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1、山东省大学生“高教社&XILINX杯”电子设计竞赛三相多功能电表的设计与总结报告参赛题目： 三相多功能电表 所属单位： 曲阜师范大学物理工程学院摘要系统是基于ATMEGA16单片机和ATT7028A专门计量芯片为核心器件的三相多功能电表。采用电压互感器与电流互感器对三相电网取样，ATT7028A根据取样信号能够测量出各相以及合相的有功功率、有功电能、各相电流电压有效值、功率因数、相角、频率等数据，数据送入ATMEGA16单片机。用户可以通过单片机提供的丰富的用户界面读取相应的数据，并可以通过标准RS-485通讯来实现远程有线测量和标准USART通讯来实现远程无线测量。本系统很好的完成了题目要求
2、的基本及发挥要求，并进行了进一步的扩展。关键词：ATMEGA16 ATT7028A 三相 多功能电表 远程测量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 signal
3、s 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 interface
4、 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目录 摘要11 设计要求11.1 基本要求1.2 发挥部分2 方案设计与论证12.1 整体方案的设计与论2.2 控制部分MCU的选择2.3 取样电路2.4 显示电路2.5 远程通信单元2.6 垵键电路2.7 软件部分方案3 理论分析与计算43.1 三相有功功率，有功电能、无功功率、功率因数、无功电能的计算 3.2 电压和电流有效值的测量3.3 三相有功功率和有功电能的计算3.4 功率因数的测量3.5 相序检测4 测试方法与数据，测试结果及分析
6、64.1 测试仪器4.2 校表方法4.3 测试数据4.4 测试结果分析5 总结8 5.1 基本功能5.2 发挥部分5.3 功能扩展部分5.4 比赛总结6 附录96.1 参考文献6.2 ATT7028A外部引脚与内部框图6.3 主要元件清单6.4 电路图6.4.1 5v 电源6.4.2 按键功能对应表与键盘简略电路图 6.4.3 Atmega16单片机外围电路图6.4.4 ATT7028A外围电路图6.4.5 电流互感器与电压互感器电路图6.5 程序框图及部分程序 6.5.1 框图 6.5.2 部分程序1 设计要求1.1 基本要求 （1）测量功能及技术参数A三相额定交流相电压：100V/220V
7、/380V，过载能力：持续1.2倍、瞬时电流10倍/5秒；B三相额定交流电流：1A，过载能力：持续1.2倍、瞬时电压2倍/1秒； C三相三线或者四线任意选择；D实现电压和电流相序检测功能（2）准确度: 测量精度：1级。（3）功能选择：A用按键选择交流电压、交流电流、有功功率、无功功率、频率和功率因数等的测量与显示；B有掉电存储功能。1.2 发挥部分A利用按键实现密码保护功能；B标准RS-485通讯来实现远程测量，通信距离100米以上。C加入红外通信，通信距离3米以上；D其它（例如扩展功能，提高性能等）2 方案设计与论证2.1 系统总体方案的设计与论证方案一、使用DSP芯片TMS320LF240
8、7、ADC芯片和MCU为核心器件组成系统使用DSP芯片TMS320LF2407、ADC芯片和MCU为核心器件组成系统完成信号采集、处理和外部控制功能框图如下，该系统具有处理速度快，精度高等优点。但是DSP外围电路复杂，且此方案成本高，所以我们放弃了此方案。图1 方案一原理框图方案二、使用MCU,用软件来实现高速数字信号处理功能通过采样电路对三相电取样，将采样信号输入给MCU进行运算，由MCU对大量的采样数据进行处理，得到电压、电流、相位、功率因数等参数，然后将所得参数存入相应寄存器，MCU做出相应的控制,控制显示装置的输出，通信单元的传输等。方案三、采用专用计量芯片ATT7028A实现数字信号
