电量测量仪表的设计与实现本科毕业设计.docx
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电量测量仪表的设计与实现本科毕业设计
Standardizationofsanygroup#QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#
电量测量仪表的设计与实现本科毕业设计
电量测量仪表的设计与实现
摘要
随着电力系统的快速发展,电网容量不断增大,结构日趋复杂,电力系统中实时监控,调度的自动化显得尤为重要,而电力参数的数据采集又是实现自动化的重要环节,如何快速准确地采集系统中各元件的电参数（电压,电流,功率,功率因数等）是实现电力系统自动化的一个重要因素。
本文介绍了一种三相多功能电量测量系统设计方案。
该方案以AT89C51单片机为处理器，利用多功能芯片ADE7878对交流信号采样和计算，可实时测量并显示三相电压、三相电流、功率及功率因数，具体描述了ADE7878芯片的性能和内部工作原理，着重介绍了系统的软件设计。
关键词：
单片机电量测量ADE7878
DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFELECTRICITYMEASURINGINSTRUMENTS
Abstract
Withtherapiddevelopmentofpowersystem,powergridcapacityisincreasing,andthestructureisbecomingmorecomplex,real-timemonitoringandschedulingofpowersystemautomationisparticularlyimportant,andthedateacquisitionofpowerparametersisanimportantpartofautomated,howtoquicklyandaccuratelycapturetheelectricalparameters（voltage,current,power,powerfactor,etc）ofvariouscomponentsofthesystemisanimportantfactorforpowersystemautomation.
Thisarticledescribesthedesignofamultifunctionalthree-phasepowermeasurementsystem.theprogramusetheAT89C52microcontrollerastheprocessor,andusethemulti-functionalchipADE7878tosamplingandcalculationtheACsignal,itcanreal-timemeasurementanddisplaythethree-phasevoltage,three-phasecurrent,powerandpowerfactor.SpecificallydescribestheperformanceandtheinternalworkingprincipleofADE7878chip,focusesonthesoftwaredesignofthesystem.
KEYWORDSmicrocontrollermeasurementofelectricityADE7878
1绪论
背景及意义
随着中国的社会用电量迅速增长，全国特高压电网建设，百万千瓦级发电机并网，家居网络化进程，以及电网经营管理改进和计量新技术应用等要素，电能表市场发展迅猛，中国目前已成为世界电能计量行业最具有活力的市场。
掌握各种配网参数（如电压、电流、功率、频率谐波分量等）,对了解配电网的运行状况至关重要。
这就要求不断改进对电源系统的监控。
电源的适当管理与分配对工业领域的节能与总体电源利用情况非常重要。
在制定决策和确保适当保护输电网与最终用户时，能够准确的测量电源的电压电流有效值和功率尤为重要。
而要测量这些值就需要电参量测量仪。
测量仪表的发展状况
电参量测量仪是一种测量电压、电流、功率等参数的仪器，电参量测仪表的发展经历了三个阶段。
第一代是指针式仪表，如模拟万用表、电压表、电流表，这些仪表的基本结构是电磁式、电动式、感应式、静电式等，由于这类仪表本身的机械结构和电磁结构的不稳定性及复杂性，一般精度较低，稳定性较差，应用场合有一定的局限性。
但由于它的原理简单、坚固耐用、容易生产、成本低，因而还在广泛使用。
第二代是数字测量仪表，这类仪表的基本原理是将被测量模拟信号转变为数字信号，进行计算并显示出来。
