基于ATMEGA32单片机的三相网络电力仪表的研制

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        0引言

        电能表是用来测量电路中电流在某一段时间内所消耗电能的仪表,俗称电度表。我国是电能表生产大国,年生产能力达2亿台。目前,我国电能表的市场份额基本上是感应式与电子式六四分成,但电子式电能表呈现进一步发展的趋势。由于电子式电能表具有数字通信接口,促使电能计量及用电管理自动化系统得到了大量使用(负荷控制系统、远程抄表系统),各类抄表系统的可靠性、实用性有了较大提高。随着电能计量芯片发展和完善,使得采用电能计量芯片和MCU设计的多功能电子式电能表不仅能实现电能表的各种功能,而且具有精度高,功能扩展方便,软件易实现等优点。可以说多功能电子式电能表是电能表现在和将来发展方向。本课题正是基于ATMEGA32单片机和ATT7022计量芯片相结合而研制的三相网络电力仪表。

        1设计原理及设计要求

        1.1设计原理

        本仪表能测量所有常用的电力参数电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、频率、功率因数和电能等参数。三相网络电力仪表的构成如图1所示,仪表工作时,电压、电流信号经取样电路分别取样后,经电能处理专用集成电路做系列运算后,得到电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能和频率等实时数据,再经CPU处理后由LCD显示。同时CPU还实现通信和控制功能。

        1.2设计要求

        1.2.1测量参数精度技术指标

参数
额定值
范围
精度
电压
AC100V
0~120%
0.2%
AC220V
电流
AC1A
0~120%
0.2%
AC5A
有功/无功/视在功率
_
_
0.5%
有功/无功电能
_
_
0.5%
功率因数
_
_
0.5%
频率
_
45~60HZ
0.5%

        测量参数电流、电压误差要求为0.2%,分析计量芯片ATT7022B可知:其内部集成了七路16位A/D转换器,电流通道有效值在2mv-1mv的范围内线性误差小于0.5%,电压通道有效值在10mv—1v的范围内线性误差小于0.5%。电压取值在0.2V—0.6V(放大后的电压值,我们电压取样信号为0.1V,电压通道的放大倍数选4倍),电流取值在2mV--1V,电能线性误差小于0.1%。因此,本仪表采样电路选用互感器(产品精度为0.1%),所用其他元件也是精密元件来满足设计要求。

        从测量原理来看,测量参数精度取决于ATT7022B这一计量芯片,

        1.2.2主要功能特点

       (1) 规格型号与脉冲常数对照表

类 别
参比电压Un
额定电流In
有功脉冲常数
三相三线
3×100V
2×1 (2)A
10000imp/kWh
2×5 (6)A
10000imp/kWh
三相四线
3×220/380V
3×1 (2)A
10000imp/kWh
3×5 (6)A
10000imp/kWh

        (2)电网系统频率:45~60Hz     

        (3)测量周期:1/2秒

        (4)电源输入范围:AC85~265V/DC100~280V

        (5)功耗:≤3VA

        (6)开关量输入参数:无源干接点,接通电阻<500Ω,关断电阻>500kΩ(监视电压+12V)

        (7)遥控量输出参数:继电器输出(常开),负载电压 AC250V/DC30V,负载电流<5A

        (8)气候条件:正常工作温度:-20℃~+70℃;存贮和运输温度:-40℃~+80℃;存贮和工作湿度:≤85%

        (9) 外形尺寸:96mm×96mm×84mm

        (10)重量:约0.4kg

        2.硬件系统设计

        具体硬件电路包括电流、电压输入电路、电能处理部分(数据采集电路逻辑判断电路) 、LCD显示电路、按键输入电路、开关电源电路、时钟电路、RS485串行通讯接口电路、2路开关量输出、2路开关量输入电路等,硬件系统结构示意图如图1


图1 三相网络电力仪表硬件系统结构示意图

        2.1信号的采样

        2.1.1电压的采样

        本设计采用电压互感器PT将电网电压(如220V)变换为采样电压,采用三个电压互感器220V/0.5V(精度0.1级),通过差分电路形式,由ATT7022B芯片分别采样三相四线的三相相电压信号,并由ATT7022B输出一个直流2.4V电压作为差分电路的偏置电压。同时ATT7022B还提供选择三相四线和三相三线采样的管脚,这样达到了一机多用,降底了成本。

        2.1.2电流的采样

        本仪器使用三个电流互感器1.5(6)/5mA的精密电流互感器采样三相的相电流,先将电流输出量转换为电压降信号,而后通过差分电路形式,由ATT7022B芯片采样分别采样三相四线的三相相电流信号,并由ATT7022B输出一个直流2.4V电压作为差分电路的偏置电压。

        2.2显示接口和485通讯电路设计

        显示接口电路[35]具体所用芯片为HT1625,HT1625是一款显示段数为512,存储器映射的多功能LCD,驱动器HT1625的软件配置特性使其适合于各种LCD的应用,包括LCD模块和显示子系统, HT1625与CPU(普通I/O口)通信只需要3到4条线;485通讯电路采用光电隔离输入/输出接口;通过I/O口设计三个按键,实现操作信息传递。

        3软件系统设计

        本仪表的软件开发是用C语言编写的应用软件,程序包括主程序、键盘中断程序、键盘处理子程序、数据采集子程序、数据处理子程序、显示子程序、看门狗子程序和重要信息保护子程序等。软件主程序流程图如图2:


图2 软件主程序流程图

        4、结束语

        在三相网络电力仪表的研制过程中,我们对硬件系统和软件系统进行认真细致地设计、调试,确保整个测试系统的可靠性和稳定性。

        该仪表还提供了RS485通讯接口,采用Modbus-RTU通讯规约,可以方便的与各种PLC、工业控制计算机通讯软件等实现组网

        该仪表已通过中国计量测试研究所鉴定,完全实现了预期的技术指标,目前该表已小批量生产。

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