專業(yè)組儀器儀表山東科技大學基于MSP430的智能電能表設計.doc

1、2011-2012德州儀器c2000及mcu創(chuàng)新設計大賽項目報告題 目： 基于msp430的智能電能表設計 學校： 山東科技大學 指導教師： 黃鶴松 組別： 專業(yè)組 應用類別： 儀器儀表類 平臺： msp430 參賽隊成員名單（含每人的郵箱地址，用于建立人才庫）：劉志成qdlzc1987魏蘭磊xdwll88于傳維 mcudsp視頻文件觀看地址： 郵寄地址和收件人聯(lián)系方式（快遞發(fā)送，請不要使用郵政信箱地址）地址：山東青島經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)前灣港路579號郵編：266590聯(lián)系人：劉志成 電話 目： 基于msp430的智能電能表設計 摘要基于炬力公司的高精度電能計量芯片att

2、7022b，本文以超低功耗單片機msp430f149為控制器，設計了一款三相多功能電能表。該電表圍繞dl/t 614-2007多功能電能表的技術要求和功能規(guī)范進行了設計。文中詳細介紹了該多功能電能表的軟硬件設計方案。this paper took ultralow-power consumption mcu msp430f149 as a controller, designed a three-phase multi-function meter based on the high-precision energy measurement ic att7022b from ju li com

3、pany. this meter designed with the technical requirements and functional specifications of dl/t 614-200multi-function meter. the paper introduces the hardware and software design of the multi-function meter in detail. 引言隨著我國電力事業(yè)的蓬勃發(fā)展和人民群眾生活水平的不斷提高，電力已成為人們生活、工作中必不缺少的組成部分。并且，用電的高峰和低谷存在的較大差距，對傳統(tǒng)的供電和用電管

4、理系統(tǒng)提出了更高的要求。國家陸續(xù)提出了建設智能電網(wǎng)實現(xiàn)現(xiàn)代化供用電的管理方法，包括電能表具有階梯電價和自動遠程抄表功能。隨著電子技術的發(fā)展，電子式電能表以其高精確度、高可靠性和容易調校等優(yōu)點逐漸取代了傳統(tǒng)的機械式電能表。目前，電子式電能表正朝著復費率、多功能的方向發(fā)展，如：智能電表、費控電表及多功能電表等。隨著居民用戶電表數(shù)量的增加，人工抄表已經(jīng)無法滿足電力系統(tǒng)的管理和服務的需求。人工抄表的工作越來越繁重，效率低、誤差大、成本高，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析準確率低且滯后，無法實現(xiàn)實時抄表、分時計費、實時監(jiān)測供用電情況。電力系統(tǒng)迫切需要電力網(wǎng)絡技術支持，以便及時準確的獲得用電管理、收費管理、供用電線損統(tǒng)計、

5、分析及電力安全運行等各方面的信息。為了滿足電力部門對電力網(wǎng)絡信息系統(tǒng)的要求，現(xiàn)時段研究電能管理與自動抄表系統(tǒng)，可為智能電網(wǎng)的建設奠定良好的基礎。1. 系統(tǒng)方案與論證 1.1電參量采集方案對比方案一 采用多通道數(shù)據(jù)采集+cpu運算處理本方案采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方案，將三相電壓、三相電流信號通過分時較高頻率的采樣后，經(jīng)12位以上的a/d轉換芯片變成數(shù)字量送給mcu，mcu測量各相電壓與電流之間的相位差，再通過功率、電能數(shù)學公式的大量乘加計算，從而得到系統(tǒng)要求的各種電參數(shù)。經(jīng)網(wǎng)上查詢，這種方案約15年前在設計較為簡單的電子式電能表中得到過應用，但電路原理極其復雜，mcu運算量十分龐大，性能不高，造價卻

6、很高。方案二 采用智能電能計量芯片與傳統(tǒng)的電參數(shù)采集處理方法相比，智能電能計量芯片具有專用性極高、價格低廉等顯著優(yōu)點，采用智能電能計量芯片作為電能表的核心元件是目前電能表行業(yè)的標準設計方法。mcu只需通過spi串行接口把電參數(shù)從該芯片中讀出，再經(jīng)簡單處理即可完成操作，這大大減輕了mcu的負擔。該方案具有成本低廉、性能優(yōu)越、外圍電路簡單、調試簡單等優(yōu)點。本設計選用方案二，以ti公司的msp430f149單片機為控制器，炬力公司的att7022b為電能計量芯片，控制器通過spi總線與att7022b進行通信，獲取電能、功率等相關參數(shù)。同時系統(tǒng)還包括時鐘、通信及l(fā)cd顯示等外圍電路。電能表主要功能特