这类仪器同指针式仪器相比较精度有了很大的提高，能直观读取测量结果，而且可靠性高，易于使用。
但电子线路比较复杂，不能自动适应测量环境的变化，而且仪器的校准复杂。
第三代是智能仪器。
所谓智能仪器，一般指含有微处理器的仪器，通过微处理器来控制数据的采集，并对数据进行处理。
因此能够用软件的方法实现信息的采集、处理和存储，大大简化了仪器的整体结构。
这类仪器的硬件基础是采集技术和输入输出技术，而软件基础在于采样数据的处理方法。
同传统仪器相比较，其有如下特点：
（1）测量过程的软件控制
计算机软件进入仪器，可以替代大量的逻辑电路。
仪器在CPU的指挥下，按照软件流程不断寻址、取指、进行各种转换、逻辑判断，驱动某一执行单元完成某一操作，使仪器的工作按照一定顺序进行下去，可以实现测量过程的高度自动化。
另外，软件控制也带来了很大的方便，当需要改变仪器功能时，只要改变程序即可，并不需要改变硬件结构。
（2）测量数据的处理
对测量数据进行存储和运算的数据处理功能是智能仪器最突出的特点，它表现在改善测量的精确度及对测量结果的再加工两个方面。
在测量精确度方面，大量的工作是对随机误差和系统误差进行处理。
过去传统的方法是用手工的方法对测量结果进行事后处理，工作量大，效率低，而且往往会受到主观因素的影响，使处理结果不理想。
智能仪器中用软件对测量结果进行及时的、在线的处理可以收到很好的效果，不仅方便、快速，而且可以避免主观因素的影响，使测量的精确度及处理结果的质量大大提高。
由于可以实现各种算法，不仅可以实现误差的计算及补偿，而且对仪器中的非线性校准等问题也易于解决。
对测量结果的再加工，可以使智能仪器提供更多高质量的信息。
（3）仪器的多功能化
智能仪器的软件控制测量过程及数据处理功能使得测量过程中采集的数据，可由具备不同测量功能的软件模块共享，一机多用的多功能化易于实现，这是智能仪器的又一特点。
（4）仪器有联网功能
智能仪器可以通过标准的接口和上位机通信，接收上位机的指令进行相应的动作，响应请求把数据传至上位机。
这样，多台智能仪器可以形成一个复杂的测量系统，可以方便地实现远程自动化测量。
（5）仪器具有自校正、自诊断功能
智能仪器有自动校正零点、满度和量程切换功能，大大降低了因仪器零漂和特性变化造成的误差，同时可以提高读数的分辨率。
另外，智能仪器在运行开始或运行过程中，可以对自身各部分进行一系列测试，一旦发现故障就可以报警，并给出相应的故障位置，给系统维护提供很大的方便。
电量检测仪发展现状
随着微电子技术和超大规模集成电路的迅速发展，电量测量仪表由传统的基于常规电子线路的仪器仪表发展为基于各种微处理器、微控制器的智能化测量控制仪表。
利用嵌入式软件协调内部操作，使仪表具有智能的功能，在完成输入信号的非线性、温度与压力的补偿、量程刻度标尺的变换、零点错误、故障诊断等基础上，还可完成对工业过程的控制，使控制系统的功能进一步分散。
嵌入式系统可以针对特定的自动化仪表的要求，合理剪裁软硬件，实现高集成度、低冗余、小型化。
近年来智能仪器己开始从较为成熟的数据处理向知识处理发展，体现为模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器融合、机件寿命预测等，使智能仪器的功能向更高的层次发展。
而网络时代的来临使许多电子设备需要联网和更智能化、更强的计算能力。
随着微电子技术的进步，各种集成芯片电路都朝超大规模、全CMOS的方向发展。
COMS电路具有功耗低、工作温度范围宽的特点，近年来采用“硅门”技术取代了原来的“金属门"技术。
目前已经出现了大许多超规模的CMOS集成新型单片机，芯片的制造成本大大降低，而功能却大大增强，内部集成了许多的功能部件，如片内AD转换器、片内看门狗电路、片内脉宽调制器、芯片串行总线等，从而使用户有更大的选择。
随着数字信号处理器（DSP）的广泛应用和多种电测专用集成芯片的成功开发，将第三代电测仪表的发展推向了高潮。
系统设计要求
本文介绍了一种三相多功能电量测量系统设计方案。
该方案以AT89C51单片机为处理器，利用多功能芯片ADE7878对交流信号采样和计算，可实时测量并显示三相电压、三相电流、功率及功率因数。
本文的设计要求：
电压测量范围单相或三相0～300V
电流测量范围0-60A
频率测量范围45-65Hz
功率因数测量范围感性0-1容性0-1
精度：
±（%读数+%量程+1字）
液晶显示各个量，可通过键盘切换。
2测量原理及方法
测量芯片ADE7878简介
ADE7878是ADI公司为三相电能表研制的专用芯片，它具有两个可编程增益放大器、7个24位Σ-ΔADC、数字积分器、数字滤波器、参考电路、有效值与功率信号处理模块和SPI,I2C接口等组件。
