【正文】 為此 ， 本設(shè)計對中斷和定時器資源的應用有如下的設(shè)想 ： 1)看門狗設(shè)置每秒種動作一次并導致系統(tǒng)復位并執(zhí)行主程序 ， 在完成一次電能計量和實時時鐘更新后進入 LPM3 方式 ， 等待下一秒種的看門狗復位 ： 2)基本定時器的 BTCNTI 提供 LCD 的驅(qū)動脈沖 ， BTCNT2 產(chǎn)生高速定時中斷 ， 對電壓和電流進行采樣 ： 3)八位定時 /計數(shù)器和 與 協(xié)同用于采用紅外的異步串行通信 。 由于在 MSP430C323 單片機中沒有硬件串口通信功能 ， 利用 8 位定時器 /計數(shù)器的實現(xiàn)軟件串口通信功能 。 此時 ， 在看門狗控制寄存器 WDTCTL 中各位和看門狗計數(shù)器 WDTCNT 中各位復位 。 MSP430X32X 中的各個模塊 ， 這 些模塊包括 ADC、 EPROM、晶振緩沖器、系統(tǒng)時鐘、定時器 /口、八位定時器 /計數(shù)器、基本定時器、 LCD 驅(qū)動器、 PO 口和特殊 功能 24 寄存器等 ， 這些模塊統(tǒng)稱為外圍 (Peripheral)， 創(chuàng)門的編程和應用要用到一些特定的存儲單元 (寄存器 )， 這些單元占有相應的地址 。 MSP430C3XX 系列單片機 單片機是電能表的數(shù)據(jù)處理部分的核心器件 ， 系統(tǒng)要求在短時間內(nèi)處理大 量的數(shù)據(jù) ， 因此要求單片機有較高的運算速度 。 多費率電能表開發(fā)過程 本選題以美國德州儀表 (Texas Instruments)公司生產(chǎn)的以超低功耗 16位單片 機 MSP430X32X 系列為核心開發(fā)多費率電能表 ， 其開發(fā)過程遵循以下步驟 ： 18 1. 根據(jù)任務需求及單片機所能提供的資源 (外圍 I/O 接口、定時器、中斷和計算時間等 )在 MSP430 系列中選擇最適當?shù)男吞?： 2. 對硬件電路進行完整的設(shè)計 ， 并按工作條件選擇單片機外部器件 ： 3. 根據(jù)設(shè)計任務對單片機的 RAM 單元進行分配和定義 ： 4. 設(shè)計完整軟件的流程圖 ： 5. 軟件模塊化匯編語言編程 ， 匯編與糾錯 ： 6. 仿真調(diào)試與修改完善 ： 7. 現(xiàn)場試驗和測試 。 t 時刻 tUUn ?sin? 則電流為 )sin( ?? ?? tIin （ 式 212） tt ?? 時刻電壓采樣值 )s in (1 ?? ??? tUU n （ 式 213） tt ?? 時刻電壓采 樣值 )s in (1 ?? ??? tUU n （ 式 2— 14） ? 為被測電壓和被測電流之間的相位差 測量方法引入測量誤差 e 為 ： 1?? 正確值采樣值e 16 1)2c o s (1c o s1)s i n (s i n )]s i n ()s i n ()[s i n (???????? ?????tftItUtUtUtI??????????? （ 式 215） 有功電能計算 設(shè)在 t 時刻負載兩端的交流電壓和流過負載的交流電流的表達式為 ： tUtutu m ?? s in2s in)( ?? （式 216） )s in (2)s in ()( ???? ???? tItIti m （式 217） 其中 tru ?)( u時刻電壓瞬時值 ： tti ?)( 時刻電流瞬時值 ： mU — 電壓峰值 ： mI 電流峰值 ： U— 電壓有效值 ： I— 電流有效值 ： ? — 電壓與電流相位差 ： ? 一角頻率 。 所以 ， 儲能元件能量的轉(zhuǎn)換是雙向的、 12 可逆的 ， 在一個 周期內(nèi)的平均功率等于 O。 在研制過 程中 ， 精度、可靠性、功耗是側(cè)重點 ， 并充分考慮產(chǎn)品化的需要 ， 采取了一些有利于推廣的措施 。 時分割乘法器型電能表因其成本低 ， 精度好而得到廣泛運用 ， 但一般適用于生產(chǎn)普通電能表 ， 它的主要障礙在于功能擴展比較困難 。 虛擬儀表由需要部分專用硬件和軟件 ， 目前比較貴 ， 但是由于虛擬儀表主要采用量大面廣的普通計算機硬件和強大而成熟的軟件環(huán)境 ， 可實現(xiàn)靈活的儀表功能而具有重用性 ， 所以具有優(yōu)異的性能價格比和良好的應用前景 。 