毕业论文 三相电参数测量仪的软件设计Word文档下载推荐.docx

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HuangMengtao（Signature）

ABSTRACT

ThissystemusingakindofelectricpowermeasureATT7022Cchip,combinedwithDS1302realclockchipandLCD12864LCDmodule,throughtheSTC89C54RD+MCUcontrol,concreteresearchanddesignathree-phaseelectricparametersmeasurementinstrument.

Comparedwiththetraditionalmeasuringapparatus,theparametersofthethree-phaseithashighaccuracy,reliability,powerfulandintelligent,andmanyotheradvantages.Themeasurementinstrumentcanreal-timeandaccuratemeasuringvoltage,currentRMS,RMSpowerfactor,activepower,reactivepower,electricity,power,activeandinstalledreactivepower,frequencyandphaseAngleoftheparametersofthethreephase.Themeasuringparametersvaluecanthroughthebuttoncontrolswitchinreal-timedisplayontheLCDpanel.Inaddition,themeasuringinstrumentcanalsobedisplayedontheLCDpanelyear,month,date,week,when,minutesandseconds,andcanatanytimethroughthekeyssetatime.

Researchinganddesignsuchinstrumentscanreduceelectricityresourcewasteofenterprise,factoriesandfamily,protecttheenvironment,soastorealizeenvironmentalfriendlysociety.

KEYWORDS:

three-phaseelectricalparameters,intelligentinstrument,ATT7022C,STC89C54RD+

THESIS:

applicationresearch

1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%；

0.2 

S级三相基波表，具有分相的2—50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，160M 

IPS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=Urms×

Irms（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0°

~360°

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

3.1ATT7022C电能计量芯片

3.1.1芯片简介

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。

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5V±

5%。

片内还集成了6路16位的ADC，采用双端差分信号输入。

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3.1ATT7022C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3.2ATT7022C的外部封装

引脚说明

表3.1ATT7022C的管脚说明

引脚

标识

特性

功能描述

1

RESET

输入

ATT7022C复位管脚低电平有效内部有47K上拉电阻

2

SIG

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

3,4

V1P/

V