单片机在电力系统中的应用设计

单片机在电力系统中的应用设计（创新）

专业：电气工程及其自动化

行政班：电气工程及其自动化2011-1

学号：201101100335

姓名：杨海波

指导老师：刘庆雪

基于MC9S12XS128单片机的单相电能表的设计

摘要本文主要是针对家庭用户设计了一单相电能计量电路。此电路采用一款高精度单相电能计量芯片ADE7755来采集用户所使用的电量，并使用高性能的单片机MC9S12XS128来作为整个电能采集电路的控制中心。文中给出了整个电能计量电路的组成框图、单相电能测量电路图以及软件流程图，最后介绍了试验情况并对试验结果进行了分析比较，通过实验表明该电能计量电路具有较高的测量精度。

关键词：电能计量；MC9S12XS128单片机；ADE7755芯片；硬件设计；软件设计

目录

前言 (1)

1 设计任务及要求 (2)

2 ADE7755简介 (2)

2.1功能概述 (2)

2.2功能特点 (2)

2.3 功能框图 (3)

2.4 极限参数 (3)

2.5 外部引脚及其功能说明 (3)

2.6 ADE7755工作原理 (6)

3 HCS12X系列单片简介 (7)

3.1 MC9S12XS128 性能述 (7)

3.2输入输出数字I/O接口 (8)

3.3输入输出端口功能和配置 (10)

3.4电源相关引脚 (13)

3.5其他引脚 (14)

3.6 XMC9S12XS128的存储器映射 (14)

4 电源模块设计 (17)

5 电能计量电路的基本成 (17)

6 软件设计 (19)

6.1编程软件codewarrior简介 (19)

6.2源程序 (22)

参考文献 (19)

附录 (20)

前言

随着我国经济的飞速发展，各行各业对电的需求越来越大，不同时间用电量不均衡的现象也日益严重。为缓解我国日趋尖锐的电力供需矛盾，调节负荷曲线改善用电量不均衡的现象，全面实行峰、平、谷分时电价制度，“削峰填谷”，提高全国的用电效率，合理利用电力资源，国内部分省市的电力部门已开始逐步推出了多费率电能表，对用户的用电量分时计费。电能表自诞生至今已有100多年的历史，随着电力系统及其相关产业的发展以及电能管理系统的不断完善,电能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程：由最初的感应电能表，发展到后来的感应系脉冲电能表，直至现在的纯电子式电能表。感应系电能表是利用处于交变磁场的金属圆盘中的感应电流与有关磁场形成力的原理制成的。感应系脉冲电能表仍采用感应系电能表的测量机构作为工作元件，由光电传感器完成电能脉冲转换，然后经电子电路对脉冲进行处理，从而实现对电能的测量。纯电子式电能表的原理是采用电子电路来实现电能计量，所以电子式电能表的共同特点是采用乘法器，根据所依托的乘法器为模拟的还是数字的分为模拟乘法器型电子电能表和数字乘法器型电子电能表。此电路采用了美国ADI公司生产的一款高精度单相电能计量芯片ADE7755来采集用户所使用的电量，并使用了高性能的单片机AT89C51来作为整个电能采集电路的控制中心。在采集电流、电压值时，本文采用了精度高、稳定性能好的电流、电压霍尔传感器来取代常用的电流、电压互感器。此外，本文还介绍了单相电能计量电路的组成以及软件流程图。

1 设计任务及要求

设计制作多用户电子式单相电能表，设计的主要要求如下：

（1）该交流电能表能实现对单相交流电能的测量；

（2）电表参数：额定电压220V（±10%）,额定电流5A,最大电流20A，最小电流0.1A，精度：一级，最大计度容量：999.999kW²h；

（3）能测量并显示当前用电量；

（4）停电不丢失电能数据；

2、ADE7755简介

2.1 功能概述

ADE7755是一种高准确度电能测量电路集成电路，主要用于单相电表系统，其技术指标超过了IEC1036规定的准确度要求。它只在ADC和基准电路中使用了模拟电路，其他的信号处理都由数字电路完成，这使得在恶劣的环境下仍然可以保持极高的准确度和长时间的稳定性，通过引脚F1、F2以低频形式输出有功功率的平均值，可以直接驱动机电式计数器，或者与微控制器接口，从引脚CF 以高频形式输出有功功率的瞬时值，用于电能计量表的校准。

2.2功能特点

a.精度高，在500：1动态范围内误差低于0.1%；

b.F1、F2输出频率表示平均有功功率；

c.高频输出CF用于校准，并提供即时有功功率；

d.逻辑输出引脚REVP能只是负功率或错误链接；

e.可直接驱动机电式计数器和两相步进电机；

f.在片电源监控电路；

g.防潜动；

h.在片电压源2.5V±9%;

i.单5V电源，低功耗；

j.采用SSOP24封装。

2.3 功能框图

2.4 极限参数

参数符号最小值最大值单位工作电压VDD-VSS -0.3 7.0 V

管脚电流IPIN -150 +150 mA 储藏温度TSTG -65 +150 ℃

工作温度TO -40 +85 ℃

2.5 外部引脚及其功能说明

ADE7755有24脚DIP和SSOP两种封装

管脚排列图如下：

管脚功能说明

①DVDD，数字电源引脚。该引脚提供数字电路的电源，正常工作电源电压应保持在5V±5%，该引脚应使用10µF 陶瓷电容进行去耦

②AC/DC，高通滤波器HPF 选择引脚。当该引脚输入高电平时，通道 1（电流通道）内的 HPF被选通，该滤波器所涉及的相位响应在45Hz 至 1kHz范围内在片内已得到补偿。在电能计量的应用中，应使 HPF 选通。

③A VDD，模拟电源引脚。该引脚提供模拟电路的电源，正常工作电源电压应保持在5V±5%，当使电源的纹波和噪声减小到最低程度，该引脚应使用10µF 电容并联 100nF 陶瓷电容进行去耦。

④NC（6号引脚），与6脚短接

⑤V1P，V1N，通道 1（电流通道）的正、负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工作最大信号电平为±470mV。通道1有一个PGA。这两个引脚相对于AGND 的最大信号电平为±1V。两个引脚内部都有 ESD 保护电路，这两个引脚能承受±6V的过电压，而不造成永久性损坏。

⑥RESET，复位引脚。当为低电平时，ADC和数字电路保护复位状态，在RESET 的下降沿，清除内部寄存器。

⑦REFIN/OUT，基准电压的输入、输出引脚。片内基准电压的正常值为

2.5V±8%，典型温度系数为 30ppm/℃。外部基准源可以直接连接到该引脚上。无论用内部还是外部基准源，该引脚都应使用10µF 钽电容和100nF 陶瓷电容对 AGND 进行去耦。