1、中文摘要隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，電能消耗日益增加，電能成為現(xiàn)代社會國民經(jīng)濟和人民生活的重要保障。本文所設(shè)計的新型多功能電子式電能表除了提高計量精確度外還實現(xiàn)了分時計量、對異常情況進行實時監(jiān)控并記錄事件等功能；可提高電能的合理利用，為用戶提供公正、公平的用電環(huán)境。論文首先綜述了多功能電子式電能表的發(fā)展現(xiàn)狀及電能測量的基本原理，然后給出了系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)和總體方案，并按功能進行了各個硬件電路單元的設(shè)計，包括電源單元、計量單元、功能管理單元、顯示單元、通信接口單元等。在軟件設(shè)計方面，采用模塊化軟件設(shè)計方法實現(xiàn)了有功和無功的能量分時計量、RS485通訊、紅外通訊、按鍵顯示、異常檢測及記錄等功能。文中對三

2、相電能表的抗干擾設(shè)計也有很詳細的介紹。 本三相多功能電子式電能表具有運行穩(wěn)定、可靠性高、通用性好和抗干擾能力強等優(yōu)點，適應(yīng)電表市場的需求。關(guān)鍵詞 電能計量 多功能電子式電能表 復(fù)費率 ATT7022B 時鐘芯片Title The design of the three-phase multi-function meter AbstractWith the rapid development of economy of our country and gradual increment of power onsumption, electrical energy becomes the sign

3、ificant guarantee of national economy and peoples life in modern society. Late-model polarity formula multifunction watt-hour meter, which designed in this paper, improves the measuring accuracy and realizes functions of time-sharing measurement real-time monitor exceptional situation and take event

4、 records and so on. This will improve the completely utilization of electrical energy, prevents happening of using electricity illegally, and provides fair and impartial environment of using electricity.At first, this paper summarizes the present developing state of multi-function electronic watt-ho

5、ur meter and the basic theory of energy measurement, after that, it put out the design objection and whole frame of this metering System. And the circuit design of each unit with the function divided, including power unit, measure unit, communication unit etc .The soft design of the system is the pr

6、iority of this paper, utilize modularization method to realize active power, reactive power, RS485 communication, infrared communication, keyboard and display, anomaly detection, electricity reading meter and so on. The EMC design and meter adjust method have also been discussed. This Late-model mul

7、ti-function electronic watt-hour meter has the excellence of run stability, high reliability, good commonality and strong ability of anti-jamming, etc .Its fit in with the market demand of the watt-hour meter.Keywords energy metering Multi-function electronic watt-hour meter ATT7022B multi-rate real

8、-time clock目 錄第1章 緒論51.1 本課題研究背景51.2 電能表的發(fā)展及現(xiàn)狀51.2.1 感應(yīng)式電表（機械表）51.2.2 機電一體式電能表61.2.3 全電子式電能表61.2.4 多功能電能表現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢61.3 課題研究目的和意義71.4 本文的主要研究內(nèi)容8第2章 電能測量原理92.1 三相電路接線方式92.2 電能測量原理102.3 三相有功電能的計量112.4 電子式電能表的測量原理122.4.1 模擬乘法器132.4.2 數(shù)字乘法器142.5 本系統(tǒng)采用的測量方法14第3章 硬件設(shè)計163.1 硬件總體方案163.2 主控芯片及其外圍電路17173.2.2 時鐘振

9、蕩電路183.2.3 單片機監(jiān)控電路183.3 電量信號采集和預(yù)處理203.3.1 ATT7022B芯片介紹203.3.2 電壓電流采樣電路223.3.3 ATT7022B與單片機的接口243.4 存儲器單元253.5 通信模塊設(shè)計263.5.1 RS-485通信接口263.5.2 紅外通信模塊283.6 實時時鐘電路303.6.1 時鐘芯片DS1302303.7 人機接口模塊設(shè)計313.7.1 鍵盤輸入313.7.2 LED顯示323.8 電源單元333.8.1 電源設(shè)計原理及圖形333.8.2 器件選擇353.9 繼電器驅(qū)動單元36第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計384.1 開發(fā)環(huán)境384.2 主程序

10、流程圖384.3 程序模塊化設(shè)計394.3.1 上電初始化模塊394.3.2 通訊模塊404.3.3 顯示、鍵盤模塊444.3.4 電能計算部分軟件設(shè)計454.3.5 費率轉(zhuǎn)換部分設(shè)計46第5章 結(jié)論與展望485.1 論文總結(jié)485.2 本文的不足及課題展望48致謝50參考文獻51附錄53第1章 緒論1.1 本課題研究背景電能是最重要的能源，在現(xiàn)代社會中電能己廣泛應(yīng)用到社會生產(chǎn)的各個領(lǐng)域和社會生活的各個方面。電能表是當(dāng)前電能計量和經(jīng)濟結(jié)算的主要工具，它的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到國家與用戶的經(jīng)濟利益。感應(yīng)式電能表作為一種傳統(tǒng)的電能表，在電能計量工作中發(fā)揮了極大的作用。但隨著電力逐步走向市場，用電營銷對

11、電能計量工作提出了更高的要求，電能表要承擔(dān)的功能越來越多，如在電力系統(tǒng)中，為引導(dǎo)用戶更為有效、合理利用電能，避免尖峰負(fù)荷的出現(xiàn)，提高系統(tǒng)的負(fù)荷率，對用戶實行分時計量；為對電能計量裝置進行在線監(jiān)測、遠方遙控，需對電能表進行遠方通信等。同時，隨著社會的發(fā)展，交易的電量越來越大，供、用雙方對自身的權(quán)益也越來越關(guān)心，這就對電能計量表的準(zhǔn)確度等級提出了更高的要求。普通感應(yīng)式電能表受其結(jié)構(gòu)和原理上的制約，要進一步提高準(zhǔn)確度和拓展其功能已很困難。同時，微電子技術(shù)和單片機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展和普及，為電能表多功能高精度的實現(xiàn)創(chuàng)造了有利條件，電子式電能表得以出現(xiàn)并得到了飛速發(fā)展。近年來，高準(zhǔn)確度、高可靠性的元器件以及

