AVR465 ：单相功率/电能表
与篡改检测
特点
成本效益和灵活的单相电能表
符合第1类仪表IEC 61036的精度要求
检测，信号和继续精确测量在至少20个不同的
篡改条件
设计可轻松降级到适合普通单相电能计量
紧凑型设计，内置闪存， SRAM和EEPROM
包括USART和可编程I / O
LCD很容易添加者迁移到其他AVR微控制器
安全和可重编程闪存提供灵活的固件更新
一时间，快速，准确的数字校准对额外的好处
-
校准可实现自动化
-
无需修剪组件
-
无需外部EEPROM ，作为校准系数存储在内部
可调式电能脉冲输出超出10.000脉冲/千瓦时
有源功率，电压和电流测量值都很方便过
USART接口
设计可轻松迁移到任何其他AVR微控制器
低功耗的AVR微控制器允许工作电压低至1.8V
8-bit
微控制器
应用说明
介绍
本应用笔记介绍了一个单相功率/电能表与篡改
逻辑。设计措施有源功率，电压和电流中的单相
分布环境。它的不同之处在于它使用普通的单相米
两个电流传感器来测量有功功率两个火线和零线。
这使电表进行检测，信号，并继续可靠地计量，即使
当受到篡改的外部尝试。
仪表的心脏是一个AVR微控制器。所有测量均进行
在数字域和测量结果中的形式提供
调频脉冲输出，作为纯文本值，在访问
USART接口。这使得在具有成本效益的应用中所使用的设计
基于机械式展示柜。另外，该设计可轻松适应更多
计算机应用与功能，如远程抄表（ AMR ） ，需求
录音，多关税，等。
专为230V和10A操作的原型表现出了优于1 ％的精度
500的动态范围： 1 。通过精心的PCB设计，并按照指引
在本文档的准确度，可以进一步提高的末尾给出。仪表
被很容易地配置，以适应任何其它电压和电流设置。
修订版2566A -AVR- 7月4日
概观
功率计有时被称为电能表，反之亦然。每
定义， （有源）功率是什么是必须的（或消耗），以测量
执行有用的工作。例如，一个灯泡用100W的额定消耗100
有功功率，以瓦特来创建光（热） 。能源，根据定义，是
一直需要测量多少工作在一段已知的时间。在
灯泡例如，在离开灯泡一个小时它将消耗100W * 3600 =
360000Ws （瓦秒） =能量为100Wh （瓦特小时） = 0.1kWh （千瓦小时） 。
本应用笔记描述了该仪器可被称为一个功率计，一个
电能表或电度表。电能脉冲输出（ EP ）是一个现成的
有源功率的指示，作为注册的米;所述脉冲的频率是
正比于有功功率。积分脉冲随着时间的推移给出积极的能量。
对于存储而言，电表包括两路脉冲输出（民进党与DPN ）到
直接驱动各种展示柜。所有的脉冲输出易于配置的任何
合理的速度。默认值是每千瓦时10.000冲动的EP输出
和每千瓦时100冲动民进党/ DPN脉冲。
不仅脉冲速率随时调整;所有测量结果进行校准
在数字域，不再需要任何修整组件。这包括
调整，以补偿在电流互感器相位延迟。校准
事件可以是自动的，除去在需要的耗时的手动微调
传统的机电式电表。数字校准是快速和有效的，减少
总的生产时间和成本。校准系数被安全地存储在
内部EEPROM ，进一步减少了所需的外部设备。
仪表的大脑是固件，它提供了开放源码。虽然
包含所有必需的防篡改功能，单相电表，它可以是
改性并随时更新。即使在现场。固件是完全用
C，这使得改进很容易实现。诚信与知识产权
尚未容易使用AVR单片机的锁定位来保护。
仪表五金
电表硬件包括一个电源，一个模拟前端，一个
微控制器部分，和接口部分。
警告：
电击危险
本应用笔记描述的计连接到高电流和高
电压。高电流和高电压可能是危险的，甚至是致命的。因此，该
计应仅由合格的技术人员进行操作。爱特梅尔公司概不负责
对于任何后果可能因使用本文档或应用程序中的
本文中所描述。
2
AVR465
2566A-AVR-07/04
AVR465
图1 。
触电危险。
L
N
465
负载
存在线路电压和流量计之间没有绝缘。的。因此，部分
米含有高电压，甚至在低电压电源的输出是
连接到电源上。谨慎使用。该表必须包含在非
导电外壳，以避免意外的电压冲击。
电源
该电源是一种低效率的，但成本效益的和紧凑的设计。这是
意在以成本低至提供所需要的功率计的只是量
可能。如果增强功能是由该计可能需要获得新的
值的一些组件。
下表总结的主要部分的典型的电流消耗
米。
表1中。
主计节的典型电流消耗。
部分
前端
微控制器
LED
显示
注意事项：
包括
运算放大器
(1)
AVR （主动模式， 4兆赫）
(2)
所有LED （每个约1 mcd的亮度）
展示柜（ 400
线圈的阻抗）
连续
0.2毫安
1.8毫安
无
(3)
无
(3)
PEAK
0.2毫安
3.5毫安
3.0毫安
7.5毫安
电源预算
1.典型的消耗，根据LMV358数据表
2.根据ATmega88的数据表（ 2545B - AVR -01 /04）
3，LED的大多关闭，显示计数器很少更新
峰值电流是短暂，主要发生在显示计数器进行更新。该
最坏的情况是，当显示计数器被更新，并且所有的LED被点亮。
典型地，该电源必须能够提供小于10毫瓦（ 3
伏），但它也必须是能够提供能量的简单的脉冲串把所需
线圈对置的。
理论
