基于高档双avr单片机的三相多功能电能表的制作方法

基于高档双avr单片机的三相多功能电能表的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于高档双AVR单片机的三相多功能电能表，其双AVR单片机核心处理单元包括1#AVR单片机和2#AVR单片机；1#AVR单片机和2#AVR单片机通过SPI总线系统单元连接；前端信号调理单元和高精度ADC转换单元分别与1#AVR单片机相互连接；前端信号调理单元还和高精度ADC转换单元连接；功能显示操作单元、SD卡存储单元和Zigbee无线通讯单元分别与#AVR单片机相互连接；前端信号调理单元与用户待测线路连接。本实用新型可实时监测和显示三相电压、电流、频率、有功和无功功率等常规电气参数，具有操作简单、便携式、成本低、智能化强、测量精度高、抗干扰能力强、可靠性高等优点。
【专利说明】基于高档双AVR单片机的三相多功能电能表
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种三相多功能电能表，特别是涉及一种基于高档双AVR单片机的三相多功能电能表。
【背景技术】
[0002]随着国民经济和社会的快速发展，国家对电网正在进行大规模改造和建设，大用户数量的不断增加，使三相多功能电能表得到了更加广泛的关注和应用。同时，加强用电管理、实现节能降耗的理念越来越受到重视。一般的三相多功能电能表通常仅适用于电气参数监测和电能计量，而不能用于配电管理和节能评估。目前的三相多功能电表，比如一款基于MSP430FE427芯片的多功能电能表，具有多参数测量、多通信方式、复费率的功能，但存储单元采用一片E2PROM存储器AT24C64，不能大容量存储电气参数数据；一般基于DSP和ARM架构的便携式电能质量监测系统，但系统芯片数量多,成本偏高,不利于多功能电表的大规模推广。
[0003]因此，针对大型电力用户实现节能管理的需求，我们特设计了一款基于高档双AVR单片机的便携式三相多功能电能表，该电能表以高速的ATmegal28L单片机为控制核心，利用其丰富的片内资源以及外围扩展设备，可实时监测和显示用户三相电压、电流、频率、有功、无功和视在功率等常规电气参数，并且对其作计算(如设定时间段的最大值、最小值、平均值等)，同时将数据存储于大容量存储器SD卡中，这样一来，大大扩展了该电能表的存储容量，使得其可至少在线监测和记录一周的数据量，而这些数据为实现节能管理提供基础的数据支持。整套装置结构紧凑，具有操作简单、小型化、便携式、成本低、智能化强、测量精度高、抗干扰能力强、可靠性高等优点。
实用新型内容
[0004]本实用新型提供一种采样同步性好，测量精度高，AD转换速度快，转换时间少，可大容量存储，可实时同步串行数据传输，可实现Zigbee无线数据通讯，方便电脑(PC)与AVR进行数据传输的基于高档双AVR单片机的三相多功能电能表。
[0005]本实用新型的目的通过如下技术方案实现:
[0006]一种基于高档双AVR单片机的三相多功能电能表，其特征在于，包括前端信号调理单元、高精度ADC转换单元、双AVR单片机核心处理单元、功能显示操作单元、SD卡存储单元和Zigbee无线通讯单元；双AVR单片机核心处理单元包括1#AVR单片机和2#AVR单片机；1#AVR单片机和2#AVR单片机通过SPI总线系统单元连接；前端信号调理单元和高精度ADC转换单元分别与WAVR单片机相互连接；前端信号调理单元还和高精度ADC转换单元连接；功能显示操作单元、SD卡存储单元和Zigbee无线通讯单元分别与MVR单片机相互连接；前端信号调理单元与用户待测线路连接。
