基于单片机的低压配电网综合参数测控系统研究

第 1 页 共 60 页基于单片机的低压配电网综合参数测控系统研究摘要:为保证配电网的安全运行和了解配电网运行的状况，需要对配电网的各种运行 参数 进 行 实 时 监 测 ， 并 能 根 据 需 要 及 时 地 将 各 种 测 量 参 数 送 往 调 度 监 控 中 心 ， 所以目前的低压配电网综合参数测控得到了广泛的应用。 本 文 介 绍 了 一 种 将 无功补偿器和配电网测 控 仪 两 套 装 置 合 二 为 一 的 设 计 方 法 ， 使 得 装 置 在 投 入 成 本 上 降 低 ， 在 管 理 上 更加 灵 活 方 便 。 本 测 控 系 统 采 用 电 压 和 电 流 互 感 器 来 转 换 三 相 四线制用电参数的交流信号， 使用专用电能计量芯片ATT7026来采集转换后的交流信号， 将所测量到的参数通过SPI口送往主控制器， 并 在 LCD12864上 显 示 所 测 的 各 参 数 。 而本系统采用AT89C52单片机作为主控制器来对整个系统进行控制和监测。 同时该测控系统还具有无功功率补偿的作用， 配有RS485通信， 可以将所测量的参数和信息送往调度中心。 本测控系统实现了配电网测控和功率因数校正及无功补， 具有结构简单、 精度高、 抗干扰能力强等特点具有很大的市场潜力。关 键 字 ： 电 压 互 感 器 ， 电 流 互 感 器 ， ATT7026,AT89C52,无 功 功 率 补 偿 ， RS485 通信第 2 页 共 60 页Microcontroller-based low voltage distribution network integrated measurement system of researchAbstract：In order to ensure the safe operation of distribution systems and know the status of distribution system operation , there is a need that parameters should be measured and monitored in time, and then be sent to the control center. It stimulates a wide application of the measuring and controling instrument for the low voltage distribution networks parameters nowadays. When cost or management is taken into consideration, This paper presents a reactive power compensator and the distribution network Monitor two devices into one of the design methods, in accordance, the cost of the instruments will be reduced greatly, and the management will be more flexible. The measuring and controling instrument utilizes voltage and current inductors to transform the AC signal at the three-phase and four-wire system, uses the special electric energy calculation chip to measure the transformed signal, and then sends the measured parameters to the main controller by SPI interface. This instrument utilizes AT89C52 as the main controller to control and monitor the whole system. At the same time, the instrument owns the function of the reactive power compensation and is equipped with the RS485 communication, so it can send measured parameter to the control center. The precision of this instrument has already reached national industry standard. It is a new-type instrument which proofread power