12、大規(guī)模集成電路技術(shù)等應(yīng)用于電子式電能表的開發(fā)與生產(chǎn)，使電子式電能表壽命提高、功能多種多樣，其市場所占比重正在快速加大，這其中電卡式預(yù)付費電子式電能表、單相/三相電子式多功能電能表將是主要需求目標(biāo)，并逐步使供用電管理的微機化和自動化成為現(xiàn)實。本文正是基于這樣的背景下進行的，設(shè)計基于ATT7022B的三相多功能電能表。1.2 電能表的發(fā)展及現(xiàn)狀1.2.1 感應(yīng)式電表（機械表）自從1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律以來，人們就不斷的探索使用和測量電能。電能表作為測量電能的專用儀表，至今已有100多年的歷史。1880年美國人愛迪生研制成功世界上最早的電能表，是基于電解原理的直流電能表。隨著交流電的出現(xiàn)和

13、使用，1888年意大利物理學(xué)家費拉里斯提出了將旋轉(zhuǎn)磁場理論用于交流電能測量的觀點; 1889年，匈牙利崗茲公司的布勒泰制成了第一臺交流感應(yīng)式電能表。最早出現(xiàn)的電能表是根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場理論制作的感應(yīng)式電能表，其核心是電磁線圈和轉(zhuǎn)動部件，經(jīng)過一百多年的不斷改進和完善，感應(yīng)式電能表的制造技術(shù)也已相當(dāng)成熟。目前普遍使用的感應(yīng)式電能表是根據(jù)交變磁場中金屬圓盤的感應(yīng)電流與有關(guān)的磁場形成力的原理制成的，即利用金屬鋁轉(zhuǎn)盤中感應(yīng)的電流與通有交流電流的固定線圈的磁場相互作用，產(chǎn)生驅(qū)動力矩驅(qū)動鋁盤旋轉(zhuǎn)，累計消耗的電能。感應(yīng)式電能表具有制造簡單、操作安全、維修方便、可靠性好和價格低廉等特點，因此，至今在包括我國的許多發(fā)展

14、中國家甚至是一些發(fā)達國家里，感應(yīng)式電能表仍作為一種計量工頻電能的儀表被廣泛使用。1.2.2 機電一體式電能表隨著電能開發(fā)及利用的加快，對電能管理和電能表性能提出了更高的要求。電力系統(tǒng)的不斷擴大以及對電能合理利用的探索，使感應(yīng)系電能表逐漸暴露出準(zhǔn)確度低、適用頻率范圍窄和功能單一等缺點。感應(yīng)式電能表由于受其原理和結(jié)構(gòu)等因素的制約，要對它進行較大的改進是很困難的?；谖㈦娮蛹夹g(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，人們開發(fā)出了基于感應(yīng)電能表的機電一體式電能表，這種電能表是利用感應(yīng)系電能表的測量機構(gòu)作為工作元件，使用光電傳感器完成電能脈沖的采集，經(jīng)微處理器處理后，對電能脈沖進行計量，從而實現(xiàn)對電能的數(shù)字化測量。這種

15、電能表的顯著特點是感應(yīng)式測量機構(gòu)配以脈沖發(fā)生裝置，因此也被稱為感應(yīng)式脈沖電能表或機電脈沖式電能表。這種電能表和機械禍合式多費率電能表都是感應(yīng)式電能表向全電子式電能表過渡過程中的電能計量品種，它們對分時電價、需量電價制度的實施起了積極的推動作用。1.2.3 全電子式電能表機電脈沖式電能表采用感應(yīng)式測量機構(gòu)測量電壓電流，決定了它同樣具有感應(yīng)式電能表準(zhǔn)確度低、適用頻率范圍窄等缺點。電子式電能計量方案使用乘法器實現(xiàn)功率和電能的測量，在一塊集成芯片上完成電能采樣和AD轉(zhuǎn)換，比較先進的是-AD轉(zhuǎn)換原理。功率是電流與電壓的乘積，電能是功率對時間的積分。20世紀(jì)80年代末90年代初，國外著名電測儀表公司相繼推

16、出了全電子式多功能電能表，如瑞士蘭地斯公司(LANols&oYR)、法國斯倫貝謝公司(Sehlumberger)和美國通用電氣公司(GE)等。我國從20世紀(jì)90年代初開始研制全電子式電能表，1994年威勝集團、恒通公司等相繼推出了全電子式多功能電能表，隨后有多家公司開始小批量生產(chǎn)。經(jīng)過技術(shù)的引進、消化和吸收，我國電子式電能表開發(fā)設(shè)計和制造技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。全電子式電能表最早用于進行計量鑒定，也就是做標(biāo)準(zhǔn)表，隨著元器件性能的提高和價格的下降，全電子式電能表計量精度較高，且能實現(xiàn)復(fù)費率及用電控制，便于實現(xiàn)抄表自動化系統(tǒng)，而且生產(chǎn)成本較低，全電子式電能表逐步開始大量民用，目前使用數(shù)量已經(jīng)

17、遠遠超過機械表。1.2.4 多功能電能表現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前的電能表市場中全電子電能表所占比例逐年增加，機械表由于先天性在通信方面的不足，所以很難在集中自動化抄表方面有發(fā)展，機電一體式電能表雖可以進行電能信息的遠程通信，但其可提供的用電信息比較少，例如頻率，有功，無功等，另外實現(xiàn)復(fù)費率計量也比較困難。雖然基于機電一體式的電能表實現(xiàn)了預(yù)付費，但鑒于安全性和其他方面的原因，國家并不主張大范圍的使用這種電能表。全電子電能表克服了上面兩種表的缺點，可以方便的計量電能的各種信息，并且實現(xiàn)遠程通信完成抄表工作和實現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)自動化。近年來隨著全國用電缺口的急劇擴大，國家發(fā)改委決定全面推行峰谷分時電價和避峰電價

