基于計量芯片的電能檢測系統設計

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）

       “節能減排”出自于我國“十一五”規劃綱要。這是貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀(guān)、構建社會(huì )主義和諧社會(huì )的重大舉措;是建設資源節約型、環(huán)境友好型社會(huì )的必然選擇;是推進(jìn)經(jīng)濟結構調整，轉變增長(cháng)方式的必由之路;是維護中華民族長(cháng)遠利益的必然要求。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]。建立控制系統使用于高校校園建設，通過(guò)對于辦公場(chǎng)所和教學(xué)樓安裝分類(lèi)和分享能耗計量裝置，及時(shí)采集電能數據，搭建硬件和軟件系統實(shí)現高耗能建筑能源的在線(xiàn)監測、動(dòng)態(tài)分析和遠程傳輸，并逐步推進(jìn)高能耗建筑的節能改造。

　　1 電能計量基本原理

　　在電能監測系統設計過(guò)程中，如果實(shí)現監測系統對用電電能的采集可以利用電能采集傳感器實(shí)現，也可以通過(guò)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。其內部集成24位AD轉換器，可以實(shí)現高精度電能參數測量。其轉換數據存入集成芯片URMS寄存器中，通過(guò)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(guò)公式得到電壓的有效值。

　　電流參數與電壓參數測量類(lèi)似，也是通過(guò)24位AD轉換器將電流參數轉存成數字信號存儲在寄存器IARMS和IBRMS中，其中，IARMS為A線(xiàn)電流寄存器數據，IBRMS為B線(xiàn)電流數據。通過(guò)公式可以計算出A線(xiàn)與B線(xiàn)電流的有效值為：

　　其中Gi為A線(xiàn)電流增益，B線(xiàn)電流計算同理。

　　A線(xiàn)的有功平均功率存儲在一個(gè)32位數據寄存器中，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 檢測系統主要硬件組成

　　電能監測系統包括電能計量模塊、STC15F2K60S2 主控芯片及外圍電路、電源、藍牙模塊、迪文觸摸屏、Labview 上位機遠程終端、手機APP。

　　圖1 系統設計結構框圖

　　本系統主要包括以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(kāi)，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電能計量電路設計

　　電能計量部分硬件包含阻容降壓電路設計、計量電路設計、光耦隔離通信電路等。

　　電源供電主要阻容降壓結構設計，利用采集電壓通過(guò)阻容結構電路，然后經(jīng)過(guò)半橋整流，最后經(jīng)過(guò)5.1V穩壓管，輸出直流5V左右的電壓為系統供電。設計電路如圖所示。

　　圖2 電源供電電路設計

　　HG7221電能計量電路設計是將火線(xiàn)連接的電流采樣通道接到芯片的IAP、IAN兩個(gè)引腳上;零線(xiàn)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腳設計作為HG7221芯片的通信方式的選擇接口，為后期的通信設計提供多種選擇，當引腳為高電平時(shí)，采用SPI方式，低電平則選擇為UART方式。在設計計量檢測電路時(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量精度，設計的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(xiàn)上則使線(xiàn)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應與晶振相匹配構成晶振電路。電流、電壓通道未開(kāi)啟增益時(shí)差分信號范圍為峰值±600 mV，其中A線(xiàn)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(mǎn)足了設計要求。設計電路圖如圖所示。

　　圖3 計量芯片電路

　　為提高本設計系統的可靠性、安全性以及整個(gè)系統的穩定性，有助于設備的維護，將主控板和電能計量板分別采用了不同的供電系統，因此計量芯片與主控板之間的通信線(xiàn)路設計了光耦隔離電路，包括CF脈沖端口、計量芯片中斷/過(guò)零輸出引腳、計量芯片復位引腳及SPI/UART通信線(xiàn)路，實(shí)現數據信號的隔離，起到很好的電絕緣和提高抗干擾的能力，設計如圖4所示。

　　圖4 光耦隔離電路

　　3.系統軟件設計

　　軟件設計分為主控芯片的軟件設計和上位機的軟件設計。主控板軟件設計包含STC15F2K60S2單片機初始化設計、計量芯片數據通信設計、12864液晶顯示設計、串口通信設計、SPI通信設計以及迪文工業(yè)串口屏設計;上位機軟件設計主要是利用G語(yǔ)言圖形化語(yǔ)言進(jìn)行串口通訊設計。系統設計主流程圖如圖5所示。

　　圖5 系統主路程圖

　　本課題軟件設計首先要進(jìn)行系統初始化，初始化完成之后進(jìn)行電能的計量采集，電能計量板將數據通過(guò)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(guò)錳銅電阻的火線(xiàn)電流值被存放在寄存器IARMS中，經(jīng)過(guò)電流互感器的零線(xiàn)電流值被存放在寄存器IBRMS中，其它量包括A線(xiàn)有功功率、A線(xiàn)視在功率、A線(xiàn)功率因數可以通過(guò)數據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)現數據的定時(shí)刷新讀取，實(shí)時(shí)顯示電能計量數值。在通過(guò)SPI通訊方式讀取前，需要對數據進(jìn)行計量校驗處理，并通過(guò)計算可以得到不同計量參數的有效值。

　　4 系統實(shí)驗測試

　　將本系統應用于實(shí)際測試環(huán)境中在不同時(shí)刻，不同地點(diǎn)設備與標準電能計量表進(jìn)行對比測試實(shí)驗，具體測試結果如表1所示。

　　表1 早晨7:00測量數據表

　　表2.中午1:00測量數據表

　　表3 晚上19：00測量數據表

　　檢測系統硬件順利經(jīng)過(guò)設計、組裝、調試的流程后，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(shí)驗室空調的用電進(jìn)行分時(shí)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 結論

　　設計完成基于電力線(xiàn)載波通信的高校校園用電能耗監測系統，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(shí)驗師，主要從事電子電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎課程教學(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)、機器學(xué)習理論與算法研究。

　　參考文獻

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