[0007]优选地，所述前端信号调理单元包括频率测量信号调理电路、电压通道信号调理电路、电流通道信号调理电路、振荡电路和电源电路；其中，频率测量信号调理电路由整形电路构成，整形电路主要由依次连接的LF353运算放大器、IN4148稳压管、LM311电压比较器构成；电压通道信号调理电路主要由测量电压信号的PT电压互感器和第一程控放大电路及电压跟随器连接构成；电流通道信号调理电路由测量电流信号的CT电流互感器和第二程控放大及电压跟随器连接构成；PT电压互感器采用电压输出型电压变换器TR1102-1C, CT电流互感器采用电压输出型电流变换器TR0102-2C，两变换器都与电压跟随器连接；振荡电路采用16MHz晶振和74LS04反向器；电源电路主要由78L05和79L05电源芯片构成。
[0008]所述高精度ADC转换器单元包括第一 A/D转换器和第二 A/D转换器，第一 A/D转换器和第二 A/D转换器都采用MAX125AD采样芯片；两块MAX125芯片都与1#AVR单片机互相连接。
[0009]所述1#AVR单片机和2#AVR单片机都采用高档ATmegal28L型单片机。
[0010]所述功能显示操作单元主要包括5位按键电路、实时时钟电路、温度测量电路和IXD液晶显示电路；其中，5位按键电路连接到2#AVR单片机上；实时时钟电路采用DS1302时钟芯片，外接32.768kHz晶振，接到DS1302时钟芯片的Xl和X2端口，并与2#AVR单片机的TO4-PD6端口互相连接；温度测量电路采用单片集成两端感温电流源AD590温度传感器；IXD液晶显示电路采用TG12864B-03T字符型液晶模块或0CMJ10X10D-1字符型液晶模块，外接SS9013三极管，LED-接地时。
[0011]所述SPI总线系统单元主要由SPI同步串行通信接口构成。
[0012]所述Zigbee无线通讯单元采用Zigbee控制模块，Zigbee控制模块采用SZ05 - Zigbee通讯芯片，与2#AVR单片机互相连接。
[0013]本实用新型具有如下优点:
[0014]I)本实用新型可高精度的实时监测和显示各项数据，包括三相电压、电流、功率因素、有功功率、无功功率、视在功率、频率等常规电气参数，并且对其作计算(如设定时间段的最大值、最小值、平均值等)，同时将数据存储于大容量SD卡中，使得电能表具有“可移动插拔”的功能，并且可以连续记录至少一周的数据量，这些数据量为实现节能管理提供精确、详细的数据支持，也对解决电能质量问题的针对措施具有重要的意义。
[0015]2)本实用新型采用MAX125芯片作为AD采样数据芯片，8通道模拟信号输入，14通道数字信号输出，测量精度高，转换速度快，转换时间大大减小，而且也减少了 AD转换芯片硬件设置和软件设计的复杂度。
[0016]3)本实用新型采样信号模块应用程控放大电路，通过AVR单片机IO 口信号实时对电压电路放大倍数进行控制，同时对A/D转换单元进行同步A/D转换控制，消除了采样不同步和周期测量误差对测量精度的影响，保证了电压电流切换到合理范围的放大倍数。
[0017]4)本实用新型存储方式监测记录数据采用SD卡存储，灵活多变，且可移动，可大容量存储。这样可使数据的拷贝更为方便，使监测得到的数据就地分析或通过软件系统操作平台进行一系列节能诊断和电能质量相关的数据分析。
[0018]5)本实用新型采用两块AVR单片机，摆脱了单块AVR单片机同时进行采样和数据处理所带来的诸多不便，两块单片机分工合作，互相配合，一块用于信号采样，一块用于数据分析，保证的采样的准确性和快速性，也保证了数据分析的准确性和实时性。同时，采用Zigbee无线通讯，使得数据在电脑和AVR之间交换更加容易，速度更快，极大地提高了后台电脑平台的数据分析效率，实现对用户电能质量和节能效益的实时诊断和分析。
[0019]6)本实用新型从成本控制及系统优化上考虑芯片选型，选用高档AVR单片机ATmegal28L，充分利用其外设资源以及外围扩展电路，使得系统简约高效，在可以测量环境温度的同时，成本降低，小型化，可便携，可靠性高，实用性强，操作简单，人机界面友好，因此，具有极高的市场推广价值和经济效益价值。
【专利附图】

【附图说明】
