基於計量晶元的電能檢測系統設計

「節能減排」出自於我國「十一五」規劃綱要。這是貫徹落實科學發展觀、構建社會主義和諧社會的重大舉措;是建設資源節約型、環境友好型社會的必然選擇;是推進經濟結構調整，轉變增長方式的必由之路;是維護中華民族長遠利益的必然要求。而教育行業作為用電能耗的一隻大軍，採取措施降低能耗是至關重要的[1]。建立控制系統使用於高校校園建設，通過對於辦公場所和教學樓安裝分類和分享能耗計量裝置，及時採集電能數據，搭建硬體和軟體系統實現高耗能建築能源的在線監測、動態分析和遠程傳輸，並逐步推進高能耗建築的節能改造。

1 電能計量基本原理

在電能監測系統設計過程中，如果實現監測系統對用電電能的採集可以利用電能採集感測器實現，也可以通過電能計量晶元完成電能採集。

本文採用東軟載波微電子科技有限公司生產的HG7221集成晶元作為電能採集主要晶元。其內部集成24位AD轉換器，可以實現高精度電能參數測量。其轉換數據存入集成晶元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。

電流參數與電壓參數測量類似，也是通過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線電流寄存器數據，IBRMS為B線電流數據。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 檢測系統主要硬體組成

電能監測系統包括電能計量模塊、STC15F2K60S2 主控晶元及外圍電路、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採集晶元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、藍牙等模塊組成。電能計量部分包括計量晶元外圍電路、RC電源、光耦隔離電路等。

2.1HG7221電能計量電路設計

電能計量部分硬體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，利用採集電壓通過阻容結構電路，然後經過半橋整流，最後經過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連接的電流採樣通道接到晶元的IAP、IAN兩個引腳上;零線所連接的電流採樣通道接到晶元的IBP、IBN腳兩個引腳上;電壓採樣通道接到晶元的VP、VN兩個引腳。把1、2腳設計作為HG7221晶元的通信方式的選擇介面，為後期的通信設計提供多種選擇，當引腳為高電平時，採用SPI方式，低電平則選擇為UART方式。在設計計量檢測電路時，電阻採用的是高精度低溫漂型，一定程度上有利於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採用貼片型器件，這種器件孔少降低干擾，在硬體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，通過檢測電阻後再通過濾波電容，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、電壓通道未開啟增益時差分信號範圍為峰值±600 mV，其中A線電流採樣使用了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 ，經過可編程增益放大器(PGA)放大 倍後， ，在保證精度的情況下也滿足了設計要求。設計電路圖如圖所示。

圖3 計量晶元電路

為提高本設計系統的可靠性、安全性以及整個系統的穩定性，有助於設備的維護，將主控板和電能計量板分別採用了不同的供電系統，因此計量晶元與主控板之間的通信線路設計了光耦隔離電路，包括CF脈衝埠、計量晶元中斷/過零輸出引腳、計量晶元複位引腳及SPI/UART通信線路，實現數據信號的隔離，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.系統軟體設計

軟體設計分為主控晶元的軟體設計和上位機的軟體設計。主控板軟體設計包含STC15F2K60S2單片機初始化設計、計量晶元數據通信設計、12864液晶顯示設計、串口通信設計、SPI通信設計以及迪文工業串口屏設計;上位機軟體設計主要是利用G語言圖形化語言進行串口通訊設計。系統設計主流程圖如圖5所示。

圖5 系統主路程圖

本課題軟體設計首先要進行系統初始化，初始化完成之後進行電能的計量採集，電能計量板將數據通過兩路電流採樣信號和一路電壓採樣信號採集讀取到採集晶元所在的寄存器中，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線功率因數可以通過數據處理得到並分別存放在PA、SA、AFAC寄存器中。通過定時器實現數據的定時刷新讀取，實時顯示電能計量數值。在通過SPI通訊方式讀取前，需要對數據進行計量校驗處理，並通過計算可以得到不同計量參數的有效值。

4 系統實驗測試

將本系統應用於實際測試環境中在不同時刻，不同地點設備與標準電能計量表進行對比測試實驗，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

檢測系統硬體順利經過設計、組裝、調試的流程後，便對我們學校的宿舍樓、大型教學樓的照明用電以及實驗室空調的用電進行分時間段測試。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 結論

設計完成基於電力線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，也可以進行推廣使用。

*通訊作者：郭健鵬，男(漢)，山西人，中國礦業大學徐海學院，實驗師，主要從事電子電氣信息類專業基礎課程教學研究工作，主要研究方向為物聯網與智能控制技術、電力載波與電網諧波治理技術、機器學習理論與演算法研究。

參考文獻

[1] 國務院.國務院關於印發「十三五」節能減排綜合工作方案的通知.2016

作者 / 郭健鵬 胡明 中國礦業大學徐海學院(江蘇 徐州 221008)

段學敏 上海東軟載波微電子有限公司(上海 200235)

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