多用戶集中式智能電表的設計

1、 畢業(yè)設計說明書(論文)作 者： 張燕 學 號： 0906220220 學 院： 信息工程學院 專 業(yè)： 通信工程 題 目： 智能電表的設計 指導者： 雷宇凌 副教授 評閱者： 2013 年 6 月 吉 林畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要隨著國家智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的確定，其重要的基礎設施智能電表成為智能電網(wǎng)發(fā)展的啟動項目。本文提出了一種高精度多用戶集中計量電表的設計方案,一種具備GPRS通信接口的智能電表，此表型主要由電能量采集單元、斷電執(zhí)行單元、控制單元、通信單元和顯示單元組成。電能量采集單元本設計采用美國AD公司生產的專用于單向配電系統(tǒng)的專用計量芯片ADE7755及16選1數(shù)據(jù)選擇器，可實現(xiàn)1

2、6戶用戶電能量的計量；通信單元采用GPRS通信方式，實現(xiàn)電力公司與智能電表的雙向數(shù)據(jù)通信；顯示單元采用LCD1602配合44矩陣鍵盤共同實現(xiàn)用戶用電信息的顯示；斷電執(zhí)行單元采用4線-16線數(shù)據(jù)輸出控制器及SSR（固態(tài)繼電器），完成對用戶欠費及反相序事件的斷電的控制；控制單元采用MSP430F149單片機。此外，本次設計還完成了智能電表軟件部分程序流程圖的設計。關鍵詞 多用戶集中式智能電表 MSP430F149 ADE7755 GPRS 畢業(yè)設計說明書（論文）外文摘要Title Design of intelligent electric meter AbstractWith the deter

3、mination of the national smart grid development strategy, The important infrastructure the intelligent electric meter become a start-up projects of the smart grid development.This paper introduces the design of a multi-user centralized measurement meter with high precision,a smart meter with GP

4、RS communication interface,this phenotype is mainly composed of electric energy data acquisition unit,power unit,control unit,communication unit and a display unit.The hardware platform of Electric energy acquisition unit adopts ADE7755 chip which the United States of America ADI company produce wit

5、h 16 choose 1 data selector to achieve 16 users of electric energy metering;communication unit use GPRS communication mode,to realize Bidirectional data communication between interactive power company and the smart meter;Display unit use LCD1602 and 44 matrix keyboard to achieve the diaplay of elect

6、ricity information of the users;a power cut executive unit use a 4 line - line 16 data output controller and SSR (SSR),complete the control of the user arrears power and reverse phase sequence of events;The control unit use MSP430F149 microcontroller.In addition,This design also completed part of th

7、e program flow chart of software design of the intelligent electric meter.Keywords multi-user intelligent electric meter MSP430F149 ADE7755 GPRS目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題研究的背景及意義11.2 智能電表的國內外研究現(xiàn)狀11.2.1 國外智能電表研究現(xiàn)狀11.2.2 國內智能電表研究現(xiàn)狀21.3 智能電表的發(fā)展方向31.4 本文研究的主要內容4第2章 電能量算法介紹52.1 電壓、電流有效值及諧波參數(shù)的計算52.2 功率

8、與電能的計算62.3 頻率的計算8第3章 系統(tǒng)硬件設計93.1 電能表的功能需求及整體方案設計93.2 單片機的選擇及其外圍電路的設計103.2.1 單片機MSP430F149概述、引腳配置及功能描述103.2.2 MSP430F149的外圍電路設計113.3 電能量采集模塊電路設計163.4 GPRS通信電路213.5 電源電路設計223.6 通斷控制電路23第4章 系統(tǒng)軟件設計254.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境介紹254.2 電能表主程序算法設計254.3 整機初始化274.4 用戶用電量輪抄模塊及脈沖處理算法設計284.5 GPRS通信模塊算法設計294.6 頁面顯示程序算法設計31結論32參考文

9、獻33附錄35致謝36第1章 緒 論1.1 課題研究的背景及意義我國目前使用的電能表中，感應式機械電能表仍占大部分，該種電能表計量誤差較大、功耗多、體積大、功能單一，且需人工抄表，不僅增加了管理人員的工作而且經(jīng)常出現(xiàn)漏抄或錯抄的情況，而對于竊電的防治更加無從談起。此外，感應式機械電能表主要是針對電力系統(tǒng)中負荷為正弦波的情形。而如今非線性用電負荷日益增多，因此諧波的危害日益增多，譬如供電企業(yè)線損增加。為此有必要研究出在諧波影響下還能準確計量電能量的新電表。隨著居民用電量日益增大以及許多分布式新能源的產生，電力系統(tǒng)網(wǎng)絡結構也因此日益龐大復雜，智能電網(wǎng)的建設也隨之展開，傳統(tǒng)的電能表已無法滿足供電和用

