毕业论文 三相电参数测量仪的软件设计.doc

论文题目：三相电参数测量仪的软件设计专 业：测控技术与仪器本 科 生：强 伟 （签名） 指导老师：黄梦涛 （签名） 摘 要本系统使用一种电能计量芯片 ATT7022C，结合DS1302实时钟芯片及LCD12864液晶模块，通过STC89C54RD+单片机进行控制，具体研究和设计了一款三相电参数测量仪。相对于传统的三相电参数测量仪，它具有精度高、可靠性强、功能强大及智能化等诸多优点。本测量仪表可以实时、准确测量电压有效值、电流有效值、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率、有功电能、无功电能、频率及相角等各项三相电参数。测量参数值可以通过按键控制切换实时显示在液晶屏上。此外，该测量仪表还可以在液晶屏上显示年份、月份、日期、星期、时、分、秒，并且可以随时通过按键设置时间。研究、设计此类仪表有利于减少企业、工厂及家庭用电浪费，更好的节约资源、保护环境，从而真正实现环境友好型社会。关 键 词: 三相电参数，测量仪, ATT7022C, STC89C54RD+研究类型： 应用研究Subject ：Multi-purpose three-phase electrical parameters of instrumentsMajor ：Measure and control technology and instrumentName ：Qiang Wei （Signature） Instructor：Huang Mengtao （Signature） ABSTRACT This system using a kind of electric power measure ATT7022C chip, combined with DS1302 real clock chip and LCD12864 LCD module, through the STC89C54RD + MCU control, concrete research and design a three-phase electric parameters measurement instrument.Compared with the traditional measuring apparatus, the parameters of the three-phase it has high accuracy, reliability, powerful and intelligent, and many other advantages. The measurement instrument can real-time and accurate measuring voltage, current RMS, RMS power factor, active power, reactive power, electricity, power, active and installed reactive power, frequency and phase Angle of the parameters of the three phase. The measuring parameters value can through the button control switch in real-time display on the LCD panel. In addition, the measuring instrument can also be displayed on the LCD panel year, month, date, week, when, minutes and seconds, and can at any time through the keys set a time.Researching and design such instruments can reduce electricity resource waste of enterprise, factories and family, protect the environment, so as to realize environmental friendly society.KEY WORDS: three-phase electrical parameters, intelligent instrument, ATT7022C, STC89C54RD +THESIS: application research目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 电参数测量仪的发展状况与趋势21.2.1电参数测量仪的发展历程21.2.2国内外研究状况21.3 