【正文】 對提高電能利用的合理性和緩解電力供需矛盾具有重要價值 。 但是傳統(tǒng)的機(jī)電式電能表無法執(zhí)行分時計(jì)量和分時計(jì)費(fèi)的功能 ， 因此基于單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的新型數(shù)字電表是實(shí)現(xiàn)新型電能管理方式的前提 。 關(guān)鍵詞 ： ADE7758 MSP430FG4619 液晶顯示 GPRS 通訊 MC39i II Abstract The electric energy is a guarantee to national economy and daily life in modern society. With the fast development of the society， contradiction between the demand and production of electrical energy occurs. Timescheduled tariff system， that changes user39。s design proposal at home and abroad to determine the issue of the energy meter construction39。s testing and control system to simplify the design of energy meter39。s work construction and the embedded turning on plan， munication module realizes the electrical energy quantity parameter longdistance transmission through the wireless GPRS MC39i and embedded TCP/IP protocol stack： The calibration of energy meter ensure the accuracy of energy meter. The paper introduced in detail the process of GPRS munication realization. According to system39。 在世界常規(guī)能源日趨 貧乏 的今天 ， 電能的節(jié)約與電能的有效利用具有重要意義 。 它隨著其他學(xué)科如微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展 。 二十一世紀(jì)七十年代后期 ， 出現(xiàn)了完全突破傳統(tǒng)儀表的、全新的一代儀表 。 智能儀表的概念 智能儀表是以微處理器或微控制器芯片 (如單片機(jī) )為核心的可以存儲大量測量信啟、 并具有對測量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時分析、綜合和做出判斷能力的儀表 。 它主要由硬件和軟件組成 ，圖 11是其典型的硬件組成圖 。 測控程序通過 控制數(shù)據(jù)采集 ， 對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)定的設(shè)置 ： 對數(shù)據(jù)存儲器所記錄的數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行各種處理 ： 以數(shù)據(jù)、字符、圖形等形式顯示各種狀態(tài)信息以及測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果 ：通過鍵盤操作輸入 ， 并存儲 所設(shè)置的功能、操作方式與工作參數(shù) 。 2. 具有自動調(diào)整功能 。 由于采用單片機(jī)或微處理器 ， 使得原來許多硬件邏輯難以解決或根本無法解決的問題可以通過軟件靈活地解決 。 顯示屏可將儀表的運(yùn)行狀態(tài)、工作狀態(tài)和對數(shù)據(jù)的處理結(jié) 果及時反映出來 ， 使儀表的操 4 作更方便和直觀 。 微電子技術(shù)的發(fā)展基本遵循摩爾定律 (每隔 18 個月集成度增長一倍 )高速發(fā)展 ， 七十年代芯片的線寬為 5um，八十年代為 1um， 目前處于 到 之間 ， 甚至已經(jīng)達(dá)到 。 現(xiàn)在可以把ADC、 DAC、運(yùn)算放大器、比較器等模擬電路、微處理器、 DSP 等功能部件以及閃速存儲器、 SRAM 等大規(guī)模存儲器集成在一塊芯片中 ， 從而減少了儀表開發(fā)中微處理器外圍電路的擴(kuò)展要求 ， 減少了由于電路分散引起的外部干擾 ， 提高了儀表的可靠性 。 