用PIC16C73實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字電度表

1 數(shù)字式家用電度表的設(shè)計(jì)思想

近幾年數(shù)字式家用電度表在我國(guó)得到了較快的推廣應(yīng)用，并且有著很大的市場(chǎng)前景。從家用電度表的要求來看，主要包括以下幾個(gè)方面：（1）精度要高于原模擬電度表2％的指標(biāo)；（2）成本不能太高，家用電度表作為普通民用電器，其成本將直接影響到它的推廣應(yīng)用；（3）可靠性要高。本文根據(jù)作者幾年來的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，主要介紹采用PIC16C73系列 單片機(jī) 實(shí)現(xiàn)普通家用高精度數(shù)字式電度表的基本設(shè)計(jì)思想。選取PIC16C73系列單片機(jī)的主要理由是它含有片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）通道，從而可以省去專門的A/D芯片，并且每個(gè)輸入、輸出引腳都可以進(jìn)行可編程位操作，輸出引腳驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可以直接推動(dòng)數(shù)碼顯示器。這樣包括其它IC卡數(shù)據(jù)讀取電路、E2PROM等外圍電路在內(nèi)，20A（10A）數(shù)字電度表的總體批量生產(chǎn)成本（1000塊）可以控制在較低水平；PIC16C73單片機(jī)比較適宜于工業(yè)環(huán)境工作，與51系列等單片機(jī)相比，其抗干擾能力要強(qiáng)得多；PIC16C73單片機(jī)片內(nèi)還設(shè)有軟件看門狗，在電度表受到強(qiáng)干擾或其它影響程序“走飛”時(shí)，看門狗可以及時(shí)將單片機(jī)復(fù)位并重新恢復(fù)正常工作，從而確保了電度表的高可靠性。實(shí)現(xiàn)時(shí)單片機(jī)A/D通道對(duì)電網(wǎng)電壓和用戶的用電電流進(jìn)行連續(xù)采樣，經(jīng)過單片機(jī)CPU 的實(shí)時(shí)計(jì)算、累加，最后求得用戶耗電量，并從用戶已購(gòu)買的電量（記錄在E2PROM芯片中）中扣除掉。采用PIC16C73單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)字家用電度表的組成框圖如圖1所示。

由于PIC16C73 單片機(jī) 片內(nèi)A/D通道的精度為八位，其采樣誤差理論值約為1/（28－1），即其滿刻度時(shí)的精度約為0.4％，電度表滿量程（指電流）工作時(shí)是可以保證數(shù)字電度表的精度的。但是，通

圖1 數(shù)字電度表組成框圖

常情況下，一般家用電負(fù)荷大部分時(shí)間都不可能達(dá)到電度表所允許的最大值，如果不采取專門措施，電度表的誤差將明顯增大。例如對(duì)于20A的電度表，其滿負(fù)荷值為4.4kW，此時(shí)電度表的誤差大約為0.4％左右，可以滿足普通電度表2％的要求；若用戶用電負(fù)荷為100W（此時(shí)工作電流為0.5A 左右），此時(shí)電度表僅由A/D采樣誤差引起的誤差就將達(dá)16％左右。因此，為了確保全負(fù)荷范圍內(nèi)電度表的精度均能達(dá)到指標(biāo)要求，在設(shè)計(jì)電路時(shí)需采取按用戶用電電流分段管理或其它類似方法，來減小A/D 采樣誤差，達(dá)到提高精度的目的。同時(shí)為了確保電度表精度不受使用環(huán)境（溫度、濕度等）差別的影響，電度表中還需設(shè)計(jì)自校準(zhǔn)電路，實(shí)時(shí)修正因環(huán)境變化帶來的電路參數(shù)偏移所引起的誤差。另外用于實(shí)際生產(chǎn)組裝電度表的各種元器件都存在離散性，會(huì)造成按原理電路裝配的成品電度表在精度等指標(biāo)方面存在一定的不一致性，為了簡(jiǎn)化生產(chǎn)過程中的調(diào)試工序，在電度表中還專門設(shè)有軟件在線調(diào)試電路，用軟件參數(shù)調(diào)節(jié)取代以往的硬件參數(shù)調(diào)節(jié)（如用電位器調(diào)節(jié)放大器放大量等），從而極大地提高了成品調(diào)試效率和產(chǎn)品合格率。采用上述措施后，成品電度表的實(shí)際全程精度優(yōu)于0.5％（即誤差小于0.5％）。

