變壓器智能保護電量計量模塊的軟硬件設(shè)計說明

1、變壓器保護智能電能計量模塊的軟硬件設(shè)計摘要在供配電系統(tǒng)中，配電變壓器是一種直接向低壓用戶分配電壓的電力設(shè)備，應(yīng)用非常廣泛。實時監(jiān)測配電變壓器運行中的各種參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)配電變壓器運行中的異常情況并加以控制和解決，對于電網(wǎng)的穩(wěn)定和優(yōu)化運行具有重要意義。工作電流、工作電壓和變壓器油溫是決定中小型變壓器安全運行的三個主要參數(shù)。因此，對這三個參數(shù)的實時監(jiān)測對保證變壓器的安全運行起著重要的作用。電量計量模塊用于實時檢測變壓器的電壓、電流、功率等電量數(shù)據(jù)，并通過一定的控制策略隨時間處理變壓器的過流、過壓、欠壓故障。在本次設(shè)計中，根據(jù)變壓器智能保護系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了變壓器保護的設(shè)計目標、功能要求

2、和性能要求。硬件部分選用AT89S51單片機作為系統(tǒng)的主控制器，采用高精度三相電能專用計量芯片ATT7026實時監(jiān)測電流和電壓值。電流電壓檢測電路由電流互感器和電壓互感器組成。在軟件設(shè)計中，采用了可讀性和可移植性強的KEILC語言進行編程，實現(xiàn)了對單片機及其外圍設(shè)備的控制，大大提高了軟件開發(fā)的效率和靈活性。關(guān)鍵詞:電力變壓器，過流過壓保護，單片機，電量檢測目錄 TOC o 1-3 h z HYPERLINK l _RefHeading_Toc6073 前言1 HYPERLINK l _RefHeading_Toc2912 第1章 變壓器智能保護系統(tǒng)3 HYPERLINK l _RefHeadi

3、ng_Toc14856 1.1 系統(tǒng)工作原理3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc10348 1.2 AT89S51單片機簡介5 HYPERLINK l _RefHeading_Toc26779 1.2.1 特性簡介5 HYPERLINK l _RefHeading_Toc22185 1.2.2 管腳定義6 HYPERLINK l _RefHeading_Toc20128 1.3 小節(jié)9 HYPERLINK l _RefHeading_Toc30347 第2章 電量計量模塊硬件設(shè)計10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc3272 2.1 電量計量芯片AT

4、T7026介紹10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc10183 2.1.1 功能簡介10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc26264 2.1.2 芯片引腳定義11 HYPERLINK l _RefHeading_Toc16360 2.1.3 部框圖介紹13 HYPERLINK l _RefHeading_Toc25379 2.1.4 應(yīng)用示意圖14 HYPERLINK l _RefHeading_Toc23197 2.1.5 系統(tǒng)復(fù)位15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc17563 2.1.6 相關(guān)數(shù)值的測量16 HYPERLI

5、NK l _RefHeading_Toc31119 2.1.7 接口模塊19 HYPERLINK l _RefHeading_Toc5467 2.2 互感器電路設(shè)計20 HYPERLINK l _RefHeading_Toc6069 2.2.1 電壓互感器20 HYPERLINK l _RefHeading_Toc15960 2.2.2 電流互感器21 HYPERLINK l _RefHeading_Toc29831 2.3 復(fù)位電路22 HYPERLINK l _RefHeading_Toc31269 2.4 +5V電壓設(shè)計23 HYPERLINK l _RefHeading_Toc1573

6、8 2.5 小結(jié)24 HYPERLINK l _RefHeading_Toc20704 第3章 電量計量軟件模塊的設(shè)計26 HYPERLINK l _RefHeading_Toc12459 3.1 軟件校表設(shè)計26 HYPERLINK l _RefHeading_Toc27848 3.1.1 寄存器定義26 HYPERLINK l _RefHeading_Toc27048 3.1.2 參數(shù)計算27 HYPERLINK l _RefHeading_Toc21583 3.2 SPI通信軟件設(shè)計29 HYPERLINK l _RefHeading_Toc20917 3.2.1 SPI讀操作29 HY

7、PERLINK l _RefHeading_Toc15839 3.2.2 SPI寫操作31 HYPERLINK l _RefHeading_Toc14080 3.3 小結(jié)33 HYPERLINK l _RefHeading_Toc4783 第4章 系統(tǒng)原理圖設(shè)計34 HYPERLINK l _RefHeading_Toc27292 4.1 硬件電路圖設(shè)計34 HYPERLINK l _RefHeading_Toc8538 4.2 系統(tǒng)原理圖34 HYPERLINK l _RefHeading_Toc832 4.3 硬件抗干擾設(shè)計36 HYPERLINK l _RefHeading_Toc179

