基于ATT7037AU的新型自适应智能用电控制终端设计

席东河，王林生，刘明黎，杜 娟

（1.河南工业职业技术学院 河南 南阳 473009；2.河南中光学集团有限公司 河南 南阳 473000）

节约用电和安全用电，不但是电器使用者们一直关心的话题，而且是终端用电管理部门重点关注的，对于如何方便众多用户安全使用的同时实现安全方便的管理，也一直是相关部门科研工作者们努力的方向。

目前已设计出各种各样的电路来完成这样的任务，主要的有功率识别法和相位识别法等，但它们都因为电路自身的原因存在缺陷，前者只能对总用电功率进行识别和控制，后者只能识别阻性负载。还有一些提出利用面积比较、BP神经网络、谐波分离等方法来识别负载[1]，这些方法，电路复杂，信号处理算法复杂。还有的对现有电能表电路进行改进后利用微控制器进行控制，这种方法造成电路体积较大，系统复杂，成本高，智能化设计程度低。

基于此，项目组在进行充分调研和实验的基础上，应用户要求设计了一款新型自适应智能用电控制终端,基于新型高集成度SOC芯片，设计了系统电路和软件算法，实现对电器类型的识别、功率检测和用电控制。实践应用证明其实用性强，可靠性高。

1 自适应智能用电控制终端系统设计

用电控制的中心任务是对终端用电器通、断电控制，依据是该电器是否是在规定的时间和地点被允许使用的。我们日常生活中较常用的电器比如电脑、电扇、充电器、照明灯等，这些是可以在规定的时间段内使用的，而不常用的容易引起事故的大功率电器如热得快、电炉、大功率电吹风等，这些往往是不允许被使用的，小功率易出现事故的如电热毯、小功率电吹风等，这些是限时使用的。因此新型智能用电控制终端必须解决违规电器的自动识别和自动控制问题。

本设计采用上海钜泉光电科技股份有限公司最新研发推出的最新型低功耗高性能的单相多功能计量SOC芯片ATT7037AU，通过对用电设备的电流和电压采样，利用EMU模块的数字信号处理功能实时计算出瞬时有功功率与有功电能、无功功率与无功电能、视在功率与视在电能、电压有效值、电流有效值及频率计算等计量功能，根据这些参数的变化可以判断出负载的变化，利用程序算法可以成功解决以往的限电技术不能识别负载，或者负载识别智能性和准确性不高的问题。

以ATT7037AU为核心的智能用电控制终端主要由SOC最小系统电路、电流及电压采样电路、红外接口电路、显示电路、温度传感电路、电源电压检测电路、继电器控制电路、485通讯接口电路、电源电路等组成。其中，ATT7037AU芯片通过外围电路既能完成用电信息的采集、运算又能够实现和外部交互控制、显示和通信。智能用电控制终端整体结构框图如图1所示。

图1 智能用电控制系统Fig.1 Smart electricity control system

2 自适应智能用电控制终端硬件设计

自适应智能用电控制终端的设计重点在于获取当前用电器的用电信息，提取出有用的负载特征，从而准确地识别用电器的类型，最终做出是否通断电的动作。另一个重要任务就是精确计量已消费使用的电量，并据此进行一系列通断电操作。此外，必要的通讯功能是实现人机友好交互的重要手段，使操作管理更加智能化。

获取用电信息的手段有很多，比如对电压电流采样后再进行AD转换，或者使用模拟电路进行积分[2]，这会导致运算速度很慢，系统精度降低。本设计采用上海钜泉光电科技股份有限公司最新推出的ATT7037AU芯片，克服了传统电路相位误差大、易饱和，抗干扰能力弱，速度慢，稳定性差的缺点，实现功率电能信息采集、运算和控制的一体化，结构简单，集成度高。

2.1 电能SOC芯片ATT7037AU

ATT7037AU芯片片内集成单相计量（3路ADC）、CPU51内核处理器、LCD驱动、电源管理，时钟管理，RTC模块及每秒补偿机制，温度/电池电压测量模块，PLL，JTAG调试等功能。芯片能够通过片内ADC采样提供三路ADC的原始采样数据和同步波形采样数据，内部DSP电路能实时计算出有功、无功和视在功率、电压有效值、电流有效值等，电能计量误差小于0.1%，电压/电流有效值测量误差小于0.5%。通过SFR寄存器和中断的方式，可以对数字信号处理部分进行校表参数配置和计量参数读取；计量的结果还通过PF/QF/SF引脚输出，也即校表脉冲输出，可以直接接到标准表进行误差对比[3]。

