毕业设计—智能化测控应用系统设计

1、目 录1.前言21.1.概述21.2.智能电表的现状21.3.智能电表的原理31.4.智能电表的特点32.总体方案设计52.1电表设计方案的探讨52.2机电一体式智能电表的设计52.3全电子式（基于ATT7022B的智能电表的设计）62.3.1.电能计量芯片ATT7022B的功能及结构62.4方案的选择73.单元模块设计83.1.电压电流采样输入模块功能介绍及电路设计83.1.1 在信号采样、输入电路设计中应注意的几点问题93.2.电源模块功能介绍及电路设计9处理模块功能介绍及电路设计10单片机模块功能介绍及电路设计13显示模块功能介绍及电路设计143.6 ATT7022B的相关介绍15功能简

2、介15芯片特性16的相关介18显示模块的相关介绍193.8.1 LCD模块193.9.三端稳压集成电路7805213.9.1 7805概述213.10.晶体振荡器224软件设计244.1 软件校表244.2 软件校表应用255.系统功能、指标参数315.1系统能实现的功能315.2系统指标参数测试315.3校表参数336.结论377. 设计总结与心得体会388. 参考文献39附录1：相关设计图401.前言1.1.概述随着国民经济的不断发展,电力已经成为国家的最重要能源。就民用电力来说,由于人民物质生活的极大丰富,生活质量迅速提高,对电力的需求也越来越大。但是,当前居民用电的管理过于落后,居民用

3、电管理收费多年来一直采用先用电、后抄表、再付费的传统作业方式。居民用电绝大多数实行“分表制”,即若干集中居住的家庭(一个居住单元或若干居住单元的集合)使用一个总的电表,每户装一个分电表,电力部门抄表员抄收总电表的电量,作为居民交付电费的依据。居委会或物业管理部门还需去抄取各家电表的读数,按比例收取电费。这种用电管理模式,给居民带来诸多不便,而且增加了管理人员的工作。据统计,仅电力部门的抄表队伍人数就数以万计,且人为方式弊端多,工作效率低,给管理部门造成了人力、物力、时间上的极大浪费。为了适应社会的需要,保证用户安全、合理、方便地用电,对传统的电表和用电的管理模式进行改造,使之符合社会发展的需要

4、就显得很有必要。长期以来,我国生产的交流电度表均为感应式机械电度表,几十年来不得不采用人工抄读电表的原始方式。目前全国大部分电力公司、电业局完成了用电营业计算机管理系统的开发和应用。但作为用电管理最重要也是最基础的用电数据仍采用原始落后的人工抄收的方法,不但劳动强度大、效率低,而且还会存在抄表不到位、估抄、漏抄、错抄、错算及抄表周期长等问题,对窃电的防治更无从谈起。在社会走向信息化,网络化,电力系统大踏步现代化的今天,手工抄表更是与无人值班等高度的自动化形成了鲜明对比,成为制约供电系统现代化管理的一大障碍。就系统的完整性而言,电力系统从发电,配电,传输一直到区域变电所已基本实现网络化管理,而唯

5、独用户终端没有和网络连接上,造成了系统的不完整,直接或间接的影响了系统潜能的发挥。正是由于以上背景,智能电度表应运而生。所谓智能电表,就是应用计算机技术,通讯技术等,形成以智能芯片(如CPU)为核心,具有电功率计量计时、记费、与上位机通讯、用电管理等功能的电度表。1.2.智能电表的现状目前,国内智能电度表从结构上大致可分为机电一体式和全电子式两大类。机电一体式,即在原机械式电度表上附加一定的部件,使其既完成所需功能,又降低造价且易于安装,一般而言其设计方案是在不破坏现行计量表原有物理结构,不改变其国家计量标准的基础上加装传感装置变成在机械计度的同时亦有电脉冲输出的智能表,使电子记数与机械记数同

6、步,其计量精度一般不低于机械计度式计量表。这种设计方案采用原有感应式表的成熟技术,多用于老表改造。全电子式则从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件,从而取消了电表上长期使用的机械部件,与机电一体化电度表相比具有电表体积减小,可靠性增加,更加精确,耗电减少,并且生产工艺大大改善,不必只在原有意义上的专业电度表厂生产等优越性,最终会取代带有机械部件的计量表。传统的电表可以分为单向机电式，单向电子式，多向机电式，多向电子式。1.3.智能电表的原理电子式智能电表,是在电子式电表的基础上,近年来开发面世的高科技产品,它的构成、工作原理与传统的感应式电能表有着很大的差别。感应式电表主要是由铝盘、

7、电流电压线圈、永磁铁等元件构成,其工作原理主要是通过电流线圈与可动铅盘中感应的涡流相互作用进行计量的。而电子式智能电表主要是由电子元器件构成,其工作原理是先通过对用户供电电压和电流的实时采样,再采用专用的电能表集成电路,对采样电压和电流信号进行处理,并转换成与电能成正比的脉冲输出,最后通过单片机进行处理、控制,把脉冲显示为用电量并输出。通常我们把智能电表计量一度电时AD转换器所发出的脉冲个数称之为脉冲常数,对于智能电表来说,这是一个比较重要的常数,因为A/D转换器在单位时间内所发出脉冲数个的多少,将直接决定着该表计量的准确度。目前智能电表大多都采用一户一个A/D转换器的设计原则,但也有些厂家生

