智能交流有功功率测量仪表的设计说明.docx
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智能交流有功功率测量仪表的设计说明
摘要
电子式有功功率表现在已经广泛应用也将更加广泛地应用在计量领域。
目前,电子式电能表呈现进一步发展的趋势,电子式有功功率表也必将进一步代替传统感应式仪表。
因此对电子式电能表的研究与设计不仅具有研究意义,而且还具有一定的现实意义。
电子式有功功率表主要是采用了现代先进的数字信号处理技术以与强大微处理器控制技术,将传统的模拟式的计最数字化智能化。
计量更准确,抗干扰能力更强,功耗也更低,同时一也具备很好的扩展性。
本课题所研制的电能表主要采用高性能低功耗微处理器AT89C55和高精度电能测量芯片ATT7022B为数据采集核心。
对有功功率表的硬件电路进行了阐述,主要包括电源电路、计量电路、单片机控制电路等。
具体划分起来上要有电源、电压/电流采样、数据存储、液晶显示、计量、实时时钟、单片机控制等模块电路。
软件上,简单设计了基本的计量、中断以与显示等程序并绘制其原理流程图。
关键词:
有功功率表,ATT7022B,AT89C55,单片机控制
Abstract
ElectronicWattmeterhasbeenwidelyappliedintheperformanceandwillbemorewidelyusedinvariousareasofactivepowermeter.Atpresent,theactivepowermetershowedthetrendwhichthefurtherdevelops,activepowermeterisalsowillcertainlytofurtherreplacethetraditionalactivepowermeters.SotheWattmeterresearchanddesignnotonlyhassignificance,butalsohaveacertainsignificanceofthereality.
ElectronicWattmeterismainlyusedinmodernadvanceddigitalsignalprocessingtechnologyandpowerfulmicroprocessor-controlledtechnology.Moreaccuratemeasurement,strongeranti-interferencecapability,alsolowerpowerconsumption.
Thedesignmainlytakeshighperformance,lowpowerlossMCUAT89C55andhighaccuracymeasurementchipATT7022Basthecore.Anddesignofhardwareonthecircuit,includingthemainpowercircuit,measurementcircuits,MCUcontrolcircuit.
Keywords:
Wattmeter,ATT7022B,AT89C55,MCUContro
第一章绪论
1.1选题的目的意义
电力是人们日常生活和工业生产中的主要能源,在现代社会中起着越来越重要的作用。
三相有功功率测量仪是一种测量三相电源有功功率参数的仪器,它在电力系统中起着非常重要的作用。
随着精密加工企业的不断增加和企业对产品质量控制意识的增强,越来越多的企业将测量设备搬到了加工设备的旁边,希望零件从加工设备上取下后马上进行检测或不取下直接测量,以缩短加工时间提高效率,便携式的仪器就应运而生。
但是由于生产工艺和环境的限制,大部分的此类仪器都存在着环境适应性差,精度不稳定等弱点。
大型的台式仪器存在着对环境要求严格、场地面积大等问题。
如何将二者的优点结合起来,生产出既使用方便又小巧便携还能保证稳定精度的有功功率测量仪器,成为各个仪器生产商努力的方向。
仪器的小型化、便携化、自动化将是生产现场使用的测量仪的发展方向。
传统的电参数测量仪的局限性一般体现在以下几个方面:
第一,进一步提高精度十分困难,动圈式仪表目前只能做到一级,自动平衡仪表结构相对复杂,精度一般在0.5级,若采用闭环结构虽可以提高精度,但随之而来的却是结构相当复杂,成本也会大幅提高。
第二,仪器的功能单一,进行综合测量时要携带多个仪器,操作人员工作强度大。
第三,无法进行网络连接,实现远程测量和控制,提高劳动生产率。
本课题研究的有功功率测量仪可用于在线进行交流电有功功率的测量,采用液晶显示,读数直观、准确。
