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三相多功能电表设计

归档日期:08-11       文本归类:多功能光      文章编辑:爱尚语录

  设计并制作一个能同时对三相工频交流电(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进行测量的数字式多用表。

  B.三相额定交流电流:1A,过载能力:持续1.2倍、瞬时电流10倍/5秒;、

  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;

  标准RS-485通讯来实现远程测量,通信距离100米以上。展开我来答

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  本方案主要由检测电路、专用电能计量芯片ATT7022、89C52单片机、128×64液晶显示、按键、RS485通信、红外通信以及电源部分组成。电路中的电流(电压)信号经过电流(电压)互感器,强电信号转换为安全的弱电信号,通过ATT7022把计量数据传给单片机,由单片机控制128×64液晶显示,另设按键可选择显示测量数据,并扩展RS485和红外线具有极高的精度,能够达到1级测量精度要求,由于互感器铁芯趋于饱和,当电力线路出现过电压或过电流时,其输出不会成正比的增加,能保护测量仪表设备。

  关键词: 单片机 ATT7022计量芯片 三相电参数测试 RS485通信

  本次设计的任务是制作一个能同时对三相工频交流电的三相电压、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进行测量的数字式多用表。

  方案一:本方案用ADE7755计量电能,因为要用三片ADE7755芯片分别对每一相的有功电能进行单独计量,再叠加到三相总有功电能,致使电能计量电路在电路板上占用空间大、线路密集,造成电表抗干扰能力差;成本较高,致使产品的性价比低;ADE7755在500:1的动态范围内误差小于0.1%,电能计量芯片的参数不可调使得电表计量精度降低.

  方案二: 本方案用芯片ATT7022计量电能,ATT7022能准确地测量电网的电压、电流、频率、功率、电能等参数;ATT7022精度高,在输入动态工作范围(1000:1)内,非线可设置寄存器使之适用于三相三线和三相四线的工作环境;同时能提供电压和电流相序检测;还能提供电压和电流的有效值参数,有效值精度要优于0.5%。很好的满足了设计中对测量功能、技术参数以及准确度的要求。所以选择方案二。

  信号采集板给信号处理板提供要采集的电流电压,并隔离掉干扰信号,避免其进入主控电路板。在信号的检测部分,有利用互感器和霍尔传感器检测两种方法。

  方案二 利用电流电压互感器采集三相电参数。电流和电压互感器是一种特殊的变压器,把大电流(高电压)变成小电流(低电压),实现了弱电控制强电,保证了电力系统的安全。由于互感器铁芯趋于饱和,当电力线路出现过电压或过电流时,其输出不会成正比的增加,能保护测量仪表设备。这一作用满足了设计要求的技术参数,能承受一定时间的过流过压。互感器在本测试仪中在性能上基本能满足设计要求,而且成本合理,因此本次设计采用互感器方式。

  电路中的强电信号经过互感器之后将转换为弱电信号,根据我们选择的互感器型号,380V的交流电压转换为0.5 V的交流电压,而5A的交流电流转换为2mA。

  信号采集模块采集的必须是电压,因此我们在电流互感器的输出端并联一个电阻,这样电流信号就可以转换为采集模块需要的电压信号。

  单相无功功率:无功功率计量方法与有功类似,只是电压信号采用移相90之后的。

  单相有功功率: 各相的有功功率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。

  直流电源是电网电压经过变压整流滤波稳压等变换后得到的。本测试仪利用A相得到220V电压,然后通过变压器转换为9V的交流电压,再经过整流桥和稳压芯片7805转换为直流电压,最后经过滤波,就可以得到+5V的直流电压。这个直流电源对单片机、ATT7022芯片、128×64液晶和485芯片供电。直流电源电路图如3-1所示。

  信号采集模块检测的信号必须是电压信号,因此在电流互感器的输出端并联一个电阻把电流信号转换为检测模块所需要的电压信号。图中引脚V1P、V1N、V2P、V2N的信号均送入ATT7022进行处理,REFOUT为ATT7022的直流偏置电压,正常工作时为2.4V左右,其中10K电阻为偏置电阻。信号检测模块电路图如3-2所示。

  ATT7022是一颗高精度三相电能专用计量芯片,适用于三相三线和三线四相应用。能够测量各相的有功无功功率、视在功率、有功无功能量,还能测量各相电流电压有效值功率因数相角频率等参数,充分满足三相多功能电表的要求。仪表有功及无功功率校验电路图如3-3(a),ATT7022引脚连接图如3-3(b)所示。

  显示模块采用128×64的点阵液晶显示测量参数,通过翻屏可显示所有测量数据。

  通信模块采用RS485接口通信和红外通信,通信模块主要用于数据传输。RS485通信模块经过RS485接口把测量的各个参数的值传输到上位机;红外通信模块将测试仪测量到的各个参数的值发送出去,连在上位机上的接收模块接收数据,实现远程显示。

  本次设计中,为了更好的完成设计要求,我们了设想了多种方案,从测试功能、测量精度等多方面考虑,我们选出了最佳方案,在此方案中,我们采用ATT7022作为核心计量芯片,89C51作控制芯片,将采集的信号输出显示,并设有按键翻屏显示数据,另扩展RS485和红外线通信。

  [1]康华光,陈大钦. 电子技术基础 模拟部分(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2005

  [2]清华大学电子学教研组编,童诗白主编.模拟电子技术基础(第二版)[M].北京:高等教育出版社,1988.

  [3]黄志伟. 全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京:电子工业出版社,2005.

  [5]马忠梅. 单片机的C语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.

  [6孙肖子. 实用电子电路手册(模拟分册)[M].北京:高等教育出版社,1992.

  (1)、要求采用微控制器设计,可考虑采用大家学过的INTEL8086芯片,或者其他芯片,例:如采用INTEL8086,需要设计相应的最小系统电路,并讲述其中各部分的功能,若采用其他控制芯片也必须提供类似的最小系统电路和相关电路说明。

  包括三相电流测量电路设计、三相电压测量电路设计、三相电流过流保护测量电路设计和三相电压过压电流设计等。

  对于三相电流、电压测量设计电路提供不少于两种的设计方案,并根据需要选择其中的一种,并给出选择该方案的理由。

  当然,为了显示相应的测量数据和进行显示数据的切换,还需要设计相应的显示电路和按键电路等。

  以上电路的设计可参考《模拟电子技术》、《电气测量技术》和《微机原理》等。

  (3)三相多功能电表可考虑采用专用测量芯片实现,采用此方案最高成绩为89分以下,相应最高评定等级为良好。

  完成主控芯片与专用电路间接口电路设计,并搞清楚主控芯片与专用芯片间的数据交换格式。

  若完成要求的扩展功能,并在阐述清晰的前提下,如果回答问题思路清晰,可提升最高分为100分

  (4)、三相多功能电表可考虑不采用测量芯片实现,具体电路设计请参考(2)中各部分电路设计。

  各种测量参数的测量,主要通过软件设计实现。具体实现是通过实时采样电流、电压数据,并通过对采用数据处理计算得到各个需要的参数。

  (5)、在完成上述任务的基础上,根据所选器件的相关参数,初步估计系统的精度是否能满足设计要求,并给出理由。

  (6)、作业的提交方式,采用单独提交方式,要求指定时间,单独提交,根据作业情况和回答问题好坏给出综合评定结果。

  (7)在作业中必须注明单独完成或者是参考同学方案,并给出具休参考资料名称,便于成绩的综合评定。

  对于参考完成的作业,其评定部分比独立完成的成绩评定成绩至少相差1个档次。

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