工科毕业论文

1、i 三相多功能电表设计 摘摘 要要 本方案主要由检测电路、专用电能计量芯片att7022、stc12单片 机、12864液晶显示、按键、rs485通信、红外通信以及电源部分组 成。电路中的电流（电压）信号经过电流（电压）互感器，强电信号转 换为安全的弱电信号，通过att7022把计量数据传给单片机，由单片机 控制12864液晶显示,另设按键可选择显示测量数据,并扩展rs485和红 外线通信功能。因为att7022具有极高的精度，能够达到1级测量精度要 求，由于互感器铁芯趋于饱和，当电力线路出现过电压或过电流时，其 输出不会成正比的增加，能保护测量仪表设备。 关键词: stc12单片机 att7

2、022计量芯片 三相电参数测试 rs485通信 红外通信 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 录录 第一章第一章 绪绪论论.1 1.1 课题的研究目的和意义.1 1.2 课题的主要研究内容.2 1.3 三相电表的研究情况及其发展.3 第二章第二章 三相多功能电表的三相多功能电表的总体设计总体设计.8 2.1 方案论证.8 2.2 总体方案.14 2.3 三相电表的工作原理.11 第三章第三章 硬件硬件设计设计.13 3.1 硬件结构.18 3.2 测量单元.19 3.2.1 att7022简介.19

6、 3.3 单片机.23 3.4 rs485通讯模块.27 3.5 红外通讯模块.30 3.6 显示模块.33 2 3.7 电源电路.33 3.7 校表.33 第四章第四章 软件设计软件设计.39 4.1主程序设计.39 4.2中断程序设计.43 参考文献参考文献.46 谢谢 辞辞.46 附附 录录.47 3 第一第一章章 绪论绪论 1.11.1 本课题的研究目的和意义本课题的研究目的和意义 电能表是电力系统中重要的组成部分,是衡量电能消费数量的计量 仪器,其技术性要求很高,既要求精确计量,更要求稳定工作,并能保证长 期高度的可靠性,对于电力事业的发展有十分重要的意义。本设计所研 制的三相多功能

7、电能表以stc12c5410单片机为核心,集计量、显示、控 制、保护和通信于一体。系统采用att7022取代了采样硬件电 路。att7022是一款精度高且功能强的多功能基波谐波三相电能专用计 量芯片,该芯片适用于三相三线和三相四线的应用,它还集成了参考电压 电路以及所有包括基波、谐波和全波的各项电参数测量的数字信号处理 电路,能够测量各相及合相包括基波、谐波和全波有功功率,无功功率, 视在功率,有功能量以及无功能量,同时还能测量频率,各相电流以及电 压有效值,功率因数,相角等参数,提供两种视在电能,充分满足三相多功 能电能表以及基波谐波电能表制作要求。相比传统的设计方法来说,这 不仅大大化简了

8、外围电路,降低了成本,而且提高了设备的精度和可靠 性。此外,采取rs-485通信方式,系统能够方便地与上位机进行数据交 换,更有利于电力系统的自动化。 1.21.2 本课题的主要研究内容本课题的主要研究内容 该三相多功能电表对电网电压，电流信号进行调理，电压经过分压 电阻或者互感器，电流经过高精度电流互感器，把大信号转换成小信号 经过计量芯片att7022计算出电压、电流有效值，有功、无功功率等并 通过液晶进行显示。多功能电能表是一个微处理系统, 微处理器是多功 能 4 电能表的核心, 所有的计算、数据交换、控制、显示、通信等功能 都是基于单片微处理器来完成的。综合考虑性能、资源及应用情况,

9、设 计选用了89c51系列单片机。计量芯片选用大规模集成电路att7022, 该 芯片内部由计量电路、cpu、存储器、lcd显示驱动电路、外围逻辑电路 等几部分组成，其中计量电路含有基准电压源和有功功率与有功电能, 无功功率, 电压有效值, 电流有效值及频率所需要的全部数字信号处理 功能的电路。att7022支持 iec687/1036 标准的精度要求, 在动态范围 1000:1 内误差小于0.1%。该电能表提供rs-485通信接口方式，通信设 备的三根通信线a、b、通信地线与电能表通信接口rs-485的a、b、通信 地线对应联接进行数据通信。 1.31.3 国内外的研究情况及其发展国内外的研

10、究情况及其发展 2003年以来，也就是中国的城市和农村电网进行大规模改造、建设之 后，电力系统对三相多功能表的需求量迅速增长， 2004年产量估计约 70万台，以不足全国电能表总产量1%的份额，创造11%的电能表总产 值。由此，国际、国内电表企业纷纷看好商机，抓紧新技术开发，不断 推出三相多功能表的新产品，以满足电能表市场的应用需求。 与传统的机械表相比，采用电子计量原理的三相多功能表，具有高 精度、多参数测量、谐波功率电能计量等优势。从总体评价，三相多功 能表还是稳态电力负荷计量产品，由于其应用领域扩大，电力系统对电 表不断提出新的技术要求。现有的三相多功能表性能和品质，都不能完 全适应电力