9、处理功能通过采样电路对三相电取样，将采样信号输入给专用计量芯片，通过计量芯片的内部运算后，将所得参数存入其相应寄存器，MCU通过相关接口将所需参数读到MCU内。MCU做出相应的控制,控制显示装置的输出，无线传输装置的传输等。ATT7028A是一款国产的电能计量专用芯片。除A/D转换部分，在芯片内还集成了数据运算电路，可以大大节省测量系统主控MCU的工作负荷。该芯片通过软件校正可将误差校正到0.5级以内，有效值测量误差小于0.1，数据采集及处理时间大约为1/3 s。为了保证测量精度他的采样频率为3.2 kHz。此芯片的接口简单，价格低廉，使用方便。方案论证：方案二优点是不需要其它专门芯片，通过对
10、单片机编程，用软件实现各个参数的测量。优点是软件编程灵活。缺点是由于大量的采样和数据运算给MCU带来很大的负担，大大影响MCU处理其他问题的速度。方案三中采样信号送给ATT7028A，ATT7028A可直接对采样信号处理，测出有功功率、无功功率、频率和功率因数等的测量，减轻了MCU的负荷。方案选择：通过比较，可以看出方案三，提高了系统的速度，确保了精度，减轻了编程的工作量，电路简单。所以选择方案三。ATT7028A电能计量芯片IA和UA取样IB和UB取样IC和UC取样单片机通信单元显示单元按键图2 系统总体方案框图2.2 控制部分MCU的选择方案一、采用传统的的51单片机优点:51单片机价格便
11、宜，应用广泛, 功能简单，易于控制而且操作方便,技术比较成熟。无论是从内部构造还是编程方面，51系列单片机都相对简单，容易掌握和使用。缺点:为了实现预存信息,必须外加具有掉电存储功能的EEPROM,而且在执行动态刷新的时候读取EEPROM的速度慢，刷新频率受到限制，而且51单片机工作速度慢，片内资源不丰富，I/O口数量很少，需要通过硬件扩展I/O口。这使得使电路的硬件、软件变得复非常复杂，同时复杂的外接电路会影响整个系统的响应时间，导致性能变差。 方案二、使用ATMEGA16单片机ATMEGA16单片机具有高速度、低功耗、丰富的片类资源的优点，内部含有AD 转换器、EEPROM、摸拟比较器、带
12、有PWM 功能的定时计数器等多种内部资源；I/O 接口多且具有很强的驱动能力，灌电流可直接驱动继电器、LED等器件，从而省去驱动电路，节约系统成本。方案论证：方案二中ATMEGA16单片机内部含有EEPROM,省去了外接存储器；I/O端口多且驱动能力强，芯片抗干扰能力强，省去了LCD的驱动电路；还具有功耗低，速度快等优点。与方案一中的51单片机相比，我们选择ATMEGA16单片机。方案选择：通过比较，选择方案二。2.3 取样电路方案一、直接选用标准电阻取样电压取样需要精密电阻串联分压，而且电阻阻值要大，以减小功耗，选380k和100R电阻串联分压，取出大约0.1v的信号送入ATT7028A,完
13、成电压信号取样。电流取样用组织较小的精密电阻，串联在电路中，取其两端电压，实现电流取样。优点是取样电压与电网电压没有相位差，电路简单。缺点是有电能损耗。方案二、选用变送器直流电流变送器将被测信号变换成一电压，经HCNR200/201线性光耦直接变换成一个与被测信号成极好线性关系并且完全隔离的电压，再经恒压（流）至输出。具有原理非常简单，线路设计精炼，可靠性高，安装方便等优点。变送器具有准确度高、线性度好、集成化程度高，结构简单，优良的温度特性和长期工作稳定性等优点。缺点是成本高。方案三、选用电压互感器，电流互感器互感器直接从电网取样，取出电压信号和电流信号送入计量芯片ATT7028A。采用互感
14、器的取样电路简单、准确度高切莫互感器一次侧和二次侧没有电的联系，只有磁的联系，从而保证了设备和人身的安全.。电流互感器把大电流按一定比例变为小电流，电压互感器把通过220 电阻，把电流转化成电阻。实现电流与电压的取样。方案选择：经过比较，我们选择方案三。2.4 显示电路方案一：选择四位八段LED数码管显示方案二：选择1602液晶显示方案比较：数码管显示不如液晶丰富，占用大量I/O口资源，达不到我们系统期望到达的显示功能，所以我们选择液晶显示。2.5 远程通信单元 单元框图如图3所示。从机进入远程模式，主机发送命令字给从机，从机接收命令字后，进行相应的数据处理，完成后发送数据字给主机。主机接收，
