1、基于单片机的数字电能表设计大学毕业设计论文 分类号：TM933.4 单位代码 ： HC-DQ121 基于单片机控制的数字电能表设计 姓 名： Ezreal Yi 院 系： 物理与机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 学 号： 05315127 时 间： 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
2、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ABSTRACTIn the design, I try to search the design technique of time sharing charging digital electrical energy meter. The main work content includes: made out integrity the design of the electrical energy meter based on MSP430C323H, search
3、ed for using the limited hardware resources and the software organic synthesis of MSP430C323, realized the design method of real-time clock, I2C and serial port communication; the electrical energy meter as the object, , the basis theory and the design technique of low power loss instrument basing o
4、n the low power Single-Chip computer has been discussed, the integrated design make the electrical energy meters operational reliability to improve greatly, its reference value is useful to design other kind low power loss meter.Key words: Multi-tariffs electrical energy meter; MSP430 Single-Chip co
5、mputer; hardware and software synthesis 目 录1 引言 12 电能测量与多费率电能表 22.1 电能参数的测量 22.2 多费率电能表的原理 33 电能表的硬件电路设计 33.1 硬件总体方案 33.2 MSP430C3XX系列单片机 53.3 ADC14的原理与电压电流输入通道的设计 63.4 电压电流输入通道的设计 83.5 串行E2PROM接口 93.6 串行通信接口的实现 103.7 红外接口的设计 104 电能表的软件设计 124.1 电能表的主流程与模块化程序设计 124.2 电能测量模块的设计 134.3 电能计费模块的软件设计 154.4
6、 E2PROM读写模块的设计 155 总结 20参考文献 21谢辞 221 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
7、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
8、块功耗3VA； 工作电压范围0.81.2V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 （21）周期性电流流过电阻，在时间内，电流所做的功为 （22）根
9、据以上定义，即 （23）于是，周期电流的有效值为 （24）同理，电压有效值为 （25）上面两式（24）和（25）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 （26） （27）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
10、。 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
11、、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。3.2 MSP430C3XX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
12、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: .2.55.5V工作电压；.消耗电流0.1400A，5种低功率耗方式；.16位RISC（Reduced Instruction Set Computing,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；
13、 .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-bit Timer/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
14、；(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。3.3 ADC14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
15、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) A0A5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/
16、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。ADC 14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1 ACTL中各位意义 15141312111098765432100ADCLKPD量程电流源AD输入选择VREFSOC 1) 启动转换(SOC) 该只写位启
17、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时使用外部基准，基准电压输入端SVcc上外接可提供80A电流的基准电压:VREF=1时采用内部电压基准，此时在AVcc和SVcc之间的一个晶体管导通，这时SVcc输出端子直接连接到AVcc上，SVcc上无须外接基准电压。SVcc端上的电压是所有ADC的基准，代表214（16384）。3) 转换输入选择(AD Input Select) B5=1时不选择任何ADC通道;B5=0时，B2B4选择A0A7等8个输入端之一(MSP430X32X系列无A6, A7
18、输入端)5,6,7。4) 电流源输出选择(Current Source ) 选择A0A3中的某一个作为电流源的输出。5) 量程选择(Range Select )定义模拟量的输入范围如表2所示。 整个模块可以设置为两种工作模式：12位模式和14 (12+2)位模式。转换模式由ACTL寄存器中的第11位的状态决定。表2 ACD的量程选择ACTL11ACTL10ACTL9范围模拟输入范围000A0.00*VrefVin0.25*Vref001B0.25*VrefVin0.50*Vref010C0.50*VrefVin0.75*Vref011D0.75*VrefVin1.00*Vref1xx自动在A.