10、電管理的需求。為滿足以上要求具有雙向多種費率計量、用戶端控制、雙向數(shù)據(jù)通信、分時復費率、防竊電、遠程自動抄表等功能的智能電表的需求日益廣泛。1.2 智能電表的國內外研究現(xiàn)狀 國外智能電表研究現(xiàn)狀從技術層面看，目前，隨著電子技術的發(fā)展國外已經(jīng)出現(xiàn)了很多專門用于電能量計量的高精度芯片以及專門用于智能電表的專用處理器。如美國AD公司宣布推出四款高精度電能計量IC（高性能模擬集成電路），型號為ADE7878、ADE7868、ADE7858及ADE7854，可同時測量無功和有功功率，其中一款產品還具備基波電能測量功能。ADE7878、ADE7858及ADE7854高精度電能計量IC為多相配置而設計，包括

11、三線及四線、Y型及型。除了能測量每個相位和零線電能之外，ADE7868及ADE7878還能監(jiān)測電能質量參數(shù)并具備各種防竊電功能。此外，該公司推出的ADE7755是一款適用于單相配電系統(tǒng)的高精度電能計量IC。它可提供基于輸電線電壓和電流計算的瞬時有功功率和平均有功功率。該器件規(guī)范超過IEC61036標準規(guī)定的精度要求。ADE7755中使用的唯一模擬電路是ADC和參考電壓電路。所有其它信號處理（例如乘法和濾波）都是在數(shù)字域實現(xiàn)的。這種信號處理方法可在隨環(huán)境條件和時間變化的很大范圍內提供優(yōu)異的穩(wěn)定性和精度。荷蘭恩智浦半導體公司也推出了基于ARMCortex的處理器解決方案LPC1700系列。LPC1

12、700的主要特點有：具有100MHz處理速度的ARMCortex-M3控制器、嵌套向量中斷處理器、內存保護單元、喚醒中斷處理器，可以滿足各種優(yōu)先級中斷的自動喚醒，四種省電模式：睡眠、深度睡眠、掉電、深度掉電。恩智浦智能電表外圍電路采用了優(yōu)化設計，具有防竊電等多種功能，可使用非接觸式讀卡技術完成預付費。電子技術與智能電表技術的融合促進了智能電表的飛速發(fā)展。不僅電子技術的發(fā)展影響著智能電表的發(fā)展，通信技術在智能電表中的應用也使智能 電表的功能更加完善。如，GPRS通信技術在智能電表中的應用，GPRS通信是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡的基礎上引入的分組交換功能，支持TCP/IP協(xié)議，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸量

13、，按流量計費。將GPRS通信技術應用到智能電表是一種安全、經(jīng)濟、可靠的數(shù)據(jù)傳輸方式。2007年英國政府規(guī)定智能電表主要就采用GPRS通信方式。又如ZigBee無線通訊技術作為當前應用最為廣泛的無線傳感器網(wǎng)絡技術的代表在自動抄表產品中也有了初步的應用。ZigBee的網(wǎng)絡拓撲結構可隨意變動，特別適合用戶戶內網(wǎng)絡拓撲結構不固定且具有移動性特征的網(wǎng)絡使用。其頻道基于免費的2.4G頻道，具有成本低的優(yōu)點。2007年澳大利亞月維多利亞州要求所有智能電表必須支持連接用戶設備，必須通過ZigBee連接家庭局域網(wǎng)，實現(xiàn)遠程控制功能。可見，越來越多的通信技術正在被融入智能電表的生產使用中，為越來越多的用戶帶來利益

14、。從應用層面上看各國對智能電表的需求和應用呈現(xiàn)出不同的特點。2007年，荷蘭能源服務網(wǎng)絡協(xié)會(ESNA) 從功能劃分的角度確定了智能電表在智能電網(wǎng)中的定位?？傮w上，智能電表及AMI的建立是智能電網(wǎng)的基礎。隨著高級數(shù)據(jù)收集和需求響應能力的提高，智能計量系統(tǒng)能夠與廣大用戶一起在用電高峰時段，實現(xiàn)削峰平谷，以提高電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟性。AMI通過智能電表終端和主站之間建立的強安全網(wǎng)絡架構實現(xiàn)電網(wǎng)公司和用戶的雙向計量和通信，實現(xiàn)分布式電源結構。德國能源市場非常分散，因此相關部門僅規(guī)定了安裝智能電表所需的最小功能、數(shù)據(jù)格式以及統(tǒng)一的商業(yè)模式。德國傾向于選擇可以與水、汽、熱等計量表記共享遠程通信信道的智能電

15、表。前文還提到英國政府規(guī)定智能電采用GPRS通信方式，澳大利亞月維多利亞州要求所有智能電表必須支持連接用戶設備，必須通過ZigBee連接家庭局域網(wǎng)。 國內智能電表研究現(xiàn)狀從技術層面上看，目前，國內生產的智能電表從結構上大致可分為機電一體式和全電子式兩大類。機電一體式智能電表是在原機械式電能表的基礎上附加一定的部件，不僅能使其完成所需功能，造價低且方便安裝。其設計方案是在不破壞現(xiàn)行電能表的原有物理結構、不改變其國家計量標準的基礎上加裝傳感裝置，變成在機械計度的同時亦有電脈沖輸出的智能表，使電子計數(shù)與機械計數(shù)同步，其計量精度一般不低于機械計度式計量表。全電子式智能電表則從計量到數(shù)據(jù)處理都采用以集成

