分享一款不错的基于单片机STC89C51的电表实现方案

提出一种基于多功能防窃电基波谐波三相电能计量芯片 ATT7022B和低功耗单片机STC89C51的电表实现方案。该设计用高精度计量芯片ATT7022B进行电压、电流、电量等各项参数的采集，设计的电能表具有高精度、低功耗、防窃电等特点。所设计的电能表也可作为配电监控终端单元，同时具有灵活的远程校表功能。
随着电子技术和计算机技术的发展以及配电网自动化系统的实施，进一步促进了电能质量问题的研究及其检测装置的研制，以往采用多个采样模块加上多路转换开关和高分辨率的模拟数字转换器构成一个同步采样模块的方式逐渐被带DSP功能的专用高精度计量芯片所替代。与传统电表相比，本文方案采用低功耗单片机 STC89C51和炬力公司的三相电能专用计量芯片ATF7022B来实现防窃电电能表，具有高精度、低功耗、防窃电等特点，用RS485通信可以方便远程抄表，远程校表等功能。
1 电能计量芯片ATT7022B
1．1 ATT7022B的功能及结构
ATT7022B是一款多功能防窃电三相电能计量专用芯片，该芯片适用于三相三线和三相四线的应用。它集成了7路二阶sigma-deatlADC，其中 3路用于三相电压采样，3路用于电流采样，还有1路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样、输出采样数据和有效值，使用方便。它集成了参考电压电路以及所有包括基波、谐波和全波的各项电参数测量的数字信号处理电路，能够测量各相及合相包括基波、谐波和全波的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量频率、各相电流及电压有效值、功率因数、相角等参数，提供两种视在能量（PQS，RMS）。
ATT7022B的内部框图主要包括模拟信号采样、数字信号处理及SPI通信接口等电路。
1．2 ATT7022B数据采集计量模块的设计
数据采集计量模块的设计是以电能计量芯片ATT7022B为核心，包括电压及电流模拟输入、脉冲输出、电源及SPI通信接口等电路的设计。
模拟输入电路设计：该部分电路主要由电流、电压互感器、抗混叠滤波器和参考电压输入电路组成。从互感器出来的信号，经过滤波处理后。消除了干扰信号，再叠加上一个参考电压信号，即可送入ATT022B的A／D转换器进行采样，如图所示。

SPI通信接口电路设计：ATT7022B内部集成了一个SPI串行通信接口，通过该接口可方便的实现与外部微处理器的通信。SPI口包含2条控制线和2 条数据线，分别为CS，SCLK，DIN和DOUT。ATT7022B与外部MCU的SPI通信接口，如图所示。

2 硬件系统构成及主要模块
2．1 系统基本原理
该系统主要以单片机STC89C51为控制核心。三相电压电流通过电压互感器，电流互感器转换后，接入三相专用电能计量芯片ATT7022B实时采集变压器的参数，通过SPI接口将采集的各种参数送入单片机STC89C5l；同时，单片机通过串口建立通信，将数据上传到中心站，可以根据采集的数据进行开关量的采集。电能表的硬件设计分成数据采集计量模块设计、主控制模块（MCU）设计、电源模块设计等3部分，如图所示。

2．2 存储器的选择
在电表中一个重要的问题就是数据的保存，数据的存储不但要正确而且还要及时，如果检测到的数据不能及时写入存储器或者是写入错误，都会使电能表的精度大为下降，在传统的电子电表中，多采用电可擦除可编程存储器（EEPROM）来保存。但是EEPROM速度慢，有10 ms的写周期，掉电后必须有掉电检测电路，这样会使测到的数据不可靠，EEPROM的擦写次数比较少，不能及时地输入数据。鉴于EEPROM有以上的缺点，本系统的设计采用了铁电存储器FM3104，解决了上述问题。FM3104具有非易失性、擦写次数多、速度快、功耗低的特点。铁电存储器与微处理器的接口电路设计如图5所示，应用本方案使硬件电路简化，而且提高了精度。
2．3 系统的其它部分模块
系统的其它部分主要有电源模块、LCD液晶显示和RS485接口模块。系统内部有许多功能模块，需要多种不同电压的直流电源供电，采用VAF505构成电源模块，为系统提供抗干扰性和可靠性的直流电源。为了达到好的显示效果，采用北京青云公司生产的LCMl2864P中文液晶显示模块，该显示模块可实现汉字、ASCII码、点阵图形的同屏显示，广泛用于各种仪器仪表、家用电器和信息产品上作为显示器件。RS485通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点、主从式半双工通信，它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、传输距离以及可靠性等是其他标准所无法比拟的。本终端采用RS485总线与外部电能表进行数据通信，实现远程抄表。总线驱动芯片选用SN65ALSl76D完成RS485通信收发功能。
3 软件设计
采用模块化设计思想，单片机软件设计主要包括主程序、初始化程序、ATT7022B复位程序、SPI通信程序、数据采集程序和数据发送程序。系统还包括3 个中断程序：ATT7022B异常判定中断程序、定时中断程序和串口通信中断程序。
4 结束语
以STC89C51单片微处理器为核心，利用专用计量芯片ATT7022B的电能计量能力实现对有功、无功、视在功率、双向有功和四象限无功电能，以及电压和电流有效值、相位、频率等电参数的准确测量。电表的线路设计简单、计量精度高。此电表目前已经投入批量生产，运行良好。

