摘要：介紹了以低功耗單片機(jī)ATMEGA32設(shè)計(jì)的三相網(wǎng)絡(luò)電力儀表的設(shè)計(jì)原理、硬件組成、軟件設(shè)計(jì)、測(cè)量功能。
關(guān)鍵詞:單片機(jī);設(shè)計(jì)原理;電力儀表
Development of a multifunctional three-phase power meter based on ATMEGA32 MCU
Ye Guo Wen
(Department of Electronic Information Engineering, Lishui University , LiShui 323000,China)
Abstract:This paper introduce design principle ,hardware makeup software design ,measurement principle of ATMEGA32 MCU with high performance and low power consumption , and measuring principle of a multifunctional three-phase power meter based on ATMEGA32 MCU
Keyword：MCU;design principle ;electron energy meter,

引言
       電能表是用來測(cè)量電路中電流在某一段時(shí)間內(nèi)所消耗電能的儀表，俗稱電度表。我國(guó)是電能表生產(chǎn)大國(guó)，年生產(chǎn)能力達(dá)2億臺(tái)。目前，我國(guó)電能表的市場(chǎng)份額基本上是感應(yīng)式與電子式六四分成，但電子式電能表呈現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)。由于電子式電能表具有數(shù)字通信接口，促使電能計(jì)量及用電管理自動(dòng)化系統(tǒng)得到了大量使用(負(fù)荷控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng))，各類抄表系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性有了較大提高。隨著電能計(jì)量芯片發(fā)展和完善，使得采用電能計(jì)量芯片和MCU設(shè)計(jì)的多功能電子式電能表不僅能實(shí)現(xiàn)電能表的各種功能，而且具有精度高，功能擴(kuò)展方便，軟件易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)?？梢哉f多功能電子式電能表是電能表現(xiàn)在和將來發(fā)展方向。本課題正是基于ATMEGA32單片機(jī)和ATT7022計(jì)量芯片相結(jié)合而研制的三相網(wǎng)絡(luò)電力儀表。

1設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)要求
1．1設(shè)計(jì)原理
本儀表能測(cè)量所有常用的電力參數(shù)電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、頻率、功率因數(shù)和電能等參數(shù)。三相網(wǎng)絡(luò)電力儀表的構(gòu)成如圖1所示，儀表工作時(shí)，電壓、電流信號(hào)經(jīng)取樣電路分別取樣后，經(jīng)電能處理專用集成電路做系列運(yùn)算后，得到電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能和頻率等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，再經(jīng)CPU處理后由LCD顯示。同時(shí)CPU還實(shí)現(xiàn)通信和控制功能。
1．2設(shè)計(jì)要求
1．2．1測(cè)量參數(shù)精度技術(shù)指標(biāo)
參數(shù) 額定值 范圍 精度
電壓 AC100V 0~120% 0.2%
AC220V
電流 AC1A 0~120% 0.2%
AC5A
有功/無功/視在功率 _ _ 0.5%
有功/無功電能 _ _ 0.5%
功率因數(shù) _ _ 0.5%
頻率 _ 45~60HZ 0.5%

測(cè)量參數(shù)電流、電壓誤差要求為0.2%，分析計(jì)量芯片ATT7022B可知：其內(nèi)部集成了七路16位A/D轉(zhuǎn)換器，電流通道有效值在2mv-1mv的范圍內(nèi)線性誤差小于0.5%，電壓通道有效值在10mv—1v的范圍內(nèi)線性誤差小于0.5%。電壓取值在0.2V—0.6V(放大后的電壓值，我們電壓取樣信號(hào)為0.1V，電壓通道的放大倍數(shù)選4倍)，電流取值在2mV－－1V，電能線性誤差小于0.1%。因此，本儀表采樣電路選用互感器（產(chǎn)品精度為0.1%），所用其他元件也是精密元件來滿足設(shè)計(jì)要求。
從測(cè)量原理來看，測(cè)量參數(shù)精度取決于ATT7022B這一計(jì)量芯片，
1．2．2主要功能特點(diǎn)
(1) 規(guī)格型號(hào)與脈沖常數(shù)對(duì)照表
類 別 參比電壓Un 額定電流In 有功脈沖常數(shù)
三相三線 3×100V 2×1 (2)A 10000imp/kWh
2×5 (6)A 10000imp/kWh
三相四線 3×220/380V 3×1 (2)A 10000imp/kWh
3×5 (6)A 10000imp/kWh

