美居乐变压器智能保护电量计量模块的软硬件设计毕业论文.doc

美居乐变压器智能保护电量计量模块的软硬件设计毕业论文前言1第1章 变压器智能保护系统31.1 系统工作原理31.2 AT89S51单片机简介51.2.1 特性简介51.2.2 管脚定义61.3 小节9第2章 电量计量模块硬件设计102.1 电量计量芯片ATT7026介绍102.1.1 功能简介102.1.2 芯片引脚定义112.1.3 内部框图介绍132.1.4 应用示意图142.1.5 系统复位152.1.6 相关数值的测量162.1.7 接口模块192.2 互感器电路设计202.2.1 电压互感器202.2.2 电流互感器212.3 复位电路222.4 +5V电压设计232.5 小结24第3章 电量计量软件模块的设计263.1 软件校表设计263.1.1 寄存器定义263.1.2 参数计算273.2 SPI通信软件设计293.2.1 SPI读操作293.2.2 SPI写操作313.3 小结33第4章 系统原理图设计344.1 硬件电路图设计344.2 系统原理图344.3 硬件抗干扰设计364.3.1 传输通道抗干扰设计364.3.2 供电系统抗干扰设计364.3.3 系统接地的抗干扰设计374.4 小节37结论38参考文献39致谢40前言1.课题的选择和意义随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，我国的电力事业迅速发展，电网不断扩大，用户对供电质量和供电可靠性的要求也越来越高，这就要求电力供应部门提供安全、经济、可靠和高质量的电力。据统计连接在电网中的变压器总容量约为发电设备总装机容量的89倍，因此配电变压器的安全可靠决定了配电网安全可靠地运行。 对配电变压器的运行状态进行实时监测，以达到对变压器安全、有效的保护是十分必要的。配电变压器分布在各类企业、小区及城镇的大街小巷，由于通信的困难，用常规的自动化检测手段难于实现大量的配电变压器实时保护。如今，国内外越来越多的生产厂家不断的推出各种的配电系统的保护装置，但是大多数是针对大型配电系统所设计的，而对于农村或是边远地区相配套的中小型配电装置的产品却是不多。相对于大型输电变压器而言，中小型配电变压器由于安装分散，工作环境相对恶劣，因此在此类变压器的运行过程中特别是用电高峰时容易出现过负荷、欠压和变压器过热等危及变压器安全运行的问题，如何以一种经济稳定的方式实现对中小型配电变压器的集中监控是一个亟待解决的问题。当变压器发生故障或异常运行时，配电保护装置可以自动读取在线电量数据，为用户提供自动化的用电信息，迅速查出异常情况，降低劳动强度，在减少人力介入的情况下完成大量重复性的工作。工作电流、工作电压和变压器油温是决定中小型变压器是否安全运行的三个主要参数，对这三个参数进行实时监控对于保证变压器的安全运行具有很重要的作用。本文针对中小型配电变压器的集中监控具有重要的工程应用价值。2.现阶段国内外研究现状作为变压器保护系统中很重要的一部分电量计量模块，在国内外有很多产品用于电量检测。比如可方便地测量三相四线制电力线路的各类电参数的AC86型高精度智能电量综合检测仪能同时替代电流、电压、频率、功率、 功率因数、电量等多种电参量传感器；可用于手机、数码相机、MP3等手持设备的LM3658和DS278电量计量模块；基于DSP的工频电量测试仪，以TMS320VC33DSP为核心，采用钳形电流互感器输入和电压直接输入，实现对了电压，电流，功率，电网频率，电网功率因数的测量；ZTV-I 直流电量测试仪采用单片微处理器进行控制，可以测量直流电流、电压及输入功率，具有量程自动切换，测试范围广，测试精度高，使用方便；以嵌入式为核心的数字式智能多功能电量测量设备可实现对电压、电流、有功功率和无功功率等电量的测量，大大减少设备的硬件投入，简化电路，充分利用嵌入式系统强大的可编程功能，完成多参数电量测量和电网的监控。大多数智能变压器仅是针对大型配电系统设计的，成本较高。而对于农村或是边远地区相配套的中小型配电装置的产品不多。由于在农村或是边远地区的配电网中，配电变压器数量众多，分散性大，保护措施不完善等，变压器运行中容易出现很多问题，而目前很少有专门针对中小型配电系统的故障检测和保护等保护装置，本设计就是针对这样的问题建立的。3.本课题设计的内容针对中小型企业和边远地区的低压配电系统的核心设备变压器出现的问题，设计基于单片机的变压器硬件保护电路。通过软硬件设计构成对供电系统的监控系统，可以防止变压器因为过流、过压而出现故障。主要工作：设计能够实时检测变压器工况的各种电量数据的电压、电流、功率等的电量检测电路和电量检测驱动软件及校表软件。变压器运行过程的工作参数:1).设计能够实时检测变压器电量信息的电量计量电路，要求设计的硬件电路简单可靠，人机界面友好，可操作性高；2).