摘 要： 采用凌陽(yáng)SPCE061A板控制器,，以高精度的三相電能專用測(cè)量芯片ATT7022A為核心,，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相工頻交流電三相電壓、三相電流,、三相有功功率,、三相無(wú)功功率、總有功功率,、總無(wú)功功率,、功率因數(shù)、電網(wǎng)頻率,、有功電能和無(wú)功電能的測(cè)量與顯示,。電表測(cè)量精度高，且具有電壓和電流相序檢測(cè),、掉電存儲(chǔ),、密碼保護(hù)等功能。通過(guò)RS-485通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量,，通過(guò)紅外通信向掌上PDA手抄表傳送信息,，并通過(guò)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(guó)電工儀表行業(yè)中產(chǎn)量最大的產(chǎn)品。近幾年,，國(guó)家連續(xù)出臺(tái)多項(xiàng)與電能表相關(guān)的政策,，加上中國(guó)的社會(huì)用電量迅速增長(zhǎng)、全國(guó)聯(lián)網(wǎng),、特高壓電網(wǎng)建設(shè),、智能家居進(jìn)程、計(jì)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(fèi)率,、自動(dòng)抄表等產(chǎn)品成為電能表發(fā)展的主流,。本文設(shè)計(jì)的電表主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）系統(tǒng)采用互感器對(duì)電壓電流進(jìn)行采樣。傳統(tǒng)的電表大多采用電阻分壓對(duì)電壓和電流量進(jìn)行采樣,。這種方法簡(jiǎn)單易行,，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但是電阻分壓提取電壓值,，對(duì)電阻的精度要求高,，且浪費(fèi)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(shí)對(duì)電流的采樣也會(huì)改變?cè)须娐返膮?shù)[1],。
（2）串行通信采用RS-485，通過(guò)平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)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(cè)到低至200 mV的電壓，其傳輸信號(hào)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(jì)量模塊采用傅里葉算法計(jì)算,，算法過(guò)于復(fù)雜，對(duì)處理器的要求較高,，由于大量的采樣和數(shù)據(jù)運(yùn)算給單片機(jī)帶來(lái)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(guó)產(chǎn)的電能計(jì)量專用芯片,，電路價(jià)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(yùn)算電路,，可以大大節(jié)省測(cè)量系統(tǒng)主控MCU的工作負(fù)荷,。為了保證測(cè)量精度它的采樣頻率為3.2 kHz。此芯片的接口簡(jiǎn)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(chǔ)功能,、過(guò)載保護(hù)功能等。
1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)的總體基本結(jié)構(gòu)
本設(shè)計(jì)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(cè)量模塊,、電源模塊,、通信模塊參數(shù)測(cè)量部分構(gòu)成。系統(tǒng)以16位凌陽(yáng)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(cè)量,。系統(tǒng)總體基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
系統(tǒng)通過(guò)ATT7022三相有功復(fù)功率電能專用計(jì)量芯片對(duì)采樣調(diào)理后的三相交流電信號(hào)進(jìn)行處理,，得到每相交流電電壓,、電流、有功功率,、無(wú)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(cè)量及紅外通信,。在任意時(shí)刻,，都可通過(guò)按鍵輸入信號(hào)驗(yàn)證密碼后對(duì)當(dāng)前時(shí)刻三相電的所有測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)并進(jìn)行密碼修改[3]。
1.2 ATT7022簡(jiǎn)介
本系統(tǒng)采用高精度的三相電能專用測(cè)量芯片ATT7022A作為主控芯片,，其有功測(cè)量滿足 0.5S/0.2S,。ATT7022三相電能專用計(jì)量精度非常高，適用于三相三線和三相四線,。ATT7022 能夠測(cè)量各相以及合相的有功功率,、無(wú)功功率、視在功率,、有功能量以及無(wú)功能量,，同時(shí)還能測(cè)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(fèi)率多功能電能表的需求,。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用凌陽(yáng)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(duì)三相電壓、電流進(jìn)行采樣,。
2.1 采樣模塊設(shè)計(jì)