电源被示于图2中下面概略是相同的
仪表的电源部分，如在此结束如图中示意性
文档，但组件号是不一样的。请注意好电
带电的电线和电表接地之间的连接！
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2566A-AVR-07/04
图2中。
低成本，无变压器供电。
VCC
C1
R1
D2
VIN +
D1
C2
U1
VOUT
GND
L
230V
N
该电源基于中途修正。在负半波
电容器C1被充电，并在正半波电容器被排出。
齐纳二极管D1 （减去二极管D2的正向电压）决定于哪个电压的C2
被充电。电压调整器U1使用存储在C2中，以产生一个稳定的能量
输出电压。电阻R1控制的C1和也限制了充电和放电
电流流过齐纳二极管D1 。
噪声源
请注意，该电源可以产生噪音的来源，如果规划不当，
实现的。接地连接是非常重要的。例如，电流
过齐纳是相当大，如果相同的地面轨迹是由齐纳共享
并说，该运算放大器（查看当前前端），然后测量结果
会大大降低。通常，这可以被看作是在奇次谐波
测得的电流信号。
它建议使用星形拓扑中的接地连接。
组件值
在压差为3.3V稳压器U1是约5V 。当输入电压下降
下面的辍学水平，设备停止调节。该稳压器的输入必须是
保持高于这个水平，甚至在漏极周期结束时和在最坏情况下的电流
消费。
以此为出发点，齐纳二极管被规定为15V。这使得很多余量
电容器C2 ，以达到调节的最小输入电压前放电。
接着，电容器C2的大小被计算出来。最小尺寸基础上衍生
电容器的一般放电功能，如下所示：
公式1 。
公式来计算规模的充电电容。
V
=
V
0
×
e
t
RC
C
=
t
R
×
ln
( )
V
V
0
这里t是放电时间，V
0
为初始电压，V为放电后的电压
而R是负载电容器放电。如果最坏情况下的电流消耗是
14毫安（参见上表），则等效负载电阻为R = 3V / 14毫安= 214
.
驱动显示计数器时，最坏情况下的电流消耗发生。该
驱动脉冲的长度是100ms时，默认情况下。假设的充电电压
电容器是允许一个显示的长度时下降到调节器的最小
脉冲，电容器的最小尺寸如下：
式（2） 。
计算电容C2的最小尺寸。
C
=
0.1s
=
425 .3
F
≈
470
F
5V
214
×
ln
(
15V
)
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AVR465
2566A-AVR-07/04
AVR465
接着，电容器C1被计算。该电容器的尺寸应尽可能的小
可能的，因为它决定了多大的权力，从电源线绘制。此外，该
较大的电容器，更昂贵的是。电容器的最小尺寸是
来自于存储的电荷（Q = CU）和电流（I = Q / t）的基本功能。为
电容器C1就不再需要使用上述最坏情况下的电流（ 14毫安）
由于电容C2将存储的能量不足以维持当前的简要介绍。假设
10毫安连续电流，并且该电容器被排出超过50Hz的半周期内，
而且电压是80％公称的，则电容器的要求的最小尺寸
如下：
公式3 。
计算电容C1最小尺寸。
C
=
I
×
t
0.01A
×
0.01s
=
=
0.543
F
≈
680nF
U
主电源
0.8
×
230V
电容器需要被完全充电的每个半周期。的充电时间决定的
由电阻器R1 ，它的大小可以被使用的所谓5RC规则衍生
拇指。该5RC规则说，对于一个阶跃变化的电压电容器充电至
内其最终值的五个时间常数（RC）的1％。指定该电容器
应（几乎）完全在正半波的峰值电时，最大
电阻R1的大小，可估计如下：
公式4 。
计算充电限流电阻的最大尺寸。
t
=
5
×
R
×
C
R
=
t
0.005s
=
=
1470
5
×
C 5
×
68 0nF
对电阻器R1的另一限制是它必须足够小，对电容C2向
充够在一个半周期。较大的R 1是，越少C2被充电每
周期。另一方面，这是不合理的，指定R 1 ，使得C2充电到，
比方说，在一个半周期99％ ，因为这会使得R 1非常小，并且将电源
消耗在齐纳二极管D1非常大。相反，一个体面的充电水平选择
并指定相应的R1 。例如，设定R1 = 470
仪表工程
很好（输入电压稳压器通常保持高于13V时，在任何时候） 。
模拟前端的一部分，接口连接的高电压线。它
条件高电压和高电流下降到一定水平，使信号不能
危害更细腻的电子产品。它的高电压和高电流转换
电压足够小，以直接通过所述微控制器的ADC测量。
米的标称线电压为230V ，额定电流的最大值为10A ，
其中的两个明显是太大了信号直接馈送到任何
微控制器。模拟前端变换线电压和线电流
电压与不大于1V峰 - 峰值更多振幅。前端很容易
配置为任何其他线路的电压或电流，如下面所述。
电压前端
线路电压首先使用小型化电阻阶梯，那么DC-过滤，最后DC-
偏置，如示于图3。注意，部件号是不一样的
在充分示意在本文档的末尾。
模拟前端
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2566A-AVR-07/04
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