基于MSP430單片機(jī)的智能型復(fù)費(fèi)率單相電能表設(shè)計(jì)

0引言 

人均用電量大幅度增加使得“一戶(hù)一表制”得到大面積推廣,對(duì)電能表的要求和需求大幅度增加。為鼓勵(lì)用戶(hù)在低谷時(shí)段用電,緩解用電緊張,電力部門(mén)已試行峰谷不同電價(jià)的計(jì)費(fèi)辦法,同時(shí)采用智能化遠(yuǎn)程抄表、自動(dòng)計(jì)量計(jì)費(fèi)等方法以解決人工抄表存在的諸多問(wèn)題，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,提高管理水平。微機(jī)集中抄表管理系統(tǒng)是一種比較理想的解決方案,基礎(chǔ)是根據(jù)電力部門(mén)的復(fù)費(fèi)率電能表技術(shù)條件及通信規(guī)約設(shè)計(jì)出具有通信接口和分時(shí)計(jì)費(fèi)功能的電子式復(fù)費(fèi)率電能表。該儀表是以高性能微控制器為主控芯片進(jìn)行分時(shí)計(jì)量控制的新型智能型計(jì)量?jī)x表,具有分時(shí)段計(jì)費(fèi)和連續(xù)計(jì)量功能,可以達(dá)到計(jì)劃用電的目的。這里給出了一種基于超低功耗 MSP430單片機(jī)的復(fù)費(fèi)率電能表的硬件實(shí)現(xiàn)方案和軟件設(shè)計(jì)思想。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1．1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本方案中硬件采用TI公司高性能的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F413作為主控MCU[1],它具有 8Kflash，16位RISC結(jié)構(gòu),CPU中的16個(gè)寄存器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430微控制器能達(dá)到最高的代碼效率；靈活的時(shí)鐘源；數(shù)字控制的DCO 可使器件從低功耗迅速喚醒,同時(shí)結(jié)合電量計(jì)量專(zhuān)用芯片AD7755,可以使電表硬件部分大為簡(jiǎn)化,而且很方便實(shí)現(xiàn)智能控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

智能分時(shí)計(jì)費(fèi)電能表中必須要有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，分為硬時(shí)鐘和軟時(shí)鐘兩種。在眾多的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片中,我們選用了PHILIPS公司的PCF8563。它是一款具有極低功耗的多功能時(shí)鐘/日歷芯片,具有多種報(bào)警功能、定時(shí)器功能、時(shí)鐘輸出功能及中斷輸出功能,可以完成各種復(fù)雜的定時(shí)服務(wù)。尤其是其采用I2C總線(xiàn)通訊方式,不但使外圍電路極其簡(jiǎn)潔,而且也增加了芯片的可靠性。

本系統(tǒng)PCF8563與MSP430接口采用圖2所示接口方案。接口采用3根口線(xiàn),PCF8563的INT腳產(chǎn)生周期為1s的脈沖中斷信號(hào)給MSP430單片機(jī)的P1.4引腳作為中斷觸發(fā)信號(hào),產(chǎn)生中斷后,通過(guò)I2C總線(xiàn)讀取PCF8563的基準(zhǔn)時(shí)間。按I2C總線(xiàn)規(guī)約,PCF8563的從地址：讀地址SLAR為A3H、寫(xiě)地址SLAW為A2H,PCF8563I2C通信實(shí)現(xiàn)有字節(jié)寫(xiě)/讀兩種狀態(tài)。由于在MSP430單片機(jī)中沒(méi)有I2C總線(xiàn)的硬件,所以采用軟件模擬I2C讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的方法。

1．3 電能計(jì)量電路

電量測(cè)量采用美國(guó)ADI公司的AD7755作為測(cè)量芯片,它是一種量程寬、精度高,內(nèi)部具有掉電、上電自動(dòng)復(fù)位電路的高準(zhǔn)確度電能測(cè)量專(zhuān)用集成電路[2]。 AD7755為低功耗的CMOS芯片,內(nèi)部除了ADC和濾波、相乘電路外都采用了數(shù)字電路,有效的去除了尖脈沖等干擾信號(hào),使得它在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。引腳CF以較高頻率形式輸出有功功率瞬時(shí)值,用于與MCU接口,其接線(xiàn)圖如圖3所示。