11、系统的需求。因此，如何正确把握产品技术发展趋势，改进 产品设计，将三相多功能表技术水准推向一个新的高度，无疑是电表行 业和电力系统共同关注的课题。 一、引进的三相多功能电能表新 技术 5 引进的三相多功能表新技术，代表目前国际上电能表技术的最高水 平： 1、高精度、长寿命计量 准确度为0.1%的有功电能计量，超过iec在线计量的最高准确度 要求，其误差曲线的带宽为+/-0.05%； 0. 2 s级三相基波表，具有分相的250次谐波有功功率计量； 0.2s级长寿命的电网关口表，具有电能质量计量模块。 2、高速率、实时测量 交流采样速率为256点/周波，记录周期最短为10毫秒； 电能质量计量：63

12、次谐波、电压闪变、故障录波78微秒的瞬变， 供电可靠性指标的记录为99.9999999%。 3、开放式、高速率通信技术应用 开放式通信协议iec62056-61/62/53/46/42，抄表、费率、负荷 控制数据交换； 互联网通信，自动发送e-mail报警信号、系统运行状态刷新、数 据记录，通过以太网连接到某些国际知名的电量计费系统的关口 表，web服务器可直接读取电表各种实际数据、电能质量参数，无需任 何专用软件。 4、三相电能计量专用芯片 采用低频滤波法计量谐波无功功率的三相计量芯片，高位- a/d，负荷动态范围1000：1，线性度0.1%，具有温度测量功能，片上接 口可直接与微分电流互感

13、器连接； 精度优于0.1%的三相soc单芯片，21位2阶-a/d，32位可编程 的电能量计算引擎，负荷动态范围2000 6 ：1，片内集成：高速8051单片机、硬实时钟、lcd驱动电路、看门狗电 路、定时器、多种存储器、多种通信接口等。 二、国产三相多功能电能表新技术 国产电子式三相多功能表技术开发起步较晚，近几年，注重吸收国 际计量技术与管理经验，强化自主开发，取得了许多新的技术成果： 1、三相多功能表 0.2s级有功功率计量，16位-a/d，160m ips的dsp，交流采 样速率256点/周波，运行和备用两套费率时段，负荷曲线记录和容量为 4m字节的存储器，宽电源电压范围，互感器合成误差

14、补偿，变压器铜 损、铁损计算； 0.5s级三相基波有功表； 采用三相soc单芯片或三相有功、无功计量芯片的低端三相多功 能表设计，从技术上适应电表量大、面广的市场需求； 高压电能表，采用电子式传感器，悬浮式电源设计，有功电能计 量准确度为0.5级，用于10千伏中压电网直接计量电能量。 2、谐波功率、电能计量 三相谐波表，有功功率计量0.2s级，无功功率计量0.5s级，高准 确度的基波和谐波有功电能计量，采用实时积分法计算总有功电能，通 过fft算法，提供基波、谐波电能量和谐波功率方向； 冲击负荷电能计量理论与算法，应用广义功率理论，定义任意波 形的单相电路和三相电路的功率，应用正弦电路功率理论

15、、传统非正弦 电路功率理论和广义功率理论进行冲击负荷的有功、无功、视在、畸 变、三相不对称功率电能的计算； 7 基于iir型hilbert数字滤波法的谐波无功功率的测量，hilbert 数字滤波器具有优越的频率响应特性，数值计算简单，经计算的谐波无 功功率，与仿真实验结果只差0.02%； 谐波有功功率潮流分析方法，经研究指出：fft理论具有局限 性，实际的电力负荷，除基波和整数倍频成份外，尚有间谐波存在，需 要开发电能表新的算法。 3、三相电能计量专用芯片 具有基波/谐波电能计量的三相多功能计量芯片，16位- a/d、24位dsp，负荷动态范围1000:1，线性度0.1%，测量带宽21次谐 波

16、，集成温度传感器； 采用hilbert数字滤波器计量谐波无功功率的三相计量芯片； 采用数字并行算法和降低晶振频率技术的低功耗三相有功功率计 量芯片。 4、基于gprs通信网的用电需求侧管理系统及其终端 该系统具有远程抄表、用电异常信息报警、电能质量检测、线损 分析、无功电压管理和电力负荷控制管理等功能，系统指标为：并发数 据量不小5万采集点，一次采通率不小于95%，二次采通率不小于 99.5%，遥测合格率大于98%，对时精度小于100毫秒。 5、关口表远程校准系统 该系统由多路关口表的测量、校准回路和计算机通信网络构成， 就是将高精度三相标准表置于变电站内环境条件符合要求的场所，被测 电流的变

