三相智能电表设计毕业论文.doc

摘要随着整个社会用电量的剧增，传统电表已经难以完成复杂的电量测量管理任务。本次设计的智能电表以美国炬力公司生产的高性能电量芯片ATT7030A为测量芯片，该芯片是一款高精度的三相电能计量芯片，可以完成三相电能参数的精确测量，且具有三相三线和三相四线转换功能。本设计能够较为容易的转化为工业、民用计量产品，满足计量测试需要。本设计的主要工作包括硬件设计和软件设计两个方面。硬件设计选用AT89S52单片机作为系统处理核心，提高三相智能电度表的多功能化程度；选用X5045作为看门狗电路，完成对CPU运行状态、电源电压等监控；X5045内部具有512字节的FLASH存储器，存储相关参数，做到掉电数据不丢失；通过75LBC184完成485通信功能，传输距离可达到1200米；配置了38KHz的红外发送/接收电路，完成红外抄表功能，传输距离大于4米。软件设计部分主要包括主程序、电量采集子程序、键盘显示子程序、网络通信子程序、红外通信子程序等五部分。 本设计经过实验测试，实现了对电能的精确测量、数据存储、数据显示、485通信、红外通信等功能，达到了设计要求，表明本设计方案是正确的。关键字：三相智能电度表；ATT7030A；单片机；红外通信；485通信ABSTRACTWith the increasing of social power consumption, traditional ammeter has been difficult to perform complex power measurement management. The design of smart ammeter is based on high-performance power chip ATT7030A, which is produced by American Hitrendtech company. This chip is a high-precision three-phase electricity measurement chip, which can complete three-phase power parameter measurements precisely. Besides, it has a three-phase three-wire and three-phase four-wire conversion function. This design work can easily into industrial and civil measurement products to satisfy the measurement need. The main work of the design includes hardware design and software design. The hardware design chooses AT89S52 single-chip-computer as system processing core, improving the multifunction degree of the three phase smart ammeter. The ammeter chooses X5045 as watch-dog circuit to achieve monitoring CPU running condition and power supply voltage. There are 256 bytes of FLASH memory in X5045, which can storage related parameters and the data will not lose when power down .System competes RS-485 communication function by 75LBC184 and its transmission distance beyond 1200 meters. The design configurations 38 KHz infrared Transmit/receive circuit, to complete infrared reading function with transmission of 4 meters. The software design mainly includes main procedure, power acquisition procedure, keyboard and display procedure, network communication procedure, infrared