三相多功能电能表 毕业论文.doc

摘要随着我国经济的飞速发展，电能消耗日益增加，电能成为现代社会国民经济和人民生活的重要保障。本文所设计的新型多功能电子式电能表除了提高计量精确度外还实现了分时计量、对异常情况进行实时监控并记录事件等功能；可提高电能的合理利用，为用户提供公正、公平的用电环境。论文首先综述了多功能电子式电能表的发展现状及电能测量的基本原理，然后给出了系统的设计目标和总体方案，并按功能进行了各个硬件电路单元的设计，包括电源单元、计量单元、功能管理单元、显示单元、通信接口单元等。在软件设计方面，采用模块化软件设计方法实现了有功和无功的能量分时计量、rs485通讯、红外通讯、按键显示、异常检测及记录等功能。文中对三相电能表的抗干扰设计也有很详细的介绍。 本三相多功能电子式电能表具有运行稳定、可靠性高、通用性好和抗干扰能力强等优点，适应电表市场的需求。关键词：电能计量，多功能电子式电能表，复费率，att7022b，时钟芯片.目录摘要11绪论41.1本课题研究背景41.2 电能表的发展及现状41.2.1感应式电能表（机械表）41.2.2 机电一体式电能表51.2.3 全电子式电能表51.2.4多功能电能表现状及发展趋势52电能测量原理72.1三相电路接线方式72.2电能测量原理82.3三相有功电能的计量892.4电子式电能表的测量原理102.4.1模拟乘法器102.5电子式电能表的测量原理102.5.1模拟乘法器102.5.2数字乘法器112.6本系统采用的测量方法123 系统总体方案及硬件设计133.1硬件总体方案133.2主控芯片及其外围电路143.2.1主控芯片介绍143.2.2时钟振荡电路153.2.3单片机监控电路153.3电量信号采集和预处理173.3.1 att7022b芯片介绍173.3.2电压电流采样电路203.3.3 att7022b与单片机的接口223.4 存储器单元18233.5 通信模块设计243.5.1 rs-485通信接口243.5.2 红外通信模块263.6 实时时钟电路283.6.1 时钟芯片ds1302283.7 人机接口模块设计293.7.1键盘输入293.7.2 led显示303.8电源单元313.8.1电源设计原理及图形313.9 继电器驱动单元334 结论与展望344.1论文总结344.2本文的不足及课题展望34参考文献36致谢37附录一 三相多功能电能表系统原理总图381绪论1.1本课题研究背景电能是最重要的能源，在现代社会中电能己广泛应用到社会生产的各个领域和社会生活的各个方面。电能表是当前电能计量和经济结算的主要工具，它的准确与否直接关系到国家与用户的经济利益。感应式电能表作为一种传统的电能表，在电能计量工作中发挥了极大的作用。但随着电力逐步走向市场，用电营销对电能计量工作提出了更高的要求，电能表要承担的功能越来越多，如在电力系统中，为引导用户更为有效、合理利用电能，避免尖峰负荷的出现，提高系统的负荷率，对用户实行分时计量；为对电能计量装置进行在线监测、远方遥控，需对电能表进行远方通信等。同时，随着社会的发展，交易的电量越来越大，供、用双方对自身的权益也越来越关心，这就对电能计量表的准确度等级提出了更高的要求。普通感应式电能表受其结构和原理上的制约，要进一步提高准确度和拓展其功能已很困难。同时，微电子技术和单片机应用技术的发展和普及，为电能表多功能高精度的实现创造了有利条件，电子式电能表得以出现并得到了飞速发展。1近年来，高准确度、高可靠性的元器件以及大规模集成电路技术等应用于电子式电能表的开发与生产，使电子式电能表寿命提高、功能多种多样，其市场所占比重正在快速加大，这其中电卡式预付费电子式电能表、单相/三相电子式多功能电能表将是主要需求目标，并逐步使供用电管理的微机化和自动化成为现实。1.2 电能表的发展及现状1.2.1感应式电能表（机械表）自从1831年法拉第发现电磁感应定律以来，人们就不断的探索使用和测量电能。电能表作为测量电能的专用仪表，至今已有100多年的历史。1880年美国人爱迪生研制成功世界上最早的电能表，是基于电解原理的直流电能表。随着交流电的出现和使用，1888年意大利物理学家费拉里斯提出了将旋转磁场理论用于交流电能测量的观点; 1889年，匈牙利岗兹公司的布勒泰制成了第一台交流感应式电能表。最早出现的电能表是根据旋转磁场理论制作的感应式电能表，其核心是电磁线圈和转动部件，经过一百多年的不断改进和完善，感应式电能表的制造技术也已相当成熟。目前普遍使用的感应式电能表是根据交变磁场中金属圆盘的感应电流与有关的磁场形成力的原理制成的，即利用金属铝转盘中感应的电流与通有交流电流的固定线圈的磁场相互作用，产生驱动力矩驱动铝盘旋转，累计消耗的电能。感应式电能表具有制造简单、操作安全、维修方便、可靠性好和价格低廉等特点，因此，至今在包括我国的许多发展中国家甚至是一些发达国家里，感应式电能表仍作为一种计量工频电能的仪表被广泛使用。21.2.2 机电一体式电能表随着电能开发及利用的加快，对电能管理和电能表性能提出了更高的要求。