18、，鼓勵用戶合理移峰用電，這一政策的出臺，帶動了全國各地供電部門對復(fù)費率、多功能電表需求的快速上升。目前，在抄表方式上，存在有RS485、紅外、GPRS和電力線載波等多種抄表方式。其中RS485抄表和紅外抄表技術(shù)比較成熟。各種抄表方式具有各自的特點，RS485需要專門布線，但其抗干擾能力較強；紅外抄表由于其通信距離的限制，不能實現(xiàn)遠程監(jiān)控的目的；電力線載波通信抄表技術(shù)無需專門的通信線，利用現(xiàn)有的電力線作為通信信道，信道建設(shè)工作量極少，但其技術(shù)較為復(fù)雜，通信出錯率較高。目前還存在著GPRS無線抄表方式，GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)(General PacketRadio Service)的簡稱，是在

19、現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS抄表技術(shù)在未來將會有很廣的應(yīng)用。電能計量技術(shù)將會向著智能化、多功能、集中管理及網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。在信息化技術(shù)不斷發(fā)展和成熟的現(xiàn)代社會，高效的電能計量和管理技術(shù)將是信息化家庭智能管理系統(tǒng)的一個重要組成部分。1.3 課題研究目的和意義本課題的目的在于研制一款基于專用電能計量芯片ATT7022B和微控制器的三相式多功能電能表。系統(tǒng)使用全電子式方案，采用了專用計量芯片來計量電能，可以滿足很好的精度和準(zhǔn)確度要求。在控制環(huán)節(jié)，系統(tǒng)使用了微控制器AT89C52，并且包含RS-485抄表接口，儀表參數(shù)可以通過總線傳遞

20、到上位機監(jiān)控程序，進行集中管理。系統(tǒng)設(shè)計完成以后，可以軟件進行校表，軟件校表參數(shù)通過程序內(nèi)部進行設(shè)置，確保出廠時更好的準(zhǔn)確性。本文闡述了該三相多功能電能表的設(shè)計原理、方案設(shè)計，實現(xiàn)了電壓，電流，頻率，有功和無功電能，合相及分相電能等參數(shù)的計量，另外可以實現(xiàn)復(fù)費率功能。適應(yīng)市場需求，滿足用戶需要。后續(xù)章節(jié)將對儀表的原理和各模塊構(gòu)成進行詳細介紹。1.4 本文的主要研究內(nèi)容本文主要研究基于三相電能專用計量芯片ATT7022B的多功能電能表。本設(shè)計以MCU為控制單元，外圍電路由各種專用芯片及器件實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單，整個芯片的體系結(jié)構(gòu)和嵌入式資源配置可以適應(yīng)高可靠性多功能電能表的設(shè)計需求。計量模塊由專用計量

21、芯片構(gòu)成，實現(xiàn)正反向，抄壓，欠壓等諸多測量參數(shù)。 通信單元采用RS485通信模式，通信速率與抗干擾能力較高。復(fù)費率設(shè)計，采用專用實時時鐘芯片，保證了時間準(zhǔn)確度及安全可靠。此外，紅外、顯示及鍵盤單元均做出了詳細的設(shè)計過程。本論文的主要工作：（1）提出基于ATT7022B芯片的多功能電能表解決方案。（2）根據(jù)功能需求進行系統(tǒng)的硬件和軟件詳細設(shè)計。（3）編寫軟件代碼和調(diào)試系統(tǒng)功能模塊。（4）優(yōu)化整個系統(tǒng)。論文共5章，基本安排如下：第1章：緒論。介紹論文的技術(shù)背景，對多功能電能表的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了概述，提出了論文的選題背景及意義，說明了論文所做的工作及論文結(jié)構(gòu)安排。第2章 分析了電能表的基本測量原

22、理 ，包括對三相電路電源負(fù)載接線方式的介紹，對電子式電能表測量原理的介紹，著重介紹了幾種乘法器的原理及應(yīng)用。第3章：多功能電子式電能表系統(tǒng)的硬件總體方案和各單元硬件電路設(shè)計。硬件總體方案設(shè)計包括對電能表硬件功能模塊進行劃分，給出硬件組成方框圖；各單元硬件電路設(shè)計包括主芯片、電能計量模塊、 RS485通信模塊、紅外通信模塊、LED顯示模塊、鐵電存儲器模塊、實時鐘模塊、電源模塊。 第4章：多功能電能表軟件詳細設(shè)計。軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，包括主程序流程、各中斷處理流程、有功和無功電能分時計量模塊、鍵盤、顯示及通信模塊等設(shè)計，實現(xiàn)電能表多功能要求。 第5章：總結(jié)與展望。總結(jié)了論文所做的工作，并對

23、論文的不足與前景進行了展望。第2章 電能測量原理2.1 三相電路接線方式三相電源有兩種基本連接方式：星形連接和三角形連接。星形連接示意如圖2.1（a）。三相對稱星形連接時，有如下關(guān)系： ， (2-1)式中：，-線電壓和線電流；，-相電壓和相電流。對稱三相電源可以采用三角形連接(連接)，如果不對稱程度比較大，所產(chǎn)生的環(huán)路電流將燒壞繞組。三角形連接示意如圖2-2(b)。三相對稱三角形連接時，有如下關(guān)系： ， (2-2) 式中：，-線電壓和線電流；，-相電壓和相電流。 三相負(fù)載根據(jù)其接線方法一般有三相三線和三相四線之分，以下只討論電源為Y形連接時的情況。當(dāng)發(fā)電機三相繞組按星形方式連接時，負(fù)載接成三角

