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：

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：

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，單片機(jī)系統(tǒng)將根據(jù)該信號通過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，可以用來接受電力部門的相關(guān)實(shí)驗(yàn)測試。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“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。當(dāng)TSOP1838接收到高頻紅外信號時(shí)，接收管輸出低電平；當(dāng)TSOP1838沒有接收到高頻信號時(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。