基于mps430电能表的原理设计毕业设计.doc

I 毕业设计毕业设计 基于基于 mps430mps430 电能表的原理设计电能表的原理设计 摘摘 要要 电能是现代社会中国民经济和人民生活的重要保障 随着社会的快速发展往 往导致电能的供应与使用之间产生矛盾 为了解决这一矛盾 电能计量的分时计 费方式可以通过调节人们的用电行为 对提高电能利用的合理性和缓解电力供需 矛盾具有重要价值 但是传统的机电式电能表无法执行分时计量和分时计费的功 能 因此基于单片机技术设计的新型数字电表是实现新型电能管理方式的前提 本文首先介绍了电能表发展的历程以及现状 阐述了各种抄表计费方式并讨 论了各自的优缺点 介绍了电能表技术发展的未来趋势 然后论述了网络电能表的目标功能 对比了国内外各种系统结构设计方案优 缺点 确定本课题中电能表的系统结构设计方案 针对功能的需要 选用了 TI 公 司的 MSP430E427 为 MCU 设计网络电能表的检测和控制系统 简化了电能表的电路 设计 提升了系统的处理能力 数据采集部分采用二相电能计量专用芯片 ADE77 58 以提高电能表的精度 点阵 LCD 模块的使用 则提供了友好的人机交 互界面 在分析目前常用的系统网络架构和嵌入式接入方案的优缺点的基础上确 定了电能表的网络架构和嵌入式接入方案 运用 MC39i 无线 GPRS 通讯模块 嵌入 TC P IP 协议栈 实现电能量参数的远程传输 对网络电能表进行校准 确保了 电能表的精度 关键词 关键词 ADE7758 MSP430FG4619 液晶显示 GPRS 通讯 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 Time scheduled tariff system that changes user s behavior in energy consuming and rationalizes the electrical energy utilization is an effective and valuable measure to solve this problem For the energy measurement the traditional mechanical electricity meter no longer can meet the requirements of this new tariff system and microcontroller based digital E meter becomes the prerequisite and backbone of this tariff system The paper first introduced energy meter development s course as well as the present situation and elaborated each kind way of energy meter reading and discussed the respective advantages and disadvantages Briefed the future tendency of the energy meter technological development Then the topic elaborated the network energy meter s goal function compared to the advantages and disadvantages of various system construction s design proposal at home and abroad to determine the issue of the energy meter construction s design According to need of function TI s MSP430E427 is selected as energy meter s MCU and design energy meter s testing and control system to simplify the design III of energy meter s circuit and improve the system s handling ability Data acquisition part uses electrical energy measurement special purpose chip ADE7758 to improve the network energy meter s precision the use of LCD module provides friendly people machine interface In the analysis of current commonly used system network construction and the disadvantage and advantage