24、形方式，如圖2.2(a)所示，稱為三相三線制。當(dāng)發(fā)電機繞組按星形方式連接時，負(fù)載也接成星形方式，如圖2.2(b)所示，稱為三相四線制。三相四線方式時，流過各相負(fù)載的電流等于各相電源流過的電流。當(dāng)電路為對稱三相電路時，中線電流為零。此時中線可以去掉，變?yōu)槿嗳€制。 (a)負(fù)載三相三線連接(b)負(fù)載的三線四線連接圖2.2三相負(fù)載接法圖示以上討論了三相電源和負(fù)載的接線方法，這些知識有利于理解三相多功能電能表的參數(shù)采集電路和外部接線方式。2.2 電能測量原理電能在物理上可以看成是從電源流向負(fù)載的能量流。用戶在某一時刻消耗電能的“速度”我們稱為瞬時功率，它在數(shù)學(xué)上等于該時刻瞬時電壓值與瞬時電流值的乘積

25、，將所有這樣的“瞬間”消耗的電能加在一起就得到了總的用戶消耗電能的數(shù)量。因此，有功電能的計算可以用電壓與電流瞬時值的乘積在時間上做積分得到，其測量可簡單地描述如下。設(shè)在t時刻負(fù)載兩端的交流電壓和流過負(fù)載的交流電流的表達式為： (2.1) (2.2)其中-t時刻電壓瞬時值；t時刻電流瞬時值；電壓峰值；電流峰值；電壓有效值；電流有效值；電壓與電流相位差；角頻率。則在一個周期內(nèi)平均有功功率P為 (2.3)一個周期內(nèi)的電能W為 (2.4)對于三相電路，總能量可以表示為三個分相能量之和： (2-5)在實際電網(wǎng)中，電壓電流信號基本上都不是只包含50Hz頻率分量的正弦信號，而是含有很多諧波信號。事實上我們可

26、以發(fā)現(xiàn)瞬時功率信號本身是一個含有直流分量和高頻分量的信號，而任何頻率不為0的頻率分量從長期來看對于時間積分都沒有貢獻，因此電能計量數(shù)學(xué)上就相當(dāng)于計算瞬時功率P的直流分量在時間上的積分。為了得到有功功率分量（即直流分量），需要對瞬時功率信號進行低通濾波處理。2.3 三相有功電能的計量三相電路分為三相三線制和三相四線制兩種接法，下邊分別討論這兩種電路的測量方法。測量三相三線電路有功電能可以采用一表法和二表法。一表法只能用于三相對稱電路，實際中一般不會采用；工程中經(jīng)常采用二表法計量三相電能。三相三線電路的瞬時功率可表示為： (2.6) 式中：；、線電壓的瞬時值。由式(2.6)，用兩只單相電能表測量三

27、相三線電路的總電能，稱為二表法，用這種方法測量三相三線有功電能的接線和原理如圖2.4。兩只單相電能表計量值相加即為三相總能量。 三相四線電路可看成由三個單相電路組成的。其平均功率P等于各相有功功率之和，即 (2.7) 無論三相電路是否對稱，上述公式都成立。測量三相四線電路的有功電能經(jīng)常用三只單相有功電能表（DD型）,即三表法或三相四線式有功電能表（DT型），三表法就是在三根相線與零線之間分別跨接一只單相有功電能表，總能量即為三只單相表計量值之和，三相四線式有功電能表可以直接通過外部接線計量三相電能。三相四線電路因為零線電流一般不為零，所以用二表法測量時會存在較大的測量誤差。 以上介紹了傳統(tǒng)的三

28、相電能測量方法，分別考慮了三相三線和三相四線方式，在電子式電能表成為主流的今天，越來越多的設(shè)計方案開始采用專用的三相電能IC芯片，例如ADE7752、ATT7022、TM7752等，這類芯片一般具有測量精度高、外圍電路簡單、校表容易等特點，并且在不改變電路設(shè)計的前提下，可同時適用于三相三線和三相四線方式，專用電能IC芯片已經(jīng)成為三相電子式電能表設(shè)計的首選。2.4 電子式電能表的測量原理電能表測量電能的基本方法是將電壓、電流相乘，然后在時間上累加起來，即積分。電子式電能表實現(xiàn)積分的方法，是將功率轉(zhuǎn)換為脈沖頻率輸出，該脈沖稱為電能計量標(biāo)準(zhǔn)脈沖（或），其頻率正比于負(fù)荷功率。電子式電能表中起主要作用的

29、是電能測量單元，而乘法器是該單元的核心組成部分，乘法器是實現(xiàn)被測電壓、電流相乘，輸出為功率的器件。常用的乘法器可分為模擬乘法器和數(shù)字乘法器兩類，模擬乘法器的又分為霍爾效應(yīng)型、時分割型等；數(shù)字乘法器又分為硬件乘法器和軟件乘法器。目前的電子式電能表多以數(shù)字乘法器為主。2.4.1 模擬乘法器2.4.1.1 霍爾乘法器霍爾元件是如圖2.6所示的半導(dǎo)體薄片，當(dāng)它處于磁場感應(yīng)強度為B的磁場中時，如果在它相對的兩端通以控制電流I，則在半導(dǎo)體另外兩端將會產(chǎn)生一個大小與控制電流和磁感應(yīng)強度乘積成正比的電勢。如式(2.8)所示。 (2.8)式中-霍爾元件的靈敏度；-霍爾電勢。圖2.4霍爾元件示意圖由被測電壓產(chǎn)生磁

30、場，其磁感應(yīng)強度為；被測電流通過霍爾電動勢就能反映被測電壓、電流的相乘積?；魻柍朔ㄆ魇且粋€四象限乘法器，其相乘精度甚佳，可達0.3%左右。工作頻率在10kHz以內(nèi)。根據(jù)霍爾乘法原理實現(xiàn)的靜止式電能表可用圖2.7表示。 霍爾乘法器輸出的是瞬態(tài)功率信號。瞬態(tài)功率信號通過變換很容易產(chǎn)生有功電能、無功電能等所需的數(shù)據(jù)。圖2.7所示的屬于直接檢測式霍爾乘法器。這種結(jié)構(gòu)在輕載時誤差較大?；魻柍朔ㄆ鲗崿F(xiàn)的靜止電能表主要優(yōu)點是頻率響應(yīng)寬，準(zhǔn)確度能長期保證；抗干擾能力強；可以不需要電流互感器，不存在引入互感器誤差。電壓電流回路彼此獨立，檢測和校準(zhǔn)相對容易，且線性也較好。主要缺點是工藝復(fù)雜，精度也不容易達到很高。