communication procedure, ECT. By the experiment test, the design achieve the precise measurement of the electrical energy, data storage, data display, 485 communication, infrared communication and other functions, satisfying the design requirements, shows that this design program is correct.Keywords: The three-phase smart ammeter；ATT7030A；single-chip-computer；Infrared communication； RS-485 communication目录摘要1ABSTRACT21 绪论51.1课题选择背景及目的51.2 国内外研究状况51.3 课题设计研究方法62 系统整体方案设计72.1 系统设计思路72.2 方案论证72.2.1 三相电参数的测试与计量方案论证与比较72.2.2多功能化模块的方案论证与比较82.2.3 电压、电流采样方案论证与比较92.3 本设计的主要工作103 系统硬件设计113.1 硬件整体系统设计113.2 电源电路设计123.2.1工作原理133.2.2 变压模块143.2.3 整流模块143.2.4 滤波模块143.2.5 稳压模块153.3 电压电流采样处理单元173.3.1 ATT7030A 简介173.3.2 ATT7030A 引脚定义183.3.3 ATT7030A 结构框图203.3.4 电压电流输入电路213.3.5 有功功率、有功电能测量223.3.6 功率极性判断243.3.7 电压失调检测243.3.8三相三线制和三相四线制应用243.3.9电能输出脉冲电路253.3.10 校准263.4 CPU中央处理单元293.4.1 CPU选择303.4.2 数据存储模块323.4.3 显示模块373.4.4 键盘模块423.4.5 485通讯模块433.4.6 红外通信模块464 系统软件设计504.1 系统主程序504.2 键盘程序514.3 电能脉冲计量程序534.4 MAX7219初始化及显示程序554.4.1 MAX7219 初始化554.4.2 显示程序564.5 X5045相关程序574.6 485通信程序594.7 红外通信程序615 测试结果与分析636 结论及前景展望65课题设计参考文献66致谢67附录一：系统程序68附录二：英文文献及译文861 绪论1.1课题选择背景及目的 伴随着我国工业化进程的前进步伐，工业及居民用电急剧增加，庞大的供电网络给用电管理单位带来了巨大挑战，也给居民工厂带来了诸多不便。为此我国在“十二五规划”中提出建设“智能电网”的解决方案，实现电网、计算机网、电信网三网融合。传统的机械式电表及电子式电表无论是在计量精度还是在信息传递方面都难以满足“智能电网”的需求，在这种情况下智能电表应运而生。智能电表是指具有多功能化、智能化、网络化等功能的新式电表，是智能电网的基本设备之一，承担着原始电能数据采集、计量和传输的任务。 智能电表设计的课题研究富有实用价值和市场前景。首先，智能电表能够更方便、精确地计量电能，数字显示界面更加直观方便；其次其智能化可以帮助管理单位实现远程管理、提醒居民按时缴费、详细记录用电明细表。节省了管理单位的人力、物力资源。最后智能电表可以通过加密防止用户窃电，安全性更高。1.2 国内外研究状况欧美科技公司在智能电表方面的研究已经走在了世界前列，也主宰着电能测量IC的主要市场。如美国ADI公司的ADE78系列电量测量IC不仅精度达到0.1%,而且具备各种防窃电功能；荷兰的恩智浦公司推出的基于ARM Cortex的MCU解决方案LPC1700系列功能更加强大；此外还有美国飞思卡尔半导体公司的9S08MZ60、MZ96、MZ128MCU，炬力公司的ATT70系列等电表IC，及德国西门子公司基于Blackfin的智能电表都以其丰富的功能为智能电表的设计提供了方案。国内智能电表的设计尚处于起步阶段，主要集中在应用方面，电量测量ASIC则主要依赖进口产品。在2007年12月初，国家发改委发布了多功能电能表和多功能电能表通信协议两个行业标准，2009年10月，国家电网公司公布了智能电表新标准，提高了电表在计量、费控、通信、功耗、电子线路布线等技术指标，含有MCU成为必选项，要求有更高的计算能力。随着我国智能电网的建设，智能电表的大规模应用即将启动，预计2015年我国智能电表覆盖率80%，2020年达到100%。