8、45 4.3.1 傳輸通道抗干擾設(shè)計36 HYPERLINK l _RefHeading_Toc4896 4.3.2 供電系統(tǒng)抗干擾設(shè)計36 HYPERLINK l _RefHeading_Toc15815 4.3.3 系統(tǒng)接地的抗干擾設(shè)計37 HYPERLINK l _RefHeading_Toc20818 4.4 小節(jié)37 HYPERLINK l _RefHeading_Toc16925 結(jié)論38 HYPERLINK l _RefHeading_Toc31650 參考文獻39 HYPERLINK l _RefHeading_Toc16592 致40前言1.題目的選擇和意義隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展

9、和人民物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，我國電力工業(yè)發(fā)展迅速，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大。用戶對供電質(zhì)量和可靠性的要求越來越高，這就要求供電部門提供安全、經(jīng)濟、可靠、優(yōu)質(zhì)的電力。據(jù)統(tǒng)計，接入電網(wǎng)的變壓器總?cè)萘考s為發(fā)電設(shè)備總裝機容量的8 9倍，因此配電變壓器的安全可靠性決定了配電網(wǎng)的安全可靠運行。為了安全有效地保護變壓器，有必要對配電變壓器的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測。配電變壓器分布在各類企業(yè)、社區(qū)、城鎮(zhèn)的大街小巷。由于通信困難，用常規(guī)的自動檢測方法很難實現(xiàn)對大量配電變壓器的實時保護?，F(xiàn)在越來越多的國外廠商在不斷推出各種配電系統(tǒng)保護裝置，但大多是針對大型配電系統(tǒng)設(shè)計的，針對農(nóng)村或偏遠地區(qū)中小型配電裝置的產(chǎn)品很少。與大

10、型輸電變壓器相比，中小型配電變壓器安裝分散，工作環(huán)境相對惡劣。因此，這類變壓器在運行過程中，特別是在用電高峰時段，存在過載、欠壓、變壓器過熱等諸多問題，可能導(dǎo)致變壓器安全運行。如何經(jīng)濟、穩(wěn)定地實現(xiàn)中小型配電變壓器的集中監(jiān)控是一個亟待解決的問題。當變壓器發(fā)生故障或運行異常時，配電保護裝置可以自動讀取在線電量數(shù)據(jù)，為用戶提供自動用電信息，快速發(fā)現(xiàn)異常情況，降低勞動強度，在較少人工干預(yù)的情況下完成大量重復(fù)性工作。工作電流、工作電壓和變壓器油溫是決定中小型變壓器安全運行的三個主要參數(shù)。這三個參數(shù)的實時監(jiān)測對保證變壓器的安全運行起著重要的作用。本文對中小型配電變壓器的集中監(jiān)控具有重要的工程應(yīng)用價值。2.

11、國外研究現(xiàn)狀。作為變壓器保護系統(tǒng)中非常重要的一部分電量計量模塊，國外有很多用于電量檢測的產(chǎn)品。比如AC86，可以方便地測量三相四線電力線的各種電參數(shù)，可以同時替代電流、電壓、頻率、功率、功率因數(shù)、電量等各種電參數(shù)傳感器。LM3658和DS278電能計量模塊，可用于手機、數(shù)碼相機、MP3等手持設(shè)備；基于DSP的工頻電量測試儀，以TMS320VC33DSP為核心，采用鉗形電流互感器輸入和直流電壓輸入，實現(xiàn)電壓、電流、功率、電網(wǎng)頻率和電網(wǎng)功率因數(shù)的測量。ZTV-I型DC功率計由單片機控制，可測量DC電流、電壓和輸入功率。具有量程自動切換、測試范圍寬、測試精度高、使用方便等優(yōu)點。以嵌入式系統(tǒng)為核心的數(shù)

12、字化智能多功能電量測量設(shè)備，可以測量電壓、電流、有功功率、無功功率等電量，大大降低設(shè)備的硬件投資，簡化電路，充分利用嵌入式系統(tǒng)強大的可編程功能，完成多參數(shù)電量測量和電網(wǎng)監(jiān)控。大部分智能變壓器只針對大型配電系統(tǒng)設(shè)計，成本較高。而針對農(nóng)村或偏遠地區(qū)中小型配電裝置的產(chǎn)品并不多。由于農(nóng)村或偏遠配電網(wǎng)的配電變壓器數(shù)量多、分散性大、保護措施不完善，變壓器運行存在諸多問題。但目前針對中小型配電系統(tǒng)故障檢測和保護的保護裝置很少，本設(shè)計就是為了解決此類問題而設(shè)計的。3.本課題設(shè)計的容量針對中小型企業(yè)和偏遠地區(qū)低壓配電系統(tǒng)的核心設(shè)備變壓器存在的問題，設(shè)計了基于單片機的變壓器硬件保護電路。通過硬件和軟件的設(shè)計，供電