factor, and has the role of reactive power compensation. The measuring and controling system enjoys many advantages,such as simple structure,high precision and stong anti-disturbing,etc. It has enormous market potential.Keyword : voltage inductor,current inductor,ATT7026,PIC16F877, reactive power compensation,RS485 communication.第 3 页 共 60 页注 释 表MCU：Micro-Control Unit 单片机；SCADA：Supervisory Control And Data Acquisition 数据采集与控制；RTU：Rem ote Terminal Unit 终端远动装置；CPU：Central processing unit 中央处理单元； DSP：Digital Signal Processing 数字信号处理； ADC：Analog to Digital Converter 模数转换器； SPI：Sereial Peripheral Interface 串行外设接口；RISC： Reduced Instruction Set Computing 精简指令集；PFC：Power Factor Compensation 有功功率补偿；U-电压有效值 I-电流有效值 PF-功率因数P-有功功率 Q-无功功率 F-频率S-合相功率 -有功能量 -无功能量pEqE -磁 通 -补 偿 前 功 率 因 数 角 -补 偿 后 功 率 因 数 脚0 1 2C-补偿电容的容量 N-仪表常数 Un-额定电压Ib-额定电流 Imax-最大电流 Istart启动电流-角频率 N1-一次绕组 N2-二次绕组Vcc-工作电压 Avcc模拟电源电压 cos -功 率 因 数第 4 页 共 60 页目录第一章 绪 论 .11.1课题研究背景及意义 .11.2国内外研究现状 .11.2.1国 外 研 究 现 状 .11.2.2国内研究现状 21.3本课题相关技术综述 .2第二章 系统总体方案设计 .42.1 系 统 需 要 实 现 的 各 功 能 .42.2 目前低压配电网测控系统中信号采集方案的比较 .42.3 系统总体方案设计 .4第三章 电源电路 .63.1 电压互感器的选择 .63.1.1 电 压 互 感 器 的 概 述 .63.1.2 电压互感器的选择63.2 电流互感器的选择 .73.2.1 电 流 互 感 器 的 工 作 原 理 .73.2.2 电 流 互 感 器 的 选 择 .73.3 电源电路的设计 .83.4 信号转换电路的总体设计 .8第四章 低压配电网测控系统中信号采集与处理模块的设计 .114.1 电能计量芯片ATT7026 简介 .114.2 SPI 接口简介 .14第 5 页 共 60 页第五章 低压配电网测控系统控制模块及接口设计 .155.1 AT89C52.155.1.1 89C52单 片 机 简 介 .155.1.2管 脚 说 明 .155.1.3具 体 操 作 .165.2 LCD 显示器接口设计 .175.2.1 LCD 液 晶 显 示 简 介 .175.2.2基 本 特 性 .175.2.3控 制 器 接 口 信 号 说 明 .185.2.4 LCD 接 口 设 计 .185.3 RS485 接口及通信程序设 .195.3.1 RS485 通 信 简 介 .195.3.2 RS485 通 信 接 口 的 设 计 .205.4 电容器组投切的继电器控制 .215.4.1 功 率 因 数 的 提 高 .215.4.2 无 功 功 率 补 偿 .225.5 系统控制接口的硬件设计 .24第六章 软件设计 .256.1信号采集与处理模块 .256.1.1 SPI口 通 讯 模 块 .256.1.2 计 量 参 数 处 理 .266.1.3 软 件 校 表 程 序 设 计 .26第 6 页 共 60 页6.2 电容器组投切的控制程序设计 .286.3 系统控制接口的软件设计 .29第七章 系统调试及仿真 .31总 结 .33附 录 A .34附 录 B .37参考文献 .50致 谢 .53第 7 页 共 60 页第一章 绪 论1.1课题研究背景及意义低压配电网系统包括36kv以下电压等级的终端用户变电所的内容。由于（1）10（35）kv/380终端变电所一般分布在负荷相对集中的地方，其终端用户变电所系统中涉及面最广；（2）它是电能最终分配并且直接送往用户产生经济效益的变电所；（3）其负荷回路多、开关类型多、故障率高等特点使其成为电力系统中实现综合智能监控难度较高、也是进行综合自动化的最薄弱的领域，但是它的运行情况直接影响电力系统的整体水平 1。而且由于我国电力用户功率因数偏低且低压配电网的非线性、不对称以及冲击性负荷迅速增多，也使电网的电能质量恶化。