7、點如下：1）測量、記錄并顯示電能表的總及各分相電壓、電流、功率以及功率因數(shù)等參數(shù)；2）支持分時計量功能，可實現(xiàn)多時段復費率計費功能；3）支持廣播校時功能，可以自動完成時鐘的調校，保證計費的精確度；4）具有485、紅外通信接口，方便實現(xiàn)遠程抄表、遠程調校及手持抄表等功能；5）具有停電抄表、失壓、失流及斷相監(jiān)測功能；6）具有多功能測試接口，可輸出日記時誤差信號、電能脈沖信號等；7）充分利用msp430單片機的低功耗特性，實現(xiàn)了三相斷相情況下可長時間正常運行的要求。1.2 系統(tǒng)設計根據(jù)功能要求，設計了如下的整體方案：系統(tǒng)包括三相多功能智能電表、紅外遙控抄表器以及上位機抄表軟件。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示

8、。圖1 系統(tǒng)結構框圖紅外遙控抄表器通過紅外通信的方式完成對電能表內(nèi)數(shù)據(jù)的抄取，通過rs485總線與電能表通信，實現(xiàn)對電能表的監(jiān)測。電能表主要由電能計量單元、電源管理、微控制器、通信單元、時鐘、顯示模塊、報警模塊、廣播校時模塊等組成，系統(tǒng)結構框圖如圖2所示，圖2 電能表系統(tǒng)結構框圖1、互感器完成大電壓和大電流信號到小電流信號的轉換。2、電能計量模塊采集互感器轉換的電流信號，完成對電能的計量。3、電能管理模塊為系統(tǒng)提供3v、5v電源，并且完成對時鐘電池和系統(tǒng)后備電池的充電管理。4、顯示模塊完成對相關數(shù)據(jù)的顯示。5、報警模塊主要完成斷相、失壓、電池欠壓等報警功能。6、通信模塊包括紅外和485通信兩部

9、分，提供了紅外收發(fā)和rs485兩種通信接口，輔助完成實現(xiàn)遠程抄表、手持抄表等功能。7、廣播校時模塊通過接收中國人民廣播電臺的整點報時信號，完成對內(nèi)部時鐘的校準。8、時鐘模塊為系統(tǒng)提供一個準確的時間，輔助完成分時計量功能。2. 系統(tǒng)硬件設計2.1微控制器系統(tǒng)主控制器選用了msp430f149單片機，該芯片是一種超低功耗微處理器，采用精簡指令集結構，內(nèi)部具有esd保護，抗干擾能力強。同時，msp430f149采用16位總線，尋址范圍可達64k，片內(nèi)集成有1個硬件乘法器、2個16位定時器、2路usart、48個i/o口等豐富資源。憑借高可靠性和超低功耗的特點，msp430系列單片機被廣泛應用于電子產(chǎn)

10、品的設計開發(fā)。2.2電源模塊整個系統(tǒng)需要兩個等級的電壓： 5v、3v。電源模塊的結構框圖如圖3所示。 圖3 電源模塊結構框圖為滿足國標中提出的“三相三線斷一相、三相四線斷兩相時，電能表能正常工作”的要求，本系統(tǒng)電源采用了今升陽科技研發(fā)的lo10-26d0512-04型三相四線制電表專用開關電源。該電源模塊具有超寬輸入范圍：65460vac/90650vdc，具有輸出過流、短路、過壓保護功能，具有輸入欠壓、過壓關斷保護，效率可高達78%，+5v輸出。為滿足國標“斷電后應保持內(nèi)部時鐘正確工作時間累計不少于5年”和“備用時鐘電源容量 1.2ah”的要求，本設計采用1500mah的環(huán)保型鋰離子電池。該