ADE7758可对有功功率、无功功率、视在功率、电压有效值和电流有效值进行计量,并对波形进行采样,带有对应三个相位的数字功率校准寄存器、相位校准寄存器和失调校准寄存器,寄存器可以通过串行接口进行调节,并可速校准外部元器件引起的误差。
其模拟前端带有片内相位补偿电路,能够直接与电流互感器（CT）相连。
ADE7878与三线制和四线制配电系统兼容。
它通过外部单片机进行数字计算，可得出电网的全部电量参数。
它体积小、动态范围可达1000∶1,它具有数字积分、数字滤波和实用电能监测、计量等功能。
ADE7878可做到全电子化,有利于提高性能、降低成本;还可以利用现有的电话线、专线、高频无线电调制解调器、光缆、低压配电线载波等技术手段完成自动抄读表、分时电价、实时电价、多功能计量、预付费等扩充应用功能,使电能计量具有高精度、高可靠性、免维护和双向通信等特点。
电压电流测量原理
2.2.1模拟输入
ADE7878具有七个模拟输入，这些输入构成电流和电压通道。
四对电流通道采用全差分输入方式：
IAP和IAN、IBP和IBN、ICP和ICN，以及INP和INN。
允许的最大差分输入电压为±V。
此外，IxP/IxN对模拟输入上的最大信号电平相对于AGND不得大于±V。
这些输入上容许的最大共模信号为±25mV。
图1显示了电流通道输入电压范围及其与最大共模电压的关系。
图1最大输入电平，电流通道（增益=1）
所有输入均具有一个可编程增益放大器（PGA），可选增益为1、2、4、8或16。
IA、IB和IC输入的增益是由GAIN寄存器的位[5:
3]（PGA2[2:
0]）来设置的；因此，可以选用与IA、IB或IC输入不同的增益。
三个电压通道采用单端电压输入方式：
VAP、VBP和VCP。
这些单端输入端相对于VN的最大输入电压为±V。
此外，VxP和VN模拟输入相对于AGND的的最大信号电平为±V。
这些输入上容许的最大共模信号为±25mV。
图2显示了电压通道输入范围及其与最大共模电压的关系。
图2最大输入电平，电压通道（增益=1）
所有输入均具有一个可编程增益，可选增益为1、2、4、8或16。
使用GAIN寄存器中的位[8:
6]（PGA3[2:
0]）设置该增益。
图3显示了电流和电压通道中GAIN寄存器的增益选择工作原理。
图3电压和电流通道中的PGA
2.2.2模数转换
ADE7868/ADE7878具有七个Σ-Δ型模数转换器（ADC），在PSM0模式下，所有ADC都处于活动状态。
在PSM1模式下，只有用于测量A相、B相和C相电流的ADC处于活动状态。
用于测量零线电流和A、B及C相电压的ADC则处于关闭状态。
PSM2和PSM3模式下会关断ADC，以将功耗降至最低。
图4显示的是一阶Σ-Δ型ADC框图。
该转换器由Σ-Δ型调制器和数字低通滤波器组成。
图4一阶Σ-Δ型ADC
Σ-Δ型调制器以一定的速率将输入信号转换成由1和0构成的连续串行流，其中速率由采样时钟决定。
在ADE7878中，采样时钟等于MHz（CLKIN/16）。
接着，通过该串行数据流驱动反馈环路中的1位DAC，然后从输入信号中减去DAC输出。
如果环路增益足够大，DAC输出的平均值（及位流）可以接近输入信号电平的平均值。
对于单个采样间隔内的任意指定输入值，1位ADC的输出数据几乎没有意义。
只有对大量样本求平均值，才可以获得有意义的结果。
这一求平均值操作是由该ADC的第二部分（即数字低通滤波器）来执行的。
通过对来自调制器的多个位求平均值，低通滤波器可以产生与输入信号电平成正比的24位数字当输入为满量程输入信号V且内部基准电压为V时，ADC输出码的标称值为5,928,256（0x5A7540）。
有功功率测量原理
功率定义为电能从电源流向负载的速率，并通过产生电压和电流波形来表示。
所得波形称为瞬时功率信号，并等于每一瞬间的电能流动速率。
功率的单位为瓦或焦耳/秒。
如果交流系统的电源电压为v（t）、电流为i（t），且两者都包含谐波，则
（1）
（2）
其中：
Vk和Ik分别是各谐波的电压和电流有效值。
φk和γk分别是各谐波的相位延迟。
交流系统中的瞬时功率为：
（3）
总有功功率等于公式3中瞬时功率信号p（t）的直流成分，即：
（4）
图5显示了ADE78xx如何计算各相上的总有功功率。
首先，器件将各相上的电流和电压信号相乘。
接着，器件利用低通滤波器提取各相（A、B和C）上瞬时功率信号的直流成分。
图5总有功功率数据路径
功率因数测量原理
在交流电路中，电压与电流之间的相位差（Φ）的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S。
上边已经介绍过有功功率的测量方法，下边介绍视在功率的测量原理。
2.4.1视在功率计算
视在功率定义为最大负载功率。
获取视在功率的一种方法是将电压有效值乘以电流有效值（也称为算术视在功率）。