因此进行对配电网测控系统智能化，对在线运行电网设备远方监测和控制的研究对提供运行安全、可靠性及经济效益等方面都有重要的现实意义。其所监控的参数主要为三相四线220V交流电压、频率和5A的交流电流以及功率因数、无功功率、有功功率等参数。对低压配电网综合参数测控系统的研究既是发展国民经济的要求也是电力企业自身发展的需要。另外对于配电网系统和电力用户，进行适当无功补偿既可以减轻上一级电网的压力也可以提高用户配电变压器的利用率，从而改善用户功率因数和电压质量，有效降低电能损失、减少用户电费、提高供电能力。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状在一些发达国家中，其配电测控系统已形成了集变电所自动化、馈线分段开关测控、电容器组调节控制、用户负荷控制和远程抄表等系统于一体的配电管理系统（DMS），能也多达140余种。国外很多著名电力系统设备的制造厂家均推出了各具特色的配电系统自动化的产品 2。日本从上世纪出50年代采用自动隔离故障区至今已完成了计算机系统与配电设备的配电自动化系统，实现了配电线故障后的按时限自动顺序送出以及配电线开关的远方监控。韩国、台湾地区于90年代完成了局部馈线自动化，建立了配电网自动化实验网络。新加坡也在上世纪投运完善大型配电网的SCADA系统。从国外配电系统采用的通信方式看，还没有一种通信技术能很好地满足于配电系统所有层次的需求。由于一个配电自动化系统的通信系统是由多种通信技术综合而成，第 8 页 共 60 页因此各层次据实际需要选择合适通信方式 3。目前，国外致力于配电自动化专家系统和配电网仿真培训系统等的研究，并研究通过优化负荷分配减少损耗且对变压器负荷进行管理，以求最大限度地利用变压器容量并降低系统有功损耗，及按即时电价对用户负荷进行管理等。1.2.2国内研究现状相对于欧美等发达国家我国起步较晚，技术相对落后。目前我国的配电网结构还是比较薄弱的，绝大部分为放射树状结构，而且多数为架空线，供电半径不合理，导线截面过小，供电可靠性差，损耗高，电压质量差 4。传统的低压无功补偿装置可靠性差，严重影响了电网的质量。自动化程度低、管理不善是造成这些情况的重要原因。从20世纪90年代以来，我国电力系统35kv变电所实现了四遥功能，但是规模覆盖变电所自动化、馈线的故障的定位与隔离及自动恢复供电、负荷控制、远程自动读表、最低网损、电压、无功优化、配电投资系统、变电配电和用电管理信息系统的配电网综合管理系统，则都是近年来才开始起步的 5。上海市在浦东金桥金藤开发区实施了配电自动化工程，基本达到遥控、遥测、遥信的目的，但规模小，造价高且依赖进口设备，不便于推广。此外，北京，沈阳也进行过一定规模的尝试。目前我国第一套通过技术鉴定的配电自动化系统是银川城区配电自动化系统。其全部采用国内自行研制的设备实现了配电网中30余条进线、几十条馈线和7个开闭所及小区变的全面监控，获得了大量宝贵的经验 8。目前，通过这些试点，由配电主站、子站及馈线终端构成的三层结构已得到普遍认可，另外光纤通信作为主干网的通信方式也得到共识 9。目前，我国研制出来的测控仪能准确的测量出配电网的电压、电流、功率因数、功率等用电参数并进行功率因数自动校正、无功补偿等功能 10。对比与国外的先进技术，我国还有很多的不足。利用好城市网、农村网建设与改造的有利机遇，发展配电系统自动化技术，做好低压配电网综合参数测控系统的研究有着非常重的意义。1.3本课题相关技术综述在低压配电网中，输电线路一般采用三相四线制。三条线路分别代表A,B,C三相，另一条是中性线N。在进入用户的单相输电线路中，有两条线，一条我们称为火线，另第 9 页 共 60 页一条我们称为零线，零线正常情况下要通过电流以构成单相线路中电流的回路。而三相系统中，三相平衡时，中性线（零线）是无电流的，故称三相四线制；在380V低压配电网中为了从380V线间电压中获得220V相间电压而设N线，有的场合也可以用来进行零序电流检测，以便进行三相供电平衡的监控 15。在高电压及大电流的测量中，测量器具往往无法对被测电压或电流进行变换，这时需要先对电压或电流进行变换，这时便出现了互感器。电压互感器结构相当于一台降压变压器，其与变压器的区别一是其对电压变换的比例及前后相位有严格要求，二是其主要传输被测量的信息 19。电流互感器相当于一台电流变换器，其与电流变换器的区别一是对于变换的比例及变换前后的相位有严格的要求，二是其主要传输被测电流的有关信息 20。Proteus软件是一款EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。第 10 页 共 60 页第二章 系统总体方案设计2.1 系 统 需 要 实 现 的 各 功 能该配电网测控系统配 有 较 多 的 输 入 、 输出接口，其功能主要有：能准确的测量三相四线制的220V电压、 5A电流、 频率、 有功功率、 无功功 率、功率因数等参数；采用LCD将参数显示，由于参数比较多，采用翻屏显示，每屏显示三个参数；报警功能：如果电压过低或过高、 电流过低或过高、 断相或者功率因数太低等就能及时的进行报警；能监控配电网的运行状况：是超前还是滞后；具有RS485通讯， 可以将测量的参数和运行状况通过RS485通讯传送到控制站或用电中心；可进行无功功率补偿以确保功率因数在可控范围之内， 进行电容器组的投切。