　　提出一种基于多功能防窃电基波谐波三相电能计量芯片 ATT7022B和低功耗单片机STC89C51的电表实现方案。该设计用高精度计量芯片ATT7022B进行电压、电流、电量等各项参数的采集，设计的电能表具有高精度、低功耗、防窃电等特点。所设计的电能表也可作为配电监控终端单元，同时具有灵活的远程校表功能。
　　随着电子技术和计算机技术的发展以及配电网自动化系统的实施，进一步促进了电能质量问题的研究及其检测装置的研制，以往采用多个采样模块加上多路转换开关和高分辨率的模拟数字转换器构成一个同步采样模块的方式逐渐被带DSP功能的专用高精度计量芯片所替代。与传统电表相比，本文方案采用低功耗单片机 STC89C51和炬力公司的三相电能专用计量芯片ATF7022B来实现防窃电电能表，具有高精度、低功耗、防窃电等特点，用RS485通信可以方便远程抄表，远程校表等功能。
　　1 电能计量芯片ATT7022B
　　1．1 ATT7022B的功能及结构
　　ATT7022B是一款多功能防窃电三相电能计量专用芯片，该芯片适用于三相三线和三相四线的应用。它集成了7路二阶sigma-deatlADC，其中 3路用于三相电压采样，3路用于电流采样，还有1路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样、输出采样数据和有效值，使用方便。它集成了参考电压电路以及所有包括基波、谐波和全波的各项电参数测量的数字信号处理电路，能够测量各相及合相包括基波、谐波和全波的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量频率、各相电流及电压有效值、功率因数、相角等参数，提供两种视在能量（PQS，RMS）。
　　ATT7022B的内部框图如图1所示，内部主要包括模拟信号采样、数字信号处理及SPI通信接口等电路。
　　
　　1．2 ATT7022B数据采集计量模块的设计
　　数据采集计量模块的设计是以电能计量芯片ATT7022B为核心，包括电压及电流模拟输入、脉冲输出、电源及SPI通信接口等电路的设计。
　　模拟输入电路设计：该部分电路主要由电流、电压互感器、抗混叠滤波器和参考电压输入电路组成。从互感器出来的信号，经过滤波处理后。消除了干扰信号，再叠加上一个参考电压信号，即可送入ATT022B的A／D转换器进行采样，如图2所示。
　　
　　SPI通信接口电路设计：ATT7022B内部集成了一个SPI串行通信接口，通过该接口可方便的实现与外部微处理器的通信。SPI口包含2条控制线和2 条数据线，分别为CS，SCLK，DIN和DOUT。ATT7022B与外部MCU的SPI通信接口，如图3所示。
　　
　　2 硬件系统构成及主要模块
　　2．1 系统基本原理
　　该系统主要以单片机STC89C51为控制核心。三相电压电流通过电压互感器，电流互感器转换后，接入三相专用电能计量芯片ATT7022B实时采集变压器的参数，通过SPI接口将采集的各种参数送入单片机STC89C5l；同时，单片机通过串口建立通信，将数据上传到中心站，可以根据采集的数据进行开关量的采集。电能表的硬件设计分成数据采集计量模块设计、主控制模块（MCU）设计、电源模块设计等3部分，如图4所示。
　　
　　2．2 存储器的选择
　　在电表中一个重要的问题就是数据的保存，数据的存储不但要正确而且还要及时，如果检测到的数据不能及时写入存储器或者是写入错误，都会使电能表的精度大为下降，在传统的电子电表中，多采用电可擦除可编程存储器（EEPROM）来保存。但是EEPROM速度慢，有10 ms的写周期，掉电后必须有掉电检测电路，这样会使测到的数据不可靠，EEPROM的擦写次数比较少，不能及时地输入数据。鉴于EEPROM有以上的缺点，本系统的设计采用了铁电存储器FM3104，解决了上述问题。FM3104具有非易失性、擦写次数多、速度快、功耗低的特点。铁电存储器与微处理器的接口电路设计如图5所示，应用本方案使硬件电路简化，而且提高了精度。
　　
　　2．3 系统的其它部分模块
　　系统的其它部分主要有电源模块、LCD液晶显示和RS485接口模块。系统内部有许多功能模块，需要多种不同电压的直流电源供电，采用VAF505构成电源模块，为系统提供抗干扰性和可靠性的直流电源。为了达到好的显示效果，采用北京青云公司生产的LCMl2864P中文液晶显示模块，该显示模块可实现汉字、ASCII码、点阵图形的同屏显示，广泛用于各种仪器仪表、家用电器和信息产品上作为显示器件。RS485通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点、主从式半双工通信，它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、传输距离以及可靠性等是其他标准所无法比拟的。本终端采用RS485总线与外部电能表进行数据通信，实现远程抄表。总线驱动芯片选用SN65ALSl76D完成RS485通信收发功能。
　　3 软件设计
　　采用模块化设计思想，单片机软件设计主要包括主程序、初始化程序、ATT7022B复位程序、SPI通信程序、数据采集程序和数据发送程序。系统还包括3 个中断程序：ATT7022B异常判定中断程序、定时中断程序和串口通信中断程序。
　　4 结束语
　　以STC89C51单片微处理器为核心，利用专用计量芯片ATT7022B的电能计量能力实现对有功、无功、视在功率、双向有功和四象限无功电能，以及电压和电流有效值、相位、频率等电参数的准确测量。电表的线路设计简单、计量精度高。此电表目前已经投入批量生产，运行良好。