31、2.4.1.2 時分割乘法器時分割乘法器的工作基于計算式 (2.11) 式中 ：在一個周期內(nèi)電流、電壓的采樣次數(shù)。 由式(2.11)可知，負(fù)載在一個周期內(nèi)消耗的電能近似等于m個電壓、電流相乘再求和。m取值越大，上述近似計算產(chǎn)生的誤差越小。由此，時分割乘法器的基本思想有兩個，即分割和相乘。 時分割乘法器分為電壓型和電流型時分割乘法器，電壓型由于尖峰電壓的干擾現(xiàn)在已基本不用，現(xiàn)在使用的多為電流型時分割乘法器。所謂電流型時分割乘法器是指被測電壓、電流都變成電流形式后相乘，其乘積即功率大小也以電流形式表示。 時分割電能測量方法的特點有：(1)時分割乘法器構(gòu)成的電能儀表電路簡單、成本低；(2)時分割方法

32、測量工頻范圍內(nèi)的電能線性度高；(3)時分割方法頻率測量范圍窄，大多數(shù)不適于畸變波形下的功率測量；(4)電能測量準(zhǔn)確度級別一般為2.01.0級。2.4.2 數(shù)字乘法器數(shù)字乘法器是將數(shù)字量相乘，首先將被測電壓、電流的模擬量變?yōu)閿?shù)字量，然后相乘。實現(xiàn)數(shù)字量相乘有兩中方法：1）采用硬件乘法電路。硬件乘法電路是由移位寄存器、加法器和時序控制電路組成，在時序電路控制下，根據(jù)每位乘數(shù)是“1”或是“0”，來決定是否累加被乘數(shù)，每進行一位運算后需要將累加和（即乘積）右移一位。采用硬件乘法器運算速度高，但需提供硬件電路。2）采用軟件乘法器。利用計算機的乘法指令實現(xiàn)數(shù)字量相乘，這實際是利用一系列的累加和移位完成運算

33、的，采用這種方法運算速度較慢，但可以節(jié)約硬件。若CPU里含有硬件乘法器或采用專用的芯片作控制器，運算速度仍非?？?。2.5 本系統(tǒng)采用的測量方法本系統(tǒng)采用專用電能計量芯片+MCU(微控制器)的方式測量電能。電能計量采用ATT7022B，該芯片是三相電能專用計量芯片，其內(nèi)部集成了七路二階sigma-delta型AD轉(zhuǎn)換器，具有有功測量0.5級的測量精度。通過外部接線方式的選擇，可同時適用于三相三線和三相四線模式。ATT7022具有三路電壓輸入和三路電流輸入，大信號接入部分采用電壓互感器和電流互感器進行隔離，使數(shù)據(jù)處理電路與信號輸入電路沒有電氣上的連接。系統(tǒng)采用Maxim公司的DS1302實時時鐘芯

34、片作為時間基準(zhǔn)，該芯片具有外圍電路簡單、靜態(tài)功耗小以及價格便宜等優(yōu)點，非常適用于多費率功能模塊的時段控制需要。本文的后續(xù)章節(jié)將對系統(tǒng)總體方案、硬件模塊和軟件流程進行詳細深入的介紹。第3章 硬件設(shè)計3.1 硬件總體方案由于多功能電能表的功能要求實現(xiàn)的功能非常多，MCU外圍芯片的電路設(shè)計較為復(fù)雜，模塊化設(shè)計方案。主要模塊有電源模塊，電能計量模塊，實現(xiàn)三相以電量采集芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、計量以及為整個系統(tǒng)提供電源；單片機側(cè)以管理微處理器為中心，包括通信模塊，顯示鍵盤模塊，存儲模塊，控制模塊。總體設(shè)計框圖如圖3.1所示，其中電源模塊采用三個降壓變壓器及整流電路實現(xiàn)三相整流電源。電能計量模塊包括電能采樣外圍

35、電路，互感器分壓采樣。通信模塊包括RS485通信及紅外發(fā)射接收單元。顯示模塊7位8段LED顯示。存儲器模塊使用鐵電存儲器FM24C16，存儲容量為16K，讀寫時間為微秒級。主電源模塊采用通用的LM78M05。時鐘模塊使用實時時鐘芯片(RTC)DS1302 ，作為三相電能表分時計費的時間基準(zhǔn)?？刂颇K使用XC2023繼電器驅(qū)動芯片配合JMX-94F系列繼電器，最大電流30A。 圖3.1 多功能電能表系統(tǒng)框圖3.2 主控芯片及其外圍電路 考慮到本設(shè)計系統(tǒng)中采用了專用的計量芯片，MCU負(fù)擔(dān)減輕，所以可以選擇8位的單片機 。常用的8位單片機有很多種:如Intel公司的8051，8031系列及ATMEL

36、公司的89系列。雖然它們在硬件結(jié)構(gòu)上相似，但在價格、功耗、抗干擾等方面后者都占較大優(yōu)勢，AT89系列單片機具有功耗低，抗干擾能力強等特點。AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，適用于許多較為復(fù)雜的控制應(yīng)用場所。 1、AT89C52主要特性如下：Ø 兼容MCS51指令系統(tǒng)Ø 8k字節(jié)可重復(fù)擦寫Flash閃速存儲器Ø 1000次擦寫周期Ø 全靜態(tài)工作：0Hz-24MHzØ 三級加密程序存儲器 Ø 256*8位內(nèi)部RAMØ 數(shù)據(jù)保留時間：10年 Ø 32個可編程I/O線 Ø

