三相多功能電表的設(shè)計與總結(jié)報告

1、 省大學(xué)生“高教社&XILINX杯”電子設(shè)計競賽三相多功能電表的設(shè)計與總結(jié)報告參賽題目： 三相多功能電表所屬單位： 曲阜師大學(xué)物理工程學(xué)院摘要系統(tǒng)是基于ATMEGA16單片機和ATT7028A專門計量芯片為核心器件的三相多功能電表。采用電壓互感器與電流互感器對三相電網(wǎng)取樣，ATT7028A根據(jù)取樣信號能夠測量出各相以與合相的有功功率、有功電能、各相電流電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)送入ATMEGA16單片機。用戶可以通過單片機提供的豐富的用戶界面讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并可以通過標準RS-485通訊來實現(xiàn)遠程有線測量和標準USART通訊來實現(xiàn)遠程無線測量。本系統(tǒng)很好的完成了題目要

2、求的基本與發(fā)揮要求，并進行了進一步的擴展。關(guān)鍵詞：ATMEGA16 ATT7028A 三相 多功能電表 遠程測量AbstractThis system is a three-phase multi-function power meter, which the core device is based on ATEMGA16 and ATT7028A. It samples on Drehstromnetz with the use of the Voltage Transformer and Current Transformer. According to the sample signa

3、ls accquired, ATT7028A works out the active power and total active power, active electrical power, RMS current and voltage of each phase, Power Factor, Phase angle, and Frequency. When the above data are inputted into ATEMGA16, users can read the corresponding data by means of the rich user interfac

4、e provided by ATMEGA16; they can realize remote cable measurement through standard RS-485 communication; and then they can achieve remote wireless measurement by standard USART communication. The design achieved and even exceeded all the technical indexes with better accuracy and control.Keywords: A

5、TMEGA16；ATT7028A；three-phase；multi-function power meter ；distance measurement目錄 摘要11 設(shè)計要求11.1 基本要求1.2 發(fā)揮部分2 方案設(shè)計與論證12.1 整體方案的設(shè)計與論2.2 控制部分MCU的選擇2.3 取樣電路2.4 顯示電路2.5 遠程通信單元2.6 垵鍵電路2.7 軟件部分方案3 理論分析與計算43.1 三相有功功率，有功電能、無功功率、功率因數(shù)、無功電能的計算 3.2 電壓和電流有效值的測量3.3 三相有功功率和有功電能的計算3.4 功率因數(shù)的測量3.5 相序檢測4 測試方法與數(shù)據(jù)，測試結(jié)果與分析

6、64.1 測試儀器4.2 校表方法4.3 測試數(shù)據(jù)4.4 測試結(jié)果分析5 總結(jié)8 5.1 基本功能5.2 發(fā)揮部分5.3 功能擴展部分5.4 比賽總結(jié)6 附錄96.1 參考文獻6.2 ATT7028A外部引腳與部框圖6.3 主要元件清單6.4 電路圖6.4.1 5v 電源6.4.2 按鍵功能對應(yīng)表與鍵盤簡略電路圖 6.4.3 Atmega16單片機外圍電路圖6.4.4 ATT7028A外圍電路圖6.4.5 電流互感器與電壓互感器電路圖6.5 程序框圖與部分程序6.5.1 框圖6.5.2 部分程序15 / 181 設(shè)計要求1.1 基本要求（1）測量功能與技術(shù)參數(shù)A三相額定交流相電壓：100V/2

7、20V/380V，過載能力：持續(xù)1.2倍、瞬時電流10倍/5秒；B三相額定交流電流：1A，過載能力：持續(xù)1.2倍、瞬時電壓2倍/1秒； C三相三線或者四線任意選擇；D實現(xiàn)電壓和電流相序檢測功能（2）準確度: 測量精度：1級。（3）功能選擇：A用按鍵選擇交流電壓、交流電流、有功功率、無功功率、頻率和功率因數(shù)等的測量與顯示；B有掉電存儲功能。1.2 發(fā)揮部分A利用按鍵實現(xiàn)密碼保護功能；B標準RS-485通訊來實現(xiàn)遠程測量，通信距離100米以上。C加入紅外通信，通信距離3米以上；D其它（例如擴展功能，提高性能等）2 方案設(shè)計與論證2.1 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計與論證方案一、使用DSP芯片TMS320LF

