基于MSP430單片機的智能型復(fù)費率單相電能表設(shè)計

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,對電能表的要求和需求大幅度增加。為鼓勵用戶在低谷時段用電,緩解用電緊張,電力部門已試行峰谷不同電價的計費辦法,同時采用智能化遠程抄表、自動計量計費等方法以解決人工抄表存在的諸多問題，減輕勞動強度,提高管理水平。微機集中抄表管理系統(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)費率電能表技術(shù)條件及通信規(guī)約設(shè)計出具有通信接口和分時計費功能的電子式復(fù)費率電能表。該儀表是以高性能微控制器為主控芯片進行分時計量控制的新型智能型計量儀表,具有分時段計費和連續(xù)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(fù)費率電能表的硬件實現(xiàn)方案和軟件設(shè)計思想。

1 硬件電路設(shè)計

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MSP430F413作為主控MCU[1],它具有 8Kflash，16位RISC結(jié)構(gòu),CPU中的16個寄存器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430微控制器能達到最高的代碼效率；靈活的時鐘源；數(shù)字控制的DCO 可使器件從低功耗迅速喚醒,同時結(jié)合電量計量專用芯片AD7755,可以使電表硬件部分大為簡化,而且很方便實現(xiàn)智能控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2 時鐘電路設(shè)計

智能分時計費電能表中必須要有實時時鐘，分為硬時鐘和軟時鐘兩種。在眾多的實時時鐘芯片中,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鐘/日歷芯片,具有多種報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能及中斷輸出功能,可以完成各種復(fù)雜的定時服務(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I2C總線讀取PCF8563的基準時間。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通信實現(xiàn)有字節(jié)寫/讀兩種狀態(tài)。由于在MSP430單片機中沒有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(nèi)部具有掉電、上電自動復(fù)位電路的高準確度電能測量專用集成電路[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,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期的穩(wěn)定性。引腳CF以較高頻率形式輸出有功功率瞬時值,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積分周期內(nèi)消耗的電能:

平均功率 = 平均頻率= 脈沖個數(shù)/積分時間
電能 = 平均功率 積分時間= 脈沖個數(shù)

在正常運行時,積分時間可以定為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(qū)動作為一個外圍模塊集成于片內(nèi),極大的簡化了液晶顯示部分的接口設(shè)計,只要選擇合適的液晶顯示器,采用合適的驅(qū)動方式即可完成數(shù)據(jù)的顯示。

液晶顯示板的公共極由COMn信號驅(qū)動，段極由SEGn驅(qū)動。而液晶的驅(qū)動又有多種方法：靜態(tài)驅(qū)動、2MUX驅(qū)動、3MUX驅(qū)動、4MUX驅(qū)動等。不同的驅(qū)動方案所占用的單片機引腳數(shù)是相同的,采用2MUX驅(qū)動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    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)動控制電路就會輸出相應(yīng)的驅(qū)動信號完成顯示。

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?？紤]到串行數(shù)據(jù)通信只需要一對數(shù)據(jù)傳送線進行信息的傳送,所需傳輸線條數(shù)極少,傳送成本較低, 特別適用于分級、分層和分布式控制系統(tǒng)以及遠距離通信之中,故本設(shè)計選擇串行數(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128個收發(fā)器,具有良好的抗噪聲干擾性、長的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點。在此我們選用RS-485接口。

本設(shè)計采用Maxim公司生產(chǎn)的MAX487芯片作為RS485通信收發(fā)器[3],MAX487芯片具有RS-485通信協(xié)議,可以帶下位機128個、傳輸距離大于1km、傳輸速率達250kb/s。單片機可以通過RS485總線方式與主控計算機相連,主控計算機可以向智能電表發(fā)出遙控指令,采集到當前的電量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),構(gòu)成了主從式的RS485通信應(yīng)用系統(tǒng)。

