工科畢業(yè)論文

1、i 三相多功能電表設計 摘摘 要要 本方案主要由檢測電路、專用電能計量芯片att7022、stc12單片 機、12864液晶顯示、按鍵、rs485通信、紅外通信以及電源部分組 成。電路中的電流（電壓）信號經過電流（電壓）互感器，強電信號轉 換為安全的弱電信號，通過att7022把計量數據傳給單片機，由單片機 控制12864液晶顯示,另設按鍵可選擇顯示測量數據,并擴展rs485和紅 外線通信功能。因為att7022具有極高的精度，能夠達到1級測量精度要 求，由于互感器鐵芯趨于飽和，當電力線路出現過電壓或過電流時，其 輸出不會成正比的增加，能保護測量儀表設備。 關鍵詞: stc12單片機 att7

2、022計量芯片 三相電參數測試 rs485通信 紅外通信 abstract this scheme mainly consists of detection circuit, special energy metering att7022 chips，stc12，128 * 64 lcd display，key，rs485 communication，infrared communication and power.the current in the circuit by current signal (voltage transformer, high voltage (voltage)

3、ii signals are converted to electricity signal, the safety att7022 through the measurement data to scm by single-chip microcomputer control, 128 * 64 lcd display, and buttons can choose to display measured data, and expand rs485 and infrared communication function. because of the high precision, att

4、7022 can reach 1 level measurement accuracy requirement, and because of transformer core tend to saturation, when power line voltage or current appeared, the output will increase, the proportional to the measuring equipment to protect. keyword: stc12mcu att7022 measurement chip three-phase electrica

5、l-parameter test rs485 serial communication infrared communication infrared communication 1 目目 錄錄 第一章第一章 緒緒論論.1 1.1 課題的研究目的和意義.1 1.2 課題的主要研究內容.2 1.3 三相電表的研究情況及其發(fā)展.3 第二章第二章 三相多功能電表的三相多功能電表的總體設計總體設計.8 2.1 方案論證.8 2.2 總體方案.14 2.3 三相電表的工作原理.11 第三章第三章 硬件硬件設計設計.13 3.1 硬件結構.18 3.2 測量單元.19 3.2.1 att7022簡介.19

6、 3.3 單片機.23 3.4 rs485通訊模塊.27 3.5 紅外通訊模塊.30 3.6 顯示模塊.33 2 3.7 電源電路.33 3.7 校表.33 第四章第四章 軟件設計軟件設計.39 4.1主程序設計.39 4.2中斷程序設計.43 參考文獻參考文獻.46 謝謝 辭辭.46 附附 錄錄.47 3 第一第一章章 緒論緒論 1.11.1 本課題的研究目的和意義本課題的研究目的和意義 電能表是電力系統中重要的組成部分,是衡量電能消費數量的計量 儀器,其技術性要求很高,既要求精確計量,更要求穩(wěn)定工作,并能保證長 期高度的可靠性,對于電力事業(yè)的發(fā)展有十分重要的意義。本設計所研 制的三相多功能

7、電能表以stc12c5410單片機為核心,集計量、顯示、控 制、保護和通信于一體。系統采用att7022取代了采樣硬件電 路。att7022是一款精度高且功能強的多功能基波諧波三相電能專用計 量芯片,該芯片適用于三相三線和三相四線的應用,它還集成了參考電壓 電路以及所有包括基波、諧波和全波的各項電參數測量的數字信號處理 電路,能夠測量各相及合相包括基波、諧波和全波有功功率,無功功率, 視在功率,有功能量以及無功能量,同時還能測量頻率,各相電流以及電 壓有效值,功率因數,相角等參數,提供兩種視在電能,充分滿足三相多功 能電能表以及基波諧波電能表制作要求。相比傳統的設計方法來說,這 不僅大大化簡了

8、外圍電路,降低了成本,而且提高了設備的精度和可靠 性。此外,采取rs-485通信方式,系統能夠方便地與上位機進行數據交 換,更有利于電力系統的自動化。 1.21.2 本課題的主要研究內容本課題的主要研究內容 該三相多功能電表對電網電壓，電流信號進行調理，電壓經過分壓 電阻或者互感器，電流經過高精度電流互感器，把大信號轉換成小信號 經過計量芯片att7022計算出電壓、電流有效值，有功、無功功率等并 通過液晶進行顯示。多功能電能表是一個微處理系統, 微處理器是多功 能 4 電能表的核心, 所有的計算、數據交換、控制、顯示、通信等功能 都是基于單片微處理器來完成的。綜合考慮性能、資源及應用情況,

9、設 計選用了89c51系列單片機。計量芯片選用大規(guī)模集成電路att7022, 該 芯片內部由計量電路、cpu、存儲器、lcd顯示驅動電路、外圍邏輯電路 等幾部分組成，其中計量電路含有基準電壓源和有功功率與有功電能, 無功功率, 電壓有效值, 電流有效值及頻率所需要的全部數字信號處理 功能的電路。att7022支持 iec687/1036 標準的精度要求, 在動態(tài)范圍 1000:1 內誤差小于0.1%。該電能表提供rs-485通信接口方式，通信設 備的三根通信線a、b、通信地線與電能表通信接口rs-485的a、b、通信 地線對應聯接進行數據通信。 1.31.3 國內外的研究情況及其發(fā)展國內外的研

