基于msp430fe42x单相电表

镇江高专ZHENJIANGGAOZHUAN毕业设计论文基于MSP430FE42X单相智能配电仪表的设计BASEDONTHEMSP430FE42XSINGLEPHASEINTELLIGENCEDISTRIBUTIONOFINSTRUMENT系名电子信息系专业班级电子D08学生姓名曹娟娟学号080203124指导教师姓名胡春花指导教师职称副教授二零一一年五月目录第一章MSP430FE42X介绍1111MCU功能介绍1112MCU特性2121ESP430CE1功能介绍3122ESP工作模式4123CPU与ESP513段码LCD介绍6131LCD介绍6132LCD原理介绍7133段码LCD驱动介绍7第二章硬件设计1221采样信号处理12211电流采样电路13212电压采样电路13213采样后电流电压的处理1322显示处理1623MODBUS通信处理19231隔离保护电路处理19232485电路处理20233MODBUS通信协议2124键盘输入电路2425电源电路24第三章软件设计2631主机初始化2832样信号处理29331ESP中断服务程序30332SD16中断服务程序30333TIMERA中断服务程序31334BASICTIMER中断服务程序3234PORT中断服务程序33结论与展望34致谢36参考文献37附录A硬件原理图43附录B程序代码54附录C产品图片56基于MSP430FE42X单相智能配电仪表的设计专业班级电子D08学生姓名曹娟娟指导教师胡春花职称副教授摘要本文主要介绍了一种以单片机MSP430FE427和电能计量模块ESP430CE1为核心的智能配电仪表。智能配电仪表是一种采集多种配电信息，具备数据传输的数字仪表，它集数据采集与控制功能为一身。它可以代替多种仪表、继电器、变送器和其它元件。智能配电仪表可以安装在配电系统内的不同位置。智能配电仪表具有RS485通讯接口，能够集成到任何电力监控系统中。特别是，专门为电力监测与控制设计的系统管理软件能够更好的体现智能配电仪表的先进性能。智能配电仪表是针对电力系统、工矿企业、公用设施、智能大厦的电力监控需求而设计的智能配电仪表。它能测量所有的常用电力参数，如单相电流、电压，有功、无功功率，电度，开关状态等。由于该电力仪表还具备完善的通信联网功能，所以我们称之为智能配电仪表。它非常适合于实时电力监控系统。仪表产品具有极高的性能价格比，可以直接取代常规电力变送器及测量仪表。作为一种先进的智能化、数字化的前端采集元件，智能配电仪表已广泛应用于各种控制系统、SCADA系统和能源管理系统中。关键词电能计量配电系统电力监控系统智能化数字化能源管理BASEDONTHEMSP430FE42XSINGLEPHASEINTELLIGENCEDISTRIBUTIONOFINSTRUMENTABSTRACTTHISPAPERINTRODUCESANMCUMSP430FE427ANDENERGYMETERINGESP430CE1MODULESFORTHECOREINTELLIGENTPOWERMETERINTELLIGENTPOWERMETERISACOLLECTIONOFDATATRANSMISSION,DISTRIBUTIONINFORMATIONWITHTHEDIGITALINSTRUMENT,ITSETSTHEDATAACQUISITIONANDCONTROLFUNCTIONSFORASUITITCANREPLACEVARIOUSINSTRUMENTS,RELAYS,TRANSMITTERANDOTHERCOMPONENTSINTELLIGENTPOWERMETERCANBEINSTALLEDINADIFFERENTPOSITIONWITHINTHEDISTRIBUTIONSYSTEMINTELLIGENTPOWERMETERWITHRS485COMMUNICATIONINTERFACECANBEINTEGRATEDINTOANYPOWERMONITORINGSYSTEMESPECIALLY,SPECIFICALLYFORPOWERMONITORINGANDCONTROLSYSTEMOFMANAGEMENTSOFTWARETODESIGNBETTERREFLECTSTHEADVANCEDINTELLIGENTPOWERINSTRUMENTPERFORMANCEINTELLIGENTPOWERMETERISINPOWERSYSTEM,INDUSTRIALANDMININGENTERPRISES,PUBLICFACILITIES,POWERDEMANDOFINTELLIGENTBUILDINGANDDESIGNOFINTELLIGENTPOWERMETERITCANMEASUREOFALLCOMMONELECTRICPARAMETERS,SUCHASTHEPHASECURRENT,VOLTAGEANDREACTIVEPOWER,ACTIVE,ELECTRICSWITCHSTATE,ETCBECAUSETHEELECTRICPOWERMETERALSOHASPERFECTCOMMUNICATIONNETWORK,SOWECALLTHEFUNCTIONOFINTELLIGENTPOWERMETERITISVERYSUITABLEFORREALTIMEMONITORINGSYSTEMOFPOWERINSTRUMENTATIONPRODUCTSWITHHIGHPERFORMANCE,CANBEDIRECTLYREPLACECONVENTIONALPOWERTRANSMITTERANDMEASURINGINSTRUMENTASAKINDOFINTELLIGENCE,ADVANCEDDIGITALFRONTENDINSTRUMENTATION,INTELLIGENCEGATHERINGELEMENTDISTRIBUTIONHASBEENWIDELYAPPLIEDINALLKINDSOFCONTROLSYSTEM,THESCADASYSTEMANDENERGYMANAGEMENTSYSTEMKEYWORDSELECTRICPOWERDISTRIBUTIONSYSTEMS,MEASUREMENTANDMONITORINGSYSTEM,INTELLIGENT,DIGITALANDENERGYMANAGEMENT引言电力的供应对社会的生产、工作的正常进行有着非常重要的作用。传统的低压配电控制方式，主要是通过断路器、接触器、热继电器、熔断器、控制继电器、各种主要电器、互感器及各种电工仪表（电流表、电压表、功率表、电能表等）组合成的低压开关控制柜来实现配电、控制、保护、监视等功能。这种传统的开关柜需要配有多种模拟指针仪表及继电器；给生产、储存、维修带来极大不便，并且以人工直接操作为主，无法实现计算机智能管理，对于较为复杂的控制逻辑实现起来比较困难。随着现代工业的发展，对电气设备控制自动化和智能化程度的要求越来越高，利用现代电子技术、传感器技术、通讯技术、计算机及网络技术，将电力设备在正常及事故情况下的监测、保护、控制、电力计量同工厂集散控制系统DCS、PLC、企业资源计划管理融合在一起，达到高层次、高透明度的良好管理，已成为一种必然趋势和发展方向。在数字化的时代，INTERNET风靡全球，也改变着全世界。它正式宣布数字化网络时代已经来临。这意味着一切运行和经营管理方式均需数字化，并且必须与电脑、通信相融合。从80年代末到90年代初，随着计算机技术、微电子技术、电力电子技术、抗干扰技术等新技术的迅速发展，特别是网络通讯技术的发展使得电力自动化技术得到了空前发展。各大公司开始把这些技术应用于配电系统，也就是所谓的把强电控制与微电子技术、计算机技术、网络通讯技术相结合，从而诞生了智能型开关柜及相关产品，如德国西门子公司SIVACON系列，英国ALSTOM公司GALAXIS和TRIMLINE系列，ABB公司HONOR系列等。目前，智能型开关柜及智能配电系统在我国的应用已经由起步阶段进入到成熟阶段，尤其是2001年8月颁布的“低压智能配电标准草案”更起到了推波助澜的作用，智能型开关柜革命性地改变了传统开关柜的概念；具有多功能、数字化、网络化、智能化、结构紧凑、易于维护等特点，它可以满足电力工业未来的需求，具有预防/避免事故发生、强化企业内部能源考核、减少设备维护和检修时间、实现数据资源共享等诸多优点，为企事业单位的现代化管理提供了坚实、可靠的基础，“一次投资，终身受益”，真正保证用户的投资利益不受损害。智能型开关柜是在现有的以模拟仪表、继电器为监测、控制设备的普通开关柜基础上，与新型的智能仪表（网络电力仪表、智能配电监控/保护模块等、网络I/O）进行配合，通过其网络通讯接口与中央控制室的计算机系统联网，从而可以实现对各供配电回路的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、电度量等电参数进行监测以及对断路器的分合状态、故障信息进行监视，对断路器的分合状态进行控制，配合各种完善的远程监控软件，从而实现“四遥”遥测通过计算机实时对系统进行电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率等进行不断的采集、分析、处理、记录，显示曲线、棒图，自动生成报表。遥信可以实时对开关的运行状态、保护动作等开关量进行监视，计算机实时显示和自动报警，并对各柜内开关的状态、事故跳闸、过流、速断、温度等动作进行实时记录、打印。遥控通过计算机屏幕选择相应的站号、开关号、合/分闸等信息，并在屏幕上将要选择的开关的状态反馈回来，确认后执行，实时记录操作的时间、类型和开关号等。遥调用于设定各种智能模块的运行参数，既计算机根据屏幕操作指令或计算机根据对系统分析判断结果，对智能模块的设定值和故障保护值进行远程整定。智能配电系统就是各种智能型开关柜与计算机监控系统的组合应用，一般由若干面通过通信网络联接的智能型或非智能型低压开关柜组成。其配置可根据具体工程的需要，既可配置成全智能型器件及监控装置的开关柜，又可配置成全部使用传统电器元件及监控装置的开关柜，同时也能混合配置。给用户选用提供了较大的灵活性，以满足不同层次的需要。第一章MSP430FE42X介绍111MCU功能介绍德克萨斯仪器MSP430系列超低功耗控制器由针对多种不同应用具有不同外围模块的芯片组成的。其结构与五种低功耗模式相结合，适合在便携测量应用中实现延长电池寿命。芯片具有强大的16位精简指令CPU，16位寄存器和常数发生器，可以实现最大哦代码执行效率。