8、产的多用户集中式智能电表采用多户共用一个A/D转换器,这样对电能的计量只能采用分时排队来进行,势必造成计量准确度的下降,这点在设计选型时应该注意。1.4.智能电表的特点由于采用了电子集成电路的设计,再加上具有远传通信功能,可以与电脑联网并采用软件进行控制,因此与感应式电表相比,智能电表不管在性能还是操作功能上都具有很大的优势。(1)功耗:由于智能电表采用电子元件设计方式,因此一般每块表的功耗仅有0·6w0·7w左右,对于多用户集中式的智能电表,其平均到每户的功率则更小。而一般每只感应式电表的功耗为1·7w左右。(2)精度:就表的误差范围而言,2·0级电子

9、式电能表在5%400%标定电流范围内测量的误差为±2%,而且目前普遍应用的都是精确等级为1·0级,误差更小。感应式电表的误差范围则为+0·86%-5·7%,而且由于机械磨损这种无法克服的缺陷,导致感应式电能表越走越慢,最终误差越来越大。国家电网曾对感应式电表进行抽查,结果发现50%以上的感应式电表在用了5年以后,其误差就超过了允许的范围。(3)过载、工频范围:智能电表的过载倍数一般能达到68倍,有较宽的量程。目前810倍率的表成正为越来越多用户的选择,有的甚至可以达到20倍率的宽量程。工作频率也较宽,在40HZ1000HZ范围。而感应式电表的过载倍数一般

10、仅为4倍,且工作频率范围仅为4555HZ之间。(4)功能:智能电表由于采用了电子表技术,可以通过相关的通信协议与计算机进行联网,通过编程软件实现对硬件的控制管理。因此智能电表不仅有体积小的特点,还具有了远传控制(远程抄表、远程断送电)、复费率、识别恶性负载、反窃电、预付费用电等功能,而且可以通过对控制软件中不同参数的修改,来满足对控制功能的不同要求,而这些功能对于传统的感应式电表来说都是很难或不可能实现的。2.总体方案设计 2.1电表设计方案的探讨长期以来 ,我国生产的交流电度表均为感应式机械电度表 ,几十年来不得不采用人工抄读电表的原始方式。目前全国大部分电力公司、电业局完成了用电营业计算机

11、管理系统的开发和应用。但作为用电管理最重要也是最基础的用电数据仍采用原始落后的人工抄收的方法 ,不但劳动强度大、效率低 ,而且还会存在抄表不到位、估抄、漏抄、错抄、错算及抄表周期长等问题 ,对窃电的防治更无从谈起。在社会走向信息化 ,网络化 ,电力系统大踏步现代化的今天 ,手工抄表更是与无人值班等高度的自动化形成了鲜明对比 ,成为制约供电系统现代化管理的一大障碍。就系统的完整性而言 ,电力系统从发电 ,配电 ,传输一直到区域变电所已基本实现网络化管理 ,而唯独用户终端没有和网络连接上 ,造成了系统的不完整 ,直接或间接的影响了系统潜能的发挥。正是由于以上背景 ,智能电度表应运而生。所谓智能电表

12、 ,就是应用计算机技术 ,通讯技术等 ,形成以智能芯片(如)为核心 ,具有电功率计量计时、记费、与上位机通讯、用电管理等功能的电度表。2.2机电一体式智能电表的设计机电一体式 ,即在原机械式电度表上附加一定的部件 ,使其既完成所需功能 ,又降低造价且易于安装 ,一般而言其设计方案是在不破坏现行计量表原有物理结构 ,不改变其国家计量标准的基础上加装传感装置 ,变成在机械计度的同时亦有电脉冲输出的智能表 ,使电子记数与机械记数同步 ,其计量精度一般不低于机械计度式计量表。这种设计方案采用原有感应式表的成熟技术 ,多用于老表改造。图 2.1典型的机电一体式的电表的信号采集图图2.1是一个典型的机电一

13、体式的电表的信号采集图。电量来自电表表盘的旋转在表盘上贴一反光标志 ,当标志转至发光二极管处 ,其光线被反射到电表的光敏管上 ,使其导通 ,产生一个电脉冲,此脉冲即可作为一个信号源送到外部的信号处理电路中实现相应的功能。此类电表的功能较单一，而且精度还依赖于旧表。2.3全电子式（基于ATT7022B的智能电表的设计）随着电子技术和计算机技术的发展以及配电网自动化系统的实施，进一步促进了电能质量问题的研究及其检测装置的研制，以往采用多个采样模块加上多路转换开关和高分辨率的模拟数字转换器构成一个同步采样模块的方式逐渐被带DSP功能的专用高精度计量芯片所替代。与传统电表相比，本文方案采用低功耗单片机