8、2407、ADC芯片和MCU為核心器件組成系統(tǒng)使用DSP芯片TMS320LF2407、ADC芯片和MCU為核心器件組成系統(tǒng)完成信號采集、處理和外部控制功能框圖如下，該系統(tǒng)具有處理速度快，精度高等優(yōu)點。但是DSP外圍電路復(fù)雜，且此方案成本高，所以我們放棄了此方案。圖1 方案一原理框圖方案二、使用MCU,用軟件來實現(xiàn)高速數(shù)字信號處理功能通過采樣電路對三相電取樣，將采樣信號輸入給MCU進行運算，由MCU對大量的采樣數(shù)據(jù)進行處理，得到電壓、電流、相位、功率因數(shù)等參數(shù)，然后將所得參數(shù)存入相應(yīng)寄存器，MCU做出相應(yīng)的控制,控制顯示裝置的輸出，通信單元的傳輸?shù)取７桨溉?、采用專用計量芯片ATT7028A實現(xiàn)數(shù)

9、字信號處理功能通過采樣電路對三相電取樣，將采樣信號輸入給專用計量芯片，通過計量芯片的部運算后，將所得參數(shù)存入其相應(yīng)寄存器，MCU通過相關(guān)接口將所需參數(shù)讀到MCU。MCU做出相應(yīng)的控制,控制顯示裝置的輸出，無線傳輸裝置的傳輸?shù)?。ATT7028A是一款國產(chǎn)的電能計量專用芯片。除A/D轉(zhuǎn)換部分，在芯片還集成了數(shù)據(jù)運算電路，可以大大節(jié)省測量系統(tǒng)主控MCU的工作負荷。該芯片通過軟件校正可將誤差校正到0.5級以，有效值測量誤差小于0.1，數(shù)據(jù)采集與處理時間大約為1/3 s。為了保證測量精度他的采樣頻率為3.2 kHz。此芯片的接口簡單，價格低廉，使用方便。方案論證：方案二優(yōu)點是不需要其它專門芯片，通過對單

10、片機編程，用軟件實現(xiàn)各個參數(shù)的測量。優(yōu)點是軟件編程靈活。缺點是由于大量的采樣和數(shù)據(jù)運算給MCU帶來很大的負擔，大大影響MCU處理其他問題的速度。方案三中采樣信號送給ATT7028A，ATT7028A可直接對采樣信號處理，測出有功功率、無功功率、頻率和功率因數(shù)等的測量，減輕了MCU的負荷。方案選擇：通過比較，可以看出方案三，提高了系統(tǒng)的速度，確保了精度，減輕了編程的工作量，電路簡單。所以選擇方案三。ATT7028A電能計量芯片IA和UA取樣IB和UB取樣IC和UC取樣單片機通信單元顯示單元按鍵圖2 系統(tǒng)總體方案框圖2.2 控制部分MCU的選擇方案一、采用傳統(tǒng)的的51單片機優(yōu)點:51單片機價格便宜

11、，應(yīng)用廣泛, 功能簡單，易于控制而且操作方便,技術(shù)比較成熟。無論是從部構(gòu)造還是編程方面，51系列單片機都相對簡單，容易掌握和使用。缺點:為了實現(xiàn)預(yù)存信息,必須外加具有掉電存儲功能的EEPROM,而且在執(zhí)行動態(tài)刷新的時候讀取EEPROM的速度慢，刷新頻率受到限制，而且51單片機工作速度慢，片資源不豐富，I/O口數(shù)量很少，需要通過硬件擴展I/O口。這使得使電路的硬件、軟件變得復(fù)非常復(fù)雜，同時復(fù)雜的外接電路會影響整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間，導(dǎo)致性能變差。 方案二、使用ATMEGA16單片機ATMEGA16單片機具有高速度、低功耗、豐富的片類資源的優(yōu)點，部含有AD 轉(zhuǎn)換器、EEPROM、摸擬比較器、帶有PWM

