多用户集中式智能电表的设计.doc

毕业设计说明书(论文)作 者： 张燕 学 号： 0906220220 学 院： 信息工程学院 专 业： 通信工程 题 目： 智能电表的设计 指导者： 雷宇凌 副教授 评阅者： 2013 年 6 月 吉 林毕业设计说明书（论文）中文摘要随着国家智能电网发展战略的确定，其重要的基础设施智能电表成为智能电网发展的启动项目。本文提出了一种高精度多用户集中计量电表的设计方案,一种具备GPRS通信接口的智能电表，此表型主要由电能量采集单元、断电执行单元、控制单元、通信单元和显示单元组成。电能量采集单元本设计采用美国AD公司生产的专用于单向配电系统的专用计量芯片ADE7755及16选1数据选择器，可实现16户用户电能量的计量；通信单元采用GPRS通信方式，实现电力公司与智能电表的双向数据通信；显示单元采用LCD1602配合44矩阵键盘共同实现用户用电信息的显示；断电执行单元采用4线-16线数据输出控制器及SSR（固态继电器），完成对用户欠费及反相序事件的断电的控制；控制单元采用MSP430F149单片机。此外，本次设计还完成了智能电表软件部分程序流程图的设计。关键词 多用户集中式智能电表 MSP430F149 ADE7755 GPRS I毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Design of intelligent electric meter AbstractWith the determination of the national smart grid development strategy, The important infrastructure theintelligent electric meter become a start-up projects of the smart grid development.This paper introduces the design of a multi-user centralized measurement meter with high precision,a smart meter with GPRS communication interface,this phenotype is mainly composed of electric energy data acquisition unit,power unit,control unit,communication unit and a display unit.The hardware platform of Electric energy acquisition unit adopts ADE7755 chip which the United States of America ADI company produce with 16 choose 1 data selector to achieve 16 users of electric energy metering;communication unit use GPRS communication mode,to realize Bidirectional data communication between interactive power company and the smart meter;Display unit use LCD1602 and 44 matrix keyboard to achieve the diaplay of electricity information of the users;a power cut executive unit use a 4 line - line 16 data output controller and SSR (SSR),complete the control of the user arrears power and reverse phase sequence of events;The control unit use MSP430F149 microcontroller.In addition,This design also completed part of the program flow chart of software design of the intelligent electric meter.Keywords multi-user intelligent electric meter MSP430F149 ADE7755 GPRS目 录目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 