基于ATT7027的电能质量监测装置的设计

陆爱玲，庄明河，冯成彬，刘伟娟，朱敏杰

绍兴文理学院数理信息学院，浙江绍兴 312000

基于ATT7027的电能质量监测装置的设计

陆爱玲，庄明河，冯成彬，刘伟娟，朱敏杰

绍兴文理学院数理信息学院，浙江绍兴 312000

为完善电能质量监测体系，设计了一款基于ATT7027的多功能数字式电能质量监测装置，实现了对基本电能质量参数的测量及显示。具体介绍系统的硬件设计和软件设计两方面。硬件电路主要由信号采样电路、ATT7027主控电路、LCD显示电路、及电源电路四部分构成，给出了软件程序流程图。样机经实际检测效果良好。

电能质量；监测；ATT7027

0 引言

电力电子装置的大量应用导致了电能质量问题的日益突出。大量精密自动化装置极容易因电能质量问题出现严重事故，造成巨大损失。急需设计一款携带方便、使用安全，可实时在线监测用户用电质量的多功能数字式电能质量监测装置。

装置主要实现对电压、电流、功率等参数的准确测量，并能显示、储存和输出数据。同时系统本身安全性和可靠性也有很高的要求，从而满足用户进行现代化科学用电管理的要求。

1 ATT7027芯片简介

设计选用锯泉光电的ATT7027单相电能计量芯片。ATT7027是一款低功耗高性能单相电能计量SOC芯片，片内集成单相计量、处理器、LCD驱动器和实时时钟等功能。提供单相电能计能所需要的全部功能，包括有功功率、无功功率、视在功率、电压有效值、电流有效值等，电能计量误差均小于0.5%。芯片工作电压范围为2.7V～3.6V，工作温度范围为-40℃～85℃。

ATT7027基于8052内核设计，具有兼容的体系架构，片内集成32K程序存储器（其中8K也可作为数据存储器使用）及1K外部数据存储器。芯片内部固化的2K程序可用于在线调试或程序下载。芯片共有64引脚，具有口线资源丰富，掉电保护、功耗低、显示驱动方便、开发便利、外围电路简单等特点。其引脚结构和系统框图如下所示。

图1-1 ATT7027引脚图

图1-2 ATT7027系统框图

2 硬件电路设计

本系统硬件电路主要由信号采样电路、ATT7027主控电路、LCD显示电路、电源电路、调试下载电路五部分构成，信号采样电路又包括电阻分压网络和锰铜分流电路。系统硬件框图如图2-1所示。

图1 系统硬件框图

由上图可知，经外围电路得到的差分电压、电流信号通过输入通道进入ATT7027芯片内部，芯片对输入信号进行实时采样和计算，计算结果实时显示，用户也可键控选择显示结果，此外，系统还可与外界通信。

在本系统中，微机通过RS232与芯片进行通信，起到监控和调试的作用。由于RS232上传送的数字量采用负逻辑，因此与ATT7027芯片相连时要加入电平转换芯片MAX232。

供电电源电路可提供3.3V和5V两种电压值，3.3V给ATT7027芯片，5V给MAX232、AT24C02芯片和12864液晶屏供电。

AT24C02芯片用来存储系统参数，做到上电可改写，掉电非易失。12864液晶屏用来显示系统测量结果。

硬件总电路图如图2所示。

2.1 电压电流信号采集

ATT7027芯片内部有三路完全独立的两阶∑-△ADC，每路ADC都有一个模拟增益放大器（PGA），用于将外部输入的电压或电流差分信号放大，再进行内部A/D采样和处理，从而保证了极小信号测量的线性度。本系统需采集的主要是电流信号和电压信号，分别可由电阻分压网络和锰铜分流电路得到。

图3 电阻分压网络图

图4 锰铜分流电路图

在电阻分压网络（如图3所示）中，TP1、TP2为端口电压，以220V为电网参考电压，1.2K的电阻值和100pF的电容值均以参考电压而设，其共同组成低通滤波器，防止高频信号进入芯片，减少乘法器受到干扰。由串联电路电阻分压原理可知电阻和电容网络两端是一个极小的电压信号，此信号通过V3N、V3P通道输入到ATT7027芯片内部。当电网电压为220V时，V3N、V3P两端的电压值基本保持0.3V。采用电阻分压网络的最大优点是线性好、成本低，缺点是不能实现电气隔离。

锰铜分流电路中，电流i(t)流经锰铜采样电阻，电阻两端会产生微弱的电压u(t)，信号u(t)作为测量电流的模拟差分信号，由VIN、V1P通道输入到ATT7027芯片内部。电阻与电容共同构成抗混叠滤波器。锰铜分流器具有线性好和温度系数小等优点。

2.2 电能计量原理

输入信号采样后送至乘法器，完成电压和电流瞬时值相乘，输出一个与一段时间内的平均功率成正比的直流电压，再经过电压/频率转换器转换成相应的脉冲频率。为便于取出电能计量单位的位数，将该频率分频输出，电能累计并且存入存储器，同时读取时钟信号，按预设的时段分时计量，并将数据输出显示，随时接收串行通信信号进行数据处理。

有功功率由电压、电流相乘经低通滤波器后得到；无功功率由将90度移相电压与电流相乘后经低通滤波器得到；视在功率由电压有效值和电流有效值相乘得到。由此可见，乘法器是电能计量的核心部件。

ATT7027能对通道1和通道2的功率分别提供增益校正和相位校正，如图5所示。对电压移相90度的滤波器性能与输入信号的频率及ADC采样率相关，可以通过无功相位补偿器对90度移相进行相位补偿。ATT7027同时输出两路电流和一路电压的有效值，有效值可以保证0.5%的精度。

图5 功率计算和补偿

图6 软件流程图

3 软件设计

软件设计在本系统中极为重要。电能质量参数的计算、统计和存储都要通过程序来控制和实现，当然，外部通信与监测、数据传输与显示以及用户与监测仪之间的键控互动更离不开程序的控制。软件流程图如图6所示。

当系统上电复位后，首先通过模式选择引脚TEST/TMS1/TMS0来选择工作模式，主要有用户应用模式UAM、串行编程模式SFPM和并行编程模式PFPM三种。其后系统进行仪表自检，检测并排除自身故障，以保障正常工作。正常工作状态下，系统首先读取存储的参数，包括峰、谷电时间段及相应时段的电价等，然后在程序的调度下完成相关数据处理。本系统带有键控和通信功能，因此在正常工作状态中需判断是否有按键按下或者有无通信数据，并作出相应判断和处理。

4 结论

ATT7027体积小，性能高，功能全，基于ATT7027芯片的多功能电能质量监测装置的设计硬件电路所需元件少、成本低，系统安全可靠、抗干扰能力强，经实验室试用检测：可良好地用于实时电路在线监测，精确测量有功功率、无功功率、视在功率、电压有效值、电流有效值等电能质量基本参数。

图2 硬件总电路图

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1674-6708（2011）57-0136-02