10、究情況及其發(fā)展 2003年以來，也就是中國的城市和農村電網進行大規(guī)模改造、建設之 后，電力系統對三相多功能表的需求量迅速增長， 2004年產量估計約 70萬臺，以不足全國電能表總產量1%的份額，創(chuàng)造11%的電能表總產 值。由此，國際、國內電表企業(yè)紛紛看好商機，抓緊新技術開發(fā)，不斷 推出三相多功能表的新產品，以滿足電能表市場的應用需求。 與傳統的機械表相比，采用電子計量原理的三相多功能表，具有高 精度、多參數測量、諧波功率電能計量等優(yōu)勢。從總體評價，三相多功 能表還是穩(wěn)態(tài)電力負荷計量產品，由于其應用領域擴大，電力系統對電 表不斷提出新的技術要求?，F有的三相多功能表性能和品質，都不能完 全適應電力

11、系統的需求。因此，如何正確把握產品技術發(fā)展趨勢，改進 產品設計，將三相多功能表技術水準推向一個新的高度，無疑是電表行 業(yè)和電力系統共同關注的課題。 一、引進的三相多功能電能表新 技術 5 引進的三相多功能表新技術，代表目前國際上電能表技術的最高水 平： 1、高精度、長壽命計量 準確度為0.1%的有功電能計量，超過iec在線計量的最高準確度 要求，其誤差曲線的帶寬為+/-0.05%； 0. 2 s級三相基波表，具有分相的250次諧波有功功率計量； 0.2s級長壽命的電網關口表，具有電能質量計量模塊。 2、高速率、實時測量 交流采樣速率為256點/周波，記錄周期最短為10毫秒； 電能質量計量：63

12、次諧波、電壓閃變、故障錄波78微秒的瞬變， 供電可靠性指標的記錄為99.9999999%。 3、開放式、高速率通信技術應用 開放式通信協議iec62056-61/62/53/46/42，抄表、費率、負荷 控制數據交換； 互聯網通信，自動發(fā)送e-mail報警信號、系統運行狀態(tài)刷新、數 據記錄，通過以太網連接到某些國際知名的電量計費系統的關口 表，web服務器可直接讀取電表各種實際數據、電能質量參數，無需任 何專用軟件。 4、三相電能計量專用芯片 采用低頻濾波法計量諧波無功功率的三相計量芯片，高位- a/d，負荷動態(tài)范圍1000：1，線性度0.1%，具有溫度測量功能，片上接 口可直接與微分電流互感

13、器連接； 精度優(yōu)于0.1%的三相soc單芯片，21位2階-a/d，32位可編程 的電能量計算引擎，負荷動態(tài)范圍2000 6 ：1，片內集成：高速8051單片機、硬實時鐘、lcd驅動電路、看門狗電 路、定時器、多種存儲器、多種通信接口等。 二、國產三相多功能電能表新技術 國產電子式三相多功能表技術開發(fā)起步較晚，近幾年，注重吸收國 際計量技術與管理經驗，強化自主開發(fā)，取得了許多新的技術成果： 1、三相多功能表 0.2s級有功功率計量，16位-a/d，160m ips的dsp，交流采 樣速率256點/周波，運行和備用兩套費率時段，負荷曲線記錄和容量為 4m字節(jié)的存儲器，寬電源電壓范圍，互感器合成誤差

14、補償，變壓器銅 損、鐵損計算； 0.5s級三相基波有功表； 采用三相soc單芯片或三相有功、無功計量芯片的低端三相多功 能表設計，從技術上適應電表量大、面廣的市場需求； 高壓電能表，采用電子式傳感器，懸浮式電源設計，有功電能計 量準確度為0.5級，用于10千伏中壓電網直接計量電能量。 2、諧波功率、電能計量 三相諧波表，有功功率計量0.2s級，無功功率計量0.5s級，高準 確度的基波和諧波有功電能計量，采用實時積分法計算總有功電能，通 過fft算法，提供基波、諧波電能量和諧波功率方向； 沖擊負荷電能計量理論與算法，應用廣義功率理論，定義任意波 形的單相電路和三相電路的功率，應用正弦電路功率理論

15、、傳統非正弦 電路功率理論和廣義功率理論進行沖擊負荷的有功、無功、視在、畸 變、三相不對稱功率電能的計算； 7 基于iir型hilbert數字濾波法的諧波無功功率的測量，hilbert 數字濾波器具有優(yōu)越的頻率響應特性，數值計算簡單，經計算的諧波無 功功率，與仿真實驗結果只差0.02%； 諧波有功功率潮流分析方法，經研究指出：fft理論具有局限 性，實際的電力負荷，除基波和整數倍頻成份外，尚有間諧波存在，需 要開發(fā)電能表新的算法。 3、三相電能計量專用芯片 具有基波/諧波電能計量的三相多功能計量芯片，16位- a/d、24位dsp，負荷動態(tài)范圍1000:1，線性度0.1%，測量帶寬21次諧 波

16、，集成溫度傳感器； 采用hilbert數字濾波器計量諧波無功功率的三相計量芯片； 采用數字并行算法和降低晶振頻率技術的低功耗三相有功功率計 量芯片。 4、基于gprs通信網的用電需求側管理系統及其終端 該系統具有遠程抄表、用電異常信息報警、電能質量檢測、線損 分析、無功電壓管理和電力負荷控制管理等功能，系統指標為：并發(fā)數 據量不小5萬采集點，一次采通率不小于95%，二次采通率不小于 99.5%，遙測合格率大于98%，對時精度小于100毫秒。 5、關口表遠程校準系統 該系統由多路關口表的測量、校準回路和計算機通信網絡構成， 就是將高精度三相標準表置于變電站內環(huán)境條件符合要求的場所，被測 電流的變