of the embedded turning on plan the topic determine the system s network construction and the embedded turning on plan communication module realizes the electrical energy quantity parameter long distance 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 communication realization According to system s own need carried on the approprite cutting out to TCP IP protocol stack not only simplified the TCP IP protocol but also satisfied the network communication s request of energy meter IV KeyKey WordsWords ADE7758 MSP430FG4619 LCD GPRS MC39i 目录目录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1 课题背景 1 1 2 数字仪表的发展历程 1 1 2 1 智能仪表的概念 2 1 2 2 智能仪表的特点 3 1 2 3 电子技术 计算机技术和网络技术的进步对智能仪表发展的推动 4 1 2 4 虚拟仪表是智能仪表发展的新阶段 5 1 3 国内外电能表技术发展的现状 6 1 4 本章小结 8 第二章第二章 总体方案总体方案 10 2 1 测量的概念及原理 10 2 2 电能参数的测量 10 2 2 1 电压 电流测量 10 2 2 2 功率测量 11 2 3 多费率电能表的原理 13 2 4 单项电能表原理 15 2 5 有功电能计算 16 2 6 最大需求量 17 2 7 多费率电能表开发过程 17 2 8 本章小结 18 第三章第三章 电能表的硬电能表的硬件件设计设计 19 3 1 硬件总体方案 19 V 3 2 MSP430C3XX 系列单片机 20 3 3 中断与部分资源的应用设计 24 3 3 1 MSP430 的中断系统 24 3 3 2 定时器的应用 24 3 3 3 通用定时器 口 26 3 3 4 通用口 PO 27 3 3 4 中断和部分资源的综合运用 27 3 4 ADC14 的原理与电压电流输入通道的设计 28 3 4 1 MSP430 的 ADC14 模数转换模块 28 3 4 2 电压电流输入通道的设计 30 3 5 LCD 接口模块及其应用 32 3 6 串行 E2PROM 接口 34 3 7 串行通信接口的实现 34 3 8 本章小结 36 第四章第四章 电能表的软件设计电能表的软件设计 37 4 1 软件开发过程与手段 37 4 2 MSP430 的指令系统 39 4 2 1 指令系统的运行环境 39 4 2 2 指令系统简述 39 4 3 电能表的主流程与模块化程序设计 40 4 4 实时时钟的产生 42 4 5 电能测量模块的设计 43 4 5 1 计量原理的选择 43 4 5 2 采样频率和采样时间长度的选择 44 4 5 3 简化扫描原理 44 4 5 4电能计费模块的软件设计 48 4 6 E2PROM 读写模块的设计 49 4 6 1 I2C 接口的模拟 49 4 7 液晶显示模块 49 4 8 串行通信协议 50 4 9 本章小结 52 第五章第五章 总结与结论总结与结论 53 致致 谢谢 55 参考文献参考文献 56 VI 1 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 课题背景课题背景 电能是社会生产 人民生活必需的重要能源之一 随着国民经济的不断发展 电力需求急骤上升 电力供应与电力需求出现了不平衡 目前 全国一些省份存 在电力供应不足 这不但阻碍了经济的发展 也妨碍了人民的生活 在世界常规 能源日趋贫乏的今天 电能的节约与电能的有效利用具有重要意义 电能表是当 前电量计量和经济结算的主要工具 随着现代检测技术 电气与电子技术的不断 发展 使人们能够开发出功能更多 准确度更高的电能计量装置 本课题研制了基于 MSP430 的单相多功能电能表 它具有分时计费功能 即对 每天的用电量进行分段计量 实行分时计价 通过利用经济杠杆调节人们的用电 行为 促进对电能的节约和有效的使用 1 2 数字仪表的发展历程数字仪表的发展历程 仪表技术的发展过程和一般事物发展的趋势一样 经历了一个从低级到高级 的过程 它随着其他学科如微电子技术 计算机技术和网络技术的发展而发展 二十世纪五十年代 仪表技术发展取得突破 数字技术的出现使得各种数字仪表 得以问世 将模拟仪表的精度 分辨力和测量速度提高了好几个数量级 为实现 测试自动化打下坚实的基础 六十年代中期 l 拍着计算机技术的引入 测一试 技术又获得重大进展 开始了仪表数字化 数显化的历程 