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[导读]摘 要:为了能通过串口采集电能参数,完成一种基于串口的三相电能采集设备的研制,设计了电能采集设备的硬件和软件部分。其中硬件采用MCU+专用电能计量芯片的结构,结构简单;软件则用于实现输入、输出、三相电能参数的采集和串行通信等功能。该电能采集模块通过串口与上位机相连,可定期向上位机发送地址、电压、电流等参数。经长时间运行测试,该三相电能采集设备运行稳定、功耗低,其精度可以满足用电监控的要求。

引言

随着智能电网和物联网技术的快速发展,具备传输能 力的电能采集设备将会呈现大规模市场需求。国内市场上 电能采集的设备有很多,其硬件架构大致可分为三类:一 种是基于通用芯片架构,一种是基于专用电能计量芯片架 构,还有一种是MCU+专用电能计量芯片架构。

本文研制的三相电能采集设备基于MCU+专用电能 计量芯片架构,采用MSP430 f149微处理器作为主控芯片, ATT7022B芯片负责采集三相电的电能参数。采集结果可 通过液晶屏显示,还可通过串口发送至上位机。

1系统设计

图 1 所示为三相电能采集设备结构组成图。图中,ATT7022B 芯片与三相电压互感器、三相电流互感器直接相连,负责采集电能参数,具体包括三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因素。MSP430 作为主控芯片,不仅要处理键盘输入、液晶屏幕输出、串口读写、还要读取 ATT7022B 芯片采集到的数据。

2 硬件设计

2.1 微处理器电路

本文选用 MSP430 f149 作为主控芯片,负责处理输入、输出、串口读写、读取 ATT7022B 芯片采集的数据等功能。它与 ATT7022B 芯片的具体硬件连接如图 2 所示。

一种串口三相电能采集设备的研制

2.2 专用电能采集电路

ATT7022B 芯片是一种专用电能计量芯片,支持三相电电压、电流模拟输入,其硬件连接图如图3所示。其中,V1N、V1P为A相电流输入,V3N、V3P为B相电流输入,V5N、 V5P为C相电流输入,V7N、V7P为N相(零线)电流输入, V2N、V2P为A相电压输入,V4N、V4P为B相电压输入, V6N、V6P为C相电压输入,V8N、V8P为N相电压输入。

图3 ATT7022B芯片的外围硬件电路图

2.3电压互感器输入电路

本电能采集设备支持三相电输入,加上零线共四根线输 入。图4所示是其电路图,其中JU用于连接被测量的三相电 以及零线。

图4电压互感器硬件连接图

2.4电流互感器电路

本电能采集设备可支持三相电以及零线共4路信号,4路 信号穿过电流互感器,其电路图如图5所示,其中J,用于连 接电流互感器输出的两根线。

图5电流互感器硬件连接图

3软件设计

本文的三相电力采集设备的软件部分主要包括初始化(时 钟、液晶屏、定时器、串口等)、使能各中断向量、中断服务 处理(键盘输入、定时电能参数读取、串口输入输出)程序、 LCD显示、软件校正。其中主程序为一个死循环程序,一但遇到中断,则处理中断服务程序,处理完成后返回主程序继续执行。

4测试

实验方案:经信号发生器产生被测信号,测量电路中的 电压和电流,并与本文中的三相电力采集设备测量结果进行对 比。其中,标准输入电压取120 V、140 V、180 V、200 V以 及220 V,标准输入电流取1 A、2 A、3 A、4 A,经本电力采 集设备测量后的结果如表1所列,其中Dmax为A、B、C三个 误差绝对值中最大的除以输入电压。

一种串口三相电能采集设备的研制

从表1可以看出,其测量误差均在0.2%以内,能够满足 物联网用电数据采集的精度要求。

5结语

本文以MSP430 f149作为主控芯片,超过ATT7022B芯 片采集电能各项参数,并可通过串口将电能各项参数送至上位 机。经校正测试后发现,该电能采集设备具有精度高、结构 简单以及成本低等优点。目前,该电能采集设备已经成功应用 到校园用电监控系统中,运行状况良好。

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