基于單片機(jī)的數(shù)字電能表設(shè)計(jì)-wenkub.com
2025-08-06 01:44 本頁面
【正文】 他對工作兢兢業(yè)業(yè)的精神、對待科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致態(tài)度將是我學(xué)習(xí)的榜樣和做人的楷模。智能系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，其核心在于微處理器，一般包含微處理器、人機(jī)界面、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換等基本功能部件。然后繼續(xù)發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)下一幀數(shù)據(jù)，直到發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)全部發(fā)送完畢，退出通信，抄錄器通信流程見圖11。在主站通信程序中，抄表器首先進(jìn)行波特率、通訊端口、數(shù)據(jù)位等初始化設(shè)置，然后向電能表發(fā)送三個(gè)字節(jié)的FEH以“喚醒”電能表。開 始關(guān)看門狗初始化段和公共端設(shè)置時(shí)序發(fā)生器返 回清顯示緩沖送顯示20進(jìn)制轉(zhuǎn)換 圖 10 液晶顯示流程圖 紅外通信模塊 電能表與手持抄錄器的紅外通信程序的協(xié)議采用《多功能電能表通信規(guī)約》(DL/T6451997)，它規(guī)定了電能表與手持抄錄器之間的通信方式為主從結(jié)構(gòu)的半雙工通信。 E2PROM讀寫模塊的設(shè)計(jì)電能表中使用I2C總線方式與E2PROM相連接，可以在掉電時(shí)有效地保護(hù)重要數(shù)據(jù)，由于MSP430系列單片機(jī)不具備I2C總線接口，因此必須通過I/O模擬實(shí)現(xiàn)[13,14,15]。因此基于平均功率方法的電能測量模塊的設(shè)計(jì)思想如下：選取較大的電能測量周期(如1秒)；在計(jì)量周期中利用瞬時(shí)功率的周期性，快速獲取平均功率；按平均功率與計(jì)量周期的乘積計(jì)算電能的增量并執(zhí)行能量累計(jì)，完成各項(xiàng)功能后，CPU在計(jì)量周期余下的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入低功耗方式。NN復(fù) 位通 信？采樣結(jié)束？進(jìn)入LPM3電量計(jì)算初始化數(shù)字通信有參數(shù)修改NYY修改參數(shù)Y 圖8 主流程圖 電能測量模塊的設(shè)計(jì)計(jì)量原理的選擇：（1）基于電能測量基本原理的計(jì)量方法單相電能測量的理論依據(jù)是 （4－1）其離散形式為: （4－2）式（4－1）與式（4－2）中的和均為瞬時(shí)功率，等于計(jì)量時(shí)刻電壓和電流瞬時(shí)值的乘積。4 電能表的軟件設(shè)計(jì) 電能表的主流程與模塊化程序設(shè)計(jì)MSP430C323的軟件設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)電能的采集、計(jì)算、計(jì)費(fèi)、顯示、通信等功能。得到的波形如圖7所示。按照《多功能電能表通信規(guī)約》（DL/L6451997）規(guī)定[9]，采用脈沖調(diào)幅調(diào)制方式，載波頻率應(yīng)為38kHz177。此外在有安全措施的前提下，手持抄錄器也可通過紅外通信修改電能表的儀表系數(shù)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘等常數(shù)。紅外發(fā)射電路由調(diào)制電路、驅(qū)動電路及紅外發(fā)射器件組成，紅外接收電路由紅外接收器件、前置放大電路、解調(diào)電路等構(gòu)成。在這種應(yīng)用中將定時(shí)器/計(jì)數(shù)器用作波特率發(fā)生器。 FM24C16有讀和寫兩種操作狀態(tài)，它可以以總線速度進(jìn)行寫操作，無延時(shí)，可以承受100億此讀寫或者說比一般E2PROM能承受高一萬倍的寫操作。