电子设计竞赛08山东2年B题单相电参数测量仪1.docx
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电子设计竞赛08山东2年B题单相电参数测量仪1
B乙单相电参数测量仪
青岛滨海学院刘龙王洪令吴长丽
专家点评:
该设计采用三相基波/谐波电能计量芯片ATT7022B为核心测量器件,以AT89C2051单片机完成打印、显示、控制等任务,很好地实现了题目要求的各项功能和技术指标。
ATT7022B的使用降低了开发难度,测量精度高。
但ATT7022B适用于三相三线和三相四线模式,在本设计中,ATT7022B的许多功能得不到充分利用。
山东理工大学谭博学教授
2008/9/24
一、任务
设计制作一台电子式电参数测量仪,该电参数测量仪能测量电压、电流、有功功率、功率因数、电量、频率等电参量。
二、要求
1.基本要求
(1)电压测量值取3位整数;
(2)电流测量范围为0--10A,保留2位小数;
(3)有功功率只取整数,功率因数和电量取2位小数,频率取1位小数;
(4)电压、电流、电量允许误差2%;
(5)上述各参数能实时显示;
(6)设计参数测量仪所用的电源。
2.发挥部分
(1)各参数允许误差0.5%;
(2)具有打印功能,可打印当前时间的电参数值和累计电能值;
(3)可设置大负载断电报警功能,大负载报警电流可任意设置;
(4)可实现预购置电能功能,当有剩余电量为10kwh时,测量仪将断电工作10秒以示报警;
(5)可实现分时计量电量功能,时段不少于8段;
(6)其它。
摘要
本单相电参数测量仪以C8051F020单片机为主控制单元,辅以AT89C2051单片机,采用电能测量芯片ATT7022B测量电参数,不但能够实现电参数的精确测量,而且还有过流报警和控制、电压报警、温度报警、电能的预付费与提示、电能的分时计量、电参数的纸质化输出、数据的掉电保存等功能,整个测量仪由所设计的稳压电源供电。
C8051F020单片机实现测量数据的简单处理,蜂鸣器和指示灯进行异常报警,继电器控制断送电,人机交互平台中液晶、八按键键盘和微型打印机控制;AT89C2051单片机通过DS18B20实现温度的实时检测。
在电参数的测量部分,采用互感器把强电信号变为能够处理的弱电信号,经过ATT7022B的采样与计算,并与单片机C8051F020通信。
测量精度达到0.5S以上。
发挥部分实现了过压、欠压的报警,温度的检测与报警,系统的加密、解密、日历与时钟功能。
关键词:
单相电,测量仪,C8051F020,ATT7022B
1方案论证与系统概述
**采样芯片的比较与选择
1.1.1电能测量芯片
方案一:
采用电能测量集成电路ADE7755
方案二:
采用电参数测量集成电路CS5463
方案三:
采用高精度三相电能计量芯片ATT7022
ADE7755的技术指标虽然超过了LE1036规定的准确度要求,但ADE7755不能被数字校准,需要昂贵的DSP或在装配线手工调整来校准(成本较高),实验室条件不足,而且很难完成除电能以外的电参数如电压,电流等的精确测量。
CS5463虽然可以精确测量电网中的各个参数,但是考虑本题对测量的电能要求较复杂,而CS5463内没有电能寄存器,因此将会大大增加设计的难度。
ATT7022B能够精确测量电网的各个参数,而且有专门的电能寄存器,针对本题对于电能的控制较为复杂的特点,选用ATT7022B可以大大降低开发的难度,并且ATT7022硬件电路简单,易于单片机实现控制,特别是ATT7022B可支持全数字校表,可以提高校表精度、简化硬件设计、降低设计成本。
综合考虑,在本次的单相电参数测量仪中我们采用了方案三。
**处理器的比较与选择
方案一:
采用STC89C52这款单片机作为主控制器
方案二:
采用单片机C8051F020作为主控制器
STC89C52具有ISP/IAP功能,应用方便。
但是其本身资源有限,在应用的过程中需要另外扩展,增大了硬件和软件的复杂度。
C8051F020完全集成的混合信号系统级MCU芯片,拥有与8051兼容的CIP-51内核(可达25MIPS),硬件资源丰富,方便在线调试,极大的降低了硬件与软件设计的难度,缩短了开发的周期,而且易于以后的系统升级,综合考虑,在本次电参数测量仪的设计中,我们选用了C8051F020单片机为主控制器,并且选用了另一单片机AT89C2051实现系统的温度测量,这样大大完善了系统的功能。
