基于ade7754的电参数测量毕业论文(编辑修改稿)

基于ade7754的电参数测量毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

MCU 通过软件计算出各参数，完成显示、控制和通信功能。 其精度取决于A/D 芯片的位数和采样频率、参数计算所采用的算法以及所选用单片机的处理速度，数据的精 度不是很理想，同时用软件来计算参数会让编程变得复杂。 这种结构的产品虽然能比较好的完成控制功能，但处理复杂数据的能力比较差，耗时过多。 （ 2） DSP+MCU 结构，通过刀 D芯片采集的信息直接送入 DSP 芯片进行处理，得到所需参数，由 DSP 完成数据的采集和运算，交给后端的 MCU，由 MCU 完成控制、通信和人机交互的功能。 DSP 的处理速度很快，得到的数据精度也很高，但是 DSP 芯片的控制能力不好，系统需要另选单片机作为系统的控制器，这样系统硬件电路变得复杂，而且这种结构的产品增加了系统设计的难度，并造成一定的资源浪费，造 价较高。 上述类型的电参数测量仪表的设计往往利用位数较多的刀 D转换电路或自动量程转换电路，原理上可达到很高的准确度，但是由于使用元件较多，原理复杂、成本偏高、可靠性也不能令人满意。 随着现代电子产业的高速发展，测量电路的集成化、模块化成为未来发展的趋势，各大型的器件公司也纷纷推出自己计量芯片，这种集成芯片不仅精确度高，而且硬件软件设计简单、性价比高。 近几年多种单、三相电能计量专用集成电路的成功开发使过去由分立式电子元器件搭接而成的电能测 量电路改制成专门 的 集成电路芯片，结果在不减少功能的前提下，使电参数测量仪 表的体积大大减小，功耗和单位功能的成本降低、成品率提高，并可简化仪表的电路设计，降低其模块设计难度，从而能改进整个电路系统的性能，而更重要的是使仪表可靠性和精度明显提高。 本文研制的 智能电表 通过选用高精度的计量芯片和高处理速度的 8 位单片机，采用电能计量专用芯片 +单片机的方案并尽量采用集成化元件进行设计，这样在设计中，单片机只要对计量芯片 的控制寄存器写入适当的控制字就可以了，大大节省了硬件设计所需的元 件，影响系统精度的因素也随 第 4 页 共 40 页 之减少，使高精度的测量更易实现，也因此提高了系统的可靠性。 芯片中可通过串行口读写的寄存 器有数十个之多，可以读入所需要的所有电量，所以电能计量专用芯片的使用简化了单片机系统的设计。 单片机不善于数据计算，而现在的计量芯片有硬件乘法器、开平方器和各种计量算法如 FFT 等，刚好弥补了这一不足，减少了单片机系统需要完成的任务。 对于单片机系统而言，主要工作只需要写计量芯片的控制寄存器、读计量芯片的数据寄存器、接收状态信息、处理中断以及将计量芯片处理过的数据送到上位机进行处理存储与显示。 这样的优点使仪表的两大单元 (计量单元和数据处理单元 )较为均衡和合理。 目前的电能计量芯片的另一特点是把电测量理论关于电功率 (电能 )的一些基本理论融入了芯片制造技术中。 比如功率表的角误差、乘法器的瞬时功率信号频谱、关于无功功率 (电能 )的处理方法以及电源周波电能累计模式应用于校正等都充分说明了这一点，通过研究正确的校准方法，可以最大限度发挥计量芯片的功能，以较低的投资实现从前需要很多昂贵器件才能完成的功能，使系统具有硬件电路简单、可靠性好、测量参数众多、参数精度高等重要特点。 任务及要求 本次毕设任务是 设计一种用于 单、 三相工频电参数 精密 测量系统 ， 实现电流、电压、频率、相位、有功功率、无功功率等参数的测量、处理和远传通信功能。 硬件电路采用ADE7754 系列 高精度 单 三相电能测量芯片与 ARM/51 微处理器、电压互感器和电流互感器的测量接口 、 显示接口 ， 采扩展以太网接口及嵌入式 TCP/IP 协议实现数据远程通信。 