2.2 目前低压配电网测控系统中信号采集方案的比较在目前配电网测控系统中对数据信号的采集主要有两种方案：a）直流采样方案；b）交流采样方案。当前在数字技术得到充分发展和应用的情况下， 交 流 采 样 方 案 是 配 网自 动 化的一个合理选择。 它以数字电路为主辅以少量的模拟电路， 功能强大， 扩充容易， 可靠性较直流采样方案有较大提高， 综合成本低。 因此本课题采用方案也是采用交流采样方案， 直 接 将 电 网 的 交 流 信 号 通 过 互 感 器 转 换 为 弱 电 交流信号，提供给采样芯片。2.3 系统总体方案设计根据设计要求， 为了避免强电信号对弱电信号的干扰， 在整体结构上采用三层电路板。系统的总体结构图如图2.1所示。图2.1系统总结构图强电信号电路板 继电器组弱电信号电路板 输出控制RS485通信 LCD液晶显示板第 11 页 共 60 页本测控系统的基本技术指标有：a. 精度：有功0.5级，无功2级；b. 仪表常数N：1600imp/kWh；c. 额定电压Un：三相四线制电压220V； d. 额定电流Ib：5A；e. 最大电流Imax：10A；f. 启动电流Istart：0.4%Ib。为了满足各种性能的需要， 采用以下几个功能模块, 而各个模块的功能实现主要是通过单片机来控制和协调， 主控电路板的电路原理框图如图2 .2 所示。 本设计主要包括以下几个模块：图 2.2主 控 电 路 原 理 图1交流信号转换模块：将配电网上的2 20V 交流电压和5 A的电流转换成小电压和小电流，提供给专用电能计量芯片A TT7026，同时也包括电源部分的设计。2交流信号采集与处理模块：对采集到的交流信号进行采集和处理， 并通过S PI口将所测量 的参数送往M CU，同时通过S PI口接收M CU传送过来的校表参数。3系统控制模块：将所接收的参数送往液晶进行显示， 对所监测的配电网运行过程中出现的故障即时的进行报警，同时将所监测到的信息通过 RS485通信送往调 度中心，另外在 该 模 块 中 还 将 通 过 无 功 功 率 补 偿 来 完 成 电 容 器 组 的 投 切 。来自互感器的电流信号来自互感器的电压信号ATT7026AT89C52上位机输出控制LCD第 12 页 共 60 页第三章 电源电路3.1 电压互感器的选择3.1.1 电压互感器的概述1.电压互感器的结构原理电压互感器其工作原理与变压器基本相同。电压互感器的额定变比= =21UN图 3.1 电压互感器 1、一次绕组 2、铁心 3、二次绕组(a) 结构原理图 (b)图形符号3.1.2 电压互感器的选择在电压互感器的选择中应遵守以下几个规则：（1） 电压互感器的额定频率应与被测线路一致。（2） 根据被测线路电压选择电压互感器的额定一次电压。（3） 根据电压互感器二次侧所接仪表的导纳，选择互感器的额定负荷和功率因数。（4） 标准电压互感器的准确度等级应比被检定电压互感器高 2级且不低于 0.2级。 两互感器的电压比一般应相同。（5）电压互感器在运行中严禁短路。（6）电力系统用的电压互感器，在高压中性点不直接接地系统中，线路对地电容与中性点接地的电压互感器并联， 当系统运行状态发生突变时， 可能发生并联谐振。第 13 页 共 60 页3.2 电流互感器的选择3.2.1 电流互感器的工作原理电流互感器其工作原理与变压器基本相同。图 3.2 电流互感器 (a)原理结构图(b)图形符号电流互感器额定电流比 Ki = =21IN3.2.2 电流互感器的选择（1）电流互感器的额定频率应与被测线路电流频率一致。（2）根据被测线路的电压等级，选择电流互感器的额定电压，绝不能用额定电压低的电流互感器去测电压等级比它高的线路电流。（3）根据被测线路的电流大小，选择电流互感器的额定一次电流；根据测量仪表的额定电流， 选择互感器的额定二次电流。（4）根据电流互感器二次侧所接仪表和连接导线阻抗，选择互感器的额定负荷 和功率因数。（5）标准电流互感 器的准确度等级应比被检定电流互感器高2级， 且不低于0.2级。 两互感器的电流 比一般相同。（6）电流互感器在运行使用中严禁其二次侧回路开路因此电流互感器二次侧一般 应装有开路保护装置， 在高电压下装置若击穿， 二次侧将会短路， 并在互感器外 壳上设置警示标志。第 14 页 共 60 页对于多变比的电流互感器， 使用时只能选用其中1个变比对于多次级的电流互感器，2个或3个次级可同时使用，各自接相应的二次负荷；只有1个次级时，不用的次级短路。3.3 电源电路的设计除强电被控设备外， 微机测控系统中的各个单元都需要直流电源供电。 一般 是由市电电网的交流电压经过变压、整流、滤波、稳压后向系统提供直流电源。