12、 功能的定時計數(shù)器等多種部資源；I/O 接口多且具有很強的驅(qū)動能力，灌電流可直接驅(qū)動繼電器、LED等器件，從而省去驅(qū)動電路，節(jié)約系統(tǒng)成本。方案論證：方案二中ATMEGA16單片機部含有EEPROM,省去了外接存儲器；I/O端口多且驅(qū)動能力強，芯片抗干擾能力強，省去了LCD的驅(qū)動電路；還具有功耗低，速度快等優(yōu)點。與方案一中的51單片機相比，我們選擇ATMEGA16單片機。方案選擇：通過比較，選擇方案二。2.3 取樣電路方案一、直接選用標準電阻取樣電壓取樣需要精密電阻串聯(lián)分壓，而且電阻阻值要大，以減小功耗，選380k和100R電阻串聯(lián)分壓，取出大約0.1v的信號送入ATT7028A,完成電壓信號取

13、樣。電流取樣用組織較小的精密電阻，串聯(lián)在電路中，取其兩端電壓，實現(xiàn)電流取樣。優(yōu)點是取樣電壓與電網(wǎng)電壓沒有相位差，電路簡單。缺點是有電能損耗。方案二、選用變送器直流電流變送器將被測信號變換成一電壓，經(jīng)HCNR200/201線性光耦直接變換成一個與被測信號成極好線性關(guān)系并且完全隔離的電壓，再經(jīng)恒壓（流）至輸出。具有原理非常簡單，線路設(shè)計精煉，可靠性高，安裝方便等優(yōu)點。變送器具有準確度高、線性度好、集成化程度高，結(jié)構(gòu)簡單，優(yōu)良的溫度特性和長期工作穩(wěn)定性等優(yōu)點。缺點是成本高。方案三、選用電壓互感器，電流互感器互感器直接從電網(wǎng)取樣，取出電壓信號和電流信號送入計量芯片ATT7028A。采用互感器的取樣電路

14、簡單、準確度高切莫互感器一次側(cè)和二次側(cè)沒有電的聯(lián)系，只有磁的聯(lián)系，從而保證了設(shè)備和人身的安全.。電流互感器把大電流按一定比例變?yōu)樾‰娏?，電壓互感器把通過220電阻，把電流轉(zhuǎn)化成電阻。實現(xiàn)電流與電壓的取樣。方案選擇：經(jīng)過比較，我們選擇方案三。2.4 顯示電路方案一：選擇四位八段LED數(shù)碼管顯示方案二：選擇1602液晶顯示方案比較：數(shù)碼管顯示不如液晶豐富，占用大量I/O口資源，達不到我們系統(tǒng)期望到達的顯示功能，所以我們選擇液晶顯示。2.5 遠程通信單元單元框圖如圖3所示。從機進入遠程模式，主機發(fā)送命令字給從機，從機接收命令字后，進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，完成后發(fā)送數(shù)據(jù)字給主機。主機接收，完成一次傳輸。無

15、線發(fā)送模塊用的是射頻芯片SI4432,中心頻率為430M。天線SI4432射頻芯片主機天線SI4432射頻芯片從機 圖3 無線通信單元框圖 2.6 按鍵電路按鍵與1uf電容并聯(lián)，實現(xiàn)防抖動功能。用兩片74LS148組成16線4線優(yōu)先編碼器。16路開關(guān)經(jīng)過編碼器進行編碼。1到16號按鍵開關(guān)分別對應(yīng)顯示三相電壓、顯示三相電流、顯示三相有功功率、顯示三相無功功率、顯示總有功功率、顯示總無功功率、顯示功率因數(shù)、顯示電網(wǎng)頻率顯示、顯示有功電能、顯示無功電能、密碼鎖定、密碼設(shè)定、遠程通信、軟件校準等功能。 詳細電路和按鍵功能表查看附錄6.3.2。2.7 軟件部分方案方案一、軟件編程根據(jù)順序流程圖根據(jù)順序流