可见我国的智能电表设计研究还有很大的潜力空间，智能电表在网络化、智能化、多功能化等方面还需要我们继续深入研究。 1.3 课题设计研究方法 本课题主要对能精确测量电能并具有智能管理功能的电表的设计方法进行研究。研究的具体内容如下。 1、实现智能电表精确测量，达到1级精度要求的具体方法。此处涉及到电量计量芯片的选择、CPU的选择、软件算法的构架、PCB布局等影响测量精度因素的研究。2、 实现电表智能化管理的具体方法。涉及到的研究内容有：数据存储的实现方法、键盘显示的实现、系统通过RS485与上位机通信实现方法、系统通过红外与其他设备通讯的实现方法。3、实现系统供电电源设计的具体方法。此处涉及到交流电源转直流稳压电源的研究。2 系统整体方案设计2.1 系统设计思路分析课题需求，将系统整体分为电量测量和智能管理两部分。电量测量部分选用高精度、高可靠性的电量测量ASIC实现，能够完成三相电量的准确计量。该部分是设计的关键和基础。智能管理部分除核心元件微处理器外，还需要人机交互模块、数据存储模块及通讯模块。该部分是实现电表“多功能化”的重要组成部分，对其要求是智能化程度高，易于功能扩展。2.2 方案论证2.2.1 三相电参数的测试与计量方案论证与比较该部分是本系统设计的关键部分，要求电路结构简单、可靠、功能全面，能够完成预定功能。目前，关于三相电参数的测试与计量主要有两种技术方案。1、 传统的模数转换和相位检测技术被测三相电压、三相电流通过相应互感器转变为能被后端电路接收的电信号，变化之后的信号需要做两方面的处理，一方面检测电压电流的相位差，确定功率因数，另一方面线性调整信号，传输给后端的A/D转换器。电压、电流转换后的数字量和功率因数值传输给CPU处理器，根据三相功率、三相能量等电参数的计算公式计算相应的各个电参数，并对计算数据做相应处理。该方案存在电路结构复杂，参数测试误差大，编程复杂、故障排除复杂等缺点。该技术方案已不再适用于工业环境中三相电能表的电参数测量。2、 专用的三相电参数测试与计量技术随着大规模集成电路的迅速发展，有关电参数测量的集成电路市场上出现了多种专用产品，针对不同的电参量可以选用不同的产品。目前，在我们国内比较流行的电量测试与计量芯片主要有美国ADI公司生产的ADE7755，美国CIRRUS LOGIC公司生产的CS5460，美国炬力公司生产的ATT7021、ATT7030、ATT7026等，国内上海贝岭公司也生产了相应的电量计量芯片。以上IC芯片在国内电能表行业中得到了广泛的推广应用，多年来的应用表明，这些IC芯片在电参数的测试与计量的应用比较稳定，计量精度满足了国家标准。采用专用的IC测试电参数已成为目前各种电能表制造厂商的首选技术方案。其中，ATT7026、ATT7030是专用于三相电参数测量的IC芯片，外围电路配置简单，可方便地与CPU连接。综合考虑本电能表所要实现的功能，我们选用第二种方案。ATT7030A测试计量的电参数能满足本次设计题目提出的技术要求，是一款高精度的三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线。 ATT7030A提供有功电能计量输出脉冲，微处理器可方便的对电能实现计量。2.2.2多功能化模块的方案论证与比较多功能化模块应包括以下几个组成部分：CPU中央处理器、外部存储器、键盘、显示、485通信接口、红外收发电路、报警电路、负荷控制电路等八部分组成。CPU中央处理器的选择方案有两种，方案一：选用DSP处理器；方案二：选用单片机。DSP处理器具有运算速度快，处理能力强等优点，但存在价格相对较高，参考资料相对较少等缺点。单片机是目前电能表行业中普遍选用的中央处理器。目前，国内高校主要以MCS-51单片机为例来学习单片机原理与接口，因此，市场上该种类型的单片机参考资料最多，成功设计案例较多。比较以上两种方案，我们选用ATMEL公司的AT89S52单片机作为中央处理单元，该单片机具有较强的数据处理功能，与MCS-51完全兼容，设计使用方便。外部存储器选择方案主要有两种。方案一：选择RAM存储器；方案二：选择FLASH存储器。RAM存储器速度快，可读写操作，但存在掉电数据丢失的缺点，为了保证数据不丢失，一般需要设计电池供电，增加了设备的体积，成本等。外部FLASH存储器具有掉电数据不丢失的优点，速度相对较慢，可以进行读写操作。由于电能表对数据存储的速度较低，数据量较少，因此，FLASH存储器是电能表行业中选择的主流芯片。我们选用X5045作为外部数据存储器，选用该型号的存储器不仅可以方便数据的存储，而且具有看门狗功能，监视CPU的运行状态和系统的电压，保证系统的安全运行。负荷控制电路设计具有预付费功能，即用户应先购电，后用电，用户购剩余电量达到报警值或剩余电量为零时，都要操作继电控制装置，提醒用户及时购电。