17、換是通過計量電流互感器的二次回路接入0.02級、5/0.5a的中 間互感器，標準表和關口表的三相接線方式和有功、無功計量方式是通 8 過工控機指令切換，關口表的實時誤差通過專用信道送至系統主站，整 個系統誤差為0.1%。 綜上所述，經過十幾年的發(fā)展，中國的三相多功能表門類比較齊 全，中、低端電表技術開發(fā)水平較高，特別是沖擊負荷電能計量理論與 算法、諧波無功功率計量、具有諧波功率計量的三相專用芯片、高壓電 能表、gprs通信技術應用、電能遠程校準等技術項目具有創(chuàng)新意義。 但是也應該看到，高端電表技術沒有完全過關，電網關口計量仍以進口 電表為主導產品，這是一個值得深思的問題。 三、未來三相多功能電

18、能表技術的走向 正視現狀，展望未來，需要超前預測電表應用領域和技術要求的不 斷變化，才能正確把握今后產品技術的走向。 1、應用領域的拓展：近幾年，中國的社會用電量迅速增長，全國 聯網，特高壓電網建設，百萬千瓦級發(fā)電機并網，家居網絡化進程，電 網經營管理改進和計量新技術應用等要素，推進電表應用領域的擴展， 主要是： 從用電計量計費擴大到配電變壓器、變電站的經濟管理和用電需 求側管理的計量； 從用戶計費擴大到發(fā)電廠上網電量、跨省電網聯絡線交換電量的 計費； 從315千伏安及以上的大工業(yè)用戶計費擴大到100千伏安及以上的 商業(yè)、非工業(yè)、普通工業(yè)戶的計費，以上電表應用領域的擴大，引起計 量點總量估計由

19、60萬個擴大到400萬個，電表應用需求量前景看好。 9 2、技術要求的更新：隨著電表應用范圍擴大，電力系統 提出許多具有專業(yè)特點的計量要求 傳統計費電表的通用要求，有功、無功電能計量，最大需量計 量，費率時段，單方向、雙方向和不完整的四象限計量，多參數測量， 多種計時要求，多種通信方式，自檢、報警，停電抄表，失壓、斷相、 停電、失流、三相不對稱、編程預置、需量復位等事件記錄； 新提出的通用要求，運行和備用兩套費率時段，0-360計量， 具有時標的視在電能計量，最小需量計量，qh計量，溫度誤差自動補 償，諧波電壓、電流總含量和諧波污染程度測量，防竊電基礎技術，同 時，計費電表要準確可靠，功能簡單

20、、實用； 中等容量戶計量的特殊要求，大電流計量，半波通過電流互感器 計量，三相不平衡、不對稱計量； 變電站進線、出線計量的特殊要求，主變壓器損耗計量，變電站 的有功、無功、視在電能平衡計量，無功功率控制信號輸出，用戶線路 的特殊要求，參照大工業(yè)戶計量的特殊要求內容； 配電變壓器計量的特殊要求，停電采集，三相不平衡、不對稱測 量，中性線電流測量，變壓器油溫測量，變壓器損耗計量和有功、無 功、視在電能平衡，電力線路損耗電量的核實, 等； 3、產品技術的發(fā)展趨向 三相多功能表技術要跟蹤應用需求的不斷變化，也就明示了今后 產品技術的發(fā)展趨向： 電表多門類：由單一的計費產品發(fā)展到關口計量、配電變壓器計

21、量、變電站計量、大工業(yè)戶計量、中等容量戶計量、用電需求側管理系 統及終端6類產品，分別制訂產品技術規(guī)范； 10 關口電能表，要發(fā)展高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、快速測 量、0-360計量、多通信方式和協議，經國際、國內同類電表的比 較，提出量化指標和測試方法； 計費用三相多功能表要計量準確、簡單可靠、講求實用，逐步發(fā) 展三相soc單芯片，開發(fā)具有諧波電壓、電流總含量和諧波污染程度的 測量技術，研究溫度、電壓、頻率、相位改變的自適應計量； 基于gprs通信網的用電需求側管理系統及終端，要改進實時性和 安全性技術，從長遠看，即使將來電力不緊張，用于配電變壓器計量與 抄表、居民用電遠程抄表，其發(fā)展前景

22、也很好； 加強國內電能質量和電能計量標準建設，包括：基波、諧波功 率電能計量標準的建設，進口急需而國內缺門的國際新型計量標準設 備，滿足在線電表新產品計量溯源的要求； 最后是研究制訂三相多功能表質量評價標準與測試方法，提高在 電網上運行電表的整體技術品質。 第第二二章章 三三相相電電表表的的總總體體設設計計 2.12.1 方案論證方案論證 本次設計的任務是制作一個能同時對三相工頻交流電的三相電壓、 三相電流、三相有功功率、三相無功功率、總有功功率、總無功功率、 功率因數、電網頻率、有功電能和無功電能進行測量的數字式多用表。 11 2.1.12.1.1 電能參數計量模塊電能參數計量模塊 方案一方

23、案一：本方案用ade7755計量電能，采用三三片ade7755芯片分別對 每一相的有功電能進行單獨計量，再疊加到三相總有功電能的設計方 案，不僅使電能計量電路在電路板上占用空間大、線路密集，造成電表 抗干擾能力差；成本較高，致使產品的性價比低；而且電能計量芯片的 參數不可調使得電表計量精度降低 方案二方案二: 本方案用芯片att7022計量電能，att7022能準確地測量三 相工頻交流電的電壓、電流、頻率、功率、電能等參數； att7022可以 對芯片內的工作模式寄存器進行不同設置，使之適用于三相三線和三相 四線的工作環(huán)境；同時能提供相序及斷相檢測功能；同時提供分相以及 合相參數；提供正向和反

