基于ATT7037AU的新型自適應智能用電控制終端設計

席東河，王林生，劉明黎，杜 娟

（1.河南工業職業技術學院 河南 南陽 473009；2.河南中光學集團有限公司 河南 南陽 473000）

節約用電和安全用電，不但是電器使用者們一直關心的話題，而且是終端用電管理部門重點關注的，對于如何方便眾多用戶安全使用的同時實現安全方便的管理，也一直是相關部門科研工作者們努力的方向。

目前已設計出各種各樣的電路來完成這樣的任務，主要的有功率識別法和相位識別法等，但它們都因為電路自身的原因存在缺陷，前者只能對總用電功率進行識別和控制，后者只能識別阻性負載。還有一些提出利用面積比較、BP神經網絡、諧波分離等方法來識別負載[1]，這些方法，電路復雜，信號處理算法復雜。還有的對現有電能表電路進行改進后利用微控制器進行控制，這種方法造成電路體積較大，系統復雜，成本高，智能化設計程度低。

基于此，項目組在進行充分調研和實驗的基礎上，應用戶要求設計了一款新型自適應智能用電控制終端,基于新型高集成度SOC芯片，設計了系統電路和軟件算法，實現對電器類型的識別、功率檢測和用電控制。實踐應用證明其實用性強，可靠性高。

1 自適應智能用電控制終端系統設計

用電控制的中心任務是對終端用電器通、斷電控制，依據是該電器是否是在規定的時間和地點被允許使用的。我們日常生活中較常用的電器比如電腦、電扇、充電器、照明燈等，這些是可以在規定的時間段內使用的，而不常用的容易引起事故的大功率電器如熱得快、電爐、大功率電吹風等，這些往往是不允許被使用的，小功率易出現事故的如電熱毯、小功率電吹風等，這些是限時使用的。因此新型智能用電控制終端必須解決違規電器的自動識別和自動控制問題。

本設計采用上海鉅泉光電科技股份有限公司最新研發推出的最新型低功耗高性能的單相多功能計量SOC芯片ATT7037AU，通過對用電設備的電流和電壓采樣，利用EMU模塊的數字信號處理功能實時計算出瞬時有功功率與有功電能、無功功率與無功電能、視在功率與視在電能、電壓有效值、電流有效值及頻率計算等計量功能，根據這些參數的變化可以判斷出負載的變化，利用程序算法可以成功解決以往的限電技術不能識別負載，或者負載識別智能性和準確性不高的問題。

以ATT7037AU為核心的智能用電控制終端主要由SOC最小系統電路、電流及電壓采樣電路、紅外接口電路、顯示電路、溫度傳感電路、電源電壓檢測電路、繼電器控制電路、485通訊接口電路、電源電路等組成。其中，ATT7037AU芯片通過外圍電路既能完成用電信息的采集、運算又能夠實現和外部交互控制、顯示和通信。智能用電控制終端整體結構框圖如圖1所示。

圖1 智能用電控制系統Fig.1 Smart electricity control system

2 自適應智能用電控制終端硬件設計

自適應智能用電控制終端的設計重點在于獲取當前用電器的用電信息，提取出有用的負載特征，從而準確地識別用電器的類型，最終做出是否通斷電的動作。另一個重要任務就是精確計量已消費使用的電量，并據此進行一系列通斷電操作。此外，必要的通訊功能是實現人機友好交互的重要手段，使操作管理更加智能化。

獲取用電信息的手段有很多，比如對電壓電流采樣后再進行AD轉換，或者使用模擬電路進行積分[2]，這會導致運算速度很慢，系統精度降低。本設計采用上海鉅泉光電科技股份有限公司最新推出的ATT7037AU芯片，克服了傳統電路相位誤差大、易飽和，抗干擾能力弱，速度慢，穩定性差的缺點，實現功率電能信息采集、運算和控制的一體化，結構簡單，集成度高。

2.1 電能SOC芯片ATT7037AU

ATT7037AU芯片片內集成單相計量（3路ADC）、CPU51內核處理器、LCD驅動、電源管理，時鐘管理，RTC模塊及每秒補償機制，溫度/電池電壓測量模塊，PLL，JTAG調試等功能。芯片能夠通過片內ADC采樣提供三路ADC的原始采樣數據和同步波形采樣數據，內部DSP電路能實時計算出有功、無功和視在功率、電壓有效值、電流有效值等，電能計量誤差小于0.1%，電壓/電流有效值測量誤差小于0.5%。通過SFR寄存器和中斷的方式，可以對數字信號處理部分進行校表參數配置和計量參數讀取；計量的結果還通過PF/QF/SF引腳輸出，也即校表脈沖輸出，可以直接接到標準表進行誤差對比[3]。

