三相多功能電表設計

E甲2302

全國大學生電子設計競賽

（2010 年）

三相多功能電表（E題）

設計說明書

2010年9月

摘要 I

壹. 方案比較與論證 1

1.1 總方案的選擇 1

1.2核心功能模塊選擇與比較 1

1.2.1電能參數計量模塊…………………………………1

1.2.2電壓、電流檢測模塊……………………………………2

二. 理論分析與計算 2

2.1信號檢測模塊 2

2.2芯片計量原理 3

三 .電路圖及相關設計文件 4

3. 1 直流電源 4

3.2 檢測模塊 4

3.3計量芯片ATT7022………………………………………………5

3.4 顯示模塊………………………………………………………...6

3.5通信模塊…………………………………………………………6

3.6 軟件設計流程圖………………………………………………..7

四. 測試方法與儀器 8

五. 測試結果與分析…………………………………………………….8

總結

參考文獻

摘要

本方案主要由檢測電路、專用電能計量芯片ATT7022、89C52單片機、128×64液晶顯示、按鍵、RS485通信、紅外通信以及電源部分組成。電路中的電流（電壓）信號經過電流（電壓）互感器，強電信號轉換為安全的弱電信號，通過ATT7022把計量數據傳給單片機，由單片機控制128×64液晶顯示,另設按鍵可選擇顯示測量數據,並擴展RS485和紅外線通信功能。因為ATT7022具有極高的精度，能夠達到1級測量精度要求，由於互感器鐵芯趨於飽和，當電力線路出現過電壓或過電流時，其輸出不會成正比的增加，能保護測量儀表設備。

關鍵詞: 單片機 ATT7022計量芯片三相電參數測試 RS485通信

紅外通信

Abstract

This scheme mainly consists of Detection circuit, Special energy metering ATT7022 chips，89C52，128 * 64 LCD display，key，RS485 communication，Infrared communication and power..The current in the circuit by current signal (voltage transformer, high voltage (voltage) signals are converted to electricity signal, the safety ATT7022 through the measurement data to SCM by single-chip microcomputer control, 128 * 64 LCD display, and buttons can choose to display measured data, and expand RS485 and infrared communication function. Because of the high precision, ATT7022 can reach 1 level measurement accuracy requirement, and because of transformer core tend to saturation, when power line voltage or current appeared, the output will increase, the proportional to the measuring equipment to protect.

Keyword: 89C52 ATT7022 measurement chip Three-phase electrical-

-parameter test RS485 Serial Communication Infrared communication

壹方案比較與論證

1.1總方案的選擇

實現思路

本次設計的任務是制作壹個能同時對三相工頻交流電的三相電壓、三相電流、三相有功功率、三相無功功率、總有功功率、總無功功率、功率因數、電網頻率、有功電能和無功電能進行測量的數字式多用表。

1.2 核心功能模塊選擇與比較

1.2.1 電能參數計量模塊

方案壹：本方案用ADE7755計量電能，因為要用三片ADE7755芯片分別對每壹相的有功電能進行單獨計量，再疊加到三相總有功電能，致使電能計量電路在電路板上占用空間大、線路密集，造成電表抗幹擾能力差；成本較高，致使產品的性價比低；ADE7755在500:1的動態範圍內誤差小於0.1%，電能計量芯片的參數不可調使得電表計量精度降低．

方案二: 本方案用芯片ATT7022計量電能，ATT7022能準確地測量電網的電壓、電流、頻率、功率、電能等參數；ATT7022精度高，在輸入動態工作範圍（1000:1）內，非線性測量誤差能達到小於0.1%的精度；ATT7022可設置寄存器使之適用於三相三線和三相四線的工作環境；同時能提供電壓和電流相序檢測；還能提供電壓和電流的有效值參數，有效值精度要優於0.5%。很好的滿足了設計中對測量功能、技術參數以及準確度的要求。所以選擇方案二。

