电器能耗测试仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电器能耗测试仪，包括：电流检测电路，用以检测负载电流，输出对应于电流的一第一电压信号；电压检测电路，用以检测负载电压，输出对应于电压的一第二电压信号；电能计量电路，连接电流检测电路以及电压检测电路，获取检测到的第一电压信号和第二电压信号，并将第一电压信号和第二电压信号转换成有功功率，以脉冲形式输出；单片机，包括两个中断端口，其中一中断端口连接电能计量电路，接收脉冲形式的有功功率，另一中断端口连接一时钟电路，接收时钟信号，单片机根据脉冲形式的有功功率以及时钟信号计算负载的能耗、电费。
【专利说明】电器能耗测试仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及测量测试【技术领域】，特别涉及一种电器能耗测试仪。
[0002]
【背景技术】
[0003]在能源消耗日益严重、能源紧张的今天，全国上下提倡科学用电、合理用电，并在全国大多数的范围提倡复率计费错峰用电。因此，对电能管理和电能表性能提出了高精度、宽频率、多功能等更高的要求。
[0004]从原理上讲电器能耗测试仪其实就是一台功能特殊的单相电能表。电能表按结构及工作原理可以分为感应式电能表和电子式电能表。感应式电能表即传统的机械结构电能表，已经有百年历史，虽然它在技术上已经非常成熟，但仍存在一些明显的缺点。如使用中会有准确度低、适用频率范围窄、功能单一、机械磨损、抄表方式单一落后、容易窃电、无法满足复费率计费要求等。
[0005]然而，目前，我国尤其是农村依然有很大一部分机械感应电能表，基于机械式电能表的固有弊端，机械式电能表已经或将不能满足电能计量的需要。电子式电能表取代机械感应式电能表是一种必然趋势。
[0006]
【发明内容】
[0007]本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种电器能耗测试仪。本发明通过以下技术方案实现:
一种电器能耗测试仪，包括:
电流检测电路，用以检测负载电流，输出对应于电流的一第一电压信号；
电压检测电路，用以检测负载电压，输出对应于电压的一第二电压信号；
电能计量电路，连接电流检测电路以及电压检测电路，获取检测到的第一电压信号和第二电压信号，并将第一电压信号和第二电压信号转换成有功功率，以脉冲形式输出；单片机，包括两个中断端口，其中一中断端口连接电能计量电路，接收脉冲形式的有功功率，另一中断端口连接一时钟电路，接收时钟信号，单片机根据脉冲形式的有功功率以及时钟信号计算负载的能耗、电费。
[0008]较佳的，电流检测电路包括:分流器、电压传感器，分流器接收负载电流，电流传感器检测分流器两端的电压，输出第一电压信号。
[0009]较佳的，电压检测电路包括一分压电阻网络，分压电阻网络包括若干阻值从大到小排列的电阻，通过跳线短接部分电阻从而改变分压电阻网络的总阻值。
[0010]较佳的，第一电压信号以及第二电压信号通过一滤波器衰减高频分量后送入电能计量电路。
[0011]较佳的，电能计量电路与单片机分别包括一电源电路，以提供工作电压； 电能计量电路的电源电路包括:
压敏电阻，用以吸收浪涌电流；
整流滤波电路，连接压敏电阻，用以整流滤波；
稳压电路，连接整流滤波电路，输出电能计量电路所需的工作电压；
单片机的电源电路包括:
电源变压器，用以将市电变换成交流低压；
桥式整流电路，连接电源变压器，用以整流和滤波；
固定式三端稳压器，连接桥式整流电路，固定式三端稳压器两端的直流电压经过稳压和频率补偿后，作为单片机的工作电压。
[0012]较佳的，电能计量电路与单片机之间通过光电隔离电路连接。
[0013]较佳的，还包括显示电路以及按键电路，分别用以显示以及对单片机的控制。
[0014]本发明相较于传统的电能表计量更准确，抗干扰能力更强，功耗也更低，同时也具有很好的扩展。
[0015]
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1所示的是本发明的结构示意图；