13、系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)可以防止變壓器因過流和過壓而失效。主要工作:設(shè)計電量檢測電路、電量檢測驅(qū)動軟件和電表校準軟件，能夠?qū)崟r檢測變壓器的電壓、電流、功率等各種電量數(shù)據(jù)。運行期間變壓器的運行參數(shù):1)設(shè)計一個電能計量電路，可以實時檢測變壓器的電能信息。要求設(shè)計的硬件電路簡單可靠，人機界面友好，可操作性強；2)設(shè)計智能保護模塊的電氣原理圖。智能變壓器保護系統(tǒng)系統(tǒng)工作原理變壓器智能保護系統(tǒng)主要包括基于AT89S51單片機的主控模塊、電量測量模塊、開關(guān)驅(qū)動輸入模塊、報警電路模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、顯示時鐘模塊、鍵盤輸入電路模塊、溫度檢測模塊和實時時鐘模塊。如圖1-1所示。圖1-1變壓器智能保護模塊組成框圖變壓器和

14、其他電流電壓檢測電路實時采集變壓器輸出的三相電壓和三相電流，然后將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔苡嬃磕K。該模塊主要由一個專用的電量測量芯片組成，負責(zé)測量各相的有功功率、無功功率、視在功率、有功電能和無功電能，以及各相電流有效值、電壓有效值、功率因數(shù)、相角和頻率。這些采集到的數(shù)據(jù)通過SPI接口送到單片機進行數(shù)據(jù)分析和計算。根據(jù)單片機系統(tǒng)的要求，一方面存儲計算、處理、統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，以備查詢或下次調(diào)用；另一方面，根據(jù)數(shù)據(jù)采集和處理的結(jié)果，可以實時補償功率因數(shù)，或者輸出控制信號。鍵盤顯示電路模塊構(gòu)成人機接口電路，用于終端的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)修改、數(shù)據(jù)顯示和查詢。報警電路模塊在采集到的電壓、電流、油溫異常時及時報警，單

15、片機發(fā)出斷電命令。開關(guān)驅(qū)動電路模塊主要用于在緊急或特殊情況下開關(guān)系統(tǒng)微控制器。溫度檢測模塊用于實時檢測變壓器的油溫，并在油溫異常時切斷保護變壓器。智能變壓器保護系統(tǒng)采集的信號包括電流、電壓、油溫和時間；手動輸入信號包括手動合閘、手動分閘和故障查詢；控制器對輸入信號進行分析處理后產(chǎn)生的輸出信號包括實時電流顯示、溫度顯示、故障顯示、報警、自動關(guān)斷、故障記錄和自動重合閘?？傮w設(shè)計工作如下:(1)過載保護功能。當系統(tǒng)檢測到變壓器的工作電流大于其額定電流的1.1倍時，將啟動延時切換過程，并記錄過載時間和原因。(2)油溫監(jiān)控功能。變壓器工作油溫實時檢測，報警溫度設(shè)定為80。當溫度達到100時，開關(guān)關(guān)閉，并

16、記錄故障信息。(3)自動重合功能。當負載切斷時，將計時15s。如果電流下降到額定電流以下，接觸器將自動控制閉合，并將負載連接到變壓器。此時，如果負載電流再次達到關(guān)斷條件(油溫高于80)，就會再次關(guān)斷。如果系統(tǒng)在一分鐘內(nèi)重合閘三次，將永久關(guān)閉，等待人工處理。這種情況說明負荷已經(jīng)超負荷，沒有下降趨勢。(4)數(shù)據(jù)存儲功能。每次關(guān)閉制動器時，應(yīng)將故障狀態(tài)、過載電流和油溫等數(shù)據(jù)信息寫入數(shù)據(jù)存儲器，以供參考。系統(tǒng)的總體設(shè)計流程如圖1-2所示。單片機啟動后，首先檢測電流和油溫。當油溫大于80時，報警電路報警并再次檢測油溫。如果大于100，制動器將直接關(guān)閉，并記錄故障。如果低于100，將檢測電流。油溫低于80

17、時，根據(jù)反時限過流保護軟件檢測電流、報警、延時、切斷并記錄故障。如果油溫和電流符合要求，可以顯示數(shù)據(jù)。如果在1分鐘內(nèi)連續(xù)三次關(guān)閉制動器，制動器將永久關(guān)閉。單片機復(fù)位測試油溫T80Y普通報警Ii 1.1In英寸電流T100不知道YY報警耽擱延遲15秒切換并記錄故障。是時候關(guān)掉剎車三次了？普通Y永久制動切割圖1-2系統(tǒng)軟件總體設(shè)計AT89S51單片機介紹特性簡介MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容；ISP中4k字節(jié))閃存；1000次擦除循環(huán)；4.0V5.5V工作電壓范圍；靜態(tài)工作模式:0hz 33 MHz；三級程序加密鎖；28 8字節(jié)內(nèi)存；2個可編程I/O端口；兩個16位定時器/計數(shù)器；6個中斷源；雙