本设计的主要任务42 系统总体设计52.1 系统总体设计52.1.1总体结构框图52.1.2主要功能52.2 系统测量原理63 硬件系统设计133.1 ATT7022C电能计量芯片133.1.1芯片简介133.1.2 内部结构133.1.3 电能计量芯片ATT7022C的引脚介绍143.1.4 外围设计163.2 LCD12864液晶模块173.2.1 芯片简介173.2.2 外围接口183.3 4*4矩阵式键盘193.3.1 电路原理193.3.2 接线图193.4 DS1302时钟模块203.4.1 芯片简介203.4.2 外部接线213.5 单片机STC89C54RD+介绍224 软件方案234.1系统软件总体流程234.1.1 软件总体设计思想234.1.2 具体程序流程设计234.2 ATT7022C模块244.2.1 读写时序244.2.2 软件校表及设置参数254.3 LCD12864液晶模块264.3.1 软件资源264.3.2时序操作图274.3.3 液晶显示284.4 4*4矩阵式键盘294.4.1 软件原理294.4.2 按键说明304.4.3 软件流程图304.5 DS1302时钟模块314.5.1 内部资源介绍314.5.2 时序图324.5.3 时间显示流程335 总结34致谢35参考文献36附录1 ATT7022C系统原理图及系统原理图37附录2 主程序39附录3 调校表后测量误差表48附录4 毕业设计成品照片49IV1 绪论1.1 课题研究的目的和意义电能为用途最广泛的能源之一，现代工业的发展无法离开电能的使用，对电能的使用程度直接衡量一个国家工业的发展水平，电网经济、可靠、高效的运行与国民总体经济和人民日常生活密切相关。近几年，中国的社会用电量迅速增长，全国联网，特高压电网建设，百万千瓦级发电机并网，家居网络化进程，电网经营管理改进和计量新技术应用等要素，推进电表应用领域的扩展，主要是：从用电计量计费扩大到配电变压器、变电站的经济管理和用电需求侧管理的计量；从用户计费扩大到发电厂上网电量、跨省电网联络线交换电量的计费；从315千伏安及以上的大工业用户计费扩大到100千伏安及以上的商业、非工业、普通工业户的计费，以上电表应用领域的扩大，引起计量点总量估计由60万个扩大到400万个，电表应用需求量前景看好。三相多功能表技术要跟踪应用需求的不断变化，也就明示了今后产品技术的发展趋向。电表多门类：由单一的计费产品发展到关口计量、配电变压器计量、变电站计量、大工业户计量、中等容量户计量、用电需求侧管理系统及终端6类产品，分别制订产品技术规范；关口电能表，要发展高精度、高稳定性、高可靠性、快速测量、0-360计量、多通信方式和协议，经国际、国内同类电表的比较，提出量化指标和测试方法；计费用三相多功能表要计量准确、简单可靠、讲求实用，逐步发展三相SOC单芯片，开发具有谐波电压、电流总含量和谐波污染程度的测量技术，研究温度、电压、频率、相位改变的自适应计量；谐波有功、无功、视在功率电能计量实用化产品，改进谐波下的功率因数计算方法，推进电能质量市场建立与发展，也为提高冶炼企业、电气化铁路的计量准确度做准备最后是研究制订三相多功能表质量评价标准与测试方法，提高在电网上运行电表的整体技术品质。而无法实时、准确及有效的测量用电网络的各项参数，对电网的安全运行极为不利，而且会对用户用电设备的运行造成极为不利的影响，最重要的是造成电能的极大浪费。因此，监控三相电用电的电压、电流的有效值、有功功率、无功功率和功率因数、相角频率及电能等参数，对用电安全和减少用电浪费具有十分重要的意义。1.2 电参数测量仪的发展状况与趋势1.2.1电参数测量仪的发展历程传统的电参数测量方法，一般通过对模拟电压信号的采样和计算来完成测量。主要经历了几个阶段：第一阶段，以模拟测量为主，通过基于电磁通量原理的指针式。但其机械结构和电磁通量结构一般比较复杂，测量的精度也很难提高。第二阶段，以直流采样为主，将被测量整流成直流量，通过测量平均值来测量点参数的有效值。该方法软件设计简单，计算速度快。但是，其测量准确度直接受到整流电路的准确度和稳定性的影响，整流电路参数调整困难。第三阶段，以交流采样为主，先将电压、电流信号经高精度的电压、电流互感器变成数字系统可测量的交流小信号，然后在送入微处理器进行计算。该方法可以通过不同的算法获取关心的各种信息（如有效值、相位等），实时性好，精度高。随着微机技术的不断发展以及电力参数实时测量要求的提高，交流采样技术已经逐步取代了直流采样方法。并且大量电子器件的相继出现，对电力参数的测量由传统的电能表，逐渐被数字乘法器型电子式电能表取代。尤其是电能计量专用芯片出现以后，大大简化了测量电路的复杂性。