**显示方式的比较与选择
方案一:
使用数码管显示
方案二:
使用点阵液晶显示
数码管显示控制简单,但是只能显示非常有限的符号和数字,人机界面不友好,考虑到本题中要显示的内容,不宜选用此方案。
液晶可以显示多种字符及图形,拥有友好的人机界面及强大的显示功能。
特别适用于智能控制的可编程人性化显示。
尤其考虑到本次设计要设置复杂的参数,用液晶显示更加清晰、方便。
**电源的比较与选择
方案一:
采用电池组供电
方案二:
自己设计电源
方案一实现简单,但是电池工作不稳定,并且要经常更换,应用不方便,成本很高,而且容易引起环境污染,不宜选用。
考虑到本单相测量仪的应用场合,我们自己设计了稳压电源,提供系统所需要的+5V和+12V电源,这样虽然增加了设计的难度与任务,但是极大的方便了测量仪的使用。
**系统概述与系统结构框图
本单相电参数测量仪中单片机通过SPI总线不断读取电能测量芯片ATT7022B电参数寄存器,经过简单的计算得到实际的电参数值,控制液晶进行实时显示;通过八按键键盘可以设置系统运行的各个参数、选择用户电能预付费功能、电能分段计量功能和打印机打印当前参数的功能;通过串行口1接收AT89C2051检测的温度值,通过总线控制存储芯片AT24C16和时钟芯片ISL1208,通过串行口0控制微型打印机打印当前的电参数,通过不断的检测电流判断负载电流是否过大,以实现对负载电流的控制,各种异常情况有蜂鸣器报警、指示灯报警和液晶显示报警等。
其整个系统的原理图如附图1.1所示,整个系统的结构框图如附图1.2所示。
2理论分析与计算
**理论分析
电能测量芯片ATT7022B中电压和电流有效值的测量是通过对电压、电流采样值进行平方、开方以及数字滤波等系列运算得到的。
有功功率的测量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,其具体的计算公式为
有功电能的测量是通过公式
计算得到的。
功率因数测量是通过公式
计算得到的,符号与无功功率的符号相同。
**相关计算
ATT7022B存储到相应寄存器的值并不是实际的测量值,单片机经过简单的计算即可得到实际的测量值。
其具体的计算方法如下:
**有效值的计算
其中,
表示实际测量值,
寄存器读出值。
**有功功率的计算
如果读出的寄存器的值大于
,则实际测量值为寄存器的值减去
再除以256,否则,寄存器的值直接除以256即可得到。
**线频率的计算
实际的频率为寄存器的读出值除以
得到。
**能量的计算
能量的计算于我们设定的脉冲常数有关,读出的寄存器的值除以所设脉冲常数即可得到要测的能量值,单位为度。
**率因数计算
如果读出的寄存器的值大于
,则实际测量值为寄存器的值减去
再除以
,否则,寄存器的值直接除以
即可得到。
3 硬件设计与实现
本单相电参数测量仪硬件部分主要包括电源模块、电参数检测模块、人机交互模块、温度检测模块、系统复位电路模块、C8051F020单片机模块、时钟电路与外部存储器电路模块和继电器驱动电路模块。
以下将对这八部分详细介绍。
**电源模块
在电源模块的设计中,我们首先使用220V到12V的变压器,然后经过整流桥整流,再后分别经过LM7805和LM7812稳压芯片产生测量仪所需要的+5V和+12V电源。
具体的电路图如附图3.1所示。
**电参数检测模块
电参数检测模块主要包括信号的变换与简单处理电路和ATT7022B应用电路两部分。
**信号的变换与简单处理电路
在本部分主要实现将强电信号变换为电能测量芯片ATT7022B能够处理弱电信号,其中电压的变换过程为:
首先经过电流型电压互感器将220V左右的电压经过大功率220千欧电阻变为小电流信号,再经过2mA/2mA的互感器变化为另一端的小电流信号,此小电流经过一250欧电阻变换为ATT7022B量程范围内的电压信号,再经过简单的处理输入到芯片的电压通道输入引脚,其具体的电路如附图3.2,经过软件Multisim仿真效果如附图3.3所示;电流的变换过程为:
首先经过10A/10mA电流互感器将大电流信号变为毫安级的电流信号,在经过一40欧电阻产生电压信号,经过处理输入到测量芯片的电流通道,其具体电路如附图3.4所示,经过软件Multisim仿真效果如附图3.5所示。
**ATT7022B应用电路
在本部分的电路设计中,主要完成ATT7022B的电源引脚的滤波电路、复位电路以及与单片机通信的电路连接。
其具体的电路如附图3.6所示。