本系统的主控电路板上需要两种不同精度的5V直流电源，因此在设计时利用A相的220V电压通过变压器转换成9V的交流电压，然后经过整流桥和稳压芯片7805后得到直流电压，再经过滤波就可得到+5V的直流电压， 这个电压就可直接提供给主控电路板中的控制模块和液晶显示模块， 由于主控电路板中计量模块为了避免干扰信号的串扰， 对5V直流电压的要求较高， 因此在电源接入之前再进行一次滤波，这样电源就比较干净。另外为了防止A相断电后系统没法工作， 因此在测控仪中增加了一个5V的备用电源， 该备用电源主要由电池来提供。电源电路图如图3.3所示图3.3 电源电路图3.4 信号转换电路的总体设计本系统的交流信号转换电路框图如图3.4所示，从配电网上传送过来的220V电压和5A电流经过电压和电流互感器之后， 将强电信号转换为弱电信号， 也就是经过电压互感器转换后，2 20V的交流电压变为0 .5V的交流电压，而5 A的交流电流经过电流互感器后出来的电流是2.5m A， 由于信号采集模块采集的信号必须是电压信号，因此再在电流互感器的输出端并联一个电阻将电流信号转换为采集模块所需要的电压信号。而电源部第 15 页 共 60 页分是从将A相的交流220V电压接入变压器220V/9V经过整流桥后，将其转换为直流9V电压，再经过7805的稳压管将其电压转为5V经过滤波后就可得到仪器所需要的工作电压，而信号采集模块所需要的电源要求精度比较高， 因此还需要将5V电压经过二次滤波， 才能作为其所需的工作电压。5v备用电源ABC相 A相 整流桥 7805稳压 控制模块220v 变压器 低通滤波 5v Vcc电压二次滤波电压互感器 0.5v电压计量模块5V电压ABC相 电流互 40 0.1V5A 感器 负载 电压电流信号线图 3.4 交流信号转换电路框图在设计中， 为了满足测量精度的要求， 电压互感器选220V/0.5V 精度为0.05级，而电流互感器选用的是5A/2.5mA,精度为0.05级。本电路中电流互感器CT2由电网电流互感器CT1的二次回路(05A)取得信号,电压互感器PT2从电网电压互感器PT1二次(0220V)或直接从低压电网取得信号。电流互感器在本 仪表中既用于测量又要用于保护，要求在仪表设计的额定电流120%范围内误差 小于0.1%在12倍范围内误差小于2%。一般的仪用电流互感器都不能满足要求。 采用小型无源互感器,其线性范围在规定的负载电阻下为电流标称值的120%。众所周知,由于电流互感器铁心的磁饱和效应,其线性范围随负载电阻的增大而减小，因此,按图3.5(a)的接法,必须令负载电阻足够小并按标称值适当降低输入电流来使用,才能满足线性范围的设计要求。使用图3.5(b)的I/V转换电路此时电流互感器的二次为“虚短”,可在数十倍额定电流范围内保持很好的线性。由于电流互感器的输入电流只有2.5mA,且负载电阻只有40，因此采用图（a）的接法。第 16 页 共 60 页图3.5 I/U 转换电路图在本电路中为了防雷击和过压或过流，在信号进入互感器之前接入压敏电 阻。 压敏电阻在电路中的作用可以形容为保险丝。本电路中的压敏电阻选用的型号是 MYG680V/20K,该压敏电阻是防过压保护的。另外互感器除了采集交流信号外还有隔离和保护作用， 因此通过互感器对强电和弱电信号进行隔离， 很好的解决了强电信号和其他信号的干扰。第 17 页 共 60 页第四章 低压配电网测控系统中信号采集与处理模块的设计4.1 电能计量芯片ATT7026 简介本测控仪的参数测量采用专用的电能计量芯片 ATT7026,该芯片是一个高 精 度 的三 相 电 能 计 量 芯 片 ,适 用 于 三 相 三 线 或 三 相 四 线 。 它 集 成 了 六 路 二 阶 -ADC、参 考 电 压 电 路 及 所 有 功 率 、 能 量 、 有 效 值 、 功 率 因 数 以 及 额 定 功 率 的 测 量 数字信号处理等电路。其 有功测量可达到1级或0.5级，而无功测量可达到2级或3级；适用于三相三线或三相四线，能测量的参数包括瞬时有功、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；同时还能提供分相以及合相参数、相序以及断相检测功能；也能直接提供有功、无功校表脉冲输出； 两个步进电机驱动输出， 可同时输出有功、 无功功率， 且具有反向有功指示功能， 另外它还支持电阻网络或者软件调试电表， 而软件校表支 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。它具有SPI接口，方便与外部MCU通讯，单+5V供电。同时它还支持电阻网络校表以及软件校表两种校表方式所有计量参数以及校表参数都可以通过ATT7026 提供的SPI 接口与外部MCU之间进行传递。4.1.1 ATT7026 的性能特点、引脚和内部框图4.1.1.1 ATT7026引脚介绍1A TT7026引脚排列图图 4. 1 ATT7026 的引脚排列图第 18 页 共 60 页2A TT7026的引脚描述表 4. 