1.2.2国内外研究状况自从2003年以来，即中国城市和农村电网进行大规模改造、建设后，电力系统对三相多功能表的需求量迅速增长，到2004年产量估计约70万台，以不足全国电能表总产量1%的份额，创造了11%的电能表总产值。由此，国际、国内电表企业纷纷看好商机，抓紧新技术开发，不断推出三相多功能表的新产品，以满足电能表市场的应用需求。与传统的机械表相比，采用电子计量原理的三相多功能表，具有高精度、多参数测量、谐波功率电能计量等优势。从总体评价，三相多功能表还是稳态电力负荷计量产品，由于其应用领域扩大，电力系统对电表不断提出新的技术要求。现有的三相多功能表性能和品质，都不能完全适应电力系统的需求。因此，如何正确把握产品技术发展趋势，改进产品设计，将三相多功能表技术水准推向一个新的高度，无疑是电表行业和电力系统共同关注的课题。引进的三相多功能表新技术，代表目前国际上电能表技术的最高水平：高精度、长寿命计量，准确度为0.1%的有功电能计量，超过IEC在线计量的最高准确度要求，其误差曲线的带宽为+/-0.05%；0.2S级三相基波表，具有分相的250次谐波有功功率计量；0.2S级长寿命的电网关口表，具有电能质量计量模块。高速率、实时测量，交流采样速率为256点/周波，记录周期最短为10毫秒；电能质量计量：63次谐波、电压闪变、故障录波78微秒的瞬变，供电可靠性指标的记录为99.9999999%。开放式通信协议IEC62056-61/62/53/46/42，抄表、费率、负荷控制数据交换；互联网通信，自动发送E-mail报警信号、系统运行状态刷新、数据记录，通过以太网连接到某些国际知名的电量计费系统的关口表，Web服务器可直接读取电表各种实际数据、电能质量参数，无需任何专用软件。利用三相电能计量专用芯片，采用低频滤波法计量谐波无功功率的三相计量芯片，高位-A/D，负荷动态范围1000：1，线性度0.1%，具有温度测量功能，片上接口可直接与微分电流互感器连接；精度优于0.1%的三相SOC单芯片，21位2阶-A/D，32位可编程的电能量计算引擎，负荷动态范围2000：1，片内集成：高速8051单片机、硬实时钟、LCD驱动电路、看门狗电路、定时器、多种存储器、多种通信接口等。在我国，国产的三相多功能电能表夜出现一些新技术，国产电子式三相多功能表技术开发起步较晚，近几年，注重吸收国际计量技术与管理经验，强化自主开发，取得了许多新的技术成果：三相多功能表，0.2S级有功功率计量，16位-A/D，160MIPS的DSP，交流采样速率256点/周波，运行和备用两套费率时段，负荷曲线记录和容量为4M字节的存储器，宽电源电压范围，互感器合成误差补偿，变压器铜损、铁损计算；0.5S级三相基波有功表，采用三相SOC单芯片或三相有功、无功计量芯片的低端三相多功能表设计，从技术上适应电表量大、面广的市场需求；高压电能表，采用电子式传感器，悬浮式电源设计，有功电能计量准确度为0.5级，用于10千伏中压电网直接计量电能量。三相电能计量专用芯片，具有基波/谐波电能计量的三相多功能计量芯片，16位-A/D、24位DSP，负荷动态范围1000:1，线性度0.1%，测量带宽21次谐波，集成温度传感器；采用Hilbert数字滤波器计量谐波无功功率的三相计量芯片；采用数字并行算法和降低晶振频率技术的低功耗三相有功功率计量芯片。综上所述，经过十几年的发展，中国的三相多功能表门类比较齐全，中、低端电表技术开发水平较高，特别是冲击负荷电能计量理论与算法、谐波无功功率计量、具有谐波功率计量的三相专用芯片、高压电能表、GPRS通信技术应用、电能远程校准等技术项目具有创新意义。但是也应该看到，高端电表技术没有完全过关，电网关口计量仍以进口电表为主导产品，这是一个值得深思的问题。正视现状，展望未来，需要超前预测电表应用领域和技术要求的不断变化，才能正确把握今后产品技术的走向。1.3 本设计的主要任务本系统用于设计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，同时还要求能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数。用电能计量芯片ATT7022B作为主要的测量芯片，它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。用液晶显示器12864作为显示单元来显示各项实测参数；用矩阵键盘的切换来转换显示各实测参数；适用于三相三线制和三相四线制应用，能够充分满足三相复费率多功能电能表的需求。2 系统总体设计2.1 系统总体设计2.1.1总体结构框图本系统是基于专用电能计量芯片ATT7022C，通过单片机控制设计的一款多功能三相电参数测量装置。将三相电电压、电流信号通过电压互感器及电流互感器转换成电能计量芯片ATT7022C可以处理的小信号并输入ATT7022C，经过ATT7022C信号调理、采样、A/D转换并计算得到各种三相电电气参数。