基于MSP430单片机的智能型复费率单相电能表设计

0引言

人均用电量大幅度增加使得“一户一表制”得到大面积推广,对电能表的要求和需求大幅度增加。为鼓励用户在低谷时段用电,缓解用电紧张,电力部门已试行峰谷不同电价的计费办法,同时采用智能化远程抄表、自动计量计费等方法以解决人工抄表存在的诸多问题，减轻劳动强度,提高管理水平。微机集中抄表管理系统是一种比较理想的解决方案,基础是根据电力部门的复费率电能表技术条件及通信规约设计出具有通信接口和分时计费功能的电子式复费率电能表。该仪表是以高性能微控制器为主控芯片进行分时计量控制的新型智能型计量仪表,具有分时段计费和连续计量功能,可以达到计划用电的目的。这里给出了一种基于超低功耗 MSP430单片机的复费率电能表的硬件实现方案和软件设计思想。

1 硬件电路设计

1．1系统总体结构

本方案中硬件采用TI公司高性能的16位超低功耗单片机MSP430F413作为主控MCU[1],它具有 8Kflash，16位RISC结构,CPU中的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率；灵活的时钟源；数字控制的DCO 可使器件从低功耗迅速唤醒,同时结合电量计量专用芯片AD7755,可以使电表硬件部分大为简化,而且很方便实现智能控制。系统总体结构如图1所示。

1．2 时钟电路设计

智能分时计费电能表中必须要有实时时钟，分为硬时钟和软时钟两种。在众多的实时时钟芯片中,我们选用了PHILIPS公司的PCF8563。它是一款具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片,具有多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能及中断输出功能,可以完成各种复杂的定时服务。尤其是其采用I2C总线通讯方式,不但使外围电路极其简洁,而且也增加了芯片的可靠性。

本系统PCF8563与MSP430接口采用图2所示接口方案。接口采用3根口线,PCF8563的INT脚产生周期为1s的脉冲中断信号给MSP430单片机的P1.4引脚作为中断触发信号,产生中断后,通过I2C总线读取PCF8563的基准时间。按I2C总线规约,PCF8563的从地址：读地址SLAR为A3H、写地址SLAW为A2H,PCF8563I2C通信实现有字节写/读两种状态。由于在MSP430单片机中没有I2C总线的硬件,所以采用软件模拟I2C读写数据的方法。

1．3 电能计量电路

电量测量采用美国ADI公司的AD7755作为测量芯片,它是一种量程宽、精度高,内部具有掉电、上电自动复位电路的高准确度电能测量专用集成电路[2]。 AD7755为低功耗的CMOS芯片,内部除了ADC和滤波、相乘电路外都采用了数字电路,有效的去除了尖脉冲等干扰信号,使得它在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期的稳定性。引脚CF以较高频率形式输出有功功率瞬时值,用于与MCU接口,其接线图如图3所示。

AD7755的CF输出端输出的脉冲频率正比于平均有功功率,通过它可以求平均功率和一个积分周期内消耗的电能:

平均功率 = 平均频率= 脉冲个数/积分时间
电能 = 平均功率 积分时间= 脉冲个数

在正常运行时,积分时间可以定为1到2秒,这取决于显示部分更新的需要。
1．4 液晶显示电路

在MSP430F413单片机中,液晶驱动作为一个外围模块集成于片内,极大的简化了液晶显示部分的接口设计,只要选择合适的液晶显示器,采用合适的驱动方式即可完成数据的显示。

液晶显示板的公共极由COMn信号驱动，段极由SEGn驱动。而液晶的驱动又有多种方法：静态驱动、2MUX驱动、3MUX驱动、4MUX驱动等。不同的驱动方案所占用的单片机引脚数是相同的,采用2MUX驱动8位液晶显示所需的引脚数为2+8*8/2,输出引脚与液晶显示器件的连接如下：
PIN号 1 2 3 4 5 6 …… 29 30 31 32
430引脚 S0 S1 S2 S3 S4 S5 …… S28 S29 S30 S31 COM0 COM1
LCD COM0 1f 1h 1d 1e 2f 2h …… 8f 8h 8d 8e COM0
LCD COM1 1a 1b 1c 1g 2a 2b …… 8a 8b 8c 8g COM1

通过设定液晶控制寄存器LCDCTL中的控制位来控制数据的显示,这里设定为4MUX显示模式，向液晶显示缓存LCMDX写入要显示的数据,片内驱动控制电路就会输出相应的驱动信号完成显示。

1．5 串行接口

数据通信方式主要有并行数据通信与串行数据通信两种。考虑到串行数据通信只需要一对数据传送线进行信息的传送,所需传输线条数极少,传送成本较低, 特别适用于分级、分层和分布式控制系统以及远距离通信之中,故本设计选择串行数据通信。RS-232C接口电路是最常用的接口之一,缺点是只能用于短距离的数据通信。RS-485接口在总线上允许连接多达128个收发器,具有良好的抗噪声干扰性、长的传输距离和多站能力等优点。在此我们选用RS-485接口。