并且具有和计算机通信的能力,便于实现电力系统自动化。
具有广阔的市场和发展前景。
1.2国外研究综述
电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。
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通过电子线路转变为数字信号,进行计算并显示出来。
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。
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。
以前简单廉价的指针式仪表的测试方法多采用直接测量或者间接测量,前者测量参数的精度不足,后者测量精度比较高,但是使用两种测量方式的传统测试系统都需要自己搭建,而且需要针对不同的参数改变电路。
现在即使有采用电子线路的数字仪表测试仪器,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,也需要大量的需要手动操作,参数测试速度慢,精度不高,越来越难以满足电子系统和设备的实验、设计、生产、维护中对参数测试的需要。
第三代有功功率测量仪表以单片机作为控制的核心,使整个系统显得精简,不但能达到所要求的技术指标,还具有灵活的现场更改性,还有处理速度快,实时性好、可靠、抗干扰性强等优点。
课题所研究的技术具有良好的发展前景。
比如美国AD公司提供了一种有功功率测仪表方案,采用“MCU+高精度ADC”,结果在不减少功能的前提下,缩小了体积、功耗、可靠性明显提高。
1.3毕业设计(论文)所用的方法
本设计的有功功率表主要包含电源模块、采样计量模块、通信模块、存储模块、微控制器与显示模块等。
微控制器AT89C55是控制核心,它协调控制各个功能模块的工作。
本设计出于对精度、可靠性等方面的考虑,采用单片机为主体,配以专用计量芯片来检测电信号,实现有功功率的测量。
1.4主要任务与目标
本次设计主要任务:
a.用单片机为核心设计一个测试仪表,可对三相电源的有功功率进行测量;
b.用多个数码管显示测量结果;
c.可键盘设定测量围;
d.自行扩展功能,使之更加完善。
第二章三相有功功率测量的工作原理
2.1三相电路与有功功率测量概述
2.1.1电路连接
三相电源是由振幅相等、频率一样的三个正弦电压
、
、
组成,其初相互差120°。
三相电源有两种基本连接方式:
Y连接和△连接。
Y连接是将三相电源的末端接在一起,形成一个中性结点N,从各相的始端与中性点N引出四根输电线分别为相线和中线,相线与中线之间的电压称为相电压
。
相线之间的电压称为线电压
,流过相线的电流称为线电流
,流过每相电源的电流称为相电流
。
Y连接示意如图2-1(a)。
三相对称Y连接时,有如下关系:
(2.1)
式中:
、
---线电压和线电流;
、
---相电压和相电流。
对称三相电源也可以采用△连接,它是将三相电源各相的始端和末端依次相连,再由三个顶点引出三根相线与负载相连。
三相电源作△连接时,要求三绕组的电压对称,如果不对称程度比较大,所产生的环路电流将烧坏绕组。
△连接示意如图2-1(b)。
三相对称△连接时,有如下关系:
(2.2)
式中:
、
---线电压和线电流;
、
---相电压和相电流。
图2-1三相电源的星形连接和三角形连接
三相负载也分为Y连接和△连接,当电源为Y连接时,根据负载接线方法一般有三相三线制和三相四线制之分。
当三相负载为△连接时可构成三相三线制,如图2-2(a)所示。
当三相负载为Y连接时可构成三相四线制,如图2-2(b)所示。
三相四线方式时,流过各相负载的电流等于各相电源流过的电流。
当电路为对称三相电路时,中线电流为零。
此时中线可以去掉,变为三相三线制。
图2-2三相负载连接图
2.1.2有功功率测量方法
目前,应用于电力系统中的各种智能测量仪表、监控装置和综合自动化系统,采样计算式测量方法主要分为两类:
直流采样法和交流采样法。
直流采样法,即采样的是经过变换后的直流量。
采用直流采样法通常是通过测量平均值来计算电压、电流有效值的。
此方法软件设计简单、计算方便,对采样值只需作比例变换即可得到被测量的数值。
但是直流采样方法存在一些问题,如:
测量准确度直接受整流电路的准确度和稳定性的影响;整流电路参数调整困难,而且受波形因数的影响较大等。
当被测信号为纯正弦量时,有效值
与平均绝对值
之间的关系为:
=1.11
。
当输入信号中含有谐波时,
与
之间的关系将发生变化,并且谐波含量不同,两者之间的关系也不同,这将给计算结果带来误差。