17、换是通过计量电流互感器的二次回路接入0.02级、5/0.5a的中 间互感器，标准表和关口表的三相接线方式和有功、无功计量方式是通 8 过工控机指令切换，关口表的实时误差通过专用信道送至系统主站，整 个系统误差为0.1%。 综上所述，经过十几年的发展，中国的三相多功能表门类比较齐 全，中、低端电表技术开发水平较高，特别是冲击负荷电能计量理论与 算法、谐波无功功率计量、具有谐波功率计量的三相专用芯片、高压电 能表、gprs通信技术应用、电能远程校准等技术项目具有创新意义。 但是也应该看到，高端电表技术没有完全过关，电网关口计量仍以进口 电表为主导产品，这是一个值得深思的问题。 三、未来三相多功能电

18、能表技术的走向 正视现状，展望未来，需要超前预测电表应用领域和技术要求的不 断变化，才能正确把握今后产品技术的走向。 1、应用领域的拓展：近几年，中国的社会用电量迅速增长，全国 联网，特高压电网建设，百万千瓦级发电机并网，家居网络化进程，电 网经营管理改进和计量新技术应用等要素，推进电表应用领域的扩展， 主要是： 从用电计量计费扩大到配电变压器、变电站的经济管理和用电需 求侧管理的计量； 从用户计费扩大到发电厂上网电量、跨省电网联络线交换电量的 计费； 从315千伏安及以上的大工业用户计费扩大到100千伏安及以上的 商业、非工业、普通工业户的计费，以上电表应用领域的扩大，引起计 量点总量估计由

19、60万个扩大到400万个，电表应用需求量前景看好。 9 2、技术要求的更新：随着电表应用范围扩大，电力系统 提出许多具有专业特点的计量要求 传统计费电表的通用要求，有功、无功电能计量，最大需量计 量，费率时段，单方向、双方向和不完整的四象限计量，多参数测量， 多种计时要求，多种通信方式，自检、报警，停电抄表，失压、断相、 停电、失流、三相不对称、编程预置、需量复位等事件记录； 新提出的通用要求，运行和备用两套费率时段，0-360计量， 具有时标的视在电能计量，最小需量计量，qh计量，温度误差自动补 偿，谐波电压、电流总含量和谐波污染程度测量，防窃电基础技术，同 时，计费电表要准确可靠，功能简单

20、、实用； 中等容量户计量的特殊要求，大电流计量，半波通过电流互感器 计量，三相不平衡、不对称计量； 变电站进线、出线计量的特殊要求，主变压器损耗计量，变电站 的有功、无功、视在电能平衡计量，无功功率控制信号输出，用户线路 的特殊要求，参照大工业户计量的特殊要求内容； 配电变压器计量的特殊要求，停电采集，三相不平衡、不对称测 量，中性线电流测量，变压器油温测量，变压器损耗计量和有功、无 功、视在电能平衡，电力线路损耗电量的核实, 等； 3、产品技术的发展趋向 三相多功能表技术要跟踪应用需求的不断变化，也就明示了今后 产品技术的发展趋向： 电表多门类：由单一的计费产品发展到关口计量、配电变压器计

21、量、变电站计量、大工业户计量、中等容量户计量、用电需求侧管理系 统及终端6类产品，分别制订产品技术规范； 10 关口电能表，要发展高精度、高稳定性、高可靠性、快速测 量、0-360计量、多通信方式和协议，经国际、国内同类电表的比 较，提出量化指标和测试方法； 计费用三相多功能表要计量准确、简单可靠、讲求实用，逐步发 展三相soc单芯片，开发具有谐波电压、电流总含量和谐波污染程度的 测量技术，研究温度、电压、频率、相位改变的自适应计量； 基于gprs通信网的用电需求侧管理系统及终端，要改进实时性和 安全性技术，从长远看，即使将来电力不紧张，用于配电变压器计量与 抄表、居民用电远程抄表，其发展前景

22、也很好； 加强国内电能质量和电能计量标准建设，包括：基波、谐波功 率电能计量标准的建设，进口急需而国内缺门的国际新型计量标准设 备，满足在线电表新产品计量溯源的要求； 最后是研究制订三相多功能表质量评价标准与测试方法，提高在 电网上运行电表的整体技术品质。 第第二二章章 三三相相电电表表的的总总体体设设计计 2.12.1 方案论证方案论证 本次设计的任务是制作一个能同时对三相工频交流电的三相电压、 三相电流、三相有功功率、三相无功功率、总有功功率、总无功功率、 功率因数、电网频率、有功电能和无功电能进行测量的数字式多用表。 11 2.1.12.1.1 电能参数计量模块电能参数计量模块 方案一方

23、案一：本方案用ade7755计量电能，采用三三片ade7755芯片分别对 每一相的有功电能进行单独计量，再叠加到三相总有功电能的设计方 案，不仅使电能计量电路在电路板上占用空间大、线路密集，造成电表 抗干扰能力差；成本较高，致使产品的性价比低；而且电能计量芯片的 参数不可调使得电表计量精度降低 方案二方案二: 本方案用芯片att7022计量电能，att7022能准确地测量三 相工频交流电的电压、电流、频率、功率、电能等参数； att7022可以 对芯片内的工作模式寄存器进行不同设置，使之适用于三相三线和三相 四线的工作环境；同时能提供相序及断相检测功能；同时提供分相以及 合相参数；提供正向和反