图2所示的是电能计量电路ADE7755的引脚示意图；
图3所示的是电能计量电的原理图；
图4所示的是分压电阻网络的结构示意图；
图5所示的是电能计量电路的电源电路示意图；
图6所示的是光电隔离电路的示意图；
图7所示的是单片机P89V51RD2的引脚示意图；
图8所示的是单片机的电源电路示意图。
[0017]
【具体实施方式】
[0018]以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0019]为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。
[0020]如图1所示，电器能耗测试仪，包括:电流检测电路2、电压检测电路1、电能计量电路3、单片机4、时钟电路5、显示电路7以及按键电路8。图中给出了器件的具体型号，但本发明并不以此为限。通过电流、电压信号的采集，通过ADE7755的电能计量处理，以脉冲形势输入给单片机，实时时钟控制与单片机控制进行双向控制，单片机控制按键和显示电路将电能显示。
[0021]通过电流和电压的采样信号，分别经过基于ADE7755的电能计量电路3，电能计量电路3低频输出是通过对电流和电压信号的有功功率信息的累计产生，即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功率。当这个平均有功功率信息进一步被累加，就能获得电能计量信息。电能计量电路3将电能计量信息传输给单片机4(P89V51RD2)，单片机4通过按键电路8调节和显示电路7显示、时钟电路5提供时钟信号。
[0022]电器能耗测试仪的电能计量电路3采用集成电路以ADE7755为核心，它具有高精度、高性能、输出方式灵活、低功耗、低成本等优点。
[0023]如图2、3所示，因为ADE7755只在ADC (模数转换)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，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，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。芯片内部两个ADC对来自电流和电压传感器的电压信号进行数字化。使得ADE7755的模拟输入结构具有宽动态范围，大大简化了传感器接口和抗混叠滤波器的设计。电流通道中的HPF滤掉电流信号中的直流分量，从而消除了由于电压或者电流失调所造成的有功功率计算上的误差。有功功率是从瞬时功率信号推导计算出来，瞬时功率信号是用电流和电压信号直接相乘得到的。为了得到有功功率分量(即直流分量)，只要对瞬时功率信号进行低通滤波就行了。图3示出了瞬时有功功率如何通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获取有功功率。这个过程中所有的信号处理都是由数字电路完成的，因此具有优良的温度和时间稳定性。ADE7755的低频输出是通过对上述有功功率信息的累计产生，即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功率。当这个平均有功功率信息进一步被累加，就能获得电能计量信息。从而获得独立家用电器能耗测试仪的电能计量、电费换算。
[0024]首先，负载电流经过电流检测电路2再通过滤波电路后转换成合适的电压信号送入到电能计量芯片ADE7755的电流通道，即VlP和VlN端；而220V电压则通过降压后，再通过滤波电路送入ADE7755的电压通道，S卩V2P和V2N端二者经过ADE7755转换成有功功率以高频脉冲形式从CF端输出然后接入到单片机P89V51RD2的外部中断信号输入端。电能计量电路3主要实现将电能信号进行处理并以脉冲的形式传输给单片机4。
[0025]电流检测电路2采用分流器测量电流的方式。因为分流器具有低成本而且不会出现磁饱或影响相位的特点，此外根据ADE7755内部电流通道具有可编程增益放大器，允许使用小阻值的分流器，所以这里采用分流器测量电流。当电流流过分流器时，在它的两端就会出现一个毫伏级的电压，于是用毫伏电压传感器来测量这个电压，再将这个电压换算成电流就完成了电流的测量。