带数字控制振荡器的锁频环FLL提供从低功耗模式到活动模式小于6US的迅速唤醒。MSP430XE42X系列是一款配置有三个独立16位模数转换器和嵌入式信号处理器内核、用于测量和计算二线或者三线配置的单相电能的微控制器。特殊应用包括二线和三线单相电能测量，包括防篡改仪表的实现。图11MSP430FE42X芯片引脚图图12MSP430FE42X功能框图112MCU特性MSP430FE42X是TI公司的一款优秀的单片机，有以下特性低电源电压范围，27V36V超低功耗活动模式仅MSP430400UA1MHZ，30V待机模式11UA关闭模式RAM保持01UA五种功率节约模式6US内从待机模式唤醒锁频环FLL16位RISC体系，125NS指令周期嵌入式信号处理用于单相电能计量CESP430E1带3个捕获/比较寄存器的16位定时器，TIMER_A集成128段LCD驱动器串行通信接口USART，通过软件选择异步UART或同步SPI基本定时器支持实时时钟节电检测器带可编程电平检测的电源电压管理/监控串行在线编程，无需外部编程电压。安全熔丝可编程代码保护FLASH器件有自举转载程序封装温度64脚方形扁平封装QFP/408512ESP430CE1介绍121ESP430CE1功能介绍ESP为一个独立的具有MCU特征的模块，名字叫做ESP430处理器，该处理器内核带硬件乘法器，4K字节ROM，256字节RAM保存校准参数和ESP430的内部数值和堆栈RAM，32字16位DPRAM用于返回值。该模块与MCU的数据交换是通过信息交换操作来完成的。这就要有一个信息交换的机制来控制这种交换。MSP430CPU和ESP430是通过一个邮箱中断机制相互通信。它们之间用一个控制寄存器MBCTL，两个输出邮件寄存MBOUT0、MBOUT1，有两个输入邮件寄存器MBIN0、MBIN1来进行信系的操作。用信息返回寄存器RETX来获取ESP的运行结果。用一些带有命令的参数来调整ESP模块运行的状态和修正由于硬件引起的某些运行偏差。ESP模块可以分为两个部分带三个独立16为AD的模拟前端和数字信号处理器。图13为ESP的功能结构。从图我们可以看到模拟前端包括三个前置可编程增益放大、三个16为AD转换器、内部参考发生器等。它提供两个差分输入的电流通道和一个差分输入的电压通道，为实现高精度、防窃电的单相多功能电表提供了硬件基础。内置的数字信号处理器负责把模拟前端采集的数据加工成相应的电表参数，如有功电能，无功电能，电流、电压、频率、功率因子等。由于大量的、复杂的计算和处理已由内置的数字信号处理器完成，我们设计一个单相多功能电表所需要做的仅仅是对ESP模块寄存器的读写操作。图13ESP的功能结构框图122ESP工作模式图14体现了我们对电能计量模块ESP的操作流程，从复位开始，我们第一步要做的是对ESP模块一些寄存器的初始化设置。对ESP模块的初始化主要包括模拟前端寄存器的初始化和参数寄存器的初始化（通过邮箱操作）。模拟前端初始化包括选择AD采样时钟源、选择时钟原分频系数、选择参考电压、选择前置增益放大器的放大倍数、选择过采样率。这些工作是为开始AD采样做准备。参数寄存器的初始化是为了提供给ESP计算基准和补偿系数，典型包括配置ESP工作方式、设置电网基准频率（如50HZ）、设置线路相位偏差、设置两电流通道自适应因子、设置开电流。对ESP初始化完成后，我们就可以使ESP进入测量模式，开始电表参数电表参数（如有功电能、无功电能、电流、电压、频率、功率因子等）的测量。图14ESP工作模式123CPU与ESPCPU可读，ESP可写这类寄存器是ESP返回的是测量所得电表参数（如有功电能、无功电能、电流、电压、频率、功率因子等）和电表状态，也就是图15中的结果返回寄存器。我们应即时把这些值读出来，作存储、显示等处理，以实现高精度的单项多功能电表。通过邮箱操作的寄存器这类寄存器对应图15中的基准参数寄存器，它们对于CPU是不可见的，CPU只能通过邮箱寄存器对他们进行读写操作，它们在ESP模块内都有相应的地址（这些地址不属于CPU的64K寻址范围）。寄存器的用途是设置基准、补偿电路误差等。图15ESP430与MSP430CPU的关系框图13码LCD介绍131LCD介绍随着LCD的发展越来越成熟，其实响应时间在8毫秒的LCD，已能满足游戏的要求了，过份的追求响应时间并没有这个必要，但响应速度也并非越短越好。较短的响应速度需要通过降低液晶粘稠度或增大驱动电压两种方法来实现，但是降低液晶粘稠度会导致显示的色彩变淡、不够鲜艳，而增大驱动电压则会降低真实色彩的还原能力，近期，对于响应时间这个炒作已渐渐沉静。液晶LIQUIDCRYSTAL是一种介于固态和液态之间的物质，是具有规则性分子排列的有机化合物。如果把它加热会呈现透明的液体状态，把它冷却则会出现结晶颗粒的混浊固体状态。液晶按照分子结构排列的不同分为三种类似粘土状的SMECTIC液晶，类似细火柴棒的NEMATIC液晶和类似胆固醇状的CHOLESTIC液晶。这三种液晶的物理特性各不相同，用于液晶显示器的是第二类的NEMATIC液晶，采用此类液晶制造的液晶显示器被称为了LCDLIQUIDCRYSTALDISPLAY。