电力系统的不断扩大以及对电能合理利用的探索，使感应系电能表逐渐暴露出准确度低、适用频率范围窄和功能单一等缺点。感应式电能表由于受其原理和结构等因素的制约，要对它进行较大的改进是很困难的。基于微电子技术和计算机技术的不断发展，人们开发出了基于感应电能表的机电一体式电能表，这种电能表是利用感应系电能表的测量机构作为工作元件，使用光电传感器完成电能脉冲的采集，经微处理器处理后，对电能脉冲进行计量，从而实现对电能的数字化测量。这种电能表的显著特点是感应式测量机构配以脉冲发生装置，因此也被称为感应式脉冲电能表或机电脉冲式电能表。这种电能表和机械祸合式多费率电能表都是感应式电能表向全电子式电能表过渡过程中的电能计量品种，它们对分时电价、需量电价制度的实施起了积极的推动作用。1.2.3 全电子式电能表机电脉冲式电能表采用感应式测量机构测量电压电流，决定了它同样具有感应式电能表准确度低、适用频率范围窄等缺点。电子式电能计量方案使用乘法器实现功率和电能的测量，在一块集成芯片上完成电能采样和ad转换，比较先进的是-ad转换原理。功率是电流与电压的乘积，电能是功率对时间的积分。20世纪80年代末90年代初，国外著名电测仪表公司相继推出了全电子式多功能电能表，如瑞士兰地斯公司(lanols&oyr)、法国斯伦贝谢公司(sehlumberger)和美国通用电气公司(ge)等。我国从20世纪90年代初开始研制全电子式电能表，1994年威胜集团、恒通公司等相继推出了全电子式多功能电能表，随后有多家公司开始小批量生产。经过技术的引进、消化和吸收，我国电子式电能表开发设计和制造技术得到了飞速的发展。全电子式电能表最早用于进行计量鉴定，也就是做标准表，随着元器件性能的提高和价格的下降，全电子式电能表计量精度较高，且能实现复费率及用电控制，便于实现抄表自动化系统，而且生产成本较低，全电子式电能表逐步开始大量民用，目前使用数量已经远远超过机械表。1.2.4多功能电能表现状及发展趋势目前的电能表市场中全电子电能表所占比例逐年增加，机械表由于先天性在通信方面的不足，所以很难在集中自动化抄表方面有发展，机电一体式电能表虽可以进行电能信息的远程通信，但其可提供的用电信息比较少，例如频率，有功，无功等，另外实现复费率计量也比较困难。虽然基于机电一体式的电能表实现了预付费，但鉴于安全性和其他方面的原因，国家并不主张大范围的使用这种电能表。全电子电能表克服了上面两种表的缺点，可以方便的计量电能的各种信息，并且实现远程通信完成抄表工作和实现配电网络自动化。近年来随着全国用电缺口的急剧扩大，国家发改委决定全面推行峰谷分时电价和避峰电价，鼓励用户合理移峰用电，这一政策的出台，带动了全国各地供电部门对复费率、多功能电表需求的快速上升。目前，在抄表方式上，存在有rs485、红外、gprs和电力线载波等多种抄表方式。其中rs485抄表和红外抄表技术比较成熟。各种抄表方式具有各自的特点，rs485需要专门布线，但其抗干扰能力较强；红外抄表由于其通信距离的限制，不能实现远程监控的目的；电力线载波通信抄表技术无需专门的通信线，利用现有的电力线作为通信信道，信道建设工作量极少，但其技术较为复杂，通信出错率较高。目前还存在着gprs无线抄表方式，gprs是通用分组无线业务(general packetradio service)的简称，是在现有gsm系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为gsm用户提供分组形式的数据业务。gprs抄表技术在未来将会有很广的应用。2电能测量原理2.1三相电路接线方式 三相电源有两种基本连接方式5：星形连接和三角形连接。星形连接示意如图2.1（a）。三相对称星形连接时，有如下关系： ， (2-1)式中：，-线电压和线电流；，-相电压和相电流。对称三相电源可以采用三角形连接(连接)，如果不对称程度比较大，所产生的环路电流将烧坏绕组。三角形连接示意如图2.2(b)。三相对称三角形连接时，有如下关系： ， (2-2) 式中：，-线电压和线电流；，-相电压和相电流。 三相负载根据其接线方法一般有三相三线和三相四线之分，以下只讨论电源为y形连接时的情况。当发电机三相绕组按星形方式连接时，负载接成三角形方式，如图2.2(a)所示，称为三相三线制。当发电机绕组按星形方式连接时，负载也接成星形方式，如图2.2(b)所示，称为三相四线制。三相四线方式时，流过各相负载的电流等于各相电源流过的电流。当电路为对称三相电路时，中线电流为零。此时中线可以去掉，变为三相三线制。 (a)负载三相三线连接(b)负载的三线四线连接图2.2三相负载接法图示2.2电能测量原理电能在物理上可以看成是从电源流向负载的能量流。用户在某一时刻消耗电能的“速度”我们称为瞬时功率，它在数学上等于该时刻瞬时电压值与瞬时电流值的乘积，将所有这样的“瞬间”消耗的电能加在一起就得到了总的用户消耗电能的数量。因此，有功电能的计算可以用电压与电流瞬时值的乘积在时间上做积分得到，其测量可简单地描述如下。设在t时刻负载两端的交流电压和流过负载的交流电流的表达式为： (2.1) (2.2)其中-t时刻电压瞬时值；t时刻电流瞬时值；电压峰值；电流峰值；电压有效值；电流有效值；电压与电流相位差；角频率。