基于計量芯片的電能檢測系統(tǒng)設(shè)計

作者 / 郭健鵬 胡明 中國礦業(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“十一五”規(guī)劃綱要。這是貫徹落實科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建社會主義和諧社會的重大舉措;是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的必然選擇;是推進(jìn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整，轉(zhuǎn)變增長方式的必由之路;是維護(hù)中華民族長遠(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)，通過對于辦公場所和教學(xué)樓安裝分類和分享能耗計量裝置，及時采集電能數(shù)據(jù)，搭建硬件和軟件系統(tǒng)實現(xiàn)高耗能建筑能源的在線監(jiān)測、動態(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 電能計量基本原理

　　在電能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計過程中，如果實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)對用電電能的采集可以利用電能采集傳感器實現(xiàn)，也可以通過電能計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，可以實現(xiàn)高精度電能參數(shù)測量。其轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入集成芯片URMS寄存器中，通過公式可以計算出電壓為:

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

　　電流參數(shù)與電壓參數(shù)測量類似，也是通過24位AD轉(zhuǎn)換器將電流參數(shù)轉(zhuǎn)存成數(shù)字信號存儲在寄存器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)。通過公式可以計算出A線與B線電流的有效值為：

　　其中Gi為A線電流增益，B線電流計算同理。

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

　　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 檢測系統(tǒng)主要硬件組成

　　電能監(jiān)測系統(tǒng)包括電能計量模塊、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。電能計量部分包括計量芯片外圍電路、RC電源、光耦隔離電路等。

　　2.1HG7221電能計量電路設(shè)計

　　電能計量部分硬件包含阻容降壓電路設(shè)計、計量電路設(shè)計、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，利用采集電壓通過阻容結(jié)構(gòu)電路，然后經(jīng)過半橋整流，最后經(jīng)過5.1V穩(wěn)壓管，輸出直流5V左右的電壓為系統(tǒng)供電。設(shè)計電路如圖所示。

　　圖2 電源供電電路設(shè)計

　　HG7221電能計量電路設(shè)計是將火線連接的電流采樣通道接到芯片的IAP、IAN兩個引腳上;零線所連接的電流采樣通道接到芯片的IBP、IBN腳兩個引腳上;電壓采樣通道接到芯片的VP、VN兩個引腳。把1、2腳設(shè)計作為HG7221芯片的通信方式的選擇接口，為后期的通信設(shè)計提供多種選擇，當(dāng)引腳為高電平時，采用SPI方式，低電平則選擇為UART方式。在設(shè)計計量檢測電路時，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量精度，設(shè)計的2路電流通道和1路電壓通道的差分輸入信號都比較弱，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，通過檢測電阻后再通過濾波電容，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差分信號范圍為峰值±600 mV，其中A線電流采樣使用了2毫歐的錳銅電阻，再通過額定最大電流(16 A)時兩端的電壓為 ，經(jīng)過可編程增益放大器(PGA)放大 倍后， ，在保證精度的情況下也滿足了設(shè)計要求。設(shè)計電路圖如圖所示。

　　圖3 計量芯片電路

　　為提高本設(shè)計系統(tǒng)的可靠性、安全性以及整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有助于設(shè)備的維護(hù)，將主控板和電能計量板分別采用了不同的供電系統(tǒng)，因此計量芯片與主控板之間的通信線路設(shè)計了光耦隔離電路，包括CF脈沖端口、計量芯片中斷/過零輸出引腳、計量芯片復(fù)位引腳及SPI/UART通信線路，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的隔離，起到很好的電絕緣和提高抗干擾的能力，設(shè)計如圖4所示。

　　圖4 光耦隔離電路

　　3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計分為主控芯片的軟件設(shè)計和上位機(jī)的軟件設(shè)計。主控板軟件設(shè)計包含STC15F2K60S2單片機(jī)初始化設(shè)計、計量芯片數(shù)據(jù)通信設(shè)計、12864液晶顯示設(shè)計、串口通信設(shè)計、SPI通信設(shè)計以及迪文工業(yè)串口屏設(shè)計;上位機(jī)軟件設(shè)計主要是利用G語言圖形化語言進(jìn)行串口通訊設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計主流程圖如圖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)行電能的計量采集，電能計量板將數(shù)據(jù)通過兩路電流采樣信號和一路電壓采樣信號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，通過錳銅電阻的火線電流值被存放在寄存器IARMS中，經(jīng)過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)可以通過數(shù)據(jù)處理得到并分別存放在PA、SA、AFAC寄存器中。通過定時器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時刷新讀取，實時顯示電能計量數(shù)值。在通過SPI通訊方式讀取前，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行計量校驗處理，并通過計算可以得到不同計量參數(shù)的有效值。

　　4 系統(tǒng)實驗測試

　　將本系統(tǒng)應(yīng)用于實際測試環(huán)境中在不同時刻，不同地點設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)電能計量表進(jìn)行對比測試實驗，具體測試結(jié)果如表1所示。

　　表1 早晨7:00測量數(shù)據(jù)表

　　表2.中午1:00測量數(shù)據(jù)表

　　表3 晚上19：00測量數(shù)據(jù)表

　　檢測系統(tǒng)硬件順利經(jīng)過設(shè)計、組裝、調(diào)試的流程后，便對我們學(xué)校的宿舍樓、大型教學(xué)樓的照明用電以及實驗室空調(diào)的用電進(jìn)行分時間段測試。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)計完成基于電力線載波通信的高校校園用電能耗監(jiān)測系統(tǒng)，可以有效的測量電能的使用情況，誤差低，可以在高校校園電能檢測上使用，也可以進(jìn)行推廣使用。

　　*通訊作者：郭健鵬，男(漢)，山西人，中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院，實驗師，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，主要研究方向為物聯(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] 國務(wù)院.國務(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