37、 3個16位定時器/計數(shù)器Ø 8個中斷源 Ø 可編程串行UART通道 圖3.2 AT89C52引腳圖Ø 低功耗的閑置和掉電模式AT89C52有40個引腳，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。其引腳圖如圖3.2所示。AT89C52的I/O口功能與AT89C51的基本相同，唯一區(qū)別之處是，52系列的P1.0和P1.1口還可分別作為定時/計數(shù)器2的外部計數(shù)脈沖輸入

38、、可編程方波輸出(P 1.0/T2)和捕獲/重裝載觸發(fā)、方向控制信號的輸入(P1.1/T2EX)。此外，P3 口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)復(fù)位時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。:程序儲存器輸出使能端。它是片外程序存儲器的讀選通信號，低電平有效。/VPP:外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器(地址為OOOOH-FFFFH), 端必須保持低電平(接地)。3.2.2 時鐘振蕩電路AT89C52單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的可控高增益反向放大器。兩個引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。在片外跨接一個晶振和兩

39、個匹配的電容C1、C2就構(gòu)成一個自激振蕩器。其接線如圖（3.3）所示： 圖3.3單片機時鐘振蕩電路為了通訊中波特率能為整數(shù)，本設(shè)計選擇了11.0592MHZ的晶振，根據(jù)單片機相關(guān)資料選擇相匹配的兩個電容容量均為30pF。另外，單片機也可以由外部振蕩電路或時鐘直接驅(qū)動，對于HMOS工藝的芯片，外部時鐘信號是從XTAL2輸入的，此時XTAL1端接地。該方式一般用于一些特殊場合如多CPU系統(tǒng)等。3.2.3 單片機監(jiān)控電路為保證單片機應(yīng)用系統(tǒng)的正?？煽窟\行,一般需要加設(shè)電壓監(jiān)控、看門狗電路對單片機的供電和運行進行監(jiān)控。本設(shè)計選用帶有看門狗定時器和降壓檢測功能的低價格監(jiān)控芯片IMP813L。該芯片在上電

40、、掉電期間及在電壓降低的情況下可產(chǎn)生一個復(fù)位信號，且?guī)в幸粋€1.6秒的看門狗定時器。另外還具有手動復(fù)位（MR）輸入，可以接到復(fù)位電路實現(xiàn)手動復(fù)位。監(jiān)控芯片IMP813L的主要特點有：（1）精確的電源監(jiān)控：4.65V門限（2）去抖動的手動復(fù)位輸入（3）看門狗定時器（4）200ms復(fù)位脈沖寬度（5）高電平有效的復(fù)位輸出芯片主要管腳功能如表3-1所示：表3-1 IMP813L主要管腳手動復(fù)位輸入，低電平有效PFI，電壓監(jiān)控輸入、輸出，當(dāng)PFI小于1.25V時，/PFO變?yōu)榈碗娖健DI，看門狗輸入、輸出，控制內(nèi)部看門狗定時器。RESET高電平有效的復(fù)位輸出，觸發(fā)后產(chǎn)生200ms的負(fù)脈沖。IMP813

41、L的接線如圖3.4所示。 圖3.4 看門狗電路對于電壓監(jiān)控輸入端PFI，需外接一個電阻分壓器。因為PFI的動作電壓為1.25V，而單片機的輸入最低允許電壓為4V，設(shè)計中選取兩個分壓電阻分別為22K和10K.這樣當(dāng)單片機電壓為低于4V時，PFI端電壓會低于1.25V，從而產(chǎn)生復(fù)位信號。為了保障單片機的可靠運行，本設(shè)計使用該芯片的看門狗功能，只要將和直接連在一起即可?？撮T狗復(fù)位時間是1.6秒，單片機必須每隔1.6秒之內(nèi)的時間給WDI端一個上升沿或下降沿。這樣可使單片機復(fù)位的條件有：1、單片機上電，2、手動按鍵復(fù)位，3、看門狗超時復(fù)位，4、電源電壓低于復(fù)位門限?？梢詫崿F(xiàn)對單片機有效監(jiān)控，防止其不正常

42、運行。3.3 電量信號采集和預(yù)處理電能測量單元的任務(wù)就是保證在各種負(fù)載條件下和各種電源質(zhì)量時，都能以較高的精度準(zhǔn)確的測量有功電能量。本設(shè)計采用專用的電能計量芯片ATT7022B完成電能的計量，它是珠海炬力公司生產(chǎn)的一種用于功率測量或電能計量的專用高精度集成電路。3.3.1 ATT7022B芯片介紹1、ATT7022B芯片特性：1) 高精度，在輸入動態(tài)工作范圍(1000:1)內(nèi)，非線性測量誤差小于0.1%。2) 有功測量滿足0.5S/0.2S，支持IEC 687/1036，GB/T 17883-19993) 無功測量滿足2 級、3 級，支持IEC 1268，GB/T 17882-19994) 適

43、用三相三線、三相四線5) 瞬時有功、無功、視在功率，有功、無功能量測量6) 功率因數(shù)、相位、頻率、電壓和電流有效值測量7) 同時提供分相以及合相參數(shù)8) 提供相序以及斷相檢測功能9) 合相能量累加模式可選(代數(shù)加/絕對值相加)10) 三相四線時提供三相電流向量和之有效值11) 直接提供有功、無功校表脈沖輸出12) 電表常數(shù)可調(diào)13) 起動電流可調(diào)14) 提供正向和反向有功電能數(shù)據(jù)15) 反向有功指示功能16) 提供四象限無功參數(shù)17) 軟件調(diào)試電表18) 支持增益和相位補償，小電流非線性補償19) 可測量到21 次以上諧波的有功和無功功率20) 具有SPI 接口，方便與外部MCU 通訊21)