STC89C54单片机通过异步串行通信方式与ATT7022C电能芯片通信，读取或者写入数据，从而进行软件较表并获得各项电气参数值。并通过按键控制输出各项三相电参数（电压、电流有效值、有功、无功、视在电能、功率因数、相角、线频率、相序检测等），显示在12864液晶显示屏上，供工作人员实时查看及控制。另外，系统加入了实时钟芯片1302，可准确计时，通过STC89C54单片机微控制器及按键控制、液晶显示可以显示年份、月份、日期、星期、时、分、秒，并可以通过按键准确设置时间，具体结构框图如图2.1所示图2.1 系统总框图2.1.2主要功能系统主要功能是实时监测三相电负载上的功率因数、电能、有功功率、有功功率、相角、频率及电压有效值、电流有效值，并通过液晶显示出来。并且可以随时监测并显示芯片温度值。除此之外，还可以时刻显示年、月、日、时、分、秒、及星期，附带按键设置时间功能，可设置年份、月份、日期、时分秒及星期。另外，有专用电源为DS1302时钟芯片供电，即使微控制器（单片机）断电，DS1302可以正常工作，再次进入不需要重新设置时间。功能选择页面、时间设置页面及各项参数显示页面之间可以通过按键切换不断显示，系统操作菜单流程图如图2.2所示图2.2 操作菜单流程图2.2 系统测量原理系统主要用ATT7022C芯片实现对三相电各项参数的测量。ATT7022C是一种高精度三相电能专用计量芯片，该芯片集成了七路sigma- deltaADC、参考电压电路以及所有功率、有效值、功率因数、能量等的数字信号处理电路。它具有能测量电压、电流有效值、有功、无功、视在电能、功率因数、相角、线频率、相序检测等的功能，具体介绍如下：ATT7022C片内包含一个电源监控电路，连续对模拟电源（AVCC）进行监控。电源电压低于4V 5%时，芯片将被复位。这有利于电路上电和掉电时芯片的正确启动和正常工作。电源监控电路被安排在延时和滤波环节中，这在最大程度上防止了由电源噪声引发的错误,如图2.3所示图2.3 片内电源监控特性ATT7022C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47K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，ATT7022C进入复位状态，当RESET变为高电平时ATT7022C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ATT7022C从初始状态开始运行。ATT7022C在复位状态下SIG为高电平，当ATT7022C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又会立刻变为高电平。ATT7022C片内集成了6路16位的ADC，采用双端差分信号输入。输入最大的正弦信号有效值是1v。建议将电压通道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。参考电压Refcap与Refout典型值是2.4v。电能计量芯片ATT7022C有功功率测量原理：各相的有功功率是通过对去直流分量后的电流、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。所以依据公式 （2.1）计算得到的有功功率。合相有功功率 Pt=Pa+Pb+Pc （2.2）有功功率的测量原理如图2.4所示图2.4 有功功率测量电能计量芯片ATT7022C有功能量测量原理：有功能量通过瞬时有功功率对时间的积分得到。单相有功能量的计算公式为 （2.3）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 （2.4）而绝对值加模 Ept=|Epa|+|Epb|+|Epc| （2.5）测量原理如图2.5所示 图2.5有功能量测量电能计量芯片ATT7022C无功功率测量原理：根据真无功功率(正弦式无功功率)定义公式无功功率 （2.6）无功功率计量算法与有功类似，只是电压信号采用移相90度之后的。测量原理如图2.6所示图2.6 无功功率测量电能计量芯片ATT7022C无功能量测量原理:无功能量通过瞬时无功功率对时间的积分得到。