11、電池額定電壓為3.7v，最高電壓為4.2v。本設計選用的時鐘芯片pcf8563正常工作電壓為1.0v5.5v,該鋰電池可直接為pcf8563供電。如圖4所示，本設計采用ti公司研發(fā)的bq24202型鋰離子充電管理芯片對鋰電池進行管理。bq24202是單片式鋰電池充電管理芯片，內(nèi)部集成最大電流可達500ma的powerfet,具有充電狀態(tài)指示功能。bq24202體積小、功耗低、外圍電路簡單，使用十分方便，是一款非常好的鋰電池充電管理芯片。圖4 鋰電池充電電路及3v電源由于鋰電池的額定電壓為3.7v,考慮到斷電后需繼續(xù)提供3v電源，并且為了最大程度的利用鋰電池電量，本設計選用了ti研發(fā)的一款低壓差

12、線性穩(wěn)壓電源tlv70230。tlv70230具有非常低的跌落電壓，其輸出電流為300ma時，跌落電壓僅為200mv。tlv70230輸出+3v電源，可在外部線路斷電后為cpu、lcd、紅外抄表、報警電路、jtag、bsl等供電。系統(tǒng)+3v電源電路如圖4所示。為實現(xiàn)rs485接口與電能表內(nèi)部電路的電氣隔離，本設計使用了b0505lm型隔離式dc-dc電源模塊及光耦pc817。b0505lm輸出的5v電源單獨為485通信電路供電。另外，廣播校時和電能計量部分直接由開關電源輸出的5v電源供電。2.3電能計量專用電能計量芯片以電路簡單、精度高、編程方便、簡化電表結構等多種優(yōu)勢，目前已經(jīng)成為電子式電能

13、表設計的基本思路。目前國內(nèi)常用的電能計量芯片有美國adi公司的ade775x系列、深圳炬力公司的att7022x系列等。ade775x計量芯片可提供各分相參數(shù)，但不提供功率因數(shù)、相角及合相電能等參數(shù)；而att7022x可以提供詳細的電能參數(shù)。根據(jù)多功能電能表的設計要求，系統(tǒng)采用炬力公司高精度的三相電能專用計量芯片att7022b。該芯片適用于三相三線和三相四線制應用，集成了7路二階-adc、參考電壓電路以及功率、能量、有效值、功率因數(shù)和頻率測量等數(shù)字信號處理電路，充分滿足了三相多功能電能表的設計需求，其外圍電路如圖5所示。圖5 att7022b計量電路通過將sel引腳拉高，使att7022b工

14、作于三相四線制計量方式；同時，利用cfx引腳輸出有功和無功脈沖，進行校表；電路采用6路測量通道，分別對三相電壓、三相電流進行采樣，并實時監(jiān)測失壓、失流及斷相等異常運行狀態(tài)。在電壓電流采樣電路中，系統(tǒng)采用互感器接入方式，通過電流型電壓互感器將電壓信號轉化為電流信號，再經(jīng)電阻轉化為電壓信號，同時用電流互感器獲得電流信號，經(jīng)電阻轉化為電壓信號。每相的電壓、電流采樣電路如圖6所示。圖6 電壓、電流采樣電路由于att7022b的電壓通道對應的adc的輸入為0.5v、電流通道的adc輸入為0.1v左右時精度最高，故針對不同的額定工作值，可通過改變互感器變比、互感器二次側的并聯(lián)電阻值或att7022b的電壓

15、放大倍數(shù)等，使att7022b進入最佳的計量狀態(tài)。圖6中，針對額定電壓220v、額定電流1a的工作條件，電壓采樣電路選用1:1的電流型電壓互感器，通過在互感器一次側串聯(lián)110k的電阻，并在互感器二次側并聯(lián)240的電阻，使電壓采樣信號在0.5v左右；電流采樣電路選用1a/1ma的電流互感器和100的并聯(lián)電阻，使電流采樣信號在0.1v左右。實際運行中，通過監(jiān)測采樣電壓、電流的大小，并改變att7022b的電壓放大倍數(shù)使其工作在最佳計量狀態(tài)。2.4通信針對電能表的手持抄表功能的需要，系統(tǒng)引入紅外通信方式。與其它通信方式一樣，紅外通信容易受到環(huán)境條件的干擾，其干擾源主要是白熾燈光與太陽光。而采用高發(fā)射