16、電路為核心的電子器件，從而取消了電能表上長期使用的機械部件。與機電一體化電表相比，具有體積小、可靠性高、更精確、耗電少等特點。抄表方式的不同體現(xiàn)了電能表智能化程度的高低，而按抄表方式來分，國內智能電表又分為分時復費率式、預付費(IC卡)式和集中遠傳自動抄表式3種。分時復費率電能表具有多個時段、多個電價分時計費功能 ，但仍然靠人工抄表。與傳統(tǒng)的機械式及單純的電子式電能表相比僅在計費精度及時間段上體現(xiàn)了智能化；預付費IC卡電能表收費系統(tǒng)的成本較低、可靠性高、使用壽命長且具有很強的加密性。采用IC卡電能表收費系統(tǒng)可提高居民用電收費的管理水平，確保電力部門能及時收到電費，但仍存在上門抄表的弊端；集中遠

17、傳自動抄表可實現(xiàn)用電數(shù)據(jù)的自動抄收，可杜絕人工操作的一切弊端。居民可在銀行開設個人賬戶，通過營業(yè)計算機管理系統(tǒng)和銀行的聯(lián)網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)的自動抄收、處理 、銀行轉賬交費等全套操作，可真正實現(xiàn)用電管理的自動化。現(xiàn)在國內的遠傳抄表方式除了傳統(tǒng)的RS485總線和電力載波抄表兩種形式外還與先進的通信技術（GPRS、局域網(wǎng)等）相結合。電力載波抄表方式是利用專用芯片對用電數(shù)據(jù)進行調制解調，通過電力線進行通訊以實現(xiàn)集中抄表，但其數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩⒖煽啃允茈娏d波影響較大；RS485總線抄表方式的數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，且造價較低，缺點是需布線、安裝較復雜、拉線易被人為破壞；而ZigBee通信方式具有低功耗、低成本、低復

18、雜程度的優(yōu)點，但其傳輸距離有限；GPRS抄表方式可實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時、安全、可靠、經(jīng)濟的傳輸。通信技術的應用保證了智能電表的功能更加完善全面。從應用層面上看，我國民用、商用住房交流電度表主要為手工抄表方式，甚至有些落后地區(qū)還在使用感應式機械電能表。在走向信息化、網(wǎng)絡化，在全面建設智能電網(wǎng)的今天，手工抄表和感應式機械電能表成為供電系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)代化管理的一大障礙。為了滿足目前建設堅強智能電網(wǎng)的要求，需要能同時實現(xiàn)多種計量、定時或隨機計量讀取、復費率功能、雙向通信功能、遠程設置及控制等多種功能的電能表。這些電表功能都是傳統(tǒng)的感應式機械電能表不具備的，從此看來，傳統(tǒng)的感應式機械電能表與智能電網(wǎng)要求的電能表差距

19、很大。電力系統(tǒng)從發(fā)電、配電、傳輸一直到區(qū)域變電所已基本實現(xiàn)網(wǎng)絡化管理，而唯獨用戶終端沒有和網(wǎng)絡連上，造成了系統(tǒng)的不完整性，直接或間接影響了系統(tǒng)潛能的發(fā)揮。電能計量關系到千家萬戶的利益，因此具有廣闊的市場前景，而多功能智能電能表代替單一計費功能的感應式機械電能表已成為必然趨勢，相信，隨著我國智能電網(wǎng)建設的不斷推進，智能電表的應用也將會很快進入千家萬戶。1.3 智能電表的發(fā)展方向隨著電子技術、計算機技術、通信技術的發(fā)展，智能電表新的構思、新的理念日新月異，以下是本人認為智能電表的幾種發(fā)展方向：1多用戶靜止式單相復費率電能表2網(wǎng)絡化電能表3智能化住宅區(qū)的智能式電能表4虛擬電能表智能電網(wǎng)需要具有實時監(jiān)

20、視和分析系統(tǒng)目前狀態(tài)的能力，這個集成的能量體系要求數(shù)據(jù)通訊和分布式計算設施是開放式的和基于標準的，并且兼容各種各樣的物理媒介的通訊和嵌入的計算機。因此智能電表作為其主要的組成部分，必然會得到強力的關注，并且推動電表行業(yè)的發(fā)展和智能電網(wǎng)的建設。1.4 本文研究的主要內容根據(jù)智能電網(wǎng)的設計要求，本論文設計了一款能實現(xiàn)以下功能的多用戶集中式智能電表：1能實現(xiàn)16戶用戶用電量的計量管理。2雙向通訊功能，支持遠程設置、接通或斷離、定時或隨機計量讀取。3具有輪流顯示、安全存儲、復費率以及定時計量等功能。第2章 電能量算法介紹2.1 電壓、電流有效值及諧波參數(shù)的計算信號的有效值也叫均方根值（RMS），是表示

21、信號發(fā)送功率的能力，不管什么樣的波形，具有相同均方根值的信號發(fā)送到阻性負載上的功率是相同的。電壓、電流的測量一般均為有效值的測量。根據(jù)電壓有效值、電流有效值的定義： （2-1） （2-2） 由于A/D轉換器是對電信號離散采樣的，假設對電壓u(t)、i(t)分別進行N次采樣，u(k)、i(k)相應為第k個采樣點，總采樣點數(shù)為N，則 （2-3） （2-4）在進行諧波分析時，常用一些特征量來表示畸變波形偏離正弦波形的程度，最常用的特征量有諧波含量、電壓總畸變率、電流總畸變率和n次諧波的含有率等。諧波電壓含量UH可表示為： （2-5）諧波電流含量IH可表示為： （2-6）諧波總畸變率用THD表示，等于