AD7755的CF輸出端輸出的脈沖頻率正比于平均有功功率,通過(guò)它可以求平均功率和一個(gè)積分周期內(nèi)消耗的電能:

平均功率 = 平均頻率= 脈沖個(gè)數(shù)/積分時(shí)間
電能 = 平均功率 積分時(shí)間= 脈沖個(gè)數(shù)

在正常運(yùn)行時(shí),積分時(shí)間可以定為1到2秒,這取決于顯示部分更新的需要。
1．4 液晶顯示電路

在MSP430F413單片機(jī)中,液晶驅(qū)動(dòng)作為一個(gè)外圍模塊集成于片內(nèi),極大的簡(jiǎn)化了液晶顯示部分的接口設(shè)計(jì),只要選擇合適的液晶顯示器,采用合適的驅(qū)動(dòng)方式即可完成數(shù)據(jù)的顯示。

液晶顯示板的公共極由COMn信號(hào)驅(qū)動(dòng)，段極由SEGn驅(qū)動(dòng)。而液晶的驅(qū)動(dòng)又有多種方法：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)、2MUX驅(qū)動(dòng)、3MUX驅(qū)動(dòng)、4MUX驅(qū)動(dòng)等。不同的驅(qū)動(dòng)方案所占用的單片機(jī)引腳數(shù)是相同的,采用2MUX驅(qū)動(dòng)8位液晶顯示所需的引腳數(shù)為2+8*8/2,輸出引腳與液晶顯示器件的連接如下：
PIN號(hào)    1   2   3   4   5   6  ……  29    30  31  32
430引腳 S0  S1  S2  S3  S4  S5  ……  S28  S29  S30  S31  COM0  COM1
LCD COM0 1f  1h  1d  1e  2f  2h  ……  8f   8h   8d   8e   COM0
LCD COM1 1a  1b  1c  1g  2a  2b  ……  8a   8b   8c   8g         COM1

通過(guò)設(shè)定液晶控制寄存器LCDCTL中的控制位來(lái)控制數(shù)據(jù)的顯示,這里設(shè)定為4MUX顯示模式，向液晶顯示緩存LCMDX寫(xiě)入要顯示的數(shù)據(jù),片內(nèi)驅(qū)動(dòng)控制電路就會(huì)輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)完成顯示。

1．5 串行接口

數(shù)據(jù)通信方式主要有并行數(shù)據(jù)通信與串行數(shù)據(jù)通信兩種?？紤]到串行數(shù)據(jù)通信只需要一對(duì)數(shù)據(jù)傳送線(xiàn)進(jìn)行信息的傳送,所需傳輸線(xiàn)條數(shù)極少,傳送成本較低, 特別適用于分級(jí)、分層和分布式控制系統(tǒng)以及遠(yuǎn)距離通信之中,故本設(shè)計(jì)選擇串行數(shù)據(jù)通信。RS-232C接口電路是最常用的接口之一,缺點(diǎn)是只能用于短距離的數(shù)據(jù)通信。RS-485接口在總線(xiàn)上允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器,具有良好的抗噪聲干擾性、長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點(diǎn)。在此我們選用RS-485接口。

本設(shè)計(jì)采用Maxim公司生產(chǎn)的MAX487芯片作為RS485通信收發(fā)器[3],MAX487芯片具有RS-485通信協(xié)議,可以帶下位機(jī)128個(gè)、傳輸距離大于1km、傳輸速率達(dá)250kb/s。單片機(jī)可以通過(guò)RS485總線(xiàn)方式與主控計(jì)算機(jī)相連,主控計(jì)算機(jī)可以向智能電表發(fā)出遙控指令,采集到當(dāng)前的電量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),構(gòu)成了主從式的RS485通信應(yīng)用系統(tǒng)。