24、向有功电能数据；att7022精度高，在输入动态 工作范围（1000:1）内，非线性测量误差能达到小于0.1%的精度；还能 提供电压和电流的有效值参数，有效值精度要优于0.5%。很好的满足了 设计中对测量功能、技术参数以及准确度的要求。所以本设计采用方案 二。 2.1.22.1.2 电压、电流检测模块电压、电流检测模块 信号采集板给信号处理板提供要采集的电流电压，并隔离掉干扰 信号，避免其进入主控电路板。在信号的检测部分，有利用互感器和霍 尔传感器检测两种方法。 方案一方案一 利用霍尔传感器采集三相电参数。霍尔传感器性能优 越，但成本较高。 12 方案二方案二 利用电流电压互感器采集三相电参数

25、。电流和电压互感 器是一种特殊的变压器，把大电流（高电压）变成小电流（低电压）， 实现了弱电控制强电，保证了电力系统的安全。由于互感器铁芯趋于饱 和，当电力线路出现过电压或过电流时，其输出不会成正比的增加，能 保护测量仪表设备。这一作用满足了设计要求的技术参数，能承受一定 时间的过流过压。互感器在本测试仪中在性能上基本能满足设计要求， 而且成本合理，因此本次设计采用互感器方式。 2.22.2 总体设计方案总体设计方案 本课题设计的电表由电能芯片+微处理器方案，采用三相供电方 式。电能表工作时，电压、电流经取样电路分别取样后，送入专用电能 计量芯片att7022进行处理，并转化为数字信号送到单片

26、机进行计算。 由于采用了专用的电能处理芯片，使得电压电流采样分辨率大为提高， 且有足够的时间来更加精确的测量电能数据，从而使电能表的计量准确 度有了显著改善。 单片机用于处理各种输入输出数据，通过串行接口将专用电能芯 片的数据读出，并根据预先设定的时段完成分时有功电能计量和最大需 量计量功能，根据需要显示各项数据、通过红外或 485 接口进行通讯 传输，并完成运行参数的监测，记录存储各种数据。远红外接口与rs- 485通信接口用于数据通信和远程测量。 协议符合dl/t645-1997通信规 约，通信速率为1200bps，远红外通信距离为3m。rs-485通信接口可与 电表数据采集终端构成远程测

27、量系统，实现远程测量和负荷监控，用于 负荷管理系统，也可用于电站和电站综合自动化接口。 13 该三相多功能电表采用大屏幕12864中文液晶显示器显示各种 计量数据和功能，通过屏幕上的汉字组合及其相关符号可提示显示内 容。 2.2.3 3 工作原理工作原理 如图2.1示，电流信号ia、ib、ic经过电流互感器，电压信号 ua、ub、uc经过电阻分压分别送入电能计量芯片，通过计量芯片得到有 功、无功、电压、电流等原始数据。然后微处理器按特定的算法对原始 数据进行转换、补偿算出三相电压、三相电流、三相有功功率、三相无 功功率、总有功功率、总无功功率、功率因数、电网频率、有功电能和 无功电能等数据。微

28、处理器将最终处理的数据送存储器保存，并可通过 lcd显示器进行显示。 有功和无功电能脉冲可以通过发光二极管或测试脉冲输出。 所有电表内部的数据都可以使用掌机或pc后台通过rs485和红外接口进 行读取。 电流 取样 电压 取样 采集 处理 控制 通信单元 显示单元 按键 其它单元 ia ib ic ua ub uc 图 2-1 三相电表原理框图 14 电能参数电能参数计量原理计量原理 电流有效值： (2-1) dtti t i t rms )( 1 0 2 i(t)-电流瞬时值 电压有效值： (2-2) t rms dtt t u 0 2 )(u 1 u (t)-电压瞬时值 功率因数： (2-

29、3) )( )( sabs pabs pf 三相三线合相功率： (2-4) 2 3 2 33 213 213 sinsinu cosucos qps iuiq iiup bbcaac bbcaac 三相四线合相功率： cccbbba iuiucoscoscosiup aa4 (2-5) 2 4 2 44 4 sinsinsin qps iuiuiuq cccbbbaaa 15 单相无功功率：无功功率计量方法与有功类似，只是电压信号采用移相 90之后的。 (2-6) t q dttitu t q etut 0 90 q )()( 1 )()(u 单相有功功率：各相的有功功率是通过对去直流分量后的

30、电流电压信号 进行乘法加法数字滤波等一系列数字信号处理后得到的。 (2-7) t dttitu t p 0 )()( 1 有功能量：有功能量通过瞬时有功功率对时间的积分得到。 (2-8) dttqe dttp q )( )(ep 第三章第三章 硬件硬件设计设计 3.13.1 结构框图结构框图 本方案设计的三相多功能电表的硬件电路主要由测量单元 （att7022）、单片机（stc12c5410）、lcd显示、eeprom、电源、通信 接口以及操作键盘等几部分组成。本方案的硬件结构框图如下图所示： 16 电电流流互互 感感器器 电电压压互互 感感器器 单单片片机机 stc12c5410 lcd显显

