1 引言
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，企業(yè)和個(gè)人的用電量大幅提高。現(xiàn)在用戶(hù)的用電時(shí)間比較集中，以致電力系統(tǒng)的負(fù)荷曲線變化很大。為了調(diào)整負(fù)荷曲線，充分利用發(fā)、供電設(shè)備容量，需要實(shí)現(xiàn)電價(jià)分時(shí)計(jì)費(fèi)。復(fù)費(fèi)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(fèi)，鼓勵(lì)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(yuǎn)程抄表、微機(jī)集中抄表、停電抄表、防盜電、計(jì)量有功無(wú)功電能和測(cè)量需量等功能的多功能電表可以代替幾塊表的功能，既節(jié)約了資金又減少了設(shè)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(jī)給出了一個(gè)多功能復(fù)費(fèi)率三相電能表的解決方案。
2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能說(shuō)明
整個(gè)系統(tǒng)分為兩大模塊，電能計(jì)量模塊，電能數(shù)據(jù)處理及通訊模塊。電能計(jì)量模塊通過(guò)電能計(jì)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(shù)據(jù)。然后，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)專(zhuān)用數(shù)據(jù)總線傳送到電能數(shù)據(jù)處理模塊。電能數(shù)據(jù)處理模塊將電能數(shù)據(jù)處理后存儲(chǔ)到flash芯片中，同時(shí)可以在液晶上實(shí)時(shí)顯示電能數(shù)據(jù)。需要抄表時(shí)，本系統(tǒng)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(jī)抄表、微機(jī)集中抄表以及GPRS遠(yuǎn)程抄表。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：
3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
3.1 單片機(jī)MSP430F449簡(jiǎn)介
本系統(tǒng)中采用了TI公司的16位超低功耗高性能單片機(jī)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(nèi)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(jī)模式下耗電僅 為0.8μA，RAM保持模式低至0.1μA，運(yùn)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(jié)鋰電池就可以正常運(yùn)行。
3.2 電能計(jì)量電路設(shè)計(jì)
電能計(jì)量電路的核心采用了深圳炬力公司的ATT7022電能計(jì)量專(zhuān)用芯片。它是一顆高精度三相電能專(zhuān)用計(jì)量芯片，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用。它能夠測(cè)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(cè)量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、頻率等參數(shù)，充分滿足三相復(fù)費(fèi)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(shù)據(jù)和校表參數(shù)的傳遞。而且作為國(guó)產(chǎn)的芯片在價(jià)格上也較為低廉，在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)可以大大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。
電能計(jì)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(wěn)定的電壓參考源，采用了TL431作為其外部電壓基準(zhǔn)。由于ATT7022的供電電壓為5V，而單片機(jī)系統(tǒng)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(zhuǎn)換才能正常交換數(shù)據(jù)，因此設(shè)計(jì)中采用了簡(jiǎn)單的電阻分壓電路來(lái)達(dá)到電平轉(zhuǎn)換的目的，經(jīng)過(guò)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸很穩(wěn)定，未發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。
3.3 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)
為了滿足在不同的時(shí)段精確計(jì)算需量和費(fèi)率的要求，復(fù)費(fèi)率電表中需要具有精準(zhǔn)可靠的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。但MSP430F449內(nèi)部RTC時(shí)鐘不夠精確，因此在系統(tǒng)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(bǔ)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(jì)時(shí)。集成晶體振蕩器提高了芯片的長(zhǎng)期精確度，并減少了生產(chǎn)線的元件數(shù)量。在工業(yè)溫度范圍內(nèi)其精度可達(dá)到±3.5ppm。