[0026]电压检测电路I采用电阻分压法将电网电压分压，如图4所示，分压电阻网络阻值从大到小的若干个电阻构成，在校准时通过跳线短路不同的电阻，使电压通道差分输入电压满足要求。电压通道设计从电路理论分析，电压通道电路实际上是一个分压电路，通过电阻分压，确保ADE7755电压通道中的信号电压在其工作的范围内。由于电能表的环境和兀件参数的误差，在电压衰减网络中，设计一个电阻调整网络，可在一定的范围内调整信号电压的大小，效验ADE7755电能输出脉冲的频率，调整电能表的精度，因此这里的电压衰减网络又起校验网络的作用而被称为校验网络。通过跳线来短接电阻从而改变整个电阻网络的总电阻值起到调整与校正的目的。
[0027]为了防止采样失真(出现混叠现象)，电路在电流和电压通道的输入端设计了抗混叠滤波器。滤波器由I个1ΚΩ电阻和I个0.033uF电容组成，是典型的低通滤波器，它在900kHz的频率下衰减大于40dB，可以有效地衰减输入信号中的高频分量，减小内部ADC采样频率(900kHz)附近的高频分量对有用频带(OlkHz)内信号采样结果的影响。
[0028]如图5所示，为了使得电能计量电路获得稳定的工作电压。将220V的市电降压后经过整流滤波电路送入稳压电路IClOl (78L05)，输出的5V电压作为ADE7755的工作电压。为了避免电磁干扰，使得电路更稳定可靠的工作，在电路中信号输入端和电源输入端均使用了磁珠，并使用压敏电阻RVlOl用于吸收浪涌电流，从而获得工作电源。
[0029]如图6所示，在实际应用中，许多电路链接之间需要非直接的连接，从而在提供数据的同时避免来自系统某一部分的危险电压或电流对另一部分造成破坏。通常采用电路隔离，达到通过隔离元件把干扰的路径切断，从而达到抑制干扰的目的。所以本设计在电能计量电路的脉冲输出部分选用光电隔离法，通过光电稱合的方式传送给单片机。ADE7755输出的脉冲通过光电耦合器0P101进行隔离，便于与其他的电路连接。LEDlOl与计量脉冲的输出是同步的，可以用来监督电路是否正常工作从而达到实时监控的效果。
[0030]如图7所示，单片机P89V51RD2作为主控芯片，控制整个电路的运行。主控电路设计分为电源电路、单片机及其外围电路、实时时钟电路、按键电路、显示电路五个个部分。通过对电能计量电路的脉冲信号的处理，并通过显示电路输出从而实现独立家用电器能耗测试仪的功能。
[0031]其中，P0.0-P0.6用于检测7个按键，P1.0-P1.3控制显示电路，P2.7控制蜂鸣器。单片机的2个中断端口 INTO和INTl分别与电能计量电路和时钟电路连接，检测电能计量脉冲和计时脉冲。如下列分析:
P0.0-P0.6用于检测7个按键检测，PO 口是一个8位开漏双向I/O 口，写入“I”时PO 口悬浮，可用作高电阻态输入。当访问外部程序和数据存储时，PO 口复用为低位地址和数据总线，应用中PO 口利用强内部上拉来发送“I”电平，PO 口可在外部主机模式编程过程中接受代码字节和在外部主机模式校验过程中发送代码字节。PO 口用作程序校验或通过I/O 口时均需要连接一个外部上拉电阻。
[0032]Pl.0-P1.3控制显示电路，Pl 口是一个带内部上拉电阻的8位双向口，写入“ I”时Pl 口被内部上拉拉高，可用作输入，用作输入时，由于内部上拉的存在。Pl 口被外部器件拉低时将吸收电流I。在外部主机模式编程和校验中，Pl 口也可接受低位地址字节，Pl.0为I/O类型，T2:定时器/计数器2的外部级数输入或时钟输出。Pl.1为I类型，T2EX:定时器/计数器2捕获/重装触发和方向控制。P1.2为I类型，ECI，外部时钟输入，PCA的外部时钟输入。Pl.3 口，为I/O类型，CEXO, PCA模块O的捕获/比较外部I/O 口，每个捕获/比较模块连接一个Pl 口用作外部I/O 口，该口线不被PCA占用时仍可用作标准I/O 口。所以这里P1.0-P1.3做为控制显示电路。