但是仪表还不具备记 忆 数据处理 可控及人机对话等高级功能 进入七十年代 计算机技术进一步 渗入 使仪表在传统的时域与频域之外 出现了数据域测试 被测系统的信息载 体为二进制数据流 仪表前面板向键盘化方向发展 二十一世纪七十年代后期 出现了完全突破传统仪表的 全新的一代仪表 2 它 内含微处理器 以微处理器为核心 具有信息 处理 数据处理 显示记录 传 输与测量过程自动控制等一系列功能 甚至还具有辅助专家推断分析与决策 人 们习惯上把这种仪表称为智能仪表 智能仪表的出现 极大地扩充了仪表的应用范围 智能仪表凭借其体积小 功能强 功耗低等优势 迅速地在科研领域和运用领域得到广泛的运用 1 2 1 智能仪表的概念智能仪表的概念 智能仪表是以微处理器或微控制器芯片 如单片机 为核心的可以存储大量测 量信启 并具有对测量结果进行实时分析 综合和做出判断能力的仪表 智能仪 表一般具有自动测量的功能和强大的数据处理能力 具有进行自动调零和单位换 算的功能 能进行简单的故障指示 具有操作面板和显示器 有简单的报警功能 从结构上看 智能仪表是一个专用的微控制系统 它主要由硬件和软件组成 图 1 1 是其典型的硬件组成图 被 测 参 量 传 感 器 多 路 模 拟 开 关 放 大 电 路 A D 转 换 单 片 机 DAC 驱 动 器 模拟 执行 装置 通信接口 EEPROM RAM 键盘显示器打印机报警设备 图 1 1 智能仪表的系统框图 硬件部分包括输入通道 微控制器及其外围模块 标准通信接口和输出通道 一般的工作过程是 传感器拾取被测参量的信号转换成电信号 经滤波去除干扰 3 后送入多路模拟开关 由微控制器选通模拟开关将各输入信号逐一送入放大器 放大器的信号经 A D 处理后变换成相应的数据送入微控制器中 微控制器根据仪 表所设 定的初值进行相应的运算和处理 运算结果送入显示和打印 微控制器把运算结 果与存储于片内的 FLASH ROM 或 E2PROM 内设定的参数进行比较后 根据运算结构 和控制要求 输出相应的控制信号 与计算机相联 使仪表可以接受计算机的程 控命 令 由计算机进行全局管理 智能仪表的软件部分主要包括测控程序和接口管理程序两部分 测控程序通 过 控制数据采集 对数据进行预定的设置 对数据存储器所记录的数据和状态进行 各种处理 以数据 字符 图形等形式显示各种状态信息以及测量数据的处理结 果 通过键盘操作输入 并存储所设置的功能 操作方式与工作参数 接口管理 程序主要面向通信接口 其内容是接受并分析来自通信接口的各种有关功能操作 方式与工作参数的程序操作码 并通过通信接口输出仪表的实时工作状态及测量 数据的处理结果 响应计算机的远程控制命令 1 2 2 智能仪表的特点智能仪表的特点 与传统仪表相比 智能仪表主要具有以下特点 1 操作自动化 仪表的整个测量过程如键盘扫描 量程选择 开关启动闭 合 数据的采集 传输与处理以及显示和打印都用单片机来控制操作 实现测量过程的自动化 2 具有自动调整功能 包括自动调零 自动故障与状态检测 自动校准 自动诊断及量程自动转换等 3 具有数据处理功能 这是智能仪表的主要优点之一 由于采用单片机或 微处理器 使得原来许多硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题可以 通过软件灵活地解决 4 测量精度高 可以利用单片机或微处理器执行指令的快速性和 A D 转换 时间短等特点对被测量进行多次测量求其平均值 排除一些偶然的误差 4 和干扰 还可以进行数字滤波 剔除粗大误差和随机误差 5 具有友好的人机界面 智能仪表通过使用键盘代替传统仪表中的切换开 关 操作人员只需通过键盘输入命令 实现预定功能 显示屏可将仪表 的运行状态 工作状态和对数据的处理结果及时反映出来 使仪表的操 作更方便和直观 6 具有可程控操作的能力 智能仪表一般配有 GPIB RS232 RS485 以 及现场总线等标准的通信接口 可以很方便地和计算机或其他仪表组成 用户需要的多种功能的测量系统 来完成复杂的测试任务 1 2 3 电子技术 计算机技术和网络技术的进步对智能仪表发展的推动电子技术 计算机技术和网络技术的进步对智能仪表发展的推动 1 微电子技术的发展对仪表智能化的影响 微电子技术是微电子学中各种工艺技术的总称 它包括系统和电路的设计 工艺技术 材料设备 自动测试等一系列技术 自从二十世纪五十年代末第一块集成电路问世以来 集成电路从在一个芯片 上只有几个晶体管发展到今天有几十亿个晶体管的规模 微电子技术的发展基本 遵循摩尔定律 每隔 18 个月集成度增长一倍 高速发展 七十年代芯片的线宽为 5um 八十年代为 1um 目前处于 0 35um 到 0 25um 之间 甚至已经达到 0 13um 过去一块 PCB 板 一个机箱 一个机柜的仪表 今天可以集中在单个芯片上 系 统设计已经从传统的 PCB 设计进展到专用 VLSI 芯片的设计 这对仪表技术的智能 化有着重大影响 对仪表来说 把一些性能要求很高的单元线路设计成专用的集成电路具有重 大意义 专用集成电路 ASIC 的出现 为这一要求的实现奠定了基础 现在可以 把 ADC DAC 运算放大器 比较器等模拟电路 微处理器 