31、示示 通通讯讯接接口口 键键盘盘 eeprom 电电能能计计量量芯芯片片 att7022 spi 图3-1 硬件结构框图 3.23.2 测量单元测量单元 测量单元完成对各种电能参数的测量，主要由电压互感器（pt）、电流 互感器（ct）、和专用电能计量芯片att7022构成。电流和电压信号分 别经过电流互感器和电压互感器送给att7022处理，att7022完成对各种 电能参数的测量并通过spi提供给单片机。 3.2.13.2.1 电能计量芯片电能计量芯片att7022att7022简介简介 一、芯片特性 有功测量满足0.5s/0.2s，支持iec 687/1036,gb/t 17883-199

32、9 无功测量满足2级、3级，支持iec 1268,gb/t 17882-1999 适用于三相三线、三相四线 瞬时有功、无功、视在功率，有功、无功能量测量 功率因数、相位，频率、电压和电流有效值测量 合相能量累加模式可选（代数值/绝对值相加） 三相四线制时提供三相电流向量和的有 效值 17 同时提供分相以及合相参数 同时提供相序以及断相检测功能 直接提供有功、无功校表脉冲数出 电表常数可调 起动电流可调 提供正向和反向有功电能数据 反向有功指示功能 提供四象限无功参数 软件调试电表 支持增益和相位补偿，小电流非线性补偿 具有spi接口，方便与外部mcu通讯 单+5v供电 采用qfp44封装 二、

33、功能简介 att7022是一颗高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和 三相四线应用。 att7022集成了六路二阶sigma-delta adc、参考电压电路及其所 有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的 数字信号处理等电 路、 att7022能测量各相以及合相的有功功率，无功功率、视在功率、 有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因 数、相角、频率等参数，充分满足三相复费率多功能电能表的需求。 att7022支持全数字域的增益、相位校正，既纯软件校表。有功、 无功电能脉冲输出cf1、cf2提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接 到标准表，进行误差校正。 18

34、 att7022提供一个spi接口，方便与外部的mcu之间进行计量参数以 及校表参数的传递。 att7022与单片机一般有6条连线，其中4条是spi口线 cs、sclk、din、dout，一条reset复位控制线，一条握手信号线sig。 单片机必须对sig信号或其状态进行监控。在上电或者芯片受干扰复 位，必须由外部mcu通过s pi口对校表数据进行更新，以保证计量的准 确性。 在应用时应注意：1、所有信号高电平为5v，在与3v电源工作的单 片机连线时，中间应接电平转换电路；2、spi通讯连线应尽可能短，否 则，spi传输信号线可能受到干扰。可以在spi信号线上串联10欧电阻， 这个电阻与ic输

35、入端的寄生电容c结合起来可构成一个低通滤波器，从 而可以消除接受信号的高频干扰。在spi通讯速率允许的条件下，还可 以在信号线的输入端加一个去耦电容，以增强抗干扰能力；3、单片机 必须对sig信号或机器状态进行监控。在上电或者att7022受干扰复位， 必须由外部mcu通过spi口对校表数据进行更新，以保证计量的准确 性。sig信号就是用来通知外部mcu的一个握手信号。在att7022的sig端 口接10nf的去耦电容，增强其抗干扰能力。当然也可以不用sig信号， 可以检测工作状态寄存器的bit.16是否置位，以确定校表数据是否需要 更新。4、为了在上电和单片机复位后，att7022能与垫片及

36、同步的工 作，att7022的reset信号需要由单片机控制，复位过程为reset信号保 持 大于30us低电平，芯片复位，此时sig输出高电平，然后单片机将 reset信号拉高，大约经过500us左右，att7022完成初始化，sig输出低 电平信号，此后才能进行spi操作。在att7022的reset端口处接0.1uf的 去耦电容，增强其抗干扰能力。 spi时序： 19 spi通讯格式是相同的，8位地址，24位数据，msb在前，lsb在后， 对每个寄存器的读写cs信号需动作一次，换句话说，通讯开始时sclk为 低电平，cs由高到低，经过32个时钟脉冲sclk，cs由低到高，完成一个 寄存器

37、的读或写操作。芯片在时钟的下降沿从din线上取单片机送出的 数据，在上升沿从dout线上向单片机送出数据。 下图是读操作时序： 图3-2 读操作时序 单片机送出8位地址后，至少等待3微秒后可以从dout上读取数据。 下图为写操作时序： 20 图3-3 写操作时序 三、表3-1 att7022主要测量参数列表 主要测量参数 参数分相合相 电压有效值 / 电流有效值 视在功率 有功功率 容性无功功率 感性无功功率 功率因数 线频率 / 输入有功能量 输出有功能量 有功能量（输入+输 21 出） 容性无功能量 感性无功能量 无功能量（感性+容 性） 四、内部框图： 22 时钟控制电路 参考电压 模拟

