基于ATT7027的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)

陸愛玲，莊明河，馮成彬，劉偉娟，朱敏杰

紹興文理學(xué)院數(shù)理信息學(xué)院，浙江紹興 312000

基于ATT7027的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)

陸愛玲，莊明河，馮成彬，劉偉娟，朱敏杰

紹興文理學(xué)院數(shù)理信息學(xué)院，浙江紹興 312000

為完善電能質(zhì)量監(jiān)測體系，設(shè)計(jì)了一款基于ATT7027的多功能數(shù)字式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基本電能質(zhì)量參數(shù)的測量及顯示。具體介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面。硬件電路主要由信號(hào)采樣電路、ATT7027主控電路、LCD顯示電路、及電源電路四部分構(gòu)成，給出了軟件程序流程圖。樣機(jī)經(jīng)實(shí)際檢測效果良好。

電能質(zhì)量；監(jiān)測；ATT7027

0 引言

電力電子裝置的大量應(yīng)用導(dǎo)致了電能質(zhì)量問題的日益突出。大量精密自動(dòng)化裝置極容易因電能質(zhì)量問題出現(xiàn)嚴(yán)重事故，造成巨大損失。急需設(shè)計(jì)一款攜帶方便、使用安全，可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測用戶用電質(zhì)量的多功能數(shù)字式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置。

裝置主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流、功率等參數(shù)的準(zhǔn)確測量，并能顯示、儲(chǔ)存和輸出數(shù)據(jù)。同時(shí)系統(tǒng)本身安全性和可靠性也有很高的要求，從而滿足用戶進(jìn)行現(xiàn)代化科學(xué)用電管理的要求。

1 ATT7027芯片簡介

設(shè)計(jì)選用鋸泉光電的ATT7027單相電能計(jì)量芯片。ATT7027是一款低功耗高性能單相電能計(jì)量SOC芯片，片內(nèi)集成單相計(jì)量、處理器、LCD驅(qū)動(dòng)器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘等功能。提供單相電能計(jì)能所需要的全部功能，包括有功功率、無功功率、視在功率、電壓有效值、電流有效值等，電能計(jì)量誤差均小于0.5%。芯片工作電壓范圍為2.7V～3.6V，工作溫度范圍為-40℃～85℃。

ATT7027基于8052內(nèi)核設(shè)計(jì)，具有兼容的體系架構(gòu)，片內(nèi)集成32K程序存儲(chǔ)器（其中8K也可作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用）及1K外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。芯片內(nèi)部固化的2K程序可用于在線調(diào)試或程序下載。芯片共有64引腳，具有口線資源豐富，掉電保護(hù)、功耗低、顯示驅(qū)動(dòng)方便、開發(fā)便利、外圍電路簡單等特點(diǎn)。其引腳結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)框圖如下所示。

圖1-1 ATT7027引腳圖

圖1-2 ATT7027系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件電路主要由信號(hào)采樣電路、ATT7027主控電路、LCD顯示電路、電源電路、調(diào)試下載電路五部分構(gòu)成，信號(hào)采樣電路又包括電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和錳銅分流電路。系統(tǒng)硬件框圖如圖2-1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

由上圖可知，經(jīng)外圍電路得到的差分電壓、電流信號(hào)通過輸入通道進(jìn)入ATT7027芯片內(nèi)部，芯片對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣和計(jì)算，計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，用戶也可鍵控選擇顯示結(jié)果，此外，系統(tǒng)還可與外界通信。

在本系統(tǒng)中，微機(jī)通過RS232與芯片進(jìn)行通信，起到監(jiān)控和調(diào)試的作用。由于RS232上傳送的數(shù)字量采用負(fù)邏輯，因此與ATT7027芯片相連時(shí)要加入電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232。

供電電源電路可提供3.3V和5V兩種電壓值，3.3V給ATT7027芯片，5V給MAX232、AT24C02芯片和12864液晶屏供電。

AT24C02芯片用來存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)，做到上電可改寫，掉電非易失。12864液晶屏用來顯示系統(tǒng)測量結(jié)果。

硬件總電路圖如圖2所示。

2.1 電壓電流信號(hào)采集

ATT7027芯片內(nèi)部有三路完全獨(dú)立的兩階∑-△ADC，每路ADC都有一個(gè)模擬增益放大器（PGA），用于將外部輸入的電壓或電流差分信號(hào)放大，再進(jìn)行內(nèi)部A/D采樣和處理，從而保證了極小信號(hào)測量的線性度。本系統(tǒng)需采集的主要是電流信號(hào)和電壓信號(hào)，分別可由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和錳銅分流電路得到。