24、向有功電能數據；att7022精度高，在輸入動態(tài) 工作范圍（1000:1）內，非線性測量誤差能達到小于0.1%的精度；還能 提供電壓和電流的有效值參數，有效值精度要優(yōu)于0.5%。很好的滿足了 設計中對測量功能、技術參數以及準確度的要求。所以本設計采用方案 二。 2.1.22.1.2 電壓、電流檢測模塊電壓、電流檢測模塊 信號采集板給信號處理板提供要采集的電流電壓，并隔離掉干擾 信號，避免其進入主控電路板。在信號的檢測部分，有利用互感器和霍 爾傳感器檢測兩種方法。 方案一方案一 利用霍爾傳感器采集三相電參數?；魻杺鞲衅餍阅軆?yōu) 越，但成本較高。 12 方案二方案二 利用電流電壓互感器采集三相電參數

25、。電流和電壓互感 器是一種特殊的變壓器，把大電流（高電壓）變成小電流（低電壓）， 實現了弱電控制強電，保證了電力系統的安全。由于互感器鐵芯趨于飽 和，當電力線路出現過電壓或過電流時，其輸出不會成正比的增加，能 保護測量儀表設備。這一作用滿足了設計要求的技術參數，能承受一定 時間的過流過壓?；ジ衅髟诒緶y試儀中在性能上基本能滿足設計要求， 而且成本合理，因此本次設計采用互感器方式。 2.22.2 總體設計方案總體設計方案 本課題設計的電表由電能芯片+微處理器方案，采用三相供電方 式。電能表工作時，電壓、電流經取樣電路分別取樣后，送入專用電能 計量芯片att7022進行處理，并轉化為數字信號送到單片

26、機進行計算。 由于采用了專用的電能處理芯片，使得電壓電流采樣分辨率大為提高， 且有足夠的時間來更加精確的測量電能數據，從而使電能表的計量準確 度有了顯著改善。 單片機用于處理各種輸入輸出數據，通過串行接口將專用電能芯 片的數據讀出，并根據預先設定的時段完成分時有功電能計量和最大需 量計量功能，根據需要顯示各項數據、通過紅外或 485 接口進行通訊 傳輸，并完成運行參數的監(jiān)測，記錄存儲各種數據。遠紅外接口與rs- 485通信接口用于數據通信和遠程測量。 協議符合dl/t645-1997通信規(guī) 約，通信速率為1200bps，遠紅外通信距離為3m。rs-485通信接口可與 電表數據采集終端構成遠程測

27、量系統，實現遠程測量和負荷監(jiān)控，用于 負荷管理系統，也可用于電站和電站綜合自動化接口。 13 該三相多功能電表采用大屏幕12864中文液晶顯示器顯示各種 計量數據和功能，通過屏幕上的漢字組合及其相關符號可提示顯示內 容。 2.2.3 3 工作原理工作原理 如圖2.1示，電流信號ia、ib、ic經過電流互感器，電壓信號 ua、ub、uc經過電阻分壓分別送入電能計量芯片，通過計量芯片得到有 功、無功、電壓、電流等原始數據。然后微處理器按特定的算法對原始 數據進行轉換、補償算出三相電壓、三相電流、三相有功功率、三相無 功功率、總有功功率、總無功功率、功率因數、電網頻率、有功電能和 無功電能等數據。微

28、處理器將最終處理的數據送存儲器保存，并可通過 lcd顯示器進行顯示。 有功和無功電能脈沖可以通過發(fā)光二極管或測試脈沖輸出。 所有電表內部的數據都可以使用掌機或pc后臺通過rs485和紅外接口進 行讀取。 電流 取樣 電壓 取樣 采集 處理 控制 通信單元 顯示單元 按鍵 其它單元 ia ib ic ua ub uc 圖 2-1 三相電表原理框圖 14 電能參數電能參數計量原理計量原理 電流有效值： (2-1) dtti t i t rms )( 1 0 2 i(t)-電流瞬時值 電壓有效值： (2-2) t rms dtt t u 0 2 )(u 1 u (t)-電壓瞬時值 功率因數： (2-

29、3) )( )( sabs pabs pf 三相三線合相功率： (2-4) 2 3 2 33 213 213 sinsinu cosucos qps iuiq iiup bbcaac bbcaac 三相四線合相功率： cccbbba iuiucoscoscosiup aa4 (2-5) 2 4 2 44 4 sinsinsin qps iuiuiuq cccbbbaaa 15 單相無功功率：無功功率計量方法與有功類似，只是電壓信號采用移相 90之后的。 (2-6) t q dttitu t q etut 0 90 q )()( 1 )()(u 單相有功功率：各相的有功功率是通過對去直流分量后的

30、電流電壓信號 進行乘法加法數字濾波等一系列數字信號處理后得到的。 (2-7) t dttitu t p 0 )()( 1 有功能量：有功能量通過瞬時有功功率對時間的積分得到。 (2-8) dttqe dttp q )( )(ep 第三章第三章 硬件硬件設計設計 3.13.1 結構框圖結構框圖 本方案設計的三相多功能電表的硬件電路主要由測量單元 （att7022）、單片機（stc12c5410）、lcd顯示、eeprom、電源、通信 接口以及操作鍵盤等幾部分組成。本方案的硬件結構框圖如下圖所示： 16 電電流流互互 感感器器 電電壓壓互互 感感器器 單單片片機機 stc12c5410 lcd顯顯