智能电表的国内外研究现状11.2.1 国外智能电表研究现状11.2.2 国内智能电表研究现状21.3 智能电表的发展方向31.4 本文研究的主要内容4第2章 电能量算法介绍52.1 电压、电流有效值及谐波参数的计算52.2 功率与电能的计算62.3 频率的计算8第3章 系统硬件设计93.1 电能表的功能需求及整体方案设计93.2 单片机的选择及其外围电路的设计103.2.1 单片机MSP430F149概述、引脚配置及功能描述103.2.2 MSP430F149的外围电路设计113.3 电能量采集模块电路设计163.4 GPRS通信电路213.5 电源电路设计223.6 通断控制电路23第4章 系统软件设计254.1 系统开发环境介绍254.2 电能表主程序算法设计254.3 整机初始化274.4 用户用电量轮抄模块及脉冲处理算法设计284.5 GPRS通信模块算法设计294.6 页面显示程序算法设计31结论32参考文献33附录35致谢36III第1章 绪 论第1章 绪 论1.1 课题研究的背景及意义我国目前使用的电能表中，感应式机械电能表仍占大部分，该种电能表计量误差较大、功耗多、体积大、功能单一，且需人工抄表，不仅增加了管理人员的工作而且经常出现漏抄或错抄的情况，而对于窃电的防治更加无从谈起。此外，感应式机械电能表主要是针对电力系统中负荷为正弦波的情形。而如今非线性用电负荷日益增多，因此谐波的危害日益增多，譬如供电企业线损增加。为此有必要研究出在谐波影响下还能准确计量电能量的新电表。随着居民用电量日益增大以及许多分布式新能源的产生，电力系统网络结构也因此日益庞大复杂，智能电网的建设也随之展开，传统的电能表已无法满足供电和用电管理的需求。为满足以上要求具有双向多种费率计量、用户端控制、双向数据通信、分时复费率、防窃电、远程自动抄表等功能的智能电表的需求日益广泛。1.2 智能电表的国内外研究现状1.2.1 国外智能电表研究现状从技术层面看，目前，随着电子技术的发展国外已经出现了很多专门用于电能量计量的高精度芯片以及专门用于智能电表的专用处理器。如美国AD公司宣布推出四款高精度电能计量IC（高性能模拟集成电路），型号为ADE7878、ADE7868、ADE7858及ADE7854，可同时测量无功和有功功率，其中一款产品还具备基波电能测量功能。ADE7878、ADE7858及ADE7854高精度电能计量IC为多相配置而设计，包括三线及四线、Y型及型。除了能测量每个相位和零线电能之外，ADE7868及ADE7878还能监测电能质量参数并具备各种防窃电功能。此外，该公司推出的ADE7755是一款适用于单相配电系统的高精度电能计量IC。它可提供基于输电线电压和电流计算的瞬时有功功率和平均有功功率。该器件规范超过IEC61036标准规定的精度要求。ADE7755中使用的唯一模拟电路是ADC和参考电压电路。所有其它信号处理（例如乘法和滤波）都是在数字域实现的。这种信号处理方法可在随环境条件和时间变化的很大范围内提供优异的稳定性和精度。荷兰恩智浦半导体公司也推出了基于ARMCortex的处理器解决方案LPC1700系列。LPC1700的主要特点有：具有100MHz处理速度的ARMCortex-M3控制器、嵌套向量中断处理器、内存保护单元、唤醒中断处理器，可以满足各种优先级中断的自动唤醒，四种省电模式：睡眠、深度睡眠、掉电、深度掉电。恩智浦智能电表外围电路采用了优化设计，具有防窃电等多种功能，可使用非接触式读卡技术完成预付费。电子技术与智能电表技术的融合促进了智能电表的飞速发展。不仅电子技术的发展影响着智能电表的发展，通信技术在智能电表中的应用也使智能 电表的功能更加完善。如，GPRS通信技术在智能电表中的应用，GPRS通信是在现有的GSM网络的基础上引入的分组交换功能，支持TCP/IP协议，提高了数据传输速率和传输量，按流量计费。将GPRS通信技术应用到智能电表是一种安全、经济、可靠的数据传输方式。2007年英国政府规定智能电表主要就采用GPRS通信方式。又如ZigBee无线通讯技术作为当前应用最为广泛的无线传感器网络技术的代表在自动抄表产品中也有了初步的应用。ZigBee的网络拓扑结构可随意变动，特别适合用户户内网络拓扑结构不固定且具有移动性特征的网络使用。其频道基于免费的2.4G频道，具有成本低的优点。2007年澳大利亚月维多利亚州要求所有智能电表必须支持连接用户设备，必须通过ZigBee连接家庭局域网，实现远程控制功能。可见，越来越多的通信技术正在被融入智能电表的生产使用中，为越来越多的用户带来利益。从应用层面上看各国对智能电表的需求和应用呈现出不同的特点。2007年，荷兰能源服务网络协会(ESNA) 从功能划分的角度确定了智能电表在智能电网中的定位。