常见的液晶显示器按物理结构分为四种1扭曲向列型TNTWISTEDNEMATIC；2超扭曲向列型STNSUPERTN；3双层超扭曲向列型DSTNDUALSCANTORTUOSITYNOMOGRAPH；4薄膜晶体管型TFTTHINFILMTRANSISTOR。前三种类型在名称上只有细微的差别，说明它们的显示原理具有很多共性。不同之处是液晶分子的扭曲角度各异。其中，DSTN可以算是这三种类型的“杰出”代表。由这种液晶体所构成的液晶显示器对比度和亮度仍比较差、可视角度较小、色彩也欠丰富，但它因结构简单、价格低廉，故还占有着一定市场。第四种TFT是现在最为常用的类型。TFT是指液晶显示器上的每一液晶像素点都由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。TFT液晶显示器具有屏幕反应速度快，对比度好、亮度高，可视角度大，色彩丰富等特点，并克服了DSTN液晶显示器固有的一些弱点，比其他三种类型更具优势。确实可以算是当前液晶显示器的主流设备。132LCD原理介绍液晶显示器的原理与CRT显示器大不相同，主要特色在于体积小、薄，重量轻，低辐射等。LCD是基于液晶电光效应的显示器件，包括段显示方式的字符段显示器件，矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件，矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。液晶显示器的原理是利用液晶的物理特性。在通电时导通，液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得无序，从而阻止光线通过。液晶显示器是在一对平行放置的偏光板间填充了液晶。这一对偏光板的偏振光方向是相互垂直的。液晶分子在偏光板之间排列成多层。在同一层内，液晶分子的位置虽不规则，但长轴取向都是平行于偏光板的。正是由于分子按这种方式排列，所以被称为向列型液晶。另一方面，在不同层之间，液晶分子的长轴沿偏光板平行平面连续扭转90。其中，邻接偏光板的两层液晶分子长轴的取向，与所邻接的偏光板的偏振光方向一致。也正是因为液晶分子呈现的这种扭曲排列，而被称为扭曲向列型液晶显示器。一旦通过电极给液晶分子加电之后，由于受到外界电压的影响，分子不再按照正常的方式排列，而变成竖立的状态。液晶显示器的夹层贴附了两块偏光板，这两块偏光板的排列和透光角度与上下夹层的沟槽排列相同。在正常情况下光线从上向下照射时，通常只有一个角度的光线能够穿透下来，通过上偏光板导入上部夹层的沟槽中，再通过液晶分子扭转排列的通路从下偏光板穿出，形成一个完整的光线穿透途径。当液晶分子竖立时光线就无法通过，显示屏上出现黑色。其结果形成透光时为白、不透光时为黑，字符就可以显示在屏幕上了。133段码LCD驱动介绍MSP430的F42X系列，有128段驱动能力。液晶的驱动有4种方法静态，2MUX或1/2占空比，3MUX或1/3占空比，4MUX或1/4占空比。对于不同系列、不同型号的液晶驱动原理，控制方法都是一样的，不同点在于驱动液晶段数不一样，或可显示信息的多少不一样。图16LCD驱动框图在驱动电路中，液晶可以等效为电容。两个电极分别为公共极与段极。公共极由CMON信号驱动，段极由SEGN信号驱动。由此可以得到4种驱动方法。（1）静态驱动使用一个引脚作为液晶公共端COM0，而每一段段极需要另一个引脚驱动。图17LCDSTATICWAVEFORMS框图（2）2MUX驱动使用两个引脚作为液晶公共端COM0、COM1每两段段极需要另一引脚驱动。图18LCD2MUXWAVEFORMS框图（3）3MUX驱动使用三个引脚作为液晶公共端COM0、COM1、COM2，每3段段极需要另一引脚驱动。图19LCD3MUXWAVEFORMS框图（4）4MUX驱动使用4个引脚作为液晶公共端COM0、COM1、COM2，每4段段极需要另一引脚驱动。图110LCD4MUXWAVEFORMS框图第二章硬件设计图21主电路框图原理说明电压回路和电流回路经过互感器接入到ESP430计量模块进行采集，采集完后把数据送给CPU处理数据，在后把数据在LCD上显示。电源模块是为CPU、光耦等各种集成块供电的。RS232、RS485模块是对外通信的（譬如说把智能仪表上的数据传送到PC机上），用于做电能管理系统。脉冲模块是为了校准仪表的电能的误差。21采样信号处理图22计量电路原理图211电流采样电路图23电流采样电路原理图原理说明电流通道I1I1,I1，从图中我们可以看到经CT或者分流器后的差分电压从接口II1,II1输入，经10UH的电感和1K的保护电阻后接入FE42X芯片的I1和I1两引脚。这就是由通道ESP中三个独立的16位AD差分输入电流通过I1的采样电路。电流通道I2（I2,I2）的设计完全与电流通道I1相同。212电压采样电路图24电压采样电路原理图原理说明电流通道V1V1,V1，从图中我们可以看到经CT或者分流器后的差分电压从接口IV1,IV1输入，经10UH的电感和1K的保护电阻后接入FE42X芯片的V1和V1两引脚。这就是由通道ESP中三个独立的16位AD差分输入电流通过V1的采样电路。213采样后电流电压的处理接下来我们要计算几个电路常数，这些常数是电表参数（如有功电能、无功电能、电流、电压、频率、功率因子等）的修正系数，与计量电路有关。