则在一个周期内平均有功功率p为 (2.3)一个周期内的电能w为对于三相电路，总能量可以表示为三个分相能量之和： (2-5)在实际电网中，电压电流信号基本上都不是只包含50hz频率分量的正弦信号，而是含有很多谐波信号。事实上我们可以发现瞬时功率信号本身是一个含有直流分量和高频分量的信号，而任何频率不为0的频率分量从长期来看对于时间积分都没有贡献，因此电能计量数学上就相当于计算瞬时功率p的直流分量在时间上的积分。为了得到有功功率分量（即直流分量），需要对瞬时功率信号进行低通滤波处理。 92.3三相有功电能的计量8三相电路分为三相三线制和三相四线制两种接法，下边分别讨论这两种电路的测量方法。测量三相三线电路有功电能可以采用一表法和二表法。一表法只能用于三相对称电路，实际中一般不会采用；工程中经常采用二表法计量三相电能。三相三线电路的瞬时功率可表示为： (2.6) 式中线电压的瞬时值。由式(2.6)，用两只单相电能表测量三相三线电路的总电能，称为二表法，用这种方法测量三相三线有功电能的接线和原理如图2.4。两只单相电能表计量值相加即为三相总能量。 三相四线电路可看成由三个单相电路组成的。其平均功率p等于各相有功功率之和，即 (2.7) 无论三相电路是否对称，上述公式都成立。测量三相四线电路的有功电能经常用三只单相有功电能表（dd型）,即三表法或三相四线式有功电能表（dt型），三表法就是在三根相线与零线之间分别跨接一只单相有功电能表，总能量即为三只单相表计量值之和，三相四线式有功电能表可以直接通过外部接线计量三相电能。三相四线电路因为零线电流一般不为零，所以用二表法测量时会存在较大的测量误差。 以上介绍了传统的三相电能测量方法，分别考虑了三相三线和三相四线方式，在电子式电能表成为主流的今天，越来越多的设计方案开始采用专用的三相电能ic芯片，例如ade7752、att7022、tm7752等，这类芯片一般具有测量精度高、外围电路简单、校表容易等特点，并且在不改变电路设计的前提下，可同时适用于三相三线和三相四线方式，专用电能ic芯片已经成为三相电子式电能表设计的首选。2.4电子式电能表的测量原理电能表测量电能的基本方法是将电压、电流相乘，然后在时间上累加起来，即积分。电子式电能表实现积分的方法，是将功率转换为脉冲频率输出，该脉冲称为电能计量标准脉冲（或），其频率正比于负荷功率。电子式电能表中起主要作用的是电能测量单元，而乘法器是该单元的核心组成部分，乘法器是实现被测电压、电流相乘，输出为功率的器件。常用的乘法器可分为模拟乘法器和数字乘法器两类，2模拟乘法器的又分为霍尔效应型、时分割型等；数字乘法器又分为硬件乘法器和软件乘法器。目前的电子式电能表多以数字乘法器为主。2.4.1模拟乘法器2.4.1.1 霍尔乘法器霍尔元件是如图2.6所示的半导体薄片，10当它处于磁场感应强度为b的磁场中时，如果在它相对的两端通以控制电流i，则在半导体另外两端将会产生一个大小与控制电流和磁感应强度乘积成正比的电势。如式(2.8)所示。 (2.8)式中-霍尔元件的灵敏度；-霍尔电势。2.5电子式电能表的测量原理电能表测量电能的基本方法是将电压、电流相乘，然后在时间上累加起来，即积分。电子式电能表实现积分的方法，是将功率转换为脉冲频率输出，该脉冲称为电能计量标准脉冲（或），其频率正比于负荷功率。电子式电能表中起主要作用的是电能测量单元，而乘法器是该单元的核心组成部分，乘法器是实现被测电压、电流相乘，输出为功率的器件。常用的乘法器可分为模拟乘法器和数字乘法器两类，2模拟乘法器的又分为霍尔效应型、时分割型等；数字乘法器又分为硬件乘法器和软件乘法器。目前的电子式电能表多以数字乘法器为主。2.5.1模拟乘法器2.5.1.1 霍尔乘法器霍尔元件是如图2.6所示的半导体薄片，10当它处于磁场感应强度为b的磁场中时，如果在它相对的两端通以控制电流i，则在半导体另外两端将会产生一个大小与控制电流和磁感应强度乘积成正比的电势。如式(2.8)所示。 (2.8)式中-霍尔元件的灵敏度；-霍尔电势。图2.4霍尔元件示意图由被测电压产生磁场，其磁感应强度为；被测电流通过霍尔电动势就能反映被测电压、电流的相乘积。霍尔乘法器是一个四象限乘法器，其相乘精度甚佳，可达0.3%左右。工作频率在10khz以内。根据霍尔乘法原理实现的静止式电能表可用图2.7表示。 霍尔乘法器输出的是瞬态功率信号。瞬态功率信号通过变换很容易产生有功电能、无功电能等所需的数据。图2.7所示的属于直接检测式霍尔乘法器。这种结构在轻载时误差较大。霍尔乘法器实现的静止电能表主要优点是频率响应宽，准确度能长期保证；抗干扰能力强；可以不需要电流互感器，不存在引入互感器误差。电压电流回路彼此独立，检测和校准相对容易，且线性也较好。主要缺点是工艺复杂，精度也不容易达到很高。2.5.1.2 时分割乘法器时分割乘法器的工作基于计算式(2.11) 式中 ：在一个周期内电流、电压的采样次数。 由式(2.11)可知，负载在一个周期内消耗的电能近似等于个电压、电流相乘再求和。