基于单片机的三相多功能电能表设计说明

1、 PAGE24 / NUMPAGES26 中国分类号：密级：UDC：编号：毕 业 设 计设计题目名称：三相多功能电能表设计学生：严亮 电气自动化电气11-1专业名称：_三年班 级：_1150193120学 制：_专科 学 号：_吴兴 学历层次：_ 指导教师：_ 评阅人：_论文（设计）提交日期： 2014 年 5 月 31 日论文（设计）答辩日期： 2014 年 6 月 5 日建筑职业技术学院摘 要如今，社会在高速的发展，居民和工厂用电也越来越多，因此电能就慢慢的成为人们现实生活中不可缺少的部分，所以我就想设计一个多功能的电能表来适应人们的需求。本文所设计的电能表除了能提高测量精度，能正常平稳的

2、运行，并且还能实现分时测量，实时监测，还可以高效的利用电能，给用户营造一个公平的用电环境。首先阐述了多功能电能表的发展近况与它的基本原理，并给出了课题的总体方案，在此基础上再进行软件电路的设计，采用了模块化设计的方法，来实现按键显示、红外通讯、异常检测与记录等功能；在硬件设计方面，包括通信接口单元、显示单元、计量单元等,本三相多功能电能表拥运行稳定、可靠性高和抗干扰能力强等优点，将适应电力市场的须求，这是必然趋势。关键词：电能计量，时钟芯片，多功能电能表第1章 绪论1.1基于课题的研究背景现代生活越来越离不开电，所以电能成为人们生活中不可缺少的部分。电能表是经济结算和计量电能的主打工具，它的准

3、确度与国家和用户的经济利益息息相关。近几年，高可靠性的元器件和大规模集成电路等被普遍的在应用在电能表上，越来越多的人力物力被投入进去，使得电子式电能表的功能越来越强大、寿命愈来愈高，市场占有率也越来越高，其中三相电子式电能表将获得更多的市场份额，并逐渐能使供用电管理的微机化和自动化变为为现实。本次课题就是基于由于这种背景设计的。1.2 电能表的进程和现状1.2.1 感应式电能表目前广泛使用的是根据感应电流的金属盘的原理在交变磁场与磁场成形力和能量计的设计。感应式电能表具备以下特点：制造简单，价格低廉，可靠性好和整修方便，所以现在大部分发展中国家仍然使用感应式电能表来进行计量工频电能。1.2.2

4、 关于机电一体式电能表的简介由于计算机技术和微电子技术的迅速发展，越来越多的人开始运用，所以基于感应电能表的机电一体化电能表就在此背景下应运而生。电能表的工作原理是感应电能表测量机构作为一个工作组，微处理器处理，测量电能脉冲，以实现功率测量。这类电能表具有独特的特性-感应式测量机构配以脉冲发生装置，所以也被人们称为机电脉冲式电能表。这种电能表积极推动了精准的实时价格、单位电价制度的实施也并被广泛应用。1.2.3 电子式电能表机电脉冲式电表是通过其感应式测量机构来测量电压电流，因此它有它的缺点。乘法器实现功率和电能的测量主要用于电能计量，电能采样和AD转换是在一块集成芯片上完成的。功率是U与I的

5、乘积，电能是功率对时间的比率。1.2.4 多功能电能表的发展因为电子电能表比机械表有很多优势，所以电子电能表在市场上的份额越来越高，而机械表在在通信方面有不可弥补的不足，所以在市场占有份额越来越少，在自动化抄表上也很难有发展。但是机电一体式电能表虽然在任何时间能进行电能信息的远程通信的功能，但是也有很多缺点，如频率，有功和无功功率等，除了实现多速率的测量也很困难，比较难弄。虽然在电子式电能表上可以实现预付费的功能，但由于安全和国家的其他方面不主使用电力，宽围的能量计。由于需求所在和社会发展，电能计量技术的发展将向着智能化、多功能与网络化等方向进行发展。如今，在信息化程度较高的社会，电能计量和管

6、理技术将扮演一个重要的角色，越来越多的家庭将会领略它的风采。1.3主要容本文研究关于三相电能专用计量芯片-ATT7022B的多功能电能表的课题。本设计是以MCU为控制单元，外围电路则由相适应的芯片以与专用器件来实现，结构也比较简单，但是整个芯片的体系结构必须满足电能表的设计所需要的要求，嵌入式资源配置也必须达到这个要求才行。独特的计量芯片构成了计量模块，可以实现正、负高电压，复制压力，电压测量参数。通信单元采用RS485通信方式，通信速率高、抗干扰能力。多速率设计，采用特殊的实时时钟芯片，确保准确性和可靠性的时间。此外，红外，显示和键盘单元作了详细的设计过程。第2章 电能测量原理2.1三相电路

