基于MSP430單片機的多功能復費率三相電能表

1引言
隨著(zhù)國民經(jīng)濟的發(fā)展，企業(yè)和個(gè)人的用電量大幅提高?，F在用戶(hù)的用電時(shí)間比較集中，以致電力系統的負荷曲線(xiàn)變化很大。為了調整負荷曲線(xiàn)，充分利用發(fā)、供電設備容量，需要實(shí)現電價(jià)分時(shí)計費。復費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，鼓勵用戶(hù)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遠程抄表、微機集中抄表、停電抄表、防盜電、計量有功無(wú)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，既節約了資金又減少了設備占用的面積，而且還降低了抄表的成本。本文基于TI公司的MSP430F449高性能單片機給出了一個(gè)多功能復費率三相電能表的解決方案。
2系統總體結構和功能說(shuō)明
整個(gè)系統分為兩大模塊，電能計量模塊，電能數據處理及通訊模塊。電能計量模塊通過(guò)電能計量專(zhuān)用芯片采集有功無(wú)功電能、三相電壓電流值、頻率和功率因素等數據。然后，將采集到的數據通過(guò)專(zhuān)用數據總線(xiàn)傳送到電能數據處理模塊。電能數據處理模塊將電能數據處理后存儲到flash芯片中，同時(shí)可以在液晶上實(shí)時(shí)顯示電能數據。需要抄表時(shí)，本系統提供三種通訊方式：紅外、RS485和GPRS；從而可采用三種方式進(jìn)行抄表：掌機抄表、微機集中抄表以及GPRS遠程抄表。系統結構圖如下圖所示：

3系統硬件電路設計
3.1 單片機MSP430F449簡(jiǎn)介
本系統中采用了TI公司的16位超低功耗高性能單片機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(jiǎn)化。MSP430F449在待機模式下耗電僅 為0.8μA，RAM保持模式低至0.1μA，運行時(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，因此只需要一節鋰電池就可以正常運行。
3.2 電能計量電路設計
電能計量電路的核心采用了深圳炬力公司的ATT7022電能計量專(zhuān)用芯片。它是一顆高精度三相電能專(zhuān)用計量芯片，適用于三相三線(xiàn)和三相四線(xiàn)應用。它能夠測量各相以及合相的有功功率、無(wú)功功率、視在功率、有功能量以及無(wú)功能量，同時(shí)還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數、頻率等參數，充分滿(mǎn)足三相復費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)行電能數據和校表參數的傳遞。而且作為國產(chǎn)的芯片在價(jià)格上也較為低廉，在滿(mǎn)足設計要求的同時(shí)可以大大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。
電能計量電路如下圖所示：

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有穩定的電壓參考源，采用了TL431作為其外部電壓基準。由于A(yíng)TT7022的供電電壓為5V，而單片機系統的供電電壓為3V，所以?xún)蓚€(gè)模塊之間的通訊需要進(jìn)行電平轉換才能正常交換數據，因此設計中采用了簡(jiǎn)單的電阻分壓電路來(lái)達到電平轉換的目的，經(jīng)過(guò)測試后發(fā)現數據傳輸很穩定，未發(fā)生數據丟失的現象。
3.3 時(shí)鐘電路設計
為了滿(mǎn)足在不同的時(shí)段精確計算需量和費率的要求，復費率電表中需要具有精準可靠的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。但MSP430F449內部RTC時(shí)鐘不夠精確，因此在系統中我們采用了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，具有溫度補償晶體振蕩器和晶體。該芯片中包含電池輸入端，斷開(kāi)主電源時(shí)仍可保持精確的計時(shí)。集成晶體振蕩器提高了芯片的長(cháng)期精確度，并減少了生產(chǎn)線(xiàn)的元件數量。在工業(yè)溫度范圍內其精度可達到±3.5ppm。
DS3231的INT端口向單片機可以提供周期為1s的中斷信號，單片機系統將根據該信號通過(guò)I2C通訊接口讀取具體的時(shí)間日期數據，從而實(shí)時(shí)地計算出需量和各個(gè)時(shí)段的費率。另外，DS3231的32KHZ端口可以提供精確的32KHZ的脈沖信號，可以用來(lái)接受電力部門(mén)的相關(guān)實(shí)驗測試。當停電時(shí)，時(shí)鐘電路的備用電池將保證時(shí)鐘芯片能夠繼續精確計時(shí)直至供電恢復。
3.4 通訊模塊設計
本設計中主要采用了三種通訊方式來(lái)實(shí)現抄表功能，分別是：RS-485,紅外傳輸和GPRS方式。
考慮到電能表會(huì )安裝在戶(hù)外，因此需要在RS-485總線(xiàn)接口上加上避雷的保護措施。我們采用的RS-485接口芯片是TI公司的SN65LBC184芯片，通過(guò)光耦NEC2501和單片機系統進(jìn)行隔離，從而防止遭遇雷擊時(shí)，對整個(gè)系統造成破壞。
紅外通信時(shí)如果直接將數據通過(guò)紅外發(fā)射管進(jìn)行傳輸時(shí)，將會(huì )嚴重受到外界環(huán)境的干擾，常見(jiàn)的抗干擾方法是將需要傳輸的數據調制到30KHz～40KHz的載波上再進(jìn)行發(fā)送。MSP430F449單片機的管腳P1.5/ACLK可作為系統的低頻輔助時(shí)鐘輸出口，可通過(guò)通用的32.768KHz時(shí)鐘晶振直接驅動(dòng)，無(wú)須采用額外的外部元件。利用P1.5驅動(dòng)三極管產(chǎn)生頻率為32.768KHz的載波。通過(guò)單片機的UART口的TXD腳驅動(dòng)另一個(gè)串聯(lián)的三極管進(jìn)行二進(jìn)制數據信號“0”和“1”的傳輸，從而達到紅外數據發(fā)送的功能。在紅外接收部分，利用紅外一體化接收模塊TSOP1838解調高頻紅外信號。當TSOP1838接收到高頻紅外信號時(shí)，接收管輸出低電平；當TSOP1838沒(méi)有接收到高頻信號時(shí)，接收管將輸出高電平。經(jīng)接收管紅外解調后的數據通過(guò)UART口的RXD管腳輸入單片機進(jìn)行相應的處理。