31、示示 通通訊訊接接口口 鍵鍵盤盤 eeprom 電電能能計計量量芯芯片片 att7022 spi 圖3-1 硬件結構框圖 3.23.2 測量單元測量單元 測量單元完成對各種電能參數的測量，主要由電壓互感器（pt）、電流 互感器（ct）、和專用電能計量芯片att7022構成。電流和電壓信號分 別經過電流互感器和電壓互感器送給att7022處理，att7022完成對各種 電能參數的測量并通過spi提供給單片機。 3.2.13.2.1 電能計量芯片電能計量芯片att7022att7022簡介簡介 一、芯片特性 有功測量滿足0.5s/0.2s，支持iec 687/1036,gb/t 17883-199

32、9 無功測量滿足2級、3級，支持iec 1268,gb/t 17882-1999 適用于三相三線、三相四線 瞬時有功、無功、視在功率，有功、無功能量測量 功率因數、相位，頻率、電壓和電流有效值測量 合相能量累加模式可選（代數值/絕對值相加） 三相四線制時提供三相電流向量和的有 效值 17 同時提供分相以及合相參數 同時提供相序以及斷相檢測功能 直接提供有功、無功校表脈沖數出 電表常數可調 起動電流可調 提供正向和反向有功電能數據 反向有功指示功能 提供四象限無功參數 軟件調試電表 支持增益和相位補償，小電流非線性補償 具有spi接口，方便與外部mcu通訊 單+5v供電 采用qfp44封裝 二、

33、功能簡介 att7022是一顆高精度三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和 三相四線應用。 att7022集成了六路二階sigma-delta adc、參考電壓電路及其所 有功率、能量、有效值、功率因數以及頻率測量的 數字信號處理等電 路、 att7022能測量各相以及合相的有功功率，無功功率、視在功率、 有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因 數、相角、頻率等參數，充分滿足三相復費率多功能電能表的需求。 att7022支持全數字域的增益、相位校正，既純軟件校表。有功、 無功電能脈沖輸出cf1、cf2提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接 到標準表，進行誤差校正。 18

34、 att7022提供一個spi接口，方便與外部的mcu之間進行計量參數以 及校表參數的傳遞。 att7022與單片機一般有6條連線，其中4條是spi口線 cs、sclk、din、dout，一條reset復位控制線，一條握手信號線sig。 單片機必須對sig信號或其狀態(tài)進行監(jiān)控。在上電或者芯片受干擾復 位，必須由外部mcu通過s pi口對校表數據進行更新，以保證計量的準 確性。 在應用時應注意：1、所有信號高電平為5v，在與3v電源工作的單 片機連線時，中間應接電平轉換電路；2、spi通訊連線應盡可能短，否 則，spi傳輸信號線可能受到干擾?？梢栽趕pi信號線上串聯10歐電阻， 這個電阻與ic輸

35、入端的寄生電容c結合起來可構成一個低通濾波器，從 而可以消除接受信號的高頻干擾。在spi通訊速率允許的條件下，還可 以在信號線的輸入端加一個去耦電容，以增強抗干擾能力；3、單片機 必須對sig信號或機器狀態(tài)進行監(jiān)控。在上電或者att7022受干擾復位， 必須由外部mcu通過spi口對校表數據進行更新，以保證計量的準確 性。sig信號就是用來通知外部mcu的一個握手信號。在att7022的sig端 口接10nf的去耦電容，增強其抗干擾能力。當然也可以不用sig信號， 可以檢測工作狀態(tài)寄存器的bit.16是否置位，以確定校表數據是否需要 更新。4、為了在上電和單片機復位后，att7022能與墊片及

36、同步的工 作，att7022的reset信號需要由單片機控制，復位過程為reset信號保 持 大于30us低電平，芯片復位，此時sig輸出高電平，然后單片機將 reset信號拉高，大約經過500us左右，att7022完成初始化，sig輸出低 電平信號，此后才能進行spi操作。在att7022的reset端口處接0.1uf的 去耦電容，增強其抗干擾能力。 spi時序： 19 spi通訊格式是相同的，8位地址，24位數據，msb在前，lsb在后， 對每個寄存器的讀寫cs信號需動作一次，換句話說，通訊開始時sclk為 低電平，cs由高到低，經過32個時鐘脈沖sclk，cs由低到高，完成一個 寄存器

37、的讀或寫操作。芯片在時鐘的下降沿從din線上取單片機送出的 數據，在上升沿從dout線上向單片機送出數據。 下圖是讀操作時序： 圖3-2 讀操作時序 單片機送出8位地址后，至少等待3微秒后可以從dout上讀取數據。 下圖為寫操作時序： 20 圖3-3 寫操作時序 三、表3-1 att7022主要測量參數列表 主要測量參數 參數分相合相 電壓有效值 / 電流有效值 視在功率 有功功率 容性無功功率 感性無功功率 功率因數 線頻率 / 輸入有功能量 輸出有功能量 有功能量（輸入+輸 21 出） 容性無功能量 感性無功能量 無功能量（感性+容 性） 四、內部框圖： 22 時鐘控制電路 參考電壓 模擬