16、程圖進行編程， 優(yōu)點是編程調(diào)理且編程方便。 方案二、軟件編程根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，程序提供了豐富的用戶界面，用戶開機時，通過初始界面可以進入密碼設(shè)置，從新設(shè)定密碼，設(shè)置完成返回初始界面。通過用戶初始界面可以選擇三相電壓、三相電流等測試數(shù)據(jù)的顯示，并通過按鍵返回初始界面，并且可以進入遠程控制并返回。即通過初始界面能進入人一個功能。 方案選擇；經(jīng)過對比，我們選擇方案二，程序具體框圖查看附錄6.4。3 理論分析與計算3.1 ATT7028A芯片介紹ATT7028A集成了六路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以與所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以與頻率測量的數(shù)字信號處理等電路，能

17、夠測量各相以與合相的有功功率、有功能量、各項電流電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)。具體款圖與引腳查看附錄6.2。3.2 電壓和電流有效值的測量如圖4，電壓采樣值通過高通濾波器，進行平方運算，經(jīng)過數(shù)字濾波器，在進行開平方運算，得到電壓有效值。電壓通道輸入1000mv到10mv的信號時的誤差小于0.5%。電流有效值的獲取同電壓有效值，ATT7028A通過對電流采樣值進行平方、開放以與數(shù)字濾波等一系列運算得到。電流通道輸入1000mv到2mv的信號時電流有效值的誤差小于0.5%。電壓取樣值高通濾波器數(shù)字濾波器開平方得到電壓有效值U電流取樣值高通濾波器數(shù)字濾波器開平方得到電流有效值I圖4 三相電

18、壓電壓、三相電流測量框圖3.3 三相有功功率、有功電能、無功功率、功率因數(shù)、無功電能等的計算各相有功功率是對去直流分量后的電壓電流信號進行乘法、加法運算，數(shù)字濾波等一系列數(shù)字信號處理后得到的。電流、電壓采樣數(shù)據(jù)中包含高達21次諧波信息。依據(jù)有功功率公式 得出各相有功功率、和?？傆泄β蕿椋簡蜗嘤泄﹄娔苡嬎愎剑?，可測出、。有功電能為：電壓有效值電流有效值高通濾波器高通濾波器相位校正能量計算功率計算有功電能有功功率功率增益校正圖5 有功電能有功功率測量框圖三相四線制中無功功率、有功功率、功率因數(shù)的計算總有功功率:總無功功率： 三相三線制中無功功率、有功功率、功率因數(shù)的計算總有功功率：總無功功率：

19、總無功電能：視在功率：,功率因數(shù)公式： 。為電壓與電流相位的差角，稱為阻抗角，也稱為功率因數(shù)角。3.4 相序的檢測三相電壓與三相電流的相序檢測可以按照先后過零點順序進行判斷，正確的電壓相序為A相電壓過零之后，B相電壓過零，然后才是C相電壓過零，否則錯序。但在三相三線模式下，電壓相序的檢測是按照A相電壓與C相電壓的夾角進行判斷的，當A相電壓與C相電壓的夾角在300度左右時，認為相序正常，否則錯序。3.5 互感器取樣電阻的選擇本方案所選擇的電壓互感器為2ma/2ma電流型電壓互感器，根據(jù)程序所設(shè)定基準，輸入電壓為220V時采樣電壓應(yīng)為0.1V，為保證系統(tǒng)的寬測量圍并考慮到互感器的線性區(qū)域，選擇1m