要求： （ 1） 制作 硬件并完成软、硬件调试。 （ 2） 主要技术参数 ： ADE7754 电能测量芯片 、 ARM/51 微处理器 、测量运算精度 5%； （ 3） 用 Proteus 进行软硬件系统的仿真。 （ 4） 用计算机绘制相关硬件的原理图、制版图、电气安装接线图各一份。 完成的工作 在设计时，主要完成了下列工作 : （ 1） 确定设计指标与设计方法 查阅了大量的国内外有关电参数测量仪器方面的文献资料，剖析了一些电测仪器的实际产品，并吸取同类产品的优点，对所要做的工作有理论上的知识积累和系统的掌握。 根据目前电参数测量仪表的发展趋势和现有的设计条件，提出了多功能电参数测量模块的整体方案和技术要求。 进行软硬件设计的选型工作。 （ 2） 电参数测量模块的系统软硬件设计 根据技术需求。 进行电路原理图的设计，绘 PCB 图、制板，焊接，得到试验电路板，对电路板按功能模块进行调试，分析调试时产生的故障并进行排除。 编写测量模块的底层软件，分块化处 理各部分功能并进行调试。 （ 3） 软、硬件的联合调试 第 5 页 共 40 页 在完成对硬件电路和软件的独立调试后， 用 PROTUES 对显示模块进行的仿真，然后再 进行联合调试。 （ 4） 模拟调试 在完成软、硬件的联合调试后，利用 220V 交流电压 进行本 样机 的系统调试及校准，并得到相关数据 以及系统运算精度。 第 6 页 共 40 页 2 电参数基本量的测量工作原理 及 芯片的选型 电参数基本量包括电压、电流有效值 、 频率 、 有功、无功及视在功率、电能等常用参数，根据这些基本参数，用电单位可以明确当前的电能质量，了解 用电情况，合理控制工厂用电负荷以及调配用电高峰时间。 电气量采集和计算的方法主要有两种，一种是直流采样算法，另一种是交流采样算法。 采样用直流采样算法测量电压、电流时，均是通过测量平均值来测量电量有效值的。 可以证明，当被测信号为纯工频正弦信号时，有效值与平均值的关系为公式 (2l): Urms= (2l) 但在输入信号中含有谐波时， Urms 和 Uaav，的关系将发生变化，两者之间的关系也不同。 由于无法测出谐波含量，它们之间的关系也就 无法确定。 有分析表明，在谐波污染较为严重的情况下，这种测量方法的误差可达 10%以上。 再用带有误差的电压、电流有效值以及它们的相位角计算功率，结果也必将有较大误差。 交流采样法是按照一定规律对被测信号瞬时值进行采样，再用一定的数值算法求得被测量。 在本系统中，所选用 ADE7754 计量芯片对工频周期信号基本参数 (P、 U、 D进行真值测量所用的方法，均可看作是一种积分求平均值的计算，理论上采样最低频率只要大于信号最高频率两倍即可。 在任务要求中，需设计一种 单、 三相工频电参数 精密 测量系统 ，但在实际的生活用电情况下，只能采 集到单相的交流电。 故在芯片的选型中考虑芯片的功能而在实际的应用电路中以采集单相的交流电为准。 电压电流有效值的测 量 正弦波交流电电流、电压的大小通常用其有效值 (均方根 )来计量，按照基本定义，在连续的时间域中 电压有效值 dttutuTVT )]([*)]([10 (22) 电流有效值   T dttitiTI 0 )]([)]([1 (23) 公式 (22)和 (23)中， u(t)—— 电压瞬时值。 i(t)—— 电流瞬时值。 T—— 电流、电压变换周期若以采样周期 Ts 对瞬时电压、电流一个周波采样 N个点，则离散的电压电流的计算方法为公式 (24)和 (25). 离散电压有效值 10 )]([*)]([1 Nk kukuNU (24) 离散电流有效值  10)]([*)]([1 NkkukiNI (25) 第 7 页 共 40 页 其中， u（ k） —— 第 k 个电压采样瞬时值。 