本着可靠、性价比高的原则，设计其它接口电路。2.2.3 电压、电流采样方案论证与比较目前，电能表行业中，关于电源电压、电流的采样方案主要有三种：第一种是采用电流互感器、电压互感器采样；第二种电压采用电阻分压网络采样，电流采用锰铜电阻采样；第三种方案以上两种方案的交叉组成。电流取样使用电流互感器具有过载能力强，精度高，抗干扰能力强的优点，但存在成本高，体积大的缺点；电压取样采用电压互感器同样具有过载能力强，精度高，抗干扰能力强的优点，存在成本高，体积大，校表难度高的缺点；与采用互感器取样比较电流采用锰铜电阻具有取样方便，成本低的优点，但存在过载能力弱，抗干扰能力差的缺点；电压采用电阻分压网络取样具有取样容易，校表方便、成本低的优点，但存在过载能力弱的缺点。比较以上几种方案，结合本表的计量精度要求，电流取样采用高精度（0.1级）的电流互感器，电压取样采用电阻分压网络。该方案既提高了本系统的抗干扰能力，又方便了电能表的校验。 根据上述方案论证，智能电表系统的实现方案如下：AT89S52(CPU)+ATT7030A(电量测量IC)+X5045（Flash存储器）+MAX7219 (LED显示IC)+独立式键盘+75LBC184（485通讯IC）+红外调制管+MC7805(DC稳压电源IC)。2.3 本设计的主要工作测量的电量可以通过RS485总线传送到上位机；测量的电量可以进行红外线无线传输，我们设计了专用红外抄表器用来抄写数据，简单方便；本设计产品可以通过红外抄表器设定更改机号；本设计产品可以实现预付费电量计量，而且当预付电量将要使用完时，可以发出报警信号。3 系统硬件设计3.1 硬件整体系统设计根据方案比较与论证，三相智能电度表的整体电路主要包括：电源电路、电压电流采样处理单元、CPU中央处理单元等三部分组成。其中采样电路又分为电压采样模块、电流采样模块；CPU中央处理器单元又分为CPU中央处理器、键盘、显示、外部存储器、485接口、红外收发、负荷控制、报警模块。整体设计方案见图3-1。图3-1 系统整体电路原理框图系统工作原理： 第一步接通电源电路，CPU中央处理单元上电，系统进入待机状态。此状态下，CPU取出存于外部存储器中的剩余电量数据和本电表机号并显示于显示模块上。当按下键盘“设置键”时，系统进入功能设置状态，按“确定键”则退出该状态。第二步采样单元发出电量计量脉冲信号，系统进入工作状态。次状态下，CPU对脉冲进行计数及计算电量，经过一段时间运算后得到这段时间中用户消耗的电量。用户上次预购电量减去剩余电量，得到用户新的预购电量剩余值。如果该值小于某一值时，通过报警模块通知用户及时购电。有两种事件是随机发生的：485通信和红外通信事件。当上位机向电表发出通信请求时，系统进入485通信状态，通信结束退出该状态。当红外抄表器向电表发出通信请求时，系统进入红外通信状态，通信结束退出该状态。系统状态转换图见图3-2。图3-2 系统状态转换图3.2 电源电路设计三相电压、电流采集处理电路与CPU中央处理单元均需要5V直流电源供电，为提高系统工作可靠性及适应现场电压波动范围大的情况，本系统采用三相电源变压-整流-滤波-稳压方式。具体设计电路见图3-3。图3-3 系统电源电路3.2.1工作原理如图3-2-1所示，系统直流电源AVCC直接由三相交流电源转换而来。以A相位例，A相220V交流电经变压器变压得到交流电V1，V1经过整流桥整流得到含有较大纹波系数的直流电V2，V2经C13、C14滤除纹波后进入三端稳压器件LM7805稳压处理得到V3，V3经C15、C16滤波得到系统需要的直流电源AVCC。B相、C相原理于A相相同。由Multisim软件仿真得到V1、V2、V3波形如图3-4所示图3-4 系统电源部分电压波形图3.2.2 变压模块 由220V交流电得到5V直流电第一步需要选用变压器进行降压处理，变压器两端的匝数比决定着降压系数。三端稳压电源LM7805最大输入电压为30V，正常范围为518V，所以变压器副边输出电压V1可以选择15V。根据变压器两侧电压比，可计算出变压器的原副边匝数比： N1:N2=VA:V1=220:15 式（3.1）3.2.3 整流模块整流是交流电转换为直流电的必要步骤，常见的二极管整流方式有半波整流、全波整流、桥式整流等，桥式整流以其较高的利用率而广泛应用。整流桥后有C13、C14组成的滤波单元，不考虑整流二极管正向压降时输出电压： V2=V1=21.21（V） 式（3.2）由图3-2-2可见，在V1负峰值时，整流二极管承受最大反向电压： =V2-V1=21.21-(-21.21)=42.42（V） 式（3.3）考虑冗余设计，整流二极管最大反向工作电压应选择VR=60（V） 式（3.4）3.2.4 滤波模块电容滤波原理是电容针对不同频率的信号产生的阻抗不同，从而使信号因不同频率而产生的不同衰减度。