DS3231 的INT端口向單片機(jī)可以提供周期為1s的中斷信號(hào)，單片機(jī)系統(tǒng)將根據(jù)該信號(hào)通過(guò)I2C通訊接口讀取具體的時(shí)間日期數(shù)據(jù)，從而實(shí)時(shí)地計(jì)算出需量和各個(gè)時(shí)段的費(fèi)率。另外，DS3231的32KHZ端口可以提供精確的32KHZ的脈沖信號(hào)，可以用來(lái)接受電力部門(mén)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。當(dāng)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(xù)精確計(jì)時(shí)直至供電恢復(fù)。
3.4 通訊模塊設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中主要采用了三種通訊方式來(lái)實(shí)現(xiàn)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總線接口上加上避雷的保護(hù)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(jī)系統(tǒng)進(jìn)行隔離，從而防止遭遇雷擊時(shí)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成破壞。
傳輸?shù)臄?shù)據(jù)調(diào)制到30KHz～40KHz的載波上再進(jìn)行發(fā)送。MSP430F449單片機(jī)的管腳P1.5/ACLK可作為系統(tǒng)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(qū)動(dòng)，無(wú)須采用額外的外部元件。利用P1.5驅(qū)動(dòng)三極管產(chǎn)生頻率為32.768KHz的載波。通過(guò)單片機(jī)的UART口的TXD腳驅(qū)動(dòng)另一個(gè)串聯(lián)的三極管進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)“0”和“1”的傳輸，從而達(dá)到紅外數(shù)據(jù)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(diào)高頻紅外信號(hào)。當(dāng) TSOP1838接收到高頻紅外信號(hào)時(shí)，接收管輸出低電平;當(dāng)TSOP1838沒(méi)有接收到高頻信號(hào)時(shí)，接收管將輸出高電平。經(jīng)接收管紅外解調(diào)后的數(shù)據(jù)通過(guò) UART口的RXD管腳輸入單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理。
另外一種抄表方式是通過(guò)GPRS模塊遠(yuǎn)程抄表。本設(shè)計(jì)中采用的GPRS模塊為SonyEricsson公司的GR47模塊。GR47是帶有GSM/GPRS全套語(yǔ)音和數(shù)據(jù)功能的先進(jìn)無(wú)線模塊，具有體積小，功能全面的特點(diǎn)。它內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，從而可以最大程度的縮短GPRS產(chǎn)品的研發(fā)周期。GR47提供了3個(gè)UART端口用來(lái)和MCU進(jìn)行通訊，因此可以通過(guò)MSP430F449的另一個(gè)UART端口對(duì)GR47模塊進(jìn)行控制，其控制命令為標(biāo)準(zhǔn)的AT指令。通過(guò)GPRS抄表可以方便地獲得各個(gè)電能表中的數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以對(duì)電能表進(jìn)行廣播校時(shí)。需要指出的是，GR47的峰值耗電電流為2A，所以需要在GR47的供電端加上1000uF左右的電解電容，電源芯片也應(yīng)滿足相應(yīng)的要求，在本設(shè)計(jì)中采用了LM1084穩(wěn)壓芯片，它可以提供高達(dá)5A的輸出電流。
3.5 停電抄表電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中的電源模塊為開(kāi)關(guān)電源，因此當(dāng)一相或者兩相交流電斷相時(shí)，開(kāi)關(guān)電源仍能向系統(tǒng)供電。但如果三相交流電全部斷相時(shí)，系統(tǒng)的供電將會(huì)中斷，因此需要考慮在停電后仍能抄表，同時(shí)要能對(duì)停電發(fā)生的時(shí)間進(jìn)行記錄。為了保證停電時(shí)，系統(tǒng)的核心部分仍能正常運(yùn)行，我們采用了3.6V鋰電池配合低功耗穩(wěn)壓芯片RH5RL30AA作為系統(tǒng)的后備電源，此外，在停電時(shí)單片機(jī)處于休眠狀態(tài)，其他芯片的電源都通過(guò)三極管關(guān)斷以降低功耗，經(jīng)過(guò)測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)在休眠狀態(tài)耗電電流小于10uA。當(dāng)需要停電抄表時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)按鍵中斷喚醒，數(shù)據(jù)將會(huì)顯示在液晶上以供抄表。
