基于MSP430單片機的智能型復費率單相電能表設計

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,對電能表的要求和需求大幅度增加。為鼓勵用戶(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)的計費辦法,同時(shí)采用智能化遠程抄表、自動(dòng)計量計費等方法以解決人工抄表存在的諸多問(wèn)題，減輕勞動(dòng)強度,提高管理水平。微機集中抄表管理系統是一種比較理想的解決方案,基礎是根據電力部門(mén)的復費率電能表技術(shù)條件及通信規約設計出具有通信接口和分時(shí)計費功能的電子式復費率電能表。該儀表是以高性能微控制器為主控芯片進(jìn)行分時(shí)計量控制的新型智能型計量?jì)x表,具有分時(shí)段計費和連續計量功能,可以達到計劃用電的目的。這里給出了一種基于超低功耗 MSP430單片機的復費率電能表的硬件實(shí)現方案和軟件設計思想。

1 硬件電路設計

1．1系統總體結構

本方案中硬件采用TI公司高性能的16位超低功耗單片機MSP430F413作為主控MCU[1],它具有 8Kflash，16位RISC結構,CPU中的16個(gè)寄存器和常數發(fā)生器使MSP430微控制器能達到最高的代碼效率；靈活的時(shí)鐘源；數字控制的DCO 可使器件從低功耗迅速喚醒,同時(shí)結合電量計量專(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)現智能控制。系統總體結構如圖1所示。

1．2 時(shí)鐘電路設計

智能分時(shí)計費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的脈沖中斷信號給MSP430單片機的P1.4引腳作為中斷觸發(fā)信號,產(chǎn)生中斷后,通過(guò)I2C總線(xiàn)讀取PCF8563的基準時(shí)間。按I2C總線(xiàn)規約,PCF8563的從地址：讀地址SLAR為A3H、寫(xiě)地址SLAW為A2H,PCF8563I2C通信實(shí)現有字節寫(xiě)/讀兩種狀態(tài)。由于在MSP430單片機中沒(méi)有I2C總線(xiàn)的硬件,所以采用軟件模擬I2C讀寫(xiě)數據的方法。

1．3 電能計量電路

電量測量采用美國ADI公司的AD7755作為測量芯片,它是一種量程寬、精度高,內部具有掉電、上電自動(dòng)復位電路的高準確度電能測量專(zhuān)用集成電路[2]。 AD7755為低功耗的CMOS芯片,內部除了ADC和濾波、相乘電路外都采用了數字電路,有效的去除了尖脈沖等干擾信號,使得它在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準確度和長(cháng)期的穩定性。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)積分周期內消耗的電能:

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

在正常運行時(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單片機中,液晶驅動(dòng)作為一個(gè)外圍模塊集成于片內,極大的簡(jiǎn)化了液晶顯示部分的接口設計,只要選擇合適的液晶顯示器,采用合適的驅動(dòng)方式即可完成數據的顯示。

液晶顯示板的公共極由COMn信號驅動(dòng)，段極由SEGn驅動(dòng)。而液晶的驅動(dòng)又有多種方法：靜態(tài)驅動(dòng)、2MUX驅動(dòng)、3MUX驅動(dòng)、4MUX驅動(dòng)等。不同的驅動(dòng)方案所占用的單片機引腳數是相同的,采用2MUX驅動(dòng)8位液晶顯示所需的引腳數為2+8*8/2,輸出引腳與液晶顯示器件的連接如下：
PIN號 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)設定液晶控制寄存器LCDCTL中的控制位來(lái)控制數據的顯示,這里設定為4MUX顯示模式，向液晶顯示緩存LCMDX寫(xiě)入要顯示的數據,片內驅動(dòng)控制電路就會(huì )輸出相應的驅動(dòng)信號完成顯示。

1．5 串行接口

數據通信方式主要有并行數據通信與串行數據通信兩種?？紤]到串行數據通信只需要一對數據傳送線(xiàn)進(jìn)行信息的傳送,所需傳輸線(xiàn)條數極少,傳送成本較低, 特別適用于分級、分層和分布式控制系統以及遠距離通信之中,故本設計選擇串行數據通信。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據通信。RS-485接口在總線(xiàn)上允許連接多達128個(gè)收發(fā)器,具有良好的抗噪聲干擾性、長(cháng)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。