总体上，智能电表及AMI的建立是智能电网的基础。随着高级数据收集和需求响应能力的提高，智能计量系统能够与广大用户一起在用电高峰时段，实现削峰平谷，以提高电网的安全性和经济性。AMI通过智能电表终端和主站之间建立的强安全网络架构实现电网公司和用户的双向计量和通信，实现分布式电源结构。德国能源市场非常分散，因此相关部门仅规定了安装智能电表所需的最小功能、数据格式以及统一的商业模式。德国倾向于选择可以与水、汽、热等计量表记共享远程通信信道的智能电表。前文还提到英国政府规定智能电采用GPRS通信方式，澳大利亚月维多利亚州要求所有智能电表必须支持连接用户设备，必须通过ZigBee连接家庭局域网。1.2.2 国内智能电表研究现状从技术层面上看，目前，国内生产的智能电表从结构上大致可分为机电一体式和全电子式两大类。机电一体式智能电表是在原机械式电能表的基础上附加一定的部件，不仅能使其完成所需功能，造价低且方便安装。其设计方案是在不破坏现行电能表的原有物理结构、不改变其国家计量标准的基础上加装传感装置，变成在机械计度的同时亦有电脉冲输出的智能表，使电子计数与机械计数同步，其计量精度一般不低于机械计度式计量表。全电子式智能电表则从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件，从而取消了电能表上长期使用的机械部件。与机电一体化电表相比，具有体积小、可靠性高、更精确、耗电少等特点。抄表方式的不同体现了电能表智能化程度的高低，而按抄表方式来分，国内智能电表又分为分时复费率式、预付费(IC卡)式和集中远传自动抄表式3种。分时复费率电能表具有多个时段、多个电价分时计费功能 ，但仍然靠人工抄表。与传统的机械式及单纯的电子式电能表相比仅在计费精度及时间段上体现了智能化；预付费IC卡电能表收费系统的成本较低、可靠性高、使用寿命长且具有很强的加密性。采用IC卡电能表收费系统可提高居民用电收费的管理水平，确保电力部门能及时收到电费，但仍存在上门抄表的弊端；集中远传自动抄表可实现用电数据的自动抄收，可杜绝人工操作的一切弊端。居民可在银行开设个人账户，通过营业计算机管理系统和银行的联网，完成数据的自动抄收、处理 、银行转账交费等全套操作，可真正实现用电管理的自动化。现在国内的远传抄表方式除了传统的RS485总线和电力载波抄表两种形式外还与先进的通信技术（GPRS、局域网等）相结合。电力载波抄表方式是利用专用芯片对用电数据进行调制解调，通过电力线进行通讯以实现集中抄表，但其数据传输的安全、可靠性受电力载波影响较大；RS485总线抄表方式的数据传输可靠性高，且造价较低，缺点是需布线、安装较复杂、拉线易被人为破坏；而ZigBee通信方式具有低功耗、低成本、低复杂程度的优点，但其传输距离有限；GPRS抄表方式可实现数据实时、安全、可靠、经济的传输。通信技术的应用保证了智能电表的功能更加完善全面。从应用层面上看，我国民用、商用住房交流电度表主要为手工抄表方式，甚至有些落后地区还在使用感应式机械电能表。在走向信息化、网络化，在全面建设智能电网的今天，手工抄表和感应式机械电能表成为供电系统实现现代化管理的一大障碍。为了满足目前建设坚强智能电网的要求，需要能同时实现多种计量、定时或随机计量读取、复费率功能、双向通信功能、远程设置及控制等多种功能的电能表。这些电表功能都是传统的感应式机械电能表不具备的，从此看来，传统的感应式机械电能表与智能电网要求的电能表差距很大。电力系统从发电、配电、传输一直到区域变电所已基本实现网络化管理，而唯独用户终端没有和网络连上，造成了系统的不完整性，直接或间接影响了系统潜能的发挥。电能计量关系到千家万户的利益，因此具有广阔的市场前景，而多功能智能电能表代替单一计费功能的感应式机械电能表已成为必然趋势，相信，随着我国智能电网建设的不断推进，智能电表的应用也将会很快进入千家万户。1.3 智能电表的发展方向随着电子技术、计算机技术、通信技术的发展，智能电表新的构思、新的理念日新月异，以下是本人认为智能电表的几种发展方向：1多用户静止式单相复费率电能表2网络化电能表3智能化住宅区的智能式电能表4虚拟电能表智能电网需要具有实时监视和分析系统目前状态的能力，这个集成的能量体系要求数据通讯和分布式计算设施是开放式的和基于标准的，并且兼容各种各样的物理媒介的通讯和嵌入的计算机。因此智能电表作为其主要的组成部分，必然会得到强力的关注，并且推动电表行业的发展和智能电网的建设。1.4 本文研究的主要内容根据智能电网的设计要求，本论文设计了一款能实现以下功能的多用户集中式智能电表：1能实现16户用户用电量的计量管理。2双向通讯功能，支持远程设置、接通或断离、定时或随机计量读取。3具有轮流显示、安全存储、复费率以及定时计量等功能。