14、 STC89C51和炬力公司的三相电能专用计量芯片ATF7022B来实现防窃电电能表，具有高精度、低功耗、防窃电等特点，用RS485通信可以方便远程抄表，远程校表等功能。2.3.1.电能计量芯片ATT7022B的功能及结构 ATT7022B是一款多功能防窃电三相电能计量专用芯片，该芯片适用于三相三线和三相四线的应用。它集成了7路二阶sigma-deatlADC，其中 3路用于三相电压采样，3路用于电流采样，还有1路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样、输出采样数据和有效值，使用方便。它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、

15、谐波和全波的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量频率、各相电流及电压有效值、功率因数、相角等参数，提供两种视在能量(PQS，RMS)。ATT7022B 高 精 度 多 功 能 防 窃 电 基 波 谐 波三 相 电 能专用计量芯片电流采样输入STC89C51 单 片 机LCD显示模块电压采样输入图2.2 电能表硬件组成框图2.4方案的选择因为我是电力专业的学生，所以对机械方面的知识不了解。在设计智能电表的过程中变不可能采用机电一体式来设计，故而采用全电子式（基于ATT7022B的智能电表的设计）来完成本次本次课程设计。况且，采用全电子是来设计智能电表有很多的优点，比较

16、容易完成。所以经过最终的思考选择了采用全电子式来设计智能电表。3.单元模块设计3.1.电压电流采样输入模块功能介绍及电路设计ATF7702B的电压电流采样输入电路如图3.1所示，该部分电路主要由电流、电压互感器、抗混叠滤波器和参考电压输入电路组成。从互感器出来的信号，经过滤波处理后，消除了干扰信号，再叠加上一个参考电压信号，即可送入ATT022B的AD转换器进行采样。其中三相电压输入电路中元件参数相同。根据电压互感器二次电压是05V还是几伏来确定电压信号输入回路中的电阻和电位器。原则是电位器两端的电压能调整到不超过ATT7022B最大输入电压有效值范围。本系统选用2200.5V电压互感器。三相

17、电流输入电路中元件参数也相同。如果不需要检测零线电流，可以不安装零线电流互感器，而将对应的两个输入端短接起来。零线电流互感器根据零线电流大小的实际情况进行选择。所有的电流互感器都要根据二次电流是多少来确定电流互感器二次线圈并接的电阻。原则是二次电流在该电阻上的压降不超过ATT7022B电流输入最大有效值。本系统选用的是1.5（6）/5mA的电流互感器。输入电路中的电阻值如图3.1中所示 图3.1 ATF7702B的电压电流采样输入电路3.1.1 在信号采样、输入电路设计中应注意的几点问题芯片各输入引脚的VxP和VxN的直流偏置电压为245V左右，偏置电压由芯片的第1l脚REFOUT提供，也可由

18、外电路提供，否则不能准确计量。为保证测量精度，芯片第5脚外接滤波电容应尽量靠近管脚处，走线粗短，远离其它信号线，且两个电容均不可省去。电容的接地点应与采样信号的地线尽可能短的连在一起。VxP和VxN输入电路中电阻12k和电容001F构成了抗混叠滤波器，其结构和参数要讲究对称，并采用温度性能较好的元器件，从而保证电表获得良好的温度特性。任意一相电流与电压反向时，芯片第40脚REVP输出高电平，据此可以判断接线是否有错。芯片的输入脚SEL接高电平为选择三相四线接线方式，接低电平为选择三相三线接线方式。电源电压VCC、AVCC应在5(1±5)V以内。GND与AGND为数字和模拟电源参考点，

19、在PCB布线时应将他们就近接大面积地，不要区分GND和AGND，更不要在GND和AGND之间接电感、电阻和磁珠等元件。3.2.电源模块功能介绍及电路设计电源模块功能顾名思义就是为ATT7022B提供可靠的电压，它的作用相当之重要，如果专用计量芯片ATT7022B没有一个良好的电源供电环境，那么怎么叫它工作呢。所以电源电路的设计对电表的性能尤为重要，为了保证练好的电磁兼容性需要注意以下几点：1） 电源电压VCC、AVCC应在5V(误差在5%以内) 2） 建议在7805的输出端接2200uF的滤波电容3） GND与AGND为数字和模拟电源参考点，在PCB布线时应将他们就近接大面积地，不要区分GND

20、与AGND，更不要在GND与AGND指尖接电感、电阻和磁珠等元件。4）大面积铺地不要铺到整流元件之前，电压采样的固定电阻下面也不要铺地,做到强、弱电分开。5）去耦电阻及电容靠近IC模拟部分保证较好的滤波效果。6)用电阻网络分压取样电路，VN应经压敏电阻后接内部电路。 图3.2 电源电路3.3.ATT7022B处理模块功能介绍及电路设计ATT7022B 的所有测量值都可以从计量参数寄存器中读取，每秒做三次数据更新（0x3f第七路ADC采样数据输出更新速率为3.2K），这些参有功率：基波、谐波、全波有功功率、无功功率、视在功率，其中有分各相的和合相的值。功率是有符号号的量，所有的有功和无功功率都有