交流被測電流經(jīng)與中線連接并與負(fù)載串聯(lián)的采樣電阻Rs（其大小取決于電表的最大負(fù)載電流）轉(zhuǎn)換為電壓，然后接入MSP430C323的A0、A5。 在電能表的設(shè)計(jì)中需要通過定時(shí)器中斷來穩(wěn)定采樣頻率。6) 掉電位(Power DownPD) PD=1時(shí)關(guān)掉比較器、SVCC開關(guān)和電流源等，使ADC功耗最少。轉(zhuǎn)換模式由ACTL寄存器中的第11位的狀態(tài)決定。B5=0時(shí)，B2—B4選擇A0—A7等8個(gè)輸入端之一(MSP430X32X系列無A6, A7輸入端)[5,6,7]。2) 電壓基準(zhǔn)位(VREF) 該位決定采用外部的或是內(nèi)部的電壓基準(zhǔn)用于轉(zhuǎn)換。MSP430X3XX系列單片機(jī)采用的14位數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，ADC14有以下特點(diǎn)[12]：(1) A0—A5為6路A/D轉(zhuǎn)換的模擬量輸入引腳，然而這6個(gè)引腳也可以作為數(shù)字量的輸入口；(2) 有4路模擬輸入端用于可編程電流源；(3) 內(nèi)建采樣/保持電路；(4) 在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)提供中斷信號，同時(shí)有轉(zhuǎn)換結(jié)果暫存器用于暫存結(jié)果，直到下次轉(zhuǎn)換開始；(5) 低功耗，可將模塊的供電開啟或關(guān)閉；(6) 4個(gè)內(nèi)部通道，可用于溫度、AVcc及外部參考電平的采樣； (7) 整個(gè)轉(zhuǎn)換過程由模塊獨(dú)立完成，不需要CPU的額外開銷； (8) 可選12位或14位分辨率，且有較快的轉(zhuǎn)換速度。 ADC14的原理與電壓電流輸入通道的設(shè)計(jì)MSP430的ADC14模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：在電能表設(shè)計(jì)中，A/D的選擇十分重要，它直接影響了電能表的準(zhǔn)確度，而正確選擇A/D轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵是合理選擇A/D的字長(位數(shù))和轉(zhuǎn)換速率。3個(gè)主要功能是：(1) 串行通信或數(shù)據(jù)交換；(2) 脈沖計(jì)數(shù)或脈沖累加；(3) 定時(shí)器。該產(chǎn)品主要特點(diǎn)如下[1,3]: .—；.—400181。對于電表來說，這兩種供電方式都是可行的。（5）通信：利用紅外通信實(shí)現(xiàn)電能表與手持抄錄器之間的數(shù)據(jù)傳輸。（3）顯示：采用LCD顯示累計(jì)電能或其它數(shù)據(jù)。時(shí) 基秒信號時(shí) 鐘顯示器電 源測量單元時(shí)控電路尖峰平谷分時(shí)記數(shù)、存儲、譯碼顯示器/計(jì)數(shù)器市 電 圖2 多費(fèi)率電能表結(jié)構(gòu)圖3 電能表的硬件電路設(shè)計(jì) 硬件總體方案圖3給出了電能表的硬件框圖。2 電能測量與多費(fèi)率電能表 電能參數(shù)的測量電壓、電流測量：周期性電壓、電流的瞬時(shí)值是隨時(shí)變化的，所以一般用有效值表征它們的做功能力并度量其“大小”，如電流有效值的定義是一個(gè)周期性電流的做功能力和直流電流的做功能力相比，則有：在相同時(shí)間內(nèi)周期電流流過電阻所做的功與直流電流流過電阻所做功相等，就稱此直流電流的量值為此周期電流的有效值。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。本選題研制的單相多功能電能表以MSP430單片機(jī)作為電能表的微處理器，MSP430是超低功耗的16位單片機(jī)，采用精簡指令集。 MSP430 SingleChip puter。12屆
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