单相无功能量的计算公式 （2.7）合相无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Eqt=Eqa+Eqb+Eqc （2.8）而绝对值加模式Eqt=|Eqa|+|Eqb|+|Eqc| （2.9）如图2.7所示 图2.7 无功能量测量电能计量芯片ATT7022C视在功率测量原理:视在功率有两类计算公式PQS视在功率公式一： （2.10）RMS视在功率公式二： S=UrmsIrms （2.11） 由于ATT7022C可以直接提供电流和电压的有效值，RMS视在功率公式二可以在外部MCU很方便地实现，所以ATT7022C仅提供采用PQS视在功率公式一实现的视在功率值，如图2.8所示图2.8 视在功率测量对于合相视在功率，ATT7022C按照公式一，根据合相有功功率和合相功功率计算得到，如图2.9所示图2.9 合相视在功率测量电能计量芯片ATT7022C视在能量测量原理:视在能量定义视在功率对时间的积分，由于视在功率存在两类计算公式，所以ATT7022C提供这两类的视在能量,按照公式一计算PQS视在能量，如图2.10所示图2.10合相视在能量测量电能计量芯片ATT7022C电压有效值测量原理: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的信号时电流有效值的误差小于0.5%，如图2.11所示图2.11电压有效值测量电能计量芯片ATT7022C电流有效值测量原理: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小于0.5%,如图2.12所示图2.12 电流有效值测量电能计量芯片ATT7022C功率因数测量原理: 功率因数的符号由无功功率的符号来确定,功率因数计算公式: （2.12）电能计量芯片ATT7022C电压电流相角测量原理:根据电工原理功率因数Pf=cos(Pg) （2.13）其中Pg为电压与电流的相角。在ATT7022C中定义电压与电流的相角为Pg= sign(Q)*acos(|Pf|) （2.14）根据这一方法，ATT7022C同时可以提供由合相功率因数折算为合相相角参数,也就是Pgt= sign(Q)*acos(|Pft|) （2.15）ATT7022C相角Pg只能表示为 90,符号与功率因数一致。如果要用0360表示在不同的象限相角需要做如下转换即可：当有功功率为正时，无功功率为正，实际相角就是是Pg；当有功功率为正时，无功功率为负，实际相角是360+Pg；当有功功率为负时，实际角度是80- Pg，如图2.13所示图2.13电压电流相角计算电能计量芯片ATT7022C功率方向判断:ATT7022C实时提供功率的方向指示，方便实现四象限功率计量。负功率指示REVP：当检测到三相中任意一相的有功功率为负，则REVP输出高电平，直到下次检测到所有相的有功功率都为正时，REVP才恢复为低电平。功率方向指示寄存器PFlag；用于指示A/B/C/合相的有功以及无功功率的方向。Bit0-3：分别表示A、B、C、合相的有功功率的方向，0表示为正，1表示为负。Bit4-7：分别表示A、B、C、合相的无功功率的方向，0表示为正，1表示为负。3 硬件系统设计3.1 ATT7022C电能计量芯片 3.1.1芯片简介ATT7022C是一种高精度三相电能专用计量芯片，该芯片集成了七路sigma- deltaADC、参考电压电路以及所有功率、有效值、功率因数、能量等的数字信号处理电路。它具有能测量电压、电流有效值、有功、无功、视在电能、功率因数、相角、线频率、相序检测等的功能。内置温度测量传感器，提供基波有功、基波无功校表脉冲输出。芯片还具有ADC采样数据缓存功能，缓存长度为240，可以实时保存原始采样数据。同时芯片还支持单通道、双通道、及三通道的同步采样功能，供用户进行采样数据的分析。用户不需要对采样的数据进行计算处理，由内部集成的DSP模块来进行快速计算处理，然后把计算的各个电参数存储到对应的寄存器中，芯片同时提供一个SPI接口与外部MCU进行数据的传递，外部控制器只需要通过SPI总线对各寄存器进行读写操作就可以得到三相电参数的值。为了得到精确的电参数数值，必须进行校表操作，芯片支持纯软件校表，经过校正的仪表，有功精度可高达0.5s,无功精度可达2s。 3.1.2 内部结构ATT7022C片内包含一个电源监控电路，连续对模拟电源进行监控。电源电压低于4V 5%时，芯片会自动复位。这有利于电路上电和掉电时芯片的正确启动和正常工作。为保证芯片正常工作，应对电源进行去耦，使模拟电源波动不超过5V5%。片内还集成了6路16位的ADC，采用双端差分信号输入。输入最大的正弦信号有效值是1v。而且总电能、视在电能测量；提供正向和反向有功、无功电能测量；提供有功、无功、视在功率测量；提供功率因数、相角、线频率参数；提供电压和电流有效值参数,有效值精度优于0.5%；提供电压夹角测量功能；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；另外电表常数可调；起动电流可调；支持增益和相位补偿，小电流非线性补偿；具有SPI接口，方便与外部MCU通讯；单+5V供电，具体结构如图3.1所示图3.1 ATT7022C硬件框图3.1.3 电能计量芯片ATT7022C的引脚介绍ATT7022C共有44个引脚。