22、諧波含量與基波分量比值的百分數(shù)。電壓總畸變率為： （2-7）電流總畸變率為： （2-8）諧波含有率記為HR，通常以某次諧波的有效值與基波有效值的比值來表示。第n次諧波電壓含有率為： （2-9） 第n次諧波電流含有率為： （2-10） 含有諧波時，電力系統(tǒng)的平均功率為： （2-11）其中，為n次諧波電流落后于n次諧波電壓的相位角。含有諧波時的視在功率可以表示為： （2-12） 含有諧波時，功率因數(shù)可已表示成： （2-13）其中，和分別代表電度表上顯示的有功電能和無功電能。2.2 功率與電能的計算功率是電流做功的速率，通常用字母P表示。在交流電路中 （2-14） 由于儲能元件的存在，交流電路的功率

23、分為有功功率、無功功率和視在功率。 1有功功率的計算 有功功率又叫平均功率，即瞬時功率在一個周期內的平均值。它是指電路中耗能元件所能消耗的功率。在正弦交流電路中，設瞬間電壓為u(t)，瞬間電流為i(t)，則瞬間功率 （2-15）P(t)是個隨時間變化的函數(shù)，它在某個周期內的平均值應等于該函數(shù)對時間積分后，除以時問間隔，所以平均功率應為： （2-16） 當用計算機處理時，需要將連續(xù)量離散化，用和式代替積分。若以t的時間間隔對電壓和電流進行采樣，用N表示每周期采樣的次數(shù)（即TN×t），則有功功率可以表示為： （2-17）式中，u(k)、i(k)分別代表電壓、電流的第k次采樣值，N為采樣總

24、點數(shù)，芯片就可按上式計算出有功功率。t取得越小，離散采樣的波形就越接近實際值，則計算結果越精確。 2視在功率的計算 在具有復阻抗的交流電路中，電壓有效值與電流有效值的乘積值稱為視在功率，它反映的是額定功率的大小，即 （2-18） 3無功功率的計算 無功功率是視在功率中不消耗電能的部分，它的產生與儲能元件有關。在實際的電路中，一般采用先計算有功功率、視在功率，然后通過三者的關系式來計算無功功率。視在功率、無功功率、有功功率滿足下面的關系： （2-19） 所以，無功功率的計算方法如下： （2-20） 4功率因數(shù)的計算 在交流電路中，電壓與電流之間的相位差的余弦叫做功率因數(shù)，用符號表示，在數(shù)值上，功

25、率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即 （2-21） 由上式可以看出，功率因數(shù)的最高值為1。功率因數(shù)的大小與電路的負荷性質有關，具有電感或電容性負載的電路功率因數(shù)都小于1。功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個重要的技術數(shù)據(jù)，也是衡量電氣設備效率的一個系數(shù)。功率因數(shù)低，說明電路用于交變磁場轉換的無功功率大，從而降低了設備的利用率，增加了線路供電損失。 5電能的計算 電能是消耗的能量的累積，是時變函數(shù)功率對時間的累積，到時刻T時的電能為： （2-22） 將公式(2-17)帶入上式得： （2-23）2.3 頻率的計算頻率的測量一般采用過零檢測法，設電壓信號每個過零點的時刻ti，由此可得到周期T滿足： （2-24）

26、 由周期與頻率之間的關系得到頻率的計算公式： （2-25） 第3章 系統(tǒng)硬件設計3.1 電能表的功能需求及整體方案設計通過研究一般居民和用電管理系統(tǒng)對電能表的需求，本文所設計的智能電表應具備以下功能：1電能量計量功能，可分時計量正、反向有功電能，反向電能按正向電能累積，從而可以有效防止盜電事件引起的電能量漏計少計。2事件記錄功能，可以記錄反相序事件。3分時計費功能，可以有效調節(jié)用電平衡。4存儲功能，電能表可以存儲12個月的歷史數(shù)據(jù)，每月電量在結算日自動轉存。5顯示功能，具備正常顯示頁面和手動查詢顯示頁面兩種顯示狀態(tài)。6通斷電控制功能。7集中遠傳自動抄表功能，用電管理系統(tǒng)可定時或隨機讀取用戶用電

27、信息。8具備TTL與RS-232電平轉換電路，可通過電腦直接下載程序。根據(jù)電能表應具備的功能，其硬件總體設計框圖如圖3-1所示。圖3-1 智能電表硬件總體設計框圖電能表的硬件部分總體上可分為單片機控制系統(tǒng)、電能量計量電路、存儲電路、通斷電控制電路、GPRS通信電路、LCD顯示電路、時鐘電路、電源電路(包括主電源電路和輔助電源電路)、鍵盤電路、TTL與RS232電平轉換電路、看門狗電路。電能量計量電路主要是通過計量芯片ADE7755將電能量轉換為脈沖量并輸出給電能表的核心控制管理單元單片機MSP430F149。存儲電路保證了用戶用電信息的實時存儲，并在突然斷電時保證數(shù)據(jù)安全的存儲。通斷電控制電路

