì)量芯片數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)、12864液晶顯示設(shè)計(jì)、串口通信設(shè)計(jì)、SPI通信設(shè)計(jì)以及迪文工業(yè)串口屏設(shè)計(jì);上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要是利用G語(yǔ)言圖形化語(yǔ)言進(jìn)行串口通訊設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主流程圖如圖5所示。

　　圖5 系統(tǒng)主路程圖

　　本課題軟件設(shè)計(jì)首先要進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化完成之后進(jìn)行電能的計(jì)量采集，電能計(jì)量板將數(shù)據(jù)通過(guò)兩路電流采樣信號(hào)和一路電壓采樣信號(hào)采集讀取到采集芯片所在的寄存器中，電壓值被存放在寄存器URMS中，通過(guò)錳銅電阻的火線電流值被存放在寄存器IARMS中，經(jīng)過(guò)電流互感器的零線電流值被存放在寄存器IBRMS中，其它量包括A線有功功率、A線視在功率、A線功率因數(shù)可以通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到并分別存放在PA、SA、AFAC寄存器中。通過(guò)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時(shí)刷新讀取，實(shí)時(shí)顯示電能計(jì)量數(shù)值。在通過(guò)SPI通訊方式讀取前，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)量校驗(yàn)處理，并通過(guò)計(jì)算可以得到不同計(jì)量參數(shù)的有效值。

　　4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

　　將本系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際測(cè)試環(huán)境中在不同時(shí)刻，不同地點(diǎn)設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)電能計(jì)量表進(jìn)行對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)，具體測(cè)試結(jié)果如表1所示。

　　表1 早晨7:00測(cè)量數(shù)據(jù)表

　　表2.中午1:00測(cè)量數(shù)據(jù)表

　　表3 晚上19：00測(cè)量數(shù)據(jù)表

　　檢測(cè)系統(tǒng)硬件順利經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試的流程后，便對(duì)我們學(xué)校的宿舍樓、大型教學(xué)樓的照明用電以及實(shí)驗(yàn)室空調(diào)的用電進(jìn)行分時(shí)間段測(cè)試。由表1~表3可以看出電壓的平均誤差在0.73%左右，電流的平均誤差在0.23%左右，功率的平均誤差在0.95%左右。

　　4 結(jié)論

　　設(shè)計(jì)完成基于電力線載波通信的高校校園用電能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以有效的測(cè)量電能的使用情況，誤差低，可以在高校校園電能檢測(cè)上使用，也可以進(jìn)行推廣使用。

　　*通訊作者：郭健鵬，男(漢)，山西人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院，實(shí)驗(yàn)師，主要從事電子電氣信息類專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)研究工作，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)與智能控制技術(shù)、電力載波與電網(wǎng)諧波治理技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)理論與算法研究。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 國(guó)務(wù)院.國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案的通知.2016