19、B.C.D间自动选择在14位模式下，输入信号将被采样两次：一次是确定电压范围的高2位，后一次是12位精度转换，这样转换的结果就是14 (12+2)位结果。对于12位转换模式，与其它MSP430单片机12位A/D转换原理一样，只是需要预先设定转换电压范围。在两种模式下，当一个转换完成时，都将自动给出中断标志EOC=1，表示完成了一次转换10。6) 掉电位(Power Down-PD) PD=1时关掉比较器、SVCC开关和电流源等，使ADC功耗最少。7)时钟频率选择(Clock Frequency Select ) ACTL.13和ACTL.14用于选择A/D转换的时钟频率ADCLK为MCLK除以
20、1、2、3或4。 14位ADC完成一次转换总共需要132个ADCLK周期。若MCLK为32768*32=1048576Hz，并且选定ADCLK等于MCLK，则每次A/D转换所需的时间为：132/1048576Hz=125.885s。 在电能表的设计中需要通过定时器中断来稳定采样频率，定时中断的间隔必须大于125.885s。3.4 电压电流输入通道的设计本选题的设计是面向户用型电能计量的，其成本的控制是能否进入市场的关键。因此直接采用电阻获取电压和电流信号，电压、电流采集通道实现将交流高电平信号转换成单片机能够处理的低电平信号，其原理性设计如图4所示。交流被测电压经电阻分压器分压后连接单片机的A
21、/D转换输入A1、A5。交流被测电流经与中线连接并与负载串联的采样电阻Rs（其大小取决于电表的最大负载电流）转换为电压，然后接入MSP430C323的A0、A5。图4 电压电流采集电路原理设计3.5 串行E2PROM接口作为计量的仪表有许多数据如电流电压的系数、分时计费表、累计电能等是变动的或可以通过正常手段修改的，但是不能因系统中的干扰而改写，更不能因停电等事件而丢失。因此仪表必须提供满足上述要求的存储手段，而串行E2PROM是当前仪表设计中最合适的器件。本设计中选择FM24C16来实现这种功能。 FM24C16有读和写两种操作状态，它可以以总线速度进行写操作，无延时，可以承受100亿此读写
22、或者说比一般E2PROM能承受高一万倍的写操作。MSP430X3XX系列不具有I2C接口，需要利用通用I/O引脚和相应的软件来模拟这种接口的功能。本设计中这部分电路如图5所示。 图5 MSP430与FM24C16的接口电路3.6 串行通信接口的实现由于MSP430X3XX的部分廉价型号(如MSP430C323)中没有专用串行通信接口，需要采用替代的方法形成。在3.2节中己指出可以利用8位定时器/计数器和P0.1和P0.2共同实现异步串行通信功能。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。该串行通道可实现以下的功能：（1）即使在低
23、功耗方式下亦可自动检测接收数据的起始位；（2）提供75115200的波特率发生功能；（3）硬件锁存TXD和RXD数据。3.7 红外接口的设计 红外通信以红外线作为介质来传送数据信息，由红外接收器和红外发射器来完成信号的无线收发11。在发射端，对发送的数字信号经适当的编码和调制后，送入电光变换电路，驱动红外二极管发射红外光脉冲，在接收端，红外接收器对收到的红外信号进行光电变换，并进行解调和译码后，恢复出原信号。红外发射电路由调制电路、驱动电路及红外发射器件组成，红外接收电路由红外接收器件、前置放大电路、解调电路等构成。 电能表自动抄表系统红外通信主要有三部分构成，分别是电能表、手持抄录器和上位计
24、算机管理系统。电能表实时从电网中采集、计算和存储。在手持抄录器的控制下可通过红外通信端口将数据发送至红外抄录器中。此外在有安全措施的前提下，手持抄录器也可通过红外通信修改电能表的仪表系数和实时时钟等常数。手持抄录器可将采集的电能表数据传输给供电部门的计算机管理系统。 串行通信通道的TXD信号的脉冲宽度是由波特率确定的，如果不经过调制而直接驱动红外发光二极管，抗干扰能力较差。因此需要将数据“载”在频率较高的载波信号上进行调制。按照多功能电能表通信规约（DL/L645-1997）规定9，采用脉冲调幅调制方式，载波频率应为38kHz1kHz。图6 电能表红外通信接口电路的设计红外发射是利用串行数据发