结合图22计量电路原理图，电路常数的计数如下电流通道I1电路常数KI1，我们这里选择300的锰铜分流器作为电流通道I1的采样方式。电流通道I2电路常数KI2，为了说明ESP应用方便，这个通道暂时不用，短接这个通道，即这个通道的采样为0，这样电流通道I1总是大于电流通道I2，故始终以电流通道I1为准。若电流通道I2选用CT2500/1，则可得电流通道I2电路常数KI2电压通道V1电路常数KV1当进入指定的ESP模块中断时，我们就可以读取状态寄存器和各电表参数（如有功电能、无功电能、电流、电压、频率、功率因子等），然后用电路常数KI1,KI2,KV1对相应的电表参数进行修正，得到真实的测量值。（1）电流有效值的算法实际电流有效值IRMS_HIKV1IRMS_HI001935547在实际情况中，由于线路和元器件的精度的影响，这个值与理论值KV1有些小的差异，在本例中我们最终使用的系数为00183518。（2）电压有效值的算法实际电压有效值V1RMSKV1V1RMS001935547在实际情况中，由于线路和元器件的精度的影响，这个值与理论值KV1有些小的差异，在本例中我们最终使用的系数为00183518。（3）有功功率有效值的算法本例的有功功率TOTAL_POWER1KI1KV1TOTAL_POWER1000006409734在实际情况中，由于线路和元器件的精度的影响，这个值与理论值KI1KV1有些小的差异，在本例中我们最终使用的系数为00060773597。22显示处理图25LCD显示与真值表图原理说明LCD驱动器产生驱动液晶显示器的段信号和公共信号。LCD控制器具有专用数据存储器保持段驱动信息。公共信号和段信号按照定义的模式产生。外围模块支持静态，二偏置、三偏置和四偏置电压模式。LCD通过改变透射率来实现显示的，因其本身不发光，所以功耗极低。大部分液晶会采用扫描方式驱动减少驱动所需管脚数目。根据扫面方式的不同，又分为静态、2MUX、3MUX、4MUX等驱动扫描方式。在目前的标准LCD中，静态扫描方式和4MUX驱动方式最常见。LCD中每个段有两个电极，静态方式下LCD所有段的其中一极全部连在一起，作为公共端（COM端）。另一极对外引出，每一个电极对应一段。在MSP430F42X系列单片机中，最多有32只引脚用于驱动，因此静态方式最多只能驱动4位数字显示。而4MUX驱动方式增加对各段扫描步骤，这样能减少引脚数量。4MUX驱动中COM公共端变成4个，扫描也分成4步，每四段公用一只引脚，每增加1位数字（8段），只需要增加两只引脚。在MSP430F42X系列单片机中，32只LCD段驱动引脚在4MUX方式最多能驱动16位数字显示，在这大部分应用中已经足够用。图264MUXLCDCONTROLLER图本电路采集电流电压显示位精度大概在8位左右，静态驱动方式需要64根引线，而本设计中单片机有32根段驱动引线，为了空出一些引脚节约资源，因此采用的是4MUX驱动方式的LCD显示器，24根或少于24引线，其结构如图27显示电路原理图所示，它是7位半液晶显示器。其中COM0COM3和单片机的公共端相连；S0S23与单片机相应的S0S23相连。由于LCD驱动需要V1V5的电压，它由外部分压电阻通过分压来提供，具体分压电路如图27显示电路原理图所示。图27显示电路原理图4MUX驱动方式的液晶，每4段并联在一起共用一根引脚，所以驱动每一位数字只需要2根段驱动引脚，本设计是7位半数字显示，因此只需要24根段驱动引脚。虽然LCD控制时序比较复杂，但MSP430单片机内部的LCD控制器能通过硬件自动地产生LCD驱动所需的全部时序。只需要操作LCD控制寄存器即可选择液晶选择驱动模式。一旦模式（如本设计的4MUX方式）被选定，产生时序的过程的全自动的，无需软件干预。对软件来说，只需要些显示缓存区即可直接控制LCD各段的亮灭。23MODBUS通信处理231隔离保护电路处理图28光耦隔离电路图原理说明光耦合器（OPTICALCOUPLER，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。光耦合器的主要优点是信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器SSR、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。1、光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用,以光作为媒介传递信号的光电器件。光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管,光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。2、光电耦合器实际上是一个电量隔离转换器,它具有抗干扰性能和单向信号传输功能,广泛应用在电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器等场合332485电路处理图29485通信电路图（1）原理说明RS485采用差分信号负逻辑，2V6V表示“0”，6V2V表示“1”。