44、單+5V 供電2、內(nèi)部原理框圖ATT7022B是一顆高精度三相電能專用計量芯片，支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟件校表。有功、無功電能脈沖輸出CF1、CF2 提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)表，進行誤差校正。ATT7O22B的內(nèi)部原理框圖如下： 圖3.5 ATT7O22B的內(nèi)部原理框圖 3、 引腳定義圖3.6 ATT7022B引腳圖V1P/V1N、V3P/V3N、V5P/V5N為輸入電流信道的正、負(fù)模擬輸入引腳。完全差動輸入方式，正常工作最大信號電平為 ±1.5V，兩個引腳內(nèi)部都有ESD 保護電路。V2P/V2N、V4P/V4N、V6P/V6N為輸入電壓信道的正、負(fù)模

45、擬輸入引腳。完全差動輸入方式，正常工作最大輸入電壓為±1.5V，兩個引腳內(nèi)部都有ESD 保護電路。REFCAP：基準(zhǔn)電壓2.4V，可以外接；該引腳應(yīng)使用10F電容并聯(lián)0.1F瓷介電容進行濾波去耦。REFOUT：基準(zhǔn)電壓輸出2.4V，用作外部信號的直流偏置。SEL：輸入端口，輸入為低電平時選擇三相三線方式、高電平時選擇三相四線方式，內(nèi)部300K上拉電阻。CF1、 CF2：輸出有功無功電能脈沖，其頻率反映合相平均有功功率的大小，常用于儀表有功無功功率的校驗，也可以用作電能計量。CS：SPI 片選信號，低電平有效。SCLK：輸入端口，SPI串行時鐘輸入（上升沿放數(shù)據(jù)，下降沿取數(shù)據(jù)）。DIN

46、：SPI串行數(shù)據(jù)輸入，DOUT為SPI串行數(shù)據(jù)輸出。OSCI：系統(tǒng)晶振的輸入端，或是外灌系統(tǒng)時鐘輸入。晶振頻率為24.576MHz。OSCO：晶振的輸出端。 REVP：輸出端，當(dāng)檢測到任意相的有功功率為負(fù)時，輸出高電平。 AGND：電源模擬電路(即ADC和基準(zhǔn)源)的接地參考點。AVCC：電源，該引腳提供ATT7022模擬電路的電源，正常工作電源電壓應(yīng)保持在5V±5%，為使電源的紋波和噪聲減小至最低程度，該引腳應(yīng)使用10F電容并聯(lián)0.1F瓷介電容進行去耦。GND：數(shù)字地引腳VDD：內(nèi)核電源輸出3.3V。外接10F電容并聯(lián)0.1F瓷介電容進行去耦。VCC：數(shù)字電源引腳；正常工作電源電壓應(yīng)

47、保持在5V±5%，該引腳應(yīng)使用10F電容并聯(lián)0.1F瓷介電容進行去耦。3.3.2 電壓電流采樣電路從電網(wǎng)接入的大電壓、大電流不能直接接入計量芯片的輸入中，必須經(jīng)過變換電路轉(zhuǎn)換為小電壓、小電流。一般電壓電流采樣有兩種方法：一是采用精密電阻輸入變換電路，進行分壓分流得到小電壓小電流；二是采用電壓電流互感器。采用精密電阻電路不會引起相角誤差，但對電阻要求較高，電阻要求具有足夠高的準(zhǔn)確度、足夠大的功率溫度系數(shù)和長期穩(wěn)定性。因此，在本設(shè)計中采用精密的互感器轉(zhuǎn)換方式。0.5級以下的電子電能表用的互感器二次側(cè)負(fù)載較小，因此可以做的很小，鐵心采用高導(dǎo)磁率系數(shù)的坡莫合金或優(yōu)質(zhì)鋼帶制成，以減小鐵心損耗和

48、有限導(dǎo)磁率所產(chǎn)生的相角差。設(shè)計電路如圖3.7所示(以單相為例)： 圖 (a) 電壓采樣采用電流互感器圖 (b) 電流采樣單端輸入圖3.7 電能表電壓電流采樣電路(1)電壓輸入電壓輸入采用元星電子公司生產(chǎn)的TV31B-02型電流型電壓互感器16。元星TV31系列電流型電壓互感器，采用印刷線路板安裝方式，安裝方便，采用環(huán)氧樹脂灌封，絕緣強度高，磁芯為坡莫合金，主要用于高精度、小相位誤差的電壓、功率和電能監(jiān)測設(shè)備。 TV31B電流型電壓互感器，一次側(cè)串接功率電阻后并聯(lián)與線路中，互感器電流比為2mA/2mA，次級電路不允許開路使用。在三相四線制系統(tǒng)中，A、B、C三相相對于中線N的電壓為220V，先通過

49、串接功率電阻的方法將電壓轉(zhuǎn)換為電流，再通過互感器將電流轉(zhuǎn)換成電壓的方式。該方式采用了互感器，可以將芯片與電網(wǎng)進行有效地隔離，從而獲得良好的抗干擾性。電壓通道使用的電壓互感器電流比為2mA/2mA，所以串接功率電阻的阻值選擇為（額定電壓為220V）: （3.3） 0.13 K為TV31B-02的初級電阻選擇帶電阻R=110K (1/2W)。考慮電壓通道的ADC輸入電壓的參數(shù)一般取0.5V,互感器副邊取樣電阻為： (3.4)采樣電阻阻值選擇為50。輸入信號電平抬升采用芯片內(nèi)部REFOUT引腳提供的2.4V電壓。低通抗混疊濾波器的設(shè)計采用簡單的阻容式低通濾波器，電阻電容值采取芯片廠商推薦值。（2）電