DSP 等功能部件以及 闪速存储器 SRAM 等大规模存储器集成在一块芯片中 从而减少了仪表开发中微 处理器外围电路的扩展要求 减少了由于电路分散引起的外部干扰 提高了仪表 的可靠性 2 计算机技术的发展对仪表智能化的影响 自从迅猛发展的计算机技术及微电子技术渗透到仪表技术领域 便使该领域 的面貌不断更新 5 通过计算机 人机交互的信息传送可以分为三个阶段 单纯文字 字符 数 据交互 多媒体信息 交互 虚拟现实的信息交互 数据信息也称为数字信息或 数值信扁 文字字符信息又统称为非数字信息 这是传统的计算机信息交互方式 3 网络技术的发展对仪表智能化的影响 进入二十一世纪 以 Internet 为代表的计算机网络的迅速发展及相关技术的 日益完善 突破了传统通信方式的时空限制和地域障碍 使更大范围内的通信变 得十分容易 Internet 拥有的硬件和软件资源正在越来越多的领域中得到应用 与 此同时 高性能 高可靠性 低成本的网关 路由器 中继器及网络接口芯片等 网络互联设备的不断进步 又方便了 Internet 不同类型测控网络 企业网络间 的互联 利用现有 Internet 资源而不需建立专门的拓扑网络 使组建测控网络 企业内部网络以及它们与 Internet 的互联都十分方便 伴随着网络技术的飞速发 展 Internet 技术正在逐渐向智能仪表设计领域渗透 实现智能仪表基于 Internet 的通讯能力以及对设计好的智能仪表进行远程升级 功能重置和系统维 护 1 2 4 虚拟仪表是智能仪表发展的新阶段虚拟仪表是智能仪表发展的新阶段 虚拟仪表是基于计算机的软硬件测试平台 利用现有的计算机 加上特殊设 计的仪表硬件和专用软件 形成既有普通仪表的基本功能 又有一般仪表所没有 的特 殊功能的高档 低价的新型仪表 虚拟仪表由计算机硬件 应用软件和仪表硬件 三 部分构成 通过软件将计算机硬件资源与仪表硬件有机融合为一体 把计算机强 大的数据处理能力和仪表硬件的测量 控制能力结合在一起 通过软件实现对数 据的 显示 存储以及分析处理 虚拟仪表的系统结构构成和传统的仪表一样 也由三部分构成 数据输入 进行信号调理并将输入的被测模拟信号转换成数字信号便于处理 数据处理 按 6 测试要求对输入信号进行各种分析与处理 数据输出 将量化的数据转换成模拟 信号并进行必要的调理 虚拟仪表的主要特征是 1 灵活性 虚拟仪表把仪表功能交付给用户去实施 随着测量需要的变化 用户可以方便地增加硬件或软件组成部分 或者重新配置现有的硬件与软件组成 部分 特别是当用户转移到下一个研究开发项目时 不必抛弃其硬件和软件 只 需制作一种新的虚拟仪表 2 功能强大 虚拟仪表既有仪表硬件的功能 又有计算机硬件的功能 更有 计算机软件的功能 现有硬件发展迅速 软件技术也在不断发展 所以虚拟仪表 比传统仪表功能大为增强 3 使用方便 易于维护 虚拟仪表具有很友好的用户界面 窗口接口 这为 使用和维护提供了有利条件 4 高性能价格比 虚拟仪表由需要部分专用硬件和软件 目前比较贵 但是 由于虚拟仪表主要采用量大面广的普通计算机硬件和强大而成熟的软件环境 可 实现灵活的仪表功能而具有重用性 所以具有优异的性能价格比和良好的应用前 景 虚拟仪表的出现是仪表发展史上的一次革命 代表仪表发展的最新方向和潮 流 将对仪表技术的发展产生不可估量的影响 1 3 国内外电能表技术发展的现状国内外电能表技术发展的现状 1 电能表概述 1880 年 汤姆斯 爱迪生根据电解原理发明了电能表 但它只适用于对直流 电 能的测量 1888 年 随着交流电的应用 人们开始研究交流电表 1889 年 人们 根据意大利的费拉里斯教授提出的感应式电能表原理成功地制造出了交流电能表 即感应式电能表 当有交流电流通过时 其电压与电流线圈将交变的电压与电流 转变成交变的磁通 驱动转动部分 圆盘 旋转 记录转动部分所转过的圈数 将其转换成相应的电能 到十九世纪末 经过诸多科学家的努力 研究出较完整 的感应式电能表制造理论 7 随着电力事业的发展和人们对能源的有效利用使得感应式电能表在使用过程 中暴露出它固有的缺点 功能单一 准确度低 频率适应范围窄等 二十世纪六 十年代 为了扩充电能表的使用功能 出现了感应式脉冲电能表 它依然采用感 应式电能表的测量机构 只是利用光电传感器将电能转换成电脉冲信号 通过电 子电路对脉冲信号进行处理和计算 完成电能的计量工作 但并没根本上改变感 应式电能表的缺点 二十世纪七十年代 研制成功电子式电能表 也称为静止式电能表 电子式 电能表利用电子线路把单相或三相交流功率转换成脉冲或其它数字量 根据转换 方式不同 全电子式电能表主要有热电变换型 时分割乘法器型和模拟 数字变换 ADC 型 热电变换型利用电能的热效应产生热量 再利用热电元件把热能转换成一个 正比于电功率的电信号 热电变换型电能检测方式成本较高 适用于制造高精度 仪表 不适合大规模生产 时分割乘法器型的核心是时分割乘法器 它实质是一个脉宽 幅度调制器 输入时分割器的两路输入信号分别被进行脉宽和幅度调制 调制后得到的脉动信 号的直流分量即为两路输入信号的乘积 时分割乘法器型电能表因其成本低 精 度好而得到广泛运用 但一般适用于生产普通电能表 