基于MC9S12XS128单片机的单相电能表的设计
摘要 本文主要是针对家庭用户设计了一单相电能计量电路。此电路采用一款高精度单相电 能计量芯片ADE7755来采集用户所使用的电量，并使用高性能的单片机MC9S12XS128来作为整个电能采集电路的控制中心。文中给出了整个电能计量电路的组成框图、单相电能测量电路图以及软件流程图，最后介绍了试验情况并对试验结果进行了分析比较，通过实验表明该电能计量电路具有较高的测量精度。
关键词：电能计量；MC9S12XS128单片机；ADE7755芯片 1 引言
由于电力系统的改革以及对电能合理利用的探索，出现了各种电子式的电度表，打破了 以往感应式电度表一统天下的局面。电子式电度表具有功耗小、准确度高、工作效率高等优 点。但是，现阶段的电子式电度表从技术上来说还没有完全成熟，存在线路复杂、系统不够 稳定、适用场合有限等弊端。
鉴于上述状况，本文针对家庭用户设计了一款简单实用的单相电子式电能计量电路。此 电路采用了美国ADI公司生产的一款高精度单相电能计量芯片ADE7755来采集用户所使用的电量，并使用了高性能的单片机AT89C51来作为整个电能采集电路的控制中心。在采集电流、电压值时，本文采用了精度高、稳定性能好的电流、电压霍尔传感器来取代常用的电流、电压互感器。此外，本文还介绍了单相电能计量电路的组成以及软件流程图。
2. ADE7755简介
（1）功能概述
ADE7755是一种高准确度电能测量电路集成电路，主要用于单相电表系统，
其技术指标超过了IEC1036规定的准确度要求。它只在ADC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，通过引脚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，从引脚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。 （2）功能特点
精度高，在500：1动态范围内误差低于0.1%； ? F1、F2输出频率表示平均有功功率；
? 高频输出CF用于校准，并提供即时有功功率； ? 逻辑输出引脚REVP能只是负功率或错误链接； ? 可直接驱动机电式计数器和两相步进电机； ? 在片电源监控电路； ? 防潜动；
? 在片电压源2.5V±9%; ? 单5V电源，低功耗； ? 采用SSOP24封装。
（3）功能框图
（4）极限参数 参数 工作电压 符号 VDD-VSS 最小值 -0.3 最大值 7.0 单位 V mA ℃ ℃ 管脚电流 IPIN -150 +150 储藏温度 TSTG -65 +150 工作温度 TO -40 +85 （5）外部引脚及其功能说明 ADE7755有24脚DIP和SSOP两种封装
管脚排列图如下：
管脚功能说明
? DVDD，数字电源引脚。该引脚提供数字电路的电源，正常工作
电源电压应保持在5V±5%，该引脚应使用 10μF 陶瓷电容进行去耦 ? AC/DC，高通滤波器HPF 选择引脚。当该引脚输入高电平时，通道
1（电流通道）内的 HPF被选通，该滤波器所涉及的相位响应在45Hz 至 1kHz范围内在片内已得到补偿。在电能计量的应用中，应使 HPF 选通。
? AVDD，模拟电源引脚。 该引脚提供 模拟电路的电源， 正常工作
电源电压应保持在5V±5%，当使电源的纹波和噪声减小到最低程度，该引脚应使用 10μF 电容并联 100nF 陶瓷电容进行去耦。 ? NC（6号引脚），与6脚短接
? V1P，V1N，通道 1（电流通道）的正、负模拟输入引脚。完全差
动输入方式，正常工作最大信号电平为±470mV。通道1有一个PGA。这两个引脚相对于AGND 的最大信号电平为±1V。两个引脚内部都有 ESD 保护电路，这两个引脚能承受±6V的过电压，而不造成永久性损坏。
? RESET，复位引脚。当为低电平时，ADC和数字电路保护复位状态，
在RESET 的下降沿，清除内部寄存器。
? REFIN/OUT，基准电压的输入、输出引脚。片内基准电压的正常值
为 2.5V±8%，典型温度系数为 30ppm/℃。 外部基准源可以直接连接到该引脚上。无论用内部还是外部基准源，该引脚都应使用 10μF 钽电容和100nF 陶瓷电容对 AGND 进行去耦。
? AGND，这是 模拟电路（即ADC和基准源）的接地参考点，该引
脚应连接到印刷电路板的模拟接地面。模拟接地面是所有模拟电路的接地参考点，如抗混叠滤波器、电流和电压传感器等。为了有效地抑制噪声，模拟接地面与数字接地面只应有一点连接。星形接地方法有助于使数字电流噪声远离模拟电路。
? SCF，校验频率选择。该引脚的逻辑输入电平确定 CF引脚的输出
频率。
? S1，S0，这两个引脚的逻辑输入用来选择数字/频率转换系数， 这
为电度表的设计提供了很大灵活性。
? G1，G0，这两个引脚的逻辑输入用来选择通道1 的增益，可用来
选择增益是1,2,8,和16。
? CLKIN，外部时钟可从该引脚接入，也可把一个石英晶体接在CLKIN
和 CLKOUT 之间，提供时钟源，规定时钟频率为3.579545MHz。作
为石英晶体负载的33pF陶瓷电容应和振荡器门电路连接。 ? CLKOUT，如上所述，可把一个石英晶体接在 CLKIN 和 CLKOUT 之
间，提供一个时钟源。当CLKIN 上接有外时钟时 CLKOUT引脚能驱动一个CMOS负载。 ? NC，悬空。
? REVP，当检测到负功率时，即电压和电流信号的相位差大于 90°
时，该引脚输出逻辑高电平。该输出没有被锁存，当再次检测到正功率时，该引脚的输出复位。该输出的逻辑状态随 CF输出脉冲同时变化。
? DGND，这是数字电路（即乘法器、滤波器和数字频率转换器）的
接地参考点。该引脚应连接到印刷电路板的数字接地面，数字接地面是所有数字电路（如机械或数字计数器、微控制器和 LED 显示器的接地参考点。为了有效地抑制噪声，模拟接地面与数字接地面只应有一点连接，如星形接地。
? CF，频率较验输出引脚。其输出频率反映瞬时有功功率的大小，常
用于仪表校验。
? F2，F1，低频逻辑输出引脚，其输出频率反映平均有功功率的大小。
这两个逻辑输出可以直接驱动机电式计数器或两相步进电机。
（6）ADE7755工作原理
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。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（可以与传感器直接连接），也简化了抗混叠滤波器的设计。电流通道中的PGA进一步简化了传感器接口。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。下图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。CF输出的频率较高，累加时间较短，因此CF的输出频率正比于瞬时有功功率，这对于在稳定负载条件下进行系统校验是很有用的。
3 MC9S12XS128简介
MC9S12XS128是16位单片机，由16位中央处理单元（CPU12X）、128KB程序Flash(P-lash)、8KB RAM、8KB数据Flash(D-lash)组成片内存储器。主要功能模块包括：
内部存储器
内部PLL锁相环模块 2个异步串口通讯 SCI
1个串行外设接口 SPI MSCAN 模块 1个8通道输入/输出 比较定时器模块 TIM 周期中断定时器模块 PIT 16通道A/D转换模块 ADC
1个8通道脉冲宽度调制模块PWM 输入/输出数字I/O口
课程设计--电能表的设计