7、接线方式三相电源包含星形连接和三角形连接这两种主要的连接方式。星形连接表示图如图2.1。三相对称星形连接时，有以下关系： ， (2-1)三相电源可连接的三角形，如果不对称程度较大，则会烧坏绕组。三角形连接示意如图2.2。对称三相星形连接，有下列关系： ， (2-2) 三相负载的接线方法一般可以分为三相三线和三相四线，以下只探讨Y形连接的情况。当发电机采用绕组的星形连接方式，负载接成三角形，如图2.2所示，这是一个三相三线系统。当发电机绕组是按星形衔接的模式连接时，负载也是星形连接，如图2.2显示，这就是三相四线制。三相四线模式，电流流过负载每相等于各相功率流的总和。如果电路是对称三相电路，则中

8、线电流就是0。把中线去掉，就变成了三相三线制。 图2.2三相负载接法示图以上就是三相电源和负载的接线方法，接线要严格按照此接线方法，否则就不能正常进行电能测量工作。2.2 电能测量原理在物理上，电能就是电源流向负载的能量流。通过在一定时间用户消耗的电能的速度可以被称为瞬时功率，在数学上也可以被看作是瞬时电压和电流瞬时值的乘积，所有这些“即时”的电能消耗全部加在一起就是电能消耗的总数。因此，该产品的有功功率的电压和电流的瞬时值的积分时间的表达式如下：设在t时刻I的表达式为： (2.1) (2.2)根据表2得平均有功功率P为 (2.3)一个T的电能W为 (2.4)总能量就是三个分相能量相加的和值：

9、(2-5)在现实电网中，电压电流信号是由50Hz频率分量的正弦信号荷很多谐波信号组成的。事实上，我们可以清楚地察觉到直流分量和高频分量的信号被包含在瞬时功率信号之，从长远的角度来看，但凡频率不为0的频率分量和时间积分没有任何的联系，它们互不干扰。为了获得直流分量，需要对瞬时功率信号进行检测。2.3 计量三相有功电能的方法三相电路包含三相三线制和三相四线制这2种接法。测量三相三线电路有两种方法供选择。其中，一表法只能被应用于三相对称电路，一般不用于实践，而工程中采用较多的是二表法。三相三线电路的瞬时功率表达式为： (2.6) 其中：；、是线电压的瞬时值。由 (2.6)可得两个单相电能表测量三相三

10、线电路数据的电能总和，其原理如图2.3。由上图可知，P的平均功率就相当于有功功率之和，即 (2.7) 上述是关于三相电能的测量方法，分别对三相三线和四线进行了详细的阐述，在电子式电能表被广泛应用的今天，越来越多的设计方案采用了专用的三相电力专用集成电路芯片，在不动原先电路设计的基础上，可应用于三相三线、三相四线模式，并且必须严格以上测量方法进行检测。2.4 电能表的测量原理电能表是用电压和电流的方法，然后在进行时间的整合。电子式电能表是功率转换为脉冲频率输出的积分，频率和负载的功率是成正比的。乘法器是电能测量单元的主要部分，它主要是作用于输出电压和电流测量这2个部分，从而实现乘法运算。乘法器可

11、分为模拟与数字乘法器两大类。目前，电子式电流表大多数是使用数字乘法器。2.5 测量的主要方法ATT7022的阻隔大信号接入部份是用电压和电流互感器进行的，能使信号输入和数据处理电路在电气上没有连接，同时它还拥有三路电压和电流输入。该系统采用DS1302实时时钟芯片的格言作为时间基准，该芯片具有外围电路简单，低静态功耗以与价格便宜等优点，对时间控制的多速率功能模块非常适合。第3章 系统概要与硬件设计3.1 硬件的设计方案因为多功能型电能表其独特的优点，所以被大众广泛应用，由于设计的电路比较复杂，所以选择模块化设计方案。主要有电源模块，电能计量模块，数据计量计量以与为整个系统供电；管理微处理器是单