21、方向，寄存器里以补码形式存 放，数据的最高位表示功率的方向，0 表示正向，1 表示反向。合相功率是各分相功率的代数和，利用合相有功功率、无功功率的 方向，可以做四象限功率测量。 ATT7022B 专门设置了功率方向寄存器，将各相和合相的有功、无功 的功率方向集 于其中，便于用户使用。功率的计算，对分相参数是寄存器读数还原为原码（即寄存器的读数是二进制 数，在读数最高 位为 1 时，需寄存器读数进行取反加 1 的操作。读数最高位为 0 时，读数本身就是原码）后除以28, 对合相参数是寄存器读数还原为原码后除以26,计算出的值还应乘以系数 3200/N（N 是脉冲常数），当 完成功率增益补偿的校

22、正后，这就是实际的功率了。无功测量中采用了数字移相滤波器，完成对电压信号移相 90 度的信号处理， 在保证信号幅频响 应不衰减的前提下，能够对 30-1500Hz 的采样信号进行移相 90度的处理。功率因数和相角：基波、谐波、全波分相和合相的功率因数及相角。功率因数和相角都是有符号的值，在寄存 器里以补码形式存放，数据的最高位表示功率因数或相角的方向， 其定义与无功功率方向定义相同，0表 示正，1表示负。将功率因数寄存器读数还原为原码后除以223就得到功率因数值，当校表完成相位补偿后，这就是电网实 际的功率因数值。相角的计算是将寄存器读数还原为原吗后，=（/223）*2*180/。在 不同的象

23、限中，表示的角度需做如下转换：当有功功率为正，无功为正时，实际角 度是；当有功功率为正，无功为负时，实际角度是360；当有功功率为负，无功为正时，实际角度是180°；当有功功率为负，无功为负时，实际角度是180°。功率因数和相角参数都不需要校正。电压夹角：ATT7022B 给出各分相的电压的夹角，只有全波的参数,提供三个寄存器 YUaUb 、YUaUc、YUbUc 分别表示AB/AC/BC电压的夹角。需将电压相角测量功能开启才能测到，读取寄存器值除以213,即为测量值。电压夹角参数不需要校正，但只有当电压夹角测量使能控制寄存器EnUAngle=0x003584 时，ATT7

24、022B才能够对电压相角测量进行测量，从而可以得到电压夹角参数；而当EnUAngle 寄存器为其他不等于0x003584 的内容时ATT7022B则电压夹角测量功能被关闭。在基波、谐波电能计量功能开启时，电压夹角测试功能不能长期打开。有效值：ATT7022B 提供基波、谐波和全波的各分相电压有效值和三相的电压矢量和有效值，以及全 波的电流有效值，三相电流矢量和有效值。读取寄存器值除以213,即为测量值。由ATT7022B 信号处 理流程可以看出有效值的增益补偿与功率增益补偿是分别进行的，即使电能误差校准了，有效值还需 一一进行校正。通常第 7 路 ADC 用于检测零线电流大小，其有效值计算公式

25、与其它电压电流 的计算公式 相同，但第7 路ADC 需由寄存器GCtrlT7Adc 的bit0 控制是否开启， Bit0=1 开启，Bit0=0 则关闭。 三相电流矢量和：ATT7022B提供三相电流的矢量和的有效值输出，在三相四线的应用中可 以用它检测 出零线电流的大小。为了保证该矢量和计算的精度，建议校正后的电流 值与采样值接近，在单片机中 将校正值乘以一个系数，得到测量值。举例来说，在电流Ib输入条件下，如Ib为1.5A，校正前A相电流寄存器的 值为 66A，B 相电流 寄存器的值为 63A，C 相电流寄存器的值为 61A，做电流校正时 将 A、B、C 相电流值均校正到 60A，这 样，

26、做矢量和时就能保证参与计算的数据的 有足够的有效位数，从而保证三相电流矢量和的精度。 单片机将校正后的电流值读 出后，乘以系数1.5/60=0.025，即可得到测量值1.5A。电压及电流相序的检测：在三相四线的应用中，通过检测电压、电流信号的过零点的顺序 来判断电压、电 流的相序是否正常。只要有一相电压失压，电压逆相序标志就置位； 同样只要有一相电流为零，电流 逆相序标志就置位。在三相三线的应用中，电压相 序是通过电压夹角的大小来做判断，这时不提供电 流相序的判断功能。注意电流相 序的测量需要先使能其控制器，即将校表寄存器 0x30 赋值 0x005678。 在基波、谐 波电能计量功能开启时，