圖3 電阻分壓網(wǎng)絡(luò)圖

圖4 錳銅分流電路圖

在電阻分壓網(wǎng)絡(luò)（如圖3所示）中，TP1、TP2為端口電壓，以220V為電網(wǎng)參考電壓，1.2K的電阻值和100pF的電容值均以參考電壓而設(shè)，其共同組成低通濾波器，防止高頻信號(hào)進(jìn)入芯片，減少乘法器受到干擾。由串聯(lián)電路電阻分壓原理可知電阻和電容網(wǎng)絡(luò)兩端是一個(gè)極小的電壓信號(hào)，此信號(hào)通過V3N、V3P通道輸入到ATT7027芯片內(nèi)部。當(dāng)電網(wǎng)電壓為220V時(shí)，V3N、V3P兩端的電壓值基本保持0.3V。采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點(diǎn)是線性好、成本低，缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)電氣隔離。

錳銅分流電路中，電流i(t)流經(jīng)錳銅采樣電阻，電阻兩端會(huì)產(chǎn)生微弱的電壓u(t)，信號(hào)u(t)作為測量電流的模擬差分信號(hào)，由VIN、V1P通道輸入到ATT7027芯片內(nèi)部。電阻與電容共同構(gòu)成抗混疊濾波器。錳銅分流器具有線性好和溫度系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 電能計(jì)量原理

輸入信號(hào)采樣后送至乘法器，完成電壓和電流瞬時(shí)值相乘，輸出一個(gè)與一段時(shí)間內(nèi)的平均功率成正比的直流電壓，再經(jīng)過電壓/頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖頻率。為便于取出電能計(jì)量單位的位數(shù)，將該頻率分頻輸出，電能累計(jì)并且存入存儲(chǔ)器，同時(shí)讀取時(shí)鐘信號(hào)，按預(yù)設(shè)的時(shí)段分時(shí)計(jì)量，并將數(shù)據(jù)輸出顯示，隨時(shí)接收串行通信信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

有功功率由電壓、電流相乘經(jīng)低通濾波器后得到；無功功率由將90度移相電壓與電流相乘后經(jīng)低通濾波器得到；視在功率由電壓有效值和電流有效值相乘得到。由此可見，乘法器是電能計(jì)量的核心部件。

ATT7027能對(duì)通道1和通道2的功率分別提供增益校正和相位校正，如圖5所示。對(duì)電壓移相90度的濾波器性能與輸入信號(hào)的頻率及ADC采樣率相關(guān)，可以通過無功相位補(bǔ)償器對(duì)90度移相進(jìn)行相位補(bǔ)償。ATT7027同時(shí)輸出兩路電流和一路電壓的有效值，有效值可以保證0.5%的精度。

圖5 功率計(jì)算和補(bǔ)償

圖6 軟件流程圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中極為重要。電能質(zhì)量參數(shù)的計(jì)算、統(tǒng)計(jì)和存儲(chǔ)都要通過程序來控制和實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然，外部通信與監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸與顯示以及用戶與監(jiān)測儀之間的鍵控互動(dòng)更離不開程序的控制。軟件流程圖如圖6所示。

當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先通過模式選擇引腳TEST/TMS1/TMS0來選擇工作模式，主要有用戶應(yīng)用模式UAM、串行編程模式SFPM和并行編程模式PFPM三種。其后系統(tǒng)進(jìn)行儀表自檢，檢測并排除自身故障，以保障正常工作。正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)首先讀取存儲(chǔ)的參數(shù)，包括峰、谷電時(shí)間段及相應(yīng)時(shí)段的電價(jià)等，然后在程序的調(diào)度下完成相關(guān)數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)帶有鍵控和通信功能，因此在正常工作狀態(tài)中需判斷是否有按鍵按下或者有無通信數(shù)據(jù)，并作出相應(yīng)判斷和處理。

4 結(jié)論

ATT7027體積小，性能高，功能全，基于ATT7027芯片的多功能電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)硬件電路所需元件少、成本低，系統(tǒng)安全可靠、抗干擾能力強(qiáng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室試用檢測：可良好地用于實(shí)時(shí)電路在線監(jiān)測，精確測量有功功率、無功功率、視在功率、電壓有效值、電流有效值等電能質(zhì)量基本參數(shù)。

圖2 硬件總電路圖

[1]劉鳳君.市電電能質(zhì)量補(bǔ)償技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[2][日]赤木泰文，[巴西]埃德森，[巴西]毛立賽.瞬時(shí)功率理論及其在電力調(diào)節(jié)中的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009，5.

[3]李旭，謝運(yùn)祥.電能質(zhì)量監(jiān)測的技術(shù)現(xiàn)狀[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2006，9(4)：49-52.

[4]袁俊杰.電能質(zhì)量監(jiān)測中一些算法的研究[J].電工電氣，2009.

[5]俞盛榮.電子式電能表應(yīng)用的技術(shù)導(dǎo)向[J].電測與儀表，2004(8)：25-28.

[6]王茂海，謝開，徐正山，呂少坤.一種實(shí)用的幅值和功率測量新算法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31(16).

[7]王保盛，王寶興，魏爭光.電能計(jì)量裝置在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].新疆電力技術(shù)，2009.

[8]梁青.淺談諧波對(duì)電能計(jì)量精確性的影響[J].科技風(fēng)，2011.

TM91

A

1674-6708（2011）57-0136-02