18、工串行UART通道；低功耗空閑和省電模式；中斷可以將系統(tǒng)從空閑模式中喚醒；看門狗(WDT)和雙數(shù)據(jù)指針；電氣識別和快速編程特性；芯片振蕩器和時鐘電路；靈活的系統(tǒng)內(nèi)編程(ISP字節(jié)或頁面寫入模式)。AT89S51提供以下標準功能:4k字節(jié)閃存、128字節(jié)RAM、32個I/O端口、看門狗(WDT)、兩個數(shù)據(jù)指針、兩個16位定時器/計數(shù)器、一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)、一個全雙工串行通信端口、片上振蕩器和時鐘電路。同時AT89S51可以降低到0Hz靜態(tài)邏輯運行，支持兩種軟件可選的省電工作模式。空閑模式停止CPU的工作，但允許RAM、定時器/計數(shù)器、串行通信端口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電模式保存RAM的內(nèi)容，

19、但振蕩器停止工作，并禁止所有其它元件工作，直到下一次硬件復(fù)位。當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組端口線以分時方式交換地址(低8位)和數(shù)據(jù)總線被多路復(fù)用，在訪問期間，有源部分上拉電阻。在F1ash編程期間，端口P0接收指令字節(jié)，而在程序驗證期間，它輸出指令字節(jié)。驗證期間，需要外部上拉電阻。引腳定義VCC:電源電壓輸入；GND: HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/8503941.htm 電源地；P0端口:P0端口是一個8位開漏雙向I/O端口，每個引腳可以吸收8TTL柵極電流。當P1端口的引腳第一次寫1時，定義為 HY

20、PERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/1410710.htm 高阻進入。P0可用于外部程序數(shù)據(jù)。 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/87697.htm 存儲器，可以定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程期間，端口P0用作源代碼輸入端口。檢查FIASH時，端口P0輸出源代碼。此時，端口P0的外部必須拉高。 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/picview/1641206/1641206

21、/0/43e6c733c82f0478ac4b5f52.html 圖1-3PDIP封裝中AT89S51引腳圖P1端口:P1端口是8位雙向I/O端口，帶上拉電阻，P1端口緩沖可以接收和輸出4TTL柵極電流。當P1引腳寫入1時，它被上半部分上拉，可以用作輸入。當P1引腳從外部拉低至低電平時，它將輸出電流，這是由于上半部分的上拉。在閃存編程和驗證期間，P1端口作為第八個地址被接收；P2端口:P2端口是一個帶上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2端口緩沖器可以接收和輸出四個TTL門電流。當P2端口被寫入“1”時，其引腳被上拉電阻上拉，用作輸入。因此，當它用作輸入時，P2端口的引腳被外部拉低，這將輸出電流。

22、這要歸功于部委的拉動。P2港應(yīng)該對外使用。 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/421016.htm 程序存儲器或16位地址。 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/1273932.htm 外部數(shù)據(jù)當訪問存儲器時，P2端口輸出地址的高八位。當給定地址“1”時，它利用外部8位地址數(shù)據(jù)的上拉 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/87697.htm 存儲器當讀寫時，P2港輸出它的 H

23、YPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/714719.htm 特殊功能寄存器容量。在閃存編程和驗證期間，P2端口接收高位八位字節(jié)地址信號。 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/8407048.htm 控制信號；P3: P3引腳是帶有部分上拉電阻的八個雙向I/O端口，可以接收和輸出四個TTL柵極電流。當P3端口被寫入“1”時，它們被拉高到高電平并用作輸入。作為輸入，P3端口將由于外部下拉輸出電流到低電平，這是由于上拉。除了作為一個普通的I/O端口，P3還有

24、第二個功能:3.0rxd(串行輸入端口)；P3.1 TXD(串行輸出端口)；P3.2/INT0(外部 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/121718.htm 中斷0);P3.3/INT1(外部中斷1)；P3.4 T0(T0 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/281961.htm 定時器外部計數(shù)輸入)；P3.5 T1(T1 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/281961.

25、htm 定時器外部計數(shù)輸入)；P3.6/WR( HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/1273932.htm 外部數(shù)據(jù) HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/87697.htm 存儲器寫選通脈沖)；p 3.7/研發(fā)( HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/1273932.htm 外部數(shù)據(jù) HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%

26、20/view/87697.htm 存儲器讀取選通脈沖)。P3端口同時接收一些用于閃存編程和程序驗證。 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/8407048.htm 控制信號。當I/O端口用作輸入端口時，有兩種工作模式，即所謂的讀端口和讀引腳。讀取端口時，實際上并不是從外部讀取數(shù)據(jù)，而是將端口 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/629932.htm 鎖存器容量被讀入 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%

27、20%20%20/view/1529154.htm 部總線，經(jīng)過一些操作或轉(zhuǎn)換后寫回端口。 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/629932.htm 鎖存器。只有當端口被讀取時，外部數(shù)據(jù)才真正被讀入。 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/1529154.htm 部總線。89C51的端口P0、P1、P2和P3都用作輸入。 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/2342085.ht

