E甲多功能电气参数测试仪

I多功能电气参数测试仪摘要：本三相多功能电表采用凌阳SPCE061A板控制器，以高精度的三相电能专用测量芯片ATT7022A为核心测量芯片，实现对三相工频交流电三相电压、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的测量与显示，测量精度高，且具有电压和电流相序检测、掉电存储、密码保护等功能。本设计还通过RS-485通讯实现远程测量、红外通信实现向掌上PDA手抄表的信息传送，并通过按键菜单和LCD显示提供人机交互界面。关键字：ATT7022A、SPCE061A、标准RS-485通讯、红外数据通信、LCD显示模块Abstract:Thethree-phasemulti-functionmeterwithSunplusSPCE061Aboardcontroller,dedicatedtohigh-precisionmeasurementofthree-phaseelectricalenergymeasurementchipATT7022Acorechiptorealizethemeasurementanddisplayoftheparamentsconcerningthree-phaseACfrequency,includingthree-phasecurrent,three-phaseactivepower,three-phasereactivepower,totalactivepower,totalreactivepower,powerfactor,powerfrequency,activeenergyandreactiveenergy,withhighaccuracy.Besides,ithasphasesequencevoltageandcurrentdetection,power-downstorage,passwordprotectionandmorefeatures.Aswell,itsdesignofcommunicationthroughRS-485remotemeasurementsandIrCOMMIrCommunicationsmakestheinformationofPalmPDAhandmeterreadingconveniently,andthroughthebuttonmenuandLCD,thethree-phasemulti-functionmeterasloprovidesman-machineinterface.Keywords:ATT7022A,SPCE061A,StandardRS485communication,infrareddatacommunication,LCDdisplaymodule.1一、系统方案设计与比较在采样系统中，通常的做法是将采集到的数据读取到MCU中，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。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。ATT7022是一款国产的电能计量专用芯片，比进口电路价格低廉。除了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1／3s。为了保证测量精度他的采样频率为3.2kHz。此芯片的接口简单，使用方便。本系统主要由ATT7022A电压电流测量模块、MCU数据采集处理模块、通信模块、显示模块、按键模块、电源模块组成。1、对参数的测量计算的论证与选择：方案一：采用两点采样法。对正弦电压电流值相隔π/2采两组数据，并计算得各参数值，此方案增加了MCU的运算负担，影响了测量的速度与精度，且可能会限制其他功能的可靠实现。方案二：采用高精度的三相电能专用测量芯片ATT7022A作为主控芯片，该芯片适用于三相三线和三线四相制，可由内部DSP模块自动处理数据，内部寄存器直接提供各参数值且具有电压电流相序检测等功能，测量精度高，价格便宜，简单易行且可靠性高。综合以上论述，选择方案二。2、处理器的论证与选择：方案一：采用16位单片机SPCE061A为控制核心，其内置存储可以满足本系统所需的全部要求，适用频率范围较大且同样具有较强的处理功能，稳定性强经济实惠。方案二：采用89c51处理器，但运行速度较SPCE061A慢些，在实现功能的方面，可靠性不好，且外围扩展较麻烦。综合以上论述，选择方案一。3、显示模块的论证与选择：方案一：采用LED数码管显示，采用74LS74驱动数码管动态显示，控制比较简单但占用较多I/O口，不能实现资源的有效利用，而且只能显示一些简单的字符，显示信息量有限。方案二：采用LCD12864液晶显示，LCD微功耗、超薄轻小，有强大的中文字库显示的信息量大、字迹清晰，因此具有友好的人机交流显示界面，特别适合智能仪表的可编程人性化显示。综合以上论述，选择方案二。4、红外模块的论证与选择：方案一：采用TSOP138红外接收头，编码译码方式简单且易于实现，性能稳定，可以实现高速的传输，能实现本系统的红外数据通信的要求。方案二：采用HS0038能实现本系统的基本要求，但编码译码方式较麻烦不易实现。综合以上论述，选择方案一。2二、基本测量原理1、对ATT7022的分析：本系统采用高精度的三相电能专用测量芯片ATT7022A作为主控芯片，其有功测量满足0.5S/0.2S，支持IEC687/1036，GB/T17883-1999，无功测量满足2级、3级，ATT7022三相电能专用计量精度非常高，适用于三相三线和三相四线应用。ATT7022集成了六路二阶sigma-deltaADC、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字信号处理等电路。