5个控制引脚，分别为RESET、SIG、DOUT、DIN、SCLK,三相电压、电流信号输入引脚及电源引脚等，其引脚图如图3.2所示图3.2 ATT7022C的外部封装引脚说明表3.1 ATT7022C的管脚说明引脚标识特性功能描述1RESET输入ATT7022C 复位管脚低电平有效内部有47K 上拉电阻2SIG输出ATT7022C 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3,4V1P/V1N输入A 相电流信道正，负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工作最大输入Vpp 为 1.5V，两个引脚内部都有ESD 保护电路,最大承受电压为 6V5REF/CAP输出基准2.4V，可以外接；该引脚应使用10uF 电容并联0.1uF 电容进行去耦6,7V3P/V3N输入B 相电流信道正，负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工作最大输入Vpp 为 1.5V，两个引脚内部都有ESD 保护电路,最大承受电压为 6V8AGND电源模拟电路(即ADC 和基准源)的接地参考点9,10V5P/V5N输入C 相电流信道正，负模拟输入引脚。完全差动输入方式,正常工作最大输入Vpp 为 1.5V,两个引脚内部都有ESD 保护电路,最大承受电压为 6V11REFOUT输出基准电压输出，用作外部信号的直流偏置12AVCC电源该引脚提供ATT7022C 模拟电路的电源，正常工作电源电压应保持在5V 5%,为使电源的纹波和噪声减小至最低程度,该引脚应使用10uF 电容并联0.1uF 电容进行去耦13,14V2P/V2N输入A 相电压信道的正、负模拟输入引脚。完全差动输入方式,正常工作最大输入Vpp 为 1.5V，两个引脚内部都有ESD 保护电路,最大承受电压为 6V15AGND电源模拟电路(即ADC 和基准源)的接地参考点16，17V4P/V4N输入B 相电压信道的正、负模拟输入引脚。完全差动输入方式,正常工作最大输入Vpp 为 1.5V，两个引脚内部都有ESD 保护电路,最大承受电压为 6V18AVCC电源该引脚提供ATT7022C 模拟电路的电源，正常工作电源电压应保持在5V 5%，为使电源的纹波和噪声减小至最低程度,该引脚应使用10uF 电容并联0.1uF 电容进行去耦19,20V6P/V6N输入C 相电压信道的正、负模拟输入引脚。完全差动输入方式正常工作最大输入Vpp 为 1.5V，两个引脚内部都有ESD 保护电路,最大承受电压为 6V21,22V7P/V7N输入第七路ADC 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Vpp 为 1.5V,两个引脚内部都有ESD 保护电路,最大承受电压为 6V23GND电源数字地引脚24TEST输入测试管脚，正常应用接地。内有47K 下拉电阻25NC-不连接26SEL输入三相三线低电平，三相四线高电平选择。内部300K 上拉电阻27CF1输出有功电能脉冲输出，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，也可以用作有功电能计量28CF2输出无功电能脉冲输出，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无功电能计量29NC-不连接30CF3输出CF3：基波有功电能脉冲输出，其频率反映基波的合相平均有功功率的大小，常用于仪表基波有功功率的校验，也可以用作基波有功电能计量CF3 也可配置为RMS 视在电能脉冲输出31CF4输出CF4:基波无功电能脉冲输出,其频率反映基波的合相平均无功功率的大小,常用于仪表基波无功功率的校验,也可以用作基波无功电能计量。CF4 也可配置为PQS 视在电能脉冲输出32NC-不连接33VDD电源内核电源输出3.0V。外接10F 电容并联0.1uF 电容进行去耦34VCC电源数字电源引脚；正常工作电源电压应保持在5V 5%，该引脚应使用10uF 电容并联0.1uF 电容进行去耦35CS输入SPI 片选信号，低电平有效，内部上拉200K 电阻36SCLK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37DIN输入SPI 串行数据输入（施密特）,内部下拉200K 电阻38DOUT输出SPI 串行数据输出，CS 为高时高阻输出39VDD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40REVP输出当检测到任意一相的有功功率为负时,输出高电平;当检测到各相有功功率都为正时,该引脚的输出又将复位到低电平41VCC电源数字电源引脚；正常工作电源电压应保持在5V 5%，该引脚应使用10uF 电容并联0.1uF 电容进行去耦42OSCI输入系统晶振的输入端或是外灌系统时钟输入晶振频率为24.576MHz43OSCO输出晶振的输出端44GND电源数字地引脚3.1.4 外围设计ATT7022C是通过电压互感器、电流互感器获得工作电压、电流信号，经过内部处理器处理后将各种参数数据存储在相应寄存器中。