基于MSP430單片機(jī)的多功能復(fù)費(fèi)率三相電能表

1 引言
隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，企業(yè)和個(gè)人的用電量大幅提高?，F(xiàn)在用戶的用電時(shí)間比較集中，以致電力系統(tǒng)的負(fù)荷曲線變化很大。為了調(diào)整負(fù)荷曲線，充分利用發(fā)、供電設(shè)備容量，需要實(shí)現(xiàn)電價(jià)分時(shí)計(jì)費(fèi)。復(fù)費(fèi)率電能表就是按照高峰、低谷時(shí)間分別記錄用電量，以便按不同的價(jià)格收取電費(fèi)，鼓勵(lì)用戶主動(dòng)采取避峰填谷的措施，以利于供電、用電雙方。同時(shí)具有GPRS遠(yuǎn)程抄表、微機(jī)集中抄表、停電抄表、防盜電、計(jì)量有功無功電能和測(cè)量需量等功能的多功能電表可以代替幾塊表的功能，既節(jié)約了資金又減少了設(shè)備占用的面積，而且還降低了抄表的成本。本文基于TI公司的MSP430F449高性能單片機(jī)給出了一個(gè)多功能復(fù)費(fèi)率三相電能表的解決方案。
2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能說明
整個(gè)系統(tǒng)分為兩大模塊，電能計(jì)量模塊，電能數(shù)據(jù)處理及通訊模塊。電能計(jì)量模塊通過電能計(jì)量專用芯片采集有功無功電能、三相電壓電流值、頻率和功率因素等數(shù)據(jù)。然后，將采集到的數(shù)據(jù)通過專用數(shù)據(jù)總線傳送到電能數(shù)據(jù)處理模塊。電能數(shù)據(jù)處理模塊將電能數(shù)據(jù)處理后存儲(chǔ)到flash芯片中，同時(shí)可以在液晶上實(shí)時(shí)顯示電能數(shù)據(jù)。需要抄表時(shí)，本系統(tǒng)提供三種通訊方式：紅外、RS485和GPRS；從而可采用三種方式進(jìn)行抄表：掌機(jī)抄表、微機(jī)集中抄表以及GPRS遠(yuǎn)程抄表。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：
 
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3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
3.1 單片機(jī)MSP430F449簡介
 本系統(tǒng)中采用了TI公司的16位超低功耗高性能單片機(jī)MSP430F449，它具有64K Flash，2048Byte RAM，8通道12位高速A/D，兩個(gè)UART通訊端口，同時(shí)它的內(nèi)部集成有160段LCD液晶控制器，使得液晶硬件電路可以大為簡化。MSP430F449在待機(jī)模式下耗電僅 為0.8μA，RAM保持模式低至0.1μA，運(yùn)行時(shí)功耗為225μA/MIPS，僅需1μS時(shí)鐘啟動(dòng)。MSP430F449的供電電壓為1.8V ~ 3.6V，因此只需要一節(jié)鋰電池就可以正常運(yùn)行。
3.2 電能計(jì)量電路設(shè)計(jì)
 電能計(jì)量電路的核心采用了深圳炬力公司的ATT7022電能計(jì)量專用芯片。它是一顆高精度三相電能專用計(jì)量芯片，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用。它能夠測(cè)量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時(shí)還能測(cè)量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、頻率等參數(shù)，充分滿足三相復(fù)費(fèi)率多功能電能表的需求。ATT7022提供一個(gè)SPI接口，方便與外部MCU之間進(jìn)行電能數(shù)據(jù)和校表參數(shù)的傳遞。而且作為國產(chǎn)的芯片在價(jià)格上也較為低廉，在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)可以大大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。
 電能計(jì)量電路如下圖所示：