15、完成一次传输。无线发送模块用的是射频芯片SI4432,中心频率为430M。 天线SI4432射频芯片主机天线SI4432射频芯片从机 图3 无线通信单元框图 2.6 按键电路按键与1uf电容并联，实现防抖动功能。用两片74LS148组成16线4线优先编码器。16路开关经过编码器进行编码。1到16号按键开关分别对应显示三相电压、显示三相电流、显示三相有功功率、显示三相无功功率、显示总有功功率、显示总无功功率、显示功率因数、显示电网频率显示、显示有功电能、显示无功电能、密码锁定、密码设定、远程通信、软件校准等功能。 详细电路和按键功能表查看附录6.3.2。2.7 软件部分方案方案一、软件编程根据顺
16、序流程图根据顺序流程图进行编程， 优点是编程调理且编程方便。 方案二、软件编程根据状态转移图根据状态转移图，程序提供了丰富的用户界面，用户开机时，通过初始界面可以进入密码设置，从新设定密码，设置完成返回初始界面。通过用户初始界面可以选择三相电压、三相电流等测试数据的显示，并通过按键返回初始界面，并且可以进入远程控制并返回。即通过初始界面能进入人一个功能。 方案选择；经过对比，我们选择方案二，程序具体框图查看附录6.4。 3 理论分析与计算3.1 ATT7028A芯片介绍ATT7028A集成了六路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数
17、字信号处理等电路，能够测量各相以及合相的有功功率、有功能量、各项电流电压有效值、功率因数、相角、频率等参数。具体款图与引脚查看附录6.2。3.2 电压和电流有效值的测量如图4，电压采样值通过高通滤波器，进行平方运算，经过数字滤波器，在进行开平方运算，得到电压有效值。电压通道输入1000mv到10mv的信号时的误差小于0.5%。电流有效值的获取同电压有效值，ATT7028A通过对电流采样值进行平方、开放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%。电压取样值高通滤波器数字滤波器开平方得到电压有效值U电流取样值高通滤波器数字滤波器开平方得到电流
18、有效值I图4 三相电压电压、三相电流测量框图3.3 三相有功功率、有功电能、无功功率、功率因数、无功电能等的计算各相有功功率是对去直流分量后的电压电流信号进行乘法、加法运算，数字滤波等一系列数字信号处理后得到的。电流、电压采样数据中包含高达21次谐波信息。依据有功功率公式 得出各相有功功率、和。总有功功率为：单相有功电能计算公式：，可测出、。有功电能为：电压有效值电流有效值高通滤波器高通滤波器相位校正能量计算功率计算有功电能有功功率功率增益校正图5 有功电能有功功率测量框图三相四线制中无功功率、有功功率、功率因数的计算总有功功率: 总无功功率： 三相三线制中无功功率、有功功率、功率因数的计算总
19、有功功率：总无功功率：总无功电能：视在功率：,功率因数公式： 。为电压与电流相位的差角，称为阻抗角，也称为功率因数角。3.4 相序的检测三相电压与三相电流的相序检测可以按照先后过零点顺序进行判断，正确的电压相序为A相电压过零之后，B相电压过零，然后才是C相电压过零，否则错序。但在三相三线模式下，电压相序的检测是按照A相电压与C相电压的夹角进行判断的，当A相电压与C相电压的夹角在300度左右时，认为相序正常，否则错序。3.5 互感器取样电阻的选择本方案所选择的电压互感器为2ma/2ma电流型电压互感器，根据程序所设定基准，输入电压为220V时采样电压应为0.1V，为保证系统的宽测量范围并考虑到互