目前,随着非线性负载应用的增多,产生大量的高次谐波电流,使得电压、电流波形发生了很大的畸变,这样一来,采用直流采样方法就会带来较大的误差。
交流采样是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样,再用一定的数值算法求得被测量的值,它与直流采样的差别是用软件功能代替硬件功能。
1974年美国国家标准局将计算机采样数值计算用于精密测量领域,研制出第一台用采样方法的数字式瓦特表。
从此,这种采样计算式的周期信号的测量方法,在国际上获得了人们广泛的研究兴趣。
2.2有功功率测量原理概述
以下以A相为例,设在t时刻负载两端的交流电压和流过负载的交流电流的表达式为
(2.3)
(2.4)
式中:
—电压峰值,
—电流峰值,U—电压有效值,I—电流有效值,
—电压与电流相位差,
—角频率。
如果已知电压、电流的有效值与相位差,那么负载上消耗的瞬时功率为:
(2.5)
A相的有功功率
可以定义为瞬时功率在
的一个周期的平均值
(2.6)
式中:
T—正弦周期,
。
则三相总的有功功率是
(2.7)
在实际中,负载是不断变化的,无法快速而准确的得到每个周期的电压有效值、电流有效值,以与电压向量和电流向量的相位差,所以无法按式(2.6)直接求得有功功率。
电参数的测量方式有电解式、感应式、电子式,目前在实际应用中最常用的为电子式。
有功功率表一般都要经过电压电流分别采样,然后对两者相乘,再进行累加。
对于相乘所使用的乘法器是有功功率表的重要部件。
电子式电参数测量单元的乘法器一般可分为模拟乘法器和数字乘法器两类。
根据本次设计选用方案,对数字乘法器原理进行介绍。
[1]
数字乘法器型有功功率表以微处理器为核心,对输入的交流电压、电流波形进行分时采样,将经过取样变换的被测电压信号和电流信号由A/D转换器完成数字化处理,然后由CPU对电压、电流数字量进行相乘、相加等处理和运算,得到有功功率。
数字乘法器实现有功功率测量的测量精度主要取决于A/D转换器的准确度和采样间隔的大小,直接决定有功功率表的精度和准确度。
A/D转换器的准确度越高,则测量准确度越高;采样的间隔越小,采样频率越高,则测量准确度越高,从而对有功功率的测量更准确。
[2]
利用作图法可求得一个周期各采样点的功率,如图2—3所示。
从图2—3可以看到各采样点功率
为:
(2.8)
一个周期的平均功率为:
(2.9)
式(2.9)是一个数值计算公式,可以由微处理器完成。
这种方法通过模数转换器(也称A/D转换器)把交流电压、电流模拟量转换为数字量。
利用高精度A/D转换器,增加采样次数可以将有功功率计算得很准确。
图2-3分时采样与采样点功率
数字乘法器的关键器件为A/D转换器,由它把交流电压、电流模拟量转换为数字量。
所有的A/D转换器的工作过程都是由三个基本转换过程组成的,即采样、量化和编码。
数字型乘法器的实现电路可由单片机、A/D转换器、采样保持器、多路模拟开关和显示器等部分组成,这是所谓的分立电能计量方案。
但是,这种电路的硬件部分元件多、体积较大;而其软件也较复杂,目前,实际应用中基本没这个方案。
由于今年来集成电路技术的发展与工艺技术水平的提高,专用的集成计量芯片开发变得比较容易。
一些基于数字乘法器原理的电能计量芯片被开发出来。
目前,此类产品种类较丰富,得到大量应用。
[3]
第三章系统硬件设计
3.1系统整体结构
硬件是系统功能实现的基础,系统的设计首先是硬件的设计。
硬件部分总体结构框图如图3-1所示:
图3-1系统框图
本设计的有功功率表主要包含电源模块、采样计量模块、通信模块、存储模块、微控制器与显示模块等。
微控制器AT89C55是控制核心,它协调控制各个功能模块的工作。
本设计出于对精度、可靠性等方面的考虑,采用单片机为主体,配以专用计量芯片来检测电信号,实现有功功率的测量。
它的工作过程是把被测交流电压、电流信号经过电压、电流互感器变换成交流小电流信号,信号调理模块采用I/V转换电路把它变换成-4.5~4.5v的交流电压信号,再进行滤波。
采样模块按事先确定的采样间隔对信号调理模块的输出进行采样,采样值进行A/D变换后存入数据存储器,等采样完预先确定的采样点数后采样过程结束,CPU对采样值进行数据处理。
根据第二章中的算法,计算出有功功率,处理结果可以在液晶显示器上显示,也可以通过通讯模块传送到上位机。
3.2计量电路模块
计量电路是电能表计量的核心,其主要有衰减网络和滤波网络两部分组成,衰减网络用来实现负荷电流、电压信号的衰减,由电流传感器、电压互感器组成;滤波网络用来实现抗混叠滤波,由电阻、电容元器件组成。