[0020]图1为本实用新型基于高档双AVR单片机的三相多功能电能表的原理图。
[0021]图2为本实用新型基于高档双AVR单片机的三相多功能电能表连接示意图。
[0022]图3为1#AVR单片机采样程序流程框图。
[0023]图4为2#AVR单片机主程序流程框图。
【具体实施方式】
[0024]为更好地理解本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步的描述，但是本实用新型的实施方式不限如此。
[0025]如图1所示，一种基于高档双AVR单片机的三相多功能电能表，包括前端信号调理单元1、高精度ADC转换单元2、双AVR单片机核心处理单元3、功能显示操作单元5、SD卡存储单元6和Zigbee无线通讯单元7 ;双AVR单片机核心处理单元3包括1#AVR单片机22和2#AVR单片机23 ；1#AVR单片机22和2#AVR单片机23通过SPI总线系统单元4连接；前端信号调理单元I和高精度ADC转换单元2分别与WAVR单片机22相互连接；前端信号调理单元I还和高精度ADC转换单元2连接；功能显示操作单元5、SD卡存储单元6和Zigbee无线通讯单元7分别与2MVR单片机23相互连接；前端信号调理单元I与用户待测线路27连接；SD卡存储单元6中的SD卡27中存储电力数据最终导入外部软件系统操作平台，进行节能诊断数据分析。
[0026]前端信号调理单元I包括频率测量信号调理电路8、电压通道信号调理电路10、电流通道信号调理电路13、振荡电路15和电源电路16 ;其中，频率测量信号调理电路8由整形电路9构成，整形电路主要由依次连接的LF353运算放大器、IN4148稳压管、LM311电压比较器构成，A相电压输入信号进入LF353运放的输入端,其输出信号经IN4148稳压管稳压后，由IN4148稳压管两端信号输入LM311电压比较器的输入端,经LM311作用后输出信号ICP到1#AVR单片机22的PE7 (IC3/INT7)管脚，对频率实现实时跟踪；电压通道信号调理电路10主要由测量电压信号的PT电压互感器11和第一程控放大电路12及电压跟随器连接构成；电流通道信号调理电路13由测量电流信号的CT电流互感器14和第二程控放大28及电压跟随器连接构成；PT电压互感器11采用电压输出型电压变换器TR1102-1C，CT电流互感器14采用电压输出型电流变换器TR0102-2C，两种变换器都与电压跟随器连接，电压跟随器又称射极输出器，是共集电极电路，信号从基极输入，射极输出，基极电压与集电极电压相位相同，高输入电阻、低输出电阻、电压增益近似为1，也可以用运放、场效应管实现，利用其输入高阻抗，输出低阻抗的特性，使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作；电压通道信号调理电路10输入端接到待测线路三相电压和零线电压，输出信号ch_UA，ch_UB, ch_UC, ch_U0接到高精度ADC转换器2的第一 A/D转换器17的CHlA和CH3A电压信号输入通道；电流通道信号调理电路13输入端接到待测线路三相电流和零线电流，输出信号ch_IA，ch_IB，ch_IC, ch_IO接到高精度ADC转换器2的第二 A/D转换器29的CH2A和CH4A电流信号输入通道；振荡电路15采用16MHz晶振和74LS04反向器构成，输出16MHz信号接到高精度ADC转换器2的第一 A/D转换器17的CLK时钟信号端口 ；电源电路16主要由78L05和79L05电源芯片构成，为整个系统提供DC+12V工作电压。
[0027]高精度ADC转换器单元2包括第一 A/D转换器17和第二 A/D转换器29，第一 A/D转换器17和第二 A/D转换器29采用MAX125AD采样芯片；两块MAX125芯片都与1#AVR单片机22互相连接；两块MAX125换芯片的片选端CS，读写端WR和RD，启动端CONVST和中断控制端INT由1#AVR单片机22发出信号控制，两块MAX125芯片的14位数字信号输出通道DO-D13接入到1#AVR单片机22的PA0-PA7，PC0-PC5端口，经1#AVR单片机22控制实时以同步串口通信的方式发送到2#AVR单片机23进行下一步处理。
