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1、摘要：本文介绍了一种基于 TI 公司的 MSP430 超低功耗单片机的多功能复费率三相电能表的设计方案，并且介绍了具体的硬件电路和软件设计。该方案具有测量精度高，性能稳定，通讯方式灵活多样，低功耗低成本等特点，具有很好的市场前景和应用价值。 关键词：MSP430 单片机；复费率；三相电能表；GPRS 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
2、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
3、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：图 1 系统结构图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
4、0.8A，RAM 保持模式低至0.1A，运行时功耗为 225A/MIPS，仅需 1S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
5、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：图 2 ATT7022 电路原理图上图中介绍了 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
6、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
7、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
8、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 30KHz40KHz 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
9、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。图 3 RS-485 接口和红外通信原理图另外一种抄表方式是通过 GPRS 模块远程抄表。本设计中采用的 GPRS 模块为 SonyEricsson 公司的 GR47模块。GR47 是带有 GSM/GPRS 全套语音和数据功能的先进无线模块，具有体积小，功能全面的特点。它内嵌 TCP/IP 协议栈，从而可以最大程度的缩短 GPRS 产品的研发周期。GR47 提供了 3 个 UART 端口用来和 MCU 进行通讯，因此可以通过 MSP4
10、30F449 的另一个 UART 端口对 GR47 模块进行控制，其控制命令为标准的 AT 指令。通过 GPRS 抄表可以方便地获得各个电能表中的数据，同时也可以对电能表进行广播校时。需要指出的是，GR47 的峰值耗电电流为 2A，所以需要在 GR47 的供电端加上 1000uF 左右的电解电容，电源芯片也应满足相应的要求，在本设计中采用了 LM1084 稳压芯片，它可以提供高达 5A 的输出电流。3.5 停电抄表电路设计本系统中的电源模块为开关电源，因此当一相或者两相交流电断相时，开关电源仍能向系统供电。但如果三相交流电全部断相时，系统的供电将会中断，因此需要考虑在停电后仍能抄表，同时要能对
11、停电发生的时间进行记录。为了保证停电时，系统的核心部分仍能正常运行，我们采用了 3.6V 锂电池配合低功耗稳压芯片 RH5RL30AA 作为系统的后备电源，此外，在停电时单片机处于休眠状态，其他芯片的电源都通过三极管关断以降低功耗，经过测试，整个系统在休眠状态耗电电流小于 10uA。当需要停电抄表时，系统可以通过按键中断唤醒，数据将会显示在液晶上以供抄表。停电时是用电池作为电源，而正常供电时是使用开关电源作为电源。如何在电池供电和开关电源供电两者之间切换，这是一个需要考虑的问题，下面给出一个简单的方法来解决这一问题。开关电源供电电路经过稳压芯片稳压到 3.3V 左右，而电池供电电路经过稳压芯片
12、稳压到 3V 左右，在两个电路的输出端都加上肖特基二极管 5819，这样在正常供电时，由于开关电源供电电路的输出比电池供电电路高 0.3V，电池供电电路由于 5819 的反向不可导通将被切断供电；而在停电时，开关电源供电电路输出为 0，电池供电电路在 5819 正向导通后将向系统供电。电源切换电路如下图所示：图 4 电源切换电路图在正常供电时，锂电池的电压可以由 MSP430F449 内部的 12 位 A/D 采样获得，这样当电池电压低于3.3V 时，可以通过电池充电电路对其充电，直到电池电压上升到达到锂电池充电限制电压 4.2V 时再停止充电。电池充电电路可以通过单片机 IO 口控制三极管开
13、断稳压芯片输出来实现。4 系统软件设计下面介绍系统功能的软件实现：1）初始化：对 LCD、存储器进行自检，并对数据进行初始化，若系统为第一次上电，所有数据都将初始化为 0，否则将从存储器读取相应值对数据进行初始化。2）时间模块：根据 DS3231 提供的时间脉冲进行时间计量，为系统数据处理模块提供时间度量并且为用户提供当前时间显示。3）数据处理模块：本模块为软件设计的核心，主要作用是将计量芯片提供的有功无功电能、三相电压电流值、频率和功率因素等数据进行处理，结合当前时段和费率，得到用户的各费率各时段实际用电量以及最大需量等，并在某一指定时刻（可设置）将数据保存到存储器中。本电表可以保存多月数据
14、，并能够通过 RS485、红外接口和 GPRS 模块向抄表系统提供任意当前或已保存数据。本模块还具有记录断相时间、断流时间等功能。4）校表模块：为了匹配各种不同的外设，ATT7022 提供了校表功能。本模块用于对 ATT7022 内部各校表寄存器进行设置使其与外设匹配以增加测量精确度。5）显示模块：通过 LCD 显示时间、四象限有功无功电能、三相电压电流值、频率、功率因素、各时段各费率用电量以及最大需量等。并可通过按钮对显示界面进行操作。6）停电处理模块：停电时系统不访问数据处理模块，整个系统将进入休眠状态，从而使系统处于超低功耗模式，通过按键中断可以将系统唤醒。7） 通讯模块：通讯模块分为红
15、外、RS485 和 GPRS 通讯。8）中断处理模块：系统主要有三个中断处理模块，分别为定时、通讯和停电中断。5 结束语基于 MSP430F449 单片机的多功能复费率三相电能表集成了多种功能，在电能计量芯片 ATT7022 和时钟芯片 DS3231 的配合下对于电能的计量可以达到很高的精度。由于通过多种方式降低系统功耗，经过测试，在停电时整个系统的功耗极低，从而保证了停电抄表功能的实现。整个系统的生产成本较低，并且各项技术指标都达到了国内关于三相复费率电能表的技术标准，因此具有良好的市场前景和应用价值。本文作者创新点：采用了 ATT7022 计量芯片和高精度时钟芯片 DS3231 提高测量精度和降低成本，增加了停电抄表功能使停电后能及时可靠地抄表，还增加了 GPRS 和红外两种远程抄表方式，抄表方式灵活多样，并且从硬件和软件上综合考虑来使系统功耗降至最低。参考文献1 胡大可，MSP430 系列超低功耗 16 位单片机原理与应用，北京航空航天大学出版社， 2000.6 2 GR47 Integrators Manual, Sony Ericsson Mobile Communications International, 20033 崔光照，曹祥红，张华，基于 MSP430 单片机的智能型复费率单相电能表设计，微计算机信息，2006.2，21-23