[0033]通过P2.7控制接蜂鸣器，因为P2 口是一个带内部上拉的8位双向口。写入“I”时P2 口被内部上拉拉高，可用作输入。用作输入时，由于内部上拉的存在，P2 口被外部器件拉低时将吸收电流。早取值外部程序存储器或者访问16位地址的外部数据存储器时，P2 口发送高位地址。应用中P2 口利用强内部上拉来发送“1”，在外部主机模式编程和校验中，P2 口可接受一些控制信号和部分高地址位。
[0034]单片机的2个中断口 P3.2INTO和P3.3INTI分别与电能计量电路和实时时钟电路连接，检测电能计量脉冲和计时脉冲。通过中断口控制电能计量的脉冲信号和时钟电路信号。
[0035]如图8所示，单片机采用自制电源供电方式，将220V交流市电通过电源变压器T401变换成交流低压，再经过桥式整流电路整流和滤波，在固定式三端稳压器的两端形成一个并不十分稳定的直流电压+Vl作为蜂鸣器的工作电压，此直流电压经过7805的稳压和电容的频率补偿，便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的+5V直流输出电压。
[0036]按键电路的键盘用七个按键和一个上拉电阻构成简单的键盘，七个按键分别与单片机的P0.0-P0.7 口连接，当键盘被按下后相应口被拉低为低电平，进而实现对单片机的控制。上拉电阻的目的是为了让单片机在没有输出的情况下，为高电平。当按键按下时，夕卜界输入低电平，发生一次跳变，单片机就能迅速进行处理，实现功能。
[0037]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种电器能耗测试仪，其特征在于，包括: 电流检测电路，用以检测负载电流，输出对应于电流的一第一电压信号； 电压检测电路，用以检测负载电压，输出对应于电压的一第二电压信号； 电能计量电路，连接所述电流检测电路以及所述电压检测电路，获取检测到的所述第一电压信号和所述第二电压信号，并将所述第一电压信号和所述第二电压信号转换成有功功率，以脉冲形式输出； 单片机，包括两个中断端口，其中一所述中断端口连接所述电能计量电路，接收所述脉冲形式的有功功率，另一中断端口连接一时钟电路，接收时钟信号，所述单片机根据所述脉冲形式的有功功率以及所述时钟信号计算负载的能耗、电费。
2.根据权利要求1所述的电器能耗测试仪，其特征在于，所述电流检测电路包括:分流器、电压传感器，所述分流器接收负载电流，所述电流传感器检测所述分流器两端的电压，输出所述第一电压信号。
3.根据权利要求1所述的电器能耗测试仪，其特征在于，所述电压检测电路包括一分压电阻网络，所述分压电阻网络包括若干阻值从大到小排列的电阻，通过跳线短接部分所述电阻从而改变所述分压电阻网络的总阻值。
4.根据权利要求1所述的电器能耗测试仪，其特征在于，所述第一电压信号以及所述第二电压信号通过一滤波器衰减高频分量后送入所述电能计量电路。
5.根据权利要求1所述的电器能耗测试仪，其特征在于，所述电能计量电路与所述单片机分别包括一电源电路，以提供工作电压； 所述电能计量电路的电源电路包括: 压敏电阻，用以吸收浪涌电流； 整流滤波电路，连接所述压敏电阻，用以整流滤波； 稳压电路，连接所述整流滤波电路，输出所述电能计量电路所需的工作电压； 所述单片机的电源电路包括: 电源变压器，用以将市电变换成交流低压； 桥式整流电路，连接所述电源变压器，用以整流和滤波； 固定式三端稳压器，连接所述桥式整流电路，所述固定式三端稳压器两端的直流电压经过稳压和频率补偿后，作为所述单片机的工作电压。
6.根据权利要求1所述的电器能耗测试仪，其特征在于，所述电能计量电路与所述单片机之间通过光电隔离电路连接。
7.根据权利要求1所述的电器能耗测试仪，其特征在于，还包括显示电路以及按键电路，分别用以显示以及对所述单片机的控制。
【文档编号】G01R22/10GK104330621SQ201410630853
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月11日 优先权日:2014年11月11日
【发明者】李洪群 申请人:苏州工业职业技术学院