28、m 準雙向端口。除了P1港，P0港、P2港和P3港還有其他功能。RST:復(fù)位輸入，高電平有效。當.的時候 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/429391.htm 振蕩器重置設(shè)備時，保持兩個RST引腳。 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/713240.htm 計算周期高電平時間；ALE/PROG: HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/2260573.htm 數(shù)據(jù)鎖存器允許/

29、 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/3281.htm 編程脈沖終端。參觀時 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/1774042.htm 外部存儲器什么時候， HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/2260573.htm 數(shù)據(jù)鎖存器正當?shù)?HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/355572.htm 輸出水平

30、用于鎖存地址的低位字節(jié)。在閃光燈下 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/3281.htm 編程在此期間，這 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/641241.htm 引腳用于輸入 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/3281.htm 編程脈搏。正常情況下，ALE端子以恒定的頻率周期輸出正脈沖信號。這個頻率是 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.ba

31、idu%20%20%20%20/view/429391.htm 振蕩器頻率的1/6。因此，它可以用作外部輸出脈沖或用于計時目的。但是，應(yīng)該注意的是，無論何時用作 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/1273932.htm 外部數(shù)據(jù) HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/87697.htm 存儲器，ALE脈沖將被跳過。如果要禁止ALE的輸出，可以在SFR8EH地址上置0。此時，ALE僅在執(zhí)行MOVX和MOVC指令時工作。此外，這 HYPERLINK .

32、/%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/641241.htm 引腳被微微拉起。如果 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/1125.htm 微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)下，ALE被禁止，設(shè)置無效；:外部 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/421016.htm 程序存儲器選通信號在低電平有效。通過外部程序 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/vi

33、ew/87697.htm 存儲器指的是周期，每個 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/713240.htm 計算周期兩個是有效的。但是在參觀過程中 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/1273932.htm 外部數(shù)據(jù)內(nèi)存中，兩個有效的信號不會出現(xiàn)；/VPP:外部 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/421016.htm 程序存儲器允許進入。當保持低電平時，外部 HYPERLI

34、NK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/421016.htm 程序存儲器(0000H-FFFFH)，是否有程序存儲器。注意加密模式1時，鎖定部分復(fù)位；當端子保持在高電平時，程序存儲器存儲在這里。在閃存編程期間，該引腳還用于施加12V編程電源(applyXTAL1:切片 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/429391.htm 振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生器的輸入端；XTAL2:平板電腦 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%

35、20%20%20/view/429391.htm 振蕩器反相放大器的輸出。本設(shè)計主要采用P1端口和RST引腳。P1口與電量計量芯片的SPI通信接口相連，實現(xiàn)通信。其中包括:P1.5引腳用于計量模塊ATT7026的SPI串行數(shù)據(jù)輸出信號線；P1.6引腳用于計量模塊ATT7026的SPI串行數(shù)據(jù)輸入信號線；P1.7引腳用于計量模塊ATT7026的SPI串行時鐘輸入信號線；引腳P3.3用于計量模塊ATT7026的SPI片選信號線。當RST保持高電平超過兩個機器周期時，它會自動復(fù)位。上電瞬間，電容充電電流最大，電容相當于短路，RST引腳處于高電平，自動復(fù)位；然后電源通過電阻給電容充電，RST端電壓緩慢

36、下降。當電容兩端電壓達到電源電壓時，電容充電電流為零，電容相當于開路，RST端降至低電平，微控制器開始正常工作。小事本章首先通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖簡要介紹了變壓器智能保護系統(tǒng)的工作原理，并根據(jù)任務(wù)書的相關(guān)要求繪制了系統(tǒng)流程圖。其次，詳細介紹了系統(tǒng)主控芯片AT89S51的特點和引腳說明。此外，還提到了單片機與計量芯片ATT7026之間的通信接口，這將在后面的章節(jié)中詳細介紹。電能計量模塊的硬件設(shè)計電量計量芯片ATT7026介紹ATT7026是一款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系統(tǒng)。它集成了六個二階sigma-delta ADC、基準電壓電路和數(shù)字信號處理電路，用于測量所有功率、能量

37、、有效值和功率因數(shù)隨頻率的變化。因此，在配有單片機的系統(tǒng)中，可以方便地測量各相的有功功率、無功功率、視在功率、帶無功電能的有功電能，還可以測量各相電流有效值、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)。功能介紹ATT7026可以實現(xiàn)有功功率測量的1級或0.5級，無功功率測量的2級或3級。ATT7026支持電阻網(wǎng)絡(luò)電表校準和軟件電表校準。軟件電表校準是通過相關(guān)的電表校準寄存器進行小電流的增益、相位和非線性補償，可以測量21次以上諧波的有功和無功功率，將系統(tǒng)誤差修正到0.5米的要求。有功和無功頻率檢查輸出CF1和CF2提供瞬時有功和無功功率信息，可以直接連接到標準表進行誤差校正。ATT7026芯片集成