设计智能保护模块的电原理图。第1章 变压器智能保护系统1.1 系统工作原理变压器智能保护系统中主要包括基于AT89S51单片机的主控模块，电量计量模块,切闸驱动输入模块，报警电路模块，数据存储模块，显示时钟模块，键盘输入电路模块，温度检测模块，实时时钟模块。具体如图1-1所示。图1-1 变压器智能保护模块组成框图互感器及其它电流、电压检测电路实时地采集变压器的输出的三相电压、三相电流，然后将这些数据传送给电量计量模块。该模块主要有专门的电量计量芯片组成，它负责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有效值、电压有效值、功率因子、相角和频率等参数。这些采集的数据通过SPI接口送到单片机内进行数据分析与计算处理；单片机根据系统的要求，一方面将计算、处理与统计的数据进行存储以备查询或下次调用；另一方面，根据数据采集与处理的结果实时地对补偿功率因数，或输出控制信号。 键盘与显示电路模块组成人机接口电路，用于终端的参数设置、数据修改、数据显示及查询等。报警电路模块是在当采集的电压、电流和油温异常时，及时报警并单片机作出切闸命令。切闸驱动电路模块主要用于系统单片机紧急或特殊情况下的开关分合。温度检测模块用于实时检测变压器的油温，在油温异常时及时切闸，保护变压器。变压器智能保护系统采集的信号有电流、电压、油温和时间；手动输入信号有手动合闸、手动切闸、故障查询；控制器对输入信号进行分析处理后产生的输出信号有实时电流显示、温度显示、故障显示、报警、自动切闸、故障记录和自动重合闸。总体设计工作如下：（1）过负荷保护功能。当系统检测到变压器的工作电流大于1.1倍其额定电流时，就会启动延时切闸流程，并且记录过负荷时间和原因。（2）油温监控功能。实时检测变压器的工作油温，报警温度定为油温80,达到100时切闸并记录故障信息。（3）自动重合闸功能。切断负载后计时15s，如果电流降到额定电流下，自动控制接触器吸合，将负载接到变压器。这时如果负载电流又达到切闸条件（油温高于80），又要切闸，系统在1分钟内如果出现三次重合闸就会永久切闸，等待人工处理。这种状况说明负载一直处于过载状态且没有减小的趋势。（4）数据存储功能。每次切闸要将故障状态、过载电流及油温等数据信息写入数据存储器中以备查阅。系统软件总体设计流程图如图1-2所示，启动单片机后，首先对电流和油温进行检测。当油温大于80时，报警电路进行报警，再次检测油温，若大于100时，直接进行切闸并记录故障，若小于100则检测电流；当油温小于80时，检测电流，根据反时限过流保护软件进行报警，延时，切闸，同时记录故障。若油温和电流都符合要求时，则显示数据即可；若在1min内连续切闸三次，就会永久切闸。单片机复位 检测油温T80 Y 报警 N电流Ii1.1In T100 N N Y 报警 Y 延时延时15秒切闸并记录故障三次切闸时间到？ N Y永久切闸图1-2 系统软件总体设计1.2 AT89S51单片机简介1.2.1 特性简介MCS-51产品指令系统完全兼容；4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器；1000次擦写周期；4.0V5.5V的工作电压范围；静态工作模式：0Hz33MHz；三级程序加密锁；1288字节内部RAM；32个可编程I/O口线；2个16位定时/计数器；6个中断源；双工串行UART通道；低功耗空闲和掉电模式；中断可从空闲模唤醒系统；看门狗（WDT）及双数据指针；电标识和快速编程特性；片内振荡器和时钟电路；灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）。AT89S51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在F1ash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。1.2.2 管脚定义VCC：电源电压输入端；GND：电源地；P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。 当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高；图1-3 PDIP封装的AT89S51管脚图 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收； P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号；P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能：P3.0 RXD（串行输入口）； P3.1 TXD（串行输出口）； P3.2/INT0（外部中断0）； P3.3/INT1（外部中断1）； P3.4 T0（T0定时器的外部计数输入）； P3.5 T1（T1定时器的外部计数输入）； P3.6/WR（外部数据存储器的写选通）； P3.7/RD（外部数据存储器的读选通）。