要计算电容在某信号下的阻抗就必须考虑电容的等效模型，图3-5是一般电容的等效模型，由一个等效电容C和一个等效电感组成。图3-5 电容等效模型设某信号频率为，则电容在该频率下产生的阻抗计算如下：（1）当电容为电容值较小的陶瓷电容时，其等效电感量很小，可忽略不记，电容产生阻抗为： 式（3.5） （2）当电容为电容值较大的电解电容时，其等效电感不能忽略，电容产生阻抗值为： 式（3.6） 由上述两式可见，滤除低频信号用大电容，滤除高频信号用小电容。所以这里我们选择大小两颗电容，大电容C1选择370uF滤除低频噪声，小电容C2选择0.1uF滤除高频噪声。此外大电容也起到缓冲稳定电压作用。 C13两端电压为V1的峰值电压，所以V2=V1=21.21V，故C13、C14的耐压值可选择50V。3.2.5 稳压模块稳压电源分为线性稳压电源和开关稳压电源两类，其中：线性稳压电压优点是稳定性高、波纹小、电路简单，缺点是体积大、效率低、驱动电流小；开关电源优点是体积小、效率高、驱动能力强；缺点是波纹系数大，稳定性不如线性稳压电源好。本系统电源直接供给IC，对驱动电流要求不大，且ATT7030A对电源稳定性要求较高，所以这里我们选择线性稳压电源。三端稳压集成电路LM7805所需的外围元件极少，电路内部有过流、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，所以被广泛应用。LM7805如图3-6所示，1脚为输入端，2脚为输出端，3脚为接地端。图3-6 LM7805引脚图LM7805主要电参数：输入电压范围：518V，最大值30V输出电压：4.85.2V，典型值5.0V线性调整度：4.0mV负载调整率：9.0mV输出噪声电压：42uV输入输出压差：2V输出阻抗:15m，12KHz时。峰值电流：2.2A静态电流：5.0mA短路电流：230mA纹波抑制比：73dBV2经过电容滤波进入LM7805，输出电压V3稳定为5V，LM7805后仍需接大小两个电容输出电压才能真正稳定。其中，大电容的作用是增强负载特性（输出阻抗随频率增加基本保持不变）和瞬变响应（利用电容电压不能瞬间改变特性），小电容的作用则是滤除高频干扰，两者耐压值选择15V。3.3 电压电流采样处理单元本系统电压电流采样处理单元采用ATT7030A作为核心处理芯片，外围辅以电源、电压电流模拟输入、脉冲输出等电路。3.3.1 ATT7030A 简介 ATT7030A是一款对三相有功电能进行高精度测量的芯片，其特点如下：高精度，在1000到1的动态范围内误差小于0.1%；电能测量符合1S、0.5S级，支持IEC 687/1036标准，GB/T 17215-1988； 提供有功电能测量 当任意一相功率反向时，提供功率反向指示信号 REVP； 当三相合功率为负时提供反相指示信号NEGP，可以用于止逆场合； 提供缺相指示PA/PB/PC； 提供有功电能校准输出脉冲：CF1； 提供输出脉冲F1/F2，用于驱动电量计度器和步进电机； 三相合电能计算模式是可选择的； 提供校准电阻网络； +5V单电源供电3.3.2 ATT7030A 引脚定义 ATT7030采用QFP44封装形式，引脚图见图3-7，各引脚定义见表3-1.图3-7 ATT7030A引脚图表3-1 ATT7030A 引脚定义表管脚名称I/O描述1RESETIATT7030复位，低电平有效，内部上啦47K电阻2SIGO正常工作时SIG脚为低电平3, 4V1P/V1NIA相模拟电流输入通道。最大输入信号电平1.5V。所输入端内部都有静电保护电路，这些输入脚还有6V过电压保护，防止器件被损毁。5REFCAPO内部基准电压，2.4V，可以连接到外部基准电压。该脚通过10uF和0.1uF电容接地去耦。6, 7V3P/V3NIB相模拟电流输入通道。最大输入信号电平1.5V。所输入端内部都有静电保护电路，这些输入脚还有6V过电压保护，防止器件被损毁。8, 15AGNDAGND这个模拟地是所有模拟电路的参考地9,10V5P/V5NIC相模拟电流输入通道。最大输入信号电平1.5V。所输入端内部都有静电保护电路，这些输入脚还有6V过电压保护，防止器件被损毁。11REFOUTO基准电压输出，作为输入信号的偏置12, 18AVCCAVCC模拟供电电源，在指定应用时其电压应维持在5V5%。这个管脚应该通过10uF电容和0.1uF电容接地去耦。13, 14V2P/V2NIA相模拟电压输入通道。最大输入信号电平1.5V。所输入端内部都有静电保护电路，这些输入脚还有6V过电压保护，防止器件被损毁。16, 17V4P/V4NIB相模拟电压输入通道。最大输入信号电平1.5V。