[0028]双AVR单片机核心处理单元3包括1#AVR单片机22和2#AVR单片机23，1#AVR单片机22和2#AVR单片机23都采用高档ATmegal28L型单片机，处理来自AD转换单元2的数字信号和来自整形电路9的处理信号，l#ATmegal28L与2#ATmegal28L通过SPI总线系统单元4连接。
[0029]功能显示操作单元5主要包括5位按键电路18、实时时钟电路19、温度测量电路20和IXD液晶显示电路21 ;其中，5位按键电路18连接到2MVR单片机23上；实时时钟电路19采用DS1302时钟芯片，外接32.768kHz晶振，接到DS1302时钟芯片的Xl和X2端口，由3V锂离子电池供电，为2#AVR单片机23提供实时时钟信号，并与2#AVR单片机的TO4-PD6端口互相连接；温度测量电路20采用单片集成两端感温电流源AD590温度传感器，测量外部环境温度；LCD液晶显示电路21采用TG12864B-03T字符型液晶模块或0CMJ10X10D-1字符型液晶模块，外接SS9013三极管，LED-接地时，背光不受控制。
[0030]SPI总线系统单元4主要由SPI同步串行通信接口构成，连接在1#AVR单片机22和2#AVR单片机23之间；
[0031]SD卡存储单元6采用SD控制模块24，SD控制模块24采用单片机UART串口读写sd卡模块SDV600，3.3-5V供电，集成FAT32系统；连接在SD控制模块24外的是SD卡25，存储电力监测数据，具有大容量存储空间；
[0032]Zigbee无线通讯单元7采用Zigbee控制模块26,与2MVR单片机23互相连接，同时可发送单片机数据到外部操作系统平台。
[0033]本实用新型用户待测线路27上的四路电压信号(UA，UB, UC, U0)和四路电流信号(IA, IB, IC, 10)输入到前端信号调理单元I中的PT电压互感器11和CT电流互感器14中。待测用户三相线路的四路电流信号(母线三相电流和零线电流)通过CT电流互感器14转换为小电流，转换比为20A/10mA(0.47V)，同时还有第二路5A/3.53V转换，四路电压信号(母线三相电压和零线电压)通过PT电压互感器11转换为低电压，转换比为600V/3.53V，同时还有第二路转换2mA/2mA，PT电压互感器11采用电压输出型电压变换器IRl 102 - 1C，具有线性输出、高精度、高响应速度、工作范围宽、抗干扰能力强的特点，精度达0.1级，最大输入电压为380V，足以满足对日常民用和工业用电的测量需求，其外接电压跟随器，该跟随器由运算放大器构成，主要是为了实现阻抗匹配。同时，整形电路9与用户待测线路连接，测取待测用户A相电压信号，并经LF353运算处理，由IN4148构成双向稳压电路，保证运算器出来的信号幅值稳定，运算器出来的信号经过LM311电压转换器处理输出信号ICP送入1#AVR单片机22，以实现频率跟踪。
[0034]经前端信号调理单元I中的PT电压互感器11和CT电流互感器14输出的转换信号进入第一程控放大电路12和第二程控放大电路28，进行滤波、运算放大和稳压等进一步处理，第一程控放大电路12和第二程控放大电路28主要由LF356运算放大器，RLC滤波电路，IN4148稳压管，X9313WS数字控制分压器等构成，由1#AVR单片机22发出来的信号进入第一程控放大电路12和第二程控放大电路28，分别对电压和电流进行放大倍数控制，保证电压电流信号符合A/D转换要求和转换精度。