2. 計算機技術(shù)的發(fā)展對儀表智能化的影響 自從迅猛發(fā)展的計算機技術(shù)及微電子技術(shù)滲透到儀表技術(shù)領(lǐng)域 ， 便使該領(lǐng)域的面貌不斷更新 。 包括自動調(diào)零、自動故障與狀態(tài)檢測、自動校準、自 動診斷及量程自動轉(zhuǎn)換等 。 它 2 內(nèi)含微處理器 ， 以微處理器為核心 ， 具有信息、處理、數(shù)據(jù)處理、顯示記錄、傳輸與測 量過程自動控制等一系列功能 ， 甚至還具有輔助專家推斷分析與決策 ， 人們習慣上把這種儀表稱為智能儀表 。s circuit and improve the system39。 I 畢業(yè)設(shè)計 基于 mps430 電能表的原理設(shè)計 摘 要 電能是現(xiàn)代社會中國民經(jīng)濟和人民生活的重要保障 ， 隨著社會的快速發(fā)展往往導致電能的供應與使用之間產(chǎn)生矛盾 。s handling ability： Data acquisition part uses electrical energy measurement specialpurpose chip ADE7758 to improve the work energy meter39。 智能儀表的出現(xiàn) ， 極大地擴充了儀表的應用范圍 。 3. 具有數(shù)據(jù)處理功能 。 通過計算機 ， 人機交互的信息傳送可以分為三個階段 ： 單純文字、字符、數(shù)據(jù)交互 ： 多媒體信息、交互 ： 虛擬現(xiàn)實的信息交互 。 虛擬儀表的出現(xiàn)是儀表發(fā)展史上的一次革命 ， 代表儀表發(fā)展的最新方向和潮流 ， 將對儀表技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生不可估量的影響 。 模擬 /數(shù)字變換型電能表將電壓、電流瞬時值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 ， 由微處理器對它們進行分析處理 ， ADC 檢測 到的是反映電量的最基本的量 ， 微處理器對它進行各種數(shù)字處理 ， 計算出瞬時功率、無功功率、視在功率、電能累計值、功率因素 ， 電壓電流的大小等 。 參照電能表的有關(guān)標準 ， 本電能表實現(xiàn)以下功 能 ： 電 壓 回 路電 流 回 路脈 沖M S P 4 3 0存 儲 器L C D時 鐘通 信電 源 圖 12 多功能電能表結(jié)構(gòu) ：對市電的電壓， 電流采樣處理 ， 得到電壓有效值 ， 電流有效值 ， 有功功率和無功功率等電能參數(shù) ； ： 每天有 3 種費率可供選擇 ； 9 ： 具有日歷、計量和閏年自動切換功能 ； ： 利用紅外通信方式 ， 與電能表手持抄錄器交換數(shù)據(jù) ； ： 可顯示上月、本月總電量及各費率時段的電量 。 有功功率定義為一周期內(nèi)瞬時功率的平均值 ， 由于儲能元件一周期內(nèi)瞬時功率 的平均值為 0， 所以實際元件的有功功率也就是電路中電阻上耗能的規(guī)模 。 則在一個周期內(nèi)平均有功功率 P為 ?? r dttituTp 0 )()(1 （ 式 218） ?? T dttituT 0 )()(1 ? ??? r dttUIT 0 )2c o s ([ c o s1 ??? ?cosUI? 一個周期內(nèi)的電能 W 為 ? ?? r T U IdttituW 0 c o s)()( ? （ 式 2— 19） 電子式電能表中起主要作用的是電能測量單元 ， 其作用是將輸入電壓與電流變換成與功率成一定比例關(guān)系的脈沖信號 ， 送至分頻和計數(shù) 。 本章小結(jié) 本章主要式闡述了 電能 測量的原理及其感念 ， 以及電能的一些常用參數(shù)的計算 。 本選題在對多種單片機進行了解后 ， 決定采用 MSP430 系列單片機 MSP430X32X 作為電 能表的核心 。 