27、电流逆相序检测功能不能长期打开。在计量参数寄存器0x2C 中，bit3、bit4 给出了电压逆相序和电流逆相序的状态标志。失压检测： ATT7022B 有一个断相阈值寄存器，当检测到电压有效值寄存器的值低于断相阈值寄存器的值，在计量参数寄存器0x2C 中的bit0、bit1、bit2 就给出了A、B、C各相失压状态标志。 频率：电压信号的过零点，ATT7022B 测量出电网的基波的频率，以补码存放在寄存器中, 因频率值不可能为负,所以最高位不可能为 1。读取寄存器值除以 213, 就是频率值，该参数不需要校正。电能：ATT7022B 提供各种电能记录数据：全波正向有功电能记录、全波反向有功电能

28、记录、全波正向无功电能记录、全波反向无功电能记录、基波（谐波）有功电能记录、基波（谐波）无功电能记录， RMS 视在电能和PQS 视在电能。而每种记录都会提供相应的读后不清零的电能寄存器及读后清零的电 能寄存器（标有2 的寄存器）。电能记录与校表脉冲同步更新，即CF口发一个电能脉冲，相应的电能寄存器 数值加一。因此将 能量寄存器的值，除以脉冲常数，即为实际用电度数。有功电能寄存器（0x1E到0x21，0x31到0x34）记录了正向和反向全波有功 电能的绝对值和， 同样无功电能寄存器（0x22到0x25，0x35到0x38）记录了正 向和反向全波无功电能的绝对值和。基波有功电能寄存器（0x50到

29、0x53，0x70到0x73）记录了基波或谐波或RMS 正向和反向有功电能的绝对值和，同样基波无功电能寄存器（0x54到0x57，0x74 到0x77）记录了基波或谐波或PQS正向和反向无 功电能的绝对值和。合相电能（寄存器0x21、0x25、0x34、0x38、0x43、0x47、0x4B、0x4F、0x53、0x57、0x63、0x67、0x6B、0x6F、0x73、0x77的值）是根据设定的能量累加模式，将三相电能进行绝对 值求和或代数求和的计算得到。如果取绝对值求和模式累加三相电能，则合相的反相电能值（寄存器0x47、0x4F、0x67、0x6F）总为零。从读后清零的各相及合相电能寄存

30、器（标有2的寄存器）读数后，其对应的 未标2的寄存器也会在新的脉冲来到时被清零。当芯片复位时，电能寄存器被清零。温度：ATT7022B 内置温度传感器，并提供一个8 位的ADC 对温度进行采样输出， 分辨率在1左右。寄存器低8 位有效，该值需校正，真实温度值为TC-TM，TC 为校正值，TM为寄存器所读数据，计算后的值要转换成原码，如高位为1则取反加1。温度传感器需通过寄存器GCtrlT7Adc(Addr:0x2C)进行使能控制，只有当 GCtrlT7Adc的Bit2/1=10开启，Bit2/1=00/01/11时则关闭温度传感器。 图3.3 ATT7022B处理模块3.4.STC89C51单

31、片机模块功能介绍及电路设计智能电表这个系统主要以单片机STC89C51为控制核心。三相电压电流通过电压互感器，电流互感器转换后，接入三相专用电能计量芯片ATT7022B实时采集变压器的参数，通过SPI接口将采集的各种参数送入单片机STC89C5l；同时，单片机通过串口建立通信，将数据上传到中心站，可以根据采集的数据进行开关量的采集。单片机与ATT7022B一般有6条连线，其中4条是SPI口线CS、SCLK、DIN、DOUT，一条 ATT7022B的复位控 制线，一条握手信号线SIG，在应用中应注意：1）SPI通讯连线应尽可能短，并且周围用地线包起来,否则，SPI传输信号线可能受到干扰。 可以在

32、SPI信号 线上串联一个10电阻并在信号输入端加一个去耦电容，这个电阻靠近 IC的输入端并与所接去耦电容 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。在保证SPI通讯速率正常的情况 下，去耦电容可适当选大，以增强抗干扰 能力，注意CS、SCLK、DIN所串电阻和所并电容要尽量靠近芯 片，DOUT所串电阻和所并 电容要靠近单片机。2）单片机必须对SIG信号或其状态进行监控。在上电或者ATT7022B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。在单片机的SIG输入口处接0.01uF的去耦

33、电容，增强其抗干扰能力。当然也可以检测标志状态寄存器(地址：0x2C)的bit.7是否置位，以确定校表 数据是否需要更新。3) 为了在上电和单片机复位后，ATT7022B能与单片机同步的工作，单片机需要控制ATT7022B的RESET信号，复位过程为RESET信号保持大于20uS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500uS左右，ATT7022B完成初始化,SIG输出低电平信号，此后才能进行SPI操作。在 ATT7022B的RESET端口处接0.1uF的 去耦电容，增强其抗干扰能力。图3.4 STC89C51单片机模块3.5.LCD显示模块功能介绍

34、及电路设计LCD（Liquid Crystal Display）或称液晶显示器，为平面超薄的显示设备，它由一定数量的彩色或黑白像素组成，放置于光源或者反射面前方。液晶显示器功耗很低，因此倍受工程师青睐，适用于使用电池的电子设备。它的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。液晶显示器是一种采用液晶为材料的显示器。液晶是介于固态和液态间的 有机化合物。将其加热会变成透明液态，冷却后会变成结晶的混浊固态。在电场作用下，液晶分子会发生排列上的变化，从而影响通过其的光线变化，这种光线的变化通过偏光片的作用可以表现为明暗的变化。就这样，人们通过对电场的控制最终控制了光线的明暗变化，