1 ATT7026 的引脚描述引脚 标识 特性 功能描述1 RESET 输入 ATT7026 复位管脚，低电平有效，内部有300K上拉电阻2 SIG 输出 ATT7026 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、4 V1P/VIN 电流信道正，负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工6、7 V3P/V3N9、10 V5P/V5N输入作最大信号电平为 1.5V， 两个引 脚内部都有ESD 保护电路5 REFCAP 输出 基准2.5V，可以外接；该引脚应使用10F钽电容并联100nF瓷介电容进行去耦11REFOUT 输出 基准电压输出，用作外部信号的直流偏置13,14 V2P/V2N 电压信道的正、负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常16,17 V4P/V4N 工作最大输入电压为1.5V，两个引脚内部都有ESD 保护电19,20 V6P/V6N输入路21,22 S0/S1 输入 用来选择输出频率的系数。内部300K 上拉电阻。24 TEST 输入 测试管脚，正常应用接地。内有300K 下拉电阻25 SCF 输入 逻辑输入用来选择输出频率的系数， 与S0/S1配 合使用， 内部300K 上拉电阻。表4.1（续）26 SEL 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27 CF1 输出 有功电能校验脉冲输出，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，也可以用作电能计量28 CF2 输出 无功电能校验脉冲输出，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，也可以用作电能计量29,30 F1/F2 输出 低频有功电能脉冲输出,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。31,32 F3/F4 输出 低频无功电能脉冲输出,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。35 CS 输入 SPI 片选信号，低电平有效36 SCLK 输入 SPI 串行时钟输入（注意：上升沿放数据，下降沿取数据）37 DIN 输入 SPI 串行数据输入第 19 页 共 60 页38 DOUT 输出 SPI 串行数据输出40 REVP 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42 OSCI输入 系统晶振的输入端，或是外灌系统时钟输入。晶振频率24.576MHz43 OSCO 输出 晶振的输出端8,15 AGND 电源 模拟电路(即ADC 和基准源)的接地参考点12,18 AVCC 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 电容并联100nF 瓷介电容进行去耦23,44 GND 电源 数字地引脚33,39 VDD 电源 内核电源 输 出 3.3V。 外接10 F 钽电容并联100nF 瓷介电容进行去耦34,41 VCC电源 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10nF瓷介电容进行去耦4.1.1.2 ATT7026 的内部结构如图4 .2所示： ATT7026的内部结构主要包括电源监控电路、 模数转换电路和 计量模块。而电源监控电路是对模拟电源（A vcc）进行监控。当电源电压低于4 V5%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。A TT7026 片内集成了6路1 6 位的A DC， 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。建议将电压通道 Un对应到A DC的输入选在0.5V左右而电流通道Ib时的A DC输入选在 0.1V左右。计量模块主要是将从电压、电流采样通道来的数据进行数字高通滤波和移相滤波或相位校正进行计算， 得到所需要的参数量， 包括电压、 电流有效值 、 功率、 频率 、 相位角等三相参数， 并将这些参数存于计量参数寄存器中， 通过 SPI口将参数传输给M CU。第 20 页 共 60 页图 4.2 ATT7026 的内部框图4.2 SPI 接口简介SPI(Serial Peripheral Interface-串 行 外 设 接 口 )总线系统是一种同步串行外设 接 口 ， 它 可 以 使 MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。 外围设置 FLASHRAM、 网 络控制器、 LCD显示驱动器、 A/D转换器和 MCU等 。 SPI总线系统接口一般使用4条线：串行时钟线（S CK 、主机输入/从机输出数据线 MISO、主机输出/从机输入数据线 MOST和低电平有效的从机选择线 SS。