RS485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓朴结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。在由单片机构成的多机串行通信系统中，一般采用主从式结构从机不主动发送命令或数据，一切都由主机控制。并且在一个多机通信系统中，只有一台单机作为主机，各台从机之间不能相互通讯，即使有信息交换也必须通过主机转发。在总线末端接一个匹配电阻，吸收总线上的反射信号，保证正常传输信号干净、无毛刺。匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当。（2）通信规则由于RS485通讯是一种半双工通讯，发送和接收共用同一物理信道。在任意时刻只允许一台单机处于发送状态。因此要求应答的单机必须在侦听到总线上呼叫信号已经发送完毕，并且没有其它单机发出应答信号的情况下，才能应答。半双工通讯对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求。如果在时序上配合不好，就会发生总线冲突，使整个系统的通讯瘫痪，无法正常工作。要做到总线上的设备在时序上的严格配合。233MODBUS通信协议一、协议简介MODBUS协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程,如果回应来自其它设备的请求,以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在一MODBUS网络上通信时,此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。如果需要回应,控制器将生成反馈信息并用MODBUS协议发出。在其它网络上,包含了MODBUS协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。仪表使用的是MODBUSRTU通讯协议，MODBUS协议详细定义了校验码、数据序列等，这些都是特定数据交换的必要内容。MODBUS协议在一根通讯线上使用主从应答式连接（半双工），这意味着在一根单独的通讯线上信号沿着相反的两个方向传输。首先，主计算机的信号寻址到一台唯一的终端设备（从机），然后，终端设备发出的应答信号以相反的方向传输给主机。MODBUS协议只允许在主机（PCPLC，等）和终端设备之间通讯，而不允许独立的终端设备之间的数据交换，这样各终端设备不会在它们初始化时占据通讯线路，而仅限于响应到达本机的查询信号。图210主从查询回应周期表（1）查询查询消息中的功能代码告知被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码03是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告知从设备的信息从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。（2）回应如果从设备产生一正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据如寄存器值或状态。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。二、传输方式传输方式是指一个数据帧内一系列独立的数据结构以及用于传输数据的有限规则，下面定义了与MODBUS协议RTU方式相兼容的传输方式。每个字节的位1个起始位8个数据位，最小的有效位先发送无奇偶校验位1个停止位错误检测ERRORCHECKINGCRC（循环冗余校验）1、协议当数据帧到达终端设备时，它通过一个简单的“端口”进入被寻址到的设备，该设备去掉数据帧的“信封”（数据头），读取数据，如果没有错误，就执行数据所请求的任务，然后，它将自己生成的数据加入到取得的“信封”中，把数据帧返回给发送者。返回的响应数据中包含了以下内容终端从机地址ADDRESS、被执行了的命令FUNCTION、执行命令生成的被请求数据DATA和一个校验码CHECK。发生任何错误都不会有成功的响应。或者返回一个错误指示帧。2、地址（ADDRESS）域地址域在帧的开始部分，由一个字节（8位二进制码）组成，十进制为0255，在我们的系统中只使用1247，其它地址保留。这些位标明了用户指定的终端设备的地址，该设备将接收来自与之相连的主机数据。每个终端设备的地址必须是唯一的，仅仅被寻址到的终端会响应包含了该地址的查询。当在同一条总线上终端发送回一个响应，响应中的从机地址数据便告诉了主机哪台终端正与之进行通信。3、功能（FUNCTION）域功能域代码告诉了被寻址到的终端执行何种功能。下表列出了用到的功能码，以及它们的意义和功能。4、数据DATA域数据域包含了终端执行特定功能所需要的数据或者终端响应查询时采集到的数据。这些数据的内容可能是数值、参考地址或者设置值。例如功能域码告诉终端读取一个寄存器，数据域则需要指明从哪个寄存器开始及读取多少个数据，内嵌的地址和数据依照类型和从机之间的不同内容而有所不同。