35、从而达到显示图像的目的。液晶显示器按照控制方式不同可分为被动矩阵式LCD及主动矩阵式LCD两种。LCD显示模块功能顾名思义就是显示ATT7022B处理模块以及STC89C51单片机模块处理完全的数据。这样可以更加直观的显示我们想要知道的结果。图3.5 LCD显示模块3.6 ATT7022B的相关介绍功能简介ATT7022B是一颗精度高且功能强的多功能防窃电基波谐波三相电能专用计量芯片，它集成了六路二阶sigmadelta ADC，其中三路用于三相电压采样，三路用于电流采样，还有一路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样，输出采样数据和有效值，使用十分方便。该芯片适用于三相三线和三相四线应用。该芯

36、片还集成了参考电压电路以及所有包括基波、谐波和全波(基波+谐波)的各项电参数测量的数字信号处理等电路。ATT7022B能够测量各相以及合相包括基波、谐波和全波的有功功率、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。ATF7022B支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表。有功、无功电能脉冲输出CFl、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。可以对基波有功、无功功率进行测量，提供脉冲输出CF3和CF4提供瞬时基波有功功率以及基波无功功率信息，可直接用于基波的校正。提供两类

37、视在能量输出，RMS视在能量以及PQS视在能量，CF3和CF4也可被配置为视在能量脉冲输出。ATT7022B内部的电压检测电路可以保证加电和断电时芯片正常工作。提供一个SPI接口，方便于外部MCU之间进行计量参数以及校表参数的传递，所有计量参数都可以通过SPI接口读出。芯片特性内部集成七通道(ATT7022A为六通道)的16位高精度ADC和24位高速DSP，在输入动态工作范围(1000：1)内，非线性测量误差小于01；有功测量满足02S、05S，支持IEC 6205322、GB/T 178831998；无功测量满足2级、3级，支持IEC 6205323、GB/T 178821999；提供基波、

38、谐波电能以及总电能测量功能。可单独计量基波电能，消除谐波影响，公平计费；电压通道输入有效值为10mV到1V信号，或电流通道输入有效值为2mV到1V信号时输出电压或电流有效值的误差小于05；第七路ADC提供零线电流检测，也可用于防窃电(ATT7022A只有六路)；提供失压判断功能，具有反向功率指示；提供有功、无功、视在校表脉冲输出；提供基波有功、基波无功校表脉冲输出；合相能量绝对值相加与代数相加可选；电表常数、起动电流可调；可准确测量到含21次谐波的有功、无功和视在功率；支持增益和相位补偿、小电流非线性补偿；具有SPI接口，方便与单片机或其它设备通讯；适用于三相三线和三相四线模式，可选择；电压、

39、电流信号均以交流差动电压方式输入，外部电路极为简单；提供245V基准电压作为外部交流输入信号的直流偏置电压，避免输入失真；采用QFP44封装，单+5V供电。 图3.6 ATT7022B的内部框图图3.7 ATT7022B的引脚定义3.7.STC89C51的相关介STC89C51芯片的实物图如图3.8所示： 图3.8 STC89C51芯片3.8.LCD显示模块的相关介绍3.8.1 LCD模块 LCM（LCDModule）即LCD显示模组，是指将玻璃和LCD驱动器集成到一起的LCD显示产品，它提供用户一个标准的LCD显示驱动接口（有4位、8位、VGA等不同类型），用户按照接口要求进行操作来控制LC

40、D正确显示。LCM相比较玻璃是一种更高集成度的LCD产品，对小尺寸LCD显示，LCM可以比较方便的与各种微控制器（比如单片机）连接；但是，对于大尺寸或彩色的LCD显示，一般会占用控制系统相当大部分的资源或根本无法实现控制，比如320×240 256色的彩色LCM，以20场/秒（即1秒钟全屏刷新显示20次）显示，一秒钟仅传输的数据量就高达： 320×240×8×2011.71875Mb或1.465MB，如果让标准MCS51系列单片机处理，假设重复使用MOVX指令连续传输这些数据，考虑地址计算时间，至少需要接421.875MHz的时钟才能完成数据的传输，可见

41、处理数据量的巨大。图3.9 LCD显示模块实物图LCD模块注意事项： 液晶模块是将液晶器件与控制，驱动电路和线路板PCB装配在一起的组件。他可以可以直接与计算机连接。这种模块使用时，除应注意一般液晶显示器件使用时的注意事项外，还应在装配，使用时注意以下事项： 1.处理保护膜 在装好的模块成品液晶显示器件表面有一层保护膜，以防装配时玷污表面。在整机装配结束之前不得揭去，以免弄脏或玷污显示面。 2.加装衬垫 在模块与前面板之间最好加装一个约0.1MM左右的衬垫。面板还应保持绝对平整。，一保证在装配以后不产生扭曲力。并提高抗震性能。 3.严防静电 模块中的控制、驱动电路是低压、微功耗的CMOS电路，