38、采样信号 电流 电压 数字信号处理 有功功率 功率因数 电流有效值 电压有效值 视在功率 无功功率 脉冲生成器 spi 通讯接口 电源管理 频率测量 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 图3-4 att7022内部框图 五、管脚分布： 23 图3-5 att7022管脚分布 六、att7022引脚连接图： 24 图3-6 att7022引脚连接图 3.33.3 单单 片片 机机 主要用来完

39、成接收各种电能参数信息并进行相关的数据处理，控制 lcd按要求显示各种参数以及实现和pc之间的通信。本方案采用的是 stc12c5410作为主控芯片。 3.3.13.3.1 stc12stc12 系列单片机系列单片机简介简介 1. stc12系列单片机为增强型8051芯片，1t，单时钟/ 机器周期，指令 代码完全兼容传统8051单片机。 2. 工作电压： 25 stc12c5410ad 系列工作电压：5.5v - 3.8v（5v 单片机）/3.8v - 2.4v（3v 单片机） 3. 工作频率范围：0 - 35 mhz，相当于普通8051 的 0420mhz.实际 工作频率可达48mhz 4.

40、 用户应用程序空间12k / 10k / 8k / 6k / 4k / 2k / 1k 字节 5. 片上集成 512 字节 ram(stc12c5410ad 系列), stc12c2052ad 系列 单片机为256 字节ram 6. 通用i/o 口（27/23/15 个），复位后为： 准双向口/ 弱上拉（普 通8051 传统i/o 口） 可设置成四种模式：准双向口/ 弱上拉，推挽/ 强上拉，仅为输入/ 高 阻，开漏，每个i/o 口驱动能力均可达到20ma，但整个芯片最大不得超 过55ma。 7. isp（在系统可编程）/iap（在应用可编程），无需专用编程器，无 需专用仿真器 可通过串口（p3

41、.0/p3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片 8. eeprom 功能 9. 看门狗 10.内部集成max810 专用复位电路（外部晶体20m 以下时，可省外部复 位电路） 11. 时钟源：外部高精度晶体/ 时钟，内部r/c 振荡器 用户在下载用户程序时，可选择是使用内部r/c 振荡器还是外部晶体/ 时钟 常温下内部r/c 振荡器频率为：5.2mhz 6.8mhz 精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，应 认为是4mhz 8mhz 26 12. 共2 个16 位定时器/ 计数器，但可用pca 模块再产生4 个定时器 (2052 系列只有两路pca) 13. 外部中断

42、2 路,下降沿中断或低电平触发中断,power down 模式可 由外部中断唤醒 14. pwm(4 路）/pca（可编程计数器阵列,4 路）,5410 系列是4 路， 15. a/d 转换, 10 位精度adc，共8 路。stc12c2052ad 系列只有8 位 精度 16. 通用全双工异步串行口(uart)，由于stc12 系列是高速的8051，也 可再用定时器软件实现多串口 17. spispi 同步通信口，主模式/ 从模式 18. 工作温度范围： 0 - 75 / -40 - +85 19. 封装：plcc-32, pdip-28，sop-28，pdip-20，sop-20，tssop

43、- 20(超小封状6.4mm 6.4mm，定货) plcc-32 有27 个i/o 口，pdip28/sop28 有23 个i/o 口，pdip20/sop20/tssop20 有15 个i/o 口， i/o 口不够时，可用74hc595 / 74hc165 串行扩展i/o 口，或用双cpu, 三线通信，还多了串口。 3.3.23.3.2 stc12c5410stc12c5410引脚分布：引脚分布： 27 图 3-7 stc12c5410引脚分布 csi93c46csi93c46简介简介 一、概述 csi93c46 是一种存储器可以定义为 16 位 org 引脚接 vcc 或者定义 为8位or

44、g引脚接 gnd 的 1k/2k/2k/4k/16k位的串行 e2prom 每一个的 存储器都可以通过 di 引脚 或 do 引脚进行写入或读出每一片 csi93c46/56/57/66/86 都 28 是采用csialyst公司先进的cmos e2prom 浮动门工艺加工，器件可以经 受1,000,000次的写入/擦除操作片内数据保存寿命达到 100年器件可提 供的封装有 dip-8 soic-8 tssop-8。 二、特性 高速度操作 93c46/56/57/66 1mhz 低功耗工艺 电源电压宽 1.8 伏到 6.0 伏 存储器可选择 8 位或者 16 位结构 写入时自动清除存储器内容