5、错误校验CHECK域该域允许主机和终端检查传输过程中的错误。有时，由于电噪声和其它干扰，一组数据在从一个设备传输到另一个设备时在线路上可能会发生一些改变，出错校验能够保证主机或者终端不去响应那些传输过程中发生了改变的数据，这就提高了系统的安全性和效率，错误校验使用了16位循环冗余的方法（CRC16）。24键盘输入电路图211键盘输入电路图原理说明键盘输入电路连接于MSP430F42X的P10和P11口通过一个10K的电阻（上拉电阻）接于高电平，这样的话当MSP430F42X的P10和P11无输入时，单片机读到的是高电平，即为1。当MSP430F42X的P10和P11口为0时表示当前正被扫描的按键被按下，如此逐个按键扫描，从而实现的键盘输入的功能。25电源电路图212电源电路图原理说明电源模块比较简单。电源输入方式有两种，第一种是通过变压器DC座作输入，输入直流电压不能超过12V通过C200、C202滤波后加到LM317输入端LM317输出端输出稳定的33V电压可直接供单片机和各模块使用。第二种供电方式是直接取电脑USB口电流，电脑USB口能直接提供稳定的5V电源，经LM317输入端LM317输出端输出稳定的33V电压可直接供单片机和各模块使用。特别需要注意的是USB输出的电压可能略低于5V，我测量过多次，一般在46V至48V之间，对于一般模块基本没什么问题，但如果驱动5V继电器，就有可能驱动不了。还有，USB的最大驱动电流是500MA,特别是驱动液晶等耗电较大的模块时，需要将数码管、LED发光二极管等耗电较大的模块关闭，否则可能导致供电不足，无法得到正确的运行结果。第三章软件设计本系统在硬件上最终是由主机和从机两个模块组成。因此，在软件上对主机和从机是分开编程的，从而在最后完成各自的功能。（1）主机主程序设计图31机主程序框图主机主程序主要由5个部分组成主机初始化函数、采样信号处理函数、键盘扫描函数、显示函数、功能设置函数。其中，主机初始化函数只在刚上电时执行一次，之后便不再执行；而采样信号处理函数、键盘扫描函数、显示函数、功能设置函数则在主机初始化函数执行完毕之后由上到下顺序无限循环执行，随时响应外来数据，实现系统所要完成的各个模块的功能。（2）从机主程序设计图32从机主程序框图从机主程序主要由5个部分组成从机初始化函数、读控制信息函数、读电器状态函数、电器状态信息发送程序函数、电器控制程序函数。其中，从机初始化函数只在刚上电时执行一次，之后便不再执行；而读控制信息函数、读电器状态函数、电器状态信息发送程序函数、电器控制程序函数则在从机初始化函数执行完毕之后由上到下顺序无限循环执行，随时响应外来数据，实现系统所要完成的各个模块的功能。31主机初始化图33主机初始化函数框图主机初始化函数由以下几部分组成IO端口初始化、LCD初始化、频率（FLL）初始化、定时器初始化、电能芯片（ESP1）初始化、按键初始化、UART初始化。IO端口初始化主要做的是对一些端口寄存器进行赋值操作，使能单片机中相应的IO端口功能使能；频率初始化主要做的是提供单片机稳定的工作频率；定时器初始化主要做的是扫描LCD和按键处理函数；ESP初始化完成后，我们就可以使ESP进入测量模式，开始电表参数（如有功电能、无功电能、电流、电压、频率、功率因子等）的测量；键盘初始化和UART初始化比较简单，只是定义了它与单片机连接的端口地址和一些全局变量。32采样信号处理图34ESP采样流程框图从图34ESP测量流程图体现我我们应用ESP进行电表参数测量所需要做的工作，首先在ESP关闭的情况下完成模拟前端的初始化，接着使能ESP模块，并使它在空闲状态，初始化参数寄存器。此时准备工作已经完成，可以让ESP进入测量状态。当进入指定的ESP模块中断时，我们就可以读取状态寄存器和各电表参数（如有功电能、无功电能、电流、电压、频率、功率因子等），然后用电路常数KI1,KI2,KV1对相应的电表参数进行修正，得到真实的测量值。后台程序包括ESP中断服务程序、SD16中断服务程序、TIMERA中断服务程序、BASICTIMER中断服务程序、PORT1中断服务程序。331ESP中断服务程序图35ESP中断服务流程框图ESP中断服务程序ESP中断程序首先判断是否有事件中断，若有事件中断，则继续判断是否是新的能量产生，若是，则读取有功，无功，电压，电流等。接着判断是否是温度测量的中断。332SD16中断服务程序SD16中断服务程序当电网没有电压时，ESP被关闭，此时用SD16测量温度实现对实时时钟的温度补偿。在SD16中断服务程序中，仅读取温度采样值。333TIMERA中断服务程序图36校表脉冲流程框图TIMERA中断服务程序校表脉冲在TIMERA中断中实现。把新1秒产生的能量分割成若干等份（建议在2000等份以上），通过定时中断，一份一份的累计能量，以方便判断累计的能量是否已经达到输出一个脉冲的能量值。定时器的定时间隔尽量匹配到1秒中断次数与等分数相近。等分数越多，等分的步长越小，脉冲产生越精确。