28、實現(xiàn)了用電管理系統(tǒng)對用戶用電的供斷電的控制。本文設計了GPRS通信電路實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信功能，完成用戶用電量的定時或即時上傳以及用電管理系統(tǒng)命令的下達。LCD顯示電路采用一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶LCD1602顯示16戶用戶的用電量。鍵盤電路與顯示電路配合實現(xiàn)用戶用電量的手動查詢?？撮T狗電路采用專用復位芯片IMP706保證單片機正常運行。時鐘電路為整個系統(tǒng)提供精準的時間依據(jù)。TTL與RS232電平轉換電路，為單片機程序下載和在線程序升提供了便利。電源電路為電能表的各個模塊供電，由于電能表屬于不間斷工作的電力計量產品，因此電源的設計也是電能表設計的重點部分。3.2 單片機的選擇

29、及其外圍電路的設計 單片機MSP430F149概述、引腳配置及功能描述MSP430F149芯片是美國TI公司推出的超低功耗微處理器，有60KB+256字節(jié)FLASH，2KBRAM，MSP430F149具有高效16位RISC-CPU，27條指令，8MHz時鐘頻率時，指令周期時間為125ns，絕大多數(shù)指令在一個時鐘周期完成；32KHZ時鐘頻率時，16位MSP430單片機的執(zhí)行速度高于典型的8位單片機20MHz時鐘頻率時的執(zhí)行速度。具有豐富的I/O資源以及專用復位電路和硬件看門狗，具有在線可編程功能（ISP)，通過串口直接下載用戶程序，無需專門編程器。此外，MSP430系列單片機的所有外圍模塊的控制

30、都是通過特殊寄存器來實現(xiàn)的，故其程序的編寫相對簡單。編程開發(fā)，可以選擇匯編或C語言編程，使用靈活簡單。鑒于以上優(yōu)點，單片機MSP430F149可以滿足系統(tǒng)設計要求。在本設計中單片機MSP430F149主要完成控制功能，如計量脈沖的存儲、處理，用戶信息用電量的顯示，以及欠費斷電的執(zhí)行等。其引腳配置如圖3-2所示。各引腳功能如下：端口P1、P2、P3、P4、P5、P6都可以直接用于輸入/輸出。P1、P2端口還具有中斷功能，其他片內外設功能，如定時器、比較器；P3、P4、P5、P6端口也具備其他片內外設功能，如SPI、UART模式，A/D轉換等。58腳RST/NMI為430單片機的復位引腳（低電平有

31、效）。1腳DVCC，63腳DVSS為數(shù)字電源接口。64腳AVCC，62腳AVSS為模擬電源接口。注意：MSP430系列單片機的供電電壓為1.8V3.6V。32腳UTXD0，33腳URXD0 的第二功能為MSP430F149單片機兩路串口通訊接口中的第一路。 34腳UTXD1，35腳URXD1 的第二功能為MSP430F149單片機兩路串口通訊接口中的第二路。52腳，53腳為外部高頻時鐘晶振輸入端。8腳，9腳為外部低頻時鐘晶振輸入端。圖3-2 MSP430F149引腳 MSP430F149的外圍電路設計 1晶振電路 MSP430系列單片機的晶振電路包括數(shù)控振蕩器(DCO)、高速晶體振蕩器和低速晶

32、體振蕩器等3個時鐘源。解決系統(tǒng)的快速處理數(shù)據(jù)要求和低功耗要求的矛盾。數(shù)字控制振蕩器DCO已經(jīng)集成在內部，只需設計高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器兩部分電路。為了滿足低功耗要求低速晶體振蕩器設計中采用32.768KHz晶振外接2個22pF的電容經(jīng)過XIN和XOUT連接到MSP430F149，如圖3-3所示。高速晶體振蕩器為MSP430F149工作在高頻模式時提供時鐘，采用8MHz晶體,如圖3-4所示。圖3-3 低速晶體振蕩器圖3-4 高速晶體振蕩器 2時鐘電路 本文所設計的智能電表可對用戶用電量實現(xiàn)分時計量。而且當電表響應用電管理系統(tǒng)下達的抄表命令時，電表需將用戶的用電量附帶時間參數(shù)返回給用電管理

33、系統(tǒng)。另外，本表實現(xiàn)用戶用電量輪流上抄、輪流顯示、用電量自動上傳都是以精準的時間為基礎的。綜上，電表對時間的準確性要求很高。系統(tǒng)時鐘電路采用DALLAS公司推出的涓流充電時鐘芯片DS1302完成，DS1302內含一個實時時鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM。實時時鐘/日歷電路提供秒、分、時、年、月、日的信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調整。時鐘操作可通過AM/PM指示決定采用24或12小時格式。DS1302與MSP430F149之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信。DS1302工作時功耗很低，保持數(shù)據(jù)和時鐘信息時功率小于1mW。VCC1為后備電源，VCC2為主電源。DS1302由VCC1或VCC