所输入端内部都有静电保护电路，这些输入脚还有6V过电压保护，防止器件被损毁。19, 20 V6P/V6NIC相模拟电压输入通道。最大输入信号电平1.5V。所输入端内部都有静电保护电路，这些输入脚还有6V过电压保护，防止器件被损毁。21, 22S0/S1I为输出频率选择系数，内部上拉300K电阻23,44GNDGND数字地24TESTI测试脚，正常情况下接地。北部下拉47K电阻。25SCFI联合S0/S1为输出频率选择系数，内部上拉300K电阻26SELI系统模式选择端，高电平三相四线制，低电平三相三线制。内部上拉300K电阻。27CF1O有功电能脉冲输出脚28NC-空脚29, 30F1/F2O低频有功电能脉冲输出端，代表的是三相平均有功功率。用于驱动电量计度器。31NEGPONEGP：当三相有功功率为负时输出高电平，当三相有功功率为正时输出低电平。32NC-空脚33, 39VDDVDD3.0V电源输出脚。该脚应通过10uF电容和0.1uF电容接地去耦34, 41VCCVCC数字供电电源脚，供电电压应维持在5V5%。该脚通过10uF电容和0.1uF电容接地去耦。35PAOA相电缺相指示，当A相电丢失时输出高电平36PBOB相电缺相指示，当A相电丢失时输出高电平37PCOC相指示，当A相电丢失时输出高电平38SUMI三相总电量相加模式选择脚，内部下拉300K电阻。40REVPO任何一相有功功率为负时为高电平，所有相有功功率都正时为低电平。42OSCII系统振荡器输入端，振荡频率为24.567MHz43OSCOO系统振荡器输出端44GNDGND数字地3.3.3 ATT7030A 结构框图 ATT7030A结构框图如图3-8所示。如图3-8 ATT7030A 内部结构框图 信号处理流程图见图3-9。如图3-9 ATT7030A 信号处理流程图3.3.4 电压电流输入电路ATT70230A有6路A/D转换器，电压取值在0.2V到0.6V，电流取值在2mV至1V之间，电能线性小于0.1%。每路ADC交流输入由管脚VxP和VxN输入，同时要求VxP、VxN叠加2.4V左右直流偏置电压，该偏置电压可以由芯片参考电压输出端REFOUT获得，也可以由外部基准电压提供。6路ADC结构框图见图3-11.。图3-10 ATT7030A 6路ADC结构图ATT7030A的采样电压输入采用电阻分压方式（见图3-12），通过调节电阻网络可以设置输入电压，一般输入电压设置为0.5V，直流偏置电压REFOUT为2.4V。图3-11 ATT7030A 电压采样电路图3-12 ATT7030A 电流采样电路ATT7030A的电流采样通过电流互感器降流后再采用差分方式输入。图3-13所示的是某一相电流采样输入电路，左侧省略了电流互感器。其中1.2K电阻和0.01uF电容组成抗混滤波器，其结构和参数讲究对称，采用温度性较好的元器件，从而保证电表获得较好的温度特性。电容C3是用来调节相位误差的，其大小应根据实际误差情况而定。3.3.5 有功功率、有功电能测量 每一路有功功率的计算是通过对输入电压、电流信号进行相乘、相加、数字滤波来完成的。-型A/D转换器的高速取样特性保证了对输入信号的取样率，并且采样数据最高可包含21次谐波的信息。计算公式： 式（3.7）有功功率的测量原理如图3-14所示，三相总有功功率如下。Pt=Pa+Pb+Pc。 式（3.8）图3-13 有功功率测量原理框图有功电能的计算是通过瞬时有功功率对时间积分完成的。单相有功电能的计算公式：Ep=P(t)dt， 三相总有功电能可以根据设置选择代数和模式或绝对值和模式进行相加，见图3-15。其中当SUM脚接高电平表示： 三相四线时，三相电能以代数和输出 三相三线时，三相电能以绝对值和输出当SUM 脚接低电平表示：三相四线时，三相电能以绝对值和输出 三相三线时，三相电能以代数和输出代数和模式： 式（3.9）绝对值和模式： 式（3.10）图3-14 有功电能测量原理框图3.3.6 功率极性判断ATT7030A 提供实时有功功率极性指示。负功率指示信号REVP：如果任一相有功功率是负的，REVP将输出高电平，当三相功率都是正时输出低电平。负功率指示信号NEGP：如果三相总有功功率为负，NEGP将输出高电平，反之则输出低电平。注意NEGP只在代数和模式下有效，若选择绝对值和模式，NEGP在任何时都输出低电平。3.3.7 电压失调检测 ATT7030A 可以根据设置的阈值电压检测A、B、C三相电压失调状态。在三相四线制模式下，电压输入通道的阈值电压约为50mV。在三相三线制模式下，电压输入通道的阈值电压约为300mV。功率缺相指示信号PA、PB、PC分别代表A、B、C三相电状态，若输出高电平表明A、B、C三相电压低于设置的阈值电压，输出低电平表明A/B/C三相电压高于设置的阈值电压。