1.2.2電壓、電流檢測模塊

信號采集板給信號處理板提供要采集的電流電壓，並隔離掉幹擾信號，避免其進入主控電路板。在信號的檢測部分，有利用互感器和霍爾傳感器檢測兩種方法。

方案壹利用霍爾傳感器采集三相電參數。霍爾傳感器性能優越，但成本較高。

方案二利用電流電壓互感器采集三相電參數。電流和電壓互感器是壹種特殊的變壓器，把大電流（高電壓）變成小電流（低電壓），實現了弱電控制強電，保證了電力系統的安全。由於互感器鐵芯趨於飽和，當電力線路出現過電壓或過電流時，其輸出不會成正比的增加，能保護測量儀表設備。這壹作用滿足了設計要求的技術參數，能承受壹定時間的過流過壓。互感器在本測試儀中在性能上基本能滿足設計要求，而且成本合理，因此本次設計采用互感器方式。

二. 理論分析與計算

2.1信號檢測模塊

電路中的強電信號經過互感器之後將轉換為弱電信號，根據我們選擇的互感器型號，380V的交流電壓轉換為0.5 V的交流電壓,而5A的交流電流轉換為2mA。

信號采集模塊采集的必須是電壓，因此我們在電流互感器的輸出端並聯壹個電阻，這樣電流信號就可以轉換為采集模塊需要的電壓信號。

2.2芯片計量原理

電流有效值：

i (t)-----電流瞬時值

電壓有效值： u (t)----電壓瞬時值

功率因數：

三相三線合相功率：

三相四線合相功率：

單相無功功率：無功功率計量方法與有功類似，只是電壓信號采用移相90之後的。

單相有功功率：各相的有功功率是通過對去直流分量後的電流電壓信號進行乘法加法數字濾波等壹系列數字信號處理後得到的。

有功能量：有功能量通過瞬時有功功率對時間的積分得到。

三電路圖及相關文件

3.1 直流電源

直流電源是電網電壓經過變壓整流濾波穩壓等變換後得到的。本測試儀利用A相得到220V電壓，然後通過變壓器轉換為9V的交流電壓，再經過整流橋和穩壓芯片7805轉換為直流電壓，最後經過濾波，就可以得到+5V的直流電壓。這個直流電源對單片機、ATT7022芯片、128×64液晶和485芯片供電。直流電源電路圖如3-1所示。

3-1 直流電源電路設計圖

3.2 檢測模塊

信號采集模塊檢測的信號必須是電壓信號，因此在電流互感器的輸出端並聯壹個電阻把電流信號轉換為檢測模塊所需要的電壓信號。圖中引腳V1P、V1N、V2P、V2N的信號均送入ATT7022進行處理，REFOUT為ATT7022的直流偏置電壓，正常工作時為2.4V左右，其中10K電阻為偏置電阻。信號檢測模塊電路圖如3-2所示。

3-2 信號檢測模塊電路圖

3.3計量芯片ATT7022

ATT7022是壹顆高精度三相電能專用計量芯片，適用於三相三線和三線四相應用。能夠測量各相的有功無功功率、視在功率、有功無功能量，還能測量各相電流電壓有效值功率因數相角頻率等參數，充分滿足三相多功能電表的要求。儀表有功及無功功率校驗電路圖如3-3（a）,ATT7022引腳連接圖如3-3(b)所示。

3-3（a）儀表有功及無功功率校驗電路

3-3(b) ATT7022引腳連接圖

3.4 顯示模塊

顯示模塊采用128×64的點陣液晶顯示測量參數，通過翻屏可顯示所有測量數據。

3.5 通信模塊

通信模塊采用RS485接口通信和紅外通信，通信模塊主要用於數據傳輸。RS485通信模塊經過RS485接口把測量的各個參數的值傳輸到上位機；紅外通信模塊將測試儀測量到的各個參數的值發送出去，連在上位機上的接收模塊接收數據，實現遠程顯示。

3.6 軟件設計流程圖

四測試方法與儀器

五測試結果分析