34、2兩者中的較大者供電。當VCC2大于VCC1+0.2V時，VCC2給DS1302供電。當VCC2小于VCC1時，DS1302由VCC1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。是復位/片選線，它實現(xiàn)兩種功能：其一，接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其二，提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳送的方法。當為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化， 允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，電源電壓大于2.0V之前，必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將置為高電平。時鐘電路如圖3-5所示。圖3-5 時鐘電路

35、3看門狗電路 為提高電表的抗干擾性能，本設計采用IMP公司推出的uP監(jiān)控系列產品IMP706設計了看門狗電路。IMP706引腳功能如下：WDI：看門狗輸入，接高電平或低電平1.6s后若無下降沿或上升沿到來看門狗定時器溢出，導致引腳輸出低電平。：看門狗輸出，內部定時器溢出時輸出低電平，定時器不溢出時為高電平。：低電平有效的復位輸出。：手動復位輸入，輸入低電平時會導致管腳輸出低電平，單片機復位。IMP706電路圖如圖3-6所示。圖3-6 看門狗電路看門狗電路在系統(tǒng)中實現(xiàn)以下作用：上電復位。上電時IMP706會自動產生200ms的復位脈沖，單片機低電平復位。程序監(jiān)視?？撮T狗定時器的輸入WDI接單片機

36、P1.1，若單片機工作正常，P1.1在規(guī)定的1. 6s時間內輸出一個上升沿或下降沿給WDI，看門狗定時器會被清零，WDI不會發(fā)生超時溢出而產生復位信號。若單片機工作不正常不能在1.6s時輸出一個上升沿或下降沿，則WDI超時溢出并將變?yōu)榈碗娖?，并直到看門狗定時器被清零才變?yōu)楦唠娖?，由于通過二極管接，此時被拉低，導致輸出低電平，相當于手動復位。 4存儲電路 為了能夠實時存儲用戶用電量信息及其他數(shù)據(jù)信息，電能表選用了8KB的FM24C64鐵電串行存儲器。鐵電存儲器的特點：具有非易失性的存儲特性。且FRAM讀寫速度快，本質上沒有寫延時，不存在最大寫入次數(shù)的問題。存儲電路如圖3-7所示。圖3-7 存儲電

37、路WP引腳用來對內存陣列進行寫保護，WP引腳拉高后，對所有內存地址的高1/4部分進行寫保護，F(xiàn)M24C64不會應答試圖寫入內存的數(shù)據(jù)。WP拉低后，寫保護特性不起作用。CPU通過P2.2管腳和P2.3管腳實現(xiàn)時鐘和數(shù)據(jù)的控制。 5TTL與RS232電平轉換電路 單片機的UART和電腦串口RS-232的通信協(xié)議的格式是一樣的，二者的區(qū)別僅在于電平的不同，電腦串口采用RS-232電平，而單片機UART則采用TTL電平，所以只要進行電平轉換，單片機與電腦就能直接進行通信。于是本設計應用了MAX232這一芯片實現(xiàn)二者之間的電平轉換。通過這一芯片可以直接使用電腦對單片機進行編程，不再需要專門的編程器，也不

38、必將芯片從PCB上卸下，為程序下載和在線程序升級提供很大便利。電路如圖3-8所示。MAX232引腳介紹如下：第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構成。功能是產生+12V和-12V兩個電源，以滿足RS-232串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成兩個數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。第三部分是供電電路，15腳GND、16腳VCC（+5V）。單片機輸出的TTL

39、/CMOS數(shù)據(jù)從MAX232的T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232數(shù)據(jù)從MAX232的T1OUT、T2OUT輸出送到電腦的DB9插頭；電腦輸出的RS-232數(shù)據(jù)經(jīng)DB9插頭后，從MAX232的R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從MAX232的R1OUT、R2OUT輸出到單片機。從而實現(xiàn)單片機與電腦的直接通信。圖3-8 TTL與RS232電平轉換電路 6顯示電路 液晶部分是人機交互的重要組成部分，本設計中電能表的頁面顯示模塊根據(jù)系統(tǒng)所處狀態(tài)的不同而顯示不同的頁面。電能表的頁面顯示狀態(tài)包括：正常顯示狀態(tài)、手動查詢顯示狀態(tài)。在正常顯示狀態(tài)下，整體上液晶屏以96s為一個周期循環(huán)顯示

40、16戶用戶總的用電量，每隔6s，單片機讀取一戶用戶的用電量并在液晶屏上顯示；當顯示頁面處于手動查詢顯示狀態(tài)時，液晶屏將等待用戶的按鍵操作來切換參數(shù)顯示頁面。用戶輸入用戶號碼后，按確認鍵進入查詢頁面，用戶可查詢的信息包括用戶當日平、谷兩個時段的用電量，反相事件的記錄，以及電費結算日，每個信息占用一個顯示頁面，用戶按上鍵可實現(xiàn)進入當前頁面的下一個查詢頁面，按下下鍵可后退至前一個查詢頁面。為實現(xiàn)以上功能本設計采用1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊，1602內部集成譯碼驅動電路，能夠識別ASCII碼值，可顯示16列2行，即32個字符。液晶接口電路圖如圖3-9所示