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。 RST：复位输入端，高电平有效。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间； ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲信号端。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效； ：外部程序存储器的选通信号，低电平有效。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 信号将不出现；/VPP：外部程序存储器访问允许。当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）； XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端； XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端。本设计中主要用到了P1口和RST引脚。利用P1口与电量计量芯片的SPI通讯接口相连，实现通讯。其中：1 P1.5管脚用于计量模块ATT7026的SPI串行数据输出信号线；2 P1.6管脚用于计量模块ATT7026的SPI串行数据输入信号线；3 P1.7管脚用于计量模块ATT7026的SPI串行时钟输入信号线；4 P3.3管脚用于计量模块ATT7026的SPI片选信号线。RST保持两个机器周期以上的高电平时自动复位。上电瞬间，电容充电电流最大，电容相当于短路，RST引脚上为高电平，自动复位；然后电源通过电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降。当电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路，RST端降为低电平，单片机开始正常工作。1.3 小节 本章首先通过系统结构组成框图简单明了地介绍了变压器智能保护系统工作原理，并按照任务书的相关要求画出系统流程图。其次详细介绍了系统的主控芯片AT89S51的特性及管脚说明。此外还提到了单片机与计量芯片ATT7026的通讯接口，这一部分会在以后章节详细介绍。第2章 电量计量模块硬件设计2.1 电量计量芯片ATT7026介绍ATT7026是一种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制。它集成了六路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因子以及频率测量的数字信号处理等电路，因此，在配置有单片机的系统中，能够方便地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有效值、电压有效值、功率因子、相角和频率等参数，能够起到实时监测系统功耗情况的作用。2.1.1 功能简介ATT7026的有功测量可达到1级或0.5级，无功测量达到2级或3级，ATT7026支持电阻网络校表和软件校表两种校表方式。软件校表是通过相关的校表寄存器对增益、相位进行补偿和小电流非线形补偿，可测量到21次以上谐波的有功和无功功率，将系统误差校正在0.5级表的要求内。有功、无功频率校验输出 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。ATT7026片内集成了6路16位的 ADC，采用双端差分信号输入。最大输入电压是 1.5V，即可以输入最大的正弦信号有效值是1V。适宜将电压通道 Un对应到ADC的输入选在0.5V左右，而电流通道Ib时的ADC输入选在 0.1V左右。模数转换电路接收电压、电流互感器电路传送的模拟电压、电流信号，并将模拟信号转变成数字信号，实现ATT7026芯片对电参数的数据采样。电源监控电路连续对模拟电源（AVCC）进行监控。当电源电压低于4V时，ATT7026芯片将被复位，有利于电路上电和掉电时芯片能正常启动；芯片正常工作时，电源监控电路被安排在延时和滤波环节中，可以最大程度防止由电源噪声引发的错误。为保证ATT7026芯片正常工作，应对模拟电源去耦，使AVCC的波动不超过5V5%。