系统核心电路包括芯片电源连接电路，晶振电路，JTAG调试电路，信号采样端口，双串口输出电路，功能按键，以及工作指示灯等。

2.2 电压电流数据采样电路

本控制终端的数据来源主要是用电器上的电压和电流信号，ATT7037AU通过V1P、V1N采样电流，通过V3P、V3N采样电压，通过片内的完全独立的模拟增益放大器（PGA），可以完成对外部的电压和电流输入差分信号的幅度放大，放大后的信号再送给ADC进行采样和处理，在极小信号输入时能够保证测量的线性度。

电流如图2所示，FLQ为孟桐分流器，其具有线性度好和温度系数小等优点；L-IN接火线，作为系统参考地电压；1K电阻与33nF电容并联到地，共同组成低通滤波器[4]，阻止电网中的高频信号进入芯片内部，用来减少对芯片内部DSP处理模块电路的干扰，锰铜电阻两端产生的稳定的微弱电压通过VIP、V1N进入芯片内部。

图2 电源采样电路Fig.2 Current sampling circuit

电压采样电路图3所示，经过串联电路电阻分压后的小信号电压通过电阻和电容网络中的V3P、V3N通道进入芯片内部。

图3 电压采样电路Fig.3 Voltage sampling circuit

2.3 电源电路

在普通的智能控电器中，因为系统简单，控制功率小于2 000 W，因此大多所使用小功率交流继电器控制，整个系统功耗较低，因此使用了阻容降压电路来提供系统电源，但是由于继电器是通电保持性器件，工作过程就会消耗能量，另外大功率的继电器阻容降压电源提供的功率不够。这里选用磁保持型继电器，12 V的开关电源模块，同时满足大功率电流通断和节能需要。

2.4 磁保持继电器驱动电路

智能用电管理终端的重要任务是通断电控制，前面一经选用了交流60 A的磁保持继电器BST-902，该继电器通过给控制引脚施加不同的电平信号来接通或者断开开关，因此其驱动电路需要在两个端口能够提供高低电平，具体驱动电路如图4所示。

2.5 其他电路

图4 磁保持继电器驱动电路Fig.4 Magnetic relay drive circuit

作为一个管理终端，需要对用电信息进行存储，虽然ATT7037AU芯片内部自带存储，但是因为它是先整页擦除，然后写的操作，并且擦写次数比较有限，因此比较适合存储非频繁操作的数据，如控制器地址，控制器计量校正参数等的存储，对于电参数的计量数值这里选用了AT24C02作为存储器。

另外，管理终端还要完成485通信和无线抄表的功能，并同时能够通过显示屏显示用户信息、电参数信息、电器类型、通断电信息、警告信息等主要信息，还可以显示时间、温度、备份电池电压等。

485通信电路，支持简单协议的485通信操作，如电量的读取，系统参数的设置，数据处理指令等,红外收发电路提高数据读取及控制的效率和安全性。

3 自适应智能用电控制终端软件设计

自适应控制终端要能够独立完成对用电终端电器的用电控制，必须要能根据当前以及历史用电信息识别用电器的类型，根据用电器的类型和电量信息判断是否允许使用[6]，进而进行相应的开关控制，以达到对用电端的电能计量、节能和安全的目的。

3.1 自适应识别原理介绍

自适应控制终端的自适应是有限自适应，即对标准的已知用电器的自适应以及对特定非通用设备的自适应。通过对已有电器的功率特性进行采样建立样本数据模型库，从而实现在正常工作的工程中依据数据库中的数据模型对电器进行识别，进而达到控制的目的。功率特性主要包括有功功率的范围和其随时间变化的趋势。

3.2 软件样本数据库的建立

生活中常见的电器主要分为：阻性、感性、非线性、还有混合型设备。对于阻性设备电器，属于线性设备，但是恶性负载（大功率阻性负载）多，如热得快、电水壶等，所以是最危险的用电设备，需要重点关注，但其模型比较简单，因为其工作过程中电压、电流相位一致，设备功率比较稳定。对于感性设备，如电风扇等，功率稳定而适中，模型库也较简单。对于非线性设备，有稳定工作的设备如电脑等，其特点是工作波形不规则。对于混合型设备，如空调，其工作状态有多个，而且状态多变，状态功率不等，功率变化多样，也是关注的重点和识别的难点。因此，依据各类电器的特性，可以将数据库中的电器分为功率稳定和功率不稳定两类。