20、感器的线性区域，选择1ma作为基准采样电流，因此电压互感器输入端电阻应为: 其额定功耗为P = I2 * R = 0.22 W故选择220K 2W电阻作为输入电阻。输出采样电阻: 选用电流互感器规格为5A/2.5ma,根据软件设置输入1A时采样电压应为0.1V，故采样电阻：4 测试方法与数据、测试结果及分析4.1 校表方法使用软件自动校准，利用三相电能表较表。直接把ATT7028A的27脚（有功能量脉冲CF1）直接连到电能表上，然后根据标准电能表的误差读数对ATT7028A进行校正，ATT7028A只需对有功功率进行校正即可。 开始校表参数设置A相校正B相校正C相校正结束 功率增益校正角差校正
21、电压校正（额定电压）电流校正（额定电流）校正结束A相校正图6 校表流程 图7 分相校表，A相校表流程4.2 测试仪器 仪器型号备注DDS函数信号发生器TFG203030MHZ双踪示波器GOS-605150MHZ数字万用表VC9804A+3位半数显示三相电能表 M31597（10A、精度：0.5级） 三相调压器 三相调压电烙铁60W，做负载用三相自耦调压器表1 测试仪器4.3 测试方法使用三相调压器,可以调节三相电压到100V/220V/380V,负载经过电能表、三相调压器接入三相电网。负载使用4把60W电烙铁。三相四线模式下A、B、C相每相接一把60W电烙铁，相电压220交流电压通电15分钟计
22、数一次，被测试表与标准电能表同时接通在电路中,接通一小时,每隔0.25小时测一组数据,取5组数据平均值,填入表2中。4.4 测试数据负载三把60W电烙铁名称测试表标准表A相电压(V)217.2219.0A相电流(A)0.210.21A相有功功率(W)41.742.1A相无功功率(var)4.03.8总有功功率（W）)125.1125.9总无功功率(var)11.811.60.25小时总有功电能（kwh）31.3031.500.25小时总无功电能（varh ）2.932.90功率因数0.990.99电网频率(HZ)51.251.5表2 测试数据4.5 对测试结果的分析根据数据的有功电能的精度为达
23、到一级标准。无功电能的精度为：1.7%，达到二级标准。由于时间有限，没有测量感性和容性负载。从测试结果看，本系统已达到设计要求。误差来源分析：一是取样信号有偏差，即电流电压互感器线不是理想互感器，性度不够好，而且其取样与电网电压电流有偏角。二是标准电能表本身有误差，精确度是由有误差的电能表确定的。三是时间紧张，测试组数少，没有测容性负载和感性负载，不能更精确的确定被测电能表的各项性能。5 总结我们小组通力协作，团结互助，经过紧张的四天三夜的奋力拼搏，终于完成了多功能电表的制作。系统的功能与特点如下。5.1 基本功能本系统实现了通过按键对交流电压、交流电流、有功功率、无功功率、频率和功率因数等的
24、测量与显示；检测电压与电流的相序；掉电存储功能；相三线和三相四线任意选择；所测量的电压范围为0v至500v,电流范围为0A至2A.有功电能的精度达到了一级要求，测量的误差是0.6%。5.2 发挥部分通过按键实现了密码保护功能。通过使用MAX485电流环芯片，实现传输距离达1000米以上的长距离有线通信。加入了红外通信模块，可以实现红外通信。5.3 功能扩展部分一是无线传输模块，通过标准USART协议通讯，通讯距离达500米以上，用户可选择通过无线方式或RS-485有线通信标准进行长距离（=600M）控制并读取用电参数。二是程序提供了丰富的用户界面，用户开机时，系统自动检测相序是否正确，不正确提
25、示用户调整相序，正确进入密码输入，密码输入正确则进入用户初始界面，通过初始界面可以进入密码设置，从新设定密码，设置完成返回初始界面。通过用户初始界面可以选择三相电压、三相电流等测试数据的显示，并且可以进入远程控制。5.4 比赛总结 比赛四天三夜，时间紧，在选题和方案设计之中我们没遇到什么困难，整体思路简单而又清晰，但在实际制作过程中，遇到了很多困难。在电压电流取样的选择上犹豫不决，最后经过方案比较，综合分析拿定了方案；在芯片焊接上，ATT7028A管脚小而密集，给焊接带来了困难；在键盘制作上，开始键盘的防抖效果不好，最后采取1uf电容与按键并联的方式来防抖动。困难我们一一克服，当我们看到电表能