(2)電網(wǎng)系統(tǒng)頻率：45~60Hz
(3)測(cè)量周期：1/2秒
(4)電源輸入范圍：AC85~265V/DC100~280V
(5)功耗：≤3VA
(6)開關(guān)量輸入?yún)?shù):無源干接點(diǎn)，接通電阻<500Ω，關(guān)斷電阻>500kΩ(監(jiān)視電壓+12V)
(7)遙控量輸出參數(shù):繼電器輸出（常開），負(fù)載電壓 AC250V/DC30V，負(fù)載電流<5A
(8)氣候條件:正常工作溫度：-20℃~+70℃;存貯和運(yùn)輸溫度：-40℃~+80℃;存貯和工作濕度：≤85％
(9) 外形尺寸:96mm×96mm×84mm
(10)重量：約0.4kg

2．硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
       具體硬件電路包括電流、電壓輸入電路、電能處理部分(數(shù)據(jù)采集電路邏輯判斷電路) 、LCD顯示電路、按鍵輸入電路、開關(guān)電源電路、時(shí)鐘電路、RS485串行通訊接口電路、2路開關(guān)量輸出、2路開關(guān)量輸入電路等，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1

圖1 三相網(wǎng)絡(luò)電力儀表硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2．1信號(hào)的采樣
2．1．1電壓的采樣
本設(shè)計(jì)采用電壓互感器PT將電網(wǎng)電壓(如220V)變換為采樣電壓，采用三個(gè)電壓互感器220V/0.5V(精度0.1級(jí))，通過差分電路形式，由ATT7022B芯片分別采樣三相四線的三相相電壓信號(hào)，并由ATT7022B輸出一個(gè)直流2.4V電壓作為差分電路的偏置電壓。同時(shí)ATT7022B還提供選擇三相四線和三相三線采樣的管腳，這樣達(dá)到了一機(jī)多用，降底了成本。
2．1．2電流的采樣
本儀器使用三個(gè)電流互感器1.5(6)/5mA的精密電流互感器采樣三相的相電流，先將電流輸出量轉(zhuǎn)換為電壓降信號(hào)，而后通過差分電路形式，由ATT7022B芯片采樣分別采樣三相四線的三相相電流信號(hào)，并由ATT7022B輸出一個(gè)直流2.4V電壓作為差分電路的偏置電壓。
2．2顯示接口和485通訊電路設(shè)計(jì)
顯示接口電路[35]具體所用芯片為HT1625，HT1625是一款顯示段數(shù)為512，存儲(chǔ)器映射的多功能LCD，驅(qū)動(dòng)器HT1625的軟件配置特性使其適合于各種LCD的應(yīng)用，包括LCD模塊和顯示子系統(tǒng), HT1625與CPU（普通I/O口）通信只需要3到4條線；485通訊電路采用光電隔離輸入/輸出接口；通過I/O口設(shè)計(jì)三個(gè)按鍵，實(shí)現(xiàn)操作信息傳遞。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
        本儀表的軟件開發(fā)是用C語言編寫的應(yīng)用軟件，程序包括主程序、鍵盤中斷程序、鍵盤處理子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、顯示子程序、看門狗子程序和重要信息保護(hù)子程序等。軟件主程序流程圖如圖2：

圖2 軟件主程序流程圖

4、結(jié)束語
        在三相網(wǎng)絡(luò)電力儀表的研制過程中，我們對(duì)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致地設(shè)計(jì)、調(diào)試，確保整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
該儀表還提供了RS485通訊接口，采用Modbus-RTU通訊規(guī)約，可以方便的與各種PLC、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通訊軟件等實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)
該儀表已通過中國(guó)計(jì)量測(cè)試研究所鑒定，完全實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，目前該表已小批量生產(chǎn)。