i（ k） —— 第 k个电流采样瞬时值。 频率测量 常用的频率测量的方法有频谱测量法和 频率计数法。 频谱测量法对我们的应用并不适用，所以下面我们只讨论计数法。 计数法是最常用的测量频率的方法，分为频率计数与周期计数两种。 对周期信号而言，每一次正向 (或负向 )过零即代表了一个新的周期。 频率计数方法就是通过测量标准时基 t内被测信号的正向过零点数来求得频率 f的，如公式 (26)： f=n/t (26) 周期计数测量方法则是通过测量被测信号两个相邻同向过零点这段时间内某一频率为 fs 的参考脉冲信号的计数。 来测得信号周期的，从而求得信 号的频率 f： f=fs/n (27) 这两种方法，前者宜于测量较高频率的信号，时基越准、越一长，测量精度越高。 而后者则适宜于测量较低频率的信号，参考源频率越高、越准，测量精度越高。 目前一般都用晶振来获得参考时基或频率。 由于晶振频率的精度很高，所以计数法在合理的测量时间或参考频率情况下容易获得满意的测量精度，考虑到本文所要测的是交流电的工频为 50Hz，因此选用周期计数测量法，以提高系统效率。 功率及功率因数的测量 正弦波交流电的功率测量包 括 :有功功率测量、无功功率测量和视在功率测 量。 有功功率 有功功率即平均功率，由定义可得 有功功率  T dttituTP 0 )(*)(1 （ 28） 式中 u(t)—— 电压瞬时值 ， i(t)—— 电流瞬时值 ， T—— 电压、电流的变化周期 ，若以采样周期 T 对瞬时电压、电流一个周波采样 N 个点，则离散的有功功率 的计算方法如公式 (29):  10 )(*)(1 Nk kikuNP （ 29） 视在功率 由定义可知 : 视在功率 S=UI （ 210） 式中 U—— 电压有效值。 I—— 电流有效值。 无功功率 无功功率为 ppssQ **  （ 211） 由于本次测量所带的负载为 220V、 40W 的灯泡，为阻性负载。 其无功功率近似为 0， 第 8 页 共 40 页 故在样机的显示中不显示无功功率。 功率因数 视在功率虽是最大功率，但电源可供 出的或电路可吸收的功率总比视在功率小，就是说要打一个折扣，这个折扣就是功率因数。 功率因数的计算公式为 cosΨ =P/S （ 212） 其中，势为无源负载的阻抗角，也就是负载里电压、电流的相位差。 它的大小、极性和负载有关。 设法提高功率因数，可以充分利用电气设备的容量，有很大的经济意义。 由于本次测量所带负载为灯泡，有功功率约等于视在功率，故也不显示功率因数。 测量芯片的选型 目前市场上主要的三相计量芯片有 ADE7754， ATT7026A 及 PL3223， 三 者都用于三相多功能电能计量，均适用于三相三线制和三相四线制具有 50Hz 或 60Hz 标准频率的电网。 在电能计量上的差别主要有 : （ 1） ATT7026A 提供各分相、合相参数，但不具有中断功能。 （ 2） PL3223 提供若干间接参数。 依此计算出电压有效值、电流有效值、线电压频率等参量，只能提供过压、欠压中断。 （ 3） ADE7754 具有 高精度，在 1000:1 动态能量检测范围内误差小于 %；提供动态能量、视在能量、电压均方根值、电流均方根值、以及采样波形数据；功率、相位与输入失调数字化校准；片内设有温度传 感器（经校正后偏差为177。 3℃）；用户片内可编程线电压跌落（ SAG）检测以及电源设备间断监控的阀值；带有 IRQ 与 SPI 兼容的串行接口；频率可设置的脉冲输出；在环境条件变化很大或长时间使用条件下， ADC 和 DSP 仍能保证高精度。 鉴于此次任务的要求，选择了 ADE7754 芯片作为电量参数测量芯片。 中央控制芯片的选型 控制芯片主要是 ARM 和 51 单片。