系統核心電路包括芯片電源連接電路，晶振電路，JTAG調試電路，信號采樣端口，雙串口輸出電路，功能按鍵，以及工作指示燈等。

2.2 電壓電流數據采樣電路

本控制終端的數據來源主要是用電器上的電壓和電流信號，ATT7037AU通過V1P、V1N采樣電流，通過V3P、V3N采樣電壓，通過片內的完全獨立的模擬增益放大器（PGA），可以完成對外部的電壓和電流輸入差分信號的幅度放大，放大后的信號再送給ADC進行采樣和處理，在極小信號輸入時能夠保證測量的線性度。

電流如圖2所示，FLQ為孟桐分流器，其具有線性度好和溫度系數小等優點；L-IN接火線，作為系統參考地電壓；1K電阻與33nF電容并聯到地，共同組成低通濾波器[4]，阻止電網中的高頻信號進入芯片內部，用來減少對芯片內部DSP處理模塊電路的干擾，錳銅電阻兩端產生的穩定的微弱電壓通過VIP、V1N進入芯片內部。

圖2 電源采樣電路Fig.2 Current sampling circuit

電壓采樣電路圖3所示，經過串聯電路電阻分壓后的小信號電壓通過電阻和電容網絡中的V3P、V3N通道進入芯片內部。

圖3 電壓采樣電路Fig.3 Voltage sampling circuit

2.3 電源電路

在普通的智能控電器中，因為系統簡單，控制功率小于2 000 W，因此大多所使用小功率交流繼電器控制，整個系統功耗較低，因此使用了阻容降壓電路來提供系統電源，但是由于繼電器是通電保持性器件，工作過程就會消耗能量，另外大功率的繼電器阻容降壓電源提供的功率不夠。這里選用磁保持型繼電器，12 V的開關電源模塊，同時滿足大功率電流通斷和節能需要。

2.4 磁保持繼電器驅動電路

智能用電管理終端的重要任務是通斷電控制，前面一經選用了交流60 A的磁保持繼電器BST-902，該繼電器通過給控制引腳施加不同的電平信號來接通或者斷開開關，因此其驅動電路需要在兩個端口能夠提供高低電平，具體驅動電路如圖4所示。

2.5 其他電路

圖4 磁保持繼電器驅動電路Fig.4 Magnetic relay drive circuit

作為一個管理終端，需要對用電信息進行存儲，雖然ATT7037AU芯片內部自帶存儲，但是因為它是先整頁擦除，然后寫的操作，并且擦寫次數比較有限，因此比較適合存儲非頻繁操作的數據，如控制器地址，控制器計量校正參數等的存儲，對于電參數的計量數值這里選用了AT24C02作為存儲器。

另外，管理終端還要完成485通信和無線抄表的功能，并同時能夠通過顯示屏顯示用戶信息、電參數信息、電器類型、通斷電信息、警告信息等主要信息，還可以顯示時間、溫度、備份電池電壓等。

485通信電路，支持簡單協議的485通信操作，如電量的讀取，系統參數的設置，數據處理指令等,紅外收發電路提高數據讀取及控制的效率和安全性。

3 自適應智能用電控制終端軟件設計

自適應控制終端要能夠獨立完成對用電終端電器的用電控制，必須要能根據當前以及歷史用電信息識別用電器的類型，根據用電器的類型和電量信息判斷是否允許使用[6]，進而進行相應的開關控制，以達到對用電端的電能計量、節能和安全的目的。

3.1 自適應識別原理介紹

自適應控制終端的自適應是有限自適應，即對標準的已知用電器的自適應以及對特定非通用設備的自適應。通過對已有電器的功率特性進行采樣建立樣本數據模型庫，從而實現在正常工作的工程中依據數據庫中的數據模型對電器進行識別，進而達到控制的目的。功率特性主要包括有功功率的范圍和其隨時間變化的趨勢。

3.2 軟件樣本數據庫的建立

生活中常見的電器主要分為：阻性、感性、非線性、還有混合型設備。對于阻性設備電器，屬于線性設備，但是惡性負載（大功率阻性負載）多，如熱得快、電水壺等，所以是最危險的用電設備，需要重點關注，但其模型比較簡單，因為其工作過程中電壓、電流相位一致，設備功率比較穩定。對于感性設備，如電風扇等，功率穩定而適中，模型庫也較簡單。對于非線性設備，有穩定工作的設備如電腦等，其特點是工作波形不規則。對于混合型設備，如空調，其工作狀態有多個，而且狀態多變，狀態功率不等，功率變化多樣，也是關注的重點和識別的難點。因此，依據各類電器的特性，可以將數據庫中的電器分為功率穩定和功率不穩定兩類。