[0035]经频率测量信号调理电路8出来的A相电压转换信号ICP送入1#AVR单片机22实现频率跟踪，以测取线路实际电压电流信号频率；经电压通道信号调理电路10和电流通道信号调理电路13出来的8通道模拟信号ch_UA，ch_UB, ch_UC, ch_U0, ch_IA, ch_IB, ch_IC, ch_10进入高精度ADC转换单元2，该单元第一 A/D转换器17和第二 A/D转换器29采用MAX125AD采样芯片，该芯片为并行14位8通道同步转换器，一块芯片内部有8个采样/保持(T/Η)电路，一路14位的ADC，所以每次采集最多可以输入8路模拟量信号，在采/保电路作用下，依次进行ADC转换，8通道的AD转换只需要3.7s的时间。A/D启动信号，片选信号，读信号，写信号，由1#AVR单片机22直接发出。待A/D转换结束时，MAX125发出结束信号给IMVR单片机22。整个AD采样过程为:由IMVR单片机22启动采样间隔定时器，开启第一 A/D转换器17采样中断，实现同步A/D转换，同时以中断方式采样一个周期，一个周期内同步采样256个点。经第一 A/D转换器17和第二 A/D转换器29转换生成的14位数字信号DBO - DB13送入1#AVR单片机22进行下一步处理。转换的过程中，1#AVR单片机22根据来自AD转换单元的数字信号，发出PT - X -1和CT - X -1信号对电压和电流通道的电压、电流信号进行放大倍数控制。
[0036]振荡电路15采用六路反向器芯片74LS04和16MHz晶振，提供精准16MHz振荡信号给两块MAX125A/D转换芯片17，作为信号源，提供交一定频率、一定幅度的正弦波交流振荡信号，从而利用其产生的高频电磁波来传送信号。电源电路16为整个系统提供DC+12V电压，并经过电源芯片和三极管等转换为5V、3.3V等电压给其他电路使用。
[0037]WAVR单片机22控制ADC转换单元2进行高精度AD转换，14位输出数字信号在1#AVR单片机中进行处理后，通过SPI系统总线单元4的SPI同步串行通信接口传递到2MVR单片机，两块AVR单片机采用高档ATmegal28L单片机，该款单片机具有如下特点:ATmegal28L为一款低功耗高速8位单片机，片内集成128KB FLASH程序存储器，4KB RAM和4KB E2PROM,E2PROM非常适合于参数设定，而且掉电不丢失。内部集成有用于在线仿真调试和程序下载的JTAG接口，方便程序修改和在线升级。
[0038]2#AVR单片机23外接5位按键电路18和温度测量电路20，同时与实时时钟电路19和IXD液晶显示电路21互相连接，5位按键电路18、实时时钟电路19、温度测量电路20和LCD液晶显示电路21共同构成功能显示操作单元5。其中5位按键电路18为触发型按键电路，按下按键，即发出触发信号给2#AVR单片机23的I/O 口，单片机识别该信号并执行相应的命令，从而实现对多功能电表的操作；实时时钟电路19采用DS1302时钟芯片，2#AVR单片机控制其不断的发出时钟信号，并不断地接收这种时钟信号，从而为整个仪表提供精准的时间显示，该电路采用3V锂离子电池供电，保证时钟信号稳定精准；温度测量电路20采用单片集成两端感温电流源AD590温度传感器，以测量外部环境温度，并在液晶模块上显示出来，从而为仪器提供一个环境检验指标；IXD液晶显示21采用0CMJ10X10D -1中文液晶显示模块，其支持文字与绘图两种混合显示模式，支持4/8位之6800/8080MCU接口，内建8X8键盘扫描界面(Key Scan)，带光标、反白、闪烁功能，且光标高度与宽度可调，内建512Byte SRAM，可自行造字，提供中/英文文字对齐功能。IXD液晶显示21也可采用TG12864B - 03T中文字符型液晶显示模块，TG12864B是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及128X64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示8X4个(16X 16点阵)汉字，全屏幕点阵，7种指令，与CPU接口采用8位数据总线并行输入输出和8条控制线，占空比1/64。但是它没有字库，需要在软件中自带字库，该应用中通过汇编查表实现了各种信息的显示。本实用新型LCD液晶显示模块可实时监测和显示三相电压、电流、频率、有功和无功功率等常规电气参数，并且对其作计算(如设定时间段的最大值、最小值、平均值等)，
