基于MSP430单片机的多功能复费率三相电能表

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：

3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
电能计量电路的核心采用了深圳炬力公司的ATT7022电能计量专用芯片。它是一颗高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用。它能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、频率等参数，充分满足三相复费率多功能电能表的需求。ATT7022提供一个SPI接口，方便与外部MCU之间进行电能数据和校表参数的传递。而且作为国产的芯片在价格上也较为低廉，在满足设计要求的同时可以大大降低产品的生产成本。
电能计量电路如下图所示：

上图中介绍了A相的接法电路，B相和C相的电路与A相的电路相同。为了保证ATT7022有稳定的电压参考源，采用了TL431作为其外部电压基准。由于ATT7022的供电电压为5V，而单片机系统的供电电压为3V，所以两个模块之间的通讯需要进行电平转换才能正常交换数据，因此设计中采用了简单的电阻分压电路来达到电平转换的目的，经过测试后发现数据传输很稳定，未发生数据丢失的现象。
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。
DS3231的INT端口向单片机可以提供周期为1s的中断信号，单片机系统将根据该信号通过I2C通讯接口读取具体的时间日期数据，从而实时地计算出需量和各个时段的费率。另外，DS3231的32KHZ端口可以提供精确的32KHZ的脉冲信号，可以用来接受电力部门的相关实验测试。当停电时，时钟电路的备用电池将保证时钟芯片能够继续精确计时直至供电恢复。
3.4 通讯模块设计
本设计中主要采用了三种通讯方式来实现抄表功能，分别是：RS-485,红外传输和GPRS方式。
考虑到电能表会安装在户外，因此需要在RS-485总线接口上加上避雷的保护措施。我们采用的RS-485接口芯片是TI公司的SN65LBC184芯片，通过光耦NEC2501和单片机系统进行隔离，从而防止遭遇雷击时，对整个系统造成破坏。
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。