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提出一種基于多功能防竊電基波諧波三相電能計量芯片 ATT7022B和低功耗單片機STC89C51的電表實現方案。該設計用高精度計量芯片ATT7022B進行電壓、電流、電量等各項參數的采集，設計的電能表具有高精度、低功耗、防竊電等特點。所設計的電能表也可作為配電監控終端單元，同時具有靈活的遠程校表功能。 隨著電子技術和計算機技術的發展以及配電網自動化系統的實施，進一步促進了電能質量問題的研究及其檢測裝置的研制，以往采用多個采樣模塊加上多路轉換開關和高分辨率的模擬數字轉換器構成一個同步采樣模塊的方式逐漸被帶DSP功能的專用高精度計量芯片所替代。與傳統電表相比，本文方案采用低功耗單片機 STC89C51和炬力公司的三相電能專用計量芯片ATF7022B來實現防竊電電能表，具有高精度、低功耗、防竊電等特點，用RS485通信可以方便遠程抄表，遠程校表等功能。 1 電能計量芯片ATT7022B 1．1 ATT7022B的功能及結構 ATT7022B是一款多功能防竊電三相電能計量專用芯片，該芯片適用于三相三線和三相四線的應用。它集成了7路二階sigma-deatlADC，其中 3路用于三相電壓采樣，3路用于電流采樣，還有1路可用于零線電流或其他防竊電參數的采樣、輸出采樣數據和有效值，使用方便。它集成了參考電壓電路以及所有包括基波、諧波和全波的各項電參數測量的數字信號處理電路，能夠測量各相及合相包括基波、諧波和全波的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量頻率、各相電流及電壓有效值、功率因數、相角等參數，提供兩種視在能量(PQS，RMS)。 ATT7022B的內部框圖如圖1所示，內部主要包括模擬信號采樣、數字信號處理及SPI通信接口等電路。 1．2 ATT7022B數據采集計量模塊的設計 數據采集計量模塊的設計是以電能計量芯片ATT7022B為核心，包括電壓及電流模擬輸入、脈沖輸出、電源及SPI通信接口等電路的設計。 模擬輸入電路設計：該部分電路主要由電流、電壓互感器、抗混疊濾波器和參考電壓輸入電路組成。從互感器出來的信號，經過濾波處理后。消除了干擾信號，再疊加上一個參考電壓信號，即可送入ATT022B的A／D轉換器進行采樣，如圖2所示。 SPI通信接口電路設計：ATT7022B內部集成了一個SPI串行通信接口，通過該接口可方便的實現與外部微處理器的通信。SPI口包含2條控制線和2 條數據線，分別為CS，SCLK，DIN和DOUT。ATT7022B與外部MCU的SPI通信接口，如圖3所示。 2 硬件系統構成及主要模塊 2．1 系統基本原理 該系統主要以單片機STC89C51為控制核心。三相電壓電流通過電壓互感器，電流互感器轉換后，接入三相專用電能計量芯片ATT7022B實時采集變壓器的參數，通過SPI接口將采集的各種參數送入單片機STC89C5l；同時，單片機通過串口建立通信，將數據上傳到中心站，可以根據采集的數據進行開關量的采集。電能表的硬件設計分成數據采集計量模塊設計、主控制模塊(MCU)設計、電源模塊設計等3部分，如圖4所示。 2．2 存儲器的選擇 在電表中一個重要的問題就是數據的保存，數據的存儲不但要正確而且還要及時，如果檢測到的數據不能及時寫入存儲器或者是寫入錯誤，都會使電能表的精度大為下降，在傳統的電子電表中，多采用電可擦除可編程存儲器(EEPROM)來保存。但是EEPROM速度慢，有10 ms的寫周期，掉電后必須有掉電檢測電路，這樣會使測到的數據不可靠，EEPROM的擦寫次數比較少，不能及時地輸入數據。鑒于EEPROM有以上的缺點，本系統的設計采用了鐵電存儲器FM3104，解決了上述問題。FM3104具有非易失性、擦寫次數多、速度快、功耗低的特點。鐵電存儲器與微處理器的接口電路設計如圖5所示，應用本方案使硬件電路簡化，而且提高了精度。 2．3 系統的其它部分模塊 系統的其它部分主要有電源模塊、LCD液晶顯示和RS485接口模塊。系統內部有許多功能模塊，需要多種不同電壓的直流電源供電，采用VAF505構成電源模塊，為系統提供抗干擾性和可靠性的直流電源。為了達到好的顯示效果，采用北京青云公司生產的LCMl2864P中文液晶顯示模塊，該顯示模塊可實現漢字、ASCII碼、點陣圖形的同屏顯示，廣泛用于各種儀器儀表、家用電器和信息產品上作為顯示器件。RS485通信接口允許在簡單的一對雙絞線上進行多點、主從式半雙工通信，它所具有的噪聲抑制能力、數據傳輸速率、傳輸距離以及可靠性等是其他標準所無法比擬的。本終端采用RS485總線與外部電能表進行數據通信，實現遠程抄表。總線驅動芯片選用SN65ALSl76D完成RS485通信收發功能。 3 軟件設計 采用模塊化設計思想，單片機軟件設計主要包括主程序、初始化程序、ATT7022B復位程序、SPI通信程序、數據采集程序和數據發送程序。系統還包括3 個中斷程序：ATT7022B異常判定中斷程序、定時中斷程序和串口通信中斷程序。 4 結束語 以STC89C51單片微處理器為核心，利用專用計量芯片ATT7022B的電能計量能力實現對有功、無功、視在功率、雙向有功和四象限無功電能，以及電壓和電流有效值、相位、頻率等電參數的準確測量。電表的線路設計簡單、計量精度高。此電表目前已經投入批量生產，運行良好。 |