[0039]1#AVR单片机22通过SPI系统总线单元4与2#AVR单片机23进行实时串口数据传递，SPI系统总线单元4是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。SPI有三个寄存器分别为:控制寄存器SPCR，状态寄存器SPSR，数据寄存器SPDR。本实用新型外围设备包括IXD显示驱动器、A/D转换器、温度传感器，Zigbee无线网络控制器、MCU等等。
[0040]2#AVR单片机23对采集和处理过的四路电压和四路电流，按照国家电能质量标准实时计算有功功率、无功功率、实在功率和功率因数，并在设定的时间段内计算上述参数的最大值、最小值、平均值，以及有功电能和无功电能等等参数，这些参数一方面通过SD卡存储单元6进行实时数据存储，该单元采用SD控制模块SDV600，可至少存储一周的监测数据，数据通过SD卡可导入到外部数据分析操作平台，为进行节能诊断分析和电能质量分析提供基础的数据支持；另一方面，这些数据通过LCD液晶显示21电路显示出来；最后，这些数据可通过Zigbee无线通讯单元7进行无线数据传输，该单元采用Zigbee控制模块，实现Zigbee无线通讯。Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议,根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、地数据库、低成本。主要适合用于自动控制盒远程控制领域，可以嵌入各种设备，是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术，特别适合于本实用新型。
[0041]1#AVR单片机22和2#AVR单片机23采用ATmegal28L型单片机，其主要特性为:高性能、低功耗的AVR8位微处理器。先进的RISC结构:133条指令，大多数可以在一个时钟周期内完成；32X8通用工作寄存器+外设控制寄存器；全静态工作；工作于16MHz时性能高达16MIPS ;只需两个时钟周期的硬件乘法器。非易失性的程序和数据存储器。JTAG接口(与IEEEl 149.1标准兼容)。工作电压为2.7?5.5V。速度等级为O?8MHz。利用ATmegal28L丰富的片内资源以及外围扩展电路，同时利用其卓越的数字信号处理能力，利用CS片选拉低，对第一 A/D转换器17和第二 A/D转换器29的数字信号在所测的一个周期内采集64点的数据。经ATmegal28L可得到三相电压、电流有效值，再对采样收集到的三相电压、电流，根据国标要求，进行相应运算，即可求出三相有功功率、无功功率、视在功率、频率偏差、电压偏差、功率因素，并在设定的时间段内计算上述参数的最大值、最小值、平均值，以及有功电能和无功电能。最后实时显示和存储相关数据。
[0042]SD卡数据存储6原理为:由于SD卡规范和FAT规范非常复杂，如果单独来写这两个规范非常费时和费力，占用系统资源也多。为此采用SD卡读写模块来实现单片机和SD卡之间的数据交换。RXD为模块串口接收端,接收主机发送来的数据；TXD为模块串口发送端，将数据发送给主机；BUSY为该模块忙标识，BUSY=I表示模块忙，BUSY=O表示模块闲；PWCTL为该模块电源控制端，高电平时开启模块电源，低电平时关闭模块电源。在进行数据存储时，先对SD卡进行初始化，然后再将需要存储的数据通1#过单片机22的SPI串口 4发送给SD卡进行存储。