41、。其管腳功能如下：第1腳：VSS為電源地。第2腳：VDD接5V電源正極。第3腳：VEE為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平1時進行讀操作，低電平0時進行寫操作。第6腳：E(或EN)端為使能端，高電平1時讀取信息，負跳變時執(zhí)行指令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。 圖3-9 LCD1602液晶顯示電路 對LCD1602液晶模塊的操作是通過指令編程實現(xiàn)的，當E為高電平，RW為低電平，RS為低電平時，單片機MSP430F149將指令寫入LCD的命令寄存器，

42、當E由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，LCD執(zhí)行單片機發(fā)出的指令。當E為低電平，RW為低電平，RS為高電平時，單片機MSP430F149將從內存中讀取的用戶數(shù)據(jù)寫入LCD的數(shù)據(jù)寄存器，并將數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上。 7鍵盤電路 設計中采用44矩陣鍵盤配和液晶顯示器實現(xiàn)用戶用電信息的手動查詢。44矩陣鍵盤是用4條I/O線作為行線，4條I/O線作為列線，在行線和列線的每一個交叉點上，設置一個按鍵。鍵盤電路設置了數(shù)字鍵09，用戶查詢鍵，確認鍵，取消鍵，上、下翻頁鍵，以及返回主頁面鍵。鍵盤電路與單片機的P6口相連，鍵盤電路如圖3-10所示。如前所述，鍵盤電路與顯示電路相結合即可進行手動查詢16戶用戶詳細用電情況。當用戶

43、按下用戶查詢鍵，即可輸入要查詢的用戶號碼，再按下確認鍵即可進入用戶用電信息查詢頁面，按下取消鍵可修改要查詢的用戶號，用戶進入用電信息查詢頁面后，可通過操作上、下鍵實現(xiàn)用戶用電信息的詳細查詢，按下返回鍵可返回正常顯示頁面。單片機采用掃描的方式識別按鍵，首先將P6口的高四位輸出低電平，即P6.4P6.7輸出低電平，低四位輸出高電平，即P6.0P6.3為高電平。讀P6口的低四位狀態(tài)即可確定具體哪一行按鍵被按下。如P6口的低四位狀態(tài)為“1101”時，可確定第二行有按鍵按下。再從P6口的高四位輸出高電平，即P6.4P6.7為高電平，低四位輸出低電平，即P6.0P6.3為低電平。讀P6口的高四位狀態(tài)即可確

44、定哪一列按鍵被按下。如當P6口的高四位狀態(tài)為“0111”時，可確定第一列有按鍵按下，依據(jù)兩次讀出的P口狀態(tài)即可判斷具體是哪一按鍵被按下，本例中按鍵5被按下。當單片機掃描到有按鍵按下時，立即執(zhí)行按鍵掃描處理子程序，完成相應的用戶操作。圖3-10 鍵盤電路3.3 電能量采集模塊電路設計本設計采用美國AD公司生產的單相電能量計量芯片ADE7755，ADE7755可提供基于輸電線電壓和電流計算的瞬時有功功率和平均有功功率。其特點如下：1、精度高，在500:1動態(tài)范圍內誤差低于0.1% 。2、F1，F(xiàn)2輸出頻率表示平均有功功率。3、高頻輸出CF用于校準，并提供即時有功功率 。4、邏輯輸出引腳REVP能指

45、示負功率或錯誤接線。5、可直接驅動機電計數(shù)器和兩相步進電機（F1，F(xiàn)2）。6、片內電壓基準源2.5V±8%。7、單5V電源，低功耗。 該器件規(guī)范超過IEC61036標準規(guī)定的精度要求。ADE7755中使用的唯一模擬電路是ADC和參考電壓電路。所有其它信號處理（例如乘法和濾波）都是在數(shù)字域實現(xiàn)的。這種信號處理方法可在隨環(huán)境條件和時間變化的很大范圍內提供優(yōu)異的穩(wěn)定性和精度。符合本設計高精度的要求。電能計量芯片ADE7755的電能計量原理簡述為：ADE7755內有兩個以900KHZ過采樣速率采樣的模數(shù)轉換器（ADC）。被測電流經(jīng)可編程增益放大器（PGA）放大后接電流通道的ADC，并由此AD

46、C轉換為對應的數(shù)字信號。再經(jīng)相位補償和高通濾波，進入乘法器，乘法器的另一路輸入是由電壓通道ADC轉換而來的、與被測電壓對應的數(shù)字信號相乘以后產生瞬時功率信號。此信號經(jīng)低通濾波器濾除其中的交流分量，提取出負載消耗的瞬時有功功率。ADE7755對這個瞬時有功功率信號進行一段時間的累積、平均，求得平均有功功率，從管腳F1、F2輸出。與此同時，以較短時間對瞬時有功功率進行累計，求得與瞬時有功功率成正比的高頻頻率并經(jīng)CF輸出，輸入到單片機進行累加計數(shù)，實現(xiàn)對電能的計量。ADE7755引腳功能如下:1腳(DVDD),數(shù)字電源引腳，正常工作電源電壓應保持在5V±5%，該引腳應使用10F陶瓷電容進行