45、硬件和软件写保护 慢上电写保护 1,000,000 次写入/擦除周期 100 年数据保存寿命 29 3.43.4 rs-485rs-485通讯模块通讯模块 rs485是美国电气工业联合会(eia)制定的利用平衡双绞线作传输 线的多点通讯标准。它采用差分信号进行传输；最大传输距离可以到 1.2 km；最大可连接32个驱动器和收发器；接收器最小灵敏度可达 200mv；最大传输速率可达2.5 mb/s。由此可见，rs485协议正是针 对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准。 3.4.13.4.1 rs-485rs-485特点特点： 1） rs-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为 +（26

46、） v表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（26）v表示。接 口信号电平比rs-232-c降低了，就不易损坏接口电路的芯片， 且该电 平与ttl电平兼容，可方便与ttl 电路连接。 2） rs-485的数据最高传输速率为10mbps 3） rs-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模 干能力增强，即抗噪声干扰性好。 4） rs-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米，另外rs-232-c接口在总线上只允许连接1个收发器， 即单站能 力。而rs-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站 能力,这样用户可以利用单一的rs-485接口方便

47、地建立起设备网络。 3.4.23.4.2 rs-485rs-485 串行接口标准串行接口标准 30 rs-485 与 rs-232 不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传 输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为 a，另一线定义为 b。通常 情况下，发送驱动器 a、b 之间的正电平在+2+6v，是一个逻辑状态， 负电平在-2v6v，是另一个逻辑状态。另有一个信号地 c，在 rs-485 中还有一“使能”端，而在 rs-422 中这是可用可不用的。“使能”端 是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时， 发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1” 与

48、“0”的第三态。 3.4.33.4.3 max485max485 本设计采用max485来实现远程通讯功能，max485接口芯片是maxim公司 的一种rs485芯片。它采用单一电源+5 v工作，额定电流为300 a， 采用半双工通讯方式。它完成将ttl电平转换为rs485电平的功能。其 引脚结构图如图1所示。从图中可以看出,max485芯片的结构和引脚都非 常简单,内部含有一个驱动器和接收器。ro和di端分别为接收器的输出 和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的rxd和txd相连 即可；/re和de端分别为接收和发送的使能端，当/re为逻辑0时，器件 处于接收状态；当de为逻辑1

49、时，器件处于发送状态，因为max485工作 在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；a 端和b端分别为接收和发送的差分信号端,当a引脚的电平高于b时，代表 发送的数据为1；当a的电平低于b端时，代表发送的数据为0。在与单片 31 机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制max485的接收和发送即 可。同时将a和b端之间加匹配电阻，一般可选100的电阻。 max485引脚： 图3-8 max485引脚 rs485通信模块电路 图3-9 rs485通信模块电路 32 3.53.5 红外通讯模块红外通讯模块 3.5.13.5.1 红外通信的基本原理红外通信的基本原理 红外通信是利

50、用850nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体， 即通信信道。发送端采用脉时调制（ppm）方式，将二进制数字信号调 制成某一频率的脉冲序列，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送出 去；接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后 送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。简而言之，红 外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信 道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。 3.5.23.5.2 红外通信电路红外通信电路 单片机本身并不具备红外通信接口，但可以利用单片机的串行接 口与片外的红外发射和接收电路，组成一个应用于单片机系统的红外串 行

51、通信接口。电路如下图示： 33 图3-10 红外通信电路 红外发送器红外发送器 红外发送器电路包括脉冲振荡器、驱动管t1和t2、红外发射管d1和 d2等部分。其中脉冲振荡器由ne555定时器、电阻（r1、r2）和电容 （c1、c2）组成，用以产生38khz的脉冲序列作为载波信号；红外发射 管d1和d2选用vishay公司生产的tsal6238，用来向外发射850nm的红外 光束。 红外发送器的工作原理为：串行数据由单片机的串行输出端txd送 出并驱动t1管，数位“0”使t1管导通，通过t2管调制成38khz的载波信 号，并利用两个红外发射管d1和d2以光脉冲的形式向外发送。数位 “1”使t1管

52、截止，红外发射管d1和d2不发射红外光。若传送的波特率 设为1200bps，则每个数位“0”对应32个载波脉冲调制信号的时序，如 图3-11所示。 34 图3-11 红外接收器红外接收器 红外接收电路选用vishay公司生产的专用红外接收模块 tsop1838。该接收模块是一个三端元件，使用单电源+5v电源，具有功 耗低、抗干扰能力强、输入灵敏度高、对其它波长（850nm以外）的红 外光不敏感的特点。 tsop1838的工作原理为：首先，通过红外光敏元件将接收到的载波 频率为38khz的脉冲调制红外光信号转化为电信号，再由前放大器和自 动增益控制电路进行放大处理。然后，通过带通滤波器和进行滤波

53、，滤 波后的信号由解调电路进行解调。最后，由输出级电路进行反向放大输 35 出。 为保证红外接收模块tsop1838接收的准确性，要求发送端载波信号 的频率应尽可能接近38khz，因此在设计脉冲振荡器时，要选用精密元 件并保证电源电压稳定。再有，发送的数位“0”至少要对应14个载波 脉冲，这就要求传送的波特率不能超过2400bps。利用上述红外收发电 路构成的红外信道最大通信距离为8m。 3.6 显示模块 通过计量芯片att7022得出的各种电能参数的原始数据要送往单片 机进行最终处理，从而得到最终的电能参数，这些数据还要通过显示模 块显示出来，本次设计选用带中文字库的液晶显示模块cm1286