m取值越大，上述近似计算产生的误差越小。由此，时分割乘法器的基本思想有两个，即分割和相乘。 时分割乘法器分为电压型和电流型时分割乘法器，电压型由于尖峰电压的干扰现在已基本不用，现在使用的多为电流型时分割乘法器。所谓电流型时分割乘法器是指被测电压、电流都变成电流形式后相乘，其乘积即功率大小也以电流形式表示。 时分割电能测量方法的特点有：(1)时分割乘法器构成的电能仪表电路简单、成本低；(2)时分割方法测量工频范围内的电能线性度高；(3)时分割方法频率测量范围窄，大多数不适于畸变波形下的功率测量；(4)电能测量准确度级别一般为2.01.0级。2.5.2数字乘法器数字乘法器是将数字量相乘，首先将被测电压、电流的模拟量变为数字量，然后相乘。实现数字量相乘有两中方法：1）采用硬件乘法电路。硬件乘法电路是由移位寄存器、加法器和时序控制电路组成，在时序电路控制下，根据每位乘数是“1”或是“0”，来决定是否累加被乘数，每进行一位运算后需要将累加和（即乘积）右移一位。采用硬件乘法器运算速度高，但需提供硬件电路。2）采用软件乘法器。利用计算机的乘法指令实现数字量相乘，这实际是利用一系列的累加和移位完成运算的，采用这种方法运算速度较慢，但可以节约硬件。若cpu里含有硬件乘法器或采用专用的芯片作控制器，运算速度仍非常快。总之，采用数字乘法器来实现电能计量时，电路里必须有a/d转换器，这是数字乘法器与模拟乘法器最根本的区别。本设计所采用了专用的三相电能计量芯片att7022b,该芯片不仅内置7路a/d转换器，而且a/d转换采用的是较普通a/d转换器更为先进的 a/d转换器。其主要采用了增量调制、噪声整形、数字滤波、和采样抽取等技术，使其在测量精度、线性度、稳定性和抗干扰能力等方面得到显著改善，具有更好的发展前景。2.6本系统采用的测量方法本系统采用专用电能计量芯片+mcu(微控制器)的方式测量电能。电能计量采用att7022b12，该芯片是三相电能专用计量芯片，其内部集成了七路二阶sigma-delta型ad转换器，具有有功测量0.5级的测量精度。通过外部接线方式的选择，可同时适用于三相三线和三相四线模式。att7022具有三路电压输入和三路电流输入，大信号接入部分采用电压互感器和电流互感器进行隔离，使数据处理电路与信号输入电路没有电气上的连接。系统采用maxim公司的ds1302实时时钟芯片作为时间基准，该芯片具有外围电路简单、静态功耗小以及价格便宜等优点，非常适用于多费率功能模块的时段控制需要。3 系统总体方案及硬件设计3.1硬件总体方案由于多功能电能表的功能要求实现的功能非常多，mcu外围芯片的电路设计较为复杂，模块化设计方案。主要模块有电源模块，电能计量模块，实现三相以电量采集芯片实现数据采集、计量以及为整个系统提供电源；单片机侧以管理微处理器为中心，包括通信模块，显示键盘模块，存储模块，控制模块。总体设计框图如图3.1所示，其中电源模块采用三个降压变压器及整流电路实现三相整流电源。电能计量模块包括电能采样外围电路，互感器分压采样。通信模块包括rs485通信及红外发射接收单元。显示模块7位8段led显示。存储器模块使用铁电存储器fm24c16，存储容量为16k，读写时间为微秒级。主电源模块采用通用的lm78m05。时钟模块使用实时时钟芯片(rtc)ds1302 ，作为三相电能表分时计费的时间基准。控制模块使用xc2023继电器驱动芯片配合jmx-94f系列继电器，最大电流30a。3.2主控芯片及其外围电路3.2.1主控芯片介绍考虑到本设计系统中采用了专用的计量芯片，mcu负担减轻，所以可以选择8位的单片机 。常用的8位单片机有很多种:如intel公司的8051，8031系列及atmel公司的89系列13。虽然它们在硬件结构上相似，但在价格、功耗、抗干扰等方面后者都占较大优势，at89系列单片机具有功耗低，抗干扰能力强等特点。at89c52是美国atmel公司生产的低电压，高性能cmos 8位单片机，适用于许多较为复杂的控制应用场所。 1、at89c52主要特性如下： 兼容mcs51指令系统 8k字节可重复擦写flash闪速存储器 1000次擦写周期 全静态工作：0hz-24mhz 三级加密程序存储器 256*8位内部ram 数据保留时间：10年 32个可编程i/o线 3个16位定时器/计数器 8个中断源 可编程串行uart通道 图3.2 at89c52引脚图 低功耗的闲置和掉电模式at89c52有40个引脚，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，at89c52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的flash存储器可有效地降低开发成本。其引脚图如图3.2所示。at89c52的i/o口功能与at89c51的基本相同，唯一区别之处是，52系列的p1.0和p1.1口还可分别作为定时/计数器2的外部计数脉冲输入、可编程方波输出(p 1.0/t2)和捕获/重装载触发、方向控制信号的输入(p1.1/t2ex)。