3.3 电器工作数据模型的建立

这里以功率多变的空调为例，说明数据模型建立的过程。将智能管理终端的红蓝两根220 V引线通过插头接入插座，将红绿两线接到某型壁挂空调的电源线端，建立工作电路，终端即上电工作，按下自适应采集控制按键，终端通过485总线将实时采集到的功率数据传输到计算机记录，并绘制波形，启动空调为制热模式，空调工作整个过程的有功功率-时间有效曲线如图5所示，其中纵轴单位为W，横轴为S。可以看出空调启动后，首先维持了约16 s的1 W功率，然后功率开始上升，到第21 s稳定下来，一直到第31 s都保持在679.9 W，之后开始上升，到第71 s时功率达到最大值1917 W，在第71至481 s区间，功率基本稳定在1 800 W左右，波动在±150 W以内，从第482 s开始从明显下降，到516 s降至964 W，然后功率开始在964 W至1 164 W之间按照先增后减的过程呈现有规律的周期性震荡，周期为约170 s，震荡持续12个周期，之后关闭空调，空调功率很快下降到0 W。

图5 某型壁挂空调制热模式功率时间数据曲线Fig.5 A certain type of hanging air conditioning heating mode power time data curve

图5 所示过程体现了空调制热的一般过程，可以看出其中有4个关键点，在这些点的两边都产生了较大的功率变化，因此依据这些关键点在它们之间取最大、最小值的加权平均，可以建立的数学模型如图6所示，其中细曲线为原始数据，较粗的折线为模型数据。其中最关键特征是3个关键数据797 W、1786 W和1 032 W，以及围绕这3个功率点的小范围波动。

图6 某型壁挂空调制热模式功率时间数据曲线模型Fig.6 The wall hanging air conditioning heating mode power time data curve model

3.4 自适应识别程序设计

依据上述分析，可以设计对应的识别算法程序。识别软件核心程序流程如图7所示。可以看出利用大功率负载是否稳定，是否在特征功率附近波动这两个特性，通过一系列的比较、归纳能够将我们比较关心的恶性负载和空调从众多负载中筛选出来，分别进行相应的控制，达到自适应识别控制的目的。

图7 自适应识别程序流程Fig.7 Adaptive recognition processes

对于功率稳定的其他电器模型，只是一些列关键有功特征功率不同，算法及流程相同，不再赘述。

4 结束语

本文基于一款SOC芯片设计了一种新型的用电管理终端，根据用电负载的不同特性，提取其关键特征，给出了一种识别算法流程。与同类产品相比，结构简洁，操作简单，可以有效识别出特定负载和恶性负载，成功解决了以往无法区分负载特性的问题，从而实现对相应的用电设备进行放行或者关断等操作。该终端体积小，智能化程度高，实际运行效果证明其具有良好的可靠性和稳定性，满足了用户需求。

[1]郑宇，姚加飞.基于谐波分离的学生公寓负载特性识别[J].电气应用，2007,26（8）：113.ZHENG Yu,YAO Jia-fei.Student apartment load characteristic recognition based on harmonic separation[J].Electric applications,2007,26(8):113.

[2]李昂,史延东,宁飞.智能负载识别器的设计[J].微型机与应用，2005(4):21.LI Ang,SHI Yan-dong,NING Fei.Intelligent load identifier design[J].Micro Computer and Application,2005(4):21.

[3]钜泉光电科技(上海)股份有限公司.ATT7053BU_ATT7059 BU_ATT7059S用户手册V1.3，[EB/OL].[2014-01-09].http://www.hitrendtech.com/jishuwendang.aspx.

[4]陆爱玲，庄明河，冯成彬，等.基于ATT7027的电能质量检测装置的设计[J].科技传播，2011，12（下）:136.LU Ai-ling ZHUANG Ming-He,FENG Cheng-bin,et al.The design of power quality detection device based on ATT7027[J].Science and technology,2011,12(under):136.

[5]上海贝斯特电器制造有限公司.BST-902用户手册.[EB/OL].[2014-06-24].http://www.bstrelay.com/.

[6]张淼特，谷小红.电器恶性负载识别方法研究与仿真[J].计算机仿真.2013，30（2）:214.ZHANG Miao-te,GU Xiao-hong.Electrical malignant load identification method simulation[J].Journal of Research and