47、去耦。2腳(AC/DC),高通濾波器HPF選擇引腳。在電能計量的應用中，應使HPF選通。3腳（AVDD），模擬電源引腳，正常工作電源電壓應保持在5V±5%，為使電源的紋波和噪聲減小到最低程度，該引腳應使用10F電容并聯(lián)100nF 陶瓷電容進行去耦。5腳（V1P）、6腳（V2P），通道1（電流通道）的正、負模擬輸入引腳。完全差動輸入方式，正常工作最大信號電平為±470mV。通道1有一個PGA。這兩個引腳相對于AGND的最大信號電平為±1V。兩個引腳內部都有ESD保護電路，這兩個引腳能承受±6V的過電壓，而不造成永久性損壞。7腳（V2N）、8腳（V2P），通

48、道2（電壓通道）的負、正模擬輸入引腳。完全差動輸入方式，正常工作最大輸入電壓為±660mV，相對于AGND的最大信號電平為±1V。兩個引腳內部都有ESD保護電路，這兩個引腳能承受±6V的過電壓，而不造成永久性損壞。9腳（），復位引腳。當為低電平時，ADC和數(shù)字電路保護復位狀態(tài)，在的下降沿，清除內部寄存器。 10腳（REFIN/OUT），基準電壓的輸入、輸出引腳。片內基準電壓的正常值為2.5V±8%。該引腳都應使用10F鉭電容和100nF陶瓷電容對AGND進行去耦。11腳（AGND）、21腳（DGND），這是模擬電路、數(shù)字電路的接地參考點，該引腳應連接到印

49、刷電路板的模擬接地面。12腳（SCF），校驗頻率選擇。該引腳的邏輯輸入電平確定CF引腳的輸出頻率。13腳（S1）、14腳（S0），這兩個引腳的邏輯輸入用來選擇數(shù)字/頻率轉換系數(shù)，這為電度表的設計提供了很大靈活性。15腳（G1）、16腳（G0），這兩個引腳的邏輯輸入用來選擇通道1的增益，可用來選擇增益是1,2,8,和16。17腳（CLKIN）、18腳（CLKOUT），可把一個石英晶體接在CLKIN和CLKOUT 之間，提供時鐘源，規(guī)定時鐘頻率為3.579545MHz。22腳（CF），頻率較驗輸出引腳。23腳（F2）、24腳（F1），低頻邏輯輸出引腳，其輸出頻率反映平均有功功率的大小。表3-1 電

50、流通道Gain與管腳G0、G1的控制關系G1G0Gain電流輸入最大差動電壓（mV）0011010112816±470±235±60±30CF引腳的輸出頻率與與電流輸入通道與電壓輸入通道上的電壓有效值有關，與SCF、S1、S0有關。具體關系如表3-2所示。表3-2 CF與S1、S0之間的關系SCF S1S0FKCF最高輸出頻率（Hz） 1010101000001111001100111.71.73.43.46.86.813.613.612864643232161620480.340.340.680.681.361.362.722.72表中最后一

51、列為電壓和電流通道都輸入最大電壓所對應的最高頻率。K決定CF腳的輸出頻率。計量電路如圖3-11所示。電流通道為完全差動輸入方式，其正常工作最大輸入信號電平為±470mV。本設計電流輸入通道采用霍遠科技生產的HCT254B(5A：1.85mA)電流互感器進行信號取樣，選用10的電阻做分流電阻，當負載基本電流為5A時，在電流通道產生的壓降為37mV；當負載最大電流為40A時電流通道產生的壓降為296mV，依據(jù)表3-1給出的電流通道增益Gain與管腳G0、G1之間的控制關系，于是本設計選擇電流通道的增益Gain=1，G1=G2=0。當負載基本電流為5A時，線路功耗P=1.1kw，F(xiàn)1、F2

52、端輸出脈沖的頻率值： （3-1）當負載最大電流為40A時，F(xiàn)req=0.244448HZ，依據(jù)表3-2給出的CF最高輸出頻率與S1、S0之間的關系，并且在留有足夠余量的基礎上，設計中選擇CF引腳輸出的最高頻率為0.68Hz，故S1=0，S0=1，頻率F=3.4Hz。根據(jù)ADE7755的使用手冊： (3-2)進一步推導得電壓輸入通道的差動電壓： （3-3）式中VREF為基準電壓2.5V，V1為電流輸入通道的差動電壓。因此電壓通道的主要是利用分壓電阻將220V市電轉變?yōu)橛嬃啃酒捎嬃康碾妷?88.3mV。因此采用100K、523K、200K圖3-11 計量電路 、544K、1K電阻組成分壓電路。設計中令SCF=0，電能表的常數(shù)C為100imp/kwh（即ADE7755發(fā)100個脈沖（F1、F2）記錄1kwh），CF腳的輸出頻率： （3-5）為了保證了電能計量的準確性，電流通道采用lk的電阻和33nF的電容組成抗混疊濾波網(wǎng)絡，電壓通道選擇用200K的電位器校準電壓。為了保證電能計量模塊的抗干擾性能，ADE7755的電源引腳DVDD、AVDD使用10F鉭電容并聯(lián)100nF陶瓷電容進行去耦。REF引腳本設計使用10F鉭電容和100nF陶瓷電容對AGND進行去耦。在CLKIN和CLK