（5）
其中：
S为视在功率。
Vrms和Irms分别是电压和电流有效值。
ADE7878可以计算各相上的算术视在功率。
图6显示了ADE7878上各相计算视在功率时的信号处理。
由于Vrms和Irms包含所有谐波信息，因此ADE7878计算的视在功率为总视在功率。
图6视在功率数据流和视在电能累积
ADE7878将瞬时分相视在功率存储在AVA、BVA和CVA寄存器中。
表达式如下：
（6）
其中：
U和I分别是相电压和电流的有效值。
UFS和IFS分别为ADC输入为满量程时相电压和电流的有效值。
PMAX=33,516,139，即ADC输入为满量程且位于相内时计算出的瞬时功率。
3系统硬件电路设计
系统方案
多功能电能测量仪由测量、显示、控制、接口和电源等部分组成,如图7所示。
测量部分由精密小型互感器及前置信号处理电路构成,从中获取电压、电流、频率、相位等多种实时数据。
显示部分采用高品质的12864液晶显示模块,每屏可以显示8×4个汉字（16×16）或128×64个像素的图形。
控制部分以AT89C51单片机为核心,配以多功能电测量芯片ADE7878,两个芯片的接口部分采用I2C接口实现数据传输。
图7系统结构框图
电压电流采样电路
电压通道具有三路单端电压输入通道，分别为VAP，VBP和VCP。
这些单电压输入端的最大输入电压变化范围为±。
根据推荐额定电压Un时电压通道输入信号为250mV左右，此次设计的电表额定电压为220V，220V的电压给电阻分半成110V,即VA处额定电压为110V。
后续电压通道用用4个330KΩ电阻和一个3KΩ电阻分压，加额定电压Un时输入信号为249mV。
传统的直流采样存在测量精度低、实时性差、高次谐波参数无法测量等缺点，本文采用交流采样技术，选择差分输入电路。
电流采样选用高精度的电流互感器，CT参数为（6）A／mA，40Ω负载、精度为级，采样为2个Ω电阻串联，加最大电流6A时输入信号为306mV。
电流采样电路中，输入电阻阻值为1kΩ，滤波电容为33nF。
电流取样设计基本可以满足至少4倍额定电流的范围。
图8为电压电流输入前置通道。
图8电流输入前置通道
ADE7878与单片机接口电路
ADE7878提供了三个串行端口接口：
一个获得完整许可的I2C接口、一个串行外设接口（SPI）和一个高速数据采集端口（HSDC）。
本设计选用I2C接口。
I2C总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。
是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。
它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。
它的主要特点有：
1、它只要求两条总线线路：
一条串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL；
2、每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主机/从机关系软件设定地址，主机可以作为主机发送器或主机接收器；
3、它是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时初始化，数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏；
4、串行的8位双向数据位传输速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达s；
5、连接到相同总线的IC数量只受到总线的最大电容400pF限制。
由于AT89C51没有I2C接口，通常用软件来实现I2C总线上的信号模拟。
此次，用通用IO口和分别模拟数据线和时钟线。
ADE7878本身提供的有I2C接口。
单片机和ADE7878连接图如图9所示：
图9I2C接口连接
键盘与显示电路
按键电路与单片机的接口如图10所示。
本文的设计要求是要显示电压，电流，功率，功率因数四个量，它们的切换用四个按键来表示，按键S1若按下会显示电压，同样，S2是电流的显示键，S3是功率的按键，S4代表功率因数。
没有按下时是高电平，按下后变低，可用程序检测P3口对应引脚的电平而得出相应的按键情况，即而执行相应的程序，显示相应的电参量。
显示部分：
由于系统要求显示三相的电压电流及功率等，所以采用LCD12864。
LCD12864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128×64,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8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显着特点。