38、了6個16位ADC，采用雙端差分信號輸入。最大輸入電壓為1.5V，即能輸入的正弦信號的最大有效值為1V。合適的電壓通道Un對ADC的輸入應(yīng)為0.5V左右，而電流通道Ib的ADC輸入應(yīng)為0.1V左右，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路接收電壓電流互感器電路傳輸?shù)哪M電壓電流信號，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便ATT7026芯片對電參數(shù)進行采樣。監(jiān)控電路持續(xù)監(jiān)控模擬電源(AVCC)。當電源電壓低于4V時，ATT7026芯片會復(fù)位，有利于電路上電和斷電時芯片的正常啟動。芯片正常工作時，在延時和濾波環(huán)節(jié)設(shè)置電源監(jiān)控電路，可以最大程度地防止電源噪聲帶來的誤差。為保證ATT7026芯片正常工作，模擬電源應(yīng)去耦，使AVCC波動不

39、超過5V5%。ATT7026芯片提供了SPI接口，方便了ATT7026芯片與主控微控制器之間測量參數(shù)和校準參數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸。所有電能計量參數(shù)均可通過SPI接口讀取。芯片引腳定義ATT7026芯片的引腳如圖2-1所示。圖2-1 att 7026芯片的引腳圖引腳定義:RESET(1):輸入，RESET引腳，低電平有效，帶300K上拉電阻；SIG(2):輸出，正常應(yīng)用時為高電平。當外部MCU通過SPI寫入校準表數(shù)據(jù)時，立即變?yōu)楦唠娖?；當芯片因異常原因重啟或上電?fù)位時，此引腳為低電平；V1P/V1N (3，4):A相電流通道的輸入、正負模擬輸入引腳。全差分輸入模式，正常工作的最大信號電平為1.5V兩個引

40、腳都有ESD保護電路，最大耐受電壓為6V；Cap (5):輸出，參考2.4V，可外接。用一個10uF鉭電容與一個100nF陶瓷電容并聯(lián)，對此引腳去耦；V3p/V3N (6，7):B相電流通道的輸入、正負模擬輸入引腳。全差分輸入模式，正常工作的最大信號電平為1.5V兩個引腳都有ESD保護電路，最大耐受電壓為6V；Agnd (8，15):電源，模擬電路的接地參考點(即ADC和參考電源)。此引腳應(yīng)連接到PCB的模擬地；為了有效抑制噪聲，模擬地和數(shù)字地之間應(yīng)該只有一個連接。V5p/v5n (9，10):C相電流通道的輸入、正負模擬輸入引腳。全差分輸入模式，正常工作的最大信號電平為1.5V兩個引腳都有E

41、SD保護電路，最大耐受電壓為6V；Out (11):輸出，基準電壓輸出，用作外部信號的DC偏置，偏置電壓約為2.45VAVCC(12):電源，此引腳提供ATT7026模擬電路的電源，正常工作電源電壓應(yīng)保持在5V5%；為了將電源的紋波和噪聲降至最低，此引腳應(yīng)通過一個10F鉭電容與一個100nF陶瓷電容并聯(lián)去耦。V2/V2N (13，14):A相電壓通道的輸入、正負模擬輸入引腳。全差分輸入模式，正常工作的最大信號電平為1.5V兩個引腳都有ESD保護電路，最大耐受電壓為6V；V4p/V4N (16，17):B相電壓通道的輸入、正負模擬輸入引腳。全差分輸入模式，正常工作的最大信號電平為1.5V，兩個引

42、腳部分設(shè)有ESD保護電路；AVCC (18):電源。此引腳提供ATT7026模擬電路的電源，正常工作電源電壓應(yīng)保持在5V5%。為了將電源的紋波和噪聲降至最低，此引腳應(yīng)通過與0.1uf電容并聯(lián)的10uf電容去耦。V6P/V6N (19，20):C相電壓通道的輸入、正負模擬輸入引腳。全差分輸入模式，正常工作的最大信號電平為1.5V，兩個引腳部分設(shè)有ESD保護電路；S0/S1 (21，22):輸入，這兩個邏輯輸入用于選擇輸出頻率的系數(shù)。器件中有一個300K的上拉電阻；GND(23):電源，數(shù)字接地引腳；測試(24)輸入，測試引腳，正常應(yīng)用接地。器件中有一個300K的上拉電阻；SCF(25):輸入，該

43、邏輯輸入用于選擇輸出頻率的系數(shù)，與S0/S1一起使用，帶300K上拉電阻；SEL(26):輸入，接高電平時選擇三相四線制，接地電平時選擇三相三線制。器件中有一個300K的上拉電阻；CF1(27):輸出，有功頻率檢定的輸出，其頻率反映組合相的平均有功功率，常用于儀表有功功率檢定，也可用于電能計量；CF2(28):輸出，無功功率頻率檢查的輸出，其頻率反映組合相的平均無功功率。常用于校驗儀表的無功功率，也可用于電能計量；F1/F2 (29，30):輸出，低頻脈沖輸出，其輸出反映三相平均有功功率。直接驅(qū)動機電式儀表；F3/F4(31，32):輸出，低頻脈沖輸出，其輸出反映三相平均無功功率。直接驅(qū)動機電

