三相智能电表设计学士学位论文(编辑修改稿)

三相智能电表设计学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

压、电流采样方案论证与比较 目前，电能表行业中，关于电源电压、电流的采样方案主要有三种：第一种是采用电流互感器、电压互感器采样；第二种电压采用电阻分压网络采样，电流采用锰铜电阻采样；第三种方案以上两种方案的交叉组成。 电流取样使用电流互感器具有过载能力强，精度高，抗干扰能力强的优点，但存在成本高，体积大的缺点；电压取样采用电压互感器同样具有过载能力强，精度高，抗干扰能 力强的优点，存在成本高，体积大，校表难度高的缺点；与采用互感器取样比较电流采用锰铜电阻具有取样方便，成本低的优点，但存在过载能力弱，抗干扰能力差的缺点；电压采用电阻分压网山东科技大学学士学位论文 6 络取样具有取样容易，校表方便、成本低的优点，但存在过载能力弱的缺点。 比较以上几种方案，结合本表的计量精度要求，电流取样采用高精度（ 级）的电流互感器，电压取样采用电阻分压网络。 该方案既提高了本系统的抗干扰能力，又方便了电能表的校验。 根据上述方案论证，智能电表系统的实现方案如下： AT89S52(CPU)+ATT7030A( 电 量测量 IC)+X5045 （ Flash 存储器）+MAX7219 (LED 显示 IC)+独立式键 盘 +75LBC184（ 485 通讯 IC） +红外调制管 +MC7805(DC 稳压电源 IC)。 本设计的 主要工作 测量的电量可以通过 RS485 总线传送到上位机； 测量的电量可以进行红外线无线传输，我们设计了专用红外抄表器用来抄写数据，简单方便； 本设计产品可以通过红外抄表器设定更改机号； 本设计产品可以实现预付费电量计量，而且当预付电量将要使用完时，可以发出报警信号。 山东科技大学学士学位论文 7 3 系统硬件设计 硬件 整体 系统 设计 根据方案比较与论证，三相智能电度表的整体电路主要包括：电源电路、电压电流采样处理单元、 CPU 中央处理单元等三部分组成。 其中采样电路又分为电压采样模块、电流采样模块； CPU 中央处理器单元又分为 CPU中央处理器、键盘、显示、外部存储器、 485 接口、红外收发、负荷控制、报警模块。 整体设计方案见图 31。 CPU 中央 处理器 键盘 显示 外部存储器 4 8 5 接口 红外收发 报警 负荷控制 C PU 中央处理单元 电 压 取 样 电流取样 AU BU CU AI BI CI 电 源 电 路 图 31 系统 整体电路原理框图 系统工作原理： 第一步接通电源电路， CPU 中央处理单元上电，系统进入待机状态。 此状态下， CPU 取出存于外部存 储器中的剩余电量数据和本电表机号并显示于显示模块上。 当按下键盘“设置键 ”时，系统进入功能设置状态，按“确定键 ”则退出该状态。 第二步采样单元发出电量计量脉冲信号，系统进入工作状态。 次状态下， CPU 对脉冲进行计数及计算电量，经过一段时间运算后得到这段时间中用户消耗的电量。 用户上次预购电量减去剩余电量，得到用户新的预购山东科技大学学士学位论文 8 电量剩余值。 如果该值小于某一值时，通过报警模块通知用户及时购电。 有两种事件是随机发生的： 485 通信和红外通信事件。 当上位机向电表发出通信请求时，系统进入 485 通信状态，通信结束退出该状态。 当红外抄表器向电表发出通信请求时，系统进入红外通信状态，通信结束退出该状态。 系统状态转换图见图 32。 图 32 系统 状态转换图 电源电路设计 三相电压、电流采集处理电路与 CPU 中央处理单元均需要 5V 直流电源供电，为提高系统工作可靠性及适应现场电压波动范围大的情况，本系统采用三相电源变压 整流 滤波 稳压方式。 具体设计电路见图 33。 山东科技大学学士学位论文 9 图 33 系统电源电路 工作原理 如图 321所示，系统直流电源 AVCC 直接由三相交流电源转换而来。 以 A 相位例， A 相 220V 交流电经变压器变压得到交流 电 V1， V1 经过整流桥整流得到含有较大纹波系数的直流电 V2， V2 经 C1 C14 滤除纹波后进入三端稳压器件 LM7805 稳压处理得到 V3， V3 经 C1 C16 滤波得到系统需要的直流电源 AVCC。 B相、 C相原理于 A 相相同。 由 Multisim 软件仿真得到 V V V3 波形如图 34 所示 图 34 系统电源部分电压波形图 山东科技大学学士学位论文 10 变压模块 由 220V 交流电得到 5V 直流电第一步需要选用变压器进行降压处理，变压器两端的匝数比决定着降压系数。 三端稳压电源 LM7805 最大输入电压为 30V，正常范围为 5～ 18V，所以变压器副边输出电压 V1可以选择 15V。 