54、4- 27sly。它是12864点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图 形，内置8192个中文汉字、128个字符以及64256点阵显示 ram（gdram）。可以与cpu直接接口； 提供两种界面来连接微处理机；8位并行及串行两种连接方式； 具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等 电路如下图所示 36 图3-12 液晶显示电路 3.73.7 电电 源源 直流电源是电网电压经过变压整流滤波稳压等变换后得到的。本测试 仪利用a相得到220v电压，然后通过变压器转换为9v的交流电压，再经 过整流桥和稳压芯片7805转换为直流电压，最后经过滤波，就可以得到 +5v的直流电压。这个直流电源向单

55、片机、测量单元(att7022)、rs485 芯片和等电路供电。利用电压互感器（pt）、电流互感器（ct） 将电网与测量电路隔离开来，以保证整个测量系统稳定可靠性。电源电 路如图示： 37 图3-13 电源电路 信号采集模块检测的信号必须是电压信号，因此在电流互感器的输 出端并联一个电阻把电流信号转换为检测模块所需要的电压信号。图中 引脚v1p、v1n、v2p、v2n的信号均送入att7022进行处理。如下图所示 38 图3-14 信号检测模块电路 3.8 校表 3.8.1 校表模式介绍 39 att7022支持全数字校表，即软件校表。经过校正的仪表，有功精 度可高达0.2s，无功精度2级。

56、功率校正方面主要是对比差以及角差进行修正。 比差校正要是对互感器的比差进行修正。互感器比差的非线性在 高精度计量时也是不可忽视的。att7022可以将比差进行分段补 偿。att7022提供寄存器iregchg，可根据电流大小设置补偿分段区域。 通常将iregchg设置在35%ib处，即iregchg=35%ib。当iregchg设定之 后，需要对这两个区域进行比差校正。如果将iregchg设为0，则说明在 整个电流区域内使用一次比差补偿，这时只需对功率增益0进行设置即 可。 同比差校正类似，角差修正也采用分段修正。att7022最多可以提 供五个角差补偿区域，如下图所示。 40 当然，在实际应

57、用中角差的补偿并不需要将电流区域分得这么多 段，在一表级表或者0.5级应用时只需分成两段补偿即可达到要求，在 设计0.2级或者更高精度的电能表时才需要用到多于2段的补偿方法。建 议完成比差修正之后，再做角差的修正，角差修正在0.5l时完成。 att7022还可以通过寄存器对电流。电压有效值进行修正。att7022 脉冲输出频率可以通过hfconst寄存器进行设定。att7022启动电流通过 寄存器istartup进行设置。 3.6.23.6.2 校表步骤及参数计算校表步骤及参数计算 1、校表步骤 高频输出参数设置 相位校正 功率增益校正 角差补偿区域设置 比差补偿区域设置启动电流设置 能量累加

58、模式设置 电压校正 电流校正 开始校表 校表结束 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 图3-15 校表流程图 41 2、参数计算 电流ib经电流互感器后对应到输入通道上的电压有效值应该在 100mv左右。而电压un经电压互感器或者电阻分压网络后对应到输入通 道的电压有效值应该在500mv左右。 下面公式中的增益g是指att7022的adc增益系数，g恒是0.648。 （一）、高频输出参数hfconst：参数hfconst决定校表用的高频脉 冲输出cf的频率。 已知：高频脉冲常数n、额定输入电压un、而定输入电流ib

59、、电压 输入通道vu、电流输入通道vi、增益g 计算公式： （二）、比差分段补偿区域设定 iregchg 已知：比差分段补偿区域ig、增益g 计算公式： （三）、相位补偿区域设置 iregion1、iregion2、iregion3、iregion4，最多可以划分5个电流区 域进行相位补偿。 已知：电流区域is、增益g 计算公式： 在精度要求不是特别高时，通常只需设置2个相位补偿区域，也即 只需将iregion1/2/3/均设为0，根据需要设置iregion4。这样就必须在 i=iregion4以及i=iregion4 42 的相位补偿同时写到phsreg0/1/2/3中，而iiregchg以

60、及iiregchg 处校正的为pgain0，而iiregchg处校正的为pgain1。 已知：标准表上读出误差：err 计算公式： （五）、相位校正 phsrega0、phsrega1、phsrega2、phsrega3、phsrega4 phsregb0、phsregb1、phsregb2、phsregb3、phsregb4 phsregc0、phsregc1、phsregc2、phsregc3、phsregc4 分别对应区间reg0、reg1、reg2、reg3、reg4，在cos()=1时功率 增益已经校正好之后，再进行相位补偿。通常只在0.5l处进行校正。 已知：0.5l处标准备误差读