16、功率的紅外發(fā)射管及使用帶有濾光器的接收器可以大大提高通信的抗干擾能力。設計中，選用高效率的tsal6200作為發(fā)射管，一體化紅外接收器hs0038作為接收管。其中，tsal6200的光功率達35mw，能有效增強紅外通信的抗干擾能力；hs0038接收器將光敏二極管、前置放大器和解調器封裝為一體，具有接收紅外信號、內(nèi)置信號放大、38khz濾波、波形檢測輸出的作用。發(fā)送電路中，控制器的輸出信號與38khz調制信號經(jīng)74hc02調制并反相，調制輸出信號再經(jīng)9013反相后驅動發(fā)射管tsal6200。其中調制信號由38khz晶振通過計數(shù)器cd4060產(chǎn)生。接收電路中，hs0038的輸出信號直接送入控制器接

17、收引腳。目前，遠程抄表正逐漸成為主流抄表方式，為使系統(tǒng)具備遠程抄表及遠程調校功能，設計采用差分數(shù)據(jù)收發(fā)器sn75lbc184構成rs485通信電路。相比max485收發(fā)芯片，sn75lbc184內(nèi)置高能量瞬變噪聲保護裝置，顯著提高了抵抗數(shù)據(jù)同步傳輸電纜上的瞬變噪聲的可靠性；同時，sn75lbc184允許在總線上掛接64個設備，而max485只允許掛接32個設備。在rs485通信電路中，控制器通過光電耦合器用的pc817與sn75lbc184接口，有效地隔離了通信電路中的干擾，同時實現(xiàn)了微控制器與sn75lbc184之間的電平轉換。2.5廣播校時為保證時鐘芯片計時準確，系統(tǒng)引入廣播校時功能以完成

18、自動校時。如圖9所示，廣播校時電路由收音機芯片和解碼電路組成。收音機芯片采用的是飛利浦公司生產(chǎn)的tea5767，其收音頻率范圍為87.6mhz108mhz，內(nèi)置調頻中頻選擇 ，i2c 總線控制。圖9 廣播校時電路結構圖校時信號采用中央人民廣播電臺的整點對時信號，該校時信號由五聲頻率為800hz的信號和一聲頻率為1600hz的信號組成。設計采用lm567音調譯碼器對上述信號解碼。lm567 為通用鎖相環(huán)電路音調譯碼器，當lm567的3腳輸入幅度25mv、頻率在其帶寬內(nèi)的信號時，8腳由高電平變成低電平。收音機信號經(jīng)濾波電容由lm567的3腳輸入，鎖定頻率由5腳和6腳間的電阻、電容值決定。通過調節(jié)5

19、腳和6腳之間的電阻值可以改變鎖定頻率。2.6時鐘按照國標的分時計量要求，實現(xiàn)多時段的復費率計費功能，系統(tǒng)選用低功耗的cmos時鐘芯片pcf8563。pcf8563 是philips 公司推出的一款工業(yè)級內(nèi)含i2c 總線的具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片。pcf8563 的多種報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能以及中斷輸出功能能完成各種復雜的定時服務。是一款性價比極高的時鐘芯片。2.7顯示針對國家電網(wǎng)宣貫材料的顯示要求，系統(tǒng)采用深圳普瑞翔電子的國網(wǎng)電表段碼液晶。該液晶可對四象限有功、無功電能、各分相電壓、電流、需量以及尖峰平谷等參數(shù)進行顯示，滿足多功能電表的顯示要求。lcd驅動芯片選用羅姆公司

20、的bu9799kv，該芯片可驅動多達4*50段，正常工作電壓為2.5v5.5v，完全符合本設計的要求。bu9799kv可通過i2c總線接口與mcu進行連接，內(nèi)部集成有晶振電路，不需要任何外部器件，具有等待模式和閃爍功能。 圖10 lcd顯示屏3. 系統(tǒng)軟件設計3.1 多功能電表的程序設計程序上電后，首先對系統(tǒng)資源進行初始化，包括對pcf8563的時間設置，初始化液晶顯示器lcd，對電能芯片att7022b的各寄存器設置，紅外及485通訊使能，廣播校時端口初始化等。主程序中是對各種功能標識的判斷，符合則進行該項功能的設置，例如：切換波特率、切屏顯示、紅外抄表、485通訊、廣播校時等。所有功能的標