這是傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)信息交互方式 。 虛擬儀表是智能儀表發(fā)展的新階段 虛擬儀表是基于計(jì)算機(jī)的軟硬件測試平臺 ， 利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī) ， 加上特殊設(shè)計(jì)的儀表硬件和專用軟件 ， 形成既有普通儀表的基 本功能 ， 又有一般儀表所沒有的特 殊功能的高檔、低價的新型儀表 。 虛擬儀表把儀表功能交付給用戶去實(shí)施 。 虛擬儀表具有很友好的用戶界面 ， 窗口接 口 ， 這為使用和維護(hù)提供了有利條件 ： 4. 高性能價格比 。 1888 年 ， 隨著交流電的應(yīng)用 ， 人們開始研究交流電表 。 隨著電力事業(yè)的發(fā)展和人們對能源的有效利用使得感應(yīng)式電能表在使用過程中暴露出它固有的缺點(diǎn) ： 功能單一、準(zhǔn)確度低、頻率適應(yīng)范圍窄等 。 二十世紀(jì)七十年代 ， 研制成功電子式電能表 ， 也稱為靜止式電能表 。 時分割乘法器型的核心是時分割乘法器 ， 它實(shí)質(zhì)是一個脈寬、幅度調(diào)制器 ， 輸入時分割器的兩路輸入信號分別被進(jìn)行脈寬和幅度調(diào)制 ， 調(diào)制后得到的脈動信號的直流分量即為兩路輸入信號的乘積 。 電子式電能表與感應(yīng)式電 能表相比 ， 有了質(zhì)的飛躍 ， 它具有測量精度高、功能擴(kuò)展容易、可測頻帶寬等優(yōu)點(diǎn) 。 近年來 ， 高準(zhǔn)確度、多功能、長壽命且能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表的多功能全電子式電能表的出現(xiàn) ， 為電子式電能表取代感應(yīng)式電能表創(chuàng)造了條件 。 在電能表的制造技術(shù)上 ， 越來越多的新技術(shù)得到使用 ， 如 EDA(電子設(shè)計(jì)自動化 )、 8 CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造 )、 CAT(計(jì)算機(jī)輔助測試 )、 SMT(表面貼裝技術(shù) )等 。其中 ， 電壓電流經(jīng)輸入轉(zhuǎn)換變成單 片機(jī)可以處理的信號 ， 單片機(jī)采用 MSP430X3XX，通信采用紅外通信方式 ， 輸出部分則是有關(guān)數(shù)據(jù)送 LCD 顯示和脈沖輸出 。 測量的概念及原理 人們借助于專門的設(shè)備 ， 通過實(shí)驗(yàn)方法對客觀事物取得數(shù)量信息的過程稱為測量 。 直接測量法是不需對被測量有函數(shù)關(guān)系的其它量進(jìn)行測量而獲得被測量值的一種方法 。 直流電流 I 流過電阻 R在時間 T內(nèi)所做的功為 ： RTIW 22 ? 周期性電流 l 流過電阻 R， 在時間 T內(nèi) ， 電流 l 所作的功為 ： 11 RdtiW r?? 0 22 根據(jù)以上定義 21 WW? ， 即 RTIRdtiT 20 2 ?? 于是 ， 周期電流 1 的有效值為 ： ?? T dtiTI0 21 (式 21) 同理 ， 電壓有效值 V 為 ： dtuTV T??0 21 (式 22) 上面兩式 (21)和 (22 )式 ， 即是對電流、電壓求均方根值的運(yùn)算 。 而電感 和 電容上電壓與電流的瞬時值在一個周期里有半個周期二者的方向相同 ， 電能轉(zhuǎn)化為磁場能或電場能儲存在電感或電容內(nèi) ： 另外半個周期中電壓與電流的實(shí)際方向是相反的 ， 磁場能或電場能轉(zhuǎn)化為電能回饋電路 。 一般周期信號電路的有功功率為 ： ?? r dttituTP 0 )()(1 （式 25） 其中 T 為周期信號的周期 。 單相正弦電路的無功功率的定義式為 ： ?sinVIQ? （式 28） 在這里會面臨以下兩個有待解決的問題 ： 1)如何得到式 ((28)的離散化表達(dá)式 ： 2)因?yàn)榉钦译娐返臒o功功率不能簡單地體現(xiàn)為電壓波形與電流波形之間的相位差 ， 因此不能以 Vl sin216。 用 (23)和 ((24)分別求出有效值 v， r， 然后求出視在功率 S = vl 則有 ： 22 PSQ ?? (式 211) 這種方法只要滿足采樣定理 ， 在原理上可以實(shí)現(xiàn)對含有諧波的電路的有功和無功功率的測量 ， 并進(jìn)而可推演出其它的一些被測量 。 