ATT7026芯片提供一个SPI接口，方便与主控制单片机之间进行计量参数和校表参数的数据传递。所有电量计量参数都可以通过SPI接口读出。2.1.2 芯片引脚定义ATT7026芯片引脚如图2-1所示。图2-1 ATT7026芯片引脚图引脚定义：RESET（1）：输入，复位管脚，低电平有效，内部有300K上拉电阻；SIG（2）：输出，正常应用时为高电平。当外部MCU通过SPI写入校表数据后，立即变为高电平；上电复位时或由于异常原因芯片重新启动时，该引脚为低电平；V1P/V1N（3，4）：输入，A相电流信道正、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，最大承受电压为6V；REFCAP（5）：输出，基准2.4V，可以外接。对该引脚使用10uF钽电容并联100nF瓷介电容进行去耦；V3P/V3N（6，7）：输入，B相电流信道正、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，最大承受电压为6V；AGND（8，15）：电源，模拟电路（即ADC和基准电源）的接地参考点。该引脚应连接到PCB的模拟地；为了有效地抑制噪声，模拟地和数字地只应有一点连接；V5P/V5N（9，10）：输入，C相电流信道正、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，最大承受电压为6V；REFOUT（11）：输出，基准电压输出，用做外部信号的直流偏置，偏置电压为2.45V左右；AVCC（12）：电源，该引脚提供 ATT7026 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 钽电容并联 100nF 瓷介电容进行去耦；V2P/V2N（13，14）：输入，A相电压信道正、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，最大承受电压为6V；V4P/V4N（16，17）：输入，B相电压信道正、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；AVCC (18)：电源，该引脚提供ATT7026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低至最低程度，该引脚应使用10uf电容并联0.1uf电容进行去耦；V6P/V6N（19，20）：输入，C相电压信道正、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；S0/S1（21，22）：输入，这两个逻辑输入用来选择输出频率的系数。内部有300K上拉电阻；GND（23）：电源，数字地引脚；TEST（24） 输入，测试管脚，正常应用接地。内部有300K上拉电阻；SCF（25）：输入，这个逻辑输入用来选择输出频率的系数，与S0/S1配合使用，内部有300K上拉电阻；SEL（26）：输入，接高电平时为选择三相四线制，接地电平时为选择三相三线制接线方式。内部有300K上拉电阻；CF1（27）：输出，有功频率校验输出，其频率反映合相平均有功功率的大小，常用于仪表有功功率的校验，也可以用作电能计量；CF2（28）：输出，无功频率校验输出，其频率反映合相平均无功功率的大小，常用于仪表无功功率的校验，也可以用作电能计量；F1/F2（29，30）：输出，低频脉冲输出，其输出反映三相平均有功功率的大小。可直接驱动机电式计度器；F3/F4（31，32）：输出，低频脉冲输出，其输出反映三相平均无功功率的大小。可直接驱动机电式计度器；VDD (33)：电源，内核电源输出3.0V，外接10uf电容并联0.1uf电容进行去耦；VCC (34, 41)：电源，数字电源引脚，正常工作电源电压应保持在5V5%，该引脚使用10uf电容并联0.1uf电容进行去耦；CS (35)：输入，SPI片选信号，低电平有效，内部上拉200K电阻；SCLK (36)：输入，SPI串行时钟输入（施密特）， 注意：上升沿放数据，下降沿取数据；DIN（37）：输入，SPI串行数据输入；DOUT（38）：输出，SPI串行数据输出；VDD (39)：电源，内核电源输出3.0V，外接10uf电容并联0.1uf电容进行去耦；REVP（40）：输出，当检测到合相有功功率为负时，表示电流与电压接线方向相反，输出高电平；当再次检测到合相功率为正时，表示正常，该引脚的输出又将复位到低电平。据此可判断接线是否出错；OSCI（42）：输入，系统晶振的输入端，或是外灌系统时钟输入；OSCO（43）：输出，晶振的输出端；GND (44)：电源，数字地引脚。