它的主要障碍在于功能扩 展比较困难 模拟 数字变换型电能表将电压 电流瞬时值转换成数字量 由微处理器对它 们进行分析处理 ADC 检测到的是反映电量的最基本的量 微处理器对它进行各 种数字处理 计算出瞬时功率 无功功率 视在功率 电能累计值 功率因素 电压电流的大小等 模拟 数字型电能表在精度 功能扩展 启动电流 频率的响 应等方面都适于研制开发多功能电能表 因此获得广泛运用 电子式电能表与感 应式电 能表相比 有了质的飞跃 它具有测量精度高 功能扩展容易 可测频带宽等优 点 2 我国电能表技术发展的现状 8 我国 20 世纪 70 年代开始用电子式电能表 先是依靠进口 到 80 90 年代国 内已经能够生产 0 05 级电子式电能表 经过十多年的发展 现在我国的电能表 技术 水平在大部分领域已经达到国外同类产品的先进水平 在市场经济下 人们对电 能的计量的准确度越来越高 对用电的管理要实现智能化和自动化 这些都是感 应式电能表无能为力的 近年来 高准确度 多功能 长寿命且能实现远程抄表 的多功能全电子式电能表的出现 为电子式电能表取代感应式电能表创造了条件 3 国外电能表技术发展的现状 国外电能表技术的发展主要集中在电子式电能表的计量芯片上 而计量芯片 的核心是乘法算法的实现方式 目前 乘法器与相关算法的实现主要有三种方式 1 采用硬件搭建构成内部运算乘法器 2 通过外部 MCU 软件编程实现乘法运 算处理 3 采用 DSP 或专用计量芯片实现乘法处理 如采用 ADC DSP MCU 计量 软件或专用计量部件 MCU 的解决方案 前者如由 ATMEL 公司的 AT73C500 和 AT73C501 制成的电能表 后者如由 TI 公司 MSP430F42x 制成的电能表 电能表未 来的发展趋 势是计 量部分模块化 并能直接给出所有高精度的测量参数 以及控制部分功能扩展 在电能表的制造技术上 越来越多的新技术得到使用 如 EDA 电子设计自动化 CAM 计算机辅助制造 CAT 计算机辅助测试 SMT 表面贴装技术 等 1 4 本章小结本章小结 本选题所要研制的单相多功能电能表拟解决以往此类电表普遍存在的精度差 功能有限 结构复杂 成本偏高等问题 本课题选择美国德州仪表公司 TI 的 MSP430 单片机作为电能表的微处理器 MSP430 是超低功耗的 16 位单片机 采用 精简指令集 它具有丰富的片内外设 功能强大 并且具有很低的电能消耗 特 别适合在电池供电的设备中运用 图 1 2 是本选题开发的电能表的结构原理图 本单相多功能电表由输入转换部分 单片机部分 通信部分和输出部分组成 其中 电压电流经输入转换变成单片机可以处理的信号 单片机采用 9 MSP430X3XX 通信采用红外通信方式 输出部分则是有关数据送 LCD 显示和脉冲 输出 在研制过 程中 精度 可靠性 功耗是侧重点 并充分考虑产品化的需要 采取了一些有 利于推广的措施 参照电能表的有关标准 本电能表实现以下功能 电压回路 电流回路 脉冲 MSP430 存储器 LCD 时钟 通信 电源 图 1 2 多功能电能表结构 1 电能计量 对市电的电压 电流采样处理 得到电压有效值 电流有效值 有 功功率和无功功率等电能参数 2 费率管理 每天有 3 种费率可供选择 3 时间管理 具有日历 计量和闰年自动切换功能 4 通信 利用红外通信方式 与电能表手持抄录器交换数据 5 显示 可显示上月 本月总电量及各费率时段的电量 10 第二章第二章 总体方案总体方案 电能表实际上就是一个自动化测控系统 设计时需要一个总体设计方案 以 便后面具体设计工作的开展 2 1 测量的概念及原理测量的概念及原理 人们借助于专门的设备 通过实验方法对客观事物取得数量信息的过程称为 测量 它与计量的区别在于 计量是以确定值为目的的一组操作 一般认为 以 国家法定计量单位为计值单位进行的测量属计量的范畴 按被测量值的获取方法 测量可以分为三类 直接测量 间接测量和组合 11 测量法 直接测量法是不需对被测量有函数关系的其它量进行测量而获得被测量值的 一种方法 间接测量法是通过对被测量有函数关系的二个或三个以上的相关量的测量而 得到被测量值的测量方法 组合测量法是当各未知量能以某些可测量的组合形式表示 或改变测量条件未 获得这种不同的组合 时 根据直接测量和间接测量所得的数据 通过一组联立方 程而求出各未知量的数据 2 2 电能参数的测量电能参数的测量 2 2 1 电压 电流测量电压 电流测量 周期性电压 电流的瞬时值是随时变化的 所以一般用有效值表征它们的作 功能力并度量其 大小 如电流有效值的定义是一个周期性电流的作功能力和直 流电流的作功能力相比 则有 在相同时间 T 内周期电流 I 流过电阻 R 所做的功 与直 流电流 I 流过电阻所做功相等 就称此直流电流的量值为此周期电流的有效值 直流电流 I 流过电阻 R 在时间 T 内所做的功为 RTIW 2 2 周期性电流 l 流过电阻 R 在时间 T 内 电流 l 所作的功为 RdtiW r 0 2 2 根据以上定义 即 21 WW RTIRdti T 2 0 2 于是 周期电流 1 的有效值为 式 2 1 T dti T I 0 2 1 同理 电压有效值 