42、极易被静电击穿，而人体有时会产生高达几拾伏或上百伏的高压静电，所以在操作、装配，以及使用中都要小心，严防静电。为此： 1） 不要用手随意去摸外引线，电路板上的电路及金属框。 2） 若必须直接接触时，应使人体一模块保持同一电位，或将人体良好的接地。 3） 焊接使用的电烙铁必须良好接地，没有漏电。 4） 操作的电动该锥等工具必须良好接地，没有漏电。 5） 不得使用真空吸尘器进行清洁处理。因为它会产生很强的静电。 6） 空气干燥，也会产生静电，因此，工作间湿度应在RH60%以上。 7） 地面、工作台、椅子、架子、推车及工具间都应形成电阻接触，以保持在同一电位上，否则也会产生静电。 8） 取出或放回包

43、装袋或移动位置时，也虚格外小心，不要产生静电。不要随意换或舍弃原包装。 静电击穿是一种不可修复的损坏，务必注意，不可大意。 4.装配操作时的注意事项。 模块是经精心设计组装而成的，请勿随意自行加工，修整。 1） 金属框抓不得随意扭曲，拆卸。 2） 不要随意修改加工PCB板外形，装配孔，线路及部件。 3） 不得修改导电胶条。 4） 不要修改任何内部支架。 5） 不要碰，摔，折曲，扭动模块。 5.焊接 在焊接模块外接、接口电路，应按若下规程进行操作。 1） 烙铁头温度小于280 2） 焊接时间小于3-4S 3） 焊接材料：共晶型、低熔点。 4） 不要使用酸性助焊剂。 5） 重复焊接不要超过3次，且

44、每次重复需要间隔5分钟/ 6.模块的使用与保养 1） 模块使用接入电源及断开电源时，必须按图时序进行。即，必须在正电源（5±0.25V）输入，才能输入信号电平。若在电源稳定接入前，或断开后就输入信号电平，将会损坏模块中的集成电路，使模块损坏。 2)点阵模块是高路数的液晶显示器件，显示对比度，视角与温度，驱动电压关系很大。所以应调整Vee至最佳对比度、视角时为止。如果Vee调得过高，不仅会影响显示，还会影响显示器件的寿命。 3）在规定工作温度范围下限使用时，显示响应很慢。而在规定工作温度范围上限使用时，整个显示面会变黑，这不是损坏，恢复温度范围，就可恢复正常。 4）用力按压显示部分，会

45、产生异常显示，只要切断电源，重新接入即可恢复。 5）液晶显示器件或模块表面结雾时，不要通电工作，因为这时将起电极化学反应，产生断线。 6） 长期用于阳光及强光下时被遮部位会产生残留影象。 3.9.三端稳压集成电路78053.9.1 7805概述图3.10三端稳压集成电路7805的实物图电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78 ×× 系列和负电压输出的79××系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。

46、用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。 注意事项：在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用

47、时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。 在78 * 、79 * 系列三端稳压器中最常应用的是TO-220 和TO-202 两种封装。这两种封装的图形以及引脚序号、引脚功能如附图所示。   图3.11. 三端稳压集成电路7805的引脚图从正面看引脚从左向右按顺序标注，接入电路时脚电压高于脚，脚为输出位。如对于78*正压系列，脚高电位，脚接地，；对与79*负压系列，脚接地，脚接负电压，输出都是脚。如附图所示。 此外，还应注意，散热片总是和接地脚相连。这

48、样在78*系列中，散热片和脚连接，而在79*系列中，散热片却和脚连接。 3.10.晶体振荡器晶振有着不同使用要求及特点，通分为以下几类：普通晶振、温补晶振、压控晶振、温控晶振等。 图3.12 晶体振荡器实物图晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。以声卡为例，要实现对模拟信号44.1kHz或48kHz的采样，频率发生器就必须提供一个44.1kHz或48kHz的时钟频率。如果需要对这两种音频同时支持的话，声卡就需要有两颗晶振。但是娱乐级声卡为了降低成本，通常都采用SRC将输出的采样频率固定在48kHz，但是SRC会对

49、音质带来损害，而且现在的娱乐级声卡都没有很好地解决这个问题。 晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性交机电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。他们的机电效应是机-电-机-电.的不断转换，

50、由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。由于石英晶体的损耗非常小，即Q值非常高，做振荡器用时，可以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线。4软件设计4.1 软件校表流程如下：(写操作时，将校表寄存器地址最高位置 1，称其为命令，如写寄 存器20H，命令为0A0H) 复位ATT7022B，检测到SIG为低时送校表数据，这步可省略。填写电压通道ADC 增益UADCPga（0x3F）设置电压通道ADC 放大倍数。写高频脉冲输出参数到校表寄存器20H(命令0A0H)。写启动电流到校表寄存器1FH(命令9F

