數(shù)字式三相智能電能表的研制*

陳嬌英 ，梁志達(dá) ，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(shí)決策還要與電能表進(jìn)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(kuò)展，易和配電自動(dòng)化系統(tǒng)集成。目前智能型電能表在我國(guó)得到了較快的推廣應(yīng)用,并且有很大的市場(chǎng)前景。本文采用Atmega128單片機(jī)為核心，使用ATT7022為計(jì)量芯片，研制了一款帶IC卡預(yù)付費(fèi)的數(shù)字式智能三相電能表，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)到收費(fèi)的全過程科學(xué)化管理；使用電者有計(jì)劃、有選擇地合理安排用電時(shí)間；并具有功率雙向計(jì)量功能，滿足未來家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)的電能計(jì)量要求。

1 三相數(shù)字式電能表設(shè)計(jì)思路

1.1 適用對(duì)象

本電量表設(shè)計(jì)為三相，針對(duì)的用戶群為小型生產(chǎn)企業(yè)、商業(yè)鋪面、農(nóng)用加工場(chǎng)等使用三相電源、用電負(fù)荷較小的場(chǎng)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(jì)電量表能達(dá)到的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 電量表設(shè)計(jì)參數(shù)

2 硬件選型

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

2.1 計(jì)量芯片

本文選用專門為三相電能計(jì)量設(shè)計(jì)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(cè)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(hào)處理電路，能同時(shí)測(cè)量各相電參數(shù)，然后再計(jì)算合相電參數(shù)，可滿足三相復(fù)費(fèi)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(dòng)。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(cè)量滿足0.2S、0.5S，支持 IEC62053-22，GB/T 17883-1998，無功測(cè)量滿足 2 級(jí) 、3 級(jí)，支持 IEC62053-23，GB/T 17883-1998[1-2]，完全滿足本文上述定位的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 處理芯片

計(jì)量芯片ATT7022提供的是計(jì)量解決方案，只是單純的參數(shù)計(jì)算，但整個(gè)系統(tǒng)的電源管理、輸出顯示、按鈕輸入、時(shí)間計(jì)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(jiǎn)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(jì)使用16 MHz晶振，其內(nèi)部運(yùn)算性能高達(dá)16 MIPS[3]。

2.3 液晶顯示

本文所設(shè)計(jì)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(kù)，型號(hào)為 FYD12864-0402B，可提供8 192個(gè)16×16點(diǎn)的漢字，顯示分辨率128×64點(diǎn)。該模塊的功能特點(diǎn)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(dòng)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(jiǎn)化系統(tǒng)布線；技術(shù)較為成熟，價(jià)格相對(duì)也較為便宜[4]。

2.4 時(shí)間管理

本設(shè)計(jì)從使用環(huán)境出發(fā)，選用的時(shí)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(jiǎn)化，同時(shí)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(shí)，使用系統(tǒng)電源為芯片后備電池充電，如果檢測(cè)到系統(tǒng)電源故障，則自動(dòng)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(jī)的通信可選Intel或Motorola總線時(shí)序，內(nèi)部自動(dòng)計(jì)算年份、月份、日期、星期、時(shí)、分、秒等，能自動(dòng)識(shí)別大小月份及閏年，有3個(gè)可單獨(dú)屏蔽中斷標(biāo)志位的中斷輸出，用于定時(shí)鬧鐘功能。DS12CR887的器件壽命為30年，內(nèi)部時(shí)間在出廠時(shí)經(jīng)過校準(zhǔn)，25℃環(huán)境下運(yùn)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(shí)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(jì)了3套同樣的開關(guān)電源，用于給板上供電。這3個(gè)開關(guān)電源并聯(lián)運(yùn)行，為板上供電提供可靠保障。3個(gè)開關(guān)電源并聯(lián)運(yùn)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(gè)二極管，并且開關(guān)電源的功率設(shè)計(jì)足夠大，留有足夠裕量，如每個(gè)開關(guān)電源2 W的輸出功率，能滿足繼電器及單片機(jī)等其他部件同時(shí)供電的要求。

本文設(shè)計(jì)的板上電源有3種電壓等級(jí)，分別是給單片機(jī)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(hù)

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(duì)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(shí)時(shí)內(nèi)存使用，也就是說對(duì)于實(shí)時(shí)的運(yùn)算結(jié)果不能直接存入EEPROM中，只能在系統(tǒng)檢測(cè)到掉電時(shí)及時(shí)將重要數(shù)據(jù)寫入，供上電開機(jī)時(shí)讀取。這就要求單片機(jī)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)掉電，具有識(shí)別掉電的能力。本文采用掉電保護(hù)芯片IMP809，可以使單片機(jī)及時(shí)發(fā)現(xiàn)掉電。當(dāng)IMP809檢測(cè)到電路電壓低于4.63 V時(shí)，向單片機(jī)發(fā)出中斷信號(hào)，通知單片機(jī)及時(shí)將重要數(shù)據(jù)存入EEPROM。

2.7 信號(hào)采集

信號(hào)采集主要是針對(duì)電壓、電流信號(hào)的采集。要實(shí)現(xiàn)0.5級(jí)的計(jì)量精度，就要選擇好的信號(hào)采集器件，在精度及線性度方面都要有所考慮。本設(shè)計(jì)電量表使用三相四線制，為了提高計(jì)量精度，使用三表法分別在三相取電壓、電流信號(hào)。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(hào)。電流采集選用微型精密電流互感器，作為實(shí)驗(yàn)用，規(guī)格暫選 5 A/50 mA，二次側(cè)接一個(gè) 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(hào)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(jì)費(fèi)系統(tǒng)，在費(fèi)用用完的情況下要進(jìn)行分閘操作，停止向用戶供電，因此，必須選用一種開關(guān)機(jī)構(gòu)用于分合閘。對(duì)于大功率用戶，首先會(huì)考慮使用斷路器或接觸器，但本文設(shè)計(jì)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(shí)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(hào)。這種繼電器將有利于減小電量表內(nèi)部損耗和延長(zhǎng)電量表的使用壽命。

3 硬件電路設(shè)計(jì)及制作

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

在進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)并考慮整體效果[5]，把各子模塊整合成一個(gè)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(qiáng)系統(tǒng)的條理性并減小干擾，設(shè)計(jì)成兩塊電路板，一塊是主電路的強(qiáng)電部分，另一塊是控制電路的弱電部分。強(qiáng)電部分包括接線端子、保險(xiǎn)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(jì)主要是Atmega128單片機(jī)和ATT7022計(jì)量芯片的外圍電路。設(shè)計(jì)時(shí)，模擬電路和數(shù)字電路分區(qū)布置，在適當(dāng)?shù)牡胤戒伒仄帘危瑴p小干擾。硬件電路設(shè)計(jì)完成后，送專門廠家制作成PCB板，進(jìn)行元件焊接、調(diào)試，確保電路無誤，然后編寫單片機(jī)用的軟件程序及各模塊的驅(qū)動(dòng)程序，主要結(jié)合廠家的數(shù)據(jù)手冊(cè)上給出的時(shí)序圖及控制邏輯來進(jìn)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(jì)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(jì)量、監(jiān)控和顯示于一體，整體電路設(shè)計(jì)遵循強(qiáng)、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(qiáng)、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，有利于實(shí)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(jì)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(cè)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(jì)量芯片電力監(jiān)控終端設(shè)計(jì)[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(jì)有限公司.ATT-7022 manual[S].2003.

[4]余華芳，劉健.單片機(jī)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(jī)外圍器件實(shí)用手冊(cè)數(shù)據(jù)傳輸接口器件分冊(cè)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999.