基于LPC916、CS5463的新型多功能電能表電路設(shè)計(jì)
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L1和C1可消除信號(hào)中的尖峰波并抑制干擾。經(jīng)L1、C1濾波后的信號(hào)接入到整流橋，再將從整流橋中輸出的高壓直流信號(hào)經(jīng)過C2進(jìn)行濾波后，即可得到電壓Vi。在圖2中，T1為高頻變壓器，它能夠快速存儲(chǔ)和釋放能量，經(jīng)高頻整流濾波后即可獲得直流連續(xù)輸出。高頻變壓器T1的1腳和3腳為輸入初始繞組，4、5兩腳為反饋繞組，次級(jí)繞組分別為6，9腳和7，10腳(其中1，4，6，7為各繞組的同名端)。并且6，9繞組是主繞組，用它經(jīng)進(jìn)一步變換產(chǎn)生的+5 V直流穩(wěn)壓電源可作為主電壓源，即數(shù)字電壓源(Vo1)；7，10繞組為輔繞組，用它經(jīng)電容C8～C11濾波和78L05穩(wěn)壓產(chǎn)生的+5 V直流穩(wěn)壓電源為輔電壓源，即模擬電壓源(Vo2)。鑒于在TOP221Y內(nèi)的功率MOSFET關(guān)斷瞬間，高頻變壓器的漏感會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓，另外，在1，3初始繞組上還會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓(即反向電動(dòng)勢)，而且二者又會(huì)疊加在Vi上，使電壓嚴(yán)重增大，因而要求功率MOSFET能夠承受高壓。同時(shí)，還必須在漏極增加鉗位電路，以吸收尖峰電壓，保護(hù)TOP221Y內(nèi)的功率MOSFET不受損害。本設(shè)計(jì)利用R1，C3，ZD1，D1組成鉗位電路。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，T1的初始繞組的電壓極性為(3端)為正，1端為負(fù)，此時(shí)D1截止，鉗位電路不起作用；而在MOSFET截止的瞬間，初始繞組變?yōu)?端為正，3端為負(fù)，此時(shí)D2導(dǎo)通，尖峰電壓就被R1和C3吸收掉。
4 計(jì)量電路的設(shè)計(jì)
電量檢測電路是該電表設(shè)計(jì)的核心。選用PHILIPS公司的P89LPC916是一款低成本的16腳單片封裝的微控制器。該芯片適合于許多要求高集成度低成本的場合，可以滿足多方面的性能要求。P89LPC916采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需2～4個(gè)時(shí)鐘周期，其速度6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件。由于P89LPC916集成了許多系統(tǒng)級(jí)功能，故可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積，提高電路可靠性，并降低系統(tǒng)的成本。
本儀表由P89LPC916控制CS5463的檢測過程和數(shù)值顯示。電路上電以后，通過撥碼開關(guān)可對(duì)電路進(jìn)行初始化。通過撥碼開關(guān)輸入單片機(jī)要初始化的電量代碼后，再由單片機(jī)根據(jù)設(shè)定好的編碼規(guī)則向CS5463發(fā)出相應(yīng)的指令，CS5463根據(jù)單片機(jī)發(fā)來的指令將相應(yīng)的要初始化的電量的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)值傳給單片機(jī)，單片機(jī)再將此數(shù)據(jù)傳給X5045并存儲(chǔ)在其中，以供CS5463復(fù)位時(shí)再次獲得校準(zhǔn)值，并供單片機(jī)用于隨時(shí)校準(zhǔn)檢測值，從而提高精度。也就是說，在LPC916的控制下，由CS5463檢測電信號(hào)并輸出測量值給單片機(jī)，其中X5045可存放標(biāo)準(zhǔn)校正值。該計(jì)量電路中的控制模塊如圖3所示。
該電壓采樣電路由電阻網(wǎng)絡(luò)、過壓保護(hù)及去抖動(dòng)電容組成。為保證采樣精度，電阻應(yīng)全部采用高穩(wěn)定度的精密電阻。
本系統(tǒng)中的電流采樣電路由電流互感器、過壓保護(hù)、電阻網(wǎng)絡(luò)和去抖動(dòng)電容組成。采用電流互感器的主要優(yōu)點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)高壓與低壓的隔離。由于CS5463的電流檢測實(shí)際上是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)后的電壓檢測，所以，在電路中，先由采樣電阻將互感電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再通過限流電阻和電容濾波后輸人到CS5463的電流檢測管腳(16、15腳)。另外，在兩路輸入中，還分別用二極管進(jìn)行電壓嵌位，以避免電壓過高損壞CS5463。CS5463的3、14腳分別為模擬、數(shù)字+5V電源。同時(shí)，為了濾除電壓波動(dòng)，增加電源的穩(wěn)定性，在兩路電源輸入時(shí)，分別加了濾波電容。由于此為電流檢測，所以電壓檢測的兩輸入腳9和10也應(yīng)接模擬地以避免干擾。另外，13腳VA要接模擬地，4腳DGND接數(shù)字地，模擬地和數(shù)字地之間用電感連接。1、24(XOUT，XIN)兩腳接4.096 NHz的晶振。并用程序控制CS5463自動(dòng)完成輸入信號(hào)的檢測，同時(shí)通過6腳SDO輸出數(shù)據(jù)；而分別由5腳SCLK、7腳、19腳RES、20腳INT、23腳SDI輸出單片機(jī)的時(shí)鐘脈沖、片選信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、中斷信號(hào)以及單片機(jī)對(duì)CS5463的控制信號(hào)。由于CS5463要完成對(duì)模擬信號(hào)的檢測并以數(shù)字信號(hào)輸出檢測值，即一個(gè)芯片同時(shí)有模擬、數(shù)字兩種信號(hào)，因而需要模擬和數(shù)字兩路電源；同時(shí)，其需要接地的管腳一定要正確接相應(yīng)的地，不然將會(huì)引入很大的干擾。
5顯示電路
本儀表系統(tǒng)采用七段LED顯示。移位寄存器74HC164的時(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)提供。從單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，先輸出低位，后輸出高位。數(shù)據(jù)首先傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)顯示高位數(shù)碼管的74HC164，每當(dāng)?shù)絹硪粋€(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，數(shù)據(jù)便移位一次，經(jīng)過一個(gè)周期后，數(shù)據(jù)將全部傳輸?shù)狡鋵?duì)應(yīng)各位的74HC164并由數(shù)碼管顯示出來。
6 結(jié)束語
本文給出了一種多功能電能表的設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)說明了電能表的工作原理和設(shè)計(jì)思路，重點(diǎn)介紹了電源設(shè)計(jì)和電能計(jì)量模塊的原理、實(shí)現(xiàn)及注意事項(xiàng)。經(jīng)使用證明，該電能表具有運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)用性強(qiáng)。此外，還可針對(duì)不同的需求來改進(jìn)功能，如增加通訊模塊等。
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