2.1.3 内部框图介绍ATT7026内部结构大致可以分为三个部分：第一部分为模数转换，芯片将通过六路通道采集的电压、电流模拟量在内部的AD转换器中进行转换，输出芯片能够进行相关计算的数字量；第二部分为数字处理，该模块负责将传递过来的数字量进行有效值计算，从而得出其有功功率和无功功率及功率因数，该部分为ATT7026的核心；第三部分主要为输出，即通过SPI接口与单片机相连，把数据传送出去。内部框图如图2-2所示：图2-2 ATT7026内部框图2.1.4 应用示意图如图2-3所示，ATT7026外部硬件电路主要包括电源、电压及电流模拟输入、脉冲输出及SPI通讯接口等电路。每路的的ADC的交流输入由VxP和VxN输入，同时要求VxP、VxN迭加2.4V左右直流偏置电压。VxP和VxN输入电路中电阻1.2K和电容0.01uF构成了抗混叠滤波器，其结构和参数要讲究对称。由于ATT7026计量部分采用了数字滤波器结构，所以为了保证测量精度，建议选用24.576MHZ的晶振，检查晶体振荡是否正常，频率及幅度是否符合要求。ATT7026与单片机一般有六条连线，其中4条是SPI口线CS、SCLK、DIN、DOUT，一条复位控制线，一条握手信号SIG。图 2-3 ATT7026应用示意图2.1.5 系统复位ATT7026提供两种复位方式：硬件复位和软件复位。硬件复位通过外部引脚RESET完成，RESET引脚内部有300K电阻上拉，所以正常工作时为高电平，当RESET出现大于20us的低电平时，ATT7026进入复位状态，当RESET变为高电平时ATT7026将从复位状态进入正常工作状态。软件复位通过 SPI 口完成，当往 SPI 口写入 0xD3 命令后，系统进行一次复位，复位之后 ATT7026A 从初始状态开始运行。ATT7026在复位状态下SIG为高电平，当ATT7026从复位到工作状态之后，大约经过500us左右，SIG将从高电平变为低电平，此时芯片开始进入正常工作状态，方可写入校表数据，一旦写入校表数据之后，SIG又会变为高电平。复位示意图如图2-4所示。图2-4 ATT7026系统复位2.1.6 相关数值的测量 电压有效值测量电压增益 补偿 电压数字移相 滤波器数字移相 滤波器功率增益 补偿无功功率测量 电压 有功功率相位校正数字移相 滤波器视在功率计算功率增益 补偿功率因数计算电流增益 补偿电流有效值测量有功功率测量 视在功率 电流 视在功率 功率因数 电流 图2-5 数字信号处理框图信号处理模块说明：（1）数字高通滤波器：主要是用于去除电流、电压采样数据中的直流分量。（2）数字移相滤波器：主要完成对电压信号移相90的信号处理。在保证信号幅频响应不衰减的前提下，能够对30Hz1500Hz的采样信号进行移相90的处理。因此无功计量的带宽限制在1500Hz以内。（3）有功功率计量：各相的有功功率是通过对直流分量后的电流、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。电流、电压采样数据中包含高达21次的谐波信息。有功功率的测量原理图如图2-5所示。有功功率计量公式： （2-1）图2-6 有功功率的测量原理图（4）无功功率计量根据无功功率(正弦式无功功率)定义公式： （2-2）无功功率的算法与有功功率类似，只是电压信号采用移相90度之后的，测量带宽主要受到数字移相滤波器的带宽限制。（5）视在功率、功率因数、相角测量基于上述测量的有功功率和无功功率，通过开方、除法等运算就可以得到这些参数。功率因数公式： （2-3）功率因数的符号由无功功率的符号来确定。6）电压、电流有效值测量通过对电压采样值进行平方、开方以及数字滤波等一系列运算得到。电压通道输入1000mv到10mv的信号时电压有效值的误差小于0.5%。电压有效值： （2-4）图2-7 电压有效值的测量原理通过对电流采样值进行平方、开方以及数字滤波等一系列运算得到。电流通道输入1000mv到2mv的信号时电流有效值的误差一般小于0.5%。电流有效值： （2-5）图2-8 电流有效值的测量原理(7)能量计算将功率信号对时间进行积分就可以得到能量。单相有功能量： （2-6）合相有功能量可以根据设置按照代数或者绝对值的模式进行累加，代数加模式Ept=Epa+Epb+Epc。如图2-9所示。图2-9 有功功率测量单相无功能量： （2-7）合相无功能量分两种方式:代数加模式：Eqt=Eqa+Eqb+Eqc （2-7）绝对值加模式：Eqt=|Eqa|+|Eqb|+|Eqc| （2-8）如下图所示：图2-10 无功功率测量2.1.7 接口模块ATT7026内部继承了一个SPI串行通讯接口。ATT7026的SPI采用从属方式工作，使用2调控制线和2条数据线：CS、SCLK、DIN和DOUT。CS:片选，允许访问串口的控制线。