26、正确运行，我们心中充满了自信与喜悦。拼搏精神、团队精神对我们一生都是一笔宝贵的财富。在以后的日子里，我们会更加努力地提高自己、充实自己，继续在电子设计的海洋里继续遨游，追求它给予我们的无限激情。 6 附录6.1 参考文献【1】 海波，王卓然，耿德根，深入浅出AVR单片机，北京：中国电力出版社，2008。【2】 袁小平，电子技术综合设计教程，北京：机械工业出版社，2008。【3】 秦增煌，电工学简明教程，北京：高等教育出版社，2007.6【4】 何小艇，电子系统设计，杭州：浙江大学出版社，2006。【5】 李瀚荪，电路分析基础（第4版），北京：高等教育出版社，2006【6】 阎石数字电子技术基础
27、北京：高等教育出版社，2004年。6.2 ATT7028A外部引脚图与内部框图图8 ATT7028A引脚图 图9 ATT7028A内部框图 6.3 主要元件清单元件 备注 ATMEGA16单片机 ATT7028A计量芯片专门计量芯片 电流型电压互感器 2mA2mA 电流互感器 5A2.5mA 1602液晶 MAX485 芯片 收发器 无线收发模块 红外收发模块6.4 电路图6.4.1 5v电源图106.4.2 按键功能对应表与键盘简略电路图 按键号功能按键号功能1数字1/三相电压9数字9/有功电能2数字2/三相电流10数字10/无功电能3数字3/三相有功功率11密码锁定4数字4/三相无功功率1
28、2密码设定5数字5/总有功功率13远程通信6数字6/总无功功率14软件校表7数字7/功率因数15空8数字8/电网频率16空 图 11 键盘电路（其余十二个按键省略）6.4.3 ATMEGA16单片机外围电路 图12 单片机外围电路6.4.4 ATT7028A外围电路图 图13 计量芯片外围电路6.4.5 电流互感器与电压互感器电路图图13 互感器连接电路图6.5 程序框图及部分程序6.5.1 框图初始化ATT7028A测试相序相序不正确提示调整相序相序正确进入密码输入界面密码输入密码错误则循环密码设定确认新输入密码输入错误返回用户初始界面三相电流三相电压三相有功功率三相无功功率总有功功率总无功
29、功率电网频率功率因数有功电能输入正确进入远程通信操作结后束返回无功电能图14 程序框图6.5.2部分程序/*Protol type : void read_Pt(void)return : noneparameter : noneFunction : 从ATT7028AU中读取当前总有功功率并显示，通过任意键退出*/void read_Pt(void) /总有功功率 char lcd_buffer17; float power_Data; key_FLAG = NO_KEY; delay_ms(10); while(key_FLAG = NO_KEY) lcd_clear(); lcd_got
30、oxy(0,0); lcd_puts(Total Act Power:); power_Data = Read_ATT7028_Power(r_Pt); sprintf(lcd_buffer,%.1f W,power_Data); lcd_gotoxy(0,1); lcd_puts(lcd_buffer); delay_ms(500); key_FLAG = NO_KEY;/*Protol type : float Read_ATT7028_Q(unsigned char reg)return : float 实际对应的功率因数值parameter : unsigned char reg - ATT7028 各相功率因数计量寄存器地址 寄存器地址范围：0x14-0x17 Function : 读ATT7028各相功率因数寄存器的值，并转换为实际数值 */float Read_ATT7028_Q(unsigned char reg) long val; float retv; val = Spi_Read_ATT7028(reg); val = TransComplement(val); retv = val / 0x800000; return retv;