38、采樣信號 電流 電壓 數字信號處理 有功功率 功率因數 電流有效值 電壓有效值 視在功率 無功功率 脈沖生成器 spi 通訊接口 電源管理 頻率測量 v1p v1n v3p v3n v5p v5n v2p v2n v4p v4n v6p v6n osco osci selsigreset cf1 cf2 revp dout din slck cs vcc avcc vdd gnd agnd 圖3-4 att7022內部框圖 五、管腳分布： 23 圖3-5 att7022管腳分布 六、att7022引腳連接圖： 24 圖3-6 att7022引腳連接圖 3.33.3 單單 片片 機機 主要用來完

39、成接收各種電能參數信息并進行相關的數據處理，控制 lcd按要求顯示各種參數以及實現和pc之間的通信。本方案采用的是 stc12c5410作為主控芯片。 3.3.13.3.1 stc12stc12 系列單片機系列單片機簡介簡介 1. stc12系列單片機為增強型8051芯片，1t，單時鐘/ 機器周期，指令 代碼完全兼容傳統8051單片機。 2. 工作電壓： 25 stc12c5410ad 系列工作電壓：5.5v - 3.8v（5v 單片機）/3.8v - 2.4v（3v 單片機） 3. 工作頻率范圍：0 - 35 mhz，相當于普通8051 的 0420mhz.實際 工作頻率可達48mhz 4.

40、 用戶應用程序空間12k / 10k / 8k / 6k / 4k / 2k / 1k 字節(jié) 5. 片上集成 512 字節(jié) ram(stc12c5410ad 系列), stc12c2052ad 系列 單片機為256 字節(jié)ram 6. 通用i/o 口（27/23/15 個），復位后為： 準雙向口/ 弱上拉（普 通8051 傳統i/o 口） 可設置成四種模式：準雙向口/ 弱上拉，推挽/ 強上拉，僅為輸入/ 高 阻，開漏，每個i/o 口驅動能力均可達到20ma，但整個芯片最大不得超 過55ma。 7. isp（在系統可編程）/iap（在應用可編程），無需專用編程器，無 需專用仿真器 可通過串口（p3

41、.0/p3.1）直接下載用戶程序，數秒即可完成一片 8. eeprom 功能 9. 看門狗 10.內部集成max810 專用復位電路（外部晶體20m 以下時，可省外部復 位電路） 11. 時鐘源：外部高精度晶體/ 時鐘，內部r/c 振蕩器 用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內部r/c 振蕩器還是外部晶體/ 時鐘 常溫下內部r/c 振蕩器頻率為：5.2mhz 6.8mhz 精度要求不高時，可選擇使用內部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，應 認為是4mhz 8mhz 26 12. 共2 個16 位定時器/ 計數器，但可用pca 模塊再產生4 個定時器 (2052 系列只有兩路pca) 13. 外部中斷

42、2 路,下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,power down 模式可 由外部中斷喚醒 14. pwm(4 路）/pca（可編程計數器陣列,4 路）,5410 系列是4 路， 15. a/d 轉換, 10 位精度adc，共8 路。stc12c2052ad 系列只有8 位 精度 16. 通用全雙工異步串行口(uart)，由于stc12 系列是高速的8051，也 可再用定時器軟件實現多串口 17. spispi 同步通信口，主模式/ 從模式 18. 工作溫度范圍： 0 - 75 / -40 - +85 19. 封裝：plcc-32, pdip-28，sop-28，pdip-20，sop-20，tssop

43、- 20(超小封狀6.4mm 6.4mm，定貨) plcc-32 有27 個i/o 口，pdip28/sop28 有23 個i/o 口，pdip20/sop20/tssop20 有15 個i/o 口， i/o 口不夠時，可用74hc595 / 74hc165 串行擴展i/o 口，或用雙cpu, 三線通信，還多了串口。 3.3.23.3.2 stc12c5410stc12c5410引腳分布：引腳分布： 27 圖 3-7 stc12c5410引腳分布 csi93c46csi93c46簡介簡介 一、概述 csi93c46 是一種存儲器可以定義為 16 位 org 引腳接 vcc 或者定義 為8位or

44、g引腳接 gnd 的 1k/2k/2k/4k/16k位的串行 e2prom 每一個的 存儲器都可以通過 di 引腳 或 do 引腳進行寫入或讀出每一片 csi93c46/56/57/66/86 都 28 是采用csialyst公司先進的cmos e2prom 浮動門工藝加工，器件可以經 受1,000,000次的寫入/擦除操作片內數據保存壽命達到 100年器件可提 供的封裝有 dip-8 soic-8 tssop-8。 二、特性 高速度操作 93c46/56/57/66 1mhz 低功耗工藝 電源電壓寬 1.8 伏到 6.0 伏 存儲器可選擇 8 位或者 16 位結構 寫入時自動清除存儲器內容

45、硬件和軟件寫保護 慢上電寫保護 1,000,000 次寫入/擦除周期 100 年數據保存壽命 29 3.43.4 rs-485rs-485通訊模塊通訊模塊 rs485是美國電氣工業(yè)聯合會(eia)制定的利用平衡雙絞線作傳輸 線的多點通訊標準。它采用差分信號進行傳輸；最大傳輸距離可以到 1.2 km；最大可連接32個驅動器和收發(fā)器；接收器最小靈敏度可達 200mv；最大傳輸速率可達2.5 mb/s。由此可見，rs485協議正是針 對遠距離、高靈敏度、多點通訊制定的標準。 3.4.13.4.1 rs-485rs-485特點特點： 1） rs-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為 +（26