根据变压器两侧电压比，可计算出变压器的原副边匝数比： N1:N2=VA:V1=220:15 式（ ） 整流模块 整流是交流电转换为直流电的必要步骤，常见的二极管整流方式有半波整流、全波整流、桥式整流等，桥式整流以其较高的利用率而广泛应用。 整流桥后有 C1 C14 组成的滤波单元，不考虑整流二极管正向压降时输出电压： V2= 2 V1=（ V） 式 （ ） 由图 322 可见，在 V1 负峰值时，整流二极管承受最大反向电压： MAXV =V2 2 V1=()=（ V） 式 （ ） 考虑冗余设计，整流二极管最大反向工作电压应选择 VR= 2 MAXV =60（ V） 式 （ ） 滤波模块 电容滤波原理是电容针对不同频率的信号产生的阻抗不同，从而使信号因不同频率而产生的不同衰减度。 要计算电容在某信号下的阻抗就必须考虑电容的等效模型，图 35 是一般电容的等效模型，由一 个 等效电容 C和一 个 等效电感 CL 组 成。 山东科技大学学士学位论文 11 图 35 电容等效模型 设某信号频率为 ， 则电容在该频率 下产生的阻抗计算如下： （ 1）当电容为电容值较小的陶瓷电容时，其等效电感量很小，可忽略不记，电容产生阻抗为： 1Z C 式（ ） （ 2）当电容为电容值较大的电解电容时，其等效电感不能忽略，电容产生阻抗值为： 1 +ZLC  式（ ） 由上述 两式 可见，滤除低频信号用大电容，滤除高频信号用小电容。 所以这里我们选择大小两颗电容，大电容 C1 选择 370uF 滤除低频噪声，小电容 C2 选择 滤除高频噪声。 此外大电容也起到缓冲稳定电压作用。 C13 两端电压为 V1 的峰值电压，所以 V2= 2 V1=，故 C1 C14的耐压值可选择 50V。 稳压模块 稳压电源分为线性稳压电源和开关稳压电源两类，其中：线性稳压电压优点是稳定性高、波纹小、电路简单，缺点是体积大、效率低、驱动电流小；开关电源 优点是体积小、效率高、驱动能力强；缺点是波纹系数大，山东科技大学学士学位论文 12 稳定性不如线性稳压电源好。 本系统电源直接供给 IC，对驱动电流要求不大，且 ATT7030A 对电源稳定性要求较高，所以这里我们选择线性稳压电源。 三端稳压集成电路 LM7805 所需的外围元件极少，电路内部有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜 ，所以被广泛应用。 LM7805 如图 36所示， 1 脚为输入端， 2脚为输出端， 3脚为接地端。 图 36 LM7805 引脚图 LM7805 主要电参数： 输入电压范围： 5～ 18V，最大值 30V 输 出电压： ～ ，典型值 线性调整度： 负载调整率： 输出噪声电压： 42uV 输入输出压差： 2V 输出阻抗 :15mΩ， 12KHz时。 峰值电流： 静态电流： 短路电流： 230mA 山东科技大学学士学位论文 13 纹波抑制比： 73dB V2 经过电容滤波进入 LM7805，输出电压 V3 稳定为 5V， LM7805 后仍需接大小两个电容输出电压才能真正稳定。 其中，大电容的作用是增强负载特性（输出阻抗随频率增加基本保持不变）和瞬变响应（利用电容电压不能瞬间改变特性），小电容的作用则是 滤除高频干扰，两者耐压值选择 15V。 电压电流采样处理单元 本系统电压电流采样处理单元采用 ATT7030A 作为核心处理芯片，外围辅以电源、电压电流模拟输入、脉冲输出等电路。 ATT7030A 简介 ATT7030A 是一款对三相有功电能进行高精度测量的芯片，其特点如下： 高精度，在 1000 到 1 的动态范围内误差小于 %； 电能测量符合 1S、 级，支持 IEC 687/1036 标准， GB/T 172151988； 提供有功电能测量 当任意一相功率反向时，提供 功率反向指示信号 REVP； 当三相合功率为负时提供反相指示信号 NEGP，可以用于止逆场合； 提供缺相指示 PA/PB/PC； 提供有功电能校准输出脉冲： CF1； 提供输出脉冲 F1/F2，用于驱动电量计度器和步进电机； 三相合电能计算模式是可选择的； 提供校准电阻网络； +5V 单电源供电 山东科技大学学士学位论文 14 ATT7030A 引脚定义 ATT7030 采用 QFP44 封装形式，引脚图见图 37，各引脚定义见表 31. 图 37 ATT7030A 引脚图 表 31 ATT7030A 引脚定义表 管脚 名称 I/O 描述 1 RESET I ATT7030 复位，低电平有效，内部上啦 47K 电阻 2 SIG O 正常工作时 SIG 脚为低电平 3, 4 V1P/V1N I A 相模拟电流输入通道。 最大输入信号电平177。 所输入端内部都有静电保护电路，这些输入脚还有177。 6V 过电压保护，防止器件被损毁。 5 REFCAP O 内部基准电压， ，可以连接到外部基准电压。 该脚通过 10uF 和 电容接地去耦。 6, 7 V3P/V3N I B 相模拟电流输入通道。 最大输入信号电平177。