因?yàn)楸鞠到y(tǒng)需要測(cè)量電流電壓參量,，而現(xiàn)有測(cè)量芯片無(wú)法直接對(duì)大電流和高電壓進(jìn)行測(cè)量，故需要對(duì)這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行采樣,。本系統(tǒng)中電壓信號(hào)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(diǎn)。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(diǎn),。
2.2 ATT7022模塊部分設(shè)計(jì)
電壓,、電流測(cè)量采用互感器輸入方式，這時(shí)各通道不可避免地存在增益,、相位方面的誤差,，在高精度測(cè)量時(shí)這些誤差不容忽視，針對(duì)互感器比差的非線性,，ATT7022可以提供校正,，可對(duì)比差進(jìn)行分段補(bǔ)償，對(duì)相位加以分段修正,，并對(duì)電壓,、電流有效值進(jìn)行修正。通過(guò)SPI接口將校正的數(shù)據(jù)寫入ATT7022中實(shí)現(xiàn)。
2.3 RS-485模塊部分設(shè)計(jì)
RS-485與MAX485聯(lián)合使用,，通過(guò)RS-458協(xié)議實(shí)現(xiàn)串口長(zhǎng)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(wú)信號(hào)傳輸時(shí)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(gè)系統(tǒng)中有兩處這種電路，分別位于兩塊單片機(jī)上,，實(shí)現(xiàn)雙向通信[4-5],。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
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(guò)ATT7022判斷電流電壓是否過(guò)載,。若過(guò)載，報(bào)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(guò)紅外或RS-485方式傳送到另一塊單片機(jī),，通過(guò)LCD顯示,。在另一塊單片機(jī)上按鍵，運(yùn)行鍵盤掃描程序,，選擇相應(yīng)功能,，通過(guò)LCD顯示觀察測(cè)量結(jié)果。
軟件的設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)特定的閃存地址,，每次密碼驗(yàn)證時(shí)，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(duì)各參量觀察,，錯(cuò)誤則提示密碼輸入錯(cuò)誤重新輸入密碼,。修改密碼時(shí)從鍵盤獲取修改的密碼值寫入指定閃存地址，覆蓋原來(lái)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(shí)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(hào)PWM0，產(chǎn)生38 kHz的載波信號(hào),。串行數(shù)據(jù)由單片機(jī)的串行輸出端TXD送出并驅(qū)動(dòng)三極管,，利用兩個(gè)紅外發(fā)射管將38 kHz的載波信號(hào)以光脈沖的形式向外發(fā)送。串行碼為1時(shí),，打開輸出,，為0時(shí)，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(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再由前置放大器和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行放大處理,。然后通過(guò)帶通濾波器進(jìn)行濾波,，濾波后的信號(hào)由解調(diào)電路解調(diào)。最后由輸出級(jí)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(hào),，并不需要相對(duì)于某個(gè)參照點(diǎn)來(lái)檢測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)只需檢測(cè)兩線之間的電位差,。
4 測(cè)試結(jié)果與分析
4.1 三相有功功率測(cè)量及總有功功率
測(cè)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(cè)量的功率因數(shù)理論值與測(cè)量值如表2所示。
4.3 測(cè)試分析與結(jié)論
根據(jù)上述測(cè)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(duì)三相工頻交流電（頻率波動(dòng)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(wú)功功率,、總有功功率、總無(wú)功功率,、功率因數(shù),、電網(wǎng)頻率、有功電能和無(wú)功電能在誤差允許范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量,。
（2）實(shí)現(xiàn)電壓和電流相序檢測(cè)功能,，有掉電存儲(chǔ)功能。
（3）通過(guò)密碼保護(hù),、標(biāo)準(zhǔn)RS-485通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量,、紅外通信等，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性,。
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