圖1中過流、過壓控制保護(hù)電路的主要作用是在用戶負(fù)荷過大（即過流）或電網(wǎng)電壓過高（瞬時(shí)過程，如持續(xù)10秒或半分鐘等，具體由程序設(shè)定）情況下，按軟件設(shè)計(jì)要求控制繼電器切斷用戶的供電電路，等待一定時(shí)間（如5分鐘）后自動(dòng)供電并再進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若連續(xù)2次或3次（具體次數(shù)由軟件編程決定）出現(xiàn)過流、過壓故障，電度表不再自動(dòng)供電，并在數(shù)碼顯示器（正常工作時(shí)主要用來顯示電量數(shù)據(jù)）上顯示出過流或過壓信息。

電度表顯示器共有5位數(shù)碼管，按程序設(shè)定（如－2度、－10度）可允許用戶適當(dāng)借電使用，此時(shí)，數(shù)碼管顯示出特殊的符號(hào)和數(shù)值，警告用戶及時(shí)購(gòu)電。顯示器顯示精度為0.1度，電度表內(nèi)部累計(jì)計(jì)算精度選為10－4度，從而將因電網(wǎng)停電帶來的影響降到完全可以忽略的程度（由E2PROM來實(shí)現(xiàn)）。

2 核心電路原理

2.1 PIC16C73 單片機(jī)

PIC16C73是低功耗、高性能、CMOS、全靜態(tài)、8位EPROM型 單片機(jī) ，尋址空間為4K×14，采用先進(jìn)的RISC指令結(jié)構(gòu)，8級(jí)堆棧，多個(gè)內(nèi)部及外部中斷源。內(nèi)部設(shè)有192個(gè)字節(jié)的RAM和22個(gè)I/O口，3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，2個(gè)串行口，5通道8位A/D。同步串行口可設(shè)定為3線SPI或2線I2C方式，串行通信口（SCI）可設(shè)置為同步或異步方式。PIC16C7′ 系列單片機(jī)主要有兩種類型，一種是低成本的一次性用戶可編程型器件（OTP），適用于批量產(chǎn)品；另一種是紫外線可擦除雙列直插式芯片，可用于產(chǎn)品開發(fā)或小批量的生產(chǎn)應(yīng)用，其引腳排列如圖2所示。

圖2 PIC16C73（雙列直插式）引腳排列圖

各引腳的詳細(xì)功能可參見文獻(xiàn)[1]。

2.2 數(shù)碼管顯示器接口電路

PIC16C73 單片機(jī) 中設(shè)有專門的串行數(shù)據(jù)發(fā)送端口（引腳RC5/SDO）和相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送端口（引腳RC3/SCK）。這樣，顯示數(shù)據(jù)主要可以由這兩個(gè)端口來完成，電路如圖3所示。

圖3 數(shù)碼管顯示器接口電路

在圖3中，74LS164芯片的復(fù)位引腳（MR）與PIC16C73 單片機(jī) 的復(fù)位引腳MCLR相連，單片機(jī)的RC3/SCK引腳用于產(chǎn)生串行口同步時(shí)鐘信號(hào)，RC5/SDO串行數(shù)據(jù)輸出至74LS164芯片串行輸入端，經(jīng)串/并變換后輸出并行碼，經(jīng)限流電阻R1～R8送至數(shù)碼管顯示器，5個(gè)共陰極數(shù)碼管接成掃描方式，掃描時(shí)間間隔與A/D采樣周期相同，為2ms。其陰極L1～L5分別接至單片機(jī)RB0~RB4引腳（這些引腳具有直接推動(dòng)數(shù)碼管的能力）。發(fā)光二極管D主要用作小數(shù)點(diǎn)（另外還可用于程序調(diào)試）。該電路的特點(diǎn)是充分利用了PIC16C73單片機(jī)各引腳可單獨(dú)編程的性能，效率比較高。

2.3 電網(wǎng)電壓取樣與處理電路

我國(guó)居民家用電網(wǎng)的電壓理論值為220V 50Hz，由于各種因素的影響，電網(wǎng)供電電壓的波動(dòng)范圍較大（用電高峰期有時(shí)會(huì)低于150V）。這樣，為了提高電度表的精度，需要對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，以計(jì)及電網(wǎng)電壓變化對(duì)用戶耗電功率和電量的影響，其信號(hào)取樣與處理電路如圖4所示。