46、） v表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（26）v表示。接 口信號電平比rs-232-c降低了，就不易損壞接口電路的芯片， 且該電 平與ttl電平兼容，可方便與ttl 電路連接。 2） rs-485的數據最高傳輸速率為10mbps 3） rs-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模 干能力增強，即抗噪聲干擾性好。 4） rs-485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達 3000米，另外rs-232-c接口在總線上只允許連接1個收發(fā)器， 即單站能 力。而rs-485接口在總線上是允許連接多達128個收發(fā)器。即具有多站 能力,這樣用戶可以利用單一的rs-485接口方便

47、地建立起設備網絡。 3.4.23.4.2 rs-485rs-485 串行接口標準串行接口標準 30 rs-485 與 rs-232 不一樣，數據信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳 輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為 a，另一線定義為 b。通常 情況下，發(fā)送驅動器 a、b 之間的正電平在+2+6v，是一個邏輯狀態(tài)， 負電平在-2v6v，是另一個邏輯狀態(tài)。另有一個信號地 c，在 rs-485 中還有一“使能”端，而在 rs-422 中這是可用可不用的。“使能”端 是用于控制發(fā)送驅動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用時， 發(fā)送驅動器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1” 與

48、“0”的第三態(tài)。 3.4.33.4.3 max485max485 本設計采用max485來實現遠程通訊功能，max485接口芯片是maxim公司 的一種rs485芯片。它采用單一電源+5 v工作，額定電流為300 a， 采用半雙工通訊方式。它完成將ttl電平轉換為rs485電平的功能。其 引腳結構圖如圖1所示。從圖中可以看出,max485芯片的結構和引腳都非 常簡單,內部含有一個驅動器和接收器。ro和di端分別為接收器的輸出 和驅動器的輸入端，與單片機連接時只需分別與單片機的rxd和txd相連 即可；/re和de端分別為接收和發(fā)送的使能端，當/re為邏輯0時，器件 處于接收狀態(tài)；當de為邏輯1

49、時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為max485工作 在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可；a 端和b端分別為接收和發(fā)送的差分信號端,當a引腳的電平高于b時，代表 發(fā)送的數據為1；當a的電平低于b端時，代表發(fā)送的數據為0。在與單片 31 機連接時接線非常簡單。只需要一個信號控制max485的接收和發(fā)送即 可。同時將a和b端之間加匹配電阻，一般可選100的電阻。 max485引腳： 圖3-8 max485引腳 rs485通信模塊電路 圖3-9 rs485通信模塊電路 32 3.53.5 紅外通訊模塊紅外通訊模塊 3.5.13.5.1 紅外通信的基本原理紅外通信的基本原理 紅外通信是利

50、用850nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體， 即通信信道。發(fā)送端采用脈時調制（ppm）方式，將二進制數字信號調 制成某一頻率的脈沖序列，并驅動紅外發(fā)射管以光脈沖的形式發(fā)送出 去；接收端將接收到的光脈轉換成電信號，再經過放大、濾波等處理后 送給解調電路進行解調，還原為二進制數字信號后輸出。簡而言之，紅 外通信的實質就是對二進制數字信號進行調制與解調，以便利用紅外信 道進行傳輸；紅外通信接口就是針對紅外信道的調制解調器。 3.5.23.5.2 紅外通信電路紅外通信電路 單片機本身并不具備紅外通信接口，但可以利用單片機的串行接 口與片外的紅外發(fā)射和接收電路，組成一個應用于單片機系統的紅外串 行

51、通信接口。電路如下圖示： 33 圖3-10 紅外通信電路 紅外發(fā)送器紅外發(fā)送器 紅外發(fā)送器電路包括脈沖振蕩器、驅動管t1和t2、紅外發(fā)射管d1和 d2等部分。其中脈沖振蕩器由ne555定時器、電阻（r1、r2）和電容 （c1、c2）組成，用以產生38khz的脈沖序列作為載波信號；紅外發(fā)射 管d1和d2選用vishay公司生產的tsal6238，用來向外發(fā)射850nm的紅外 光束。 紅外發(fā)送器的工作原理為：串行數據由單片機的串行輸出端txd送 出并驅動t1管，數位“0”使t1管導通，通過t2管調制成38khz的載波信 號，并利用兩個紅外發(fā)射管d1和d2以光脈沖的形式向外發(fā)送。數位 “1”使t1管

52、截止，紅外發(fā)射管d1和d2不發(fā)射紅外光。若傳送的波特率 設為1200bps，則每個數位“0”對應32個載波脈沖調制信號的時序，如 圖3-11所示。 34 圖3-11 紅外接收器紅外接收器 紅外接收電路選用vishay公司生產的專用紅外接收模塊 tsop1838。該接收模塊是一個三端元件，使用單電源+5v電源，具有功 耗低、抗干擾能力強、輸入靈敏度高、對其它波長（850nm以外）的紅 外光不敏感的特點。 tsop1838的工作原理為：首先，通過紅外光敏元件將接收到的載波 頻率為38khz的脈沖調制紅外光信號轉化為電信號，再由前放大器和自 動增益控制電路進行放大處理。然后，通過帶通濾波器和進行濾波

53、，濾 波后的信號由解調電路進行解調。最后，由輸出級電路進行反向放大輸 35 出。 為保證紅外接收模塊tsop1838接收的準確性，要求發(fā)送端載波信號 的頻率應盡可能接近38khz，因此在設計脈沖振蕩器時，要選用精密元 件并保證電源電壓穩(wěn)定。再有，發(fā)送的數位“0”至少要對應14個載波 脈沖，這就要求傳送的波特率不能超過2400bps。利用上述紅外收發(fā)電 路構成的紅外信道最大通信距離為8m。 3.6 顯示模塊 通過計量芯片att7022得出的各種電能參數的原始數據要送往單片 機進行最終處理，從而得到最終的電能參數，這些數據還要通過顯示模 塊顯示出來，本次設計選用帶中文字庫的液晶顯示模塊cm1286

