基于MSP430單片機(jī)的多功能復(fù)費(fèi)率三相電能表

另外一種抄表方式是通過GPRS模塊遠(yuǎn)程抄表。本設(shè)計(jì)中采用的GPRS模塊為SonyEricsson公司的GR47模塊。GR47是帶有GSM/GPRS全套語音和數(shù)據(jù)功能的先進(jìn)無線模塊，具有體積小，功能全面的特點(diǎn)。它內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，從而可以最大程度的縮短GPRS產(chǎn)品的研發(fā)周期。GR47提供了3個(gè)UART端口用來和MCU進(jìn)行通訊，因此可以通過MSP430F449的另一個(gè)UART端口對GR47模塊進(jìn)行控制，其控制命令為標(biāo)準(zhǔn)的AT指令。通過GPRS抄表可以方便地獲得各個(gè)電能表中的數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以對電能表進(jìn)行廣播校時(shí)。需要指出的是，GR47的峰值耗電電流為2A，所以需要在GR47的供電端加上1000uF左右的電解電容，電源芯片也應(yīng)滿足相應(yīng)的要求，在本設(shè)計(jì)中采用了LM1084穩(wěn)壓芯片，它可以提供高達(dá)5A的輸出電流。
3.5 停電抄表電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中的電源模塊為開關(guān)電源，因此當(dāng)一相或者兩相交流電斷相時(shí)，開關(guān)電源仍能向系統(tǒng)供電。但如果三相交流電全部斷相時(shí)，系統(tǒng)的供電將會(huì)中斷，因此需要考慮在停電后仍能抄表，同時(shí)要能對停電發(fā)生的時(shí)間進(jìn)行記錄。為了保證停電時(shí)，系統(tǒng)的核心部分仍能正常運(yùn)行，我們采用了3.6V鋰電池配合低功耗穩(wěn)壓芯片RH5RL30AA作為系統(tǒng)的后備電源，此外，在停電時(shí)單片機(jī)處于休眠狀態(tài)，其他芯片的電源都通過三極管關(guān)斷以降低功耗，經(jīng)過測試，整個(gè)系統(tǒng)在休眠狀態(tài)耗電電流小于10uA。當(dāng)需要停電抄表時(shí)，系統(tǒng)可以通過按鍵中斷喚醒，數(shù)據(jù)將會(huì)顯示在液晶上以供抄表。
停電時(shí)是用電池作為電源，而正常供電時(shí)是使用開關(guān)電源作為電源。如何在電池供電和開關(guān)電源供電兩者之間切換，這是一個(gè)需要考慮的問題，下面給出一個(gè)簡單的方法來解決這一問題。開關(guān)電源供電電路經(jīng)過穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓到3.3V左右，而電池供電電路經(jīng)過穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓到3V左右，在兩個(gè)電路的輸出端都加上肖特基二極管5819，這樣在正常供電時(shí)，由于開關(guān)電源供電電路的輸出比電池供電電路高0.3V，電池供電電路由于5819的反向不可導(dǎo)通將被切斷供電；而在停電時(shí)，開關(guān)電源供電電路輸出為0，電池供電電路在5819正向?qū)ê髮⑾蛳到y(tǒng)供電。電源切換電路如下圖所示：

在正常供電時(shí)，鋰電池的電壓可以由MSP430F449內(nèi)部的12位A/D采樣獲得，這樣當(dāng)電池電壓低于3.3V時(shí)，可以通過電池充電電路對其充電，直到電池電壓上升到達(dá)到鋰電池充電限制電壓4.2V時(shí)再停止充電。電池充電電路可以通過單片機(jī)IO口控制三極管開斷穩(wěn)壓芯片輸出來實(shí)現(xiàn)。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
下面介紹系統(tǒng)功能的軟件實(shí)現(xiàn)：
1）初始化：對LCD、存儲(chǔ)器進(jìn)行自檢，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，若系統(tǒng)為第一次上電，所有數(shù)據(jù)都將初始化為0，否則將從存儲(chǔ)器讀取相應(yīng)值對數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化。
2）時(shí)間模塊：根據(jù)DS3231提供的時(shí)間脈沖進(jìn)行時(shí)間計(jì)量，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊提供時(shí)間度量并且為用戶提供當(dāng)前時(shí)間顯示。
3）數(shù)據(jù)處理模塊：本模塊為軟件設(shè)計(jì)的核心，主要作用是將計(jì)量芯片提供的有功無功電能、三相電壓電流值、頻率和功率因素等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合當(dāng)前時(shí)段和費(fèi)率，得到用戶的各費(fèi)率各時(shí)段實(shí)際用電量以及最大需量等，并在某一指定時(shí)刻（可設(shè)置）將數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)器中。本電表可以保存多月數(shù)據(jù)，并能夠通過RS485、紅外接口和GPRS模塊向抄表系統(tǒng)提供任意當(dāng)前或已保存數(shù)據(jù)。本模塊還具有記錄斷相時(shí)間、斷流時(shí)間等功能。
4）校表模塊：為了匹配各種不同的外設(shè)，ATT7022提供了校表功能。本模塊用于對ATT7022內(nèi)部各校表寄存器進(jìn)行設(shè)置使其與外設(shè)匹配以增加測量精確度。
5）顯示模塊：通過LCD顯示時(shí)間、四象限有功無功電能、三相電壓電流值、頻率、功率因素、各時(shí)段各費(fèi)率用電量以及最大需量等。并可通過按鈕對顯示界面進(jìn)行操作。
6）停電處理模塊：停電時(shí)系統(tǒng)不訪問數(shù)據(jù)處理模塊，整個(gè)系統(tǒng)將進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而使系統(tǒng)處于超低功耗模式，通過按鍵中斷可以將系統(tǒng)喚醒。
7） 通訊模塊：通訊模塊分為紅外、RS485和GPRS通訊。
8）中斷處理模塊：系統(tǒng)主要有三個(gè)中斷處理模塊，分別為定時(shí)、通訊和停電中斷。
5結(jié)束語
基于MSP430F449單片機(jī)的多功能復(fù)費(fèi)率三相電能表集成了多種功能，在電能計(jì)量芯片ATT7022和時(shí)鐘芯片DS3231的配合下對于電能的計(jì)量可以達(dá)到很高的精度。由于通過多種方式降低系統(tǒng)功耗，經(jīng)過測試，在停電時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的功耗極低，從而保證了停電抄表功能的實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本較低，并且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到了國內(nèi)關(guān)于三相復(fù)費(fèi)率電能表的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此具有良好的市場前景和應(yīng)用價(jià)值。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用了ATT7022計(jì)量芯片和高精度時(shí)鐘芯片DS3231提高測量精度和降低成本，增加了停電抄表功能使停電后能及時(shí)可靠地抄表，還增加了GPRS和紅外兩種遠(yuǎn)程抄表方式，抄表方式靈活多樣，并且從硬件和軟件上綜合考慮來使系統(tǒng)功耗降至最低。