20、a作為基準采樣電流，因此電壓互感器輸入端電阻應(yīng)為:其額定功耗為P = I2 * R = 0.22 W故選擇220K 2W電阻作為輸入電阻。輸出采樣電阻: 選用電流互感器規(guī)格為5A/2.5ma,根據(jù)軟件設(shè)置輸入1A時采樣電壓應(yīng)為0.1V，故采樣電阻：4 測試方法與數(shù)據(jù)、測試結(jié)果與分析4.1 校表方法使用軟件自動校準，利用三相電能表較表。直接把ATT7028A的27腳（有功能量脈沖CF1）直接連到電能表上，然后根據(jù)標準電能表的誤差讀數(shù)對ATT7028A進行校正，ATT7028A只需對有功功率進行校正即可。開始校表參數(shù)設(shè)置A相校正B相校正C相校正結(jié)束功率增益校正角差校正電壓校正（額定電壓）電流校正（

21、額定電流）校正結(jié)束A相校正圖6校表流程 圖7 分相校表，A相校表流程4.2 測試儀器儀器型號備注DDS函數(shù)信號發(fā)生器TFG203030MHZ雙蹤示波器GOS-605150MHZ數(shù)字萬用表VC9804A+3位半數(shù)顯示三相電能表M31597 （10A、精度：0.5級） 三相調(diào)壓器三相調(diào)壓電烙鐵60W，做負載用三相自耦調(diào)壓器表1 測試儀器4.3 測試方法使用三相調(diào)壓器,可以調(diào)節(jié)三相電壓到100V/220V/380V,負載經(jīng)過電能表、三相調(diào)壓器接入三相電網(wǎng)。負載使用4把60W電烙鐵。三相四線模式下A、B、C相每相接一把60W電烙鐵，相電壓220交流電壓通電15分鐘計數(shù)一次，被測試表與標準電能

22、表同時接通在電路中,接通一小時,每隔0.25小時測一組數(shù)據(jù),取5組數(shù)據(jù)平均值,填入表2中。4.4 測試數(shù)據(jù)負載三把60W電烙鐵名稱測試表標準表A相電壓(V)217.2219.0A相電流(A)0.210.21A相有功功率(W)41.742.1A相無功功率(var)4.03.8總有功功率（W）)125.1125.9總無功功率(var)11.811.60.25小時總有功電能（kwh）31.3031.500.25小時總無功電能（varh ）2.932.90功率因數(shù)0.990.99電網(wǎng)頻率(HZ)51.251.5表2 測試數(shù)據(jù)4.5 對測試結(jié)果的分析根據(jù)數(shù)據(jù)的有功電能的精度為達到一級標準。無功電能的精度

23、為：1.7%，達到二級標準。由于時間有限，沒有測量感性和容性負載。從測試結(jié)果看，本系統(tǒng)已達到設(shè)計要求。誤差來源分析：一是取樣信號有偏差，即電流電壓互感器線不是理想互感器，性度不夠好，而且其取樣與電網(wǎng)電壓電流有偏角。二是標準電能表本身有誤差，精確度是由有誤差的電能表確定的。三是時間緊，測試組數(shù)少，沒有測容性負載和感性負載，不能更精確的確定被測電能表的各項性能。5 總結(jié)我們小組通力協(xié)作，團結(jié)互助，經(jīng)過緊的四天三夜的奮力拼搏，終于完成了多功能電表的制作。系統(tǒng)的功能與特點如下。5.1 基本功能本系統(tǒng)實現(xiàn)了通過按鍵對交流電壓、交流電流、有功功率、無功功率、頻率和功率因數(shù)等的測量與顯示；檢測電壓與電流的相