54、4- 27sly。它是12864點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖 形，內置8192個中文漢字、128個字符以及64256點陣顯示 ram（gdram）?？梢耘ccpu直接接口； 提供兩種界面來連接微處理機；8位并行及串行兩種連接方式； 具有多種功能：光標顯示、畫面移位、睡眠模式等 電路如下圖所示 36 圖3-12 液晶顯示電路 3.73.7 電電 源源 直流電源是電網電壓經過變壓整流濾波穩(wěn)壓等變換后得到的。本測試 儀利用a相得到220v電壓，然后通過變壓器轉換為9v的交流電壓，再經 過整流橋和穩(wěn)壓芯片7805轉換為直流電壓，最后經過濾波，就可以得到 +5v的直流電壓。這個直流電源向單

55、片機、測量單元(att7022)、rs485 芯片和等電路供電。利用電壓互感器（pt）、電流互感器（ct） 將電網與測量電路隔離開來，以保證整個測量系統穩(wěn)定可靠性。電源電 路如圖示： 37 圖3-13 電源電路 信號采集模塊檢測的信號必須是電壓信號，因此在電流互感器的輸 出端并聯一個電阻把電流信號轉換為檢測模塊所需要的電壓信號。圖中 引腳v1p、v1n、v2p、v2n的信號均送入att7022進行處理。如下圖所示 38 圖3-14 信號檢測模塊電路 3.8 校表 3.8.1 校表模式介紹 39 att7022支持全數字校表，即軟件校表。經過校正的儀表，有功精 度可高達0.2s，無功精度2級。

56、功率校正方面主要是對比差以及角差進行修正。 比差校正要是對互感器的比差進行修正?；ジ衅鞅炔畹姆蔷€性在 高精度計量時也是不可忽視的。att7022可以將比差進行分段補 償。att7022提供寄存器iregchg，可根據電流大小設置補償分段區(qū)域。 通常將iregchg設置在35%ib處，即iregchg=35%ib。當iregchg設定之 后，需要對這兩個區(qū)域進行比差校正。如果將iregchg設為0，則說明在 整個電流區(qū)域內使用一次比差補償，這時只需對功率增益0進行設置即 可。 同比差校正類似，角差修正也采用分段修正。att7022最多可以提 供五個角差補償區(qū)域，如下圖所示。 40 當然，在實際應

57、用中角差的補償并不需要將電流區(qū)域分得這么多 段，在一表級表或者0.5級應用時只需分成兩段補償即可達到要求，在 設計0.2級或者更高精度的電能表時才需要用到多于2段的補償方法。建 議完成比差修正之后，再做角差的修正，角差修正在0.5l時完成。 att7022還可以通過寄存器對電流。電壓有效值進行修正。att7022 脈沖輸出頻率可以通過hfconst寄存器進行設定。att7022啟動電流通過 寄存器istartup進行設置。 3.6.23.6.2 校表步驟及參數計算校表步驟及參數計算 1、校表步驟 高頻輸出參數設置 相位校正 功率增益校正 角差補償區(qū)域設置 比差補償區(qū)域設置啟動電流設置 能量累加

58、模式設置 電壓校正 電流校正 開始校表 校表結束 功率增益校正 功率增益0校正 功率增益1校正 相位校正0 相位校正1 相位校正2 相位校正3 相位校正4 相位校正 圖3-15 校表流程圖 41 2、參數計算 電流ib經電流互感器后對應到輸入通道上的電壓有效值應該在 100mv左右。而電壓un經電壓互感器或者電阻分壓網絡后對應到輸入通 道的電壓有效值應該在500mv左右。 下面公式中的增益g是指att7022的adc增益系數，g恒是0.648。 （一）、高頻輸出參數hfconst：參數hfconst決定校表用的高頻脈 沖輸出cf的頻率。 已知：高頻脈沖常數n、額定輸入電壓un、而定輸入電流ib

59、、電壓 輸入通道vu、電流輸入通道vi、增益g 計算公式： （二）、比差分段補償區(qū)域設定 iregchg 已知：比差分段補償區(qū)域ig、增益g 計算公式： （三）、相位補償區(qū)域設置 iregion1、iregion2、iregion3、iregion4，最多可以劃分5個電流區(qū) 域進行相位補償。 已知：電流區(qū)域is、增益g 計算公式： 在精度要求不是特別高時，通常只需設置2個相位補償區(qū)域，也即 只需將iregion1/2/3/均設為0，根據需要設置iregion4。這樣就必須在 i=iregion4以及i=iregion4 42 的相位補償同時寫到phsreg0/1/2/3中，而iiregchg以

60、及iiregchg 處校正的為pgain0，而iiregchg處校正的為pgain1。 已知：標準表上讀出誤差：err 計算公式： （五）、相位校正 phsrega0、phsrega1、phsrega2、phsrega3、phsrega4 phsregb0、phsregb1、phsregb2、phsregb3、phsregb4 phsregc0、phsregc1、phsregc2、phsregc3、phsregc4 分別對應區(qū)間reg0、reg1、reg2、reg3、reg4，在cos()=1時功率 增益已經校正好之后，再進行相位補償。通常只在0.5l處進行校正。 已知：0.5l處標準備誤差讀