摘  要： 介紹了一款基于單片機Atmega128的三相數字式智能電能表的研制，從電路硬件選型、電路設計及制作進行論述。所設計的智能電能表與同類產品相比具有集成度高、功能強、成本更低廉、抗干擾能力強、功耗低等優點。隨著未來電能智能化管理及電能表集抄需求，該款表具有很大的應用前景。
關鍵詞： 智能電能表；硬件選型；電路制作

    隨著電能管理的現代化，需要訪問電能表信息很多，同時決策還要與電能表進行雙向通信，由于數字式智能型電能表是以微處理器為核心，所以其功能容易擴展，易和配電自動化系統集成。目前智能型電能表在我國得到了較快的推廣應用,并且有很大的市場前景。本文采用Atmega128單片機為核心，使用ATT7022為計量芯片，研制了一款帶IC卡預付費的數字式智能三相電能表，可以實現計費到收費的全過程科學化管理；使用電者有計劃、有選擇地合理安排用電時間；并具有功率雙向計量功能，滿足未來家用太陽能發電系統的電能計量要求。
1 三相數字式電能表設計思路
1.1 適用對象
    本電量表設計為三相，針對的用戶群為小型生產企業、商業鋪面、農用加工場等使用三相電源、用電負荷較小的場合。
1.2 具備的功能
    電量表各功能關系示意圖如圖1所示。

1.3 參數選擇
    本文所設計電量表能達到的設計參數如表1所示。

2 硬件選型
    電量表的硬件電路設計首先是硬件選型，本設計的硬件選型如下。
2.1 計量芯片
    本文選用專門為三相電能計量設計的專用芯片ATT7022。該芯片內部集成了6路二階∑-△ADC、參考電壓電路以及測量功率、能量、有效值、功率因素、頻率等電參數需要的數字信號處理電路，能同時測量各相電參數，然后再計算合相電參數，可滿足三相復費率多功能電量表的需求。ATT7022支持全數字域的增益、相位校正(即純軟件校表)。用戶在校正過程中，只需向ATT7022的相關寄存器寫入校正數據，而無需硬件方面的改動。這種純軟件校正方式比以往使用可調電阻的方式要準確、方便。校正后，ATT7022有功測量滿足0.2S、0.5S，支持IEC62053-22，GB/T 17883-1998，無功測量滿足2級、3級，支持IEC62053-23，GB/T 17883-1998[1-2]，完全滿足本文上述定位的設計標準。
2.2 處理芯片
    計量芯片ATT7022提供的是計量解決方案，只是單純的參數計算，但整個系統的電源管理、輸出顯示、按鈕輸入、時間計算等一系列處理還需要有核心微處理器。本文選用AVR系列的Atmega128作為微處理器。這款基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器，使用精簡指令和哈佛結構，大部分指令都可以單周期執行，本設計使用16 MHz晶振，其內部運算性能高達16 MIPS[3]。
2.3 液晶顯示
    本文所設計的電量表由于參數較多，因此考慮使用液晶作為主要顯示單元。液晶模塊在市面上較多的是1602和12864，本文選用ST7920作為主控芯片的12864液晶模塊，其內置漢字字庫，型號為FYD12864-0402B，可提供8 192個16×16點的漢字，顯示分辨率128×64點。該模塊的功能特點有：模塊帶有LED方式的側部背光，低功耗，方便用戶在夜間使用讀取數據；內置DC-DC變換電路，使用5 V電源即可變換出驅動液晶所需要的±15 V電壓；可串行通信，節省數據線，有利于簡化系統布線；技術較為成熟，價格相對也較為便宜[4]。
2.4 時間管理
    本設計從使用環境出發，選用的時間芯片為DS12CR887，該芯片內部有集成晶振和可充電電池，使系統結構簡化，同時也解決了外接電池容易漏液影響系統安全的問題。它內部有涓流充電功能，當芯片工作在系統電源供電方式下時，使用系統電源為芯片后備電池充電，如果檢測到系統電源故障，則自動切換到后備電源供電方式。DS12CR887使用5 V或3.3 V工作電源，它與單片機的通信可選Intel或Motorola總線時序，內部自動計算年份、月份、日期、星期、時、分、秒等，能自動識別大小月份及閏年，有3個可單獨屏蔽中斷標志位的中斷輸出，用于定時鬧鐘功能。DS12CR887的器件壽命為30年，內部時間在出廠時經過校準，25 ℃環境下運行每月誤差為±1 min，能滿足電量表在壽命、精度方面的要求。
2.5 電源部分
    電量表的供電電源必須可靠。作為電量表，表內已有三相380 V電通過，還從外部取電顯然不實際，只能考慮從380 V電路中經過變壓取電。三相四線供電中，每一相與中性線間都有220 V的相電壓，板上電源可以從A、B、C三相中任一相取電然后轉換成需要的直流。但是考慮在突然缺相的情況下，板上還要可靠供電，因此本文從三相都取電，即設計了3套同樣的開關電源，用于給板上供電。這3個開關電源并聯運行，為板上供電提供可靠保障。3個開關電源并聯運行，由于各開關電源參數不一定完全相同，存在環流或功率分配不平衡的問題。本文解決方案是，在開關電源的出口串聯一個二極管，并且開關電源的功率設計足夠大，留有足夠裕量，如每個開關電源2 W的輸出功率，能滿足繼電器及單片機等其他部件同時供電的要求。
    本文設計的板上電源有3種電壓等級，分別是給單片機供電的5 V、給IC卡讀卡芯片供電的3.3 V和給繼電器供電的9 V。
2.6 掉電保護
    本文采用的方案是利用Atmega128芯片里的EEPROM。但是EEPROM的讀寫速度相對RAM較慢，而且壽命有限，如Atmega128里的EEPROM只有100 000次讀寫壽命。因此EEPROM不能當實時內存使用，也就是說對于實時的運算結果不能直接存入EEPROM中，只能在系統檢測到掉電時及時將重要數據寫入，供上電開機時讀取。這就要求單片機能及時發現掉電，具有識別掉電的能力。本文采用掉電保護芯片IMP809，可以使單片機及時發現掉電。當IMP809檢測到電路電壓低于4.63 V時，向單片機發出中斷信號，通知單片機及時將重要數據存入EEPROM。
2.7 信號采集
    信號采集主要是針對電壓、電流信號的采集。要實現0.5級的計量精度，就要選擇好的信號采集器件，在精度及線性度方面都要有所考慮。本設計電量表使用三相四線制，為了提高計量精度，使用三表法分別在三相取電壓、電流信號。電壓采集選用微型精密電壓互感器，規格為400 V/0.5 V，分別采集A、B、C相電壓信號。電流采集選用微型精密電流互感器，作為實驗用，規格暫選5 A/50 mA，二次側接一個20 Ω的采樣電阻，得額定輸出采樣電壓1 V。采集的三相電壓、三相電流信號分別送入ATT7022的內部A/D轉換器。
2.8 開關部分
    本系統內置計費系統，在費用用完的情況下要進行分閘操作，停止向用戶供電，因此，必須選用一種開關機構用于分合閘。對于大功率用戶，首先會考慮使用斷路器或接觸器，但本文設計的是小功率的用戶，考慮選用磁保持繼電器。這樣可以集成到外殼里，減小體積增加可靠性。磁保持繼電器可以保持兩種狀態，開斷或閉合，在保持開斷與閉合的時候線圈是不通電的，要切換開關狀態，只需在控制端向其輸入脈沖信號。這種繼電器將有利于減小電量表內部損耗和延長電量表的使用壽命。
3 硬件電路設計及制作
3.1 硬件電路設計
    在進行硬件電路設計時，依據廠家提供的數據手冊并考慮整體效果[5]，把各子模塊整合成一個大模塊。系統硬件的電路構成如圖2所示。