3.3.8三相三线制和三相四线制应用 在三相四线制模式下，ATT7030A 用3项测量原理，三相总功率计算公式为： 式（3.11） 在三相三线制模式下，ATT7030A 用2项测量原理，B相通道不参与功率测量，只有A相和C相参与功率测量。三相总功率计算公式为： 式（3.12）3.3.9电能输出脉冲电路 ATT7030A 提供两种输出脉冲：高频输出脉冲CF1和低频输出脉冲F1/F2。 在功率测量信号处理电路中，开关电压和电流信号相乘得到瞬时功率，瞬时功率对时间积分转换为电能。A/B/C相电能根据代数和模式或者绝对值和模式相加，通过改变频率信号和分频信号，我们得到高频电能脉冲输出信号，该信号可以用来进行校正。在此基础上，分频信号也可以得到低频输出脉冲信号用于驱动步进电机。下面是当高频输出系数为64时的分频示意图。脉冲输出宽度为90ms。当脉冲宽度小于180ms时，电能输出脉冲周期占空比为1：1。图 3-15 CF脉冲输出示意图下面是低频输出系数为16时的分频示意图。电能输出脉冲（F1/F2）宽度为275ms。当脉冲周期小于550ms时，电能输出脉冲周期占空比为1:1。图 3-16 F1、F2脉冲输出示意图电能的计量是通过对CF1进行计数实现的，如图3-17所示，将CF1耦合入光电耦合器2051输入端，并由单片机对光耦输出信号进行计量。光电耦合器的应用提高了系统的安全性及计量的可靠性。下图中SAMP端接单片机P3.5，右侧部分的发光二极管为电能脉冲指示信号，TEST插件为的是方便校表与检测。图3-17 电能脉冲计量电路3.3.10 校准 ATT7030A 提供电阻网络校准方式，可以通过调整电压采样通道的电阻值来校准电能表。系统有效误差可以被校准到1S/0.5S级别。当输入电流是额定电流（Id），采样电压是0.1V时，ATT7030A 能够在0.1%Id下启动并且将蠕变限制在0.08%Id。 在设计中需要根据条件选择合适的脉冲常数N和计度器变比。对于炬力三相计量芯片，电表校验脉冲CF1计算公式1： CF1=1600*Vu*Vi*G*G/Hfreq 式（3.13）其中Vu是参比电压输入下，芯片电压采样管脚上对应的电压，Vi是额定电流输入时芯片电流采样管脚上对应的电压，G是常数0.648（对应于2.4V参考电压），Hfreq为高频输出常数。CF1另一计算公式： CF1=N*Un*Ib/3600000 式（3.14）其中N为脉冲常数（又称校表系数），Un为参比电压，Ib为额定电流。由以上两个公式可得出 Hfreq=5760000000*Vu*Vi*G*G/(N*Un*Ib) 式（3.15）通常Vi取0.1V，根据Un与Ib及脉冲常数N，选合适的Vu（取值范围在0.2V至0.6V之间），使Hfreq与表3-3-2中值靠近。表3-2 Hfreq、Lfreq真值表SCFS1S0HfreqLfreq0002561600112816010128801112841006416101648110644 Lfreq是驱动计度器每一个管脚的分频系数，它对校验脉冲进行分频，因为计度器每走一步需要两个脉冲，所以计度器的变比应为： N/Lfreq*2本系统要求：设计一款三相四线表，参比电压220V，额定电流5A，脉冲常数为400imp/KWh,需计算SCF、S1、S0取值、电压回路的采样电压。第一步：设Vu=0.5V，Vi=0.1V，电流互感器互感系数为1，则Un=220V，Ib=1A，Hfreq =5760000000*0.5*0.1*0.648*0.648/(220*5 *400) =109938/400 =275由表3-3-3可得，此时Hfreq选择为256。第二步：选择计度器变比本系统因采用单片机处理计数任务，无需计度器，因此计度器变比不需计算。此时Hreq为256，SCF、S1、S0=000。第三步：确定采样电压由公式Vu=Hfreq*N*Un*Ib/(5760000000*Vi*G*G) =256*400*220*5/(5760000000*0.1*0.648*0.648) =0.4657此值在0.2V和0.6V之间，符合设计要求。第四步：确定分压电阻分压电阻的选择通常要考虑一下因数：1、分压电阻的功耗，2、分压电阻的耐压值，3、误差可调范围。由于电压回路抗混叠滤波器参数要求。电压采样回路接地电阻为1.2K，这样分压电阻大约为220*1.2/0.4657=566K，考虑实际中参考电压的不同，一般预留25%的调整范围，取样电阻取450K-560K，其中450K左右为固定电阻，110K为可调电阻。考虑过压一倍能力，固定电阻承受越400V电压，每个贴片电阻耐压50V，固定电阻需要放8颗，每个电阻的阻值为450/8=56K。若最小调整精度约为0.1%，则最小的可调电阻可取680欧姆。下表是可调电阻对应的调整精度表。