V 为 dtu T V T 0 2 1 式 2 2 12 上面两式 2 1 和 2 2 式 即是对电流 电压求均方根值的运算 根据周期 性连续函数有效值的定义 将电压 电流函数离散化 得 式 2 3 N n nu N V 1 2 1 式 2 4 1 1 2 ni N I N n 式中 u n 和 I n 分别表示被测电压 电流信号离散采样值 2 2 2 功率测量功率测量 电路由有源元件和无源元件组成 有源元件包括电源和反电动势 而无源元 件可以分成两类 一类是耗能元件电阻 R 另一类是储能元件电感 L 和电容 C 工 作中的电路中时时刻刻都在进行着电能和其它形式能量的相互转换 在含有储能 元件电感 L 或电容 C 的正弦交流电路里 电阻元件 以及反电动势负载 的端电压 与端电流方向总是相同的 其瞬时功率都为正 它把电能转化成其它形式的能量 而电感 和 电容上电压与电流的瞬时值在一个周期里有半个周期二者的方向相同 电能转化 为磁场能或电场能储存在电感或电容内 另外半个周期中电压与电流的实际方向 是相反的 磁场能或电场能转化为电能回馈电路 所以 储能元件能量的转换是 双向的 可逆的 在一个周期内的平均功率等于 O 有功功率定义为一周期内瞬时功率的平均值 由于储能元件一周期内瞬时功 率 的平均值为 0 所以实际元件的有功功率也就是电路中电阻上耗能的规模 无功功率反映了储能元件 L 或 C 在一周期内能量交换的规模 即电能与磁场 能或电场能交换的规模 其规模大小用能量交换的最大速率来表示 一般周期信号电路的有功功率为 式 2 r dttitu T P 0 1 5 13 其中 T 为周期信号的周期 式 2 5 经离散化可得 式 2 N n ninu N P 1 1 6 注意 2 6 式对正弦电路是完全适用的 由于储能器件的存在 单相正弦电路中的有功功率的定义为 其中 v 了分别为电压 电流有效值 为功率因数 它反映了有功功率cos 与视在功率 S 叮的比值 而在物理上功体现为正弦的电压波形与电流波形之间的 相位差 单相正弦电路的无功功率的定义式为 式 2 sinVIQ 8 在这里会面临以下两个有待解决的问题 1 如何得到式 2 8 的离散化表达式 2 因为非正弦电路的无功功率不能简单地体现为电压波形与电流波形之间的 相位差 因此不能以 Vl sin 表示 在这种情况下如何求得非正弦电路的无功功 率 下面就是解决上述问题的两个方法 1 数字移相法 2 8 式可以变换为 式 2 90cos VIQ 9 由式 2 9 可以看出 用电压采样值乘以滞后电压 90 的电流采样值然后累 加可以求得无功功率 即无功功率的离散化计算公式为 式 2 N n N ninu N Q 1 4 1 10 这种计算称为无功功率的简单数字移相法 它要求被测号为严格的正弦波情 况 换句话说 它不能对含有谐波的电路进行准确的无功功率测量 14 2 视在功率法 实际运用中 电网还存在一些谐波成分 用式 2 10 计算无功功率将产生较 大误差 因此应该用下述方法进行无功功率的计算 用 2 3 和 2 4 分别求出有效值 v r 然后求出视在功率 S vl 则有 式 2 11 22 PSQ 这种方法只要满足采样定理 在原理上可以实现对含有谐波的电路的有功和 无功功率的测量 并进而可推演出其它的一些被测量 2 3 多费率电能表的原理多费率电能表的原理 多费率电能表又称为分时计费电能表或复费率电能表 它可按预定的峰 谷 平时段的划分 分别计量高峰 低谷 平段的用电量 从而对不同时段的用电量 采用不同的电价 多费率电能表由电能测量单元和具有分时计量功能的电路组成 对电子式电 能 表而言 测量为了实现分时计量 电表设计的关键是设有计时准确 时段误差和 日误差小 接通 切换准确的时钟和时控电路 多费率电能表原理如图 2 1 多功能电能表的费率结构按照电能表的技术要求 主要规定了不同的费率结构 采用不同的费用结算方式 对电能表来说 需要存储费率结构的各种数据表格 包括日费率表 周费率表 季节费率表和节假日费率表等 这些表格不是孤立存 在 而是一个有机的整体 通过软件判断 选择合适的费率 实现分时计费的功 能 15 图 2 1 多费率电能表结构图 显示器 时钟 秒信号 电源 测量电源 基基时控电路 显示器 计数器 分时计数 存储 译码 尖 峰 平 谷 市电 16 2 4 单项电能表原理单项电能表原理 电流电流电压电压 a 2次A D转 换之间的 时间间隔 重复时间 时间 图 2 2 单项电能表测量时序 被测电能 E 为 式 2 tUUiE nn l 11 0 11 式中时刻的电流采样值 A 时刻的电压采样值 V nn ti 11 nn tU U 时刻的电压采样值 V 采样时间间隔 s 11 nn tUt t 时刻则电流为tUUn sin 式 2 sin tIin 12 时刻电压采样值tt 式 2 sin 1 tUUn 13 时刻电压采样值tt 式 2 sin 1 tUUn 14 为被测电压和被测电流之间的相位差 测量方法引入测量误差 为 e 1 正确值 采样值 e 17 式 2 1 2cos 1cos 1 sin sin sin sin sin 5 1 tf tItU tUtUtI 15 2 5 