3.3 電器工作數據模型的建立

這里以功率多變的空調為例，說明數據模型建立的過程。將智能管理終端的紅藍兩根220 V引線通過插頭接入插座，將紅綠兩線接到某型壁掛空調的電源線端，建立工作電路，終端即上電工作，按下自適應采集控制按鍵，終端通過485總線將實時采集到的功率數據傳輸到計算機記錄，并繪制波形，啟動空調為制熱模式，空調工作整個過程的有功功率-時間有效曲線如圖5所示，其中縱軸單位為W，橫軸為S。可以看出空調啟動后，首先維持了約16 s的1 W功率，然后功率開始上升，到第21 s穩定下來，一直到第31 s都保持在679.9 W，之后開始上升，到第71 s時功率達到最大值1917 W，在第71至481 s區間，功率基本穩定在1 800 W左右，波動在±150 W以內，從第482 s開始從明顯下降，到516 s降至964 W，然后功率開始在964 W至1 164 W之間按照先增后減的過程呈現有規律的周期性震蕩，周期為約170 s，震蕩持續12個周期，之后關閉空調，空調功率很快下降到0 W。

圖5 某型壁掛空調制熱模式功率時間數據曲線Fig.5 A certain type of hanging air conditioning heating mode power time data curve

圖5 所示過程體現了空調制熱的一般過程，可以看出其中有4個關鍵點，在這些點的兩邊都產生了較大的功率變化，因此依據這些關鍵點在它們之間取最大、最小值的加權平均，可以建立的數學模型如圖6所示，其中細曲線為原始數據，較粗的折線為模型數據。其中最關鍵特征是3個關鍵數據797 W、1786 W和1 032 W，以及圍繞這3個功率點的小范圍波動。

圖6 某型壁掛空調制熱模式功率時間數據曲線模型Fig.6 The wall hanging air conditioning heating mode power time data curve model

3.4 自適應識別程序設計

依據上述分析，可以設計對應的識別算法程序。識別軟件核心程序流程如圖7所示。可以看出利用大功率負載是否穩定，是否在特征功率附近波動這兩個特性，通過一系列的比較、歸納能夠將我們比較關心的惡性負載和空調從眾多負載中篩選出來，分別進行相應的控制，達到自適應識別控制的目的。

圖7 自適應識別程序流程Fig.7 Adaptive recognition processes

對于功率穩定的其他電器模型，只是一些列關鍵有功特征功率不同，算法及流程相同，不再贅述。

4 結束語

本文基于一款SOC芯片設計了一種新型的用電管理終端，根據用電負載的不同特性，提取其關鍵特征，給出了一種識別算法流程。與同類產品相比，結構簡潔，操作簡單，可以有效識別出特定負載和惡性負載，成功解決了以往無法區分負載特性的問題，從而實現對相應的用電設備進行放行或者關斷等操作。該終端體積小，智能化程度高，實際運行效果證明其具有良好的可靠性和穩定性，滿足了用戶需求。

[1]鄭宇，姚加飛.基于諧波分離的學生公寓負載特性識別[J].電氣應用，2007,26（8）：113.ZHENG Yu,YAO Jia-fei.Student apartment load characteristic recognition based on harmonic separation[J].Electric applications,2007,26(8):113.

[2]李昂,史延東,寧飛.智能負載識別器的設計[J].微型機與應用，2005(4):21.LI Ang,SHI Yan-dong,NING Fei.Intelligent load identifier design[J].Micro Computer and Application,2005(4):21.

[3]鉅泉光電科技(上海)股份有限公司.ATT7053BU_ATT7059 BU_ATT7059S用戶手冊V1.3，[EB/OL].[2014-01-09].http://www.hitrendtech.com/jishuwendang.aspx.

[4]陸愛玲，莊明河，馮成彬，等.基于ATT7027的電能質量檢測裝置的設計[J].科技傳播，2011，12（下）:136.LU Ai-ling ZHUANG Ming-He,FENG Cheng-bin,et al.The design of power quality detection device based on ATT7027[J].Science and technology,2011,12(under):136.

[5]上海貝斯特電器制造有限公司.BST-902用戶手冊.[EB/OL].[2014-06-24].http://www.bstrelay.com/.

[6]張淼特，谷小紅.電器惡性負載識別方法研究與仿真[J].計算機仿真.2013，30（2）:214.ZHANG Miao-te,GU Xiao-hong.Electrical malignant load identification method simulation[J].Journal of Research and