频率混叠是A/D信号采样处理中的特有现象,混叠会产生假频率假信号,影响测量结果,所以在负荷电流、电压信号衰减后,还要进行抗混叠滤波处理。
[4]
计量电路模块选择ATT7022B。
ATT7022B是一款高精度三相电专用计量芯片,它集成了六路数模转换器,其中三路用于三相电压采样,三路用于三相电流采样。
并提供一个SPI接口,方便与外部MCU之间进行计量参数的传递。
高精度三相电能计量芯片ATT7022B是计量电路主要的数据处理单元,它将检测来的电压和电流信号经过处理并将相应的数据存储于自身的存储单元。
本设计中电压通道Un对应模数转换器的输入选在0.5v左右,电流通道Ib对应模数转换器输入选在0.1v左右。
计量电路设计如图3-2示。
图3-2计量电路原理
电力线中的电信号输入到电能表中的有A相、B相、C相三相电流和三相电压,它们分别连接到计量芯片ATT7022B中相应的模拟输入引脚。
ATT7022B的模拟输入引脚分别为V1P/V1N、V2P/V2N、V3P/V3N、V4P/V4N、V5P/V5N、V6P/V6N、V7P/V7N。
3.2.1电流输入通道
A相、B相、C相电流信号正负模拟输入引脚分别为V1P/V1N、V3P/V3N、V5P/V5N,电流信号经过处理后从这些引脚进入到ATT7022B中。
以A相为例,它的电流信号的流向为:
电流信号经过电流互感器CT后处理为电压小于1.5V的信号,即适合输入到V1P、V1N的电压幅度,然后通过电阻、电容构成的RC滤波器滤波,再经过两对倒置开关二极管组成的电压保护电路,最后才成为输入的电流。
为了减少低电流负荷时电流互感器检测的误差,本课题的设计采用双变比电流互感器,即高变比150(250)/5A和低变比30(50)/5A。
当电源低于额定负荷的20%时,采用低变比电流互感器检测电路,否则采用高变比电流互感器检测电路。
这一转换过程首先是微控制器AT89C55和ATT7022B进行通信,时刻检测负荷功率,从而判断并通过P3.3引脚控制多路模拟开关CD4053,通过参考CD4053真值表3-1,可以得出当P3.3为低电平时,选通ax、bx、cx,当P3.3为高电平时,选通ay、by、cy。
INH输入端输入“1”电平时,全部通道置于关断状态。
当INH输入端输入“0”电平时,全部通道置于开通状态。
其中B相、C相电流电压采样电路均和A相电路一样。
表3-1COD4053真值表
禁止端INH
控制端
通道选择
1
ABC
﹉﹉﹉
0
000
axbxcx
0
111
aybycy
3.2.2电压输入通道
A相、B相、C相电压信号正负模拟输入引脚分别为V2P/V2N、V4P/V4N、V6P/V6N,电压信号经过处理后从这些引脚进入到ATT7022B中。
以A相为例,电压信号经过电压互感器PT后处理为电压小于1.5V的信号,即适合输入到V2P、V2N引脚的电压幅度,然后通过电阻、电容构成的RC滤波器滤波,再经过两对倒置开关二极管组成的电压保护电路,最后才进入到V2P和V2N中。
3.3数据管理模块
3.3.1微控制器
有功功率表的设计首先考虑的是精确,另一个要素是可靠,需要长期稳定地运行,有功功率表投入使用后由于它自身的实际情况,维护起来手续多、围广、难度大,因此设计出发点就是尽可能地使系统长期精确、稳定可靠地工作,而且能够免于经常性的维护。
其次,有功功率表的可扩展性也是一个需要考虑的因素,电表技术还在不断地发展,用户的需求也在不断增加,为以后的需求留下一定的空间也是设计的一个重点。
再次,有功功率表的性能、硬件成本应该定位在适用的围,成本也是需要考虑的一个重要问题。
基于上述考虑,本电能表的核心微控制器选择Atmel公司的AT89C55。
微控制器AT89C55是一种低功耗、高性能CMOS-8位微控制器,具有20K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89C55为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
其具有的标准功能有:
20K字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,两个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片晶振与时钟电路。
另外,AT89C55可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
AT89C55是有功功率表工作运行的核心,其主要功能有:
(1)从ATT7022B读取测量数据并处理;