MSP434X32X 的存儲空間分配 中斷與部分資源的應用設(shè)計 MSP430 的中斷系統(tǒng) MSP430C32X 的各中斷矢量和加電時起始地址位于 OFFFFhOFFEOh 的 ROM 中 ，中斷矢量包含一個相應的中斷處理指令序列的 16 位地址 。 WDTCTL 寄存器中的初始狀態(tài)的定時時間是 32ms(在系統(tǒng)時鐘頻率為 時 )。 在這種應用中將定時器 /計數(shù)器用作波特率發(fā)生器 ， 將 和 分別用 作異步串行通信的 RXD 和 TXD 引腳 。 4) 與 用于模擬 I2C接口 。 中斷和部分資源的綜合運用 中斷和定時器資源的應用設(shè)計中考慮了如下的因素 ： ? 在任何長期運行的實用 儀表中 ， 看門狗的使用是必須的 ： 28 ? 在儀表的設(shè)計中考慮采用電池供電 ， 因此要充分利用低功耗方式 ： ? 要提供輸入和輸出數(shù)據(jù)的手段 ， 以便實現(xiàn)儀表數(shù)據(jù) (儀表系數(shù) ， 實時時刻 ，分時計費標準等 )的輸入和使用數(shù)據(jù) (己用電能、電費等 )的輸出 ： ? 在電能測量中要提供高速的數(shù)據(jù)采樣和快速的電能計算 。 八位定時器 /計數(shù)器 八 位定時器 /計數(shù)器 ， 主要包含以下模塊 ： ? 8位帶預置數(shù)寄存器的增計數(shù)器 ： ? 8位控制寄存器 ： ? 輸入時鐘選擇器 ： ? 沿檢測電路 (如檢測異步通信的起始位 ) ? 由 8位計數(shù)器的進位信號觸發(fā)的輸入輸出數(shù)據(jù)鎖存器 3 個主要功能是 ? 串行通信或數(shù)據(jù)交換 ： ? 脈沖計數(shù)或脈沖累加 ： ? 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)復位后 ， 看門狗定時器自動進入看門狗模式 。MSP430 系列的低功耗方式在其它過程智能儀表中也大有可為 。 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 ： 2. 使用低功耗外圍器件 (如運放等 )： 3. 數(shù)據(jù)的采集和功率的計算按一定周期 (如每秒種一次 )喚醒 ， 電表大部分時間處于休眠狀態(tài) 。 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 。 14 圖 21 多費率電能表結(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 / 計數(shù)器分時計數(shù) ， 存儲 ， 譯碼尖 峰 平 谷市電 15 單項電能表原理 電 流 電 流電 壓 電 壓a2 次 A / D 轉(zhuǎn)換 之 間 的時 間 間 隔重 復 時 間時 間 圖 22 單項電能表測量時序 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)。 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際方向是相反的 ， 磁場能或電場能轉(zhuǎn)化為電能回饋電路 。其中 ， 電壓電流經(jīng)輸入轉(zhuǎn)換變成單 片機可以處理的信號 ， 單片機采用 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 。 時分割乘法器型的核心是時分割乘法器 ， 它實質(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 。 虛擬儀表具有很友好的用戶界面 ， 窗口接 口 ， 這為使用和維護提供了有利條件 ： 4. 高性能價格比 。 現(xiàn)在可以把ADC、 DAC、運算放大器、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 。 2. 具有自動調(diào)整功能 。 二十一世紀七十年代后期 ， 出現(xiàn)了完全突破傳統(tǒng)儀表的、全新的一代儀表 。s testing and control system to simplify the design of energy meter39。 為了解決這