21、識均在定時器中斷、串口中斷、外部中斷等中斷服務函數(shù)內(nèi)置位。目前存儲電能的間隔時間為1分鐘，lcd循環(huán)顯示間隔約5s，液晶主要顯示當前的日期時間、電壓電流，電能及紅外通訊或485通訊狀態(tài)等。主程序采用程控掃描是否有鍵操作，可通過按鍵修改波特率。接收上位機或者紅外通信的抄表命令都是通過串口中斷實現(xiàn)的，設計中，發(fā)送數(shù)據(jù)采用查詢方式，接收數(shù)據(jù)采用中斷方式。3.2 紅外遙控器的程序設計紅外遙控器在鍵盤的操作下向多功能電表發(fā)送抄表命令，然后等待多功能電表返回數(shù)據(jù)，返回的數(shù)據(jù)顯示在lcd液晶模塊1602上，目前只能抄收電能值。圖11 抄表上位機軟件界面3.3 簡易上位機抄表軟件簡易抄表軟件采用c+語言編寫，

22、由于時間關系，沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的歷史存儲等功能，抄表軟件目前具有密碼驗證功能，能抄收三相電壓、電流、三相有功功率、無功功率、總有功功率、總無功功率、功率因數(shù)、電網(wǎng)頻率、有功電能、無功電能等信息，能修改波特率等通信參數(shù)，抄表界面如圖11所示。3.4 通信協(xié)議的制定3.4.1 與上位機抄表軟件的協(xié)議上位機（pc）與電能表，電能表與上位機的數(shù)據(jù)字節(jié)格式均為： 幀格式參照2009年10月國家電網(wǎng)公司發(fā)布的1級三相智能電能表技術規(guī)范中的格式，見表1。上位機（pc）與電能表的通信協(xié)議和電能表與上位機（pc）的通信協(xié)議幀格式基本一致，主要是控制碼和數(shù)據(jù)域長度和數(shù)據(jù)有差別。表1 上位機與電能表的通信幀格式說明代

23、碼幀起始符68h地址域a0控制碼c數(shù)據(jù)域長度l數(shù)據(jù)域data校驗碼cs結束符16h應答feh 幀起始符68h標識一幀信息的開始，其值為68h=01101000b。地址域 a0 地址域由1個字節(jié)組成，地址長度可表示0255個下位機地址，與物理層信道無關，每個電表都具有唯一地址，本設計由于只有一個電表，其地址域暫定為01h?？刂拼acd7=1,上位機（pc）發(fā)送給電能表；d7=0，電能表發(fā)送給上位機（pc）。數(shù)據(jù)域長度l一幀數(shù)據(jù)的長度。由于上位機無需發(fā)送數(shù)據(jù)域，所以此數(shù)據(jù)域長度l=0。傳輸前導字節(jié)：在主機發(fā)送幀信息之前，先發(fā)送2個字節(jié)feh，以喚醒接收方。校驗碼cs從第一個幀起始符開始到校驗碼之前的

24、所有各字節(jié)的模256的和，即個字節(jié)二進制算數(shù)和，不計超過256的溢出值。結束符16h標識一幀信息的結束，其值為16h=00010110b。應答被動接收方接收完主動發(fā)送方發(fā)送的一幀數(shù)據(jù)后，先回發(fā)一個應答信號，原主動發(fā)送方通過檢查到該應答信號，確認被動接收方已正確接收到數(shù)據(jù)，完成一幀數(shù)據(jù)通信；否則主動發(fā)送方繼續(xù)發(fā)送本幀數(shù)據(jù)，當連續(xù)5次沒有接收到被動接收方發(fā)送的應答信號后，則發(fā)出通通信錯誤信息。通信速率：標準速率：9600bps。3.4.2 與紅外抄表器之間的協(xié)議紅外遙控器與電表的通信數(shù)據(jù)字節(jié)格式和上位機與電表的通信數(shù)據(jù)字節(jié)一樣。這里簡單介紹一下紅外遙控器與電表的過程。遙控器發(fā)送時，發(fā)送：起始字符“aah”+控制字+校驗和+結束符。電表將接收到的命令進行校驗，經(jīng)校驗正確后延時100ms,回發(fā)：起始字符“aah”+數(shù)據(jù)長度+數(shù)據(jù)+校驗和+結束符。電表接收到的命令進行校驗后如不正確，則不作出響應。遙控器在發(fā)送完命令后的0.5s內(nèi)收不到電表發(fā)來