- 41 -第2章 电能量算法介绍第2章 电能量算法介绍2.1 电压、电流有效值及谐波参数的计算信号的有效值也叫均方根值（RMS），是表示信号发送功率的能力，不管什么样的波形，具有相同均方根值的信号发送到阻性负载上的功率是相同的。电压、电流的测量一般均为有效值的测量。根据电压有效值、电流有效值的定义： （2-1） （2-2） 由于A/D转换器是对电信号离散采样的，假设对电压u(t)、i(t)分别进行N次采样，u(k)、i(k)相应为第k个采样点，总采样点数为N，则 （2-3） （2-4）在进行谐波分析时，常用一些特征量来表示畸变波形偏离正弦波形的程度，最常用的特征量有谐波含量、电压总畸变率、电流总畸变率和n次谐波的含有率等。谐波电压含量UH可表示为： （2-5）谐波电流含量IH可表示为： （2-6）谐波总畸变率用THD表示，等于谐波含量与基波分量比值的百分数。电压总畸变率为： （2-7）电流总畸变率为： （2-8）谐波含有率记为HR，通常以某次谐波的有效值与基波有效值的比值来表示。第n次谐波电压含有率为： （2-9） 第n次谐波电流含有率为： （2-10） 含有谐波时，电力系统的平均功率为： （2-11）其中，为n次谐波电流落后于n次谐波电压的相位角。含有谐波时的视在功率可以表示为： （2-12） 含有谐波时，功率因数可已表示成： （2-13）其中，和分别代表电度表上显示的有功电能和无功电能。2.2 功率与电能的计算功率是电流做功的速率，通常用字母P表示。在交流电路中 （2-14） 由于储能元件的存在，交流电路的功率分为有功功率、无功功率和视在功率。 1有功功率的计算 有功功率又叫平均功率，即瞬时功率在一个周期内的平均值。它是指电路中耗能元件所能消耗的功率。在正弦交流电路中，设瞬间电压为u(t)，瞬间电流为i(t)，则瞬间功率 （2-15）P(t)是个随时间变化的函数，它在某个周期内的平均值应等于该函数对时间积分后，除以时问间隔，所以平均功率应为： （2-16） 当用计算机处理时，需要将连续量离散化，用和式代替积分。若以t的时间间隔对电压和电流进行采样，用N表示每周期采样的次数（即TNt），则有功功率可以表示为： （2-17）式中，u(k)、i(k)分别代表电压、电流的第k次采样值，N为采样总点数，芯片就可按上式计算出有功功率。t取得越小，离散采样的波形就越接近实际值，则计算结果越精确。 2视在功率的计算 在具有复阻抗的交流电路中，电压有效值与电流有效值的乘积值称为视在功率，它反映的是额定功率的大小，即 （2-18） 3无功功率的计算 无功功率是视在功率中不消耗电能的部分，它的产生与储能元件有关。在实际的电路中，一般采用先计算有功功率、视在功率，然后通过三者的关系式来计算无功功率。视在功率、无功功率、有功功率满足下面的关系： （2-19） 所以，无功功率的计算方法如下： （2-20） 4功率因数的计算 在交流电路中，电压与电流之间的相位差的余弦叫做功率因数，用符号表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即 （2-21） 由上式可以看出，功率因数的最高值为1。功率因数的大小与电路的负荷性质有关，具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据，也是衡量电气设备效率的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。 5电能的计算 电能是消耗的能量的累积，是时变函数功率对时间的累积，到时刻T时的电能为： （2-22） 将公式(2-17)带入上式得： （2-23）2.3 频率的计算频率的测量一般采用过零检测法，设电压信号每个过零点的时刻ti，由此可得到周期T满足： （2-24） 由周期与频率之间的关系得到频率的计算公式： （2-25） 第3章 系统硬件设计第3章 系统硬件设计3.1 电能表的功能需求及整体方案设计通过研究一般居民和用电管理系统对电能表的需求，本文所设计的智能电表应具备以下功能：1电能量计量功能，可分时计量正、反向有功电能，反向电能按正向电能累积，从而可以有效防止盗电事件引起的电能量漏计少计。2事件记录功能，可以记录反相序事件。3分时计费功能，可以有效调节用电平衡。4存储功能，电能表可以存储12个月的历史数据，每月电量在结算日自动转存。5显示功能，具备正常显示页面和手动查询显示页面两种显示状态。6通断电控制功能。7集中远传自动抄表功能，用电管理系统可定时或随机读取用户用电信息。8具备TTL与RS-232电平转换电路，可通过电脑直接下载程序。根据电能表应具备的功能，其硬件总体设计框图如图3-1所示。图3-1 智能电表硬件总体设计框图电能表的硬件部分总体上可分为单片机控制系统、电能量计量电路、存储电路、通断电控制电路、GPRS通信电路、LCD显示电路、时钟电路、电源电路(包括主电源电路和辅助电源电路)、键盘电路、TTL与RS232电平转换电路、看门狗电路。