摘 要： 采用凌陽SPCE061A板控制器，以高精度的三相電能專用測量芯片ATT7022A為核心，實現(xiàn)對三相工頻交流電三相電壓、三相電流、三相有功功率、三相無功功率、總有功功率、總無功功率、功率因數(shù)、電網(wǎng)頻率、有功電能和無功電能的測量與顯示。電表測量精度高，且具有電壓和電流相序檢測、掉電存儲、密碼保護(hù)等功能。通過RS-485通信實現(xiàn)遠(yuǎn)程測量，通過紅外通信向掌上PDA手抄表傳送信息，并通過按鍵菜單和LCD顯示提供人機(jī)交互界面。
關(guān)鍵詞： ATT7022A；SPCE061A；RS-485通信；紅外通信
電能表是我國電工儀表行業(yè)中產(chǎn)量最大的產(chǎn)品。近幾年，國家連續(xù)出臺多項與電能表相關(guān)的政策，加上中國的社會用電量迅速增長、全國聯(lián)網(wǎng)、特高壓電網(wǎng)建設(shè)、智能家居進(jìn)程、計量新技術(shù)應(yīng)用等要素，不斷推進(jìn)電表應(yīng)用的擴(kuò)展。
隨著高新技術(shù)尤其是電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，電子式、多功能、高精度、多費率、自動抄表等產(chǎn)品成為電能表發(fā)展的主流。本文設(shè)計的電表主要有以下優(yōu)點：
（1）系統(tǒng)采用互感器對電壓電流進(jìn)行采樣。傳統(tǒng)的電表大多采用電阻分壓對電壓和電流量進(jìn)行采樣。這種方法簡單易行，電路結(jié)構(gòu)簡單。但是電阻分壓提取電壓值，對電阻的精度要求高，且浪費在分壓電阻上的能量太多，不符合環(huán)保節(jié)能的要求；同時對電流的采樣也會改變原有電路的參數(shù)[1]。
（2）串行通信采用RS-485，通過平衡發(fā)送和差分接收方式實現(xiàn)通信。由于傳輸線通常使用雙絞線，采用差分傳輸，所以有極強(qiáng)的抗共模干擾能力；總線收發(fā)器的靈敏度很高，可以檢測到低至200 mV的電壓，其傳輸信號在千米以上可以恢復(fù)；傳輸距離遠(yuǎn)，傳播速度快。
（3）傳統(tǒng)抄表系統(tǒng)的電能計量模塊采用傅里葉算法計算，算法過于復(fù)雜，對處理器的要求較高，由于大量的采樣和數(shù)據(jù)運算給單片機(jī)帶來很大的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響了單片機(jī)處理其他問題的速度；并且大大增加了成本。本系統(tǒng)采用的ATT7022是一款國產(chǎn)的電能計量專用芯片，電路價格低廉。除了A/D轉(zhuǎn)換部分，在芯片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)運算電路，可以大大節(jié)省測量系統(tǒng)主控MCU的工作負(fù)荷。為了保證測量精度它的采樣頻率為3.2 kHz。此芯片的接口簡單，使用方便。
此外，系統(tǒng)還設(shè)置了密碼保護(hù)功能、掉電存儲功能、過載保護(hù)功能等。
1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.1 系統(tǒng)的總體基本結(jié)構(gòu)
本設(shè)計主要由主控部分、液晶顯示模塊、電壓電流采樣模塊、參數(shù)測量模塊、電源模塊、通信模塊參數(shù)測量部分構(gòu)成。系統(tǒng)以16位凌陽單片機(jī)SPCE061A為控制核心[2]，配合高精度芯片ATT7022A完成電量參數(shù)的測量。系統(tǒng)總體基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
系統(tǒng)通過ATT7022三相有功復(fù)功率電能專用計量芯片對采樣調(diào)理后的三相交流電信號進(jìn)行處理，得到每相交流電電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率和功率因數(shù)等參數(shù)，并將各參數(shù)數(shù)據(jù)送入SPCE061A 進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程測量及紅外通信。在任意時刻，都可通過按鍵輸入信號驗證密碼后對當(dāng)前時刻三相電的所有測量數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測并進(jìn)行密碼修改[3]。
1.2 ATT7022簡介
本系統(tǒng)采用高精度的三相電能專用測量芯片ATT7022A作為主控芯片，其有功測量滿足 0.5S/0.2S。ATT7022三相電能專用計量精度非常高，適用于三相三線和三相四線。ATT7022 能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足三相復(fù)費率多功能電能表的需求。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
本系統(tǒng)采用凌陽系列單片機(jī)SPCE061A為主控芯片，采用電流型電壓互感器HKPT31C及立式穿芯微型精密交流電流互感器HKCT21A-02對三相電壓、電流進(jìn)行采樣。
2.1 采樣模塊設(shè)計