此外，p3 口还接收一些用于flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。rst：复位输入。当复位时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。:程序储存器输出使能端。它是片外程序存储器的读选通信号，低电平有效。/vpp:外部访问允许。欲使cpu仅访问外部程序存储器(地址为ooooh-ffffh),端必须保持低电平(接地)。3.2.2时钟振荡电路at89c52单片机内部有一个用于构成振荡器的可控高增益反向放大器。两个引脚xtal1和xtal2分别是该放大器的输入端和输出端。在片外跨接一个晶振和两个匹配的电容c1、c2就构成一个自激振荡器。其接线如图（3.3）所示： 图3.3单片机时钟振荡电路为了通讯中波特率能为整数，本设计选择了11.0592mhz的晶振，根据单片机相关资料选择相匹配的两个电容容量均为30pf。另外，单片机也可以由外部振荡电路或时钟直接驱动，对于hmos工艺的芯片，外部时钟信号是从xtal2输入的，此时xtal1端接地。该方式一般用于一些特殊场合如多cpu系统等。3.2.3单片机监控电路为保证单片机应用系统的正常可靠运行,一般需要加设电压监控、看门狗电路对单片机的供电和运行进行监控。本设计选用带有看门狗定时器和降压检测功能的低价格监控芯片imp813l14。该芯片在上电、掉电期间及在电压降低的情况下可产生一个复位信号，且带有一个1.6秒的看门狗定时器。另外还具有手动复位（mr）输入，可以接到复位电路实现手动复位。监控芯片imp813l的主要特点有：（1）精确的电源监控：4.65v门限（2）去抖动的手动复位输入（3）看门狗定时器（4）200ms复位脉冲宽度（5）高电平有效的复位输出芯片主要管脚功能如表3-1所示：表3-1 imp813l主要管脚手动复位输入，低电平有效pfi，电压监控输入、输出，当pfi小于1.25v时，/pfo变为低电平。wdi，看门狗输入、输出，控制内部看门狗定时器。reset高电平有效的复位输出，触发后产生200ms的负脉冲。imp813l的接线如图3.4所示。 图3.4 看门狗电路对于电压监控输入端pfi，需外接一个电阻分压器。因为pfi的动作电压为1.25v，而单片机的输入最低允许电压为4v，设计中选取两个分压电阻分别为22k和10k.这样当单片机电压为低于4v时，pfi端电压会低于1.25v，从而产生复位信号。为了保障单片机的可靠运行，本设计使用该芯片的看门狗功能，只要将和直接连在一起即可。看门狗复位时间是1.6秒，单片机必须每隔1.6秒之内的时间给wdi端一个上升沿或下降沿。这样可使单片机复位的条件有：1、单片机上电，2、手动按键复位，3、看门狗超时复位，4、电源电压低于复位门限。可以实现对单片机有效监控，防止其不正常运行。3.3电量信号采集和预处理电能测量单元的任务就是保证在各种负载条件下和各种电源质量时，都能以较高的精度准确的测量有功电能量。本设计采用专用的电能计量芯片att7022b完成电能的计量，它是珠海炬力公司生产的一种用于功率测量或电能计量的专用高精度集成电路。3.3.1 att7022b芯片介绍1、att7022b芯片特性：高精度，在输入动态工作范围(1000:1)内，非线性测量误差小于0.1%。有功测量满足0.5s/0.2s，支持iec 687/1036，gb/t 17883-1999 无功测量满足2 级、3 级，支持iec 1268，gb/t 17882-1999 适用三相三线、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 同时提供分相以及合相参数 提供相序以及断相检测功能 合相能量累加模式可选(代数加/绝对值相加) 三相四线时提供三相电流向量和之有效值 直接提供有功、无功校表脉冲输出 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 可测量到21 次以上谐波的有功和无功功率 具有spi 接口，方便与外部mcu 通讯 单+5v 供电2、内部原理框图att7022b是一颗高精度三相电能专用计量芯片，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。att7o22b的内部原理框图如下： 图3.5 att7o22b的内部原理框图 3、 引脚定义图3.6 att7022b引脚图v1p/v1n、v3p/v3n、v5p/v5n为输入电流信道的正、负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工作最大信号电平为 1.5v，两个引脚内部都有esd 保护电路。v2p/v2n、v4p/v4n、v6p/v6n为输入电压信道的正、负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工作最大输入电压为1.5v，两个引脚内部都有esd 保护电路。refcap：基准电压2.4v，可以外接；该引脚应使用10f电容并联0.1f瓷介电容进行滤波去耦。