12、片机的关键部件，此中包括四个模块，分别是通讯模块，存储模块，控制模块和显示键盘模块。设计框图如图3.1所示。 图3.1 多功能电能表设计框图3.2 外围电路的设计3.2.1 主控芯片的介绍考虑使用专用计量芯片，设计单片机系统的负担，所以你可以选择8位微控制器。8位单片机应用有很多：如89系列，英特尔80518031系列。虽然他们在硬件结构上相似，但后者的价格，功耗，抗干扰能力强等方面具有的优势比前者大得多，AT89系列单片机具有功耗低和抗干扰能力强的特点，这点是上者所没有的。AT89C52是一种低电压，高性能的CMOS 8位单片机，能适用于很多繁杂的控制场合。 1、AT89C52主要管脚如下：

13、由上图可知，AT89C52是四个部分组成的，它可以在线进行较为正规的编程。其将ROM和专用的微处理器连接在一起，其中Flash存储器可以反复擦写，从而可大限度的降低开发的成本的目的。其引脚图如图3.2所示。I / O功能和AT89C52的基本一样，它们唯一不同的是，52系列的P1.0口可作为定时计数器的外部计数脉冲的输入与可编程方波的输出，P1.1可作为重装触发和方向控制信号的输入。3.2.2 时钟振荡电路设计AT89C52单片机具有可控的高增益放大器的反向振荡器。该放大器的输出端和输入端分别是XTAL2和XTAL1。在晶体和两个匹配的电容C1和C2形成自激振荡器与外部。其接线如图（3.3）所

14、示：图3.3单片机时钟振荡电路为了能使通信中波特率的结果整数，本设计选择了11MHZ的晶振，依据单片机的有关资料应选择容量均为30pF的两个电容。3.2.3 电压监控电路为了保证系统正常安全的运行，所以需要增加电压监控，看门狗电路电源和微机监控操作。本设计选用带有看门狗定时器的监控芯片IMP813L。该芯片产生一个复位信号在电源芯片电源时，在降低电压，并有1.6秒的看门狗定时器。此外还具有手动复位（MR）的输入，可连接到复位电路实现手动复位。芯片管脚功能如下表3-1所示：表3-1 IMP813L主要管脚IMP813L的接线如图3.4所示。图3.4 看门狗电路为了保证单片机能正常运行，在本设计中

15、使用了该芯片的看门狗功能，只须将和连在一起便可。看门狗的复位时间是1.6秒，单片机一定要在1.6s给WDI端一个上升或下降沿。单片机复位的条件：1，单片机的电力，2，手动按钮复位，3，看门狗超时复位，4，电源电压低于复位门限。可以实现对供应链管理的有效监控，防止异常运行。3.3 电压电流的采集与处理任务权力测量单元是不同的负载条件下，各种电能质量保证，可以以高精度测量有功电能。本方案采用的是专用的电能计量芯片ATT7022B，它是一种用于功率测量或电能的专用高精度的计量集成电路，应用比较广。3.3.1 对于ATT7022B芯片的介绍1、ATT7022B芯片特性：2、部原理框图ATT7022B是

16、一个高精度得专用计量芯片，能够适用纯数字域的增益和相位校正。部原理图如下：图3.5 ATT7O22B的部原理图3.3.2 采样电路电网中的大电压和大电流必须经过转换，把它变成小电压、小电流才行。电压电流采样一般采用在变换电路中采用精密电阻，从而得到小电压小电流这种方法。变压器二次侧的两个电子在0.5水平仪负荷小，它可以做的很小，其核心是由高的坡莫合金或优质钢渗透系数，相位角减小铁损和有限的渗透率差异产生的。电路设计如图3.7所示： 图 (a) 电压采样输入图 (b) 电流采样输入图3.7 电能表电压电流采样电路(1)电压输入tv31b电流电压互感器，原边串联电阻与电源线平行，电感电流比为2 /

17、 2，二次回路是不允许打开使用。在三相四线制，A，B，C三相电压相对于N 220V，由串联连接的功率电阻的电压转换为电流，接着电流再通过变压器，从而实现电压的输入。电压互感器电流电压通道采用2 / 2的比例，因此串联功率电阻的选择（额定220V）： （3.3） 通常0.5V参数ADC的输入电压的电压通道的考虑，变压器二次采样电阻： (3.4)由上图公式可知采样电阻阻值为50，所以必须选择电阻阻值为50的电阻。（2）电流输入在电流输入方面则选择了TA20型交流电互感器，它采用的是环氧树脂灌封结构，置式的输入线圈，有安装快速、使用方便，精度高，电压隔离能力强和安全性高的特点。变压器的电流比为5A