3.2 電路制作
    為了增強系統的條理性并減小干擾，設計成兩塊電路板，一塊是主電路的強電部分，另一塊是控制電路的弱電部分。強電部分包括接線端子、保險管、電流互感器、電壓互感器、繼電器及開關電源。弱電部分電路板的設計主要是Atmega128單片機和ATT7022計量芯片的外圍電路。設計時，模擬電路和數字電路分區布置，在適當的地方鋪地屏蔽，減小干擾。硬件電路設計完成后，送專門廠家制作成PCB板，進行元件焊接、調試，確保電路無誤，然后編寫單片機用的軟件程序及各模塊的驅動程序，主要結合廠家的數據手冊上給出的時序圖及控制邏輯來進行程序編寫，在適當的地方加上延遲，以使速度協調。最后調試并根據偏差計算校表量，向ATT7022寫入校表程序。所制作的數字式三相智能電能表如圖3所示。

    本文所研制的數字式三相智能電能表集電量參數計量、監控和顯示于一體，整體電路設計遵循強、弱電分離的原則，從布局、電源、布線方面考慮其工作的可靠性，具有集成度高、功能強、成本低、抗干擾能力強、功耗低等優點，有利于實現電能智能化管理及未來家用太陽能發電系統的電能計量的要求，具有很好的應用前景。
參考文獻
[1] 朱琳.AZT70228在電力參數測量中的應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.
[2] 陳四根，陳濤.基于ATT7022A電能計量芯片電力監控終端設計[J].東北電力技術，2007，28(6)：44-47，54.
[3] 珠海炬力集成電路設計有限公司.ATT-7022 manual[S].2003.
[4] 余華芳，劉健.單片機與液晶顯示模塊的軟硬件接口技術[J].液晶與顯示，2003，18(2)：125-128.
[5] 鄔寬明.單片機外圍器件實用手冊數據傳輸接口器件分
     冊[M].北京：北京航空航天大學出版社，1999.