refout：基准电压输出2.4v，用作外部信号的直流偏置。sel：输入端口，输入为低电平时选择三相三线方式、高电平时选择三相四线方式，内部300k上拉电阻。cf1、 cf2：输出有功无功电能脉冲，其频率反映合相平均有功功率的大小，常用于仪表有功无功功率的校验，也可以用作电能计量。cs：spi 片选信号，低电平有效。sclk：输入端口，spi串行时钟输入（上升沿放数据，下降沿取数据）。din：spi串行数据输入，dout为spi串行数据输出。osci：系统晶振的输入端，或是外灌系统时钟输入。晶振频率为24.576mhz。osco：晶振的输出端。 revp：输出端，当检测到任意相的有功功率为负时，输出高电平。 agnd：电源模拟电路(即adc和基准源)的接地参考点。avcc：电源，该引脚提供att7022模拟电路的电源，正常工作电源电压应保持在5v5%，为使电源的纹波和噪声减小至最低程度，该引脚应使用10f电容并联0.1f瓷介电容进行去耦。gnd：数字地引脚vdd：内核电源输出3.3v。外接10f电容并联0.1f瓷介电容进行去耦。vcc：数字电源引脚；正常工作电源电压应保持在5v5%，该引脚应使用10f电容并联0.1f瓷介电容进行去耦。3.3.2电压电流采样电路从电网接入的大电压、大电流不能直接接入计量芯片的输入中，必须经过变换电路转换为小电压、小电流。一般电压电流采样有两种方法：一是采用精密电阻输入变换电路，进行分压分流得到小电压小电流；二是采用电压电流互感器。采用精密电阻电路不会引起相角误差，但对电阻要求较高，电阻要求具有足够高的准确度、足够大的功率温度系数和长期稳定性。因此，在本设计中采用精密的互感器转换方式。0.5级以下的电子电能表用的互感器二次侧负载较小，因此可以做的很小，铁心采用高导磁率系数的坡莫合金或优质钢带制成，以减小铁心损耗和有限导磁率所产生的相角差。设计电路如图3.7所示(以单相为例)： 图 (a) 电压采样采用电流互感器图 (b) 电流采样单端输入图3.7 电能表电压电流采样电路(1)电压输入电压输入采用元星电子公司生产的tv31b-02型电流型电压互感器16元星tv31系列电流型电压互感器，采用印刷线路板安装方式，安装方便，采用环氧树脂灌封，绝缘强度高，磁芯为坡莫合金，主要用于高精度、小相位误差的电压、功率和电能监测设备。 tv31b电流型电压互感器，一次侧串接功率电阻后并联与线路中，互感器电流比为2ma/2ma，次级电路不允许开路使用。在三相四线制系统中，a、b、c三相相对于中线n的电压为220v，先通过串接功率电阻的方法将电压转换为电流，再通过互感器将电流转换成电压的方式。该方式采用了互感器，可以将芯片与电网进行有效地隔离，从而获得良好的抗干扰性。电压通道使用的电压互感器电流比为2ma/2ma，所以串接功率电阻的阻值选择为（额定电压为220v）: （3.3） 0.13 k为tv31b-02的初级电阻选择带电阻r=110k (1/2w)。考虑电压通道的adc输入电压的参数一般取0.5v,互感器副边取样电阻为： (3.4)采样电阻阻值选择为50。输入信号电平抬升采用芯片内部refout引脚提供的2.4v电压。低通抗混叠滤波器的设计采用简单的阻容式低通滤波器，电阻电容值采取芯片厂商推荐值。（2）电流输入电流输入采用元星ta20型精密交流电流互感器17，该系列电流互感器采用环氧树脂灌封结构，输入线圈为内置式，次级引线引出，安装迅速、使用方便，体积小，精度高，电压隔离能力强、安全可靠。互感器电流比为5a/5ma，次级电路不允许开路使用，使用时初级线圈应串联于被测电流回路中。考虑电流通道的adc输入电压的参数，互感器副边取样电阻为： (3.5) 采样电阻阻值选择为20。输入信号电平抬升采用芯片内部refout引脚提供的2.4v电压。电压电流输入电路中电阻1.2k和电容0.01f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，从而使电路达到良好的滤波，抗干扰作用，并保证电能表获得良好的温度特性。 3.3.3 att7022b与单片机的接口 att7o22b与单片机有6条连线，其中四条为spi接口线:cs、sck、din、dou，一条att7022b的复位控制线reset，一条握手信号线sig。att7022b的数据写入与读出采用四线制的spi总线方式，软件编程考虑采取i/o口模拟spi总线时序的方式，所以att7022b的四条spi总线连接到cpu的任意四个双向的i/o口就可以了。att7o22a的复位信号线和与cpu之间的握手信号线直接接到cpu的双向i/0口。接线如图3.8所示：图3.8 att7022与mcu之间的接口spi应用时应注意：1、spi通讯连线应尽可能短，为了减小干扰，可以在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，这样电阻电容构成一个低通滤波器，从而可以消除接收信号的高频干扰。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尽量靠近单片机。