**人机交互模块
在本单相电参数测量仪的设计中,实现了友好的人机交流平台。
其中主要有键盘电路、LCD模块、打印机模块、蜂鸣器驱动电路、指示灯电路。
由于本部分中键盘电路、蜂鸣器驱动电路以及指示灯电路设计简单,仅给出附图3.7所示的键盘驱动电路图,附图3.8所示的LCD连接电路图和打印机连接电路图,附图3.9的指示灯电路图,附图3.10的蜂鸣器驱动电路图。
**温度检测模块
本部分主要包括AT89C2051单片机实现对温度传感器DS18B20的控制电路以及与单片机C8051F020的串行通信电路。
由于温度传感器DS18B20对时序要求严格,所以此处采用了一个AT89C2051对它单独控制,也便于以后的扩展。
在单片机之间的串行通信中,由于两者距离很近,所以直接采用RS232电平进行传输。
这部分的具体电路如附图3.11所示。
**系统复位电路
在本系统中,设计了简单的系统复位电路,当按键按下时,C8051F020因复位引脚为低电平而复位,AT89C2051因复位引脚为高电平而复位,其具体的复位电路如附图3.12所示。
**单片机C8051F020模块电路
在这一部分电路的设计中,除了设计好单片机应用最小系统外,主要完成了单片机的硬件资源分配的任务。
其资源分配如附表3.1。
**实时时钟电路与外部存储器电路模块
在本系统中,选用ISL1208芯片实现实时时钟/日历功能,选用AT24C16实现数据存储的功能,两者都有通信总线,方便实现与单片机C8051F020的通信,它们的应用电路如附图3.13所示。
**继电器驱动电路
为了实现过流断电以及预购置电量剩余过少时断电功能,应用了220V/20A的继电器控制电路的通断。
具体的应用电路如附图3.14所示。
4软件设计与实现
**软件整体结构设计
本系统要求首先通过电能测量芯片ATT7022B对电网交流电路信号进行采样与计算,把计算好的各相关数据存储到相应寄存器,通过单片机C8051F020读取相关数据在经过简单的运算得出电参数的实际数据,并经液晶进行实时显示,并且不断的扫描按键和串行口。
测量仪软件部分主要包括ATT7022B应用软件模块、按键扫描软件模块、实时时钟与数据存储软件模块、打印机控制软件模块、温度检测与传输软件模块以及其他软件模块等六部分。
主程序软件执行的流程示意图如附图4.1所示。
**测量仪主要软件模块的实现
**ATT7022B应用软件模块
ATT7022B应用软件模块主要包括三部分内容:
SPI总线驱动的实现;ATT7022设置的实现;ATT7022参数读取与计算的实现。
**按键扫描软件模块
键盘软件的关键是键值的获得,根据本次按键电路的设计,软件实现读取键值主要是通过对74HC165的控制来实现的,其流程如附图4.2所示。
**实时时钟和数据存储软件模块
C8051F020单片机所带的SMBus通信总线与I2C通信总线兼容,实现对两个芯片的操作。
软件模块主要包括ISL1208初始化、ISL1208读子函数和ISL1208写子函数。
以及AT24C16的读子函数和AT24C16的写子函数。
4.2.4打印机控制软件模块
打印控制是通过单片机的串行口0进行控制的,首先进行单片机的串行口的初始化,波特率设定为4800,单片机的串行口TX0发送控制打印机的命令以及要显示的内容,每发送完一个字节的数据就要查询连到单片机的RX0管脚的CTS电平,判断打印机是否是空闲状态。
若忙,则等待,发送下一字节数据。
4.2.5温度检测与传输软件模块
本次设计选用了单总线通信方式的温度传感器DS18B20,当温度超过标准要求时,单片机就发出报警信号,温度检测与传输软件模块是通过对AT89C2051单片机编程来实现的,开发环境使用的是WAVE6000。
主要包括温度测量和温度数据的传输两部分。
其温度检测与传输流程如附图4.3所示。
**其他软件模块的实现
其他软件模块主要包括报警与控制和系统加解密软件等,报警与控制软件设计比较简单,只需在判断的时候,当满足条件时对应的I/O输出相应的控制电平即可。
在系统的加解密的实现中,主要是利用了系统的时钟,每过一个小时,相应的变量就会减一,直到试用期的时间,系统会自动锁定,只有按入系统的解锁键(组合键),才能解开系统锁定,重新使系统正常运行。
5 测试结果与分析
**基本电参数测量数据表
表一改变偏移量测得的数据:
角度(度)
功率因数
电压(V)
电流(A)
功率(W)
频率(HZ)
标准值
测量值
标准值
测量值
标准值
测量值