ATT7022能够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，充分满足三相复费率多功能电能表的需求。2、各电路参数的计算T02res)(T1Udttu电压有效值：T02res)(iT1Idtt电流有效值：S)(abs)(absQ)(SignPFP功率因数：CBCAAB3IUIUP三相三线合相功率：909090Q......3IUIUIUCCBBAA23233SQPCBCAAB4IUIUP三相四线合相功率：909090Q......4IUIUIUCCBBAA24244SQPdttpEP)(:有功能量dttE)(q:q无功能量3三、基本硬件设计1、系统总体框图：MCU1SPECO61AATT7022A数据处理数据三相电流三相电压三相交流电UART串口通信MAX485通信端MAX485通信端MCU2SPECO61A键盘LCD红外通信端红外通信端MCU2SPECO61A键盘LCD图1系统总体框图2、RS485通信：图2MAX485电路设计RS-485是一个电气接口规范，它只规定了平衡驱动器和接收器的电特性，而没有规定接插件、传输电缆和通信协议。RS-485接口的主要特点如下：·传输方式：差分·传输介质：双绞线·差分输入范围：-7V～+7V4·接收器输入灵敏度：±200mV·接收器输入阻抗：≥12kΩ·最大传输速率：10Mbps·最大电缆长度：4000英尺3、红外发送与接收：本系统采用TSOP138红外接收头来接收红外信号，红外遥控是利用红外线进行传递信息的一种控制系统，红外遥控具有抗干扰，电路简单，编码及解码容易，功耗小，成本低的优点，目前几乎所有的视频和音频设备都支持这种控制方式。图3红外发送接收原理图4、12864显示和键盘模块：1）本系统采用12864LCD液晶显示模块来显示所测得、计算出的三相电各参数。由按键通过SPCE061A来控制12864显示用户所需的各测量参数。12864液晶显示，功耗低且能实现本设计中的所有要求，有很好的人际交互显示页面。2）本系统利用键盘控制12864的显示内容，并且通过键盘实现电表的密码保护功能，保证了一定的安全性和现实的灵活性。使用键盘时应注意键盘对应MCU的引脚编号来对应进行对应的软件设计，并且注意键盘的消抖一定要对应确定的内容。5、电源：电源由变压部分、整流部分、滤波部分、稳压部分组成。采用7805,7812,7905,7912稳压芯片为整个系统提供±5V或者±12V电压，确保电路的正常稳定工作。由于rs485通信采用光电耦合进行防干扰，因此需分开供电，这部分采用电池。四、基本软件设计1、程序功能描述与设计思路：根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。1）键盘实现功能：输入密码以及选择所要显示的电路参数；2）显示部分：显示电压值、频率等参数；3)控制485及红外可将现场的电路参数传输到控制台；4)若发生掉电，可通过设置flash进行掉电保护操作。52、主程序流程图：StartMCU1初始化密码是否正确红外发送485发送液晶控制界面参数显示过流过压检测End按键输入按键输入参数采集YN报警以及其它保护措施NStartMCU3初始化485接收密码是否正确参数显示YEnd按键输入按键输入N提示输入密码StartMCU2初始化红外接收密码是否正确参数显示YEnd按键输入按键输入提示输入密码提示输入密码YN图4软件设计总体框图五、硬件与软件测试1）用数字万用表分别测试每条导线，看是否导通，有无断路和短路情况，看整个系统的地线是否都接在一起，看焊接点有没有虚焊等。2）三相高精度电压电流信号源提供电源，通过高精度多功能电能表测量各个参数与本系统测量参数进行比较，从而对系统硬件和软件等参数方面进行校正，使精度提高。3）通过信号发生器和示波器调试RS485、红外通信的精度和速度。六、测试结果及分析标号相123456A相实际值（V）57.557.81127.0126.89219.45219.10测量值（V）57.7057.59127.20126.70220.00219.60误差（%）0.310.420.160.150.250.226B相实际值（V）58.3357.01126.16127.27219.93218.76测量值（V）58.0156.61125.45126.69219.54216.80误差（%）0.550.700.560.460.180.90C相实际值（V）57.457.39127.19127.28219.59219.20测量值（V）57.3057.50127.00126.8219.00218.40误差（%）0.230.240.110.370.310.36表1电压测试表时间：1h次数参数123456实际值（kW.h）0.1910.2680.34520.47780.5480.654测量值（kW.h）0.1900.2670.34580.4770.5430.650误差（%）0.340.50.20.150.880.62表2有功电能测试表测试分析与结论：根据上述测试数据，经分析可以得出以下结论：1）能对三相工频交流电（频率波动范围为45-65Hz）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在误差允许范围内进行测量。2）实现电压和电流相序检测功能，有掉电存储功能。3）发挥部分的密码保护、标准RS-485通讯来实现远程测量、红外通信都可以满足要求。综上所述，本设计达到设计要求。七、参考文献[1]《单片机原理及使用技术---凌阳16位单片机原理及应用》，西安电子科技大学出版社[2]ATT7022A用户手册[3]《模拟电子技术基础》（第四版），高等教育出版社[4]《数字电子技术》（第五版）高等教育出版社[5]《电路》（第五版）高等教育出版社7附录1、系统电路图：82、ATT7022控制部分源程序：#includeSPCE061A.hlongintatt7028_rCmd(intcom)