E甲2302
全国大学生电子设计竞赛
（2010 年）
三相多功能电表（E题）
设计说明书
2010年9月
目 录
摘 要 I
一. 方案比较与论证 1
1.1 总方案的选择 1
1.2核心功能模块选择与比较 1
1.2.1电能参数计量模块…………………………………1
1.2.2电压、电流检测模块……………………………………2
二. 理论分析与计算 2
2.1信号检测模块 2
2.2芯片计量原理 3
三 .电路图及相关设计文件 4
3. 1 直流电源 4
3.2 检测模块 4
3.3计量芯片ATT7022………………………………………………5
3.4 显示模块………………………………………………………...6
3.5通信模块…………………………………………………………6
3.6 软件设计流程图………………………………………………..7
四. 测试方法与仪器 8
五. 测试结果与分析…………………………………………………….8
总 结
参考文献
摘 要
本方案主要由检测电路、专用电能计量芯片ATT7022、89C52单片机、128×64液晶显示、按键、RS485通信、红外通信以及电源部分组成。电路中的电流（电压）信号经过电流（电压）互感器，强电信号转换为安全的弱电信号，通过ATT7022把计量数据传给单片机，由单片机控制128×64液晶显示,另设按键可选择显示测量数据,并扩展RS485和红外线通信功能。因为ATT7022具有极高的精度，能够达到1级测量精度要求，由于互感器铁芯趋于饱和，当电力线路出现过电压或过电流时，其输出不会成正比的增加，能保护测量仪表设备。
关键词: 单片机 ATT7022计量芯片 三相电参数测试 RS485通信
红外通信
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
一 方案比较与论证
1.1总方案的选择
实现思路
本次设计的任务是制作一个能同时对三相工频交流电的三相电压、三相电流、三相有功功率、三相无功功率、总有功功率、总无功功率、功率因数、电网频率、有功电能和无功电能进行测量的数字式多用表。
1.2 核心功能模块选择与比较
1.2.1 电能参数计量模块
方案一：本方案用ADE7755计量电能，因为要用三片ADE7755芯片分别对每一相的有功电能进行单独计量，再叠加到三相总有功电能，致使电能计量电路在电路板上占用空间大、线路密集，造成电表抗干扰能力差；成本较高，致使产品的性价比低；ADE7755在500:1的动态范围内误差小于0.1%，电能计量芯片的参数不可调使得电表计量精度降低．
方案二: 本方案用芯片ATT7022计量电能，ATT7022能准确地测量电网的电压、电流、频率、功率、电能等参数；ATT7022精度高，在输入动态工作范围（1000:1）内，非线性测量误差能达到小于0.1%的精度；ATT7022可设置寄存器使之适用于三相三线和三相四线的工作环境；同时能提供电压和电流相序检测；还能提供电压和电流的有效值参数，有效值精度要优于0.5%。很好的满足了设计中对测量功能、技术参数以及准确度的要求。所以选择方案二。
1.2.2电压、电流检测模块
信号采集板给信号处理板提供要采集的电流电压，并隔离掉干扰信号，避免其进入主控电路板。在信号的检测部分，有利用互感器和霍尔传感器检测两种方法。
方案一 利用霍尔传感器采集三相电参数。霍尔传感器性能优越，但成本较高。
方案二 利用电流电压互感器采集三相电参数。电流和电压互感器是一种特殊的变压器，把大电流（高电压）变成小电流（低电压），实现了弱电控制强电，保证了电力系统的安全。由于互感器铁芯趋于饱和，当电力线路出现过电压或过电流时，其输出不会成正比的增加，能保护测量仪表设备。这一作用满足了设计要求的技术参数，能承受一定时间的过流过压。互感器在本测试仪中在性能上基本能满足设计要求，而且成本合理，因此本次设计采用互感器方式。
二. 理论分析与计算
2.1信号检测模块
电路中的强电信号经过互感器之后将转换为弱电信号，根据我们选择的互感器型号，380V的交流电压转换为0.5 V的交流电压,而5A的交流电流转换为2mA。
信号采集模块采集的必须是电压，因此我们在电流互感器的输出端并联一个电阻，这样电流信号就可以转换为采集模块需要的电压信号。
2.2芯片计量原理
电流有效值：
i (t)-----电流瞬时值
电压有效值： u (t)----电压瞬时值
功率因数：
三相三线合相功率：
三相四线合相功率：
单相无功功率：无功功率计量方法与有功类似，只是电压信号采用移相90之后的。
单相有功功率： 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。
有功能量：有功能量通过瞬时有功功率对时间的积分得到。
三 电路图及相关文件
3.1 直流电源
直流电源是电网电压经过变压整流滤波稳压等变换后得到的。本测试仪利用A相得到220V电压，然后通过变压器转换为9V的交流电压，再经过整流桥和稳压芯片7805转换为直流电压，最后经过滤波，就可以得到+5V的直流电压。这个直流电源对单片机、ATT7022芯片、128×64液晶和485芯片供电。直流电源电路图如3-1所示。
3-1 直流电源电路设计图
3.2 检测模块
信号采集模块检测的信号必须是电压信号，因此在电流互感器的输出端并联一个电阻把电流信号转换为检测模块所需要的电压信号。图中引脚V1P、V1N、V2P、V2N的信号均送入ATT7022进行处理，REFOUT为ATT7022的直流偏置电压，正常工作时为2.4V左右，其中10K电阻为偏置电阻。信号检测模块电路图如3-2所示。
3-2 信号检测模块电路图
3.3计量芯片ATT7022
ATT7022是一颗高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三线四相应用。能够测量各相的有功无功功率、视在功率、有功无功能量，还能测量各相电流电压有效值功率因数相角频率等参数，充分满足三相多功能电表的要求。仪表有功及无功功率校验电路图如3-3（a）,ATT7022引脚连接图如3-3(b)所示。
3-3（a） 仪表有功及无功功率校验电路
3-3(b) ATT7022引脚连接图
3.4 显示模块
显示模块采用128×64的点阵液晶显示测量参数，通过翻屏可显示所有测量数据。
3.5 通信模块
通信模块采用RS485接口通信和红外通信，通信模块主要用于数据传输。RS485通信模块经过RS485接口把测量的各个参数的值传输到上位机；红外通信模块将测试仪测量到的各个参数的值发送出去，连在上位机上的接收模块接收数据，实现远程显示。
3.6 软件设计流程图
四 测试方法与仪器
五 测试结果分析
总 结
本次设计中，为了更好的完成设计要求，我们了设想了多种方案，从测试功能、测量精度等多方面考虑，我们选出了最佳方案，在此方案中，我们采用ATT7022作为核心计量芯片，89C51作控制芯片，将采集的信号输出显示，并设有按键翻屏显示数据，另扩展RS485和红外线通信。
参考文献
[1]康华光，陈大钦. 电子技术基础 模拟部分（第四版)[M].北京：高等教育出版社，2005
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[4]谭浩强. C程序设计[M].北京：清华大学出版社，2005.
[5]马忠梅. 单片机的C语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.
[6孙肖子. 实用电子电路手册（模拟分册）[M].北京：高等教育出版社，1992.
[7]阎石. 数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005.
[8]ATT7022a用户手册 2005年3月28日
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