44、式儀表；VDD (33):電源，核電源輸出3.0V，外接10uf電容并聯(lián)一個0.1uf電容去耦；VCC (34，41):電源，數(shù)字電源引腳，正常工作電源電壓應(yīng)保持在5V5%，此引腳用一個10uf電容與一個0.1uf電容并聯(lián)去耦；CS (35):輸入，SPI片選信號，低電平有效，200K電阻上拉；SCLK (36):輸入，SPI串行時鐘輸入(Schmidt)，注意:上升沿放數(shù)據(jù)，下降沿取數(shù)據(jù)；DIN(37):輸入，SPI串行數(shù)據(jù)輸入；DOUT(38):輸出，SPI串行數(shù)據(jù)輸出；VDD (39):電源，核電源輸出3.0V，外接10uf電容并聯(lián)一個0.1uf電容去耦；REVP(40):輸出，當檢測到

45、組合有功功率為負時，表示電流電壓連接方向相反，輸出高電平；當檢測到合閘功率再次為正時，表示正常，該引腳的輸出將再次復(fù)位為低電平。據(jù)此可以判斷是否接線錯誤；OSCI(42):輸入，系統(tǒng)晶振輸入，或外部灌溉系統(tǒng)的時鐘輸入；OSCO(43):輸出，晶體振蕩器的輸出端；GND (44):電源，數(shù)字接地引腳?？驁D介紹ATT7026的結(jié)構(gòu)大致可以分為三部分:第一部分是模數(shù)轉(zhuǎn)換。芯片通過六個通道采集的電壓、電流的模擬量在我部的AD轉(zhuǎn)換器中進行轉(zhuǎn)換，輸出芯片可以進行相關(guān)運算的數(shù)字量。第二部分是數(shù)字處理，這是ATT7026的核心。該模塊負責(zé)計算傳輸?shù)臄?shù)字量的有效值，從而得到其有功功率、無功功率和功率因數(shù)。第三部

46、分主要是輸出，即通過SPI接口連接到單片機，傳輸數(shù)據(jù)?？驁D如圖2-2所示:圖2-2 att 7026的框圖應(yīng)用程序圖如圖2-3所示，ATT7026外部硬件電路主要包括電源、電壓電流模擬輸入、脈沖輸出和SPI通信接口等。每個ADC的交流輸入由VxP和VxN輸入，要求VxP和VxN疊加2.4V左右的DC偏置電壓，VxP和VxN輸入電路中1.2K的電阻和0.01uF的電容構(gòu)成抗混疊濾波器，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)應(yīng)對稱。由于ATT7026在測量部分采用數(shù)字濾波結(jié)構(gòu)，為了保證測量精度，建議選用24.576MHZ的晶振，檢查晶振是否正常，頻率和幅度是否符合要求。ATT7026和MCU一般有六個連接，其中四個是SPI

47、端口線CS、SCLK、DIN和DOUT，一個復(fù)位控制線和一個握手信號SIG。圖2-3 att 7026的應(yīng)用原理圖系統(tǒng)復(fù)位ATT7026提供兩種復(fù)位模式:硬件復(fù)位和軟件復(fù)位。硬件復(fù)位通過外部引腳復(fù)位完成，該引腳有一個300K的上拉電阻，因此在正常工作期間處于高電平。當RESET處于大于20us的低電平時，ATT7026將進入復(fù)位狀態(tài)，當RESET變?yōu)楦唠娖綍r，ATT7026將從復(fù)位狀態(tài)進入正常工作狀態(tài)。軟件復(fù)位通過SPI端口完成。當0 xD3命令寫入SPI端口時，系統(tǒng)復(fù)位一次。復(fù)位后，ATT7026A開始從初始狀態(tài)運行。當ATT7026復(fù)位時，SIG處于高電平。ATT7026復(fù)位到工作狀態(tài)后，

48、大約500us后，SIG會從高電平變?yōu)榈碗娖?。此時，芯片將開始正常工作，然后才能寫入校準表數(shù)據(jù)。一旦寫入校準表數(shù)據(jù)，SIG將再次變?yōu)楦唠娖?。?fù)位圖如圖2-4所示。圖2-4 ATT7026系統(tǒng)復(fù)位相關(guān)值的測量電壓增益賠償電壓有效價值測量電壓數(shù)字相移過濾器數(shù)字相移過濾器無功功率測量速率電壓有功功率功率增益賠償優(yōu)點測量速率視在功率計算數(shù)字相移過濾器視在功率功率因數(shù)計算當前有效價值測量電流增益賠償功率增益賠償相位整流表觀電流功率功率因數(shù)電流圖2-5數(shù)字信號處理框圖信號處理模塊描述:(1)數(shù)字高通濾波器:主要用于去除電流和電壓采樣數(shù)據(jù)中的DC成分。(2)數(shù)字相移濾波器:主要完成90相移的電壓信號的信號處