[0043]图3为WAVR单片机22采样程序流程框图，如图3所示，设定每个周期采样64个点。首先，设置保护标志寄存器，当采样时间到时，启动ADC，WAVR单片机22对高精度ADC转换单元2中的第一 A/D转换器17和第二 A/D转换器29进行同步A/D转换控制，等待ADC完成，并由IMVR单片机22读取AD转换结果，并同时恢复标志寄存器,如此反复进行此过程。
[0044]1#AVR单片机22接收来自频率测量信号调理电路8中整形电路9的信号ICP，并根据此信号进行相应处理，实现频率跟踪。频率测量原理为:利用输入捕捉引脚ICP3上由A相电压信号经波形变换而得的脉冲信号，T/C3可以触发一次它对TCNT3中计算值的捕捉，捕捉值将被存放在输入捕捉寄存器ICR3中。因此，通过T/C3对ICP3引脚上脉冲信号的相邻两次捕捉，就可以测量出ICP3引脚上脉冲信号的周期时间或频率。
[0045]图4为2MVR单片机23主程序流程框图。如图4所示，系统启动后，首先进行初始化操作，包括使能看门狗定时器、设置实时时钟电路的定时器以及用于和上位机通信的USARTO的控制寄存器各位状态、初始化IXD液晶显示电路21和SD控制模块24等。然后，键盘根据程序进行处理，测量时间设置为100ms，一旦测量时间到，即开启采样间隔定时器，开启AD采样中断，采用中断的方式进行AD采样，由1#AVR单片机22ATmegal28L使能端及读写等端口控制AD转换器以AD中断方式采样一个周期。根据主程序的设定，采集四路电压、电流信号，再计算有功功率、无功功率、视在功率、频率偏差、电压偏差、功率因数，并在设定的时间段内计算上述参数的最大值、最小值、平均值，以及有功电能和无功电能。最后，实时显示用户耗能数据、环境温度，并存储相关数据，这一过程，由2MVR单片机23控制，控制具体描述为:2#AVR单片机23对来自高精度ADC转换器单元2的14位数字信号进行计算处理和数据分析，监测记录和处理分析的数据由2#AVR单片机23控制读写到IXD显示器21中，待显示时间一到，即进行数据显示，实时时钟显示和环境温度显示。实时时钟由2#AVR单片机23控制和不断读写实时时钟电路19，环境温度显示由2MVR单片机23控制温度测量电路20中AD590温度传感模块。数据显示的同时，2#AVR单片机控制SD卡存储单元6中的SD控制模块24 (SDV600型)进行实时数据存储，保存在SD卡25中，SD卡25中的数据则可导入到外部数据分析操作平台，用于节能诊断分析和能源审计工作。上述主程序运行过程，如此反复进行，直到数据采样结束。
[0046]2#AVR单片机23中采用的算法依据国家电能质量标准体系:GB/T12325 - 2008电能质量供电电压偏差；GB/T15945 - 2008电能质量电力系统频率偏差；GB/T15543 - 2008电能质量三相电压不平衡度；GB/T12326 - 2008电能质量电压波动和闪变；GB/T14549 - 1993电能质量公用电网谐波；GB/T24337 - 2009电能质量公用电网间谐波；GB/T19862 - 2005电能质量电能质量监测设备通用要求。根据这些体系对电网频率、电压偏差、三相电压不平衡、公用电网谐波、公用电网间谐波、波动和闪变的评价指标和计算要求，编写程序，设计算法，实现对四路电压、电流信号，有功、无功、视在功率，功率因素，频率偏差，电压偏差的计算和实时数据显示，并完成相应数据存储。
[0047]本实用新型基于双AVR单片机，采用高档的高速ATmegal28L型单片机，使得仪器本身具有强大的计算处理能力和数据分析能力，能实现对三相电压、电流以及零线电压和电流的实时监测和显示；实时计算电压、电流有效值和在设定时间段内电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数的最大值、最小值、平均值；实时跟踪显示电网频率及采样周期内的平均值；带有串口，可以方便和上位机通信；实时进行Zibgee无线数据通信；相关数据存储在SD卡中，便于后续分析和使用；可测量外部环境温度。该实用新型液晶显示效果好，分辨率高，且配备有大容量的可移动存储空间，使仪器本身可以至少监测和记录至少一周的数据量。本实用新型检测的电力参数，可用于耗能用户节能潜力分析和能源审计等工作，充分挖掘用户的节能潜力，使用户做到最大化节能生产。该仪器结构紧凑，具有操作简单、小型化、便携式、成本低、智能化强、测量精度高、抗干扰能力强、可靠性高等优点。
