基于单片机的数字电能表设计Word格式.docx
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2016年1月1日
摘要
在设计中试图探索分时计费数字电能表的设计技术，主要工作内容有：
基于MSP430C323进行了电能表的完整设计，探索了利用MSP430C323的有限硬件资源与软件的有机结合，实现实时时钟、I2C和串行通信等接口的设计方法；
以电能表为对象，重点探讨了基于低功耗单片机的低功耗仪表的基本原理和设计技术，综合设计使电能表的工作可靠性得到大大提高，对其它低功耗仪表的设计具有参考价值。
关键词：
多费率电能表；
MSP430单片机；
硬软件合成
ABSTRACT
Inthedesign,Itrytosearchthedesigntechniqueoftimesharingchargingdigitalelectricalenergymeter.Themainworkcontentincludes:
madeoutintegritythedesignoftheelectricalenergymeterbasedonMSP430C323H,searchedforusingthelimitedhardwareresourcesandthesoftwareorganicsynthesisofMSP430C323,realizedthedesignmethodofreal-timeclock,I2Candserialportcommunication;
theelectricalenergymeterastheobject,,thebasistheoryandthedesigntechniqueoflowpowerlossinstrumentbasingonthelowpowerSingle-Chipcomputerhasbeendiscussed,theintegrateddesignmaketheelectricalenergymeter’soperationalreliabilitytoimprovegreatly,itsreferencevalueisusefultodesignotherkindlowpowerlossmeter.
Keywords:
Multi-tariffselectricalenergymeter;
MSP430Single-Chipcomputer;
hardwareandsoftwaresynthesis
1引言
电能是社会生产、人民生活必需的重要能源之一，随着国民经济的不断发展，电力需求急骤上升，电力供应与电力需求出现了不平衡。
电能表是当前电量计量和经济结算的主要工具。
本课题研制了基于MSP430的单相多功能电能表，同时对系统的软硬件设计也作了介绍。
本选题研制的单相多功能电能表以MSP430单片机作为电能表的微处理器，MSP430是超低功耗的16位单片机，采用精简指令集。
它具有丰富的片内外设，功能强大，并且具有很低的电能消耗。
图1是电能表的结构原理图。
图1电能表的结构原理图
单相多功能电表由输入转换部分、单片机部分、通信部分和输出部分组成。
其中电压电流经输入转换变成单片机可以处理的信号，单片机采用MSP430X3XX，通信采用外通信方式，输出部分则是有关数据送LCD显示和脉冲输出。
本电能表可实现以下功能：
（1）电能计量：
对市电的电压、电流采样处理，得到电压有效值和电流有效值，有功功率和无功功率等电能参数；
（2）费率管理：
每天有3种费率可供选择；
（3）时间管理：
具有日历、计量和闰年自动切换功能；
（4）通信:
利用红外通信方式，与电能表手持抄录器交换数据；
（5）显示:
可显示上月、本月总电量及各费率时段的电量。
该电能表的主要技术指标如下:
（1）电能计量精度达到1%；
时钟记时误差<
O.5s/d；
（2）电气性能:
电子模块功耗<
3VA；
工作电压范围0.8—1.2V额定电压；
电池寿命≥8年。
（3）环境条件:
工作温度：
-20℃—+55℃；
运输温度：
-25℃—+70℃；
（4）红外通信距离≥4m。
2电能测量与多费率电能表
2.1电能参数的测量
电压、电流测量：
周期性电压、电流的瞬时值是随时变化的，所以一般用有效值表征它们的做功能力并度量其“大小”，如电流有效值的定义是一个周期性电流的做功能力和直流电流的做功能力相比，则有：
在相同时间内周期电流流过电阻所做的功与直流电流流过电阻所做功相等，就称此直流电流的量值为此周期电流的有效值。
直流电流流过电阻在时间内所做的功为
（2－1）
周期性电流流过电阻，在时间内，电流所做的功为
（2－2）
根据以上定义，即
（2－3）
于是，周期电流的有效值为
（2－4）
同理，电压有效值为
（2－5）
上面两式（2－4）和（2－5）式，即是对电流、电压求均方根值的运算。
根据周期性连续函数有效值的定义，将电压、电流函数离散化，得
（2－6）
（2－7）式中和分别表示被测电压、电流信号离散采样值。
2.2多费率电能表的原理
多费率电能表由电能测量单元和具有分时计量功能的电路组成[9]，对电子式电能表而言，测量为了实现分时计量，电表设计的关键是设有计时准确、时段误差和日误差小、接通/切换准确的时钟和时控电路，多费率电能表原理如图2。
图2多费率电能表结构图
3电能表的硬件电路设计
3.1硬件总体方案
图3给出了电能表的硬件框图。
图3单相电子电能表的结构模块