有功电能计算有功电能计算 设在 t 时刻负载两端的交流电压和流过负载的交流电流的表达式为 式 2 tUtutu m sin2sin 16 式 2 sin 2 sin tItIti m 17 其中u 时刻电压瞬时值 时刻电流瞬时值 电压峰值 电tru tti m U m I 流峰值 U 电压有效值 I 电流有效值 电压与电流相位差 一角频率 则在一个周期内平均有功功率 P 为 式 2 r dttitu T p 0 1 18 T dttitu T 0 1 r dttUI T 0 2cos cos 1 cosUI 一个周期内的电能 W 为 式 2 r TUIdttituW 0 cos 19 18 电子式电能表中起主要作用的是电能测量单元 其作用是将输入电压与电流 变换成与功率成一定比例关系的脉冲信号 送至分频和计数 它是电子式电能表 的关键 其测量精度直接决定电能表的精度和准确度 电子式电能表的电能测量 单元种类繁多 其中乘法器是该单元的核心组成部分 乘法器的类型决定了电子 式电能表电能测量单元的结构 乘法器大体可分为模拟乘法器和以数字乘法器两 类 模拟乘法器的又分为热电转换型 霍尔效应型和时分割型等 数字乘法器则 包括以微处理 器为核心的高精度 A D 型和 DSP 型乘法器 不管哪种乘法器 都是以式 2 19 为 理论基础形成的 初期的电子式电能表以时分割型为主的较多 目前的电子式电 能表则以数字乘法器为主 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 T N t 则有功电 量公式可以表示为 式 2 n k kiukW 1 20 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 计 算机软件就可按公式 2 20 计算出被测的有功能量 街取得越小 则计算结果越 准确 对三相计量来说 三相有功功率或者三相负载吸收的平均功率都等于它们 各相的平均功率之和 即 式 2 cbacba UIUIUIpppp coscoscos 21 2 6 最大需求量最大需求量 最大需量定义为一个月内平均 30 分钟或 15 分钟内消耗的功率的最大值 计 量最大需量是为了调节用电负荷 作到负荷平衡 有利于提高电网设备利用率 12 2 1 max tt Pdt P 19 其中为时刻 的差等于 15 或 30 分钟 12 t t 在一段时间 内 记录下的最大值和发生的时刻 一般情况下 12 tt max p 采用滑差方式 每过一分钟增加 但的差值保持不变 固定为 15 12 tt 21 t t 12 tt 或 30 分钟 2 7 多费率电能表开发过程多费率电能表开发过程 本选题以美国德州仪表 Texas Instruments 公司生产的以超低功耗 16 位单 片 机 MSP430X32X 系列为核心开发多费率电能表 其开发过程遵循以下步骤 1 根据任务需求及单片机所能提供的资源 外围 I O 接口 定时器 中断和 计算时间等 在 MSP430 系列中选择最适当的型号 2 对硬件电路进行完整的设计 并按工作条件选择单片机外部器件 3 根据设计任务对单片机的 RAM 单元进行分配和定义 4 设计完整软件的流程图 5 软件模块化汇编语言编程 汇编与纠错 6 仿真调试与修改完善 7 现场试验和测试 2 8 本章小结本章小结 本章主要式阐述了电能测量的原理及其感念 以及电能的一些常用参数的计 算 电能表的收费原理及其结构 电能表的开发过程 设计电能表的趋势以及主 要任务 20 第三章第三章 电能表的硬件设计电能表的硬件设计 3 1 硬件总体方案硬件总体方案 图 3 1 给出了电能表的硬件框图 电压PT信号调理 电流CT信号调理 校验脉冲 A D 处 理 能 量 计 量 复 费 率 计 算 单 元 MSP430 x32x 串行 EEPROM LCD接口 其他接口 电源管理 图 3 1 单相电子电能表的结构模块 图 3 1 中的硬件按功能可分为测量 单片机 显示器 串行 E2PROM 存储 通 信和电源等单元 1 测量 其功能是把市电中的电压 电流高电平信号转换成单片机内 AID 转换器能处理的低电平信号 市电经过电压互感器和电流互感器转换成交流 低电平 信号后输入单片机 2 单片机 数据处理 计算 显示和通信的控制中心 3 显示 采用 LCD 显示累计电能或其它数据 4 串行 EZPROM 单片机内部 RAM 掉电时将丢失随机存取的数据 故外 21 接一片 EZPROM 主要用来存储各个时段的用电量 电能表常数 时间参数 5 通信 利用红外通信实现电能表与或手持抄录器之间的数据传输 6 电源 电源的提供可采取两种方案 一是市电经过整流 滤波 稳压 得到稳定的直流低电压 向表内供电 这种方案的缺点是需要复杂的电源电路 导致造价 功耗和停电数据保护和电气隔离等一系列问题 另一种方案是采用电 池供电 这在电表采用低功耗设计时是可行的 并且带来诸多好处 对于电 表来说 这两种供电方式都是可行的 但是对于某些过程仪表 如远程压力 温度 流量仪表等 采用电池供电的低功耗设计就具有更大的优势 本选题也探索了电池供电方案 并采用下列措施降低电表的功耗 1 采用低功耗 MSP430 