51、H)，若不做此步，默认的启动电流值为基本电 流的0.1%。写断相阈值电压到校表寄存器29H(命令0A9H)，若不做此步，默认的断相阈值电压为 参比电压的10%（对三相四线而言）或60%（对三相三线言）。写相位补偿区域设置到校表寄存器02H、03H、04H、05H（命令82H、83H、84H、85H若不做此步，表示不分段进行相位校准，此时相位校正值默认取区域0相位校正寄存器的值。 若写了相位补偿区域设置寄存器（分段按电流大小进行设置，从相位补偿区域设置4开始设 置，电流最小分段点写入相位补偿区域设置 4）， 则低于相位补偿区域设置 4 分段点电流的 相位校正值写入区域4相位校正寄存器；低于相位补

52、偿区域设置3 分段点电流的相位校正值 写入区域3相位校正寄存器；依次类推，最后高于相位补偿区域设置1分段点电流 的相位校 正值写入区域0相位校正寄存器。若相位分段不足5段，则从相位补偿区域设置4开始设置， 不足的 寄存器设置值为零。电表在输入三相电压，分别给A、B、C相输入基本电流，功率因数为1的条件下，根 据测得的各相电 能误差值，写功率增益值到到相应相的校表寄存器06H、07H、08H（命令86H、87H、88H）和 09H、0AH、0BH中（命令89H、8AH、8BH）。电表在输入三相电压，分别给A、B、C相输入基本电流，功率因数为0.5L的条件下， 根据测得的各相 电能误差值，写相位校

53、正值到到校表寄存器0CH、11H、16H。若不分段做相 位校准，则将相位校正值同时 写到校表寄存器 0DH、0EH、0FH、10H、12H、13H、14H、15H、17H、18H、19H、1AH 中。若分段做相位校准，则电表在输入三相电压，根据相位补偿区域 的划分，分别给 A、B、C相输入补偿区域中点的电流（即校正点远离分段点，避免误差跳动）， 功率因数为0.5L 的条件下，根据 测得的各相电能误差值，写相位校正值到校表寄存器10H、15H、1AH等等。输入参考电压，根据电压显示值，分别写校正值到校表寄存器1BH、1CH、1DH中。输入基本电流，根据电流显示值，分别写校正值到校表寄存器26H、

54、27H、28H中。填写基波测量使能控制寄存器 EnLineFreq，使 ATT7022B 处于所需要的计量工作状 态。如要选择谐波计量工作状态，在填写基波测量使能控制寄存器EnLineFreq=0x007812， 使 ATT7022B 处于所基波计量工作状态后，再填写基波测量与谐波测量切换选择寄存器 EnHarmonic=0x0055AA， 使ATT7022B 处于谐波计量工作状态，如填写其它值则ATT7022B 处于基波计量工作状态，如不选择谐波 计量状态，则此步跳过。注意： *校表是在相应的校表寄存器内容为零的条件下进行。4.2 软件校表应用以1.5(6)A，220V三相四线表为例，设计参

55、数如下：脉冲常数N为 3200imp/kWh，额定电流输入时，电流通道的输入电压 Vi 为 0.1V，参比 电压输入时，电压通道的输入电压 Vu 为 0.1V，将该表设置成谐波计量状态。以下子程序用 8051 的汇编语言写成，入口：A 寄存器放命令（对于写操作）或地址（对于读操作），20H、21H、22H 为存放写数据的寄存器，30H、31H、32H 为存放读出数据的寄存 器，R0 寄存器存放写入 或读出的内容的首地址，R3 寄存器放写或读的字节数。WR_SPI为写ATT7022B 的子程序，RE_SPI为读ATT7022B的子程序。复位ATT7022BRESET7022B:CLRATT702

56、2B_RSTMOV R7,#20H；延时 DELAY1: NOPDJNZ R7,DELAY1SETB ATT7022B_RSTMOV R7,#0FFH；延时 DELAY2: NOPDJNZ R7,DELAY2RET填写电压通道ADC 增益UADCPga（0x3F）设置电压通道ADC 放大倍数为4： MOV 20H，#46HMOV 21H，#55H MOV 22H，#01H MOV A，#0BFH LCALL WR_SPI写HFConst:Hfreq =INT 5760000000 × G × G ×VU ×Vi/ U n × Ib ×

57、 Nq=5760000000*0.648*0.648*0.5*0.1/(220*1.5*3200)=114=72HMOV 20H，#00H MOV 21H，#00H MOV 22H，#72H MOV A，#0A0H LCALL WR_SPI写起动电流： Io=0.4%*Vi=0.004*0.1=0.0004Istartup=G* Io=0.648*0.0004=0.0002592Istartup=0.0002592*223=2174=87EHMOV 20H，#00H MOV 21H，#08HMOV 22H，#7EHMOV A，#9FH LCALL WR_SPI写A 相功率增益：三相电压输入220 伏，仅输入A 相电流1.5 安培，功率因数为1.0，标准表的电能误差 读数为0.74%，即err