电能量计量电路主要是通过计量芯片ADE7755将电能量转换为脉冲量并输出给电能表的核心控制管理单元单片机MSP430F149。存储电路保证了用户用电信息的实时存储，并在突然断电时保证数据安全的存储。通断电控制电路实现了用电管理系统对用户用电的供断电的控制。本文设计了GPRS通信电路实现双向数据通信功能，完成用户用电量的定时或即时上传以及用电管理系统命令的下达。LCD显示电路采用一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵型液晶LCD1602显示16户用户的用电量。键盘电路与显示电路配合实现用户用电量的手动查询。看门狗电路采用专用复位芯片IMP706保证单片机正常运行。时钟电路为整个系统提供精准的时间依据。TTL与RS232电平转换电路，为单片机程序下载和在线程序升提供了便利。电源电路为电能表的各个模块供电，由于电能表属于不间断工作的电力计量产品，因此电源的设计也是电能表设计的重点部分。3.2 单片机的选择及其外围电路的设计3.2.1 单片机MSP430F149概述、引脚配置及功能描述MSP430F149芯片是美国TI公司推出的超低功耗微处理器，有60KB+256字节FLASH，2KBRAM，MSP430F149具有高效16位RISC-CPU，27条指令，8MHz时钟频率时，指令周期时间为125ns，绝大多数指令在一个时钟周期完成；32KHZ时钟频率时，16位MSP430单片机的执行速度高于典型的8位单片机20MHz时钟频率时的执行速度。具有丰富的I/O资源以及专用复位电路和硬件看门狗，具有在线可编程功能（ISP)，通过串口直接下载用户程序，无需专门编程器。此外，MSP430系列单片机的所有外围模块的控制都是通过特殊寄存器来实现的，故其程序的编写相对简单。编程开发，可以选择汇编或C语言编程，使用灵活简单。鉴于以上优点，单片机MSP430F149可以满足系统设计要求。在本设计中单片机MSP430F149主要完成控制功能，如计量脉冲的存储、处理，用户信息用电量的显示，以及欠费断电的执行等。其引脚配置如图3-2所示。各引脚功能如下：端口P1、P2、P3、P4、P5、P6都可以直接用于输入/输出。P1、P2端口还具有中断功能，其他片内外设功能，如定时器、比较器；P3、P4、P5、P6端口也具备其他片内外设功能，如SPI、UART模式，A/D转换等。58脚RST/NMI为430单片机的复位引脚（低电平有效）。1脚DVCC，63脚DVSS为数字电源接口。64脚AVCC，62脚AVSS为模拟电源接口。注意：MSP430系列单片机的供电电压为1.8V3.6V。32脚UTXD0，33脚URXD0 的第二功能为MSP430F149单片机两路串口通讯接口中的第一路。 34脚UTXD1，35脚URXD1 的第二功能为MSP430F149单片机两路串口通讯接口中的第二路。52脚，53脚为外部高频时钟晶振输入端。8脚，9脚为外部低频时钟晶振输入端。图3-2 MSP430F149引脚3.2.2 MSP430F149的外围电路设计 1晶振电路 MSP430系列单片机的晶振电路包括数控振荡器(DCO)、高速晶体振荡器和低速晶体振荡器等3个时钟源。解决系统的快速处理数据要求和低功耗要求的矛盾。数字控制振荡器DCO已经集成在内部，只需设计高速晶体振荡器和低速晶体振荡器两部分电路。为了满足低功耗要求低速晶体振荡器设计中采用32.768KHz晶振外接2个22pF的电容经过XIN和XOUT连接到MSP430F149，如图3-3所示。高速晶体振荡器为MSP430F149工作在高频模式时提供时钟，采用8MHz晶体,如图3-4所示。图3-3 低速晶体振荡器图3-4 高速晶体振荡器 2时钟电路 本文所设计的智能电表可对用户用电量实现分时计量。而且当电表响应用电管理系统下达的抄表命令时，电表需将用户的用电量附带时间参数返回给用电管理系统。另外，本表实现用户用电量轮流上抄、轮流显示、用电量自动上传都是以精准的时间为基础的。综上，电表对时间的准确性要求很高。系统时钟电路采用DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片DS1302完成，DS1302内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、年、月、日的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整。时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。DS1302与MSP430F149之间能简单地采用同步串行的方式进行通信。DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW。VCC1为后备电源，VCC2为主电源。DS1302由VCC1或VCC2两者中的较大者供电。当VCC2大于VCC1+0.2V时，VCC2给DS1302供电。当VCC2小于VCC1时，DS1302由VCC1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。是复位/片选线，它实现两种功能：其一，接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其二，提供终止单字节或多字节数据传送的方法。当为高电平时，所有的数据传送被初始化， 允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，电源电压大于2.0V之前，必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将置为高电平。时钟电路如图3-5所示。图3-5 时钟电路 3看门狗电路 为提高电表的抗干扰性能，本设计采用IMP公司推出的uP监控系列产品IMP706设计了看门狗电路。IMP706引脚功能如下：WDI：看门狗输入，接高电平或低电平1.6s后若无下降沿或上升沿到来看门狗定时器溢出，导致引脚输出低电平。：看门狗输出，内部定时器溢出时输出低电平，定时器不溢出时为高电平。：低电平有效的复位输出。：手动复位输入，输入低电平时会导致管脚输出低电平，单片机复位。IMP706电路图如图3-6所示。图3-6 看门狗电路看门狗电路在系统中实现以下作用：上电复位。上电时IMP706会自动产生200ms的复位脉冲，单片机低电平复位。程序监视。看门狗定时器的输入WDI接单片机P1.1，若单片机工作正常，P1.1在规定的1. 6s时间内输出一个上升沿或下降沿给WDI，看门狗定时器会被清零，WDI不会发生超时溢出而产生复位信号。若单片机工作不正常不能在1.6s时输出一个上升沿或下降沿，则WDI超时溢出并将变为低电平，并直到看门狗定时器被清零才变为高电平，由于通过二极管接，此时被拉低，导致输出低电平，相当于手动复位。 4存储电路 为了能够实时存储用户用电量信息及其他数据信息，电能表选用了8KB的FM24C64铁电串行存储器。铁电存储器的特点：具有非易失性的存储特性。且FRAM读写速度快，本质上没有写延时，不存在最大写入次数的问题。存储电路如图3-7所示。图3-7 存储电路WP引脚用来对内存阵列进行写保护，WP引脚拉高后，对所有内存地址的高1/4部分进行写保护，FM24C64不会应答试图写入内存的数据。WP拉低后，写保护特性不起作用。CPU通过P2.2管脚和P2.3管脚实现时钟和数据的控制。 5TTL与RS232电平转换电路 单片机的UART和电脑串口RS-232的通信协议的格式是一样的，二者的区别仅在于电平的不同，电脑串口采用RS-232电平，而单片机UART则采用TTL电平，所以只要进行电平转换，单片机与电脑就能直接进行通信。于是本设计应用了MAX232这一芯片实现二者之间的电平转换。通过这一芯片可以直接使用电脑对单片机进行编程，不再需要专门的编程器，也不必将芯片从PCB上卸下，为程序下载和在线程序升级提供很大便利。电路如图3-8所示。MAX232引脚介绍如下：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12V和-12V两个电源，以满足RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。第三部分是供电电路，15脚GND、16脚VCC（+5V）。单片机输出的TTL/CMOS数据从MAX232的T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从MAX232的T1OUT、T2OUT输出送到电脑的DB9插头；电脑输出的RS-232数据经DB9插头后，从MAX232的R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从MAX232的R1OUT、R2OUT输出到单片机。从而实现单片机与电脑的直接通信。图3-8 TTL与RS232电平转换电路 6显示电路 液晶部分是人机交互的重要组成部分，本设计中电能表的页面显示模块根据系统所处状态的不同而显示不同的页面。电能表的页面显示状态包括：正常显示状态、手动查询显示状态。在正常显示状态下，整体上液晶屏以96s为一个周期循环显示16户用户总的用电量，每隔6s，单片机读取一户用户的用电量并在液晶屏上显示；当显示页面处于手动查询显示状态时，液晶屏将等待用户的按键操作来切换参数显示页面。