因為本系統(tǒng)需要測量電流電壓參量，而現(xiàn)有測量芯片無法直接對大電流和高電壓進(jìn)行測量，故需要對這兩個信號進(jìn)行采樣。本系統(tǒng)中電壓信號采集使用HKPT31C電流型電壓互感器，它具有體積小、精度高、印刷線路板直接焊接安裝、使用方便、機(jī)械和耐環(huán)境性能好、電壓隔離能力強(qiáng)、安全可靠等優(yōu)點。電流采集器件使用HKCT21A-02-15A交流電流互感器，它同樣具有直接焊接安裝、精度高、全封閉、抗干擾性好、電壓隔離能力強(qiáng)、安全可靠的優(yōu)點。
2.2 ATT7022模塊部分設(shè)計
電壓、電流測量采用互感器輸入方式，這時各通道不可避免地存在增益、相位方面的誤差，在高精度測量時這些誤差不容忽視，針對互感器比差的非線性，ATT7022可以提供校正，可對比差進(jìn)行分段補(bǔ)償，對相位加以分段修正，并對電壓、電流有效值進(jìn)行修正。通過SPI接口將校正的數(shù)據(jù)寫入ATT7022中實現(xiàn)。
2.3 RS-485模塊部分設(shè)計
RS-485與MAX485聯(lián)合使用，通過RS-458協(xié)議實現(xiàn)串口長距離通信，用MAX485完成將TTL電平與RS-485電平之間的轉(zhuǎn)化。本系統(tǒng)還采用光隔電路，在無信號傳輸時將MAX485和單片機(jī)進(jìn)行隔離，減小了各器件間可能存在的干擾。圖2是系統(tǒng)RS-485串口通信電路，整個系統(tǒng)中有兩處這種電路，分別位于兩塊單片機(jī)上，實現(xiàn)雙向通信[4-5]。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 主程序流程圖
主程序流程圖如圖3所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，通過ATT7022判斷電流電壓是否過載。若過載，報警并采用相應(yīng)的保護(hù)措施；若正常，繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，將處理后的數(shù)據(jù)通過紅外或RS-485方式傳送到另一塊單片機(jī)，通過LCD顯示。在另一塊單片機(jī)上按鍵，運行鍵盤掃描程序，選擇相應(yīng)功能，通過LCD顯示觀察測量結(jié)果。
軟件的設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)采集、LCD顯示程序、斷電保護(hù)程序、鍵盤程序、RS-485通信和紅外通信等部分。
3.2 密碼保護(hù)功能
密碼保護(hù)功能的實現(xiàn)依靠32 KB閃存Flash。密碼保護(hù)模塊流程圖如圖4所示。密碼存入一個特定的閃存地址，每次密碼驗證時，從閃存中讀出原設(shè)密碼，將從鍵盤中輸入的數(shù)字與原設(shè)密碼進(jìn)行比較，正確就可以進(jìn)入下一步，對各參量觀察，錯誤則提示密碼輸入錯誤重新輸入密碼。修改密碼時從鍵盤獲取修改的密碼值寫入指定閃存地址，覆蓋原來的密碼值。
3.3 紅外通信
紅外發(fā)射電路串行碼主要由TimerA定時器發(fā)送，IOB8編程為第二功能，由TimerA控制輸出占空比可調(diào)的脈寬調(diào)制信號PWM0，產(chǎn)生38 kHz的載波信號。串行數(shù)據(jù)由單片機(jī)的串行輸出端TXD送出并驅(qū)動三極管，利用兩個紅外發(fā)射管將38 kHz的載波信號以光脈沖的形式向外發(fā)送。串行碼為1時，打開輸出，為0時，關(guān)閉PWM0輸出(輸出低電平)。用TimerB控制脈沖寬度。
紅外接收電路利用TSOP1738紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38 kHz的脈沖調(diào)制紅外光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再由前置放大器和自動增益控制電路進(jìn)行放大處理。然后通過帶通濾波器進(jìn)行濾波，濾波后的信號由解調(diào)電路解調(diào)。最后由輸出級電路進(jìn)行反向放大輸出。
3.4 RS-485數(shù)據(jù)通信
RS-485接口采用差分方式傳輸信號，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差。
4 測試結(jié)果與分析
4.1 三相有功功率測量及總有功功率
測得的三相有功功率與總有功功率如表1所示。
4.2 功率因數(shù)
4次測量的功率因數(shù)理論值與測量值如表2所示。
4.3 測試分析與結(jié)論
根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，經(jīng)分析可以得出以下結(jié)論：
（1）本系統(tǒng)能對三相工頻交流電（頻率波動范圍為45 Hz～65 Hz）的三相電壓、三相電流、三相有功功率、三相無功功率、總有功功率、總無功功率、功率因數(shù)、電網(wǎng)頻率、有功電能和無功電能在誤差允許范圍內(nèi)進(jìn)行測量。
（2）實現(xiàn)電壓和電流相序檢測功能，有掉電存儲功能。
（3）通過密碼保護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)RS-485通信實現(xiàn)遠(yuǎn)程測量、紅外通信等，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。
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