18、/ 5mA，二次回路是不允许打开，用初级线圈时，应与被测电流回路串联。考虑到ADC的输入电压和电流通道的参数，变压器二次采样电阻： (3.5) 采样电阻阻值选择为20。在此设计中，抗混叠滤波器是必要的，它由1.2K的电阻和0.01F的电容构成的，其结构和参数要有对称性。滤波器的性能越好，抗干扰作用就越强，滤波电路工作起来就越顺利，并保证电能表可以长时间的工作。 3.3.3 ATT7022B与单片机的接口ATT7O22B与单片机有六根连线，其中有四条为SPI接口线，SPI可被用于 ATT7022B的数据读取和数据的写入，软件编程的I/O口可以模拟SPI总线时序的方法，所以只要把四条SPI ATT

19、7022B总线衔接到任意四个双向I / O端口的中央处理器即可。接线如图3.8所示：图3.8 ATT7022与MCU之间的接线图3.4 存储器单元简介如果作为一个测量仪器系统，存储、处理大量的数据，而且里面很多数据都有特殊的要求，但也不能因停电等事件而丢失，更不能因系统中的干扰而改写其中的程序。因此仪表必须满足以上要求才行。所以本设计中选用了FM24C16来实现上述功能。串行通信的性能指标完全满足设计的要求，还可以解决仪表中的设计的担忧，非常适合仪表设计所要求的存贮器类型。更值得一提的是，它的存储时间很短，但是就能在这段时间保存大量的数据，可以解决仪器的数据时，在突然断电时的问题。包装体积，功

20、能的角度和AT24C16，使设计者所接受和使用。此存储器硬件接线如图3.9所示： 图 3.9 存储器接线图3.5 人机接口模块化设计一个友好的人机交互界面的设备和维护的使用是非常重要的，在此设计中的相关单元主要包括：显示器，键盘和LED。3.5.1 键盘输入三相多功能电能表主要是由复位按钮、上移按钮和下移按钮这几个按钮所组成的。其中，上移按钮和下移按钮都连接在单片机的I/O口，负责测试这方面的的软件就是通过来查询I/O口的状态来判断按钮是否被按下。下图是多功能电能表的关键接口电路图，1K电阻与100欧姆的串联，并有3个当I / O端口，当用户没有按键时，每个I / O端口自动连接到电源的VCC

21、，当用户按下三个键时，键和（接地）连接，使单片机的I/O端口和连接，该引脚为低。所以，一个I / O端口查询软件只能在水平状态，由此可以判断用户有没有按下键。图3.16电能表按键电路图3.5.2 显示屏显示 在这个应用系统中，LED显示屏通常使用静态显示或动态扫描显示。为减少对单片机I/O口的使用，本设计采用以串并转换移位寄存器74HC164构成的静态显示电路。显示部分接线如图3.17所示：图3.17 显示电路原理图 两个I / O端口P2.6 P2.7，AT89C52单片机，外部7个74HC164作为7位LED显示静态显示接口，两位显示月份，五位显示其他数据。把AT89C52 P2.6作为数

22、据输出线，P2.7作移位时钟脉冲。复位端接+5V，只有这样，时钟脉冲才有效。3.6 关于此方案的电源设计3.6.1 电源设计原理由于电能表是一个不间断的测量产品，所以测量的精度，抗干扰和可靠性的要求非常严格，因而电子式电能表设计中的核心部分理所当然就是电源部分。电子式电能表交流供电常常有变压器降压、电阻容降压、开关电源这三种方式。原理图如图3.18所示。图3.18电源单元原理图3.6.2 器件选择1.变压器选择当lm7805稳压器的电压在7-25V这个围，才能符合稳压电源正常提供电流和电压这个条件，所以在整流后，应选择4V左右的电压。可以设输入变压器的电压为U，根据公式： (3.1) 由公式可

23、知应选择220V/5V的电源变压器。2、二极管的选择二极管能承受的最大反向电压Umax为：=7.07() （3.2）因为电网电压的波动围在10%左右，所以在选择二极管时要注意-最大流通电流和最高反向电压应保证有10%的余量。3.三端稳压器虽然电压进行过整流滤波，但是还不能直接给电路的元件供电，需要经过三端稳压器得到稳定的输出电压。本设计中选用LM78M05型三端稳压器。其应用电路如图3.19所示：图3.19 LM78M05应用电路图中输入端的电容C1是用于感应作用来抵消输入线，防止自激振荡电路，体积小，0.1F的电容器的设计。本设计中选用的是0.1F的电容。输出端的电容C2可用来降低输出电压中