14 圖 21 多費(fèi)率電能表結(jié)構(gòu)圖 顯示器時鐘秒信號電源測量電源時基 時控電路顯示器 / 計(jì)數(shù)器分時計(jì)數(shù) ， 存儲 ， 譯碼尖 峰 平 谷市電 15 單項(xiàng)電能表原理 電 流 電 流電 壓 電 壓a2 次 A / D 轉(zhuǎn)換 之 間 的時 間 間 隔重 復(fù) 時 間時 間 圖 22 單項(xiàng)電能表測量時序 被測電能 E 為 tUUiE nnl ???? ????? )( 110 （ 式 2— 11） 式中 nn ti ? 時刻的電流采樣值 (A)： 11 ?? ? nn tU 時刻的電壓采樣值 (V)： 11 ?? ? nn tU U時刻的電壓采樣值 (V)： t? — 采樣時間間隔 (s)。 電子式電能表的電能測量單元種類繁多 ， 其中乘法器是該單元的核心組成部分 。 初期的電子式電能表以時分割型為主的較多 ， 目前的電子式電能表則以數(shù)字乘法器為主 。 對三相計(jì)量來說 ， 三相有功功率或者三相負(fù)載吸收的平均功率都等于它們各相的平均功率之和 ， 即 ： cbacba UIUIUIpppp ??? c o sc o sc o s ?????? （ 式 221） 最大需求量 最大需量定義為一個月內(nèi)平均 30 分鐘或 15 分鐘內(nèi)消耗的功率的最大值 。 一般情況下 12 tt、采用滑差方式 ， 每過一分鐘 21 tt 增加 ， 但 12 tt、 的差值保持不變 ， 固定為 15或 30分鐘 。 19 第三章 電能表的硬件設(shè)計(jì) 3. 1 硬件總體方案 圖 31 給出了電能表的硬件框圖 。 故外接一片 EZPROM。 這種方案的缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的電源電路 ， 導(dǎo)致造價、功耗和停電數(shù)據(jù)保護(hù)和電氣隔離等一系列問題 。 本選題也探索了電池供電方案 ， 并采用下列措施降低電表的功耗 ： 1. 采用低功耗 MSP430 系列單片機(jī) ： 2. 使用低功耗外圍器件 (如運(yùn)放等 )： 3. 數(shù)據(jù)的采集和功率的計(jì)算按一定周期 (如每秒種一次 )喚醒 ， 電表大部分時間處于休眠狀態(tài) 。 22 圖 33 由此可見它特別適合用于智能儀表、智能化家用電器、電池供電便攜式設(shè)備等產(chǎn)品之中 。 在 CPU 中有 R0R15 共 16 個 16 位寄存器 ， 可用來存儲地址或數(shù)據(jù) ， 可對 64K空間進(jìn)行尋址 。 因此 ， 通過對這些狀態(tài)位的控制 ， 可實(shí)現(xiàn)如下 6種工作方式 ： 1. 活動方式 (AM)： SCG1=0， SCGO=0， OscOff=0， CPUOff =0： 2. 低功率方式 0 ( LPMO )： SCG1=0， SCGO=0}， OscOff=0， CPUOff =1： 3. 低功率方式 1( LPM1) ： SCG1=0 ， SCGO=1 ， OscOff=0 ， CPUOff =1 4. 低功率方式 2(LPM2)： SCG1=1， SCGO=0， OscOff=0， CPUOff =1 5. 低功率方式 3 (LPM3 ) ： SCG1=1， SCGO=1， OscOff=0， CPUOff =1 6. 低 功 率 方 式 4( LPM4 ) ： SCG1=X. SCGO=X ， OscOff=1 ， CPUOff =1 由此可見在低功率方式下 ， CPU 均停止了工作 。MSP430 系列的低功耗方式在其它過程智能儀表中也大有可為 。 為中斷系統(tǒng)服務(wù)的 4 個寄存器 ： 中斷允許寄存器 IE1 和 IE2， 中斷標(biāo)志寄存器IFG1 和 IFG2 屬于 特殊功能寄存器模塊 。 POR 信號必然產(chǎn)生 PUC 信號 ， 而 PUC 則不會產(chǎn)生 POR 信號 。 WDT 具有 2 種工作模式 ， 既可作看門狗也可作定時器 。 對看門狗控制寄存器 WDTCTL 寫入需要 口令才 可執(zhí)行 ， 即控制字的高字節(jié)必須為 O5Ah， 否則會 PUC： 上電或系統(tǒng)復(fù)位后 ， 看門狗定時器自動進(jìn)入看門狗模式 。 可以采用停止模式來支持器件的超低功耗特性 。 它可以工作在 2 個獨(dú)立的 8 位定時器 /計(jì)數(shù)器或 1 個 16 位定時器 /計(jì)數(shù)器 。 控制寄存器 BTCTL 中的低 3 位 IP2IPO 決定一個定時中斷的時間間隔 ， 即是建立中斷請求標(biāo)志 BTIFG 的間隔時間 。 八位定時器 /計(jì)數(shù)器 八 位定時器 /計(jì)數(shù)器 ， 主要包含以下模塊