标准值
测量值
标准值
测量值
0
1.000
**
**
**
**
**
**
**
**
**
30
**
**
**
**
**
**
**
**
**
**
110
-0.342
**
**
**
**
**
-273.61
-272.93
50.00
**
120
-0.500
**
**
**
**
**
-400.00
**
**
**
190
-0.985
-0.985
**
**
**
**
-787.84
-787.87
**
**
210
-0.866
-0.867
**
**
**
**
-692.82
-692.67
**
**
280
**
-0.173
**
**
**
**
**
**
**
**
300
**
**
**
**
**
**
**
**
**
**
注:
功率因数符号与无功功率符号相同。
表二改变电压值测得的数据
而非试角度
功率因数
电压(V)
电流(I)
功率(W)
频率(HZ)
标准值
测量值
标准值
测量值
标准值
测量值
标准值
测量值
标准值
测量值
10
**
**
**
**
**
**
**
**
**
**
10
**
**
**
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**
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10
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10
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10
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**
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**
**
表三改变电流值测得的数据
角度
功率因素
电压(V)
电流(A)
功率(W)
频率(HZ)
标准值
测量值
标准值
测量值
标准值
测量值
标准值
测量值
标准值
测量值
10
**
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10
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10
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10
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**
**
**
**
**
**
**分析
通过以上数据的测量,再根据理论公式计算,电压、电流、功率等电参数的误差均小于0.5%,从中存在着因外界突发干扰或仪表显示值等引起的随机误差。
从运行情况看,该系统结构清晰,操作方便,性能稳定。
其任务书中的基本要求和发挥部分的功能要求全部实现,各项性能指标均完全达到甚至超过设计发挥部分的所有要求,具有打印功能,可打印当前时间的电参数值和累计电能值;可设置大负载断电报警功能,大负载报警电流可任意设置;能很好的实现预购置电能功能,当剩余电量为10kwh时,测量仪将断电工作10秒以示报警;可实现分时计量电量功能,时段可任意设置,精度达到分;AT89C2051单片机通过DS18B20实现温度的实时检测。
6结论
该系统架构设计合理,系统结构清晰,操作方便,功能电路实现很好,系统性能优良稳定,能够很好地完成并且优于题目中的各项基本要求和发挥部分的要求。
主要实现的内容如下:
**.在基本要求部分
(1)在正常显示模式时,电压测量值取3位整数,为了显示到更精确的电压值,在手动翻屏显示时电压精确到1位小数;
(2)电流测量范围为0--10A,在正常显示模式时,电流值保留2位小数,在手动翻屏时精确到3位小数;
(3)在正常显示模式时,有功功率只取整数,功率因数和电量取2位小数,频率取1位
小数,在手动翻屏显示时,有功功率取1位小数,功率因数精确到3位小数;
(4)电压、电流、电量测量误差都很好的控制在2%内;
(5)所测量的电参数可以通过LCD实时显示,并且显示方式有自动翻屏显示和手动翻屏显示两种;
(6)自行设计的稳压电源可以给测量仪提供稳定的+5V和+12V工作电压,满足了系统的
需要。
