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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11 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/220
7、V/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TMS320LF24
8、07、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
9、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
10、对单片机编程，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
11、便宜，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、
12、带有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,
13、完成电压信号取样。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
14、感器的取样电路简单、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，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
