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基于MSP430单片机的多功能复费率三相电能表

类型：	【软件】	上传：	2013-2-22 11:21:51	大小：	111KB
说明：	1　引言　　随着国民经济的发展，企业和个人的用电量大幅提高。现在用户的用电时间比较集中，以致电力系统的负荷曲线变化很大。为了调整负荷曲线，充分利用发、供电设备容量，需要实现电价分时计费。复费率电能表就是按照高峰、低谷时间分别记录用电量，以便按不同的价格收取电费，鼓励用户主动采取避峰填谷的措施，以利于供电、用电双方。同时具有GPRS远程抄表、微机集中抄表、停电抄表、防盗电、计量有功无功电能和测量需量等功能的多功能电表可以代替几块表的功能，既节约了资金又减少了设备占用的面积，而且还降低了抄表的成本。本文基于TI公司的MSP430F449高性能单片机给出了一个多功能复费率三相电能表的解决方案。　　2　系统总体结构和功能说明　　整个系统分为两大模块，电能计量模块，电能数据处理及通讯模块。电能计量模块通过电能计量专用芯片采集有功无功电能、三相电压电流值、频率和功率因素等数据。然后，将采集到的数据通过专用数据总线传送到电能数据处理模块。电能数据处理模块将电能数据处理后存储到flash芯片中，同时可以在液晶上实时显示电能数据。需要抄表时，本系统提供三种通讯方式：红外、RS485和GPRS；从而可采用三种方式进行抄表：掌机抄表、微机集中抄表以及GPRS远程抄表。系统结构图如下图所示：　　　　系统硬件电路设计　　3.1 单片机MSP430F449简介　　本系统中采用了TI公司的16位超低功耗高性能单片机MSP430F449，它具有64K Flash，2048Byte RAM，8通道12位高速A/D，两个UART通讯端口，同时它的内部集成有160段LCD液晶控制器，使得液晶硬件电路可以大为简化。 MSP430F449在待机模式下耗电仅为0.8μA，RAM保持模式低至0.1μA，运行时功耗为225μA/MIPS，仅需1μS时钟启动。MSP430F449的供电电压为1.8V ~ 3.6V，因此只需要一节锂电池就可以正常运行。　　3.2 电能计量电路设计　　电能计量电路如下图所示：　　3.3 时钟电路设计　　为了满足在不同的时段精确计算需量和费率的要求，复费率电表中需要具有精准可靠的实时时钟。但MSP430F449内部RTC时钟不够精确，因此在系统中我们采用了MAXIM公司的时钟芯片DS3231。DS3231是低成本、高精度I2C实时时钟，具有温度补偿晶体振荡器和晶体。该芯片中包含电池输入端，断开主电源时仍可保持精确的计时。集成晶体振荡器提高了芯片的长期精确度，并减少了生产线的元件数量。在工业温度范围内其精度可达到±3.5ppm。　　3.4 通讯模块设计　　红外通信时如果直接将数据通过红外发射管进行传输时，将会严重受到外界环境的干扰，常见的抗干扰方法是将需要传输的数据调制到30KHz～40KHz的载波上再进行发送。MSP430F449单片机的管脚P1.5/ACLK可作为系统的低频辅助时钟输出口，可通过通用的32.768KHz时钟晶振直接驱动，无须采用额外的外部元件。利用P1.5驱动三极管产生频率为32.768KHz的载波。通过单片机的UART口的TXD脚驱动另一个串联的三极管进行二进制数据信号“0”和“1”的传输，从而达到红外数据发送的功能。在红外接收部分，利用红外一体化接收模块TSOP1838解调高频红外信号。当 TSOP1838接收到高频红外信号时，接收管输出低电平；当TSOP1838没有接收到高频信号时，接收管将输出高电平。经接收管红外解调后的数据通过 UART口的RXD管脚输入单片机进行相应的处理。　　 ? 　　另外一种抄表方式是通过GPRS模块远程抄表。本设计中采用的GPRS模块为SonyEricsson公司的GR47模块。GR47是带有GSM/GPRS 全套语音和数据功能的先进无线模块，具有体积小，功能全面的特点。它内嵌TCP/IP协议栈，从而可以最大程度的缩短GPRS产品的研发周期。GR47提供了3个UART端口用来和MCU进行通讯，因此可以通过MSP430F449的另一个UART端口对GR47模块进行控制，其控制命令为标准的AT指令。通过GPRS抄表可以方便地获得各个电能表中的数据，同时也可以对电能表进行广播校时。需要指出的是，GR47的峰值耗电电流为2A，所以需要在 GR47的供电端加上1000uF左右的电解电容，电源芯片也应满足相应的要求，在本设计中采用了LM1084稳压芯片，它可以提供高达5A的输出电流。　　3.5 停电抄表电路设计　　本系统中的电源模块为开关电源，因此当一相或者两相交流电断相时，开关电源仍能向系统供电。但如果三相交流电全部断相时，系统的供电将会中断，因此需要考虑在停电后仍能抄表，同时要能对停电发生的时间进行记录。为了保证停电时，系统的核心部分仍能正常运行，我们采用了3.6V锂电池配合低功耗稳压芯片RH5RL30AA作为系统的后备电源，此外，在停电时单片机处于休眠状态，其他芯片的电源都通过三极管关断以降低功耗，经过测试，整个系统在休眠状态耗电电流小于10uA。当需要停电抄表时，系统可以通过按键中断唤醒，数据将会显示在液晶上以供抄表。　　停电时是用电池作为电源，而正常供电时是使用开关电源作为电源。如何在电池供电和开关电源供电两者之间切换，这是一个需要考虑的问题，下面给出一个简单的方法来解决这一问题。开关电源供电电路经过稳压芯片稳压到3.3V左右，而电池供电电路经过稳压芯片稳压到3V左右，在两个电路的输出端都加上肖特基二极管5819，这样在正常供电时，由于开关电源供电电路的输出比电池供电电路高 0.3V，电池供电电路由于5819的反向不可导通将被切断供电；而在停电时，开关电源供电电路输出为0，电池供电电路在5819正向导通后将向系统供电。电源切换电路如下图所示：　　 ? 　　在正常供电时，锂电池的电压可以由MSP430F449内部的12位A/D采样获得，这样当电池电压低于3.3V时，可以通过电池充电电路对其充电，直到电池电压上升到达到锂电池充电限制电压4.2V时再停止充电。电池充电电路可以通过单片机IO口控制三极管开断稳压芯片输出来实现。　　4　系统软件设计　　下面介绍系统功能的软件实现：　　1)初始化：对LCD、存储器进行自检，并对数据进行初始化，若系统为第一次上电，所有数据都将初始化为0，否则将从存储器读取相应值对数据进行初始化。 http://www.whtlhgdq.com/product/

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