24、序；掉電存儲功能；相三線和三相四線任意選擇；所測量的電壓圍為0v至500v,電流圍為0A至2A.有功電能的精度達到了一級要求，測量的誤差是0.6%。5.2 發(fā)揮部分通過按鍵實現(xiàn)了密碼保護功能。通過使用MAX485電流環(huán)芯片，實現(xiàn)傳輸距離達1000米以上的長距離有線通信。加入了紅外通信模塊，可以實現(xiàn)紅外通信。5.3 功能擴展部分一是無線傳輸模塊，通過標準USART協(xié)議通訊，通訊距離達500米以上，用戶可選擇通過無線方式或RS-485有線通信標準進行長距離（>=600M）控制并讀取用電參數(shù)。二是程序提供了豐富的用戶界面，用戶開機時，系統(tǒng)自動檢測相序是否正確，不正確提示用戶調(diào)整相序，正確進入密

25、碼輸入，密碼輸入正確則進入用戶初始界面，通過初始界面可以進入密碼設(shè)置，從新設(shè)定密碼，設(shè)置完成返回初始界面。通過用戶初始界面可以選擇三相電壓、三相電流等測試數(shù)據(jù)的顯示，并且可以進入遠程控制。5.4 比賽總結(jié)比賽四天三夜，時間緊，在選題和方案設(shè)計之中我們沒遇到什么困難，整體思路簡單而又清晰，但在實際制作過程中，遇到了很多困難。在電壓電流取樣的選擇上猶豫不決，最后經(jīng)過方案比較，綜合分析拿定了方案；在芯片焊接上，ATT7028A管腳小而密集，給焊接帶來了困難；在鍵盤制作上，開始鍵盤的防抖效果不好，最后采取1uf電容與按鍵并聯(lián)的方式來防抖動。困難我們一一克服，當我們看到電表能正確運行，我們心中充滿了自信

26、與喜悅。拼搏精神、團隊精神對我們一生都是一筆寶貴的財富。在以后的日子里，我們會更加努力地提高自己、充實自己，繼續(xù)在電子設(shè)計的海洋里繼續(xù)遨游，追求它給予我們的無限激情。 6 附錄6.1 參考文獻【1】 海波，王卓然，耿德根，深入淺出AVR單片機，：中國電力，2008?！?】 袁小平，電子技術(shù)綜合設(shè)計教程，：機械工業(yè)，2008?！?】 增煌，電工學(xué)簡明教程，：高等教育，2007.6【4】 何小艇，電子系統(tǒng)設(shè)計，：大學(xué)，2006?！?】 瀚蓀，電路分析基礎(chǔ)（第4版），：高等教育，2006【6】 閻石數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)：高等教育，2004年。6.2 ATT7028A外部引腳圖與部框圖圖8 ATT7028

27、A引腳圖圖9 ATT7028A部框圖6.3 主要元件清單元件 備注 ATMEGA16單片機 ATT7028A計量芯片專門計量芯片 電流型電壓互感器 2mA2mA 電流互感器 5A2.5mA1602液晶 MAX485 芯片收發(fā)器 無線收發(fā)模塊 紅外收發(fā)模塊6.4 電路圖6.4.1 5v電源圖106.4.2 按鍵功能對應(yīng)表與鍵盤簡略電路圖按鍵號功能按鍵號功能1數(shù)字1/三相電壓9數(shù)字9/有功電能2數(shù)字2/三相電流10數(shù)字10/無功電能3數(shù)字3/三相有功功率11密碼鎖定4數(shù)字4/三相無功功率12密碼設(shè)定5數(shù)字5/總有功功率13遠程通信6數(shù)字6/總無功功率14軟件校表7數(shù)字7/功率因數(shù)15空8數(shù)字8/電網(wǎng)頻率16空圖 11 鍵盤電路（其余十二個按鍵省略）6.4.3 ATMEGA16單片機外圍電路 圖12 單片機外圍電路6.4.4 ATT7028A外圍電路圖圖13 計量芯片外圍電路6.4.5 電流互感器與電壓互感器電路圖圖13 互感器連接電路圖6.5 程序框圖與部分程序6.5.1 框圖初始化ATT7028A測試相序相序不正確提示調(diào)整相序相序正確進入密碼輸入界