在圖4中，選用精度為千分之五的金屬膜電阻RJ1、RJ2為取樣電阻，主要出發(fā)點(diǎn)是提高電度表的電壓取樣的穩(wěn)定性和批量生產(chǎn)的產(chǎn)品一致性，減輕調(diào)試工作量；電阻R1主要起隔離作用，電阻R2起穩(wěn)定作用（也可省去）；運(yùn)算放大器（1/2MC1458S）用作跟隨器。

圖4 電壓信號(hào)取樣與處理電路

2.4 電流取樣與處理電路

居民用電負(fù)荷反映在電流的大小上，因而用戶用電電流的變化范圍比起電網(wǎng)電壓波動(dòng)來說要大得多，其范圍一般從0到滿刻度，對(duì)用戶電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)取樣與處理的電路如圖5所示。

圖5 電流信號(hào)取樣與處理電路

圖5中電流取樣電阻RJ3選用精度為千分之二的錳銅合金電阻絲，阻值為0.01Ω，考慮到家用電表負(fù)荷不大（通常為10A或20A等），采用串聯(lián)取樣方式，電路簡(jiǎn)單有效。跟隨器與圖4中的電壓取樣電路合用一片MC1458S運(yùn)算放大器。

2.5 電流換檔與通道自校準(zhǔn)電路

電流換檔與通道自校準(zhǔn)電路是所設(shè)計(jì)的數(shù)字電度表中最關(guān)鍵的部分，其原理電路如圖6所示。

整個(gè)電路設(shè)計(jì)較巧妙，效率高，非常經(jīng)濟(jì)，一共只用了3個(gè)芯片，一片LM324和兩片模擬開關(guān)CD4051。LM324中含有4個(gè)運(yùn)算放大器，采用±5V供電。U1CD4051的3個(gè)通道控制線為KZ1～KZ3，與 單片機(jī) 的引腳RB4～RB7相連；U2CD4051的3個(gè)通道控制線為KZ4～KZ6，分別與單片機(jī)的引腳RC0～RC2相連。

通常，即使電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定（如在150~240V），相對(duì)于電流來說，其相對(duì)變化仍較?。ㄐ∮?0％），因而在電路中不需要對(duì)電壓取樣信號(hào)換檔放大處理，電路對(duì)電壓取樣信號(hào)的總放大系數(shù)為1。

由于電流取樣信號(hào)變化范圍較大，所以需要進(jìn)行換檔放大處理。圖6中共設(shè)計(jì)了三個(gè)放大系數(shù)為6的級(jí)聯(lián)放大器A1~A3。如以10A電度表為例，A1放大輸出對(duì)應(yīng)的電流范圍是2～10A，A2放大輸出對(duì)應(yīng)的電流范圍是0.5～2A，而A3放大輸出對(duì)應(yīng)

　圖6 電流換檔與通道自校準(zhǔn)原理電路

的電流范圍是0～0.5A。電路中電流、電壓信號(hào)的采樣間隔為2ms，即每個(gè)50Hz正弦周期采樣10次。剛上電時(shí)，電流信號(hào)通道選擇為最大檔位，根據(jù)一個(gè)正弦周期的采樣值（共10個(gè)）計(jì)算出其采樣的有效值，然后按程序設(shè)定的檔位進(jìn)行比較確定是否換檔（如果采樣有效值較小，則需增大放大量，轉(zhuǎn)到下一檔）；正常工作時(shí)，則根據(jù)前一個(gè)周期采樣得到的有效值來確定向上或向下?lián)Q檔。 單片機(jī) 根據(jù)檔位的不同，以不同計(jì)算方法來計(jì)算用電量。

考慮到電路中采用的芯片和其它元器件都是相對(duì)比較便宜的普通器件，工作中難免有一定的離散性，所以從保證電度表的精度出發(fā)，需要對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行實(shí)時(shí)的校準(zhǔn)。首先產(chǎn)生四個(gè)相對(duì)比較穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓信號(hào)（即Vref和Vref1～Vref3），Vref1～Vref3分別送至兩片模擬開關(guān)芯片U1、U2，而Vref（－2.5V）則送至模擬開關(guān)U2輸出級(jí)求和放大器（放大系數(shù)為1）。其具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

1. A/D線性檢測(cè)。 單片機(jī) 控制模擬開關(guān)U2分別選擇第4～6通道（X4～X6），經(jīng)單片機(jī)A/D采樣后，便可以實(shí)時(shí)地掌握A/D通道（含輸出級(jí)放大器，即A4）的線性情況（如1分鐘監(jiān)測(cè)一次），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際采樣值的修正。

2. 電壓通道