表3-3 电阻调整精度表可调电阻6801.2K2.7K4.7K6.2K10K20K47K调整精度0.1%0.2%0.4%0.8%1%2%4%9% 下图是一相用电阻分压式采样的电压输入电路。图3-18 电阻分压式采样的电压输入电路3.4 CPU中央处理单元CPU中央处理单元但由于需要实现数据存储、显示、键盘、通信等功能，因此电路较为复杂，元件较多。设计原理图见图3-19。由图3-4-1可知，CPU选用AT89S52，外部存储器选用X5045，一方面存储数据满足掉电数据不丢失，其次X5045具有看门狗功能，监视CPU运行状态及电源电压，保证系统可靠运行。485通信选用75LBC184集成电路，具有带载能力强，传输距离远的特点。红外采用38KHz调制方式，传输距离超过5米，误码率低。CPU有功电量采样使用光电耦合器隔离，提高其采样的可靠性。校表通过光电耦合器输出校表脉冲，方便与校表试验台连接图3-19 CPU中央处理单元3.4.1 CPU选择AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用ATMEL 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。AT89S52主要功能特点：与MCS-51产品兼容；8K字节在系统可编程Flash存储器；1000次擦写周期；全静态操作：0Hz-33MHz;三级加密程序存储器；32个可编程I/O口线；三个16位定时器/计数器；八个中断源；全双工UART串行通道；低功耗空闲和掉电模式；掉电后中断可唤醒；看门狗定时器；双数据指针；掉电标识符。AT89S52引脚图见图3-20：图3-20 AT89S52 DIP封装引脚图3.4.2 数据存储模块因本系统需要存储用户电量等数据，且要求掉电数据不丢失，该系统选择X5045器件。X5045 是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM 三种功能于一身的可编程电路。这种组合设计减少了电路对电路板空间的需求。X5045中的看门狗对系统提供了保护功能。当系统发生故障而超过设置时间时，电路中的看门狗将通过RESET信号向CPU作出反应。X5045 提供了三个时间值供用户选择使用。它所具有的电压监控功能还可以保护系统免受低电压的影响，当电源电压降到允许范围以下时，系统将复位，直到电源电压返回到稳定值为止。X5045的存储器与CPU可通过串行通信方式接口，共有4096个位，可以按5128个字节来放置数据。1、引脚介绍X5045采用DIP8封装形式，其管脚排列如图3-20所示，共有8个引脚，各引脚功能如下：电路选择端，低电平有效；SO：串行数据输出端；SI：串行数据输入端；SCK:串行时钟输入端；：写保护输入端，低电平有效；RESET：复位输出端；VCC：电源端；VSS：接地端。2、工作原理（1）上电复位 向X5045加电时会激活其内部的上电复位电路，从而使RESET引脚有效。该信号可避免系统微处理器在电压不足或振荡器未稳定的情况下工作。当Vcc超过器件的Vtrip门限值时，电路将在200ms（典型）延时后释放RESET以允许系统开始工作。（2）低电压监视 工作时X5045对Vcc电平进行监测，若电源电压跌落至预置的最小Vtrip一下时，系统及确认RESET，从而避免微处理器在电源失效或断开的情况下工作。当RESET被确认后，该RESET信号将一直保持有效，知道电压跌到低于1V。当Vcc返回并超过Vtrip达到200ms时，系统重新开始工作。（3）看门狗定时器 看门狗定时器的作用是通过监视WDI输入来监视微处理器是否激活。由于微处理器必须周期性的触发/WDI引脚以避免RESET信号激活而使电路复位，所以/WDI引脚必须在看门狗超时时间终止之前受到由高到低信号的触发。（4）重新设置Vcc门限 X5045出厂时设置的Vcc门限电压为Vtrip，但在应用时，如果标准值不恰当，用户可以重新调整。（5）SPI穿行存储器 器件存储器部分是带块保护的CMOS串行EEPROM阵列，阵列的内部组织是8位。X5045可提供最少为1000000次擦写和100年的数据保存期，并具有穿行外围接口（SPI）和软件协议的特点，允许工作在简单的四总线。 X5045主要通过一个8位的指令寄存器来控制器件的工作，其指令代码通过SI输入端（MSB在前）写入寄存器。表3-4所列为X5045的指令格式及其操作。（6）时钟和数据时序当变低以后，SI线上的输入数据在SCK的第一个上升沿时被锁存。而SO上的数据则有SCK的下降沿输出。用户可以停止时钟，然后再启动它，以便在它停止的地方恢复操作。在整个工作期间，必须为低。表3-4 X5045指令格式及其操作指令名称指令格式操作WREN0