49、理。在保證信號幅頻響應(yīng)不衰減的前提下，可以對30hz 1500Hz的采樣信號進行90相移處理。因此，無功功率測量的帶寬限于1500Hz。(3)有功功率的測量:通過乘法、加法、數(shù)字濾波等一系列數(shù)字信號處理得到每相的有功功率。DC分量后的電流和電壓信號。電流和電壓采樣數(shù)據(jù)包含多達21次的諧波信息。有功功率的測量原理圖如圖2-5所示。有功功率測量公式:(2-1)圖2-6有功功率測量示意圖(4)無功功率測量根據(jù)無功功率(正弦無功功率)，定義公式:(2-2)無功功率的算法與有功功率類似，只是電壓信號移相90度后，測量帶寬主要受限于數(shù)字移相濾波器的帶寬。(5)測量視在功率、功率因數(shù)和相位角基于上述測得的有

50、功功率和無功功率，這些參數(shù)可以通過平方根、除法等運算得到。功率因數(shù)公式:(2-3)功率因數(shù)的符號由無功功率的符號決定。6)電壓和電流有效值的測量通過平方、平方、數(shù)字濾波等一系列運算，得到電壓采樣值。當1000mv到10mv的信號輸入到電壓通道時，電壓有效值的誤差小于0.5%。有效電壓值:圖2-7電壓有效值的測量原理它是通過對當前采樣值進行平方、平方、數(shù)字濾波等一系列運算得到的。電流通道輸入1000mv至2mv的信號時，電流有效值的誤差一般小于0.5%。圖2-8電流有效值的測量原理(7)能量計算能量可以通過對功率信號與時間進行積分來獲得。單相有功電能:組合有功電能可根據(jù)設(shè)置以代數(shù)或絕對模式累計，

51、代數(shù)加模式Ept=Epa+Epb+Epc。如圖2-9所示。圖2-9有功功率的測量單相無功電能:(2-7)相無功電能分為兩種方式:代數(shù)加法模式:Eqt=Eqa+Eqb+Eqc （2-7）Absolute value addition mode:Eqt=|Eqa|+|Eqb|+|Eqc| （2-8）As shown in the figure below:Figure 2-10 Reactive Power Measurementinterface moduleATT7026 inherits an SPI serial communication interface. The SPI of AT

52、T7026 works in a slave mode, using two control lines and two data lines: CS, SCLK, DIN and DOUT.CS: Chip selection, allowing access to the control line of serial port. When CS changes from high level to low level, SPI operation starts, and when CS changes from low level to high level, SPI operation

53、ends. Therefore, every time SPI is operated, CS must have a falling edge, and when CS has a rising edge, the SPI operation is finished.DIN: Serial data input, which is used to transmit users data to ATT7026.DOUT: serial data output, used to read data from ATT7026 register.SCLK: serial clock, which c

54、ontrols the transmission rate of data removal or serial port. The rising edge puts data, and the falling edge fetches data. On the falling edge of SCLK, the data on DIN is sampled into ATT7026, and on the rising edge of SCLK, the data of ATT7026 is placed on DOUT for output.Circuit design of transfo

55、rmerThe phase voltage of three-phase four-wire system is 220V, and the line voltage is 380V. As the input voltage of ATT7026 is 01V, it is necessary to use the voltage and current transformer circuit to reduce the working current and voltage, and then use it as the input of ATT7026.Voltage transform

56、erVoltage transformer is equivalent to a step-up transformer, which can play the role of step-down and isolation. In this design, SPT204B measuring voltage transformer produced by Iridium Technology is selected to build the voltage transformer circuit.SPT204B is a current-mode voltage transformer, a

57、nd its recommended state is 1mA:1mA. Technical features and related parameters:Electromagnetic isolation, high precision and no drift; MTBF 100,000 hours; Full resin sealing, high reliability; Working temperature-25 +75; Isolation withstand voltage AC2500V/1min；; 2 times overload; Input current 1mA

58、(external current limiting resistor); Shielding type, strong anti-interference ability; Output current 1mA；; The frequency is 20 50 khz, especially suitable for power frequency signal detection; Linearity 0.1%, strong impact resistance; Less than 5 points difference (after compensation); Compact and

59、 can be directly welded on the printed circuit board; Corresponding model SPT204B.The application circuit of voltage transformer is shown in Figure 2-11:R1 Ii IoSPT254BUi R2 UoFigure 2-11 Application Circuit of Voltage TransformerAs the phase voltage of the three-phase four-wire system is 220V, if R

60、1=220K is selected to make the primary current Ii be 1mA, the secondary side will also induce the same current Io=Ii=1mA. According to Uo=1mAR2, the required output voltage Uo can be obtained by selecting an appropriate output resistor R2. As the working voltage of ATT7026 is 01V, R2=100 can be sele