设计时可以用微控制器（如单片机）通过异步串行方式读取相应参数值，并通过扫描键盘控制液晶显示相应参数值。ATT7022C内部集成了一个SPI串行通讯接口。ATT7022C的SPI接口采用从属方式工作，使用2条控制线和2条数据线：CS、SCLK、DIN和DOUT。硬件接线图如图3.3所示图3.3 ATT7022C外围接线图3.2 LCD12864液晶模块3.2.1 芯片简介汉字图形点阵液晶显示模块可以显示汉字及图形，可以满足一些复杂图形、曲线和汉字的显示，也可以实现动画功能。在科学技术发展越来越快的今天，汉字图形点阵液晶显示的应用越来越广泛。它可以使要显示的数据更加直观，是一种很好的人机接口。本设计中我们采用的TJDM12864M1是一款采用ST7920-0B作为控制器的128X64LCD液晶显示模块。基本特性如下：（1）提供8位、4位并行接口及串行接口可选，并行接口适配M6800时序.（2）自动电源启动复位功能，内部自动震荡源.（3） 6416位字符显示RAM（DDRAM最多16字符4行，LCD显示范围162行）.（4） 2M位中文字形ROM（CGROM）,总共提供8192个简体中文字型（1616点阵）.（5）16K位半宽字型ROM(HCGROM)，总共提供126个西文字型（168点阵）.（6）6416位字符产生RAM(CGRAM).（7）1516位总共240点的（ICONRAM）.具体引脚说明表3.2 LCD12864管脚功能引脚号引脚名称方向功能说明1VSS-模块的电源地2VDD-模块的电源正端3V0-LCD驱动电压输入端4RS(CS)H/L并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号5R/W(SID)H/L并行的读写选择信号；串行的数据口6E(CLK)H/L并行的使能信号；串行的同步时钟714DB0DB7H/L数据15PSBH/L并/串行接口选择：H-并行；L-串行16NC空脚17RETH/L复位，底电平有效18VEELCD驱动负电压输出19LED_A-背光源正极（LED+5V）20LED_K-背光源负极（LED-0V）3.2.2 外围接口TJDM12864M1与单片机的连接方式有两种，一种是总线方式，一种是模拟接口线方式。在设计的系统中，选用模拟接口线的方式。其外部硬件连接电路如图3.4 所示图3.4 液晶显示模块外部连接电路3.3 4*4矩阵式键盘3.3.1 电路原理键盘可分为两类：编码键盘和非编码键盘。编码键盘具有较多的按键（20个以上）和专用驱动芯片的组合，当按下某个按键时，它能够处理按键抖动、连击等问题，直接输出按键的编码，无需系统软件干预。当按键的数目较少时，可以采用非编码键盘。非编码键盘又可以分为独立式和矩阵式。当按键的数目很少时，可将各个按键直接连接在单片机或者其它接口芯片的多口和地之间。由于每个按键单独占有一个端口，故这种键盘称为独立式键盘。在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成44=16个按键，比直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别就越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键。由此可见，在需要的键盘数较多时，采用矩阵法来做键盘是很科学的。3.3.2 接线图4*4矩阵式键盘硬件电路如图3.5所示图3.5 4*4矩阵式键盘硬件电路图3.4 DS1302时钟模块3.4.1 芯片简介（1）时钟芯片DS1302的选择现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、 DS1307、PCF8485等。这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。实时时钟电路DS1302是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768kHz晶振。（2）时钟芯片DS1302的简介DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的涓流充电实时时钟芯片，内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟/日历电路可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能，时钟操作可通过AM/PM标志位决定采用24或12小时时间格式。