基于ATMEGA32单片机的三相网络电力仪表的研制

摘要：介绍了以低功耗单片机ATMEGA32设计的三相网络电力仪表的设计原理、硬件组成、软件设计、测量功能。
关键词:单片机;设计原理;电力仪表
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
       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。