數(shù)字式三相智能電能表的研制*

陳嬌英 ，梁志達 ，李嘯驄

（1.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與電氣工程系，廣西 南寧530001；2.廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

隨著電能管理的現(xiàn)代化，需要訪問電能表信息很多，同時決策還要與電能表進行雙向通信，由于數(shù)字式智能型電能表是以微處理器為核心，所以其功能容易擴展，易和配電自動化系統(tǒng)集成。目前智能型電能表在我國得到了較快的推廣應(yīng)用,并且有很大的市場前景。本文采用Atmega128單片機為核心，使用ATT7022為計量芯片，研制了一款帶IC卡預(yù)付費的數(shù)字式智能三相電能表，可以實現(xiàn)計費到收費的全過程科學(xué)化管理；使用電者有計劃、有選擇地合理安排用電時間；并具有功率雙向計量功能，滿足未來家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)的電能計量要求。

1 三相數(shù)字式電能表設(shè)計思路

1.1 適用對象

本電量表設(shè)計為三相，針對的用戶群為小型生產(chǎn)企業(yè)、商業(yè)鋪面、農(nóng)用加工場等使用三相電源、用電負(fù)荷較小的場合。

1.2 具備的功能

電量表各功能關(guān)系示意圖如圖1所示。

1.3 參數(shù)選擇

本文所設(shè)計電量表能達到的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 電量表設(shè)計參數(shù)

2 硬件選型

電量表的硬件電路設(shè)計首先是硬件選型，本設(shè)計的硬件選型如下。

2.1 計量芯片

本文選用專門為三相電能計量設(shè)計的專用芯片ATT7022。該芯片內(nèi)部集成了6路二階∑-△ADC、參考電壓電路以及測量功率、能量、有效值、功率因素、頻率等電參數(shù)需要的數(shù)字信號處理電路，能同時測量各相電參數(shù)，然后再計算合相電參數(shù)，可滿足三相復(fù)費率多功能電量表的需求。ATT7022支持全數(shù)字域的增益、相位校正 (即純軟件校表)。用戶在校正過程中，只需向ATT7022的相關(guān)寄存器寫入校正數(shù)據(jù)，而無需硬件方面的改動。這種純軟件校正方式比以往使用可調(diào)電阻的方式要準(zhǔn)確、方便。校正后，ATT7022有功測量滿足0.2S、0.5S，支持 IEC62053-22，GB/T 17883-1998，無功測量滿足 2 級 、3 級，支持 IEC62053-23，GB/T 17883-1998[1-2]，完全滿足本文上述定位的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 處理芯片

計量芯片ATT7022提供的是計量解決方案，只是單純的參數(shù)計算，但整個系統(tǒng)的電源管理、輸出顯示、按鈕輸入、時間計算等一系列處理還需要有核心微處理器。本文選用AVR系列的Atmega128作為微處理器。這款基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器，使用精簡指令和哈佛結(jié)構(gòu)，大部分指令都可以單周期執(zhí)行，本設(shè)計使用16 MHz晶振，其內(nèi)部運算性能高達16 MIPS[3]。

2.3 液晶顯示

本文所設(shè)計的電量表由于參數(shù)較多，因此考慮使用液晶作為主要顯示單元。液晶模塊在市面上較多的是1602和12864，本文選用ST7920作為主控芯片的12864液晶模塊，其內(nèi)置漢字字庫，型號為 FYD12864-0402B，可提供8 192個16×16點的漢字，顯示分辨率128×64點。該模塊的功能特點有：模塊帶有LED方式的側(cè)部背光，低功耗，方便用戶在夜間使用讀取數(shù)據(jù)；內(nèi)置DC-DC變換電路，使用5 V電源即可變換出驅(qū)動液晶所需要的±15 V電壓；可串行通信，節(jié)省數(shù)據(jù)線，有利于簡化系統(tǒng)布線；技術(shù)較為成熟，價格相對也較為便宜[4]。

2.4 時間管理

本設(shè)計從使用環(huán)境出發(fā)，選用的時間芯片為DS12CR887，該芯片內(nèi)部有集成晶振和可充電電池，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，同時也解決了外接電池容易漏液影響系統(tǒng)安全的問題。它內(nèi)部有涓流充電功能，當(dāng)芯片工作在系統(tǒng)電源供電方式下時，使用系統(tǒng)電源為芯片后備電池充電，如果檢測到系統(tǒng)電源故障，則自動切換到后備電源供電方式。DS12CR887使用5 V或3.3 V工作電源，它與單片機的通信可選Intel或Motorola總線時序，內(nèi)部自動計算年份、月份、日期、星期、時、分、秒等，能自動識別大小月份及閏年，有3個可單獨屏蔽中斷標(biāo)志位的中斷輸出，用于定時鬧鐘功能。DS12CR887的器件壽命為30年，內(nèi)部時間在出廠時經(jīng)過校準(zhǔn)，25℃環(huán)境下運行每月誤差為±1 min，能滿足電量表在壽命、精度方面的要求。

2.5 電源部分

電量表的供電電源必須可靠。作為電量表，表內(nèi)已有三相380 V電通過，還從外部取電顯然不實際，只能考慮從380 V電路中經(jīng)過變壓取電。三相四線供電中，每一相與中性線間都有220 V的相電壓，板上電源可以從A、B、C三相中任一相取電然后轉(zhuǎn)換成需要的直流。但是考慮在突然缺相的情況下，板上還要可靠供電，因此本文從三相都取電，即設(shè)計了3套同樣的開關(guān)電源，用于給板上供電。這3個開關(guān)電源并聯(lián)運行，為板上供電提供可靠保障。3個開關(guān)電源并聯(lián)運行，由于各開關(guān)電源參數(shù)不一定完全相同，存在環(huán)流或功率分配不平衡的問題。本文解決方案是，在開關(guān)電源的出口串聯(lián)一個二極管，并且開關(guān)電源的功率設(shè)計足夠大，留有足夠裕量，如每個開關(guān)電源2 W的輸出功率，能滿足繼電器及單片機等其他部件同時供電的要求。