用户输入用户号码后，按确认键进入查询页面，用户可查询的信息包括用户当日平、谷两个时段的用电量，反相事件的记录，以及电费结算日，每个信息占用一个显示页面，用户按上键可实现进入当前页面的下一个查询页面，按下下键可后退至前一个查询页面。为实现以上功能本设计采用1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，1602内部集成译码驱动电路，能够识别ASCII码值，可显示16列2行，即32个字符。液晶接口电路图如图3-9所示。其管脚功能如下：第1脚：VSS为电源地。第2脚：VDD接5V电源正极。第3脚：VEE为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平1时进行读操作，低电平0时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能端，高电平1时读取信息，负跳变时执行指令。第714脚：D0D7为8位双向数据端。 图3-9 LCD1602液晶显示电路 对LCD1602液晶模块的操作是通过指令编程实现的，当E为高电平，RW为低电平，RS为低电平时，单片机MSP430F149将指令写入LCD的命令寄存器，当E由高电平变为低电平时，LCD执行单片机发出的指令。当E为低电平，RW为低电平，RS为高电平时，单片机MSP430F149将从内存中读取的用户数据写入LCD的数据寄存器，并将数据显示在液晶屏上。 7键盘电路 设计中采用44矩阵键盘配和液晶显示器实现用户用电信息的手动查询。44矩阵键盘是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线，在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。键盘电路设置了数字键09，用户查询键，确认键，取消键，上、下翻页键，以及返回主页面键。键盘电路与单片机的P6口相连，键盘电路如图3-10所示。如前所述，键盘电路与显示电路相结合即可进行手动查询16户用户详细用电情况。当用户按下用户查询键，即可输入要查询的用户号码，再按下确认键即可进入用户用电信息查询页面，按下取消键可修改要查询的用户号，用户进入用电信息查询页面后，可通过操作上、下键实现用户用电信息的详细查询，按下返回键可返回正常显示页面。单片机采用扫描的方式识别按键，首先将P6口的高四位输出低电平，即P6.4P6.7输出低电平，低四位输出高电平，即P6.0P6.3为高电平。读P6口的低四位状态即可确定具体哪一行按键被按下。如P6口的低四位状态为“1101”时，可确定第二行有按键按下。再从P6口的高四位输出高电平，即P6.4P6.7为高电平，低四位输出低电平，即P6.0P6.3为低电平。读P6口的高四位状态即可确定哪一列按键被按下。如当P6口的高四位状态为“0111”时，可确定第一列有按键按下，依据两次读出的P口状态即可判断具体是哪一按键被按下，本例中按键5被按下。当单片机扫描到有按键按下时，立即执行按键扫描处理子程序，完成相应的用户操作。图3-10 键盘电路3.3 电能量采集模块电路设计本设计采用美国AD公司生产的单相电能量计量芯片ADE7755，ADE7755可提供基于输电线电压和电流计算的瞬时有功功率和平均有功功率。其特点如下：1、精度高，在500:1动态范围内误差低于0.1% 。2、F1，F2输出频率表示平均有功功率。3、高频输出CF用于校准，并提供即时有功功率 。4、逻辑输出引脚REVP能指示负功率或错误接线。5、可直接驱动机电计数器和两相步进电机（F1，F2）。6、片内电压基准源2.5V8%。7、单5V电源，低功耗。 该器件规范超过IEC61036标准规定的精度要求。ADE7755中使用的唯一模拟电路是ADC和参考电压电路。所有其它信号处理（例如乘法和滤波）都是在数字域实现的。这种信号处理方法可在随环境条件和时间变化的很大范围内提供优异的稳定性和精度。符合本设计高精度的要求。电能计量芯片ADE7755的电能计量原理简述为：ADE7755内有两个以900KHZ过采样速率采样的模数转换器（ADC）。被测电流经可编程增益放大器（PGA）放大后接电流通道的ADC，并由此ADC转换为对应的数字信号。再经相位补偿和高通滤波，进入乘法器，乘法器的另一路输入是由电压通道ADC转换而来的、与被测电压对应的数字信号相乘以后产生瞬时功率信号。此信号经低通滤波器滤除其中的交流分量，提取出负载消耗的瞬时有功功率。ADE7755对这个瞬时有功功率信号进行一段时间的累积、平均，求得平均有功功率，从管脚F1、F2输出。与此同时，以较短时间对瞬时有功功率进行累计，求得与瞬时有功功率成正比的高频频率并经CF输出，输入到单片机进行累加计数，实现对电能的计量。