系列单片机 2 使用低功耗外围器件 如运放等 3 数据的采集和功率的计算按一定周期 如每秒种一次 唤醒 电表大部 分时间处于休眠状态 3 2 MSP430C3XX 系列单片机系列单片机 单片机是电能表的数据处理部分的核心器件 系统要求在短时间内处理大量 的数据 因此要求单片机有较高的运算速度 本选题在对多种单片机进行了解后 决定采用 MSP430 系列单片机 MSP430X32X 作为电能表的核心 MSP430 系列单片机是美国德州仪表 Texas Instruments 公 司生产的以超低功耗为主要特色的 16 位单片机 MSP430X32X 系列属于外围较为丰 富且支持 LCD 的中档产品 其内部结构如 振荡器系统 与时钟程序存储器数据存储器 ADCWDT CPU 16 寄存器 随机逻辑 总线 转换 USART输入输出口输入输出口 8位定时器基本定时器LCD驱动器 图 3 2 MSP430X32X 系列的内部结构 图 3 2 所示 主要特点如下 2 5 5 5V 工作电压 22 消耗电流 0 1 备用模式 一 400uA 1MHz 3V 5 种低功耗方式 16 位 RISC 体系 仅 27 条核心指令 指令周期 300nS 采用 32KHz 晶振 内部时钟达 3 3MHz 图 3 3 MSP430X32X 系列管脚 片内 LCD 驱动器多达 84 段 片内 12 2 位 A D 转换 灵活强大的处理能力 看门狗定时器 定时器口 具有比较器的 2 个八位或 1 个 16 位定时器 5 个输出一个 I O 适于作斜坡 AD 转换 基本定时器 2 个八位或 1 个 16 位定时器 I O 口 0 8 个 I O 均有中断能力 图 3 3 由此可见它特别适合用于智能仪表 智能化家用电器 电池供电便携式设备 23 等产品之中 MSP430X32X 系列包括 ROM 版本 C323 8KBROM 256BRAM 与 C325 16KBROM 512BRAM OTP 版本 P325A 和 EPROM 版本 E325A MSP430 使用的时钟有 ACLK MCLK 和 SMCLK 其中 ACLK 是晶体振荡器的频率 一般使用 32768Hz 的晶振 这样就允许低频时钟方式工作 从而降低功耗 MCLK 通过锁相环 FLL 和数控振荡器 DCO 得到 其频率在复位后的初始化中自动设置 为 ACLK 的 32 倍即 1 048MHz 然而可通过软件设置为 ACLK 的 2 128 倍 SMCLK 是 子系 统时钟 取决于外围模块的要求 可来自晶振或 MCLK 的分频 MSP430 系列的工作力一式支持超低功耗的多种需求 这些需求通过对不同模 块的工作方式和 CPU 工作状态的管理来实现 在 CPU 中有 R0 R15 共 16 个 16 位寄存器 可用来存储地址或数据 可对 64K 空间进行寻址 其中 RO R3 为专用寄存器 分别是程序计数器 PC 堆栈指针 SP 状态寄存器 SR 和常数发生器 CG 其它 R4 R15 为 12 个通用工作寄存器 在状态寄存器 SR 有几个影响 CPU 电流消耗和从低功耗状态快速返回的标志位 分别是 SCGI SCGO OSCOff 和 CPUOff 其中 1 CPUOff 置位时 关闭 CPU 禁止 MCLK 2 SCGO 置位时 禁止 FLL 环路控制 3 SCG1 置位时 禁止 DCOCLK 信号 4 OscOff 置位时 禁止 LFXT1 晶体振荡器 因此 通过对这些状态位的控制 可实现如下 6 种工作方式 1 活动方式 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 24 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 由此可见在低功率方式下 CPU 均停止了工作 MSP430 系列在电源为 5V 时活 动方式下的工作电流大约为 0 9mA 而在 LPM3 下则可低到 2uA 仅相当于电池的 自放电电流 在任何低功率方式下均支持中断操作 一旦中断发生即可将系统从 当前工作方式中唤醒进入活动方式 而且可在中断处理结束后返回原先的低功率 方式 在 LPM3 方式下 RAM 32768Hz 晶振 ACLK 8 位定时器 基本定时器 复 位逻辑和部分选定的外设保持工作 本设计利用这种方式来降低电池的消耗 MSP430 系列的低功耗方式在其它过程智能仪表中也大有可为 MSP430X32X 中的各个模块 这些模块包括 ADC EPROM 晶振缓冲器 系统时 钟 定时器 口 八位定时器 计数器 基本定时器 LCD 驱动器 PO 口和特殊功 能 寄存器等 这些模块统称为外围 Peripheral 创门的编程和应用要用到一些特 定的存储单元 寄存器 这些单元占有相应的地址 MSP434X32X 的存储空间分 配 3 3 中断与部分资源的应用设计中断与部分资源的应用设计 3 3 1 MSP430 的中断系统的中断系统 MSP430C32X 的各中断矢量和加电时起始地址位于 OFFFFh OFFEOh 的 ROM 中 中断矢量包含一个相应的中断处理指令序列的 16 位地址 25 在 16 级中断中 某