本文設(shè)計的板上電源有3種電壓等級，分別是給單片機供電的5 V、給IC卡讀卡芯片供電的3.3 V和給繼電器供電的9 V。

2.6 掉電保護

本文采用的方案是利用Atmega128芯片里的EEPROM。但是EEPROM的讀寫速度相對RAM較慢，而且壽命有限，如Atmega128里的EEPROM只有100 000次讀寫壽命。因此EEPROM不能當(dāng)實時內(nèi)存使用，也就是說對于實時的運算結(jié)果不能直接存入EEPROM中，只能在系統(tǒng)檢測到掉電時及時將重要數(shù)據(jù)寫入，供上電開機時讀取。這就要求單片機能及時發(fā)現(xiàn)掉電，具有識別掉電的能力。本文采用掉電保護芯片IMP809，可以使單片機及時發(fā)現(xiàn)掉電。當(dāng)IMP809檢測到電路電壓低于4.63 V時，向單片機發(fā)出中斷信號，通知單片機及時將重要數(shù)據(jù)存入EEPROM。

2.7 信號采集

信號采集主要是針對電壓、電流信號的采集。要實現(xiàn)0.5級的計量精度，就要選擇好的信號采集器件，在精度及線性度方面都要有所考慮。本設(shè)計電量表使用三相四線制，為了提高計量精度，使用三表法分別在三相取電壓、電流信號。電壓采集選用微型精密電壓互感器，規(guī)格為400 V/0.5 V，分別采集 A、B、C相電壓信號。電流采集選用微型精密電流互感器，作為實驗用，規(guī)格暫選 5 A/50 mA，二次側(cè)接一個 20 Ω的采樣電阻，得額定輸出采樣電壓1 V。采集的三相電壓、三相電流信號分別送入ATT7022的內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器。

2.8 開關(guān)部分

本系統(tǒng)內(nèi)置計費系統(tǒng)，在費用用完的情況下要進行分閘操作，停止向用戶供電，因此，必須選用一種開關(guān)機構(gòu)用于分合閘。對于大功率用戶，首先會考慮使用斷路器或接觸器，但本文設(shè)計的是小功率的用戶，考慮選用磁保持繼電器。這樣可以集成到外殼里，減小體積增加可靠性。磁保持繼電器可以保持兩種狀態(tài)，開斷或閉合，在保持開斷與閉合的時候線圈是不通電的，要切換開關(guān)狀態(tài)，只需在控制端向其輸入脈沖信號。這種繼電器將有利于減小電量表內(nèi)部損耗和延長電量表的使用壽命。

3 硬件電路設(shè)計及制作

3.1 硬件電路設(shè)計

在進行硬件電路設(shè)計時，依據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)手冊并考慮整體效果[5]，把各子模塊整合成一個大模塊。系統(tǒng)硬件的電路構(gòu)成如圖2所示。

3.2 電路制作

為了增強系統(tǒng)的條理性并減小干擾，設(shè)計成兩塊電路板，一塊是主電路的強電部分，另一塊是控制電路的弱電部分。強電部分包括接線端子、保險管、電流互感器、電壓互感器、繼電器及開關(guān)電源。弱電部分電路板的設(shè)計主要是Atmega128單片機和ATT7022計量芯片的外圍電路。設(shè)計時，模擬電路和數(shù)字電路分區(qū)布置，在適當(dāng)?shù)牡胤戒伒仄帘?，減小干擾。硬件電路設(shè)計完成后，送專門廠家制作成PCB板，進行元件焊接、調(diào)試，確保電路無誤，然后編寫單片機用的軟件程序及各模塊的驅(qū)動程序，主要結(jié)合廠家的數(shù)據(jù)手冊上給出的時序圖及控制邏輯來進行程序編寫，在適當(dāng)?shù)牡胤郊由涎舆t，以使速度協(xié)調(diào)。最后調(diào)試并根據(jù)偏差計算校表量，向ATT7022寫入校表程序。所制作的數(shù)字式三相智能電能表如圖3所示。

本文所研制的數(shù)字式三相智能電能表集電量參數(shù)計量、監(jiān)控和顯示于一體，整體電路設(shè)計遵循強、弱電分離的原則，從布局、電源、布線方面考慮其工作的可靠性，具有集成度高、功能強、成本低、抗干擾能力強、功耗低等優(yōu)點，有利于實現(xiàn)電能智能化管理及未來家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)的電能計量的要求，具有很好的應(yīng)用前景。

[1]朱琳.AZT70228在電力參數(shù)測量中的應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[2]陳四根，陳濤.基于 ATT7022A電能計量芯片電力監(jiān)控終端設(shè)計[J].東北電力技術(shù)，2007，28(6)：44-47，54.

[3]珠海炬力集成電路設(shè)計有限公司.ATT-7022 manual[S].2003.

[4]余華芳，劉健.單片機與液晶顯示模塊的軟硬件接口技術(shù)[J].液晶與顯示，2003，18(2)：125-128.

[5]鄔寬明.單片機外圍器件實用手冊數(shù)據(jù)傳輸接口器件分冊[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999.