戚敏敏(1983 ),男,助理工程师,研究方向为电力仪器仪表及电力通信。

基于71M 6521的数字单相多功能电能表的设计戚敏敏, 王青青(杭申控股集团,浙江杭州 311234)摘 要:介绍了单相多功能电能计量芯片71M 6521的基本功能和特点。

在此基础上,设计了计量精度高、工作稳定、成本相对较低的数字单相多功能电能表,以实现对三相电流、电压,有功、无功功率,电能脉冲的输出等的计量。

该数字单相多功能表可用于电力系统、工矿企业、智能大厦的电力监控。

关键词:计量;71M 6521;多功能电能表;单相;电力监控中图分类号:TM 931 文献标识码:B 文章编号:1001-5531(2008)20-0009-04D esign of D i gital Si ngle PhaseM ult-i FunctionE lectric Energy M eter Based on 71M 6521QI M inm in, WANG Q i n gqing(H angshen H o ldi n g Group ,H angzhou 311234,Ch i n a)A bstrac t :T he bas i c f unc ti on and feature o f sing le phase m ult-i f unc tion electr i c energy m easurem ent ch i p 71M 6521we re i ntroduced .The dig ital sing le phase mu lt-i functi on e l ec tric energy m eter o f h i gh -prec i sion m easure -m ent ,stab l e running ,re l a ti ve l y l owe r co st ,w as desi gned ,and the measure m ent o f three -phase current ,vo ltage ,acti ve and reactive power and t he output of e l ec tric pulse w ere rea lized .It cou l d be used f o r the po w er m on itor i ng o f the powe r system,i ndustria l and m ini ng enterpr ises ,i nte lli gent bu il d i ng .K ey words :m eas u re m en t ;71M 6521;mu lt-i function electric en ergy m eter ;si ngle phase ;po w er m on-i tor i ng王青青(1982 ),男,助理工程师,研究方向为电力仪器仪表与PLC 。

0 引 言传统的多功能电能表采用专门的电能计量芯片和微控制器结合的设计电路,两块芯片各自承当了一部分成本。

本文中的设计使用了计量+M PU 结合在一起的专门电能芯片,其成本相当于传统多功能电能表中的电能计量芯片,节省了微控制器的开销,而且使用了较少的外围电路,设计方便,比传统电能表成本更低。

1 71M 6521芯片功能介绍Ter i d ian 公司生产的71M 6521是一个高度集成的SOC (系统级芯片),包括MPU 内核、RTC 、F l a sh 和LCD 驱动器。

另外,该芯片还配备了1个22b it 的 - ADC 、4个模拟输入、数字温度补偿、精密参考电压和32b it 电能计算引擎,能够广泛地用于住宅电能表,而且只需要极少的外部元器件。

整个系统由32.768kH z 晶体提供时基。

系统电源掉电后RTC 及部分I /O RAM 的内容由电池备份。

该I C 支持2线、3线和4线单相及两相住宅计量以及窃电检测。

由于片内集成了两个UART 、I 2C / W ire 、多达18个数字I /O 引脚及可编程Flash ,该芯片具有较高的设计灵活性,可以在运行中对数据或者应用编码进行升级。

另外,它易于转换成ROM,在大规模应用时具有较高的成本优势。

2 硬件设计2.1 信号采集信号采集电路如图1所示。

对电压和电流的9现代建筑电气篇图1 信号采集采集分别采用了5mA /5mA 的电压互感器和5A /5mA 的电流互感器。

使用互感器能有效地与外部强电进行隔离,不足之处就是引进了额外的相位差。

5mA /5mA 的电压互感器输入端产生有效值为5mA 的电流时,输出端感应到有效值为5mA 的电流。

当电压互感器初级端输入有效值为220V 的交流电时,初级线圈端就产生电流:I UA =U AR 39(1)计算得I UA =1.47mA 。

查该芯片的数据手册得,引脚VA 和V3P3D 间的压差不能超过250mV,需要选择合适的采样电阻阻值。

该方案中选择了47 采样电阻R 40。

同理,5A /5mA 的电流互感器输入端输入有效值为5A 的电流时,输出端感应到有效值为5mA 的电流。

该方案选择了12 采样电阻R 42。

图1中VD8、VD9和VD10、VD11主要是来吸收电路中出现的高电平脉冲,保护芯片的模拟口。

R 41、C 18和R 43、C 19各自组成了各级的RC 低通滤波电路,截止频率f c 为f c =12 RC(2)把R =1k ,C =33nF 代入式(2),得f c =4823kH z 。