CS由高电平变为低电平时表示SPI操作开始，CS由低电平变为高电平时表示SPI操作结束。所以每次操作SPI时CS必须出现下降沿，CS出现上升沿时表示SPI操作结束。DIN：串行数据输入，用于把用户的数据传输到ATT7026。DOUT：串行数据输出，用于从ATT7026寄存器读出数据。SCLK：串行时钟，控制数据移出或者串行口得传输率。上升沿放数据，下降沿取数据。SCLK下降沿时将DIN上的数据采样到ATT7026中，SCLK上升沿时将ATT7026的数据放置于DOUT上输出。2.2 互感器电路设计三相四线制相电压是220V，线电压是380V。由于电量计量芯片ATT7026的输入电压范围为01V，所以需要使用电压、电流互感器电路，将工作电流、电压降低，然后作为ATT7026的输入。2.2.1 电压互感器电压互感器相当于一个升压变压器，可起到降压和隔离的作用。本设计选用西安铱星科技有限公司生产的SPT204B测量型电压互感器来组建电压互感器电路。SPT204B是一种电流型电压互感器，推荐使用状态为1mA:1mA。技术特点及相关参数：电磁隔离，精度高，无漂移；MTBF10万小时；全树脂密封，可靠性高；工作温度2575；隔离耐压AC2500V/1min；2倍过载；输入电流1mA（外接限流电阻）；屏蔽型，抗干扰能力强；输出电流1mA；频响2050KHZ，尤其适合工频信号检测；线性度0.1，耐冲击性强；相差小于分（补偿后）；小巧轻便，能直接焊接在印刷线路板上；对应型号SPT204B。电压互感器应用电路如图2-11所示：SPT254B R1 Ii Io Ui R2 Uo 图2-11 电压互感器应用电路由于三相四线制相电压是220V，选取R1=220K使原边电流Ii为1mA，则副边也会感应出一个相同的电流Io=Ii=1mA。根据Uo=1mAR2，则选择合适的输出电阻R2，即可获得所需的输出电压Uo。由于电量计量芯片ATT7026的工作电压为01V，可选择R2=100，使输出电压Uo=1mAR2=1mA500=0.5V。所用电阻均要求温度系数小于50PPM。电压互感器电路图2-12所示：图2-12 电压互感器电路图电路中有电阻进行限流及电容滤波，能够保证其安全性和稳定性，V2P/V2N为连接A相电压信道正、负模拟输入引脚，REFOUT为基准电压输出，是电量计量芯片用做外部信号的直流偏置。2.2.2 电流互感器本设计选用西安铱星科技有限公司生产的SCT测量型电流互感器来组建电流互感器电路。SCT系列精密电流互感器的技术特点及相关参数：电磁隔离，精度高，无漂移；MTBF10万小时；全树脂密封，可靠性高；工作温度2575；隔离耐压AC2500V/1min；频响2050KHZ，尤其适合工频信号检测；输入电流5A、10A、20A、30A；过载范围：2倍过载，可保护精度；输出电流2.5mA、5mA、10mA、15mA；输入穿孔为7.5mm；线性度0.1，耐冲击性强；相差小于5分（补偿后）；小巧轻便，能直接焊接在印刷线路板上。 图2-13电流互感器应用电路电流互感器应用电路如图2-13所示。根据Uo=5mARl，则选择合适的输出电阻Rl，即可获得所需的输出电压Uo。由于电量计量芯片ATT7026的输入电压为01V，可选择R l=20，使输出电压Uo=1mARl=5mA20=0.1V。所用电阻均要求温度系数小于50PPM。电流互感器电路图2-14所示：图2-14 电流互感器电路2.3 复位电路复位电路选用电阻和电容构成 RC复位电路，为RST引脚提供复位信号。RC监控复位电路如图2-15所示：图2-15 RC复位电路单片机上电复位过程：RST保持两个机器周期以上的高电平时自动复位。上电瞬间，电容充电电流最大，电容相当于短路，RST引脚上为高电平，自动复位；然后电源通过电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降。当电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路，RST端降为低电平，单片机开始正常工作。ATT7026复位过程：硬件复位通过外部引脚RESET完成。RESET引脚内部有300K上拉电阻，所以ATT7026正常工作时RESET为高电平。ATT7026 RESET引脚与单片机P3.3相连，由单片机逻辑控制进行对电量计量芯片的复位控制。当RESET出现大于20微秒的低电平时，ATT7026进入复位状态。当RESET变为高电平时，ATT7026将从复位状态进入正常工作状态。ATT7026在复位状态下SIG为高电平。当ATT7026从复位状态进入正常工作状态后，大约经过600s SIG为低电平。此时，方可写入校表数据。一旦写入校表数据后，SIG又会立刻变为高电平。选择R=10K，C=0.1F，即可同时满足主控制单片机和电量计量芯片的正常复位需要。