停電時(shí)是用電池作為電源，而正常供電時(shí)是使用開(kāi)關(guān)電源作為電源。如何在電池供電和開(kāi)關(guān)電源供電兩者之間切換，這是一個(gè)需要考慮的問(wèn)題，下面給出一個(gè)簡(jiǎn)單的方法來(lái)解決這一問(wèn)題。開(kāi)關(guān)電源供電電路經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓到3.3V左右，而電池供電電路經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓到3V左右，在兩個(gè)電路的輸出端都加上肖特基二極管5819，這樣在正常供電時(shí)，由于開(kāi)關(guān)電源供電電路的輸出比電池供電電路高 0.3V，電池供電電路由于5819的反向不可導(dǎo)通將被切斷供電;而在停電時(shí)，開(kāi)關(guān)電源供電電路輸出為0，電池供電電路在5819正向?qū)ê髮⑾蛳到y(tǒng)供電。電源切換電路如下圖所示：
在正常供電時(shí)，鋰電池的電壓可以由MSP430F449內(nèi)部的12位 A/D采樣獲得，這樣當(dāng)電池電壓低于3.3V時(shí)，可以通過(guò)電池充電電路對(duì)其充電，直到電池電壓上升到達(dá)到鋰電池充電限制電壓4.2V時(shí)再停止充電。電池充電電路可以通過(guò)單片機(jī)IO口控制三極管開(kāi)斷穩(wěn)壓芯片輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
下面介紹系統(tǒng)功能的軟件實(shí)現(xiàn)：
1)初始化：對(duì)LCD、存儲(chǔ)器進(jìn)行自檢，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，若系統(tǒng)為第一次上電，所有數(shù)據(jù)都將初始化為0，否則將從存儲(chǔ)器讀取相應(yīng)值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化。
2)時(shí)間模塊：根據(jù)DS3231提供的時(shí)間脈沖進(jìn)行時(shí)間計(jì)量，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊提供時(shí)間度量并且為用戶(hù)提供當(dāng)前時(shí)間顯示。
3)數(shù)據(jù)處理模塊：本模塊為軟件設(shè)計(jì)的核心，主要作用是將計(jì)量芯片提供的有功無(wú)功電能、三相電壓電流值、頻率和功率因素等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合當(dāng)前時(shí)段和費(fèi)率，得到用戶(hù)的各費(fèi)率各時(shí)段實(shí)際用電量以及最大需量等，并在某一指定時(shí)刻(可設(shè)置)將數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)器中。本電表可以保存多月數(shù)據(jù)，并能夠通過(guò)RS485、紅外接口和GPRS模塊向抄表系統(tǒng)提供任意當(dāng)前或已保存數(shù)據(jù)。本模塊還具有記錄斷相時(shí)間、斷流時(shí)間等功能。
4)校表模塊：為了匹配各種不同的外設(shè)，ATT7022提供了校表功能。本模塊用于對(duì)ATT7022內(nèi)部各校表寄存器進(jìn)行設(shè)置使其與外設(shè)匹配以增加測(cè)量精確度。
5)顯示模塊：通過(guò)LCD顯示時(shí)間、四象限有功無(wú)功電能、三相電壓電流值、頻率、功率因素、各時(shí)段各費(fèi)率用電量以及最大需量等。并可通過(guò)按鈕對(duì)顯示界面進(jìn)行操作。
6)停電處理模塊：停電時(shí)系統(tǒng)不訪問(wèn)數(shù)據(jù)處理模塊，整個(gè)系統(tǒng)將進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而使系統(tǒng)處于超低功耗模式，通過(guò)按鍵中斷可以將系統(tǒng)喚醒。
7) 通訊模塊：通訊模塊分為紅外、RS485和GPRS通訊。
8)中斷處理模塊：系統(tǒng)主要有三個(gè)中斷處理模塊，分別為定時(shí)、通訊和停電中斷。
5 結(jié)束語(yǔ)
基于MSP430F449單片機(jī)的多功能復(fù)費(fèi)率三相電能表集成了多種功能，在電能計(jì)量芯片ATT7022和時(shí)鐘芯片DS3231的配合下對(duì)于電能的計(jì)量可以達(dá)到很高的精度。由于通過(guò)多種方式降低系統(tǒng)功耗，經(jīng)過(guò)測(cè)試，在停電時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的功耗極低，從而保證了停電抄表功能的實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本較低，并且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到了國(guó)內(nèi)關(guān)于三相復(fù)費(fèi)率電能表的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此具有良好的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用了ATT7022計(jì)量芯片和高精度時(shí)鐘芯片DS3231提高測(cè)量精度和降低成本，增加了停電抄表功能使停電后能及時(shí)可靠地抄表，還增加了GPRS和紅外兩種遠(yuǎn)程抄表方式，抄表方式靈活多樣，并且從硬件和軟件上綜合考慮來(lái)使系統(tǒng)功耗降至最低。