【权利要求】
1.一种基于高档双AVR单片机的三相多功能电能表，其特征在于:包括前端信号调理单元、高精度ADC转换单元、双AVR单片机核心处理单元、功能显示操作单元、SD卡存储单元和Zigbee无线通讯单元；双AVR单片机核心处理单元包括IMVR单片机和2MVR单片机；1#AVR单片机和2#AVR单片机通过SPI总线系统单元连接；前端信号调理单元和高精度ADC转换单元分别与1#AVR单片机相互连接；前端信号调理单元还和高精度ADC转换单元连接；功能显示操作单元、SD卡存储单元和Zigbee无线通讯单元分别与#AVR单片机相互连接；前端信号调理单元与用户待测线路连接。
2.根据权利要求1所述的基于高档双AVR单片机的三相多功能电能表，其特征在于:所述前端信号调理单元包括频率测量信号调理电路、电压通道信号调理电路、电流通道信号调理电路、振荡电路和电源电路；其中，频率测量信号调理电路由整形电路构成,整形电路主要由依次连接的LF353运算放大器、IN4148稳压管、LM311电压比较器构成；电压通道信号调理电路主要由测量电压信号的PT电压互感器和第一程控放大电路及电压跟随器连接构成；电流通道信号调理电路由测量电流信号的CT电流互感器和第二程控放大及电压跟随器连接构成；PT电压互感器采用电压输出型电压变换器TR1102-1C，CT电流互感器采用电压输出型电流变换器TR0102-2C，两变换器都与电压跟随器连接；振荡电路采用16MHz晶振和74LS04反向器；电源电路主要由78L05和79L05电源芯片构成。
3.根据权利要求1所述的基于高档双AVR单片机的三相多功能电能表，其特征在于:所述高精度ADC转换器单元包括第一 A/D转换器和第二 A/D转换器，第一 A/D转换器和第二 A/D转换器都采用MAX125AD采样芯片；两块MAX125芯片都与1#AVR单片机互相连接。
4.根据权利要求1所述的基于高档双AVR单片机的三相多功能电能表，其特征在于:所述1#AVR单片机和2#AVR单片机都采用高档ATmegal28L型单片机。
5.根据权利要求1所述的基于高档双AVR单片机的三相多功能电能表，其特征在于:所述功能显示操作单元主要包括5位按键电路、实时时钟电路、温度测量电路和LCD液晶显示电路；其中，5位按键电路连接到2#AVR单片机上；实时时钟电路采用DS1302时钟芯片，外接32.768kHz晶振，接到DS1302时钟芯片的Xl和X2端口，并与2#AVR单片机的PD4-PD6端口互相连接；温度测量电路采用单片集成两端感温电流源AD590温度传感器；LCD液晶显示电路采用TG12864B-03T字符型液晶模块或0CMJ10X10D-1字符型液晶模块，外接SS9013三极管，LED-接地时。
6.根据权利要求1所述的基于高档双AVR单片机的三相多功能电能表，其特征在于:所述SPI总线系统单元主要由SPI同步串行通信接口构成。
7.根据权利要求1所述的基于高档双AVR单片机的三相多功能电能表，其特征在于:所述Zigbee无线通讯单元采用Zigbee控制模块,Zigbee控制模块采用SZ05_Zigbee通讯芯片，与2MVR单片机互相连接。
【文档编号】G01R22/10GK203587687SQ201320772340
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】黎有锡, 唐捷, 胡秀珍, 余涛, 程乐峰, 王克英, 彭健福, 姜静, 周彬, 殷林飞 申请人:广东电网公司韶关供电局, 华南理工大学