(2)和DS32C35通信,存储测量数据与异常记录并读取实时时钟;(3)将相应数据显示在液晶屏上;(4)提供串口通信。
3.3.2存储时钟芯片
实时时钟(RTC)采用DS32C35,它是(8kx8位)的非易失FRAM存储器,是业界精度最高的RTC。
DS32C35的RTC采用双电源供电模式,VCC为主电源输入,VBAT为备份电源输入。
其供电模式选择是有温度补偿参考电压和比较电路所控制,当VCC>VPF时,由VCC向RTC供电;当VCC RTC有12个寄存器,其中有7个寄存器与日历、时钟相关,存放的数据位为BCD码形式。 此外,RTC还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器,时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器容。 时钟的运行和停止由0Eh单元EOSC控制,当EOSC=1时,时钟停止;EOSC=0时,时钟运行。 本有功功率表的数据存储单元采用DS32C35的FRAM区域。 3.3.3存储电路 存储电路中,微处理器AT89C55是处理核心,电路中包括两种通信协议: SPI和IIC。 ATT7022B部集成的SPI串行通信接口采用从属方式工作,使用两条控制线和两条数据线: CS、SCLK、DIN和DOUT,具体引脚功能可参考表3-2。 考虑到SPI传输信号线有可能受到干扰或者出现抖动,为此在SPI信号线上串联一个10Ω小电阻,这个电阻与电容C结合起来可构成一个低通滤波器,可以消除SPI接口信号上的任何振荡,和微控制器的连接图如3-3所示。 存储电路如图3-4所示,SCL引脚与AT89C55的P1.6相连,SDA引脚与AT89C55的P1.7相连,两引脚均接有10k上拉电阻,VCC接有滤波电容,VBAT接有3.0V后备电池。 其存储过程,首先是AT89C55通过SPI接口从ATT7022B的到相应数据,并作相应的处理,然后经过IIC通信接口写到DS32C35的FRAM区域。 其中DS32C35具有连续读写的功能,从而大大提高了通信速度。 表3-2 引脚 标示 特性 功能描述 35 输入 CS SPI片选信号,低电平有效,部上拉200K电阻 36 输入 SCLK SPI串行时钟输入,上升沿放数据,下降沿取数据 37 输入 DIN SPI串行数据输入,部下拉200K电阻 38 输出 DOUT SPI串行数据输出,CS为高时高阻输出 图3-3连接电路 图3-4存储时钟电路 3.4微处理器外围与显示电路 本有功功率能表采用的微处理器AT89C55为贴片式芯片,其外围R1与C1组成微处理器的上电复位电路,U4为微处理器正常工作的外置晶振,频率为12MHz。 其中J1、J2、J3为三个功能按键。 三个功能按键J1、J2、J3的功能为: J1: 按下显示当前有功功率。 J2: 按下显示故障记录。 J3: 按下进行数据的清零。 本设计显示电路包含LCD液晶显示部分和LED报警指示部分。 其中LCD是主要的电能显示屏,采用WH2004A高清晰字符液晶模块,可提供有功功率、异常记录、日期与时间的显示;LED用于电表异常报警指示,包括断相、错相等报警。 液晶屏WH2004A为20字符×4行的显示容,液晶模块共有16个引脚,分别为: (1)Vcc: 电源输入引脚,接+5V。 (2)CV: LCD驱动电压(可调,一般为0V)。 (3)GND: 接地端。 (4)E: 输入引脚。 读操作时,信号下降沿有效;写操作时,高电平有效。 (5)RS: 输入引脚。 RS=0,当MCU进行读模块操作,指向地址计数器; 当MCU进行写模块操作,指向指令寄存器; RS=1,无论MCU进行读操作还是写操作,均指向数据寄存器。 (6)PW: 输入引脚。 RW=0,写操作;RW=1,读操作。 (7)DB0~DB7: 8位I/O口,MCU与LCD模块之间的数据传送通道。 RS、RW、E为控制引脚,分别与微控制器的P2.1、P2.2、P2.3相连接;DB0~DB7为数据传送引脚,与微控制器的P0口相连接,数据线均连有上拉电阻。 数据通过P0口以ASCII码形式传送并写入到LCD的部寄存器DDRAM,在传送之前首先是LCD的忙检测,通过DB7,即只有读到DB7引脚为低电平时才可往LCD写入数据。 整个外围连接与显示电路如图3-5所示。 图3-5微处理器外围与显示电路 3.5通信模块 3.5.1RS-485通信协议 RS-485是一种串行数据接口标准,是由电子工业协会(EIA)于19
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