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。
基本特性:
●低电源电压（VDD:
++）
●显示分辨率:
128×64点
●内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字（简繁体可选）
●内置128个16×8点阵字符
●2MHZ时钟频率
●显示方式：
STN、半透、正显
●驱动方式：
1/32DUTY，1/5BIAS
●视角方向：
6点
●背光方式：
侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5—1/10
●通讯方式：
串行、并口可选
●内置DC-DC转换电路，无需外加负压
●无需片选信号，简化软件设计
●工作温度:
0℃-+55℃,存储温度:
-20℃-+60℃
液晶的某些控制引脚的功能如表1所示。
各控制引脚及数据引脚均与相应的单片机的IO口相连，如图10所示。
表1
管脚号
管脚名称
电平
管脚功能描述
1
VSS
0V
电源地
2
VCC
+5V
电源正
3
V0
-
对比度（亮度）调整
4
RS（CS）
H/L
RS=“H”,表示DB7——DB0为显示数据
RS=“L”,表示DB7——DB0为显示指令数据
5
R/W（SID）
H/L
R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7——DB0
R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的数据被写到IR或DR
6
E（SCLK）
H/L
使能信号
7
DB0-DB7
H/L
三态数据线
8
PSB
H/L
H：
8位或4位并口方式，L：
串口方式
9
NC
-
空脚
10
/RESET
H/L
复位端，低电平有效
11
VOUT
-
LCD驱动电压输出端
12
A
VDD
背光源正端（+5V）
13
K
VSS
背光源负端
图10键盘和液晶与单片机的连接电路
芯片电源电路
此次设计有两个芯片需要用到直流稳压电源，ADE7878是供电，AT89C51采用5V供电，此次的电源设计部分通过开关电源+稳压器组成，由变压器、整流桥（或二极管）、滤波和稳压器组成。
图11为电源电路。
图11系统电源电路
其中，变压器部分改变输入的交流电压后送入整流电路，在直流稳压电源中使用桥式整流电路，利用二极管的单项导电特性，将方向变化的交流电整流为直流电。
交流电经过整流后得到的是脉动直流，这样的直流电源由于所含交流纹波很大，不能直接用作电子电路的电源。
滤波电路可以大大降低这种交流纹波成份，让整流后的电压波形变得比较平滑。
所以使用电容滤波电路，利用电容的充放电原理来达到滤波的作用。
其后的稳压电路作用是当交流电网电压波动或负载变化时，保证输出直流电压的稳定，此次设计用到两个稳压芯片LM7805和LM1085。
它们最大的特点是稳压性能良好，外围元件简单，安装调试方便，价格低廉，现已成为继承稳压器的主流产品。
4系统软件设计与实现
系统总体流程
系统软件利用C语言进行编程，开发环境采用KeiluVision，它是是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。
系统的软件设计总体思路是系统上电后，先初始化液晶与测电量芯片ADE7878,然后一直调用键盘扫描程序，根据得到的键值结果不同而读取芯片内对应的寄存器，进行数据运算后，送与液晶显示。
系统软件流程图如图12所示。
图12系统软件流程图
按键扫描程序
本设计中采用四个按键，分别接到P3口的不同接口，没有键按下时全为高电平，当某一个键按下，则相应位变低，通过读取的P3口的不同值判断哪个键按下而返回不同的值。
程序流程图如图13所示。
键值处理：
当S1按下则返回1，则读取ADE7878电压寄存器的值，然后处理，以供显示用；当S2按下则返回2，则读取ADE7878电流寄存器的值；S3按下返回3，则通过直接读取ADE7878功率寄存器的值；S4按下返回4，则显示功率因数，功率因数则需要读取有功功率与视在功率的值，然后做除运算，然后经过二进制转十进制处理及相应倍数运算，以使显示的电参量正确。
处理程序流程图如图14所示。
图13键盘扫描程序流程图
图14键值处理流程图
I2C读写程序
读写芯片寄存器程序的关键是数据格式，本
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