25、送引脚TXD(P0.2)控制驱动三极管BGl进行二进制数据“0”和“1”的传输，而载波则是利用通用定时器/口从TP0.0引脚输出一个频率为38.4KHz的方波作为载波。因为串联的2个三极管为PNP型的，所以只有在TXD和载波均为低电平时才能同时导通并使发光二极管发光。得到的波形如图7所示。图中第一行为P0.2引脚的波形；第二行为TP0.0引脚的波形；第三行为BG1发射极的波形，当TXD数据为0时有连续的脉冲串，而TXD数据为1时无脉冲出现。 图7 调制波形的获取红外接收是利用红接收管PIC12034将手持红外抄录器发出的红外信号加以解调，连续脉冲串解调后输出低电平表示数据0，而没收到脉冲串则输
26、出高电平表示数据1。把解调得到的数据送到串行数据接收引脚RXD(P0.1)由串行口进行处理。4 电能表的软件设计4.1 电能表的主流程与模块化程序设计MSP430C323的软件设计需要实现电能的采集、计算、计费、显示、通信等功能。由于电表实现连续计量，因此主程序是一个循环处理，累加计算的过程，在这个循环过程中不断按照一定的机制调用各个功能模块，实现不同的功能。主程序流程图见图8，这里需要说明的是：（1）主流程由看门狗复位启动执行，在完成所有任务后转入低功耗模式，等待下一次看门狗复位唤醒，因此实现程序的循环；（2） 串行数字通信在RXD发现起始位时应可以将CPU从LPM3模式中唤醒。现代软件设计
27、中的一个重要观念就是软件的模块化设计，其优点是功能明确，出错率低、修改方便、维护容易，便于团队工作，有利产品推出速度等，因此在电能表的设计中，也可把软件按不同的功能分解成大小不同的软件模块，这些模块大致有： 系统的初始化模块； 电压电流数据采集和预处理模块； 数据分析，功率、电能等电气参数计算模块； 分时计费模块； 液晶显示模块； 红外串行通信以及发送数据准备、接收数据处理模块；E2PROM的读写模块。 图8 主流程图4.2 电能测量模块的设计计量原理的选择：（1）基于电能测量基本原理的计量方法单相电能测量的理论依据是 （41）其离散形式为: （42）式（41）与式（42）中的和均为瞬时功率，
28、等于计量时刻电压和电流瞬时值的乘积。 若采用式（42）提示的方法设计软件模块，势必导致如下的结果：a.电压和电流都是快速变化的物理量，为保证测量的准确性，对电流和电压的采样必须采用足够高的采样频率； b.按照上述采样频率进行不间断的电能和电费计算，CPU必须总是处于活动方式。这样，CPU用于电能电费计算的开销很大，因此测量模块的设计应该采用其它的方法。 （2）基于平均功率的计量方法 考虑到电能表负载具有如下的特点：负载的平均功率是比较平稳的；平均功率的变化较少缓慢的过渡过程，由设备的投入或切出所导致的功率的变动在瞬间完成；瞬时功率具有周期性(100Hz )，因此可以利用这一特点快速求得平均功率
29、。因此基于平均功率方法的电能测量模块的设计思想如下：选取较大的电能测量周期(如1秒)；在计量周期中利用瞬时功率的周期性，快速获取平均功率；按平均功率与计量周期的乘积计算电能的增量并执行能量累计，完成各项功能后，CPU在计量周期余下的时间内进入低功耗方式。4.3 电能计费模块的软件设计图9 电能计算流程图8的主流程中的电能计算部分可细化为 图9的流程图，左边的流程嵌入主流程中，每秒种执行一次，右边是2048Hz的中断服务程序。注意在电能表中得到的A/D值除了电压电流外，还有中线电平和由LM385-2.5提供的2.5V标准电压。电压和电流输入脚上得到的A/D值要经过以下的处理才能得到进入电能计算的
30、数据：a.减去中线电平的A/D值；b.根据2.5 V标准电压的A/D值进行修正。4.4 E2PROM读写模块的设计电能表中使用I2C总线方式与E2PROM相连接，可以在掉电时有效地保护重要数据，由于MSP430系列单片机不具备I2C总线接口，因此必须通过I/O模拟实现13,14,15。4.4.1 I2C接口的模拟电能表设计中MSP430在与FM24C16的I2C总线通信中显然是作为主器件而作用的，在没有专门的I2C接口模块的情况下，采用P0.6与P0.7模拟I2C接口，其示意图见图5。4.4.2 液晶显示模块电能表液晶显示和程序设计，主要是对MSP430C323内各种寄存器和显示缓存中的信息进行操作。MSP430中含液晶控制寄存器、液晶显示缓存器、段输出控制、公共端输出控制、液晶模拟电压多路器及时序发生器等，其程序流程图10。 图 10 液晶显示流程图4.4.3 红外通信模块 电能表与手持抄录器的红外通信程序的协议采用多功能电能表通信规约(DL/T645-1997)，它规定了电能表