2、单片机对sig信号或其状态进行监控。sig信号是用来通知外部mcu的一个握手信号。att7022上电复位或者异常原因重新启动时，sig将变为低电平。当外部mcu通过spi写入较表数据后，sig将立即变为高电平。3、为了在上电和单片机复位后，att7022b能与单片机同步工作，att7022b的同步信号由单片机控制，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0.1f的去耦电容，增强其抗干扰能力。3.4 存储器单元18 作为计量的仪表系统不仅要存储、处理大量的数据，而且有许多数据有特殊的要求，如电流电压的系数、分时计费参数，累计电能等是变动的或可以通过正常手段修改的，但是不能因系统中的干扰而改写，更不能因停电等事件而丢失。因此仪表必须提供满足上述要求的存储手段。本设计中选择fm24c16来实现存储器单元功能。 fm24c16存储器是一种铁电存储器（fram），它是最近几年由ramtron公司研制的新型存贮器，它的核心技术是铁电晶体材料，拥有随即存取记忆体和非易失性存贮产品的特性。fm24c16容量为16kbit，它和at24c16容量等同，总线结构兼容，但fm24c16的性能指标远大于at24c16。在存贮器领域中，fm24c16应用逐渐被推广和认可，尤其是大容量存贮器，它的优良特性远高于同等容量的eeprom。 fm24c16总线频率最高可达1mhz，10亿次以上的读写次数，工耗低。与典型的eeprom at24c16相比较，fm24c16可跟随总线速度写入，无须等待时间，而at24c16必须等待几毫秒（ms）才能进行下一步写操作。fm24c16可读写10亿次以上，几乎无限次读写。而at24c16只有一百万次读写。另外，at24c16读写能量高出fm24c16有2500倍。从比较中看出，fm24c16包含了ram技术优点，同时拥有rom技术的非易失性特点。总之，fm24c16是非常适合仪表设计要求的存贮器。它的性能指标完全达到设计要求，解决了仪表中的设计忧虑。更重要的是，它的存贮时间短，能够在极短的时间内保存大量数据，解决了仪表在突然断电时数据及时、安全的存贮。ramtron公司研制的fm24c16，为了普及使用，存贮指令和at24c16兼容，只是在读写指令和应答是不需要延时，提高了擦写速率。封装体积、功能管角和at24c16一样，使设计者容易接受和运用。fm24c16存储器硬件接线如图3.9所示： 图 3.9 存储器接线图3.5 通信模块设计电能表经通信模块与外界进行数据交换，实现抄表数据传输、预置系统参数等功能。本电能表通信模块包括rs-485接口和红外通信接口。3.5.1 rs-485通信接口pc机串行口为标准的rs232口，根据标准规定：rs232采用负逻辑，并且传输距离短，一般用于20m以内的通信。而对于大多数电能表抄表系统，通信距离为几十米到几千米不等，因此，rs232接口不能满足系统的要求，目前广泛采用的是rs-485通信。rs-485具有多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围。rs-485数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，具有抑制共模干扰的能力。它使用一对双绞线，将其中一线定义为a，另一线定义为b，根据a线和b线之间的电压差判断数据的“0”、“1”状态，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-2-6v，是另一个逻辑状态。接收器也作与发送端相对应的规定，收、发端通过平衡双绞线相连，当在接收端的ab之间有大于+200mv的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mv时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mv至6v之间。19rs-485最大传输距离约为1200米，最大传输速率为10mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，一般100米长双绞线最大传输速率仅为1mb/s。如果采用光耦合等隔离方式，rs-485总线的传输速率还要受到隔离方式的影响。为了有效可靠地实现rs232与rs-485之间的转换，在该设计中，使用了ti公司生产的一种rs-485接口芯片75lbc184,它使用单一电源vcc，电压在35.5v范围内都能正常工作，能完成ttl与rs485之间的转换。其引脚如下图所示：该芯片与普通的rs485收发器相比，有一个显著的特点，那就是片内a、 b引脚接有高能量顺变干扰保护装置，可以承受峰值为400w（典型值）的过压顺变，故它能显著提高防止雷电损坏器件的可靠性。对一些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。