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)用戶在低谷時(shí)段用電,緩解用電緊張,電力部門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,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I2C總線讀取PCF8563的基準(zhǔn)時(shí)間。按I2C總線規(guī)約,PCF8563的從地址：讀地址SLAR為A3H、寫地址SLAW為A2H,PCF8563I2C通信實(shí)現(xiàn)有字節(jié)寫/讀兩種狀態(tài)。由于在MSP430單片機(jī)中沒有I2C總線的硬件,所以采用軟件模擬I2C讀寫數(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

通過設(shè)定液晶控制寄存器LCDCTL中的控制位來控制數(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。考慮到串行數(shù)據(jù)通信只需要一對(duì)數(shù)據(jù)傳送線進(jìn)行信息的傳送,所需傳輸線條數(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。