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10 kwh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A TT7022B 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A T89C2051检测的温度值，通过总线控制存储芯片A T24C16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

∑=•=

N

n n I n U N

P 0

)()(1

有功电能的测量是通过公式⎰=dt t P E )(计算得到的。 功率因数测量是通过公式)

()

()(s abs P abs Q sign Pf ⨯=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：