由于 SPI系统总线一共只需 34位数据线和控制即可实现与具有 SPI总线接口功能的各种I /O器件进行接口，因此，采用 SPI总线接口可以简化电路设计。第 21 页 共 60 页第五章 低压配电网测控系统控制模块及接口设计低压配电网测控系统的控制模块也即M CU 模块要完成的任务包括通过S PI 口 从 专用 计 量 芯 片A TT7026的 寄 存 器 中 读 取 所 需 要 的 参 数 ， 经 过 处 理 后 送 到 LCD上进行显示， 并通过R S485通讯将所测的参数传送到调度中心， 同时M CU还将通过对参数的运行状况来分析配电网的运行状况： 超前还是滞后。 如果配电网出现断相或者过压、 过流、 功率因数过低等情况时， 系统会及时进行报警， 通知调度中心及时采取相关措施。 如果是功率因数过低的话， 系统会及时的进行电容器组的投切来补偿功率因数， 使之达到合适的状态。 因此基于上述功能整个设计的需要， 本设计采用AT89C52单片机。 5.1 AT89C525.1.1 89C52单片机简介AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。单片机正常工作时，都需要有一个时钟电路和一个复位电路。本设计中选择了内部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8位微控制器8K字节在系统可编程。51.2管脚说明第 22 页 共 60 页AT89C52P为40主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（3239脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。5.1.3具体操作编程方法：1 在地址线上加上要编程单元的地址信号。2 在数据线上加上要写入的数据字节。3 激活相应的控制信号。4 在高电压编程方式时，将EA/Vpp 端加上+12V 编程电压。5 每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG 编程脉冲。每个字节写入周期是自身定时的，通常约为1.5ms。重复15 步骤，改变编程单元的地址和写入的数据，直到全部文件编程结束。数据查询：AT89C52单片机用Data Palling表示一个写周期结束为特征，在一个写周期中，如需读取最后写入的一个字节，则读出的数据的最高位（P0.7）是原来写入字节最高位的反码。写周期完成后，所输出的数据是有效的数据，即可进入下一个字节的写周期，写周期开始后，Data Palling可能随时有效。Ready/Busy：字节编程的进度可通过“RDY/BSY 输出信号监测，编程期间，ALE 变为高电平“H”后，P3.4（RDY/BSY）端电平被拉低，表示正在编程状态（忙状态）。编程完成后，P3.4变为高电平表示准备就绪状态。程序校验：如果加密位LB1、LB2 没有进行编程，则代码数据可通过地址和数据线读回原编写的数据。加密位不可直接校验，加密位的校验可通过对存储器的校验和写入状态来验证。第 23 页 共 60 页芯片擦除：利用控制信号的正确组合并保持ALE/PROG 引脚10mS 的低电平脉冲宽度即可将PEROM 阵列（4k字节）和三个加密位整片擦除，代码阵列在片擦除操作中将任何非空单元写入“1”，这步骤需再编程之前进行。读片内签名字节：AT89C52 单片机内有3 个签名字节，地址为030H、031H 和032H。用于声明该器件的厂商、型号和编程电压。读AT89C52 签名字节需将P3.6 和P3.7 置逻辑低电平，读签名字节的过程和单元030H、031H 及032H 的正常校验相仿，只返回值意义如下：（030H）=1EH 声明产品由ATMEL公司制造。（031H）=52H 声明为AT89C52 单片机。（032H）=FFH 声明为12V 编程电压。（032H）=05H 声明为5V 编程电压5.2 LCD 显示器接口设计5.2.1 LCD 液晶显示简介本设计采用AMPIRE12864LCD。带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字。也可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。5.2.2基本特性（1）、低电源电压（VDD:+3.0-+5.5V）（2）、显示分辨率:12864点 （3）、内置汉字字库，提供8192个1616点阵汉字(简繁体可选) （4）、内置 128个168点阵字符 （5）、2MHZ时钟频率 （6）、显示方式：STN、半透、正显 （7）、驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS （8）、视角方向：6点 （9）、背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/51/10 （10）、通讯方式：串行、并口可选 （11）、内置D