2.2 控制部分电路控制部分主要由71M 6521及外围电路(仿真接口、电压监测电路)以及外扩铁电组成,如图2、图3所示。

可以用示波器观察引脚T MUXOUT31来判断时钟是否正常。

外扩铁电可根据用户的不同要求保存系统参数等。

F M 24CL04是用先进的铁电技术制造的4KB图2 71M 6521连接电路图的非易失性铁电随机存储器。

FRAM 具有非易失性,并且可以像RAM 一样快速读写数据。

在掉电状态下,数据可以保存10a ,比E 2PROM 或其他非易失性存储器可靠性更高,系统更简单。

与E 2PROM 不同,F M 24CL04以总线速度进行写操作,没有任何延时。

数据送到FM 24CL0410图3 外围电路及外扩铁电后直接写到具体的单元地址,下一个操作立即执行。

F M24CL04可以无限次读写,写操作寿命比E2PROM高。

此外,FRAM在写操作中比E2PRO M 耗电少,因为其写操作不要求内部电路提高写操作电压。

2.3 显示、按键电路四位一体数码管结合发光二极管构成了显示界面,由于芯片I/O口的输出电流不能驱动发光管,因此用三极管9013进行扩流。

整个显示电路采用动态扫描,74HC595用作片选信号,软件设计了5m s扫描时间,74HC164用于数据传送。

对键盘的扫描使用了片选信号和KEY信号。

初始化时,KEY输出高电平,片选信号不断进行扫描,没有键按下时,KEY为高电平,当片选信号扫描到某个按键时,该按键按下,KEY就会被拉低,可以通过查询KEY电平或采用中断的方式,来判断哪个功能键被按下。

例如:KEY脚高电平,K4键按下,先扫描LED_CS1,该片选脚(LED_ CS1)为高电平,其他片选脚(LED_CS2、LED_ CS3、LED_CS4)为低电平,KEY脚电平不变,保持为高电平。

当扫描到LED_CS4时,根据电阻分压,KDI G12处的电压为1.1V,K4导通,KE Y脚被拉低,由此可以判断K4按下,调用相应的函数。

处理完毕后,再把KEY置高电平,等待下一次按键按下。

3 软件设计图4、图5所示是主要的软件设计流程图。

电能表软件采用C51编写,主要实现电能计量、图4主函数流程图(a)定时器0中断子函数(b)定时器1中断子函数图5 定时器中断子函数流程图显示、参数和电能的保存、电能脉冲的输出等基本功能。

I C内部的CE模块是一个专用的32b it数字信号处理器,用来执行准确计量电能所需的精确运算,因此在进行电能计量的过程中,只要读取相应寄存中的数值,并进行一定的处理,如乘以相应的变比。

在对铁电操作过程中,没有使用芯片11现代建筑电气篇内部自带的II C模块,而是通过使用I/O口进行模拟。

在软件的设计过程中,通过不断地发现问题、解决问题,使电能表功能越来越完善。

4 结 语该电表通过专用芯片实现全数字设计,具有电能计量的功能。

实际应用表明,该单相多功能电能表计量精度高、工作稳定、成本低,是用电系统中理想的用户用表,应用前景广阔。

同时,设计过程中的一些思路和方法,对其他电能表的设计也具有一定的参考价值。

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该设计具有以下优点:(1)Roo m A gent具有自学习能力,能够独立决策,可以最大程度地实现房间的舒适化目标;同时Roo m A gent设计为简单的变结构控制,可根据室内情况选择合适的模式,达到降低能耗的目的。

(2)Agent之间的基本关系是协作型的。