50、流輸入電流輸入采用元星TA20型精密交流電流互感器17，該系列電流互感器采用環(huán)氧樹脂灌封結(jié)構(gòu)，輸入線圈為內(nèi)置式，次級引線引出，安裝迅速、使用方便，體積小，精度高，電壓隔離能力強、安全可靠?；ジ衅麟娏鞅葹?A/5mA，次級電路不允許開路使用，使用時初級線圈應(yīng)串聯(lián)于被測電流回路中。考慮電流通道的ADC輸入電壓的參數(shù)，互感器副邊取樣電阻為： (3.5) 采樣電阻阻值選擇為20。輸入信號電平抬升采用芯片內(nèi)部REFOUT引腳提供的2.4V電壓。電壓電流輸入電路中電阻1.2K和電容0.01F構(gòu)成了抗混疊濾波器，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)要講究對稱，并采用溫度性能較好的元器件，從而使電路達到良好的濾波，抗干擾作用，并保證

51、電能表獲得良好的溫度特性。 3.3.3 ATT7022B與單片機的接口ATT7O22B與單片機有6條連線，其中四條為SPI接口線:CS、SCK、DIN、DOU，一條ATT7022B的復(fù)位控制線RESET，一條握手信號線SIG。ATT7022B的數(shù)據(jù)寫入與讀出采用四線制的SPI總線方式，軟件編程考慮采取I/O口模擬SPI總線時序的方式，所以ATT7022B的四條SPI總線連接到CPU的任意四個雙向的I/O口就可以了。ATT7O22A的復(fù)位信號線和與CPU之間的握手信號線直接接到CPU的雙向I/0口。接線如圖3.8所示：圖3.8 ATT7022與MCU之間的接口SPI應(yīng)用時應(yīng)注意：1、SPI通訊連

52、線應(yīng)盡可能短，為了減小干擾，可以在SPI信號線上串聯(lián)一個10電阻并在信號輸入端加一個去耦電容，這樣電阻電容構(gòu)成一個低通濾波器，從而可以消除接收信號的高頻干擾。注意CS、SCLK、DIN所串電阻和所并電容要盡量靠近芯片，DOUT所串電阻和所并電容要盡量靠近單片機。2、單片機對SIG信號或其狀態(tài)進行監(jiān)控。SIG信號是用來通知外部MCU的一個握手信號。ATT7022上電復(fù)位或者異常原因重新啟動時，SIG將變?yōu)榈碗娖健．?dāng)外部MCU通過SPI寫入較表數(shù)據(jù)后，SIG將立即變?yōu)楦唠娖健?、為了在上電和單片機復(fù)位后，ATT7022B能與單片機同步工作，ATT7022B的同步信號由單片機控制，復(fù)位過程為RESE

53、T信號保持大于20uS低電平，芯片復(fù)位，此時SIG輸出高電平，然后單片機將RESET信號拉高，大約經(jīng)500uS左右，ATT7022B完成初始化，SIG輸出低電平信號，此后才能進行SPI操作。在ATT7022B的RESET端口處接0.1F的去耦電容，增強其抗干擾能力。3.4 存儲器單元作為計量的儀表系統(tǒng)不僅要存儲、處理大量的數(shù)據(jù)，而且有許多數(shù)據(jù)有特殊的要求，如電流電壓的系數(shù)、分時計費參數(shù)，累計電能等是變動的或可以通過正常手段修改的，但是不能因系統(tǒng)中的干擾而改寫，更不能因停電等事件而丟失。因此儀表必須提供滿足上述要求的存儲手段。本設(shè)計中選擇FM24C16來實現(xiàn)存儲器單元功能。 FM24C16存儲器

54、是一種鐵電存儲器（FRAM），它是最近幾年由RAMTRON公司研制的新型存貯器，它的核心技術(shù)是鐵電晶體材料，擁有隨即存取記憶體和非易失性存貯產(chǎn)品的特性。FM24C16容量為16KBIT，它和AT24C16容量等同，總線結(jié)構(gòu)兼容，但FM24C16的性能指標(biāo)遠大于AT24C16。在存貯器領(lǐng)域中，F(xiàn)M24C16應(yīng)用逐漸被推廣和認(rèn)可，尤其是大容量存貯器，它的優(yōu)良特性遠高于同等容量的EEPROM。 FM24C16總線頻率最高可達1MHz，10億次以上的讀寫次數(shù)，工耗低。與典型的EEPROM AT24C16相比較，F(xiàn)M24C16可跟隨總線速度寫入，無須等待時間，而AT24C16必須等待幾毫秒（ms）才能進

55、行下一步寫操作。FM24C16可讀寫10億次以上，幾乎無限次讀寫。而AT24C16只有一百萬次讀寫。另外，AT24C16讀寫能量高出FM24C16有2500倍。從比較中看出，F(xiàn)M24C16包含了RAM技術(shù)優(yōu)點，同時擁有ROM技術(shù)的非易失性特點?？傊?，F(xiàn)M24C16是非常適合儀表設(shè)計要求的存貯器。它的性能指標(biāo)完全達到設(shè)計要求，解決了儀表中的設(shè)計憂慮。更重要的是，它的存貯時間短，能夠在極短的時間內(nèi)保存大量數(shù)據(jù)，解決了儀表在突然斷電時數(shù)據(jù)及時、安全的存貯。RAMTRON公司研制的FM24C16，為了普及使用，存貯指令和AT24C16兼容，只是在讀寫指令和應(yīng)答是不需要延時，提高了擦寫速率。封裝體積、功

56、能管角和AT24C16一樣，使設(shè)計者容易接受和運用。FM24C16存儲器硬件接線如圖3.9所示： 圖 3.9 存儲器接線圖3.5 通信模塊設(shè)計電能表經(jīng)通信模塊與外界進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)抄表數(shù)據(jù)傳輸、預(yù)置系統(tǒng)參數(shù)等功能。本電能表通信模塊包括RS-485接口和紅外通信接口。3.5.1 RS-485通信接口PC機串行口為標(biāo)準(zhǔn)的RS232口，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：RS232采用負(fù)邏輯，并且傳輸距離短，一般用于20m以內(nèi)的通信。而對于大多數(shù)電能表抄表系統(tǒng)，通信距離為幾十米到幾千米不等，因此，RS232接口不能滿足系統(tǒng)的要求，目前廣泛采用的是RS-485通信。RS-485具有多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時