**.发挥部分
(1)测量的各个参数误差基本控制在0.5%以内;
(2)具有打印功能,可打印当前时间的电参数值和累计电能值;
(3)具有大负载断电报警功能,大负载报警电流可任意设置,当负载电流过大时,蜂鸣器和指示灯报警,并且液晶显示警告信息,同时继电器切断电路,避免危险的发生。
(4)实现了预购置电能功能,当有剩余电量为10kwh时,测量仪将断电工作10秒以示
报警,并在液晶屏上显示倒计时,10秒后电路又自动接通;
(5)实现了分时计量电量功能,时段可任意设置,并且时间的设置精度达到分;
(6)在自由发挥部分,实现了电压的报警,完成温度的测量与显示以及温度异常报警,系统的加解密等功能。
总结:
从以上功能的测试中可以得到本电参数测量仪很好的完成电压、电流、电能的测量并通过LCD实时显示,误差基本控制在0.5%以内。
而且还有过流报警、电压报警、温度报警、电能的预付费与提示、电能的分时计量、电参数的纸质化输出、数据的掉电保存等功能。
由于时间有限,准备仓促,还有很多可以改进的地方,软件在模块化与简洁化方面还有待提高,代码的健壮性有待于加强;外形设计不够完美,最好做一铁壳,有一机壳地,能使系统更加稳定,铁机壳并能保护内电路;可对系统进行改进升级,增加远程控制等功能。
参考文献:
[1]《新型集成电路及其应用实例》何希才著,北京:
科学出版社,2002年
[2]《智能仪器技术及其应用》方彦军孙健著,北京:
化学工业出版社,2004年
[3]《单片机原理与应用技术》李全利著,北京:
高等教育出版社,2004年
附图:
图1.1系统原理图
图1.2系统整体结构框图
图3.1电源模块电路图
图3.2电压信号变换与处理电路图3.3电压信号处理仿真效果图
图3.4电流信号变换与处理电路图3.5电流信号处理仿真效果图
图3.6ATT7022B应用电路
图3.7键盘驱动电路
图3.8LCD连接电路图和打印机连接电路图
图3.9指示灯电路图3.10蜂鸣器驱动电路
图3.11温度检测模块电路
图3.12复位电路
图3.13实时时钟和数据存储器电路图
图3.14继电器控制断电电路
图4.1主流程图
图4.2按键扫描流程图
图4.3单片机C8051F020与AT89C2051串行通信程序流程图
引脚号(引脚名称)
端口配置
用途说明
62(P0.0)
交叉开关(TX0)上拉2K
漏极开路
串行口0的发送端口
61(P0.1)
交叉开关(RX0)无上拉
漏极开路
串行口0的接收端口
60(P0.2)
交叉开关(SCK)上拉2K
漏极开路
SPI通信总线的时钟线
59(P0.3)
交叉开关(MISO)上拉2K
漏极开路
SPI通信总线的主机输入从机输出线
58(P0.4)
交叉开关(MOSI)上拉2K
漏极开路
SPI通信总线的主机输处从机输入线
57(P0.5)
交叉开关(NSS)上拉2K
漏极开路
没有使用
56(P0.6)
交叉开关(SDA)上拉2K
漏极开路
SMBus的数据线
55(P0.7)
交叉开关(SCL)上拉2K
漏极开路
SMBus的时钟线
36(P1.0)
交叉开关(TX1)上拉2K
漏极开路
串行口1的发送端口
35(P1.1)
交叉开关(RX1)无上拉
漏极开路
串行口1的接收端口
47(P3.7)
上拉2K漏极开路
ATT7022B片选端口
50(P3.4)
上拉2K漏极开路
ATT7022B复位线
**
上拉2K漏极开路
继电器控制端
51(P3.3)
52(P3.2)
53(P3.1)
98-91(P4)
上拉2K漏极开路
上拉2K漏极开路
上拉2K漏极开路
上拉2K漏极开路
液晶REQ端口
液晶复位端口
液晶BUSY端口
液晶数据线
54(P3.0)
39(P2.7)
40(P2.6)
上拉2K漏极开路
上拉2K漏极开路
上拉2K漏极开路
按键控制端口1
按键控制端口2
按键控制端口3
41(P2.5)
42(P2.4)
43(P2.3)
上拉2K漏极开路
上拉2K漏极开路
上拉2K漏极开路
过流指示灯控制口
过压指示灯控制口
欠压指示灯控制口
45(P2.1)
上拉2K漏极开路
蜂鸣器控制端口
附表3.1单片机C8051F020硬件资源分配
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- 关 键 词:
- 电子设计 竞赛 08 山东 单相 参数 测量仪
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