MAX487與MSP430的接口電路如圖4所示。圖中DE為發(fā)送器使能端,DE為1時(shí)發(fā)送器可以工作。DI為輸入端,A、B為輸出端。當(dāng)DE為0 時(shí),發(fā)送器停止工作,且輸出端為高阻。 為輸入使能端,為0時(shí)允許接收器工作,A、B為輸入端,RO為輸出端; 為1時(shí)接收器被禁止,RO為高阻狀態(tài)。MSP430通過(guò)P2.1和P2.2來(lái)控制收發(fā)器的工作狀態(tài),從而達(dá)到與主機(jī)通信的目的。

2 軟件程序設(shè)計(jì)

2．1 軟件設(shè)計(jì)思想

單相復(fù)費(fèi)率電能表的軟件主要是實(shí)現(xiàn)電量數(shù)據(jù)采集和處理，并通過(guò)RS485接口實(shí)現(xiàn)與抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

2．2 軟件程序框圖

系統(tǒng)主程序框圖如圖5所示。

電量處理模塊的功能是由計(jì)量芯片提供計(jì)量脈沖，CPU對(duì)計(jì)量脈沖計(jì)數(shù)，結(jié)合當(dāng)前時(shí)段和費(fèi)率，累計(jì)用戶(hù)峰、平、谷各時(shí)段的實(shí)際用電量。

通信模塊的功能是按照通訊規(guī)約實(shí)現(xiàn)與抄表器和抄表系統(tǒng)的可靠通信，由抄表系統(tǒng)讀取用戶(hù)電量數(shù)據(jù)和設(shè)置時(shí)段、費(fèi)率、地址等電表參數(shù)。

顯示模塊的功能是顯示用戶(hù)的峰、平、谷、總電量及時(shí)間、上月電量等信息。

3 系統(tǒng)抗干擾性設(shè)計(jì)

智能復(fù)費(fèi)率電能表主要是基于單片機(jī)的系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)極易受到強(qiáng)電磁場(chǎng)、溫度、濕度等的干擾，在諸多干擾源中，來(lái)自電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、尖脈沖干擾、瞬間斷電對(duì)單片機(jī)的工作是一些很重要的干擾源，它使單片機(jī)不能連續(xù)正常工作。電網(wǎng)瞬間斷電或電壓突然下降將使微機(jī)系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài)，電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，微機(jī)系統(tǒng)難以恢復(fù)正常，有效的方法就是掉電保護(hù)，掉電信號(hào)由硬件電路檢測(cè)到，加到單片機(jī)的外部中斷輸入端。軟件中將掉電中斷規(guī)定為高級(jí)中斷，使系統(tǒng)能夠及時(shí)對(duì)掉電作出反應(yīng)，在掉電中斷子程序中，首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，把當(dāng)時(shí)的重要狀態(tài)參數(shù)、中間結(jié)果、某些片內(nèi)專(zhuān)用寄存器的內(nèi)容一一從片外RAM中調(diào)入單片機(jī)內(nèi)部 RAM中；其次是對(duì)有關(guān)外設(shè)做出妥善處理，使外設(shè)處于某一個(gè)非工作狀態(tài)，最后在片內(nèi)RAM的某些單元做上特定標(biāo)記。采用上電自動(dòng)復(fù)位電路，使單片機(jī)上電后保持兩種確定的狀態(tài)，要么復(fù)位，要么工作，電源突然出現(xiàn)的短脈沖不會(huì)造成異常狀態(tài)，確保系統(tǒng)正常工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能型復(fù)費(fèi)率電能表作為一個(gè)智能型器件,十分適用于高層建筑、密集的住宅區(qū)等密集用戶(hù)區(qū)的集中管理,配合適當(dāng)?shù)耐ㄓ嵰?guī)約，可以方便的與管理計(jì)算機(jī)接口或通過(guò)集控器構(gòu)成遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計(jì)方案采用低功耗器件,成本較低,便于集成。經(jīng)過(guò)試驗(yàn),本文所設(shè)計(jì)的復(fù)費(fèi)率電能表的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家多費(fèi)率電能表的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),具有一定的推廣價(jià)值和較好的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)
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