【应用】R7F0C004单片机在微型电力监测仪演示板中的应用方法
本文介绍了瑞萨电子公司推出的R7F0C004单片机在微型电力监测仪演示板中的应用方法。
微型电力监测仪演示板功能介绍
本文所描述的微型电力监测仪，采用R7F0C004 单片机和专用的电能计量芯片，配合高精密的电流电压采样电路及LCD 显示器，实现对用电设备的全面监控。通过LCD 可以显示当前用电设备的用电量、功率、电压、电流、累计时间、频率、CO2 排放量。可用于LED 节能灯、空调、冰箱及微波炉等家用电器的监控，也可作为教学用的测量仪器。微型电力监测仪演示板的硬件电路板如图1所示：
图1 微型电力监测仪演示板
微型电力监测仪演示板原理简介
本文所描述的微型电力监测仪是由AC转DC降压整流电路，电流、电压采样电路，电能计量芯片控制电路，温度传感器控制电路，LCD 显示控制电路，EEPROM 控制电路和主控MCU 等组成，原理框图如图2所示：
图2 微型电力监测仪演示板原理框图
操作说明
（1）将微型电力监测仪插入到电源插座上，再将用电电器的插头插入微型电力监测仪的插座上。
（2）微型电力监测仪上电进入初始状态，初始状态下蜂鸣器发出两声滴答音，LCD 屏被全点亮，5 秒后退出初始化模式。如果微型电力监测仪检测到有负载，则进入测量模式；如果没有负载，则进入负载等待模式（无负载模式），此时LCD 屏无显示。
（3）测量模式下，会显示累计电量，按[+]键，会依次显示功率、电压、电流、累计时间、频率、CO2 排放量、累计电量；按[-]键，则逆序显示。
（4）累计时间显示模式下，长按[Set]键2 秒，进入时间清零界面，此时LCD 屏上数字闪烁，按下[Enter]键后，时间数据被清零，LCD 屏返回累计时间显示模式。
（5）累计电量显示模式下，长按[Set]键2 秒，进入电量清零界面，此时LCD 屏上数字闪烁，按下[Enter]键后，电量数据被清零，电量数据清零同时CO2 排放量数据也被清零，LCD 屏返回累计电量显示模式。
（6）如果微型电力监测仪监测到环境温度超过80 摄氏度会发出滴答音报警，此时请立即给电力监测仪断电。
微型电力监测仪累计电量显示模式
微型电力监测仪累计电量显示模式如图3所示，显示屏上显示出“0.12”的字样，代表累计耗电0.12 度。电量的单位是度，计量范围是0.01~9999.99度。
图3 累计电量显示模式
微型电力监测仪功率显示模式
微型电力监测仪功率显示模式如图4所示，显示屏上显示出“46”的字样，代表当前有功功率是46 瓦。功率的单位是瓦，计量范围是1~32768
瓦。
图4 功率显示模式
微型电力监测仪电压显示模式
微型电力监测仪电压显示模式如图5所示，显示屏上显示出“220.91”的字样，代表当前电压是220.91 伏。电压的单位是伏，计量范围是
0.01~655.35伏。
图5 电压显示模式
微型电力监测仪电流显示模式
微型电力监测仪电流显示模式如图6所示，显示屏上显示出“222”的字样，代表当前的电流是222 毫安。电流的单位是毫安，计量范围是1~10000 毫安。
图6 电流显示模式
微型电力监测仪累计时间显示模式
微型电力监测仪累计时间显示模式如图7所示。显示屏上显示出“000165”的字样，代表累计计时165 分钟。累计时间的单位是分钟，计量范围是1~999999 分钟。
图7 累计时间显示模式
微型电力监测仪频率显示模式
微型电力监测仪频率显示模式如图8所示，显示屏上显示出“50.01”的字样，代表当前频率是50.01 赫兹。频率的单位是赫兹，计量范围是45.00~65.00 赫兹。
图8 频率显示模式
微型电力监测仪累计CO2 排放量显示模式
微型电力监测仪累计CO2 排放量显示模式如图9所示。显示屏上显示出“0.10”的字样，代表当前CO2 排放量的累计量是0.10 千克。CO2 排放量的单位是千克，计量范围是0.01~7849.99 千克（家居用电二氧化碳排放量：1 千克=耗电度数×0.785）。
图9 CO2 排放量显示模式
硬件结构框图
微型电力监测仪硬件结构框图如图10所示：
图10 微型电力监测仪硬件结构框图
系统供电电路
微型电力监测仪的供电电路由压敏电阻、热敏电阻、变压器、全桥整流器、LDO 稳压器构成。压敏、热敏电阻对电源电路提供短路保护，变压器将220V AC 降压至两路9V AC。一路9V AC 经过全桥整流器BR1，肖特基二极管D1 以及LDO 稳压器HT7533（U2），得到稳定的3.3V 直流电源给单片机及外围电路供电；另一路9V AC 经过肖特基二极管D2 以及LDO 稳压器HT7533（U3），得到3.3V 直流电源给计量芯片供电。另外，两个跳线JMP1 和JMP2 仅在调试时使用。系统供电电路如图11所示:
图11 系统供电电路
EEPROM 接口控制电路
微型电力监测仪需要存储累计电量和累计时间的数据，所以使用了一个带IIC 接口的EEPROM 存储芯片AT24C64A。EEPROM 接口控制电路如图12所示:
图12 EEPROM 接口控制电路
电能计量芯片控制电路
电能计量芯片ATM90E25 是一款高精度单相电能计量芯片，通过光耦与R7F0C004 单片机的CSI 接口相连接进行通信。R7F0C004 的P45 端口通过光耦控制ATM90E25 芯片的复位引脚。ATM90E25 芯片输出的能量脉冲信号通过光耦输入到R7F0C004 的INT7 端口。由于ATM90E25 芯片的采样电路直接与AC 220V 相连，为了保护单片机，ATM90E25 芯片与R7F0C004 单片机的引脚都是通过光耦PS2501 相连接的。电能计量芯片控制电路如图13所示:
图13 电能计量芯片控制电路
电压采样电路
本文中火线接地（AGND），零线上串联一组精密电阻分压后进行电压采样。电压采样电路如图14所示：
图14 电压采样电路
电流采样电路
电流采样电路分为两路：一路是火线采样电路，另一路是零线采样电路。火线上串联了一个锰铜电阻器SR1 进行采样，零线上通过电流互感器CT1 进行采样。电流采样电路如“图15”所示：
图15 电流采样电路
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