MAX487與MSP430的接口電路如圖4所示。圖中DE為發(fā)送器使能端,DE為1時發(fā)送器可以工作。DI為輸入端,A、B為輸出端。當DE為0 時,發(fā)送器停止工作,且輸出端為高阻。 為輸入使能端,為0時允許接收器工作,A、B為輸入端,RO為輸出端; 為1時接收器被禁止,RO為高阻狀態(tài)。MSP430通過P2.1和P2.2來控制收發(fā)器的工作狀態(tài),從而達到與主機通信的目的。

2 軟件程序設(shè)計

2．1 軟件設(shè)計思想

單相復(fù)費率電能表的軟件主要是實現(xiàn)電量數(shù)據(jù)采集和處理，并通過RS485接口實現(xiàn)與抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

2．2 軟件程序框圖

系統(tǒng)主程序框圖如圖5所示。

電量處理模塊的功能是由計量芯片提供計量脈沖，CPU對計量脈沖計數(shù)，結(jié)合當前時段和費率，累計用戶峰、平、谷各時段的實際用電量。

通信模塊的功能是按照通訊規(guī)約實現(xiàn)與抄表器和抄表系統(tǒng)的可靠通信，由抄表系統(tǒng)讀取用戶電量數(shù)據(jù)和設(shè)置時段、費率、地址等電表參數(shù)。

顯示模塊的功能是顯示用戶的峰、平、谷、總電量及時間、上月電量等信息。

3 系統(tǒng)抗干擾性設(shè)計

智能復(fù)費率電能表主要是基于單片機的系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)極易受到強電磁場、溫度、濕度等的干擾，在諸多干擾源中，來自電網(wǎng)電壓的波動、尖脈沖干擾、瞬間斷電對單片機的工作是一些很重要的干擾源，它使單片機不能連續(xù)正常工作。電網(wǎng)瞬間斷電或電壓突然下降將使微機系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài)，電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，微機系統(tǒng)難以恢復(fù)正常，有效的方法就是掉電保護，掉電信號由硬件電路檢測到，加到單片機的外部中斷輸入端。軟件中將掉電中斷規(guī)定為高級中斷，使系統(tǒng)能夠及時對掉電作出反應(yīng)，在掉電中斷子程序中，首先進行現(xiàn)場保護，把當時的重要狀態(tài)參數(shù)、中間結(jié)果、某些片內(nèi)專用寄存器的內(nèi)容一一從片外RAM中調(diào)入單片機內(nèi)部 RAM中；其次是對有關(guān)外設(shè)做出妥善處理，使外設(shè)處于某一個非工作狀態(tài)，最后在片內(nèi)RAM的某些單元做上特定標記。采用上電自動復(fù)位電路，使單片機上電后保持兩種確定的狀態(tài)，要么復(fù)位，要么工作，電源突然出現(xiàn)的短脈沖不會造成異常狀態(tài)，確保系統(tǒng)正常工作。

4 結(jié)束語

智能型復(fù)費率電能表作為一個智能型器件,十分適用于高層建筑、密集的住宅區(qū)等密集用戶區(qū)的集中管理,配合適當?shù)耐ㄓ嵰?guī)約，可以方便的與管理計算機接口或通過集控器構(gòu)成遠程自動抄表網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計方案采用低功耗器件,成本較低,便于集成。經(jīng)過試驗,本文所設(shè)計的復(fù)費率電能表的各項技術(shù)指標均達到國家多費率電能表的技術(shù)標準,具有一定的推廣價值和較好的市場前景。

參考文獻
[1] 魏小龍. MSP430系列單片機接口技術(shù)及系統(tǒng)方案設(shè)計實例 .[M] .北京：北京航空航天大學(xué)出版社. 2002.
[2] 陳惠明.等. 多費率電能表的設(shè)計.[J]. 電氣技術(shù)與自動化.2003.(5).
[3] 緱冬青等.基于ＲＳ485串行口的自動抄表系統(tǒng).[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2003.(1).