该芯片还有一个独特的设计，当输入端开路时，其输出为高电平，这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。另外，它的输入阻抗为rs485标准输入阻抗的2倍（24），故可以在总线上连接64个收发器。图3.10 75lbc184引脚图rs-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一方处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。rs-485接口电路如图3.11所示。图3.11 rs-485通信接口电路图如图3.11 本设计的rs-485通信电路使用了光电隔离方式连接的sn75lbc184芯片构成的电路，微处理器的标准串行口的rxd、txd通过光电隔离电路连接184芯片的r、d引脚，控制芯片r/d同样经光电隔离电路控制75lbc184芯片的de和引脚。由微处理器输出的r/d信号通过光电隔离器件控制75lbc184芯片的发送器/接收器使能：r/d信号为“1”，则75lbc184芯片的de和引脚为“1”，发送器有效，接收器禁止，此时微处理器可以向rs-485总线发送数据字节；r/d信号为“0”，则75lbc184芯片的de和的引脚为“0”，发送器禁止，接收器有效，此时微处理器可以接受来自rs-485总线的数据字节。由于rs-485通信载体一般采用双绞线。其特性阻抗为120 左右，所以线路设计时，在485网络传输线的始端和末端应各接1只120 的匹配电阻（如图3.11中的r60），以减少线路上传输信号的反射。由于lbc184芯片的特性，接收器的检测灵敏度为 200 mv，即差分输入端va-vb +200 mv，输出逻辑1，va-vb -200 mv，输出逻辑0；而当a、b端电位差的绝对值小于200 mv时，输出不确定。如果在总线上所有发送器被禁止，则接收器输出逻辑0，这会误认为通信帧的起始引起工作不正常。解决这个问题的办法是人为地使a端电位高于b两端电位。这样rxd的电平在485总线不发送期间（总线悬浮时）呈现唯一的高电平，89c52单片机就不会被误中断而收到乱字符。通过在485电路的a、b输出端加接上、下拉电阻r59、r61，可以很好地解决这个问题。使用dc-dc器件可以产生一组与微处理器电路完全隔离的电源输出，用于向rs-485收发器电路提供+5v电源。设计中选用zy_bd-1w型直流电压隔离器。该隔离器为定压输入、单输出隔离电源模块，具有效率高、体积小、可靠性高、耐冲击、隔离特性好的优点，能够满足设计中电源的隔离要求。其连线如图3.11所示。在输入端的并联电容主要是为了进一步稳定输入电源；输出端的并联电容主要是为了减小输出纹波，应注意输出电容不能选取过大。本设计中选取电容均为10f的电解电容。 图中，钳位于6.8v的tvs管d4、d5、d6都是用来保护rs-485总线的，避免rs-485总线在受外界干扰时（雷击、浪涌）产生的高压损坏rs-485收发器。电路中的光耦器件的速率会影响rs-485电路的通讯速率。本设计中选用了nec公司的光耦器件ps2501芯片，可以使rs-485电路的通讯速率达到19200bps。203.5.2 红外通信模块红外通信以红外线作为介质来传送数据信息，由红外接收器和红外发射器来完成信号的无线收发。在发射端，对发送的数字信号经适当的编码和调制后，送入电光变换电路，驱动红外二极管发射红外光脉冲，在接收端，红外接收器对收到的红外信号进行光电变换，并进行解调和译码后，恢复出原信号。发射电路由调制电路、驱动电路及红外发射器件组成，红外接收电路由红外接收器件、前置放大电路、解调电路等构成。串行通信通道的txd信号的脉冲宽度是由波特率确定的，如果不经过调制而直接驱动红外发光二极管，抗干扰能力较差。因此需要将数据“载”在频率较高的载波信号上进行调制。按照多功能电能表通信规约(dl/l645-1997)规定，采用脉冲调幅调制方式，载波频率应为38khz士ikhz。图3.12 红外通信接口电路单片机的异步串行口tx输出的串行数据信号,送到与非门74hc00的输入端，与非门的另一输入端接38khz的载波信号，载波则是利用通用定时器端口从p1.0引脚输出一个频率为38 khz的方波作为载波。与非门的输出信号用来控制三极管的开通或关断,从而控制红外发射管发送信息。这样就达到了用串行口tx输出的串行数据信号直接调制载波,进行红外数据传输的目的。因单片机在复位后,txd脚为高电平,为满足同步的要求,采用低电平同步脉冲,经与非门(u5)后变成高电平同步脉冲，所以单片机txd发送的编码应是反码。因串联的2个三极管为npn型的，所以只有在txd和载波均为低电平时才能同时导通并使发光二极管发光。得到的波形如图3.13所示。图中第一行为txd引脚的波形,第二行为p1.0引脚的波形;第三行为bgi发射极的波形，当txd数据为0时有连续的脉冲串，而txd数据为1时无脉冲出现。图3.13调制波形的获取接收电路的设计中采用一种高效能的红外接收器德律风根tfms5380。德律风根所开发的微型