2.4 +5V电压设计ATT7026正常工作电源电压为+5V，需设计一个由220V交流电路产生+5V电压的电路，考虑到谐波的污染，因此连接的是三相220V交流电，然后经过变压、整流、和稳压过程才能产生理想电压，于是此电路要由这三部分组成。本电路的核心部件选用LM7805稳压芯片， LM7805为3端正稳压电路，LM7805表示输出电压为+5V，TO-220封装,应用范围广，内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达1A，虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。LM7805主要特点：输出电流可达1A；输出电压有5V；过热保护；短路保护；输出晶体管SOA保护；极限值（Ta=25；V1输入电压35V（Vo=5V18V）；工作结温范围：0125；贮存温度范围：-65150。+5V稳定电压输出电路线路设计如图2-16所示变压部分是一个220V/12V的变压器，经过桥式整流电路，产生直流电压，经电容和LM7805滤波稳压后，就产生了稳定的直流+5V电压。另外，在变压器一次侧并联了压敏电阻，正常工作时处于高阻状态，无电流通过。若两工作电流急剧增大端高于额定电压，则迅速击穿，由高阻态变为低阻态，切断芯片电源供应。图2-16 +5V电压输出电路2.5 小结本章首先详细介绍计量芯片ATT7026使用方法，包括管脚的功能介绍、内部的模块分布及有关参数的测量方法。通过这些介绍，使读者对该芯片有个详细的了解。接着对电压电流检测电路、复位电路、电源电路进行了设计。这些电路都是为ATT7026在整个模块中的功能实现服务的。第3章 电量计量软件模块的设计ATT7026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0.5s，无功精度0.5s。在本设计中选择软件校表方式，SCF、S0、S1应全部接高电平或者全部悬空不接。3.1 软件校表设计3.1.1 寄存器定义1.校表寄存器定义表3-1 校表寄存器定义地址标识符功能描述0x1BUgainAA相电压校正0x1CUgainBB相电压校正0x1DUgainCC相电压校正0x1FIstartup启动电流0x26IgainAA相电流校正0x27IgainBB相电流校正0x28IgainCC相电流校正2.计量参数寄存器定义表3-2 计量参数寄存器定义寄存器名称功能描述第一相电压有效值24 位，代表第一相电压有效值。地址：000D第二相电压有效值24 位，代表第二相电压有效值。地址：000E第三相电压有效值24 位，代表第三相电压有效值。地址：000F第一相电流有效值24 位，代表第一相电流有效值。地址：0010第二相电流有效值24 位，代表第二相电流有效值。地址：0011第三相电流有效值24 位，代表第三相电流有效值。地址：0012三相电流之和有效值24 位，代表第三相电流之和有效值。地址：0013三相四线时，在三相平衡负载情况下，三相电流瞬时值之和应该是零，提供三相瞬时电流和之均方根可以检测这一状态。3.1.2 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上的电压有效值应该在500mv左右。下面公式中的增益G是指ATT7026的ADC增益系数，G恒定为0.648。(1)电流增益校正 IgainA、IgainB、IgainC在Igain=0 时，标准表上读出实际输入电流有效值Ir，通过SPI 口读出测量电流有效值寄存器的值为DataI已知：实际输入电流有效值Irms测量电流有效值：IrmsDataI*/ （3-1）计算公式：Igain=Ir/Irms-1 （3-2）如果Igain=0，则 Igain=INTIgain* （3-3）否则Igain=0，则 Ugain=INTUgain* （3-7）否则Ugain=0结束 分别写入三相电流校正值Igain=INTIgain* Igain=INT+Igain* 图3-2 电流校正流程图开始读电压寄存器值DataU三相电压有效值计算Uc计算三相电压校正值UgainUgain=0NIgain=INTUgain* Ugain=INT+Ugain* Y分别写入三相电流校正值结束 图3-3 电压校正程序流程图 3.2 SPI通信软件设计ATT7026内部集成了一个SPI串行通讯接口。SPI接口采用从属方式工作，使用2条控制线（CS、SCLK）和两条数据线（DIN、DOUT）。3.2.1 SPI读操作ATT7026中的计量参数以及校表参数寄存器是通过SPI提供给外部MCU。 SPI接口读操作时序图如图3-4所示：图3-4 读操作时序图命令格式说明：765432