图3中的硬件按功能可分为测量、单片机、显示器、串行E2PROM存储、通信和电源等单元。
（1）测量：
市电经过电压互感器和电流互感器转换成交流低电平信号后输入到采样电路，经A/D转换器处理的数字量送入计算机。
（2）单片机：
数据处理、计算、显示和通信的控制中心。
（3）显示：
采用LCD显示累计电能或其它数据。
（4）串行E2PROM：
单片机内部RAM掉电时将丢失随机存取的数据。
故外接一片E2PROM。
主要用来存储各个时段的用电量、电能表常数、时间参数。
（5）通信：
利用红外通信实现电能表与手持抄录器之间的数据传输。
（6）电源：
电源的提供可采取两种方案，一是市电经过整流、滤波、稳压，得到稳定的直流低电压，向表内供电。
这种方案的缺点是需要复杂的电源电路，导致造价、功耗和停电数据保护和电气隔离等一系列问题。
另一种方案是采用电池供电，这在电表采用低功耗设计时是可行的，并且带来诸多好处。
对于电表来说，这两种供电方式都是可行的。
本选题探索了电池供电方案，并采用下列措施降低电表的功耗[3]：
（1）采用低功耗MSP430系列单片机；
（2）使用低功耗外围器件；
（3）数据的采集和功率的计算按一定周期（如每秒钟一次）唤醒，电表大部分时间处于休眠状态。
3.2MSP430C3XX系列单片机
单片机是电能表的数据处理部分的核心部件，系统要求在短时间内处理大量的数据，因此要求单片机有较高的运算速度，采用MSP430系列单片机MSP430X3XX作为电能表的核心。
MSP430系列单片机是以超低功耗为主要特色的16位单片机，其中MSP430X3XX系列属于外围较为丰富且支持LCD的中档产品。
该产品主要特点如下[1,3]:
.2.5—5.5V工作电压；
.消耗电流0.1—400µ
A，5种低功率耗方式；
.16位RISC（ReducedInstructionSetComputing,精简指令集计算机）体系，仅27条核心指令，指令周期300nS；
.采用32KHz晶振，内部时钟达3.3MHz；
.片内LCD驱动器多达84段；
.片内12+2位A/D转换；
.灵活强大的处理能力；
.看门狗定时器；
.定时器/口（具有比较器的2个八位或1个16位定时器，5个输出一个I/O适于作斜坡A/D转换）；
.基本定时器（（2个八位或1个16位定时器）；
.I/O口0（8个I/O均有中断能力）。
由此可见它特别适合用于智能仪表、智能化家用电器、电池供电便携式设备等产品之中。
八位定时器/计数器：
8位定时器/计数器（8-bitTimer/Counter）的原理主要包含以下模块：
（1）8位带预置数寄存器的增计数器；
（2）8位控制寄存器；
（3）输入时钟选择器；
（4）沿检测电路（如检测异步通信的起始位）；
（5）由8位计数器的进位信号触发的输入输出数据锁存器。
3个主要功能是：
（1）串行通信或数据交换；
（2）脉冲计数或脉冲累加；
（3）定时器。
由于在MSP430C323单片机中没有硬件串口通信功能，利用8位定时器/计数器的实现软件串口通信功能［4］。
在这种应用中将定时器/计数器用作波特率发生器，将P0.1和P0.2分别用作异步串行通信的RXD和TXD引脚。
在该模块的控制寄存器中的最低2位用于通信，其中RXD是一个只读位，它在计数器产生进位时将P0.1引脚上的数据予以锁存，而TXD的数据由软件写入，而在计数器产生进位时将这个数据送到P0.2引脚。
3.3ADC14的原理与电压电流输入通道的设计
MSP430的ADC14模数转换模块：
在电能表设计中，A/D的选择十分重要，它直接影响了电能表的准确度，而正确选择A/D转换器的关键是合理选择A/D的字长（位数）和转换速率。
A/D转换器位数决定了其分辨率，n位A/D转换器的分辨率为。
在仪表设计中，A/D转换器的分辨率通常应比总精度要求的最低分辨率高一个等级。
电能表在一般测试系统中要求的最高精度为一级（1%）14位A/D转换器的分辨率在理论上可以达到0.0061%，可见14位A/D转换器完全可以满足测量精度的要求。
MSP430X3XX系列单片机采用的14位数模转换模块，ADC14有以下特点[12]：
（1）A0—A5为6路A/D转换的模拟量输入引脚，然而这6个引脚也可以作为数字量的输入口；
（2）有4路模拟输入端用于可编程电流源；
（3）内建采样/保持电路；
（4）在转换结束时提供中断信号，同时有转换结果暂存器用于暂存结果，直到下次转换开始；
（5）低功耗，可将模块的供电开启或关闭；
（6）4个内部通道，可用于温度、AVcc及外部参考电平的采样；
（7）整个转换过程由模块独立完成，不需要CPU的额外开销；
（8）可选12位或14位分辨率，且有较快的转换速度。
ADC14的基本原理可通过其控制寄存器ACTL来加以描述。
ACTL是对
ADC进行编程的主要寄存器，其内容如表1所示。
表1ACTL中各位意义
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
ADCLK
PD
量程
电流源
AD输入选择
VREF
SOC
1）启动转换（SOC）
该只写位启动由ACTL寄存器其它各位所定义的转换，其读出总是0。
2）电压基准位（VREF）
该位决定采用外部的或是内部的电压基准用于转换。
VREF=0时使用外部
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