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 上圖中介紹了A相的接法電路，B相和C相的電路與A相的電路相同。為了保證ATT7022有穩(wěn)定的電壓參考源，采用了TL431作為其外部電壓基準(zhǔn)。由于ATT7022的供電電壓為5V，而單片機(jī)系統(tǒng)的供電電壓為3V，所以兩個(gè)模塊之間的通訊需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換才能正常交換數(shù)據(jù)，因此設(shè)計(jì)中采用了簡單的電阻分壓電路來達(dá)到電平轉(zhuǎn)換的目的，經(jīng)過測(cè)試后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸很穩(wěn)定，未發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。
3.3 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)
 為了滿足在不同的時(shí)段精確計(jì)算需量和費(fèi)率的要求，復(fù)費(fèi)率電表中需要具有精準(zhǔn)可靠的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。但MSP430F449內(nèi)部RTC時(shí)鐘不夠精確，因此在系統(tǒng)中我們采用了MAXIM公司的時(shí)鐘芯片DS3231。DS3231是低成本、高精度I2C實(shí)時(shí)時(shí)鐘，具有溫度補(bǔ)償晶體振蕩器和晶體。該芯片中包含電池輸入端，斷開主電源時(shí)仍可保持精確的計(jì)時(shí)。集成晶體振蕩器提高了芯片的長期精確度，并減少了生產(chǎn)線的元件數(shù)量。在工業(yè)溫度范圍內(nèi)其精度可達(dá)到±3.5ppm。
 DS3231的INT端口向單片機(jī)可以提供周期為1s的中斷信號(hào)，單片機(jī)系統(tǒng)將根據(jù)該信號(hào)通過I2C通訊接口讀取具體的時(shí)間日期數(shù)據(jù)，從而實(shí)時(shí)地計(jì)算出需量和各個(gè)時(shí)段的費(fèi)率。另外，DS3231的32KHZ端口可以提供精確的32KHZ的脈沖信號(hào)，可以用來接受電力部門的相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。當(dāng)停電時(shí)，時(shí)鐘電路的備用電池將保證時(shí)鐘芯片能夠繼續(xù)精確計(jì)時(shí)直至供電恢復(fù)。
3.4 通訊模塊設(shè)計(jì)
 本設(shè)計(jì)中主要采用了三種通訊方式來實(shí)現(xiàn)抄表功能，分別是：RS-485,紅外傳輸和GPRS方式。
考慮到電能表會(huì)安裝在戶外，因此需要在RS-485總線接口上加上避雷的保護(hù)措施。我們采用的RS-485接口芯片是TI公司的SN65LBC184芯片，通過光耦NEC2501和單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行隔離，從而防止遭遇雷擊時(shí)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成破壞。
紅外通信時(shí)如果直接將數(shù)據(jù)通過紅外發(fā)射管進(jìn)行傳輸時(shí)，將會(huì)嚴(yán)重受到外界環(huán)境的干擾，常見的抗干擾方法是將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)調(diào)制到30KHz～40KHz的載波上再進(jìn)行發(fā)送。MSP430F449單片機(jī)的管腳P1.5/ACLK可作為系統(tǒng)的低頻輔助時(shí)鐘輸出口，可通過通用的32.768KHz時(shí)鐘晶振直接驅(qū)動(dòng)，無須采用額外的外部元件。利用P1.5驅(qū)動(dòng)三極管產(chǎn)生頻率為32.768KHz的載波。通過單片機(jī)的UART口的TXD腳驅(qū)動(dòng)另一個(gè)串聯(lián)的三極管進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)“0”和“1”的傳輸，從而達(dá)到紅外數(shù)據(jù)發(fā)送的功能。在紅外接收部分，利用紅外一體化接收模塊TSOP1838解調(diào)高頻紅外信號(hào)。當(dāng)TSOP1838接收到高頻紅外信號(hào)時(shí)，接收管輸出低電平；當(dāng)TSOP1838沒有接收到高頻信號(hào)時(shí)，接收管將輸出高電平。經(jīng)接收管紅外解調(diào)后的數(shù)據(jù)通過UART口的RXD管腳輸入單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理。
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