334BASICTIMER中断服务程序图35BASICTIMER中断服务程序流程框图BASICTIMER中断服务程序在BASICTIMER中断服务程序中，主要完成一下内容1判断电网电压是否存在，若存在，则在ESP启动状态，若电网无电压，则关闭ESP；2判断是否达到新一次温度测量（为实时时钟温度补偿）的间隔；3判断是否应该跳过一秒（对晶体振荡测试结果累计已达到快一秒时需要跳过一秒34PORT中断服务程序开始有键按下YN和上次相同NYKEYOLD0NKEYOLD0KEYOLDKEYOLD按键延时KEYOK1保存键值返回YNY图36键盘扫描程序函数框图按键程序设计思路为了尽量释放CPU资源，一般都不在键盘程序中延时，而是通过定时器隔一段时间调用（比如10毫秒）来扫描按键；通过对各个标志位的修改和判断，来实现消抖功能。结论与展望41结论毕业设计是高校学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整制作出开放式综合试验产品模型，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。本论文先按照仪表功能制定总体方案,并反复论证方案,以确定正确较优的方案,然后分别进行硬件和软件的具体设计。硬件方面按照仪表的性能指标,分析选择器件,保证仪表的整体精度。软件方面首先确定仪表的功能,画出总体流程图,在划分模块,进行模块化设计。虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种电路的适用条件，各种芯片的选用标准，各种器件的封装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。和老师的沟通交流更使我从用户人群的角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求。这些本是我工作后才可能考虑到的问题，通过这次毕业设计让我提前了解了这些经验，这是很珍贵的。提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。经过两个多月的学习与设计，基本上达到了预期的要求，本文的内容主要是设计通用的适合入门用的单片机学习板。设计完成后的系统具有资源广泛、性价比高、使用方便等特点。基本能够符合学生实验使用与做单片机教学器件使用的需要。顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的鼓舞，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。42展望由于本人能力和时间有限，该设计还有一些工作没有完成（1）本设计为单相电能表，但只做了电流、电压测试，还有部分软件没有完善；（2）装置的误差修正只进行了分析和仿真测试，没有进行实验测试；（3）硬件方面只是简单的实现了各功能的应用，还没有考虑怎样去抑制EMC的干扰；总之，整个系统要完全达到实用化水平，还有许多具体的工作，本论文只从理论上提出了研制方法，用实验进行了部分验证。经到国家电网研究所要求产品试验测试，其精度电压、电流要达到002级，频率、单相功率、电能等要达到005级。这种具有高性能、高准确度的功能电能表必将逐步取代传统指针式的电能表。随着电力事业的发展，人们对电能计量的准确度要求越来越高，功能要求越来越多而世界范围的发展趋势也是开发研制功能更全面的，精度更高的、实时性更好的智能化的电能测量工具。新的电能测量工具的出现将推动我国的电能表制造水平跨入世界行列。致谢在此论文即将完成之际，首先向我的指导老师胡春花致以诚挚的感谢，感谢胡老师在这课题的研究设计过程中给与了我极大的支持、信任和关心，在设计过程中耐心帮我解决遇到的难题和提出新的要求。胡老师谦虚、严谨的治学态度、渊博的知识、不断钻研、精益求精的研发精神深深感动我，影响我，这将在我求学的路上和人生路上起很大的引导作用我的父母在我的求学路上，付出了极大的艰辛，感谢他们一直以来对我的养育之恩，对我的支持和鼓励，在此，祝愿他们身体健康在学校里，我学到很多知识，也得到了很多老师和同学的关心和帮助，借此机会，向所有关心我，爱护我，帮助我的人表示衷心的感谢在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢所有帮助我的你们参考文献1赵茂泰等智能仪器原理及应用北京电子工业出版社，1999，1762赖金福等数字集成电路简明手册北京电子工业出版社，1999，35493电力整流设备运行效率的再现测定GB北京国家质量测定监督局，19964沈兰荪仪器仪表智能化的进展测控技术，199918（1）25275鲍雅萍,候裙智能仪器设计方法的探讨河南科学，20013（6）68716厉美云电能仪表发展初探华东电力，19977（3）21347李永敏主编检测仪器电子线路西安西北工业大学出版社，1996，47558何立民编著MCS51系列单片机应用系统设计北京北京航空航天大学出版社，9何立民编著单片机应用系统抗干扰技术北京北京航空航天大学出版社，2000，586310沙占友编著数字化测量技术与应用北京机械工业出版社，2004，748011中华人民共和国电力行业标准GB31003102多功能电能表通信规约北京中国标准出版社，1997110112中华人民共和国电力行业标准GB31003102多功能电能表北京中国标准出版社，13朱名锉自动检测系统及应用电力技术,1998,212293114赵尔玩等数字