ADE7755引脚功能如下:1脚(DVDD),数字电源引脚，正常工作电源电压应保持在5V5%，该引脚应使用10F陶瓷电容进行去耦。2脚(AC/DC),高通滤波器HPF选择引脚。在电能计量的应用中，应使HPF选通。3脚（AVDD），模拟电源引脚，正常工作电源电压应保持在5V5%，为使电源的纹波和噪声减小到最低程度，该引脚应使用10F电容并联100nF 陶瓷电容进行去耦。5脚（V1P）、6脚（V2P），通道1（电流通道）的正、负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工作最大信号电平为470mV。通道1有一个PGA。这两个引脚相对于AGND的最大信号电平为1V。两个引脚内部都有ESD保护电路，这两个引脚能承受6V的过电压，而不造成永久性损坏。7脚（V2N）、8脚（V2P），通道2（电压通道）的负、正模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工作最大输入电压为660mV，相对于AGND的最大信号电平为1V。两个引脚内部都有ESD保护电路，这两个引脚能承受6V的过电压，而不造成永久性损坏。9脚（），复位引脚。当为低电平时，ADC和数字电路保护复位状态，在的下降沿，清除内部寄存器。 10脚（REFIN/OUT），基准电压的输入、输出引脚。片内基准电压的正常值为2.5V8%。该引脚都应使用10F钽电容和100nF陶瓷电容对AGND进行去耦。11脚（AGND）、21脚（DGND），这是模拟电路、数字电路的接地参考点，该引脚应连接到印刷电路板的模拟接地面。12脚（SCF），校验频率选择。该引脚的逻辑输入电平确定CF引脚的输出频率。13脚（S1）、14脚（S0），这两个引脚的逻辑输入用来选择数字/频率转换系数，这为电度表的设计提供了很大灵活性。15脚（G1）、16脚（G0），这两个引脚的逻辑输入用来选择通道1的增益，可用来选择增益是1,2,8,和16。17脚（CLKIN）、18脚（CLKOUT），可把一个石英晶体接在CLKIN和CLKOUT 之间，提供时钟源，规定时钟频率为3.579545MHz。22脚（CF），频率较验输出引脚。23脚（F2）、24脚（F1），低频逻辑输出引脚，其输出频率反映平均有功功率的大小。表3-1 电流通道Gain与管脚G0、G1的控制关系G1G0Gain电流输入最大差动电压（mV）00110101128164702356030CF引脚的输出频率与与电流输入通道与电压输入通道上的电压有效值有关，与SCF、S1、S0有关。具体关系如表3-2所示。表3-2 CF与S1、S0之间的关系SCF S1S0FKCF最高输出频率（Hz）1010101000001111001100111.71.73.43.46.86.813.613.612864643232161620480.340.340.680.681.361.362.722.72表中最后一列为电压和电流通道都输入最大电压所对应的最高频率。K决定CF脚的输出频率。计量电路如图3-11所示。电流通道为完全差动输入方式，其正常工作最大输入信号电平为470mV。本设计电流输入通道采用霍远科技生产的HCT254B(5A：1.85mA)电流互感器进行信号取样，选用10的电阻做分流电阻，当负载基本电流为5A时，在电流通道产生的压降为37mV；当负载最大电流为40A时电流通道产生的压降为296mV，依据表3-1给出的电流通道增益Gain与管脚G0、G1之间的控制关系，于是本设计选择电流通道的增益Gain=1，G1=G2=0。当负载基本电流为5A时，线路功耗P=1.1kw，F1、F2端输出脉冲的频率值： （3-1）当负载最大电流为40A时，Freq=0.244448HZ，依据表3-2给出的CF最高输出频率与S1、S0之间的关系，并且在留有足够余量的基础上，设计中选择CF引脚输出的最高频率为0.68Hz，故S1=0，S0=1，频率F=3.4Hz。根据ADE7755的使用手册： (3-2)进一步推导得电压输入通道的差动电压： （3-3）式中VREF为基准电压2.5V，V1为电流输入通道的差动电压。因此电压通道的主要是利用分压电阻将220V市电转变为计量芯片可计量的电压188.3mV。因此采用100K、523K、200K图3-11 计量电路 、544K、1K电阻组成分压电路。设计中令SCF=0，电能表的常数C为100imp/kwh（即ADE7755发100个脉冲（F1、F2）记录1kwh），CF脚的输出频率： （3-5）为了保证了电能计量的准确性，电流通道采用lk的电阻和33nF的电容组成抗混叠滤波网络，电压通道选择用200K的电位器校准电压。为了保证电能计量模块的抗干扰性能，ADE7755的电源引脚DVDD、