工作电压宽达2.55.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302的外部引脚分配积及内部结构分别如图3.6所示图3.6 DS1302的外部引脚（3）时钟芯片DS1302的引脚功能及结构DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc10.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。上电运行时，在Vcc2.0V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)， SCLK为时钟输入端, DS1302的引脚功能如表3.3所示 表3.3 DS1302管脚功能说明引脚编号引脚说明说明1VCC2主电源2、3X1、X232.768KHz晶振管脚4GND电源地5RST复位6I/O数据输入/输出引脚7SCLK串行时钟8VCC1备用电源3.4.2 外部接线DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需三根I/O线：复位（RST）、I/O数据线、串行时钟（SCLK）。Vcc2为备用电源，外接32.768kHz晶振，为芯片提供计时脉冲。时钟/RAM的读/写数据以一字节或多达31字节的字符组方式通信。DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时，功耗小于1mW。实际上，在调试程序时可以不加电容器，只加一个32.768kHz 的晶振即可。只是选择晶振时，不同的晶振，误差也较大。硬件接口电路如图3.7所示图3.8 DS1302外部接线图3.5 单片机STC89C54RD+介绍单片机的种类很多，按其功能来分，有通用型单片机和专用型单片机两大类。我们通常所说的单片机是指通用型单片机。从基本操作处理的数据来分，有4位单片机、8位单片机、16位单片机及32位单片机。但是现在仍然以8051为核心的单片机占主流，占据了单片机的半壁江山。STC89C54RD+单片机是一款以8051单片机为核心的单片机，主要包含：中央处理器CPU、16KB片内程序存储器、1280B片内数据存储器、4个8位并行接口、串行接口、2个16位定时器/计数器，以及内部中断控制系统等。STC89C54RD+单片机的结构如图3.9所示 中央处理器CPU16KB片内FFROMRAM 128016位定时/计数器并行接口串行接口中断系统8KEEPROM图3.9 STC89C54RD+单片机结构图4 软件方案4.1系统软件总体流程4.1.1 软件总体设计思想多功能三相电参数测量仪主要实现电压有效值、电流有效值、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率、有功电能、无功电能及相角频率的实时测量监控并显示。本设计是基于专用电能计量芯片ATT7022C，通过单片机微控制器控制设计的一款多功能三相电参数测量装置。将三相电电压、电流信号通过电压互感器及电流互感器转换成电能计量芯片ATT7022C可以处理的小信号并输入ATT7022C，经过ATT7022C信号调理、采样、A/D转换并计算得到各种三相电电气参数。STC89C54单片机微控制器通过异步串行通信方式与ATT7022C电能芯片通信，读取或者写入数据，从而进行软件较表并获得各项电气参数值。通过按键控制液晶LCD12864实时显示各项三相电参数，并且外加DS1302时钟芯片可以准确显示年份、月份、日期、星期、时、分、秒，并能设置时间，供工作人员参考，减少用电浪费。为调试和维护方便，软件设计遵循结构化、模块化、自顶向下、逐步细化的编程思想。4.1.2 具体程序流程设计在系统开始运行后，先进行系统初始化，包括单片机初始化、电能计量芯片初始化、液晶初始化及DS1302初始化，接着就需要软件校表，利用STC89C54通过异步串行通信方式向ATT7022C写入交表数据。可以通过按键操作、单片机控制、液晶LCD12864显示时间和各项电量参数，系统软件功能框图如图4.1所示图4.1系统软件功能框图4.2 ATT7022C模块4.2.1 读写时序（1）SPI写时序图如图4.2所示图4.2 SPI写时序图（2）SPI读时序图如图4.3所示图4.3 SPI读时序图4.2.2 软件校表及设置参数（1）校表步骤如图4.4所示图4.4 校表步骤流程（2）A相校表如图4.5所示图4.5 A相校表流程（3）三相校表如图4.6所示图4.6 三相校