24、的噪声的干扰，本设计中选取0.1F的电容。第4章 系统软件设计单片机硬件系统测试合格后，开始进行软件的调试。软件调试一般是联机调试，常采用的两种方法是PC加上在线仿真器加上编程器或PC加上模拟仿真软件加上编程器。第一种方法一般适用于开发大系统。本设计采用第二种方法，这种方法投资少，而且方便快捷。4.1 流程图电能表软件选用C51程序编写, 主要系统有初始化，电能计量，红外通信，键盘，显示不同的基本函数处理，多速率，要求测量和校准处理检测等基本功能. 而这些功能中需要处理的事物，包括按键与显示、通讯处理，时间切换，需求处理设置执行一次每分钟。485与红外信共用单片机串口,采用中断方式,提高通信的

25、实时性.流程图如图4.1所示。图4.1 主程序流程图4.2 程序模块化设计基于不同功能的模块化设计系统的程序设计，这样易于编程和调试，并增加其通用性和可移植性。本设计中系统功能模块是由低功耗处理模块、时段投切模块、显示模块、上电初始化模块、按键模块、电量处理模块等几部分组成的。接下来我们就从这几个模块进行分析。4.2.1 上电初始化模块初始化模块的主要功能是完成初始化堆栈寄存器，其流程图如4.2所示。图4.2 系统初始化流程图4.2.2 通讯模块1物理层本层规定了数据终端设备与电能表装置之间的电气特性和物理接口必须达到要求，这样才能正常的接受与发送信息。2数据链路层数据链路主要是创立设备和电表

26、之间的通讯链路。3.应用层应用层进行写数据，读数据，写数据，读下面的设备地址，正确的通信速度和最大需求”，主请求帧格式从站的帧格式，在各种条件下的反应。第5章 抗干扰设计 由于电子式电能表在电网上独特的运行方式，它必须保证其可靠性，否则将引起不可估量的损失。而且电子式电能表特别容易收到干扰，抗干扰能力不强，主要是因为它本身的电子装置存在设计问题，在电压波动可能性很大的情况下，丢失数据甚至毁坏电表元器件的可能性非常大。所以系统工作的可靠性主要取决于电能表的抗干扰设计。所以做好抗干扰设计是重中之重。5.1 干扰的因素与影响 能对设备进行干扰包括各种器件，设备和信号源等。其中主要以电磁干扰为主。干扰

27、可分为部干扰和外部干扰。部干扰主要根据电能表的硬件设计布局而决定的，比如多点接地的电位差引起的干扰，耦合电容和尖峰脉冲形成的干扰；外部干扰是指由外部环境条件决定的。其中CPU，存储器与其他外围电路等都是电能表容易收到干扰的对象。 电能表一旦受到干扰就会降低电能表的精度，从而导致增大数据采集的难度，干扰还能够使CPU复位，导致计量脉冲的丢失，干扰有时甚至会引起CPU中只读存储器区的容发生变化，有时也会使存储器读写错误。干扰会导致在输入和输出接口的变化，不同回路间相互还会进行干扰，尤其是工频干扰。5.2 硬件抗干扰技术因为硬件抗干扰技术抗干扰能力强，所以是系统设计首选的抗干扰措施，它能够有效的保护

28、系统不受干扰，其给系统带来的影响，主要有：1）在设计硬件电路时，必须区分模拟部分和数字部分的区别。 2）电源和地线尽量用粗导线来接。3）要使系统避免遭受高电压的破坏则需要所有引出脉冲端子都要使用光耦进行隔离。4）硬件看门狗电路，可以提供周期性的检测，一个周期定为1.6s，在此期间要注意喂狗信号。5）变压器输入端并接压敏电阻，来提高抗压作用。5.3 软件抗干扰技术软件抗干扰技术主要应对外来的干扰。主要有软件陷阱、设置程序运转状态标志、输出端口改良等方法。如果软件系统设计比较可靠，就能使干扰对系统的影响降到最低，确保中央处理器能与时发现，并使系统恢复到原先的正作状态。1）软件陷阱存储器中不会所有空间都被占满，总会留一些区域，如果干扰导致了单片机的PC值出错，该程序就会自动跳到这些空白区域，可想而知，错误发生时，系统就会崩溃。软件被放置在存储器的未使用的区域中，软件就根据跳转指令指向程序处理子程序的入口地址，如果跳到这些空白区域，就自动转到相应的程序出错“跑飞”处理程序。 2）软件看门狗这里所说的软件看门狗是在关键周期性执行程序模块中，设计出多个软件看门狗，在定时程序中查找这些标志，看它是否在正常运行，如果好几次这个模版没有运行，就可知程序